钢在高温加热时的转变
高温高压下的材料相变行为
高温高压下的材料相变行为在科学研究和工业生产中，高温高压条件下的材料相变行为一直备受关注。
相变是物质由一种状态转变为另一种状态的过程，而在高温高压条件下，材料的相变行为可能具有一些特殊的特征。
首先，高温高压下的材料相变行为可能是由于热力学效应的影响导致的。
在高温高压条件下，材料的晶格结构会发生变化，原子之间的距离和排列形式也会发生变化。
这种结构的变化可能会导致材料的物理和化学性质发生明显的变化。
例如，高温高压下的钢材可能会发生相变，从而改变其强度和硬度。
其次，高温高压下的材料相变行为可能是由于热运动的影响导致的。
在高温高压条件下，材料中的分子和原子会出现更加剧烈的热运动，这可能会导致材料的相变。
例如，水在高温高压条件下可能会发生相变，从液态变为气态或固态。
这种相变可能会导致水分子之间的相互作用发生变化，从而影响水的物理和化学性质。
另外，高温高压下的材料相变行为可能还与材料的结构和组成有关。
不同的材料在高温高压条件下可能会表现出不同的相变行为，这与材料的晶体结构、晶格常数以及元素组成有关。
例如，一些金属在高温高压条件下可能会发生相变，从面心立方结构转变为体心立方结构，这种相变可能会导致材料的性能发生变化。
此外，高温高压下的材料相变行为还可能与材料的应变和变形有关。
在高温高压条件下，材料可能会受到外部力的作用，导致材料的形状发生变化。
这种应变和变形可能会引起材料的相变行为，从而影响材料的物理和化学性质。
例如，高温高压下的陶瓷材料可能会发生相变，从而改变其机械性能和导电性能。
总的来说，高温高压下的材料相变行为是一个复杂的过程，受到多种因素的影响。
研究高温高压下的材料相变行为不仅可以增加对材料性质的理解，还有助于开发新的材料和改进生产工艺。
希望未来能够通过深入研究和实验验证，更好地揭示高温高压下材料相变行为的机制和规律，为材料科学和工程技术的发展做出更大的贡献。
钢在加热时的组织转变
钢在加热时的组织转变
1. 钢在加热过程中的组织变化
钢是一种具有高强度和韧性的金属材料，广泛用于机械制造、建筑、船舶、桥梁等领域。
在钢材加工过程中，热处理是一项重要的工艺步骤，可以改善钢的力学性能、提高其使用寿命。
而钢在加热过程中的组织变化，是影响其热处理效果和性能表现的关键因素之一。
2. 软化和晶粒长大
钢材经过冷加工和热加工后，其组织结构会发生变化。
加热可以使钢材发生软化，原因是钢的晶界杂质和碳化物颗粒会被空气中的氧化物气体消耗掉，在高温下形成低能量状态的组织结构，从而改变了材料的硬度和韧度，有利于加工和使用。
同时，钢材在加热时晶粒也会长大，因为温度升高会使晶界能量降低，晶界的迁移和改变也会导致晶粒的长大。
3. 相变和组织重构
除了软化和晶粒长大，加热还可以使钢材发生相变和组织重构。
钢材中的相是指金属组织的多种形态和状态，在不同的温度下会发生相变。
例如，铁素体（ferrite）和奥氏体（austenite）是钢中常见的相，钢的性能也与其相的形态和含量密切相关。
因此，在加热过程中应该控制温度和时间，以使钢材中的相变完成，并尽量避免相的不均匀分布。
4. 总结
总之，钢材在加热时会产生多种组织变化，包括软化、晶粒长大、相变和组织重构等。
这些变化会影响钢材的力学性能、延展性和可加
工性，同时也决定了热处理工艺的制定和实施。
因此，在进行热处理
之前，应该准确了解材料的组织结构和特性，并选择合适的工艺参数
和方式，以使钢材发挥最佳性能。
钢材热处理后的尺寸变化
钢材热处理后的尺寸变化钢材热处理是一种常见的工艺，通过加热和冷却的过程来改变钢材的组织结构和性能。
在热处理过程中，钢材的尺寸也会发生变化，这是由于钢材的热胀冷缩性质所导致的。
热处理过程中，钢材首先被加热到一定的温度，然后保温一段时间，最后进行冷却。
不同的热处理方法和工艺参数会对钢材的尺寸产生不同程度的影响。
1. 淬火淬火是钢材热处理中的一种常用方法，通过迅速冷却来使钢材达到高硬度和高强度。
在淬火过程中，钢材的尺寸会发生收缩。
这是因为在高温下，钢材的晶格结构发生变化，晶格间的原子间距增大，导致钢材体积膨胀。
而在迅速冷却的过程中，钢材晶格结构再次变得紧密，原子间距减小，从而使钢材的尺寸缩小。
2. 淬火和回火淬火和回火是一种联合热处理方法，可以提高钢材的硬度和韧性。
在淬火过程中，钢材的尺寸会发生收缩，而在回火过程中，钢材的尺寸会发生扩张。
这是因为在淬火过程中，钢材的晶格结构变得紧密，导致钢材的尺寸缩小；而在回火过程中，钢材的晶格结构发生变化，使得钢材的尺寸扩张。
