1、金属热处理概述,热处理只改变材料组织性能，而不改变其形状和大小。基本过程为：加热 保温 冷却 零件经适当热处理后，可以提高强度和硬度，增强耐磨性或改善塑性，切削加工性等。,热处理方法,热处理,普通热处理,表面热处理,特殊热处理,表面淬火,化学热处理,火焰加热,感应加热(高、中、低频),回顾铁碳合金在固态下的几种基本组织 1.铁素体铁素体是碳溶解在-Fe中的间隙固溶体。常用符号F或-Fe表示。 特征：1）仍保持-Fe的体心立方晶格，2）容碳能力很小，最大固溶碳量在727时为wc=0.02% （0.0218%），常温下为0.0008%。3）性能与纯铁相似，塑性、韧性好，延伸率=45%-50%，强度
2、、硬度较低，抗拉强度b=250Mpa，布氏硬度HB=80。,2.奥氏体是碳溶解在-Fe中所形成的固溶体，常用符号A或-Fe表示。 3.渗碳体渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，其化学式Fe3C。 特征：1)含碳量wc=6.69%2)熔点：12273)晶格为复杂的正交晶格4)硬度很高HB=800,脆性很大，塑性、韧性几乎为零。,4.珠光体 珠光体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体组织，常用符号P表示。 特征： 1）形态通常为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的机械混合物。 2）含碳量wc=0.77%。 3）力学性能介于铁素体和渗碳体之间，取决于珠光体片层间距的 大小。,5.莱氏体 1）含
3、碳量wc=4.3%。 2）组成：当温度高于727时，莱氏体由奥氏体和渗碳体组成， （用符号Ld表示）；当温度低于727时，莱氏体由珠光体和渗碳体组成，（也称变 质莱氏体用符号 Ld表示）。 3) 硬度很高，脆性很大，塑性很差。,钢临界温度 FeFe3C相图上的临界温度,亚共析钢： 原始组织F+P PSK线（A1）P GS线（A3）F 过共析钢： 原始组织Fe3CF+P PSK线（A1）P ES线（Acm）Fe3C溶入,共析钢：PSK线（A1） P(+Fe3C),第二章 钢的加热转变,钢在加热过程中，由加热前的组织转变为奥氏体被称为钢的加热转变或奥氏体化过程。,实际加热、冷却条件下的临界温度加热
4、时的临界温度用脚标C表示，AC1、AC3、ACcm；冷却时的临界温度用脚标r表示，Ar1、Ar3、Arcm。,在加热（冷却）速度为0.125/min时，对临界点A1，A3，Acm的影响,一、奥氏体的性能Fe-C合金中的奥氏体在室温下是不稳定相。但是在Fe-C合金中加入足够数量的能扩大相区的元素，可使奥氏体在室温，甚至在低温成为稳定相。因此，奥氏体可以是钢在使用时的一种重要组织形态。以奥氏体状态使用的钢称为奥氏体钢。 （1）磁性：奥氏体具有顺磁性，故奥氏体钢又可作为无磁钢。如：1Cr18Ni9Ti、OCr25Ni20等不锈钢。 （2）比容：在钢的各种组织中，奥氏体的比容最小。可利用这一点调整残余
5、奥氏体的量，以达到减少淬火工件体积变化的目的。,2-1 奥氏体的形成,（3）膨胀：奥氏体的线膨胀系数比铁素体和渗碳体的平均线膨胀系数高出约一倍。故奥氏体钢也可被用来制作要求热膨胀灵敏的仪表元件。 （4）导热性：除渗碳体外，奥氏体的导热性最差。因此，为避免热应力引起的工件变形，奥氏体钢不可采用过大的加热速度加热。 （5）力学性能： 奥氏体具有高的塑性、低的屈服强度，容易塑性变形加工成形。因为面心立方点阵是一种最密排的点阵结构，至密度高，其中铁原子的自扩散激活能大，扩散系数小，从而使其热强性好。故奥氏体钢可作为高温用钢,二. 奥氏体的结构 1）保持-Fe的面心立方晶格 2）碳溶解于-Fe面心立方晶
