钢的热处理――钢的加热转变.

第一章钢的加热转变概述：热处理工艺一般由加热、保温和冷却三个阶段组成，其目的是为了改变金属或合金的内部组织结构，使材料满足使用性能要求。除回火、少数去应力退火，热处理一般均需要加热到临界点以上温度使钢部分或全部形成奥氏体，经过适当的冷却使奥氏体转变为所需要的组织，从而获得所需要的性能。奥氏体晶粒大小、形状、空间取向以及亚结构，奥氏体化学成分以及均匀性将直接影响转变、转变产物以及材料性能。奥氏体晶粒的长大直接影响材料的力学性能特别是冲击韧性。综上所述，研究奥氏体相变具有十分重要的意义。本章内容提要1.奥氏体(A)的结构，组织形态与性能2.平衡态组织的加热时奥氏体的形成过程长大机制3.奥氏体等温形成动力学图和特点，影响奥氏体转变速度的因素，非共析钢和共析钢等温形成动力学的区别，4.连续加热时奥氏体的形成特点（了解）5.非平衡组织加热时奥氏体的形成（了解）6.奥氏体晶粒度的概念，A晶粒长大，影响A晶粒长大的因素，A晶粒长大的控制。7.过热、过烧及其校正、组织遗传和相遗传（了解）1-1热处理的条件1、热处理的条件（1）有固态相变发生的金属或合金（2）加热时溶解度有显著变化的合金例（1）纯金属：有无同素异构转变。Al、Cu等金属不能热处理强化只能形变强化。（2）合金：根据合金相图判断，有无固体相变或溶解度变化。注：不包括低温的去应力退火等为什么钢可以热处理1.a→g固态相变可以发生相变重结晶过程2.C溶解度发生显著变化。可以固溶强化热处理温度区间：A1TTNHEF钢的热处理第一步？L+Fe3CFe-Fe3C相图1-2奥氏体形成的热力学条件1热力学条件TA1(即存在过热度△T)△GV克服新相晶核界面的表面能和新相生成需克服的弹性能。加热速度越大，过热度越大；同理冷却速度越大，过冷度越大。奥氏体形成的体系自由能：△G=-△GV＋△GS＋△Ge式中：△Gv为相变驱动力，为△Gγ－△GP;GA为奥氏体自由能，GP为珠光体自由能。发生转变时：tA1(727℃)，A1即奥氏体转变临界点。实际转变温度与临界点A1之差称为过热度，过热度越大，驱动力也越大，转变也越快。△GV0，△T0，γ→P△GV=0，△T0，P、γ平衡△GV0，△T0，P→γ满足条件；因此，奥氏体形成的热力学条件：必须在一定的过热度（TA1）条件下才能发生。临界温度：A1、A3、Acm实际中，对加热和冷却速度的影响用Ac和Ar表示。Ac1、Ac3、Acm-加热Ar1、Ar3、Acm-冷却钢在加热和冷却时临界温度的意义Ac1——加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度；Ar1——冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度；Ac3——加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体的终了温度；Ar3——冷却时奥氏体开始析出先共析铁素体的温度；Accm加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度Arcm——冷却时奥氏体开始析出二次渗碳体的温度。合金元素对Ac3和Ac1影响的经验公式稳定奥氏体的元素降低Ac3、Ac1，在公式中为负号。稳定铁素体或碳化物的元素提高Ac3、Ac1，在公式中为正号。1-3奥氏体形成机理一、奥氏体的结构、组织、性能：1.奥氏体的结构定义：C及合金元素溶于γ–Fe形成的固溶体。（1）C原子位于γ–Fe点阵的中心和棱边的中点(八面体间隙处)（2）C原子进入γ–Fe点阵间隙位置引起γ–Fe点阵膨胀；C%增加，奥氏体点阵常数增大，但奥氏体的最大溶C量(溶解度)为2.11%（3）C原子在奥氏体中分布是不均匀的，存在浓度起伏；（4）合金元素原子(Mn、Si、Cr、Ni等)溶入奥氏体中取代Fe原子的位置，形成置换式固溶体，称合金奥氏体。