《钢的加热转变》PPT课件.ppt
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1、,引言 一、何谓热处理?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的要求。,最终热处理预备热处理,加热,保温,0,时间/min,温度/,冷却,二、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,纯金属:有无同素异构转变,如Al、Cu等金属不能热处理强化只能形变强化。合金:根据合金相图判断,有无固体相变或溶解度变化。,Note:不包括低温的去应力退火等,例如,为什么钢可以进行热处理?,1、固态相变 可以发生相变重结晶过程。2、C(碳)溶解度发生显著变化 可以固溶强化。,钢的热处理第一步?,奥氏体晶粒大
2、小、形状、空间取向、亚结构,奥氏体化学成分以及均匀性,直接影响,转变过程、转变产物、材料性能,如: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。,研究奥氏体相变十分重要!,除回火、少数去应力退火,热处理一般均需要加热到临界温度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,从而获得所需的性能。,钢在加热和冷却时的转变,第一部分 钢在加热时的转变,第二部分 钢在冷却时的转变,第三部分 珠光体转变,第四部分 马氏体转变,第五部分 贝氏体转变,第一部分 钢在加热时的转变-奥氏体(A)的形成,A的结构A的性能A的显微组织A的形成条件A的形成机理A的形成动力学A的晶
3、粒长大及控制,一、奥氏体的结构,1)-Fe的面心立方晶格2)碳溶解于-Fe面心立方晶格的八面体间隙(有效间隙半径 0.053nm,碳原子半径0.077nm);,3)溶碳能力较大:在727时溶碳为wt%=0.77,1148时 wt%=2.11;,碳原子在-Fe中可能的间隙位置,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。,(1)磁性:奥氏体具有顺磁性。可作为无磁钢,如:奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti、OCr25Ni20等是无磁钢。铁素体、马氏体则具有铁磁性。,(2)比容:在钢的各种
4、组织中,奥氏体的比容最小。可利用这一点调整残余奥氏体的量,以达到减少淬火工件体积变大的目的。,二、奥氏体的性能,(3)膨胀系数: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:具有高的塑性、低的屈服强度。,容易进行塑性变形把钢件加工成形,也由于奥氏体的面心立方点阵是一种最密排的点阵结构,致密度高,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。,奥氏体高强耐热钢
5、金相组织 500X,奥氏体,合金碳化物,其组织形态与原始组织、加热速度、加热转变的程度有关。主要有三种组织状态:,三、奥氏体的显微组织,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。,奥氏体显微组织(晶内有孪晶)1000,四、奥氏体形成的条件,1.铁碳平衡相图中奥氏体 形成的形成温度,它是在极缓慢小于0.125/min加热条件下,达到A1(727)时,由珠光体(P)转变为奥氏体,钢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。,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。,铁-碳平衡相图,2.实际加热(冷却)条件下的临界温
6、度,在加热(冷却)速度大于0.125/min时,对临界点A1,A3,Acm产生的影响:,加热时的临界温度 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。,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
7、或碳化物的元素提高Ac3、Ac1,在公式中为正号。,珠光体被加热到A1以上而转变为奥氏体驱动力,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)。右图是珠光体、奥氏体的自由能与温度的关系。,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。,奥氏体形成时系统的总自由能变化,G=-Gv+Gs+Ge,驱动力:体积自由能差,阻力:界面能+应变能,五、奥氏体形成机理,-0.02%C+Fe3C-6.69%C,珠光体P,奥氏体A,+Fe3C,-0.77%C,奥氏体核的形成 奥氏体核的长大 剩余渗C体的溶解
8、奥氏体成分的均匀化。,加热过程中,珠光体向奥氏体转变的四个过程,形核条件:系统的能量、结构和成分起伏。形核位置:(a)F/Fe3C界面处(优先位置、通过扩散机制);,奥氏体形核,(b)珠光体团交界处;,(c)先共析F/珠光体团交界处。,优先在F/Fe3C界面处形核的原因,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;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、空位浓度高,易满足奥氏体形成所需能量;有Fe3C溶解后的补充碳原子。,有时在铁素体内部也能形核 需满足:,温度高,提供足够的相变驱动力;有嵌镶块,提供足够的浓度条件和晶核尺寸。,奥氏体的形核有铁原子和碳原
9、子扩散机制,(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,奥氏体的长大,奥氏体晶核形成后便开始长大,长大过程是受C在奥氏体中扩散所控制。,A核的长大的通过以下三个途径进行:,原子扩散包括:Fe原子自扩散完成晶格改组、C原子扩散使奥氏体晶核向相和Fe3C相两侧推移并长大。,根据Fe-Fe3C相图,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:/Fe3C,另一个是奥氏体与铁素体相界面/。,奥氏体长大的机制解释,界面处的平衡浓度为:,C/Fe3c C/,C/Fe3c C/,随着C扩散的
10、进行,C/浓度增高,而C/Fe3c的浓度降低,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C/Fe3c;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量降低而恢复到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。,图2-5 共析钢加热时奥氏体碳浓度的分布,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的晶体结构差异较小;Fe3C 与A的晶体
11、结构(Fe3C:复杂的正交晶格,A:面心立方)差异较大;,渗碳体的溶解,(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,此时奥氏体的平均碳浓度低于共析成分C0。,奥氏体晶核向F和Fe3C两侧的推移速度是不同的。,780时,(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。如共析钢:,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
12、止。,奥氏体的均匀化 当上述残余Fe3C全部溶解时,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:,注解:亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本相同,但其完全奥氏体化的过程有所不同,过共析钢则只有加热到Accm以上时,才能获得单一的奥氏体组织。,亚共析钢加热到Ac1以上时,还存在自由铁素体,这部分铁素体只有继续加热到Ac3以上时,才能全部转变为奥氏体;,相变的动力学研究的是:转变温度、转变量
13、和转变时间的 关系。(一)奥氏体等温形成动力学等温形成动力学TTA图(Time-Temperature-Austenize)等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。,六、奥氏体形成动力学(即奥氏体的形成速度),(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、
14、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。,1、奥氏体等温形成动力学曲线,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,存在孕育期(从保温开始到转变开始的这段时间称为孕育期)。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。孕育期的实质是相变的准备阶段,是所有扩散型相变的共同特
15、点。奥氏体形成速度不同开始时速度较慢,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。,(2)奥氏体等温形成的特点,温度越高,形成速度越快。奥氏体刚形成时成分不均匀。,(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,(3)过共析和亚共析碳钢奥氏体等温形成图,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。,2、奥氏体等温形成动力学的分析,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,为什么等温
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