6、格的八面体间隙（有效间隙半径0.53A,碳原子半径0.77A）之中（见下图2-1）,图2-1 碳原子在Fe中可能的间隙位置,3）容碳能力较大：在727时溶碳为wc=0.77%，1148时 wc=2.11%。,奥氏体溶碳能力理论值计算： 碳原子位于面心立方点阵晶胞的中心或棱边的中点：一个晶胞共有13个C原子、C的原子量为12,其C原子总重量 1312=156 14个Fe原子Fe的原子量55.8781.2 （156781.2）10019.9720,理论上最大溶解度应为wc=20，但是实际上C在Fe中的最大溶解度仅2.11。,这是由于Fe八面体中的空隙半径0.53A，而碳原子半径为 0.77A，不是
7、所有的八面体中心都能容纳入一个C原子。 C原子在A中的分布是不均匀的，存在着浓度起伏，可能存 在与平均浓度高出数倍的微区。 C原子的溶入，使Fe的点阵发生畸变，点阵参数增大。,三.奥氏体的组织形貌奥氏体是钢在加热时形成的，通常作为热处理的过渡组织。钢通过加热，保温和冷却，可以在很大范围内改变它的组织和性能，但无论是退火、正火、淬火、渗碳等，都首先要把钢件加热到奥氏体状态。其组织形态与原始组织、加热速度、加热转变的程度有关。,组织形态 有三种,通常为颗粒状,充分长大后为等轴多边形状,快速加热时可形成针状,在一般的情况下奥氏体的组织是由多边形的等轴晶粒所组成，在晶粒内部有时可以看到相变孪晶。如图所
8、示。,奥氏体显微组织 （晶内有孪晶） 1000,四. 奥氏体的形成条件,1.奥氏体的形成可以根据铁碳合金相图来说明：是由缓慢冷却所得到的P、F、Fe3C平衡组织，在加热时转变为奥氏体的过程。转变为A的次序：P 先共析F或Fe3C A。 2. P A转变的驱动力为:自由焓差Gv=Gp-Gr (奥氏体形成的热力学条件),从FeFe3C状态图可知，珠光体被加热到A1（727）以上时将转变为奥氏体。,(一)奥氏体形成的热力学条件,珠光体（P）和奥氏体（）自由能 随温度的变化曲线（示意图）,珠光体与奥氏体的自由能均随温度的升高而降低，但是下降的速度不同，相交于某一温度，该交点所对应的温度即A1（727）
9、。右图是珠光体、奥氏体的自由能与温度的关系。,奥氏体形成时系统总的自由能变化为 G=GV +GS +Ge 式中：GV新相奥氏体与母相珠光体之间的体积自由能差；GS 为形成奥氏体时所增加的界面能； Ge形成奥氏体时所增加的应变能。 其中:GV奥氏体转变的驱动力，GS 与Ge是相变的阻力。因为奥氏体是在高温下形成的，Ge一项较小，相变的主要阻力是GS，若只考察相变的方向，可忽略不计。,从能量方程可以看出：当T0 G0 珠光体不能转变为奥氏体；当T=T0时，GV=GA-GP=0 G0 珠光体不能转变为奥氏体；当TT0时，GV=GA-GP0 G0 珠光体可能转变为奥氏体；,T（过热度） ，则Gv ，转
10、变速度也就愈快。,因此奥氏体形成的热力学条件是：必须在A1温度以上，即在一定的过热条件下奥氏体才能形成。只有当珠光体与奥氏体的体积自由能之差能克服界面能和应变能时，珠光体向奥氏体转变才能使系统向低能状态转变，奥氏体才能自发地形成。,图2-2 铁碳合金相图,测定Fe-Fe3C相图各临界点（A1、A3、Acm）的加热速度是非常缓0.125/min，而实际工作中加热速度0.125min，所以存在过热度，同样冷却过程也大0.125min，也存在着过冷度，其实际临界点的位置分别为Ac1、Ac3、Accm、Ar1、Ar3、Arcm（见图2-3）,图2-3 碳钢在加热和冷却时临界点的位置,在加热（冷却）速度
