第二章鋼的加熱轉(zhuǎn)變奧氏體的形成奧氏體形成的機(jī)理奧氏體形成的動(dòng)力學(xué)奧氏體晶粒的長大及其控制主要內(nèi)容奧氏體的形成2.1羅伯茨-奧斯汀1843.3.3.～1902.11.22.英國冶金學(xué)家18歲進(jìn)入皇家礦業(yè)學(xué)院，后在造幣廠從事金、銀和合金成分的研究。他用量熱計(jì)法測定銀銅合金的凝固點(diǎn)，并首先用冰點(diǎn)曲線表示其實(shí)驗(yàn)成果。1875年當(dāng)選為英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。1876年與J.洛基爾一起用光譜儀作定量分析，以輔助傳統(tǒng)的試金法。1885年他開始研究鋼的強(qiáng)化，同時(shí)著手研究少量雜質(zhì)對金的拉伸強(qiáng)度的影響，并在1888年的論文中加以闡述，成為早期用元素周期表解釋一系列元素特性的范例。奧斯汀采用Pt／（Pt-Rh）熱電偶高溫計(jì)，得以測定了高熔點(diǎn)物質(zhì)的冷卻速度，創(chuàng)立共晶理論。用顯微鏡照相研究金屬的金相形貌。在造幣廠的工作使他成為了舉世聞名的鑄幣權(quán)威。1882年到1902年他在倫敦的皇家礦業(yè)學(xué)院任冶金學(xué)教授，1899年被授予爵士爵位。為紀(jì)念他，把γ-鐵及其固溶體的金相組織命名為奧氏體。此外，奧斯汀曾參加英國國家物理研究所的籌建工作。著有《冶金學(xué)研究入門》。第一節(jié)奧氏體的形成“奧氏體”名稱的由來羅伯茨-奧斯?。≧oberts-Austen）面心立方結(jié)構(gòu)碳原子位置主要是在八面體晶格中心及棱邊中點(diǎn)碳原子的分布呈統(tǒng)計(jì)的均勻性具有濃度起伏原子處于熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一、奧氏體的結(jié)構(gòu)、組織和性能（一）奧氏體的結(jié)構(gòu)第一節(jié)奧氏體的形成滲碳體復(fù)雜斜方第一節(jié)奧氏體的形成一、奧氏體的結(jié)構(gòu)、組織和性能（一）奧氏體的結(jié)構(gòu)體積限制八面體間隙半徑0.053nm碳原子半徑0.077nm點(diǎn)陣畸變固溶度受限

第一節(jié)奧氏體的形成一、奧氏體的結(jié)構(gòu)、組織和性能（一）奧氏體的結(jié)構(gòu)等軸狀每個(gè)晶粒的角度大約120度，以保持最低的能量雙孿晶狀主要由熱應(yīng)力和塑性變形引起第一節(jié)奧氏體的形成一、奧氏體的結(jié)構(gòu)、組織和性能（二）奧氏體的顯微組織硬度和屈服強(qiáng)度不高塑性好工件的加工常常在奧氏體單相區(qū)進(jìn)行第一節(jié)奧氏體的形成一、奧氏體的結(jié)構(gòu)、組織和性能（三）奧氏體的性能——力學(xué)性能比容最小FCC密排點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，致密度高導(dǎo)熱性差?yuàn)W氏體鋼加熱時(shí)采用較小的加熱速度，避免熱應(yīng)力變形線膨脹系數(shù)大用來做熱膨脹靈敏的儀表元件順磁性可作為無磁性鋼單相奧氏體耐腐蝕性好可作為奧氏體不銹鋼鐵原子自擴(kuò)散激活能大擴(kuò)散系數(shù)小奧氏體鋼熱硬性好高溫用鋼第一節(jié)奧氏體的形成一、奧氏體的結(jié)構(gòu)、組織和性能（三）奧氏體的性能——物理性能過熱（過冷）加熱轉(zhuǎn)變只有在平衡臨界點(diǎn)以上才能進(jìn)行冷卻轉(zhuǎn)變只有在平衡臨界點(diǎn)以下才能進(jìn)行實(shí)際轉(zhuǎn)變點(diǎn)都偏離平衡臨界點(diǎn)加熱（冷卻）速度越大偏離越大二、奧氏體的形成條件（一）實(shí)際條件第一節(jié)奧氏體的形成熱力學(xué)表達(dá)式