3. 高温退火高温退火是一种常用的热处理方法，通过将钢材加热到高温后保温一段时间，然后缓慢冷却。
在高温退火过程中，钢材的尺寸会发生扩张。
这是因为在高温下，钢材的晶格结构变得松散，原子间距增大，导致钢材体积膨胀。
而在缓慢冷却的过程中，钢材晶格结构逐渐变得紧密，原子间距减小，从而使钢材的尺寸扩张。
4. 预应力处理预应力处理是一种特殊的热处理方法，通过在钢材中施加压力来改变其组织结构和性能。
在预应力处理过程中，钢材的尺寸会发生收缩。
这是因为在施加压力的作用下，钢材的晶格结构变得紧密，原子间距减小，导致钢材的尺寸缩小。
钢材热处理后的尺寸变化是由钢材的热胀冷缩性质所决定的。
不同的热处理方法和工艺参数会对钢材的尺寸产生不同程度的影响。
了解和掌握这些变化规律，对于正确进行钢材热处理具有重要意义。
钢的热处理及组织转变
二、钢在加热及冷却时的组织转变
② 贝氏体型转变 ：
一、钢的热处理
钢的退火：
⑴ 退火的定义 将钢加热到一定温度，保温一定时间，然后缓慢冷却下 来，获得接近平衡状态的组织的热处理工艺，称为退火。 ⑵ 退火的目的
① 降低硬度，提高塑性和韧性；
② 消除残余内应力，减轻变形和防止开裂； ③ 均匀成分，细化晶粒，为最终热处理作准备； ④ 改善或消除铸造、轧制、焊接等加工中的组织缺陷。
降低钢的硬度和耐磨性。
温度过低，在淬火组织中出现铁素体，使淬火组织出现软 点，降低钢的强度和硬度。
一、钢的热处理
钢的淬火：
理想的淬火冷却曲线 应该是：在650～550 0 C范围要快冷，其它 温度区间不需快冷， 尤其在Ms点以下更不 需快冷，以免引起工 作变形或开裂。
一、钢的热处理
钢的淬火：
保持适当时间，缓慢冷却，重新形成均匀的晶粒，以消除
形变强化效应和残余应力的退火工艺。
目的：
温度 再结晶温度
消除加工硬化
提高塑性
改善切削加工性能
时间
一、钢的热处理
钢的正火：
⑴ 定义：将钢加热到 AC3 或 Accm 以上 30～50℃，保温一定
时间，出炉后在空气中冷却的热处理工艺，称为钢的正火。
上贝氏体 （羽毛状）
500
下贝氏体 （针叶状）
二、钢在加热及冷却时的组织转变
② 贝氏体型转变 ：
性能上看上贝氏体的脆性较大，无实用价值；而下贝 氏体则是韧性较好的组织，是热处理时（如采用等温淬火） 常要求获得的组织。
原因：上贝氏体中的碳 化物呈较粗的片状，分
布在铁素体板条间，且
不均匀，使板条容易发 生脆废；
获得的球化效果较好，在大件和大批量生产中难以实现，
钢的加热冷却组织转变
（F和Fe3C），转变为另一种晶格形式的单相（A）的过程，在这样的相变过程中，必然伴随 着Fe、C原子的扩散和相应的晶格重构。研究证明，α-γ晶格重构过程实际上是固态下重结
晶的过程，因此，同样遵循结晶的基本规律，是一个形核、长大和均匀化的过程。
珠光体向奥氏体的转变可分为以下3个步骤，共析钢中奥氏体形成过程示意图如图6－3
亚共析钢室温下的平衡组织是铁素体和珠光体，因此亚共析钢的奥氏体转变由两个阶段 组成。① 是珠光体向奥氏体的转变（加热到略高Ac1 ）；② 是铁素体向奥氏体的转变（加热 到Ac1～Ac3之间）。珠光体向奥氏体的转变与共析钢相同。当珠光体向奥氏体转变结束时，在 铁素体晶界上开始形成新的奥氏体晶核，这些新的晶核依靠吸收由先形成的奥氏体中越过晶 界扩散过来的碳原子而不断向铁素体晶粒内部长大。当温度略高于Ac3时，铁素体全部转变成 奥氏体，之后碳原子的扩散还要维持一段时间才能使所有奥氏体的成分达到均匀一致。 2.2.2 过共析钢的奥氏体转变
指在规定加热条件下（把钢加热到930±10℃、保温3～8h）所测得的奥氏体晶粒度。本 质晶粒度的实质是表示钢加热时奥氏体晶粒长大的倾向。不同牌号的钢奥氏体晶粒长大的倾 向是不同的，在一定的温度下把随着温度的升高奥氏体晶粒迅速长大的钢称为本质粗晶粒钢， 而奥氏体的晶粒随温度的升高不易长大的钢称为本质细晶粒钢，钢的本质晶粒度示意图如图 6-8所示。一般需要进行热处理的零件大多采用的是本质细晶粒钢，因为本质细晶粒钢热处理 后易获得细小的实际晶粒度。
过冷或过热现象，在相图上实际的相变温度和平衡临界点就会产生偏移的现象，而且加热或
冷却速度越快，偏移量越大。为了便于区别，通常把实际加热时的各临界点用Ac1、Ac3、Accm 表示，冷却时的各临界点用Ar1、Ar3、Arcm表示。钢的各实际临界点的含义如下：
钢的热处理要点
