第二章 钢的加热转变

热处理的实质:

金属材料在固态下加热到预定的温度，保温预定的时间，然后以预定的方式冷却。通过这一工艺过程，改变了金属材料内部的组织结构，从而使工件的性能发生了预期的变化。热处理的目的:

改变工件的性能，即改善材料的工艺性能，提高材料的使用性能。但不能通过热处理改变工件的形状和尺寸。热处理原理与工艺热处理改变金属工件的性能，是通过改变其内部的组织实现的。金属材料在热处理过程中，会发生一系列的组织变化，这些变化具有严格的规律性。金属材料中组织转变的规律，就是热处理的原理。热处理工艺:根据热处理原理制定的热处理温度、时间、介质等参数，就是热处理工艺。第二章钢的加热转变重点：1、掌握钢在加热过程的组织转变规律；2、奥氏体形成动力学特点；3、掌握奥氏体晶粒大小的影响因素及控制措施；难点：奥氏体的形成机理§2.1奥氏体(Austenite)的形成（A、）一、奥氏体的结构、组织和性能1.结构：溶Ｃ的位置主要是在八面体的晶格中心及棱边中点。C原子在奥氏体中的分布：呈统计的均匀性，但具有浓度起伏（原子处于热运动状态，不是静止的）思考：若按所有的八面体间隙位置均填满碳原子计算，单位晶胞中应含有20%的碳原子，但实际上碳在-Fe中的最大溶解度仅为2.11%，为什么？

2.奥氏体的显微组织①呈多边形，且每三个晶粒的角度大致是120°，这样能量最低。②呈双晶（挛晶）：主要是由热应力所形成的，是塑性变形的结果。

3.奥氏体的性能1）力学性能①硬度和屈服强度不高；②fcc滑移系多→塑性高→易变形→钢的锻造加工常要求在奥氏体稳定的高温区域进行。“趁热打铁”2）物理性能①比容最小：fcc为密排点阵结构，致密度高；②导热性差：奥氏体钢加热时不易采用过大的加热速度，以免热应力变形；③线膨胀系数大：奥氏体钢可用来作热膨胀灵敏的仪表元件；④顺磁性：可作为无磁性钢；⑤单相奥氏体具有耐腐蚀性；⑥Fe原子自扩散激活能大→扩散系数小→奥氏体钢热强性好→高温用钢二、奥氏体化与Fe-Fe3C相图间的关系----奥氏体的形成温度范围

Fe—Fe3C合金相图有如下应用：

(1)指出不同Fe—C合金成分的结晶或熔化温度。

(2)确定C含量已知的Fe—C合金在任意温度下的平衡状态的组成相。

(3)估算热处理加热温度。而铁—碳合金状态图的局限：①A→P②不能看出反应速度问题③影响反应速度的因素④冲击加热时的状态不能反映出来⑤不能反映出成分均匀性和晶粒大小等的变化Iron-CarbonPhaseDiagram相变的条件：一定要过热（过冷），一定要扩散加热转变只有在平衡临界点以上才能进行；同理，冷却转变只有在平衡临界点以下才能进行。实际的加热转变点和冷却转变点都要偏离平衡临界点。而且加热和冷却的速度越大其偏离也越大。为了区别平衡临界点，通常在加热转变点标以“C”，在冷却转变点标以“r”。A1---------Ac1---------Ar1A3---------Ac3---------Ar3Acm-------Accm-------Arcm三、奥氏体形成的热力学条件-----------ΔG＜01）热力学表达式

ΔGＰ→Ａ=－VΔgＰ→Ａ+Sσ+VΔEＰ→Ａ

体积自由能表面能应变能的降低的增加的增加

2）保证ΔＧＰ→Ａ＜０的条件：要有过热度ΔT，加热速度快，则ΔT大。过热度不必过高，因ΔgＰ→Ａ和D=D0e-Q/RT同时起作用。因为：ΔgＰ→Ａ增大-----是驱动力，加热时很大

D=D0e-Q/RT

也增大

Q---激活能，加热温度高则好。§2.2奥氏体的形成机理一、珠光体到奥氏体的转变：大致可以分四个阶段，即奥氏体晶核的形成、奥氏体的长大、残余碳化物的溶解和奥氏体的均匀化。

1、奥氏体晶核的形成

1）形核条件：以下三个条件缺一不可。成分起伏----局部浓度至少达到形成奥氏体所需含碳量能量起伏----高能量的微区以提供足够的形核功结构起伏----满足形成f.c.c的要求。2）形核位置：原始组织不同－－A优先形核的位置不同球化体：与晶界相连的/Fe3C界面上图a所示---位置2、3优先，1次之。片状P：在珠光体团的界面或/Fe3C片层界面上图b所示---位置2优先。3）原因：①成分起伏-------/Fe3C界面处，C原子浓度相差很大，有利于获得A晶核所需的C原子。②能量起伏--------晶界处有高的畸变能，提供了一定的形核功。③结构起伏--------相界面处畸变严重，Q值下降，则有利于扩散，且有利点阵重构。2、奥氏体的长大长大过程：原始组织不同，长大的方式也不同。片状P：垂直于片层和平行于片层的两个方向长大。奥氏体核两侧碳浓度不等C4>C3-------扩散---------CA--Fe3C下降（<C4)，CA--F上升(>C3)。平衡被破坏，使体系的ΔG升高，不稳定-------重新恢复平衡的边界浓度。

