1、第二章 钢中奥氏体的形成,2.1 奥氏体的组织特征,2.1.1 奥氏体形成的温度范围1、在A1A3以及A1Ac m间部分奥氏体化；2、在A3 以及 Ac m以上，全部奥氏体化。,2.1.2 奥氏体的结构,(1) 奥氏体的晶体结构：面心立方晶格fcc。 (2) 奥氏体为碳溶解在-Fe中的间隙固溶体；C原子在奥氏体的八面体间隙中，即面心立方点阵晶胞的中心或棱边的中心。 (3) 在合金钢中奥氏体为碳和合金元素（Me）溶解在-Fe中的固溶体。Me原子位于Fe原子的位置，合金元素原子取代Fe原子。 (4) C原子和Me原子溶解在-Fe中，必然引起晶格的畸变。,2.1.3 组织与性能,组织：通常情况下为多
2、边形等轴晶粒。这种形态也称为颗粒状。非平衡态时低碳钢以适当的速度加热到（+）两相区可得到针状奥氏体。 性能：奥氏体硬度低，比容小，塑性好，具有顺磁性，导热性差，线膨胀系数大。,奥氏体的形成依据,2.2 奥氏体的形成机制,铁碳相图,实际加热、冷却转变温度往往要偏离平衡的临界温度,奥氏体形成的热力学条件,Gv = Gr -GP A1(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。,珠光体与奥氏体的自由焓与温度的关系,以共析碳钢的等温形成奥氏体为例，可用下列式子表示(括号中F为铁素体)： 珠光体P ( F + Fe3C )奥氏体A 含
3、碳量： 0.02% 6.69%； 0.77% 结构：体心立方 正交晶格 面心立方,晶格改组 和铁、碳原子的扩散,2.2.1 奥氏体形核,一、奥氏体核的形成,1. 形核位置,（a）F/Fe3C界面；（b）珠光体团交界处；（c）先共析F/珠光体团交界处,2. 在上述位置满足三个起伏,（a）界面上存在浓度、结构起伏；（b）界面存在缺陷，能量高，提供能量起伏；（c）有Fe3C溶解后的碳原子补充。,2.2.1 奥氏体形核,一、奥氏体核的形成,3. 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）提供足够的浓度条件和晶核尺寸。,4. 奥氏体形核 在加热不快，温度不高的条件下，
4、有铁原子 和碳原子扩散机制。,2.2.2 奥氏体晶核长大,奥氏体核的长大是依靠碳原子的扩散、奥氏体两侧界面向铁素体及渗碳体推移来进行的,1. 碳原子在奥氏体中的扩散,设在温度t1，在F与Fe3C交界面形成A核。由于奥氏体A晶核中与铁素体F交界处碳含量CA-F CA-C (A晶核中与Fe3C交界处含量)，碳原子向F一侧扩散，就改变了A中各个界面的浓度，破坏了平衡状态.为了恢复平衡，低碳的F将转变为A而使界面碳含量仍然恢复到CA-F，同时Fe3C中的碳也溶入A ，也使界面浓度增高到CA-C，有利于A的长大。,2. 碳原子在铁素体内部的扩散,由于F中与A交界的界面浓度CF-A AC1 及TAC3 ：
5、F + PF + AA实验得到的动力学如图,2. 过共析钢,过共析钢的原始组织为Fe3C+P，加热后的转变如下：TAC1 及 TAcm：Fe3C + PFe3C + AA实验得到的动力学图如图,3. 在AC3(Acm)以上，亚(过)共析钢中的先共析组织转变（a）通过碳原子在A中扩散而进行的。（b）不形成新核，是通过原有奥氏体长大向先共析组织而完成。,三.连续加热时奥氏体的形成,生产中，A绝大多数是在连续加热过程中形成的。即在A形成过程中，温度还将不断升高。A的形成也是通过形核、长大、碳化物的溶解以及A的均匀化完成的。,连续加热的加热曲线如图，其中的平台对应的温度即为临界点, 平台的二个转折点对