１．３钢的热处理钢的热处理是指将钢在固态下进行加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要性能的一种工艺方法。
热处理的目的是提高工件的使用性能和寿命。
还可以作为消除毛坯〔如铸件、锻件等〕中缺陷，改善其工艺性能，为后续工序作组织准备。
钢的热处理种类很多，根据加热和冷却方法不同，大致分类如下：钢在加热时的组织转变在Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图中，共析钢加热超过ＰＳＫ线〔Ａ１〕时，其组织完全转变为奥氏体。
亚共析钢和过共析钢必须加热到ＧＳ线〔Ａ３〕和ＥＳ线〔Ａｃｍ〕以上才能全部转变为奥氏体。
相图中的平衡临界点Ａ１、Ａ３、Ａｃｍ是碳钢在极缓慢地加热或冷却情况下测定的。
但在实际生产中，加热和冷却并不是极其缓慢的。
加热转变在平衡临界点以上进行，冷却转变在平衡临界点以下进行。
加热和冷却速度越大，其偏离平衡临界点也越大。
为了区别于平衡临界点，通常将实际加热时各临界点标为Ａｃ１、Ａｃ３、Ａｃｃｍ；实际冷却时各临界点标为Ａｒ１、Ａｒ３、Ａｒｃｍ，任何成分的碳钢加热到相变点Ａｃ１以上都会发生珠光体向奥氏体转变，通常把这种转变过程称为奥氏体化。
１．奥氏体的形成共析钢加热到Ａｃ１以上由珠光体全部转变为奥氏体第一阶段是奥氏体的形核与长大，第二阶段是剩余渗碳体的溶解，第三阶段是奥氏体成分均匀化。
亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢根本相同，不同处在于亚共析钢、过共析钢在Ａｃ１稍上温度时，还分别有铁素体、二次渗碳体未变化。
所以，它们的完全奥氏体化温度应分别为Ａｃ３、Ａｃｃｍ以上。
２．奥氏体晶粒的长大及影响因素钢在加热时，奥氏体的晶粒大小直接影响到热处理后钢的性能。
加热时奥氏体晶粒细小，冷却后组织也细小；反之，组织那么粗大。
钢材晶粒细化，既能有效地提高强度，又能明显提高塑性和韧性，这是其它强化方法所不及的。
〔１〕奥氏体晶粒度晶粒度是表示晶粒大小的一种量度。
（2〕、影响奥氏体晶粒度的因素1〕加热温度和保温时间：加热温度高、保温时间长，A晶粒粗大。
金属在长期高温运行中的变化和锅炉用钢的选择
金属在长期高温运行中的变化和锅炉用钢的选择一、金属在长期高温运行中的变化简介：金属在高温长期运行过程中的变化主要有：A、金属的蠕变和应力松弛；B、金属在长期高温运行中发生的组织和性能变化；C、金属在高温下的腐蚀和其它特殊损坏。
1、钢的一些高温性能1．1 蠕变1．1．1概念金属在一定温度和应力（即使该应力小于该温度下的屈服强度）作用下，随时间的增加，缓慢的发生塑性变形的现象称为蠕变。
蠕变的变形量称为蠕胀。
1．1．2蠕变曲线金属的蠕变过程可用蠕变曲线来描述。
蠕变曲线分为三个阶段：蠕变第一阶段，过渡蠕变阶段，蠕变速度逐渐减小；蠕变第二阶段，稳态蠕变阶段，以恒定速度蠕变；蠕变第三阶段，加速蠕变阶段，蠕变速度逐渐增大。
1．1．3蠕变极限的表示方法（1）以一定的工作温度下引起的规定的第二阶段蠕变速度应力值表示,所用符号为σ-7；（蠕变允许速度为10-5％/h）1x10（2）以一定工作温度下，规定时间内钢材发生一定的总变形量时的应力值表示σ1/105上述两种表示中，当所确定的变形量之间相差很少，可以认为这两种方法是一致的。
1．1．4蠕变变形的机理（介绍位错滑移蠕变机理）在整个蠕变过程中有两种过程在进行：（1）新位错的产生及位错运动遇到障碍受阻；（2）受阻位错从障碍中解放出来而重新运动。
由于这两种过程的总和，每一瞬间，总有一定数量的位错准备运动，而蠕变速度正取决于准备运动的位错数。
因此，可以这样理解，当两种过程的总和使准备运动的位错数目减少时，造成了蠕变速度的减小，即蠕变第一阶段；当两个过程的总和造成准备运动的位错数目一定时，使蠕变处于等速阶段，即蠕变的第二阶段；当两个过程的总和使准备运动的位错增加时，就使蠕变过程加速，形成了蠕变的第三阶段。
1．1．5影响因素（1）温度越高，应力越大，蠕变速度越大；（2）温度波动使钢的蠕变极限降低；（3）复杂应力条件下蠕变极限与单相拉伸差别很小，单相拉伸的蠕变极限略高一些。
1．2持久强度：一定温度下，经过一定的时间破坏时所能承受的应力值，表示金属材料在高温长期应力作用下，抵抗断裂的能力，所用符号为σ105。
钢在加热及冷却时的组织转变
2．奥氏体的形成
钢在加热时的组织转变，主要包括奥氏体的形成和晶粒长大两个过程。