11、为0.125/min时，对临界点A1，A3，Acm的影响,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）形核部位奥氏体晶核通常优先在铁素体和渗碳体的相界面上形成，此外，在珠光体团的边界，过冷度较大时在铁素体内的亚晶界上也都可以成为奥氏体的形核部位。,在铁素体和渗碳体相界上优先形核的原因，可做如下的解释：界面两侧两相的碳含量相差很大（0.0218%和6.69%），因此在界面上碳浓度分布很不均匀，比较容易满足成分起伏；界面两侧晶体结构相差较大，原子排列不规则，原子的活动能力较强，比较容易满足结构起伏；界面上原子排列不规则，位错等晶体学缺陷密度较大，处于能
12、量较高的状态，比较容易满足能量起伏，同时新相晶核形成时，可以使部分晶体学缺陷消失，使系统的能量进一步下降，因此在相界面处是奥氏体形核的首选位置。,2-2形成机理,-0.02%c + Fe3C-6.69% c,奥氏体的核是在F与Fe3C的交界面上 通过碳原子的扩散机构形成的。,珠光体P,奥氏体A,+ Fe3C,-0.79% c,形成机理,因为F的C含量极低（0.02），Fe3C的C含量又极高（6.69）， 而奥氏体的C含量介于二者之间，当TA1时，为0.77，F不能直接转变为奥氏体，能在F与Fe3C交界面上，通过C原子扩散，达到奥氏体所需的C量时才能形成。可见:奥氏体转变是通过扩散进行的。,奥氏
13、体转变全过程四个阶段：奥氏体核的形成 奥氏体核的长大 渗C体的溶解 奥氏体成分的均匀化。,奥氏体晶核的形成 形核位置：优先在P中的F与Fe3C的相界面产生奥氏体晶核。 形核的有利条件：在相界面上的径错、空位密度较高，原子排列较不规整，各向获得形成奥氏体时所需要的能量和浓度的条件。,奥氏体核的长大奥氏体核的长大过程是受C在奥氏体中扩散所控制的。 A核的长大的通过以下三个途径进行： （1） 是通过Fe3C的溶解 （2）C原子在A中的扩散 （3） A两侧的界面向F及Fe3C推移来进行的。 如图2-5所示。,图2-5 共析钢加热时奥氏体碳浓度的分布,奥氏体的长大奥氏体晶核形成后便开始长大。奥氏体长大的
14、机制可做如下的解释。在AC1以上某一温度t1形成一奥氏体晶核。奥氏体晶核形成之后，将产生两个新的相界面，一个是奥氏体与渗碳体相界面，另一个是奥氏体与铁素体相界面。为讨论问题的方便，我们假定两个相界面都是平直的（参见图1-5）。根据Fe-Fe3C 相图可知，,奥氏体晶核的长大,设：在T1时发生P转变，在原有的Fe3C-界面上出现新的界面有：Fe3C-、-， 则：界面出的平衡浓度为：C-Fe3c C- C-Fe3c C-随着C扩散的进行，A-F接触处的C浓度增高，而A-Fe3C处的C浓度降低，破坏了平衡，为了恢复平衡，Fe3C势必不断地溶解，又有碳原子溶入奥氏体，使其含C量升高而恢复到Cr-Fe3
15、C；与此同时，发生奥氏体的C原子向F的扩散，促进这部分F转变为奥氏体，并使其自身的含C量降低而回复到C-。这样，C浓度失去平衡和恢复平衡的反复循环过程，就使奥氏体逐步地向Fe3C、F两边长大、推进，直至F消失而全部转变为奥氏体。, 渗碳体的溶解奥氏体核的长大过程中存在三个问题： （1）奥氏体核的长大过程中,铁素体向奥氏体转变速度远大于渗碳体的 转变速度，因为： C-C Fe3c-, F与A的晶体结构（F：体心立方，A：面心立方）差异较小； Fe3C 与A的晶体结构（Fe3C：复杂的正交晶格，A：面心立方）差异较大； （2）铁素体完全实现晶格点阵重建时，即认为奥氏体刚刚基本形成，此时奥氏体的平均
