奥氏体长大过程中扩散的作用
CH奥氏体晶粒长大及其控制PPT级
2020/3/3
18
授课 朱世杰
奥氏体和钢在加热过程中的转变
2.加热速度
加热速度快，奥氏体起始晶粒越细。 因为加热速度越大，奥氏体转变时的过热 度越大，奥氏体的形核率越高，起始晶粒 越细，加之在高温下保温时间短，奥氏体 晶粒来不及长大。实际生产中经常采用快 速加热、短时保温的办法来获得细小晶粒。
力学可导出： D 2K 0exp(Q /kT)
可见随温度升高，奥氏体晶粒将不断长大，温度越高， 长大速度越快。
2020/3/3
15
授课 朱世杰
奥氏体和钢在加热过程中的转变
4. 异常长大
(1) 异常长大的原因
由于温度升高，阻止晶粒长大的难溶第二相颗粒(碳氮化 合物) 发生聚集长大或溶解于奥氏体，使阻力F =0，而此时驱 动力P 却很大，失去了抑制晶粒生长的作用，故奥氏体晶粒 急剧长大。
本节思考题
• 1. 奥氏体晶粒度的定义，何谓起始晶粒度、实际晶粒度、 本质晶粒度？试加以比较。
• 2. 晶粒度级别与晶粒大小的关系式。 • 3. 如何显示和评定晶粒度级别？。 • 4. 说明奥氏体晶粒长大的类型。长大驱动力是什么？ • 5. 说明奥氏体晶粒异常长大的原因。 • 6. 影响奥氏体晶粒长大的因素有哪些？如何影响？ • 7. 如何控制奥氏体晶粒长大（获得细小的奥氏体晶粒的方
2020/3/3
2
授课 朱世杰
奥氏体和钢在加热过程中的转变
举例：
奥氏体的晶粒大小对钢随后的冷却转变及转变产物的组织 和性能都有重要影响。 例如：
将合金结构钢的奥氏体晶粒度从9级细化到15级后钢的屈服 强度（调质状态）从1150MPa提高到1420MPa,并使它的脆化转 变温度从-50℃下降到-150℃。
关于影响金属材料固态扩散的因素与控制
影响金属材料固态扩散的因素与控制摘要：由扩散第一定律可知，在浓度梯度一定时，原子扩散仅取决于扩散系数D。
对于典型的原子扩散过程，D符合Arrhenius公式，。
因此，D仅取决于D0、Q和T，凡是能改变这三个参数的因素都将影响扩散过程。
关键词：温度，因素，扩散，组元，系数一，温度由扩散系数表达式看出，温度越高，原子动能越大，扩散系数呈指数增加。
以C 在γ-Fe中扩散为例，已知D0=2.0×10-5m2/s，Q=140×103J/mol，计算出927℃和1027℃时C的扩散系数分别为1.76×10-11m2/s，5.15×10-11m2/s。
温度升高100℃，扩散系数增加三倍多。
这说明对于在高温下发生的与扩散有关的过程，温度是最重要的影响因素。
应该注意，有些材料在不同温度范围内的扩散机制可能不同，那么每种机制对应的D和Q不同，D便不同。
在这种情况下，～并不是一条直线，而是由若干条直线组成的折线。
例如，许多卤化物和氧化物等离子化合物的扩散系数在某一温度会发生突变，反映了在这一温度以上和以下受到两种不同的机制控制。
图3.15表示出Na+离子在NaCl晶体中扩散系数的实验值。
其中，高温区发生的是以点缺陷扩散为主的本征扩散，低温区发生的是以夹杂产生或控制的缺陷扩散为主的非本征扩散。
二，成分1，组元性质原子在晶体结构中跳动时必须要挣脱其周围原子对它的束缚才能实现跃迁，这就要部分地破坏原子结合键，因此扩散激活能Q和扩散系数D必然与表征原子结合键大小的宏观或者微观参量有关。
无论是在纯金属还是在合金中，原子结合键越弱，Q越小，D越大。
合金中的情况也一样。
