钢的加热转变.pptx

1,结构,同素异构转变、多型性转变、马氏,体转变等只有结构上的变化；,成分,调幅分解只有成分上的变化；,有序化程度,有序化转变只有有序化程度,的变化；,共析转变、贝氏体转变、脱溶沉淀等则兼有结构和成分的变化。,类型,2,界面结构,共格界面能小，弹性应变能大,半共格介于之间,非共格界面能大，弹性应变能小,新相形核,均匀形核在母相基体中无择优任意形核,非均匀形核依附于母相中的缺陷择优形 核,(,如空位、位错、晶界等）,晶核长大,半共格界面迁移,(,无扩散型,),非共格界面迁移,(,扩散型,),切变长大,(,协同长大,),界面位错运动,非协同长大,台阶长大,第,2,章 钢的加热转变,2.1,奥氏体的形成,2.2,奥氏体形成机理,2.3,奥氏体形成动力学,2.4,奥氏体晶粒的长大及其控制,3,回主页,第二章,钢的加热转变,钢件在热处理、热加工等循环过程中，其加热温度高于临界点以上时将得到奥氏体组织，而奥氏体,晶粒大小,、,亚结构,、,成分,、,均匀性,以及是否存在,其它相,、,夹杂物,等直接影响钢的最终性能。,5,2.1,奥氏体的形成,上一页,下一页,2.1.1,奥氏体的组织结构和性能,奥氏体是,C,原子溶入,-Fe,中构成的固溶体。,奥氏体组织,奥氏体晶粒一般为等轴状多边形，在晶粒内有孪晶。转变刚结束时，晶粒比较细小，晶粒边界呈不规则的弧形，保温后晶粒长大，晶粒边界趋向平直化。,6图,2.1 1Cr18Ni9Ti,钢室温的奥氏体组织,7,奥氏体晶体结构,奥氏体为面心立方结构，碳原子位于晶胞八面体的中心或棱边的中点。,图,2.2,奥氏体晶胞及,碳原子的可能位置,上一页,下一页,8,奥氏体的性能,奥氏体是最密排的点阵结构，致密度高,质量体积最小,奥氏体的点阵滑移系多,塑性好，屈服强度低，易于加工变形,上一页,下一页,9,奥氏体具有顺磁性,奥氏体钢可作为无磁性钢,奥氏体线膨胀系数最大,奥氏体钢制造热膨胀灵敏的仪表元件,奥氏体导热性最差，奥氏体钢加热时，热透慢，加热速度应慢一些。,上一页,下一页,10,2.1.2,奥氏体的形成条件,驱动力,自由能差,G,V,即为,PA,转变的驱动力。,转变必须远离平衡态，即存在过热度,T,。,图,2.3,珠光体和奥氏体自由能与温度的关系,上一页,下一页,11,加热和冷却时的临界点,加热：,A,1,Ac,1,A,3,Ac,3,Acm,Ac,cm,冷却：,A,1,Ar,1,A,3,Ar,3,Acm,Ar,cm,图,2.4,加热和冷却速度为,0.125/min,时相变点的变动,12,2.2,奥氏体形成机理,珠光体,马氏体,奥氏体,2.2.1,珠光体类组织向奥氏体的转变,奥氏体的形核,奥氏体优先,形核的位置,/Fe,3,C,界面或,珠光体团界面,上一页,下一页,13,/Fe,3,C,界面形核原因,1,）,易于获得所需的浓度起伏,。,2,）易于获得所需的结构起伏,。在两相界面处，原子排列不规则，铁原子有可能通过短程扩散，由母相点阵向新相点阵转移，满足形核所需的结构。,3,）,易于获得所需的能量起伏,。新相形核时可消除部分晶体缺陷，使系统的自由能降低，产生的应变能也易于借助相界,(,晶界,),流变而释放。,上一页,下一页,14,图,2.5,共析钢奥氏体晶核长大,(a)T,1,温度下各相中,C,的浓度,(b),相界面的推移,奥氏体晶核长大,奥氏体的长大过程是,/,和,/Fe,3,C,两个相界面向原来的铁素体和渗碳体中推移的过程。,15,16,奥氏体中的碳浓度差是相界面推移的驱动力，相界面推移的结果是,Fe,3,C,不断溶解，,相逐渐转变为,相。,剩余碳化物溶解,奥氏体长大过程中，由于,C,/Fe3C,C,/,，因此长大中的奥氏体溶解铁素体的速度始终大于溶解渗碳体的速度，故在共析钢中总是铁素体先消失，剩有残余渗碳体。,上一页,下一页,17,奥氏体成分均匀化,奥氏体的形成过程分为四个阶段：,奥氏体形核 奥氏体晶核向,及,Fe,3,C,两个方向长大 剩余碳化物溶解 奥氏体均匀化,上一页,下一页,残留,Fe,3,C,全部溶解后，碳在奥氏体中的分布仍不均匀。