6、应转变开始和转变结束点。,0.85%C钢在不同加热速度下的加热曲线,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) 转变是在一个温度范围内进行的； (3) 加热速度愈大，转变时间愈短； (4) 奥氏体成分的不均匀性随加热速度增大而增大。加热速度愈大，A愈不均匀(转变被推向高温，CA-F与CA-C差别加大)； (5)奥氏体起始晶粒大小随加热速度增大而增大。加热速度愈大，A愈细(与形核有关)。,晶粒大小与力学性能的关系 材料的屈服强度s与晶粒直径d符合Hall-Petch公式： s =0 + k d /2式中，0和k是两个与材料有关的常数。 可见，晶粒越细小，材料的强度越
7、高。 不仅如此，晶粒细小还可以提高材料的塑性和韧性。 奥氏体的晶粒大小对钢随后的冷却转变及转变产物的组织和性能都有重要影响。通常，粗大的奥氏体晶粒冷却后得到粗大的组织，其力学性能指标较低。需要了解奥氏体晶粒度的概念以及影响奥氏体晶粒度的因素。,2.4 奥氏体晶粒长大及其控制,一. 奥氏体晶粒度,可用晶粒直径、单位面积中的晶粒数等方法来表示晶粒大小。,生产上用晶粒度N表示晶粒大小，可由下式求出： n = 2N-1其中： n为放大100倍时，1平方英寸上的晶粒数。n越大，N越大，晶粒越细。一般，分等级晶粒度，14为粗晶粒，58为细晶粒，8级以上为超细晶粒.,1、起始晶粒度 加热转变终了时所得A晶粒
8、度2、实际晶粒度 加热、保温后，冷却开始时A晶粒度3、本质晶粒度 采用标准试验方法，在930保温足够时间（38小时）所测得钢的晶粒大小近年已用较少。本质晶粒度只反映钢加热到930以前奥氏体晶粒长大的倾向性。本质粗晶粒度：钢在930以下，随温度升高，晶粒不断迅速长大；晶粒度在14级为本质粗晶粒钢；本质细晶粒度：钢在930以下，随温度升高，晶粒长大速度缓慢；晶粒度在58级为本质细晶粒钢；超过930，本质细晶粒度钢也可能得到粗大的奥氏体晶粒。,二. A晶粒长大,1. 长大现象 在加热转变中，保温时间一定时，随保温温度升高，A晶粒不断长大，称为正常长大。如图中曲线1。在加热转变中，保温时间一定时，随保
9、温温度升高，A晶粒长大不明显，必须当温度超过某一定值后，晶粒才随温度升高而急剧长大，称为异常长大，如图中曲线2。,奥氏体晶粒直径与加热温度的关系,2. 长大驱动力,A晶粒的长大是通过晶界的迁移而实行的，晶界迁移的驱动力来自界面自由能的降低。对于球面晶界，当其曲率半径为R，界面能为，指向曲率中心的驱动力F为：F = 2/ R 可见：R，F；R = ，F = 0。也即晶粒半径越小，长大驱动力越大. 当半径无穷大或为平直界面时，驱动力为零。,3、晶粒正常长大的原因,晶界在驱动力F推动下匀速前进，由经典力学可导出：DA2 = K exp(-Q/KT)其中，DA 为长大中A晶粒平均直径；K为常数；为时间