物元素（如铌、钒、钛等），会形成难熔的碳化物和氮化物颗粒，弥散分布于奥氏体晶界上，阻碍奥氏体晶粒的长大。
因此，大多数合金钢、本质细晶粒钢加热时奥氏体的晶粒一般较细。
原始组织：钢的原始晶粒越细，热处理加热后的奥氏体的晶粒越细。
二、钢在冷却时的组织转变
冷却方式是决定热处理组织和性能的主要因素。
热处理冷却方式分为等温冷却和连续冷却。
等温转变产物及性能：用等温转变图可分析钢在A
线以下不同温度进行等温转变
1
所获的产物。
根据等温温度不同，其转变产物有珠光体型和贝氏体型两种。
～550℃ ，获片状珠光体型（F+P）组织。
[ 高温转变]：转变温度范围为A
1
依转变温度由高到低，转变产物分别为珠光体、索氏体、托氏体，片层间距由粗到细。
其力学性能与片层间距大小有关，片层间距越小，则塑性变形抗力越大，强度
炉冷V
：比较缓慢，相当于随炉冷却（退火的冷却方式），它分别与C曲线的
1
转变开始和转变终了线相交于1、2点，这两点位于C曲线上部珠光体转变区域，估计它的转变产物为珠光体，硬度170~220HBS。
空冷V
：相当于在空气中冷却（正火的冷却方式），它分别与C曲线的转变开
2
始线和转变终了线相交于3、4点，位于C曲线珠光体转变区域中下部分，故可判断。
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颗粒状奥氏体的形成规律，与珠光体 向奥氏体的转变类似。
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2.非平衡组织加热转变的主要影响因素
化学成分 碳钢—不易形成针状或颗粒状； 合金钢—合金元素的加入将使含碳过饱和的α相（αˊ） 的分解及αˊ基体的再结晶过程变慢，发生αˊ →γ； 加热速度 慢速—1-2oC/min： 碳钢—不易形成针状或颗粒状奥氏体； 合金钢—发生αˊ →γ； 快速—1000oC/s： 无论碳钢还是合金钢均会发生αˊ →γ； 中速—介于之间：
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奥氏体晶核长大
奥氏体的长大过程是γ/α和γ/Fe3C两个相界面 向原来的铁素体和渗碳体中推移的过程。
A+F
A+Fe3C
图2.5 共析钢奥氏体晶核长大 (a) T1温度下各相中C的浓度 (b) 相界面的推移
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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Fe3C不断溶解，α 相逐渐转变为γ相。
固态相变类型
①结构 ②成分 同素异构转变、多型性转变、马氏 体转变等； 调幅分解； 有序化转变；
③有序化程度
④结构和成分
共析转变、贝氏体转变、脱
溶沉淀等。
1
共格→界面能小，弹性应变能大 界面结构
半共格→介于之间
非共格→界面能大，弹性应变能小 均匀形核→在母相基体中无择优任意形核
新相形核
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） 半共格界面迁移 切变长大(协同长大) 界面位错运动
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2.1 奥氏体的形成
2.1.1 奥氏体的组织结构和性能
奥氏体是C原子溶入γ-Fe中构成的固溶体。
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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。
图2.1 1Cr18Ni9Ti钢室温的 奥氏体组织
1奥氏体在α/Fe3C界面形核 核向F及Fe3C两个方向长大 物溶解 4奥氏体均匀化
2奥氏体晶 3剩余碳化
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亚共析钢
F＋P
Ac1以上
A ＋F
Ac3以上
A
过共析钢
P ＋Fe3C
Ac1以上
A＋Fe3C
Accm以上
A
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►
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2.2.2 非平衡组织向奥氏体的转变
1. 针状奥氏体与颗粒状奥氏体