球化体：

1）奥氏体包围渗碳体；

2）/α向α一侧推移，

/Fe3C向Fe3C一侧推移。机理：A晶核两侧碳浓度不等

C/Fe3C〉C

/α

C原子在A中体扩散C/Fe3C、C

/α

平衡被破坏，系统不稳定恢复平衡方法：1）Fe3C分解；2）αγ3、残留碳化物的溶解/α向α迁移速度〉

/Fe3C向Fe3C迁移速度→α完全转变为后仍有一部份Fe3C未溶解随保温时间延长，残留碳化物溶解4、奥氏体成分的均匀化§2.3奥氏体形成的动力学一、奥氏体等温形成动力学1.TTA图的绘制（Temperature-Time-Austenitization)四条曲线：1）A转变开始线0.5%A；2）A转变完成线99.5%；3）碳化物完全溶解线；4）A成分均匀后曲线。A形成+残留碳化物溶解+成分均匀化亚共析钢：比共析钢多了一条先共析F溶解线2.等温形成特点1）A形成需要一定的孕育期（等待临界晶核的形成），T孕育期2）转变速度：慢快慢50%时最快3）TA形成速度越快：Trk结构起伏

D浓度起伏驱动力能量起伏二、连续加热时奥氏体形成动力学1.转变规律：同等温转变的规律大体相同:形核—长大—残余碳化物的溶解–奥氏体的均匀化2.特点：1）连续加热时的加热速度改变了Ac1、Ac3、Accm的位置，随加热速度的增加，临界点温度升高，图中V1V2V3V4；2）相变是在一定温度范围内完成的，随加热速度，形成温度，形成温度范围；3）钢中原始组织的不均匀使连续加热时A均匀化的温度；4）可以获得超细晶粒:条件—超快速加热；5）快速加热时形成的奥氏体成分不均匀性；6）奥氏体的形成速度随加热速度的提高而，孕育期和相变的实际时间缩短。三、奥氏体形成动力学的理论处理1.奥氏体的形核率形核率—单位时间在单位体积内形成的晶核数目。温度↑→形核率↑2.奥氏体长大线速度实质：奥氏体的相界面向F和Fe3C中推移速度的总合。四、影响奥氏体形成速度的因素1.温度的影响：T晶粒形成速度；2.钢的成分（碳和合金元素）：1）ωcFe3C/F

界面面积形核率A形成速度越快；碳在A中的扩散系数增加2）合金成分①改变奥氏体的形成温度：扩大A相区的元素（Mn、Ni、N）和缩小A相区（Cr、Mo、W）的元素；②增加或降低碳在A中的扩散系数，从而影响A的长大速度；③较稳定的合金碳化物使得碳化物在A中溶解的时间和A成分均匀化的时间延长；④合金元素在钢中扩散速度较慢奥氏体成分均匀化时间加长；3.原始组织：1）碳化物的形状：A等温形成速度--片状粒状2）片状珠光体：片层越薄A中的碳浓度梯度越大扩散速度长大速度越大§2.4奥氏体晶粒的长大及其控制思考：晶粒为什么自发长大？一、奥氏晶粒大小对钢性能的影响晶粒越小，钢的屈服强度越高，钢的韧脆转化温度较低二、晶粒度的概念