10、；Q为Fe的自扩散激活能。可见在一定温度T，随时间，DA。,4. 晶界推移的阻力,第二相小颗粒的晶界钉扎作用用Al脱氧或含Nb，Ti，V的钢，在晶界上会存在这些元素的碳氮化合物粒子，一个粒子可使A晶界面积减少r2 ( r 为小粒子半径)。当晶界在驱动力作用下移动时，将使A晶界与这些粒子脱离从而使A晶界面积增大，界面能增高。另外，移动的晶界如果遇到第二相粒子，将发生弯曲，导致晶界面积增大，界面能增加。所以粒子对晶界就有了钉扎作用，,5、晶粒异常长大的原因,由于温度T升高，第二相颗粒(碳氮化合物)的溶解，使阻力F =0，而此时驱动力P却很大，故晶粒急剧长大。,一个粒子对晶界移动提供的最大阻力为：
11、Fmax = r其中，为单位面积界面能。设单位体积中粒子的体积分数为f，则作用于单位面积晶界上的最大阻力Fmax为： Fmax= 3f/2r 由上式可见：当粒子半径r愈小，体积分数f愈大，对晶界移动的阻力就愈大。,三. 影响A晶粒长大的因素 凡提高扩散的因素，如温度、时间，均能加快A长大。第二相颗粒体积分数f 增大，线度r减小，均能阻止A长大。提高起始晶粒度的均匀性与促使晶界平直化均能降低驱动力，减弱A长大。,1、加热温度和保温时间 温度的影响最显著，温度越高，晶粒长大速度越快，奥氏体最终晶粒尺寸大。 在一定温度下，随保温时间延长，奥氏体晶粒长大。在每一个温度下，都有一个加速长大期，达到一定尺
12、寸，长大过程将减弱并停止。 D = k t n 式中，D长大中A晶粒平均直径；t时间；k、n与材料有关的常数。 2、加热速度 加热速度快，奥氏体起始晶粒越细。因为加热速度越大，奥氏体转变时的过热度大，奥氏体的形核率越高，起始晶粒越细，加之在高温下保温时间短，奥氏体晶粒来不及长大。 实际生产中经常采用快速加热，短时保温的办法来获得细小晶粒。,3、钢中含碳量的影响 钢中随着含碳量的增加，奥氏体晶粒长大倾向增大，但是，当含碳量超过某一限度时，奥氏体晶粒长大倾向又减小。 原因： 随着含碳量的增加，碳在钢中的扩散速度以及铁的自扩散速度均增加，故加大了奥氏体晶粒的长大倾向。 碳含量超过一定限度后，钢中出现
13、二次渗碳体，对奥氏体晶界的移动有阻碍作用，故奥氏体晶粒反而细小。 4、合金元素的影响 凡未溶的碳化物等第二相质点均阻碍奥氏体晶粒长大。 若钢中加入适量能形成难熔强碳化物形成合金元素Ti、V、Zr、Nb等，由于能形成高熔点高稳定性的碳化物，因而这些元素有强烈阻碍奥氏体晶粒长大的作用，在合金钢中起细化晶粒的作用。,碳化物形成合金元素W、Mo、Cr等也能阻碍奥氏体晶粒长大，但效果不如Ti、V、Zr、Nb等。 非碳化物形成元素Ni、Si、Cu、Co等阻碍奥氏体晶粒长大的作用很小。 促使奥氏体晶粒长大的元素有C、N、P、O、Mn等。 5、冶炼方法的影响 用Al脱氧能形成难熔的AlN质点在晶界上析出，阻碍
14、奥氏体晶粒长大。而Si、Mn脱氧不能形成难熔的质点，晶粒容易长大。 6、原始组织的影响 主要影响奥氏体的起始晶粒。原始组织越细，弥散度越大，起始晶粒越细小。,四、奥氏体晶粒大小的控制 (1) 凡提高铁原子扩散系数的因素均加快奥氏体晶粒长大； (2) 存在未溶的碳化物等第二相质点均阻碍奥氏体晶粒长大； (3) 调整工艺参数，提高起始晶粒的均匀性，阻碍奥氏体晶粒长大。 控制方法： (1) 利用AI脱氧，形成AIN质点，细化晶粒，细晶粒钢； (2) 利用难熔强碳化物形成合金元素形成碳化物、氮化物细化晶粒 ； (3) 采用快速加热，短时保温的办法来获得细小晶粒； (4) 制钢的热加工工艺和预备热处理工艺。,