二、奧氏體的形成條件（二）熱力學(xué)條件第一節(jié)奧氏體的形成奧氏體形成的機(jī)理2.2相晶體結(jié)構(gòu)體心立方復(fù)雜斜方面心立方含碳量0.0218%6.69%0.77%第二節(jié)奧氏體形成的機(jī)理

濃度起伏局部濃度至少達(dá)到形成奧氏體所需的碳含量能量起伏高能量的微區(qū)以提供足夠的形核功結(jié)構(gòu)起伏滿足形成面心立方的要求第二節(jié)奧氏體形成的機(jī)理一、奧氏體晶核的形成（一）形核的必要條件球化體

片狀珠光體

一、奧氏體晶核的形成（二）形核的優(yōu)先位置第二節(jié)奧氏體形成的機(jī)理片層狀珠光體球狀珠光體第二節(jié)奧氏體形成的機(jī)理一、奧氏體晶核的形成共析鋼的組織濃度起伏

能量起伏晶界處有高的畸變能，提供一定的形核功結(jié)構(gòu)起伏相界面處畸變嚴(yán)重，擴(kuò)散激活能下降，利于原子擴(kuò)散和點(diǎn)陣重構(gòu)第二節(jié)奧氏體形成的機(jī)理一、奧氏體晶核的形成（三）在優(yōu)先位置形核的原因第二節(jié)奧氏體形成的機(jī)理一、奧氏體晶核的形成鐵碳相圖共析部分細(xì)部第二節(jié)奧氏體形成的機(jī)理一、奧氏體晶核的形成三種形核位置第二節(jié)奧氏體形成的機(jī)理二、奧氏體的長大（一）奧氏體在片層狀珠光體中的長大奧氏體兩側(cè)碳濃度不等

擴(kuò)散平衡破壞

重新恢復(fù)邊界的濃度平衡鐵素體改組為奧氏體滲碳體溶解第二節(jié)奧氏體形成的機(jī)理二、奧氏體的長大（一）奧氏體在片層狀珠光體中的長大奧氏體沿平行于片層方向長大時(shí)碳原子擴(kuò)散路徑體擴(kuò)散——在奧氏體中進(jìn)行界面擴(kuò)散——沿/界面擴(kuò)散——主要二、奧氏體的長大（一）奧氏體在片層狀珠光體中的長大第二節(jié)奧氏體形成的機(jī)理45鋼在735℃加熱10min后水淬的組織第二節(jié)奧氏體形成的機(jī)理二、奧氏體的長大（一）奧氏體在片層狀珠光體中的長大珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變-4s

珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變-6s

珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變-8s

珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變-15s

第二節(jié)奧氏體形成的機(jī)理二、奧氏體的長大（一）奧氏體在片層狀珠光體中的長大第二節(jié)奧氏體形成的機(jī)理二、奧氏體的長大（二）奧氏體在球化體中的長大奧氏體兩側(cè)碳濃度不等

擴(kuò)散平衡破壞

重新恢復(fù)邊界的濃度平衡鐵素體改組為奧氏體滲碳體溶解第二節(jié)奧氏體形成的機(jī)理二、奧氏體的長大（二）奧氏體在球化體中的長大球化體組織向奧氏體的轉(zhuǎn)變-0s球化體組織向奧氏體的轉(zhuǎn)變-5s球化體組織向奧氏體的轉(zhuǎn)變-8s球化體組織向奧氏體的轉(zhuǎn)變-15s第二節(jié)奧氏體形成的機(jī)理二、奧氏體的長大（二）奧氏體在球化體中的長大

碳在奧氏體中擴(kuò)散

相界面上的濃度平衡破壞重新恢復(fù)濃度平衡

二、奧氏體的長大（三）總結(jié)第二節(jié)奧氏體形成的機(jī)理鐵素體消失時(shí)，組織中滲碳體還未完全轉(zhuǎn)化測定發(fā)現(xiàn)，奧氏體中碳含量低于共析成分（0.77%）繼續(xù)保溫，未溶解的滲碳體不斷溶于奧氏體第二節(jié)奧氏體形成的機(jī)理三、殘留碳化物的溶解（一）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象晶格改組和碳原子遷移速度帶來的轉(zhuǎn)變滯后

鐵碳相圖中ES線斜度大于GS線，S點(diǎn)偏左，即奧氏體的平均碳含量低于S點(diǎn)三、殘留碳化物的溶解（二）原因第二節(jié)奧氏體形成的機(jī)理奧氏體成分不均勻原滲碳體部位碳濃度高原鐵素體部位碳濃度低奧氏體成分均勻化通過鐵原子和碳原子在新形成奧氏體中的擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)第二節(jié)奧氏體形成的機(jī)理四、奧氏體成分的均勻化奧氏體形成的動(dòng)力學(xué)2.3試樣