继续加热或保温，使碳原子充分扩散，整个奥氏体中碳的分布趋于均匀。,18,亚共析钢,F,P,Ac,1,以上,A,F,Ac,3,以上,A,过共析钢,P,Fe,3,C,Ac,1,以上,Fe,3,C,A,Ac,cm,以上,A,上一页,下一页,19,2.2.2,马氏体向奥氏体的转变,马氏体在,Ac,1,以上时，会同时形成针状和球状两种形状的奥氏体。形成球状奥氏体是其主流，针状奥氏体只是在奥氏体化初始阶段的一种过渡性组织形态。,针状奥氏体在继续保温或升温过程中发生变化：,(a),通过再结晶变成球状奥氏体；,上一页,下一页,20,(b),通过一种合并长大的机理变成大晶粒奥氏体，这种大晶粒往往会与原奥氏体晶粒重合，即产生所谓“,遗传,”现象,(,指钢加热后得到的奥氏体晶粒就是前一次奥氏体化时所得到的晶粒,),。,球状奥氏体的形成规律，与珠光体向奥氏体的转变类似。,上一页,下一页,21,2.3,奥氏体形成动力学,研究奥氏体的,转变量与温度和时间的关系,。,2.3.1,奥氏体等温形成动力学,1.,奥氏体等温形成动力学曲线的建立,将若干小试样迅速加热到,A,C1,以上的不同温度，保温不同时间后，迅速,淬火,；,用金相法测定,奥氏体的转变量与时间的关系,(,实际上是测定奥氏体淬火后转变成马氏体的量与时间的关系,),。,上一页,下一页,22,图,2.6,共析钢奥氏体,等温形成动力学曲线,上一页,下一页,23,奥氏体形成需要一定的孕育期。,等温转变开始阶段，转变速度渐增，在转变量约为,50,时最快，之后逐渐减慢。,加热温度越高，奥氏体的形成速度越快。因为随着温度的升高，过热度增加使临界晶核半径减小，所需的浓度起伏也减小。,加热温度越高，奥氏体等温形成动力学曲线就越向左移，奥氏体等温形成的开始及终了时间缩短。,2.,曲线的特点,上一页,下一页,24,图,2.7,共析钢等温形成动力学图（,Time-Temperature-Austenitization,TTA,图,）,25,2.3.2,连续加热时奥氏体形成动力学,图,2.8,共析钢连续加热时的奥氏体形成图,(V,1,V,2,V,3,8,12,(,最粗,),(,最细,),(,超细,),n,为放大,100,倍的视野中每平方英寸（,6.45cm,2,）所含的平均奥氏体晶粒数目。,上一页,下一页,30,奥氏体晶粒度有三种：,（1,）起始晶粒度,：在临界温度以上，奥氏体形成刚刚完成，其晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小。,（,2,）实际晶粒度,：在某一加热条件下所得到的实际奥氏体晶粒度大小。,（,3,）本质晶粒度,：根据标准试验方法，在,93010,保温足够时间,(,3,8,小时,),后测得的奥氏体晶粒的大小。,上一页,下一页,31,经过上述试验，奥氏体晶粒度在,5,8,级称为本质细晶粒钢，奥氏体晶粒度在,1,4,级称为本质粗晶粒钢。,本质晶粒度只是表示钢在一定条件下奥氏体晶晶粒长大的倾向性。,32,图,2.8,加热温度对奥氏体晶粒大小的影响,上一页,下一页,33,2.4.3,影响奥氏体晶粒长大的因素,加热温度和保温时间,图,2.9,50CrMo4,钢奥氏体晶粒度随温度和保温时间的变化,34,加热温度愈高，保温时间愈长，奥氏体晶粒愈粗大；,较低温度下保温时，时间因素影响较小。加热温度升高时，保温时间应相应缩短。,加热速度,在保证奥氏体成分均匀的前提下，,快速加热并短时保温能获得细小的奥氏体晶粒,。,35,化学成分的影响,碳含量,钢中碳含量增加,，奥氏体晶粒长大倾向变大。在不含有过剩碳化物的情况下，,奥氏体晶粒容易长大,。,原因,碳含量增高时，碳化物数量增多，铁素体与渗碳体的相界面面积增大，因而增加了奥氏体的形核部位，使形核率增大。同时，碳化物数量增多后，使碳的扩散距离减小，并且随奥氏体中碳含量增加，碳和铁原子的扩散系数增大，这些因素都加速了奥氏体的形成。