晶粒大小的量度1.起始晶粒度：临界温度以上，A形成刚刚完成，其晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小。2.实际晶粒度：钢在某一具体的热处理或热加工条件下实际获得的奥氏体晶粒度。3.本质晶粒度：在一定加热条件下A晶粒长大的倾向性不是晶粒大小的实际度量。标准（YB27-77）测定本质晶粒度：试样加热到93010℃，保温3~8h，以适当方式冷却，在室温下显示和测量A晶粒的大小：n=2N-1,n—在放大倍数为100倍时，显微组织中每平方英寸（6.45㎝2）中的晶粒数。N—A晶粒级别指数或晶粒度级别、晶粒度号数（1~8级）。1级最粗，8级最细。晶粒度在1~4级的钢为本质粗晶粒钢，5~8级的钢为本质细晶粒钢。1~3级：粗晶粒，大小为0.125~0.25m4~6级：中等晶粒，大小为0.088~0.044m5~8级：细晶粒，大小为0.03~0.022m三、奥氏体晶粒长大的特点铝脱氧钢：含有AlN颗粒，抑制晶粒长大本质细晶粒钢硅脱氧钢：不含抑制晶粒长大的第二相颗粒本质粗晶粒钢奥氏体晶粒的实际大小取决于具体加热规范四、影响奥氏体晶粒长大的因素长大机理（自发过程）：晶界的界面能即小晶粒合并成大晶粒，弯曲晶界变成平直晶界。1.加热温度、时间、加热速度的影响T，晶粒长大越明显；t，晶粒易长大；vT晶粒2.含碳量的影响ωc晶粒（C在A中扩散速度及Fe的自扩散速度均增加）；当含碳量超过一定限度，ωc晶粒（第二相阻碍作用）。3.原始组织的影响主要影响起始晶粒度。原始组织越细，碳化物分散度A起始晶粒晶粒长大倾向性4.第二相颗粒的影响当第二相颗粒非常细小时才能有效阻止晶粒长大强烈阻止晶粒长大：Al、Ti、Zr、V能够阻止晶粒长大：W、Mo、Cr阻止晶粒长大作用较弱：Si、Ni、Cu促进晶粒长大的元素：Mn（高碳情况下）、P、C（溶入A中的情况下）五、奥氏体晶粒大小的控制1.合理选择加热温度和加热时间---快速加热细化晶粒加热温度高，A形成速度快。温度越高，A晶粒长大倾向越大，实际晶粒越粗。随保温时间延长，A晶粒长大。合金钢中A的形成和均匀化所需时间比碳钢长，所以合金钢一般需较长的加热时间。2.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P溶解快，转变为A的速度快。3.加入一定量的合金元素1）加入Me，在晶界形成弥散化合物，如碳化物、氮化物、氧化物等。弥散化合物有阻碍晶界迁移的作用，阻碍晶粒长大。2）有些元素如硼及少量稀土元素加入钢中，主要吸附在晶界并降低晶界的能量，从而减小晶粒长大的动力。§2.5过热、过烧及其校正一、过热1.过热及遗传在转变终了后，继续升高温度，晶粒继续长大。若仅仅是晶粒长大而在晶界上并未发生能使晶界弱化的某些变化----过热。结果：冷却后组织变粗钢的强度与韧性↓校正方法：重新加热到临界点以上，再次通过加热转变以求得细的A起始晶粒。如果加热不当，虽再次加热的温度不高，但只能得到与原过热组织相同的粗大A晶粒，甚至保留原来的取向和晶界----组织遗传。产生原因：在大晶粒生成后的组织转变中维持了严格的晶体学取向关系。2.组织遗传的阻断关键：破坏第二次转变中新、母相间严格的晶体学取向关系。措施：1）避免由不平衡组织直接加热A化；2）避免新的A以无扩散机理形成；3）通过多次加热—冷却循环来破坏新、母相之间的取向关系，从而获得细小的A晶粒。相遗传：母相中的晶体缺陷和不均匀性被新相继承下来，可用来强化合金。二、过烧1.定义：如由于加热温度过高，不仅A晶粒已经长大，而且在A晶界上也已发生某些能使晶界弱化的变化----过烧。结果：导致断口遗传，即在过烧的情况下，虽再次适当加热淬火消除了粗大晶粒而得到了细晶粒A组织，但在冲断时仍得到了原粗大A晶粒相对应的粗晶断口。原因：沿晶界析出了某种相或是形成了某些杂质元素的偏聚MnS2.过烧的消除：1）重新加热到引起过烧的温度，以极慢的速度冷却；2）重新加热到引起过烧的温度，冷至室温，再加热到较前次低100~150℃的温度，再冷至室温，如此重复加热，冷却直至正常加热温度以下为止；3）重新锻造；4）进行多次正火。例子：焊接热影响区§2.6非平衡组织的奥氏体形成生产中曾经规定：不得以非平衡组织作为最终淬火加热的原始组织理由（1）重复加热淬火时氧化、脱碳、变形、开裂等都将有所增加；（2）非平衡组织再次加热时有可能出现组织遗传现象；（3）可能发生奥氏体晶粒异常长大而使晶粒变粗。与平衡组织相比，非平衡组织可能具有以下不同点：1）可能存在残余奥氏体；2）α相的成分及状态；3）碳化物的种类、形态、大小、数量及分布。一、针状奥氏体的形成1.规律：1）非平衡组织A化时，可形成针状A或球状A，而平衡组织进行A化时，仅得到球状A。2）针状A在AC1附近加热形成（在M板条间形成，长大过程受原M板条的限制，故长成针状）3）如AC1，T升高，则针状A的数量减少，而球状A的相对量增大。4）当针状A形成后，保温一定时间或提高温度的过程中，针状A合并成球状A。2.遗传原因：1）针状A与板条M间存在着严格的晶体学关系（K-S关系）。2）在同一个M板条束群中，形成的针状A具有相同的位向。3）奥氏体晶粒遗传的组织条件：①在板条M单元边界有些残存未溶碳化物，有利于A形核长大；②在