考虑A、B组成的二元合金，若B组元的加入能使合金的熔点降低，则合金的互扩散系数增加；反之，若能使合金的熔点升高，则合金的互扩散系数减小，在微观参量上，凡是能使固溶体溶解度减小的因素，都会降低溶质原子的扩散激活能，扩散系数增大。
奥氏体晶粒长大及其控制
*
起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏体 的晶粒大小。 实际晶粒度:热处理后所获得的奥氏体 晶粒的大小。 本质晶粒度:度量钢本身晶粒在930℃ 以下,随温度升高,晶粒长 大的程度。
加热速度愈大，过热度就愈大，即奥氏体实际形成温度就愈高，奥氏体的形核率与长大速度之比值I/G增大（表9.1），所以快速加热时可以获得细小的奥氏体起始晶粒。而且，加热速度愈快，奥氏体起始晶粒就愈细小。
*
表9.1 奥氏体的形核率I、长大速度G 与温度的关系
转变温度 （℃）
形核率I （1/mm3·s）
*
（2）晶界推移阻力
图9.12 晶界移动时与第二相粒子的交互作用示意图
1
2
*
在第二相粒子附近的晶界发生弯曲，导致晶界面积增大，界面能升高。弥散析出的第二相粒子愈细小，粒子附近晶界的弯曲曲率就愈大，晶界面积的增大就愈多，因此界面能的增大也就愈多。这个使系统自由能增加的过程是不可能自发进行的。所以，沉淀析出的第二相粒子的存在是晶界推移的阻力。
9.1.4 奥氏体晶粒长大 及其控制
1．奥氏体晶粒度 2．奥氏体晶粒长大原理 3．影响奥氏体晶粒长大的因素
奥氏体化的目的是获得成分均匀和一定晶粒大小的奥氏体组织。多数情况下希望获得细小的奥氏体晶粒，有时也需要得到较大的奥氏体晶粒。因此，为获得所期望的奥氏体晶粒尺度，必须了解奥氏体晶粒的长大规律，掌握控制奥氏体晶粒度的方法。
*
（4）合金元素的影响
钢中加入适量形成难溶化合物的合金元素如Nb、Ti、Zr、V、Al、Ta等，将强烈地阻碍奥氏体晶粒长大，使奥氏体晶粒粗化温度显著升高。上述合金元素在钢中形成熔点高、稳定性强、不易聚集长大的NbC、NbN、Nb(C,N)、TiC等化合物，它们弥散分布于奥氏体基体中，阻碍晶粒长大，从而保持细小的奥氏体晶粒。
【钢铁知识】合金元素对钢铁性能的影响
【钢铁知识】合金元素对钢铁性能的影响合金元素在钢中的存在形式：溶入铁素体、奥氏体和马氏体中，以固溶体的溶质形式存在形成强化相，如溶入渗碳体形成合金渗碳体，形成特殊碳化物或者金属间化合物形成非金属夹杂，如合金元素与O、N、S形成氧化物、氮化物和硫化物有些元素如Pb、Ag等游离态存在。
一、合金元素与铁的相互作用 1 扩大奥氏体区的元素（奥氏体形成元素）使A4点上升，A3点下降，导致奥氏体稳定区域扩大无限扩大奥氏体区的元素：Ni, Mn, Co 有限扩大奥氏体区的元素：C, Cu, N 2. 缩小奥氏体区的元素（铁素体形成元素）使A4点下降，A3点上升，导致奥氏体稳定区域缩小完全封闭奥氏体区的元素：Cr, Ti, V, W, Mo, Al, Si 缩小奥氏体区，但不使之封闭的元素：B, Nb, Zr 二、合金元素与碳的相互作用 1. 非碳化物形成元素主要包括：B, N, Ni, Cu, Co, Al, Si等它们不能与碳元素形成化合物，但可以固溶于铁中形成固溶体这些元素都位于元素周期表中铁元素的右边 2. 碳化物形成元素主要包括Ti, Zr, Nb, V, W, Mo, Cr, Mn, Fe 这些元素都位于元素周期表中铁元素的左边它们都可与碳元素形成化合物，但形成的碳化物的性质差别很大Fe-C相图是研究钢中相变和对碳钢进行热处理时选择加热温度的依据，因此有必要先了解合金元素对Fe-C相图的影响。