16、碳浓度低于共析成分C0,（3）奥氏体刚刚形成时，尚有一部分残留Fe3C。PA刚结束时，钢中还残留一些未溶解的碳化物（Fe3C）。此时A中的平均含碳量低于共析含碳量，这种现象是随着A形成温度的增高而加剧，当P中的铁素体F刚刚全部转变为A时，实测A的平均含C量随形成温度的增加而降低。如：735时为0.77C 850时为0.51C760时为0.69C 900时为0.46C780时为0.61C可见此时A中的C含量存在着：C含量不均匀， 平均C含量低于P中C含量。 因此与Fe3C接壤的A中的C继续向A内部扩散，未溶Fe3C继续溶入A中，直到Fe3C完全溶解为止。,奥氏体的均匀化当上述残余Fe3C全部溶解
17、时，A中的C浓度仍不均匀： （1）原来碳化物区域，含C量较高 （2）在原来F的中心地带，含C量较低这就是有时在淬火钢的金相组织中，发现有类似P的痕迹原因。继 续延长保温时间，通过C的扩散，可使A的含C量逐渐趋于均匀。 共析钢中奥氏体形成过程示意图如下图2-6：,连续加热奥氏体转变： 研究在连续加热条件下奥氏体转变量与温度和时间的关系,2-3奥氏体形成动力学（即奥氏体的形成速度） 相变的动力学研究的是：转变温度、转变量和转变时间的关系。 奥氏体形成动力学分为：等温形成动力学TTA图（Time-Temperature-Austenitization）连续加热形成动力学 一、奥氏体等温形成动力学 等
18、温形成动力学即在一定温度下的转变量和转变时间的关系（即在一定温度下的转变速度）。 研究表明，奥氏体的形成速度决定于奥氏体的形核率和晶核的线长大速度，它受钢的成分、原始组织状态、等温温度等条件的影响。,1、奥氏体等温形成动力学曲线 （1）共析碳钢奥氏体等温形成图建立试样：厚2mm左右，直径约为10mm的小圆片；原始状态：每个试样均有相同的原始组织状态；温度：在AC1以上设定不同的温度，如730、745、765、；时间：在每个温度下保持一系列时间，如1S、5S、10S、20S、；冷却：在盐水中急冷到室温；观察：在显微镜下测出试样中马氏体的数量（相当于高温下奥氏体的数量）；做图：做出每个温度下奥氏体
19、形成量和保温时间的关系曲线，即得到了奥氏体等温形成的动力学曲线。,为方便，通常把不同温度下转变转变相同数量所需时间，综合在温度和时间坐标系内，这样就得到了奥氏体等温形成图。,共析碳钢奥氏体等温形成图,（2）奥氏体等温形成的特点 在高于AC1温度保温时，奥氏体并不立即形成，而是需要经过一定时间后，才开始形成。温度越高，所需时间越短。通常称为孕育期。孕育期：从保温开始到转变开始的这段时间称为孕育期。 孕育期的实质是相变的准备阶段，是所有扩散型相变的共同特点。 奥氏体形成速度在整个过程中是不同的，开始时速度较慢，以后逐渐加快；在转变量达到50%时，转变速度达到极大值，以后转变速度又开始逐渐减慢。,温
20、度越高，奥氏体形成所需的全部时间越短，即奥氏体的形成速度越快。换言之，随温度升高，奥氏体形成始终是加速的。 在奥氏体刚刚形成后，还需一段时间使残留碳化物溶解和奥氏体成分均匀化。 （3）过共析和亚共析碳钢奥氏体等温形成图 过共析碳钢：原始组织为P+Fe3C，且P的数量随钢的C%增加而减少。 亚共析碳钢：原始组织为P+F，且P的数量随钢的C%增加而增加。,（a）过共析钢（WC1.2%）奥氏体等温形成图 （b）亚共析钢（WC0.45%）奥氏体等温形成图,2、奥氏体等温形成动力学的分析奥氏体等温形成动力学图示出的温度升高奥氏体形成速度加快的规律，是由于随着温度升高奥氏体的形核率和长大速度均增加的缘故。
21、有人做过试验，把奥氏体的形成温度从740提高到800时，奥氏体的形核率N增加270倍，而长大速度G增加了80倍。因此，随着温度升高，奥氏体形成速度迅速增加。 （1）奥氏体的形核率研究指出，在奥氏体均匀形核条件下，形核率N和温度之间的关系可以表示为：,C-常数； Q-扩散激活能； TA-奥氏体形成温度； K-波尔茨曼常数； G*-临界形核功，在固态相变时，,-常数；-奥氏体与旧相的界面能；Es-每个原子引起的应变能 GV-奥氏体与旧相之间单位体积自由能之差；,1）因温度升高，形核率N以指数关系迅速增加； 2）因GV随温度升高而增大，使W减小，使N进一步增大； 3）随温度升高原子扩散速度加快，不仅