加熱鉛熔爐保溫不同溫度不同時(shí)間淬冷金相觀察測定馬氏體含量動(dòng)力學(xué)綜合曲線動(dòng)力學(xué)曲線等溫線（S曲線）動(dòng)力學(xué)圖等轉(zhuǎn)變線（TTA圖）第三節(jié)奧氏體形成的動(dòng)力學(xué)一、奧氏體等溫形成動(dòng)力學(xué)（一）動(dòng)力學(xué)圖（TTA）的制作——金相法孕育期

轉(zhuǎn)變速度慢快慢50%時(shí)最快過熱度與形成速度

一、奧氏體等溫形成動(dòng)力學(xué)（二）奧氏體等溫形成特點(diǎn)第三節(jié)奧氏體形成的動(dòng)力學(xué)四條曲線奧氏體轉(zhuǎn)變開始線0.5%奧氏體轉(zhuǎn)變終了線碳（化物溶解開始線）99.5%碳化物溶解終了線（奧氏體成分均勻化開始線）奧氏體成分均勻化終了線五個(gè)區(qū)珠光體珠光體+奧氏體奧氏體+殘留碳化物不均勻奧氏體均勻奧氏體一、奧氏體等溫形成動(dòng)力學(xué)（三）TTA圖分析第三節(jié)奧氏體形成的動(dòng)力學(xué)亞共析鋼（45鋼）等溫形成動(dòng)力學(xué)圖過共析鋼（T12鋼）等溫形成動(dòng)力學(xué)圖第三節(jié)奧氏體形成的動(dòng)力學(xué)一、奧氏體等溫形成動(dòng)力學(xué)（四）非共析鋼的等溫形成動(dòng)力學(xué)圖形核長大殘留碳化物的溶解奧氏體成分均勻化第三節(jié)奧氏體形成的動(dòng)力學(xué)二、連續(xù)加熱時(shí)奧氏體形成動(dòng)力學(xué)（一）轉(zhuǎn)變規(guī)律加熱速度影響臨界點(diǎn)位置

相變在一定溫度范圍內(nèi)完成

加熱速度影響奧氏體的均勻性

加熱速度影響奧氏體晶粒大小超快速加熱超細(xì)晶粒加熱速度影響奧氏體形成速度

鋼的原始組織升高奧氏體均勻化溫度二、連續(xù)加熱時(shí)奧氏體形成動(dòng)力學(xué)（二）轉(zhuǎn)變特點(diǎn)第三節(jié)奧氏體形成的動(dòng)力學(xué)為了滿足形核的熱力學(xué)條件，需依靠能量起伏，補(bǔ)償臨界形核功，所以形核率應(yīng)與獲得能量起伏的幾率因子成正比

為了達(dá)到奧氏體晶核對成分的要求，需要原子越過能壘，經(jīng)擴(kuò)散富集到形核區(qū)，所以形核率應(yīng)與原子擴(kuò)散的幾率因子成正比

第三節(jié)奧氏體形成的動(dòng)力學(xué)三、奧氏體形成的動(dòng)力學(xué)理論（一）形核率實(shí)質(zhì)奧氏體的相界面向鐵素體和滲碳體中推移速度的總和

第三節(jié)奧氏體形成的動(dòng)力學(xué)三、奧氏體形成的動(dòng)力學(xué)理論（二）線長大速度界面向鐵素體推移速度界面向鐵素體推移速度第三節(jié)奧氏體形成的動(dòng)力學(xué)三、奧氏體形成的動(dòng)力學(xué)理論（二）線長大速度

第三節(jié)奧氏體形成的動(dòng)力學(xué)三、奧氏體形成的動(dòng)力學(xué)理論（二）線長大速度第三節(jié)奧氏體形成的動(dòng)力學(xué)四、影響奧氏體形成的因素（一）溫度

片狀珠光體片層越薄碳化物越細(xì)小相界面越多形核率越大奧氏體中碳濃度梯度大擴(kuò)散速度越高，擴(kuò)散距離越小長大速度越大760℃時(shí)，若珠光體片間距從0.5m減至0.1m，長大速率增加7倍四、影響奧氏體形成的因素（二）原始組織第三節(jié)奧氏體形成的動(dòng)力學(xué)碳化物形狀?yuàn)W氏體等溫形成速度片狀>粒狀原因片狀珠光體相界面大滲碳體呈薄片狀，易于溶解第三節(jié)奧氏體形成的動(dòng)力學(xué)四、影響奧氏體形成的因素（二）原始組織鋼的成分碳含量