,但在过共析钢中由于碳化物数量过多，随碳含量增加会使剩余碳化物溶解和奥氏体均匀化的时间延长。,36,合金元素含量,钢中,Ti,、,V,、,Al,、,Nb,等元素,能形成熔点高、稳定性强的特殊碳化物、氮化物，这些第二相微粒细小硬度高，难以变形，弥散分布于晶界上，阻止奥氏体晶界移动，对晶界起钉扎作用，,阻碍奥氏体晶粒的长大,。,合金元素,W,、,Mo,、,Cr,形成的碳化物,阻碍晶粒长大,的作用次之。,Mn,、,P,元素有,促进奥氏体晶粒长大,的作用。,奥氏体晶粒长大的驱动力,奥氏体晶粒长大是通过晶界的迁移进行的。晶界推移的驱动力来自奥氏体的晶界能奥氏体的初始晶粒很细，界面积大，晶界能量高，晶粒长大将减少界面能，使系统能量降低，而趋于稳定。因此，在一定温度下，奥氏体晶粒会发生相互吞并的现象。,37,38,奥氏体晶粒长大驱动力,F,与晶粒和界面能大小的关系：,式中，,为单位面积晶界界面能,(,比界面能,),；,R,为晶界曲率半径。,晶粒尺寸越小，比界面能越大，则奥氏体晶粒长大驱动力,F,就越大，即晶粒长大的倾向性就越大。,上一页,下一页,39,当晶界跨越一个半径为,r,的球形第二相颗粒时，第二相粒子对晶界推移的最大阻力,F,max,与粒子半径,r,及单位体积中粒子的数目,f,之间的关系：,当第二相粒子的体积百分数一定时，粒子尺寸愈小，单位体积中粒子数目愈多,(,即分散度愈大,),，则其对晶界推移的阻力就愈大。,上一页,下一页,40,在一定温度下，奥氏体晶粒的,平均极限半径,R,lim,取决于第二相沉淀析出粒子的半径,r,及其单位体积中的数目,f,，即,总之，奥氏体晶粒长大是一种自发过程，它是晶界的推移与高度弥散的难溶第二相粒子抑制其推移的综合结果。,上一页,下一页,41,2.4.4,奥氏体晶粒大小的控制 及其在生产中的应用,高强度低合金钢,(High Strength Low A1loy Steel,，简称,HSLA,钢,),加入少于,0.05,的,Nb,、,V,、,Ti,等,元素，由于非常细小的铁素体晶粒和合金碳氮化物沉淀的共同作用，使其屈服强度达到,345,550MPa,。,快速加热,利用温度和时间对奥氏体晶粒长大的影响来细化晶粒。高频感应加热淬火、激光淬火、电子束淬火等就是利用这一原理细化晶粒获得高硬度的。,上一页,下一页,42,图,2.10 HSLA,钢形成极细铁素体晶粒的温度、时间、形变示意图,上一页,下一页,43,2.4.5,粗大奥氏体晶粒的遗传及其阻断,将粗晶有序组织加热到高于,Ac,3,，可能导致形成的,奥氏体晶粒与原始晶粒具有相同的形状、大小和取向,。这种现象称为钢的,组织遗传,。,如果,母相中的晶体缺陷和不均匀性被新相继承下来,，例如马氏体继承了奥氏体中的晶体缺陷，这种遗传称为,相遗传,。,上一页,下一页,44,组织遗传原因：,在粗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。,原奥氏体晶界上的杂质、第二相颗粒等在两次无扩散相变中不发生移动。,采取措施：,避免由不平衡组织,(,即马氏体或贝氏体,),直接加热奥氏体化。,上一页,下一页,45,避免新的奥氏体以无扩散机理形成，为此应控制加热速度和温度，,不使马氏体的逆转变发生,。,通过多次的加热,冷却循环来,破坏新、母相之间的取向关系,，从而获得细小的奥氏体晶粒。,上一页,下一页,46,作业,简答本质晶粒度的意义。,晶粒度等级,N,是由关系式,n=2,N-1,来确定的，,n,为放大,100,倍时，每,6.45cm,2,面积中所观察到的晶粒数，,N,为晶粒等级。,经测定，某处理钢件的奥氏体晶粒为,6,级，这说明在光学显微镜下的视野中所含的晶粒数为多少个？计算出实际平均每个晶粒所占面积为多少？,P-A,转变分为哪四个阶段？,将冷却曲线叠绘到共析钢奥氏体连续转变动力学曲线上，并用以说明连续加热奥氏体转变的五大特点。,