2奥氏体的组织形态奥氏体的组织形态与原始组织、加热速度、加热转变的程度有关。一般由多边形等轴晶粒组成。这种形态也称为颗粒状，在晶粒内部有时可以看到相变孪晶。非平衡态时低碳钢以适当的速度加热到（α＋γ）两相区可得到针状奥氏体。3奥氏体的性能（一）力学性能良好的塑性，低的屈服强度和硬度，容易进行塑性变形。利用上述性质进行压力加工（锻造）奥氏体可作为高温用钢。（二）物理性能顺磁性：奥氏体钢（又称无磁性钢）与钢的其他组织相比，比容最小：利用这一点调整残余奥氏体的量比其他组织线膨胀系数大：热膨胀灵敏的仪表元件奥氏体的热强性好：热强钢除渗碳体外导热性能最差：奥氏体不可采用过大的加热速度加热二奥氏体的形成机理1奥氏体的形核1.形核条件：奥氏体晶核的形成条件是系统的能量、结构和成分起伏。2.形核位置：（a）F/Fe3C界面（优先位置、通过扩散机制）；（b）珠光体团交界处；（c）先共析F/珠光体团交界处。3.优先在铁素体与渗碳体相界面处形核的原因：（a）界面上存在碳的浓度起伏、结构起伏；易满足形成奥氏体所需的碳浓度；（b）界面存在缺陷，能量高，提供能量起伏；此处原子排列紊乱，位错、空位浓度较高，易满足形成奥氏体所需的能量（c）有Fe3C溶解后的补充碳原子。4.有时在铁素体内部也能形核，只要满足：（a）温度高，提供足够的相变驱动力；（b）有嵌镶块，提供足够的浓度条件和晶核尺寸。5.奥氏体形核有铁原子和碳原子扩散机制。2、奥氏体的长大α+Fe3C→g晶体结构：体心立方复杂斜方面心立方含碳量：0.0218%6.69%0.77%奥氏体长大过程是依靠原子扩散完成的，原子扩散包括(1)Fe原子自扩散完成晶格改组；(2)C原子扩散使奥氏体晶核向α相和Fe3C相两侧推移并长大。C的扩散一旦奥氏体晶核形成，则出现a—g和g-Fe3C两个新界面。界面的C%由相图决定。Cg-Fe3C—与Fe3C相接的奥氏体的C%；Cg-a—与F相接的奥氏体的C%；Ca-Fe3C—与Fe3C相接的F的C%；Ca—g—与奥氏体相接的F的C%；由于奥氏体中两个相界面处C%不同，Cg-Fe3CCg-a。（1）C从g-Fe3C向g-a扩散。Cg-Fe3C↓，Cg-a↑。（2）扩散破坏了两个相界面的平衡浓度，为了恢复平衡浓度，高碳的Fe3C溶入奥氏体，低碳的铁素体转变为奥氏体。奥氏体晶格改组：(1)一般认为，平衡加热过热度很小时，通过Fe原子自扩散完成晶格改组。(2)也有人认为，当过热度很大时，晶格改组通过Fe原子切变完成。奥氏体晶核的长大速度：奥氏体晶核向F和Fe3C两侧的推移速度是不同的。K—常数；D—C在奥氏体中的扩散系数；dc/dx—相界面处奥氏体中C的浓度梯度；△CB—相界面浓度差；“-”表示下坡(高浓度向低浓度处)扩散。BBcCKCdxdcKDG-/1gBBcCKCdxdcKDG-/1gBFCBFeCBFeBFCFeFCCKCCKGG333//向F一侧的推移速度与向Fe3C一侧的推移速度之比：由于6.69-Cg-Fe3C》Cg-a-Ca—g;Fe3C晶体结构复杂，所以奥氏体向铁素体一侧的长大速度远大于向渗碳体一侧的长大速度。因此当铁素体消失时，还有部分渗碳体残余。3残余Fe3C溶解和奥氏体均匀化α→γ结束后，还有相当数量的Fe3C尚未溶解，这些Fe3C被称为残余Fe3C。另外在原来Fe3C的部位，C%较高，而原来F部位C%较低，必须经过适当的保温后，奥氏体中的C%才能趋于均匀。综上所述，奥氏体形成分为四个阶段:（1）奥氏体在铁素体—渗碳体界面上形核；（2）奥氏体向铁素体和渗碳体两侧长大；（3）剩余渗碳体的溶解（4）奥氏体中碳的扩散均匀化。共析钢奥氏体的形成示意图FFe3C未溶Fe3CA残余Fe3CAAAA形核A长大残余Fe3C溶解A均匀化非共析钢的奥氏体化过程和共析钢的奥氏体化对比，非共析钢的奥氏体化过程分两步进行，首先完成P→A，这与共析钢相同；然后是先析相的奥氏体化过程。这些都是靠原子扩散实现的。值得指出的是，非共析钢的奥氏体化碳化物溶解以及奥氏体均匀化的时间更长。