22、有利于铁素体向奥氏体点阵改组，而且也促进渗碳体溶解，这也加速奥氏体的形核； 4）随温度升高铁素体的C%沿QP线增加，另一方面奥氏体在铁素体中形核时所需的碳浓度沿SG而降低，结果减小了奥氏体形核所需要的碳的浓度起伏，促进奥氏体的形核。,（2）奥氏体晶体的长大速度G关于奥氏体晶体的长大速度，有不少研究者利用扩散规律导出一些计算公式，具有代表性的如下：,碳在铁素体和奥氏体中的扩散系数；, 铁素体和奥氏体界面处碳在铁素体和奥氏体中的浓度梯度；,奥氏体与铁素体相界面间的碳浓度差;,负号表示下坡扩散。,由于碳在铁素体中的浓度梯度很小，可近似看作是0。上式可以改写为：,利用碳在渗碳体中的浓度梯度等于零的特点
23、，可得界面向渗碳体中推移的速度表达式：,渗碳体与奥氏体相界面间的碳浓度差。,碳在奥氏体中的浓度梯度。,1）温度升高，扩散系数D（D=D0e-Q/RT）增大，同时奥氏体的两相界面 之间碳浓度差Cr-cem-Cr-a增加，增大了碳在奥氏体中的浓度梯度，从而使奥氏体的长大速度加快； 2）温度升高，在铁素体中有利于奥氏体形核的部位增加，原子的扩散距离相对缩短了，同样有利于奥氏体的长大； 3）温度升高，奥氏体与铁素体相界面处的碳浓度差Cr-a-Ca-r以及渗碳体与奥氏体相界面处的碳浓度差Ccem-r-Cr-cem均减小，因此也会加速奥氏体晶体长大。,综上所述：奥氏体形成时，升高温度（或增加过热度）始终是
24、有利于奥氏体形成的，所以加热温度越高，奥氏体形成的孕育期以及整个相变过程所需时间越短，即奥形成速度越快。换言之：随温度的升高（或过热度的增大）奥氏体的形成是加速的。,3、影响奥氏体形成速度的因素 （1）温度 在各种影响因素中，温度的作用最为强烈，因此控制奥氏体的形成温度十分重要。 （2）碳含量 钢中碳含量越高，奥氏体的形成速度越快。增加了奥氏体的形核部位，同时碳的扩散距离相对减小。 （3）原始组织的影响 如果钢的化学成分相同，原始组织中碳化物的分散度越大，相界面越多，形核率便越大；珠光体片间距离越小，奥氏体中碳浓度梯度越大，扩散速度便越快；碳化物分散度越大，使得碳原子扩散距离缩短，奥氏体晶体长
25、大速度增加。,（4）合金元素的影响 1）合金钢中奥氏体形成的特点 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。 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。,Cr含量变化对奥氏体形成的影响 C
26、r2%6%时，延缓奥氏体的形成，但Cr11%时，奥氏体形成速度反而比6%时快。原因如下： 2%Cr时形成较稳定的不易溶解的(FeCr)3C，延缓奥氏体的形成； 6%Cr时形成更稳定的不易溶解的(FeCr)7C3，延缓奥氏体的形成； 11%Cr时形成含碳较少、较易溶解、稳定性较低的碳化物(FeCr)23C6，一方面(FeCr)23C6较不稳定，另一方面C%相同时可以形成更多的碳化物，从而使相界面面积增加，这些都会加速奥氏体的形成。,对临界点的影响 Ni、Mn、Cu等降低A1温度；Cr、Mo、Ti、Si、Al、W、V等升高A1温度。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