非平衡组织（主要是马氏体）在加热时，会 同时形成针状和球状（颗粒状）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。
（a）针状奥氏体；（b）颗粒状奥氏体
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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；
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图2.6 共析钢奥氏体等温形成动力学曲线
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(α+Fe3C+γ) (α+Fe3C)
图2.7 共析钢等温形成动力学图 （Time-Temperature-Austenitization,TTA图）
↓
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 9Leabharlann 2.1.2 奥氏体的形成条件
驱动力
自由能差 ΔGV即为P→A 转变的驱动力。 转变必须远离平衡态， 即存在过热度ΔT。
图2.3 珠光体和奥氏体自由能与温度的关系
奥氏体的形核 奥氏体优先 形核的位置
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α/Fe3C界面或 珠光体团界面
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α/Fe3C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。
剩余碳化物溶解
奥氏体长大过程中，由于 Cγ/Fe3C>>Cγ/α， 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。
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奥氏体成分均匀化
残留Fe3C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。 奥氏体的形成过程分为四个阶段：
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加热和冷却时的临界点
加热： A1－Ac1 A3－Ac3 Acm－Accm 冷却：A1－Ar1 A3－Ar3 Acm－Arcm
图2.4 加热和冷却速度为0.125℃/min 时相变点的变动
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2.2 奥氏体形成机理
平衡组织 (珠光体) 非平衡组织 (马氏体、贝氏体等)
奥氏体
2.2.1 珠光体类组织向奥氏体的转变
出现过渡现象，发生αˊ →γ。
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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AC1以上的不同温度， 保温不同时间后，迅速水淬；
用金相法测定奥氏体的转变量与时间的关系(实 际上是测定奥氏体水淬后转变成马氏体的量与 时间的关系)。
晶核长大
(无扩散型)
非共格界面迁移
(扩散型)
非协同长大
台阶长大
2
第2章 钢在高温加热时的奥氏体转变
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
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。
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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
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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
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奥氏体具有顺磁性