亚共析钢：F+P→F+A→A过共析钢：Fe3C+P→Fe3C+A→A1-4奥氏体形成动力学研究奥氏体转变动力学的原因：（1）Fe-C相图只给出了热力学的平衡状况，无法给出奥氏体组织状况（均匀性、晶粒大小等），须考虑时间的影响；（2）实际热处理中须控制奥氏体化程度，这就须了解奥氏体形成速度。研究方法：（1）选择固定成分的钢试样若干块；（2）选择不同的奥氏体化温度（T）、时间（t）（3）测定不同T、t下奥氏体转变量和转变程度；（4）给出奥氏体成分的动力学动力学曲线。0.86%钢奥氏体等温形成动力学曲线共析钢A等温形成动力学图1.奥氏体等温动力学曲线及特点1.奥氏体等温转变动力学曲线特点：（1）转变初期和转变后期，转变速度不大，在转变量达到50%时转变速度最大。原因：初期和后期，奥氏体核心少。（2）奥氏体转变存在孕育期，温度越高，孕育期越短。（3）转变温度越高，完成转变时间越短。（2）和（3）原因：①T↑，自由能差大，驱动力↑②T↑，过热度大，临界形核尺寸小，所需浓度起伏低。③T↑，扩散速度快，奥氏体内浓度梯度大，相界面上浓度差大。（4）奥氏体形成时间很短（10s），渗碳体溶解时间长，奥氏体均匀化时间最长。（5）连续加热时，V加热↑，T转变开始↑，t转变↓，另连续加热转变是在一个温度范围内进行的。2.影响奥氏体形成速度的因素：影响奥氏体转变速度的因素包括温度、原始组织、含碳量和合金元素.（1）加热温度的影响T↑，△T↑，N↑，△G↑。从等温转变图可知，加热温度T升高，奥氏体等温形成的孕育期变小，相变完成时间变短。（2）原始组织的影响①原始组织越细，碳化物越分散，珠光体的层片间距S0越小，相界面越多，形核率I越大，同时碳的浓度梯度dc/dx增加，长大速度G均增加；②和粒状珠光体比，片状珠光体相界面大而薄，易于溶解，因此，原始组织为片状珠光体形成速度比粒状珠光体快。（3）元素的影响C%：随着含碳量的增加，碳化物量增加，珠光体中渗碳体量相对相界面增加形核率增加。碳原子扩散距离减小，扩散速度提高，但渗碳体溶解及奥氏体均匀化时间增加。合金元素：①不影响珠光体转变奥氏体机制。②影响碳化物稳定性。③影响奥氏体中的扩散系数减小。①通过对碳扩散速度影响奥氏体的形成速度强碳化物形成元素Cr、Mo、W等，降低碳在奥氏体中扩散系数，推迟珠光体转变为奥氏体；非碳化物形成元素Co、Ni等增大碳在奥氏体中的扩散系数，使奥氏体形成速度加快；Si、Al等对碳原子的扩散系数影响不大，因此对奥氏体的形成无明显的影响。②合金元素通过改变碳化物稳定性影响奥氏体的形成速度通常使碳化物稳定提高的元素，将延缓奥氏体的形成。钢中加入W、Mo和其它强碳化物形成元素，由于在钢中可以形成稳定性极高的特殊类型的碳化物，加热时不易溶解，将使奥氏体形成速度减慢。③对临界点的影响合金元素的加入改变了临界点A1、A3、Acm的位置，并使它们成为一个温度范围，当温度一定时，临界点的变化相当于过热度的改变。Ni、Mn、Cu等降低A1温度；Cr、Mo、Ti、Si、Al、W、V等升高A1温度。④合金元素通过对原始组织的影响也影响奥氏体的形成速度Ni、Mn等往往使珠光体细化，有利于奥氏体的形成。连续加热形成和等温形成的关系连续加热的A转变有如下特点：(1)临界点随加热速度增加而增加；(2)连续加热时奥氏体形成是在一个温度范围内进行的；(3)加热速度越快，孕育期越短。转变开始温度和转变终了温度越高，转变终了时间越短。转变时间愈短；(4)加热速度愈大，奥氏体成分不均匀性增加。Cr-a降低，Cr-cem升高。(转变被推向高温，CA-F与CA-C差别加大)；(5)加热速度愈大，A愈细(与形核有关)。连续加热时可获得超细晶粒。(6)在超快速加热条件下，铁素体转变为奥氏体的点阵改组属于无扩散型相变。1-5奥氏体晶粒度1奥氏体晶粒度奥氏体晶粒大小用晶粒度表示，通常分8级评定，1级最粗，8级最细。若晶粒度在10以上则称“超细晶粒”。晶粒度级别与晶粒大