27、使珠光体细化，有利于奥氏体的形成。,2）合金钢中奥氏体均匀化 钢中的合金元素在原始组织各相中（F和Fe3C）分配是不均匀的，在退火状态下，碳化物形成元素主要集中在碳化物中，而非碳化物形成元素则主要集中在铁素体中，合金元素这种不均匀分布，一直到碳化物溶解完毕后，还显著地保留在钢中，这样合金钢奥氏体形成后，除了碳的均匀化外，还要进行合金元素的均匀化。在其它条件相同的情况下，合金元素在奥氏体中的扩散速度比碳在奥氏体中的扩散速度小100-10000倍。此外，碳化物形成元素还会减小碳在奥氏体中的扩散速度，这将降低碳的均匀化速度，因此，合金钢均匀化所需时间常常比碳钢长得多。,实验表明连续加热时奥氏体形成的
28、基本过程和等温转变相似，也是由奥氏体的形成、残留碳化物溶解和奥氏体成分均匀化三个阶段组成。现已证明，影响这些过程的因素也大致与等温形成时相同。但是，因为奥氏体的形成是在连续加热条件下进行的，所以在相变动力学及相变机理上常会出现若干等温转变所没有的特点。,（二）连续加热时奥氏体的形成,1、在一定的加热速度范围内，临界点随加热速度增大而升高奥氏体形成的开始温度和终了温度均随加热速度增大而升高。当钢的加热速度大到某一范围时，所有亚共析钢的转变温度均相同，加热速度约在105-106/S范围内时含碳在0.20.9%的钢的转变温度均约在1130。 2、相变是在一个温度范围内完成的加热速度越快奥氏体的温度范
29、围越宽，但形成速度确加快，奥氏体形成时间缩短。,3、可以获得超细晶粒 4、钢中原始组织的不均匀使连续加热时的奥氏体化温度升高 5、快速连续加热时形成的奥氏体成分不均匀性增大Cr-a降低，Cr-Fe3c升高。 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。,影响奥氏体形成速度的因素 改变奥氏体的形成温度； 合金碳化物形成元素通过影响碳的扩散系数而影响奥 氏体的长大； 合金碳化物稳定而使得碳化物溶解时间和奥氏体成分均匀化延长； 合金元素扩散慢而影响奥氏体成分均匀化延长。,思 考 题1 1、钢中奥氏体的点阵结构，碳原子可能存在的部位及其在单胞中的最大含量。 2、以共析碳钢为例
30、说明奥氏体的形成过程，并讨论为什么奥氏体全部形成后还会有部分渗碳体未溶解？ 3、合金元素对奥氏体形成的四个阶段有何影响。 4、钢在连续加热时珠光体奥氏体转变有何特点。,2-4奥氏体晶粒长大及其控制,1.研究奥氏体晶粒的意义,钢的P、B、M等组织都是由A组织转变过来的，因此，A的晶粒大小必然影响到它们的转变产物的组织和性能。例如用高碳工具钢制造的工具，如果在加热过程中，A晶粒粗大了，则淬火后M也粗大，这种粗大M组织的刀具脆性大，使用时易崩刃，又如高速钢制作的冷变形模具，采用低温淬火（亚温淬火），A晶粒变细，M含C量较低，韧性较高，使用寿命 提高。（见表2-1）,表2-1 高速钢模具的淬火温度对使
31、用寿命的影响,晶粒细化可以提高钢的强度、韧性和使用寿命，所以研究A晶粒长大问题，具有重要的实际意义。,2、晶粒度的概念 1）奥氏体晶粒度A晶粒度可分为：起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度三种。 起始晶粒度：是指P刚刚全部转变为A时的晶粒度。这种晶粒比较细小，随温度升高或继续保温而长大。 实际晶粒度：是指钢在具体的热处理或加热条件下，实际获得的A晶粒度。它一般总比起始晶粒大，其大小直接影响钢件的性能。 本质晶粒度：是指特定工艺条件（9308h）下奥氏体晶粒的大小。本质晶粒度用于表征钢的奥氏体晶粒长大的倾向。晶粒长大倾向大的称“本质粗晶粒”，晶粒长大倾向小的称“本质细晶粒”，如图2-8。,可见，“