碳在奧氏中的擴(kuò)散系數(shù)增加

第三節(jié)奧氏體形成的動(dòng)力學(xué)四、影響奧氏體形成的因素（二）原始組織——3.鋼的成分：碳鋼的成分合金元素改變奧氏體的形成溫度擴(kuò)大奧氏體相區(qū)Mn、Ni、N縮小奧氏體相區(qū)Cr、W、Mo改變碳在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)抑制擴(kuò)散Cr、W、Mo促進(jìn)擴(kuò)散Ni、Co合金碳化物難以溶解延長碳化物溶解時(shí)間延長奧氏體成分均勻化時(shí)間合金元素?cái)U(kuò)散速度慢延長奧氏體成分均勻化時(shí)間第三節(jié)奧氏體形成的動(dòng)力學(xué)四、影響奧氏體形成的因素（二）原始組織奧氏體晶粒的長大及其控制2.4晶粒越小，鋼的屈服強(qiáng)度越高

晶粒越小，韌脆轉(zhuǎn)化溫度越低

第四節(jié)奧氏體晶粒的長大及其控制一、奧氏體晶粒大小對鋼性能的影響晶粒度表征奧氏體晶粒的大小晶粒度等級1級最粗8級最細(xì)8級以上為超細(xì)

公制單位

二、奧氏體的晶粒度1.平均晶粒數(shù)法第四節(jié)奧氏體晶粒的長大及其控制第四節(jié)奧氏體晶粒的長大及其控制二、奧氏體的晶粒度晶粒度級別ND(m)125021773125488562644731822915.61011晶粒度級別N放大100倍時(shí)每平方英寸面積內(nèi)晶粒數(shù)n平均每個(gè)晶粒所占面積(mm2)晶粒平均直徑d(mm)弦平均長度(mm)110.06250.2500.222220.03120.1770.157340.01560.1250.111480.00780.0880.07835160.00390.0620.05536320.001950.0440.03917640.000980.0310.026781280.000490.0220.019692560.0002440.01560.0138105120.0001220.01100.0098第四節(jié)奧氏體晶粒的長大及其控制二、奧氏體的晶粒度晶粒度對照表平均截距法

平均截面積法

平均直徑法

截交晶粒數(shù)法

單位體積晶粒數(shù)法

二、奧氏體的晶粒度2.其他方法第四節(jié)奧氏體晶粒的長大及其控制起始晶粒度臨界溫度以上，奧氏體形成剛剛完成，其晶粒邊界剛剛相互接觸時(shí)的晶粒大小實(shí)際晶粒度鋼在某一具體的熱處理或熱加工條件下實(shí)際獲得的奧氏體晶粒度本質(zhì)晶粒度在一定的加熱條件下奧氏體晶粒長大的傾向性不是晶粒大小的實(shí)際度量本質(zhì)晶粒度的測定試樣加熱到930±10℃，保溫3-8小時(shí)，以適當(dāng)方式冷卻，在室溫下顯示和測量奧氏晶粒大小兩種本質(zhì)晶粒度鋼本質(zhì)粗晶粒鋼1-4級晶粒度本質(zhì)細(xì)晶粒鋼5-8級晶粒度三、奧氏體晶粒長大的特點(diǎn)（一）三種晶粒度第四節(jié)奧氏體晶粒的長大及其控制鋁脫氧鋼本質(zhì)細(xì)晶粒鋼含AlN顆粒抑制晶粒長大硅脫氧鋼本質(zhì)粗晶粒鋼不含抑制晶粒長大的第二相顆粒三、奧氏體晶粒長大的特點(diǎn)（二）長大特點(diǎn)第四節(jié)奧氏體晶粒的長大及其控制驅(qū)動(dòng)力來自總的晶界能的下降對球面晶界，有一指向曲率中心的驅(qū)動(dòng)力P作用于晶界

四、奧氏體晶粒長大的機(jī)制（一）晶粒長大的驅(qū)動(dòng)力第四節(jié)奧氏體晶粒的長大及其控制

四、奧氏體晶粒長大的機(jī)制（一）晶粒長大的驅(qū)動(dòng)力第四節(jié)奧氏體晶粒的長大及其控制為保持晶界交匯處的界面張力平衡晶界交匯處的面角為??????°晶界彎曲成曲率中心在小晶粒一側(cè)的曲面晶界