32、本质晶粒”并不是指具体晶粒，也不是晶粒大 小的实际度量，而是指钢的晶粒长大倾向。,图2-8加热温度与奥氏体 图2-9奥氏体晶粒晶粒长大的关系 尺寸与加热温度关系,教材P30图2-21,2）表示晶粒大小方法 晶粒直径d； 单位面积中晶粒数n； 晶粒度N（晶粒大小的级别）n=2N-1 N=log2n1其中：n为放大100倍时每645mm2（1in2）面积内的晶粒数；N为晶粒度。 可见： n，则N。 教材： n=2G-1 其中G晶粒度号数，与N同意,3）晶粒度分级冶标YB27-64把结构钢的A晶粒度等级共分为8级： 1级最粗，8级最细。14级的为本质粗晶粒钢58级的为本质细晶粒钢国际上通行的标准AS
33、TM，把A晶粒度等级共分为12级,2、晶粒长大现象,1）长大的总趋势 晶粒：由细小大 晶粒大小：由不均匀相对均匀 界面：由弯曲平直 界面积：由大小 界面能：高低 加热转变后，如果温度进一步升高，时间继续延 长，则A晶粒将不断长大。,温度一定，时间延长，A晶粒也将长大。 正常长大，随T，晶粒不断长大（图2-8，曲线1）。 异常长大，随T，晶粒在某一温度值后急剧长大（曲线2）。 晶粒长大到一定程度后，即使继续延长保温时间，也不会再有明显的长大（图2-9）。,2）长大过程 孕育期：奥氏体刚刚完成转变，经过一定时间（孕 育）后开始长大。不均匀长大期：个别晶粒吞食周围小晶粒而长大。不均匀长大期：所有晶粒
34、同时缓慢均匀长大。,3、A晶粒长大的机制 1）A晶粒长大的驱动力推动晶界迁移的驱动力来 自于A晶界的界面能。 2）A晶粒的长大将导致界面的减少使能量降低。A晶粒的长大基本上是晶界移动的过程。 A晶粒向大晶粒演变，这是一个 能量降低的过程。,晶粒晶界多，晶界是高能地区。晶粒长大后，晶界总 面积减 少，体系的能量降低，所以高温下，A晶粒长大是一个自发过程。 球面晶界的驱动力P： P2 /R 球面晶界的界面能； R球面曲率半径。 设界面能r一定时,当R，则P； R时，驱动力P0。,4、影响A晶粒长大的因素,1）一切能提高Fe原子扩散系数的因素均能加快A晶粒 长大（T， 降低了Fe自扩散激活能）。 2
35、）未溶第二相微粒能阻止A晶粒长大。体积分数f， r，则阻止 A晶粒长大效果愈好。,3）钢中加入合金元素，影响A晶粒长大。强烈阻止晶粒长大的元素有：Al、Ti、Zr、V能够阻止晶粒长大的元素有：W、Mo、Cr阻止晶粒长大作用较弱的元素有：Si、Ni、Cu 但促进晶粒长大的元素有：Mn（在高C情况下）、P、C（指溶入A中情况下）。,5、A晶粒的长大及控制、细化晶粒的措施 1）控制晶粒长大的措施 合理选择加热温度和加热时间。 合理选择钢的原始组织。片状P比粒状P容易过热，因为片状Fe3C溶解快，转变为 A的速度快。A形成后，就较早地开始长大，为克服之，可选择原始组织为粒状P。,加入一定量的合金元素。
36、既然晶粒长大是通过晶界原子的移动来实现的。因 此，可以加入某些合 金元素，来限制或推迟晶粒长大。途径有二： 加入合金元素，使其在晶界上形成十分弥散的化合物。 如碳化物、氮化 物、氧化物等，阻碍晶界移动。加入Cr、Mo、W、V、Ti等合金元素的钢亦是如此。 加入B及少量稀土元素，其吸附在晶界上，降低晶界的能量，从 而减少晶粒长大的驱动力。,2）细化晶粒措施：工件经热加工（铸造、锻造、轨制、焊接等）以后，往往造成晶粒粗大，使机械性能，同时也对最终热处理不利，可采用完全退火（或正火）的重结晶来细化晶粒。近年来，采用多次循环加热冷却的反复重结晶来细化A晶粒，获得超细化晶粒，淬火钢件的机械性能。例9SiCr滚丝模，经新工艺处理寿命大幅度提高。（见图2-10）,图2-10 9SiCr滚丝模热处理工艺(a)原工艺 (b)循环加热淬火,第二章结束,思 考 题 5、何谓奥氏体的本质晶粒度、起始晶粒度和实际晶粒度。钢中弥散析出的第二相对奥氏体晶粒的长大有何影响。 6、试讨论奥氏体等温形成动力学的特点。 7、试讨论影响奥氏体形成速度的因素。 8、试叙述奥氏体晶粒的长大过程及影响因素。,