晶粒大小均勻一致時(shí)穩(wěn)定的二維結(jié)構(gòu)三維晶粒的穩(wěn)定形狀：Kelvin正十四面體大晶粒和小晶粒的幾何關(guān)系四、奧氏體晶粒長大的機(jī)制（二）晶粒形狀第四節(jié)奧氏體晶粒的長大及其控制大晶粒吃掉小晶粒使得總晶界面積減少總的界面能降低四、奧氏體晶粒長大的機(jī)制（三）晶粒的長大過程第四節(jié)奧氏體晶粒的長大及其控制阻力來源

Zener微粒釘扎晶界模型四、奧氏體晶粒長大的機(jī)制（四）晶界遷移的阻力第四節(jié)奧氏體晶粒的長大及其控制

第四節(jié)奧氏體晶粒的長大及其控制四、奧氏體晶粒長大的機(jī)制（四）晶界遷移的阻力孕育期溫度越高，孕育期越短不均勻長大期粗細(xì)晶粒共存均勻長大期細(xì)小晶粒被吞并后，緩慢長大四、奧氏體晶粒長大的機(jī)制（五）奧氏體晶粒的長大過程第四節(jié)奧氏體晶粒的長大及其控制加熱溫度加熱溫度越高，晶粒長大越明顯

保溫時(shí)間保溫時(shí)間越長，晶粒更易于長大

五、影響奧氏體晶粒長大的因素（一）熱處理?xiàng)l件第四節(jié)奧氏體晶粒的長大及其控制隨著加熱溫度升高奧氏體晶粒長大速度呈指數(shù)關(guān)系迅速增大為獲得細(xì)小奧氏體晶粒加熱溫度升高時(shí)，保溫時(shí)間應(yīng)縮短第四節(jié)奧氏體晶粒的長大及其控制五、影響奧氏體晶粒長大的因素（一）熱處理?xiàng)l件加熱速度加熱速度越大，奧氏體的實(shí)際形成溫度越高，形核率與長大速度之比隨之增大，可以獲得細(xì)小的起始晶粒度快速加熱并短時(shí)保溫可獲得細(xì)小的奧氏體晶?？焖偌訜岵㈤L時(shí)保溫使得晶粒易于長大起始晶粒度小奧氏體實(shí)際形成溫度高第四節(jié)奧氏體晶粒的長大及其控制五、影響奧氏體晶粒長大的因素（一）熱處理?xiàng)l件碳固溶于奧氏體時(shí)促進(jìn)奧氏體晶粒長大碳易于在奧氏體中擴(kuò)散提高了鐵的自擴(kuò)散系數(shù)共析鋼最易長大碳以二次滲碳體存在時(shí)阻礙奧氏體晶粒長大作為第二相阻礙晶界遷移過共析鋼加熱溫度選擇在兩相區(qū)，以保留一定的殘留滲碳體五、影響奧氏體晶粒長大的因素（二）含碳量第四節(jié)奧氏體晶粒的長大及其控制原始組織越細(xì)碳化物分散度越高奧氏體起始晶粒度越小經(jīng)歷長大的傾向性越大第四節(jié)奧氏體晶粒的長大及其控制五、影響奧氏體晶粒長大的因素（三）原始組織與晶界的交互作用(a)晶界尚未與質(zhì)點(diǎn)相遇(b)晶界被第二相質(zhì)點(diǎn)分割最小晶界面積，最低界面能，最穩(wěn)定態(tài)(c)晶界逐漸脫離質(zhì)點(diǎn)境界面積增大為保持界面張力平衡，晶界彎曲五、影響奧氏體晶粒長大的因素（四）第二相顆粒第四節(jié)奧氏體晶粒的長大及其控制

五、影響奧氏體晶粒長大的因素（四）第二相顆粒第四節(jié)奧氏體晶粒的長大及其控制強(qiáng)烈阻止晶粒長大能夠阻止晶粒長大阻止晶粒長大作用較弱促進(jìn)晶粒長大AlTiCrVWMoCrSiNiCuMnPC阻礙作用增強(qiáng)

阻礙作用減弱在奧氏體晶界偏聚，提高晶界能在奧氏體晶界偏聚，提高鐵的自擴(kuò)散系數(shù)強(qiáng)碳（氮）化物形成元素，形成高熔點(diǎn)難溶碳（氮）化合物，阻礙晶界遷移，細(xì)化奧氏體晶粒第四節(jié)奧氏體晶粒的長大及其控制五、影響奧氏體晶粒長大的因素（五）合金元素本質(zhì)細(xì)晶粒鋼用鋁脫氧，形成