钢中有三个基本的相变过程：加热时奥氏体的形成、冷却时过冷奥氏体的分解以及淬火马氏体回火时的转变。
合金元素对钢加热时奥氏体形成过程的影响合金元素对减小奥氏体晶粒长大倾向的作用也各不相同。
Ti、V、Zr、Nb等强碳化物形成元素强烈阻碍奥氏体晶粒长大，细化晶粒。
W、Mo、Cr 阻止奥氏体晶粒长大的作用中等。
非碳化物形成元素Ni、Si、Cu、Co等阻止奥氏体晶粒长大的作用轻微。
Mn、P有助于奥氏体晶粒的长大。
合金元素对过冷奥氏体分解过程的影响几乎所有的合金元素（除Co）外都使C －曲线向右移动，即减慢珠光体类型转变产物的形成速度。
热处理过程中的原子扩散运动及应用
技术与应用A PPLICATION155ＯＣＣＵＰＡＴＩＯＮ2014 10图2因此，一定时间以后，晶体内部同类原子的分布逐步达到均匀化，这就是原子的扩散运动。
总的来说，扩散的速度是随温度而变化的，金属或合金在室温下基本上不会发生扩散，温度越高，原子获得超额的能量越多，活动能力越强，跳动几率越大，扩散速度也越快，这称为原子扩散运动的激活能。
二、钢在热处理时的作用机理工业生产中，热处理是将固态金属或合金放在一定的介质中加热、保温和冷却，通过改变金属材料表面或内部的组织结构来控制其性能的工艺方法。
钢能进行热处理的根本原因是铁具有同素异构转变特性，其过程须借助原子的扩散运动来完成。
1.纯铁的同素异构转变纯铁在固态下，随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异构转变。
钢能进行热处理的根本原因就是纯铁具有同素异构转变的特性，表达式为：γ—Fe 912℃ α—Fe（面心立方晶格） （体心立方晶格）工业生产中的钢由铁、碳两种元素组成，又称铁碳合金。
铁原子在室温下，以体心立方晶格的α—Fe 存在，其溶碳能力很弱，室温近似为零，从而使钢中的碳集中在一起以化合物（渗碳体Fe 3C ）的形式存在。
钢的室温组织基本上是由α—Fe 构成的铁素体和含碳量较高的渗碳体两部分组成。
而铁原子在高温（912℃以上），则以面心立方晶格的γ—Fe 存在，其溶碳能力较强，727℃时溶碳量为0.77%，1148℃时溶碳量最高达2.11%，此时小颗粒的碳原摘 要：热处理是改善材料加工性能、强化金属的一种重要手段。
钢能进行热处理的根本原因是铁元素具有同素异构转变的特性，其过程须借助原子的扩散运动来完成。
各种热处理过程，特别是各种退火和化学热处理，都和扩散过程分不开。
关键词：热处理 扩散现象 原子运动 激活能热处理过程中的原子扩散运动及应用文/尹丽萍扩散现象是指在浓度差或其他推动力的作用下，由于分子、原子等的热运动所引起的物质在空间的迁移。
工程材料知识点
第一章材料的结构与组成1、填写出下表中三种典型金属的基本参数2、根据刚性模型，计算体心立方、面心立方及密排六方晶格的致密度。
体心立方：首先在一个晶胞中总共有8*1/8+1=2个原子，这个两个原子的体积为V1=2*4/ 3πr^3，而晶胞体积为V2=a^3。
根据晶胞中的原子分布可知，体心立方密排方向为[111]，从而可以得到4r=a*√3。
根据上述可以计算其致密度为η=V1/V2=π*√3/8=68%。
面心立方：一个胞共有8*1/8+6*1/2=4个原子，这个两个原子的体积为V1=4*4/3πr^3，而晶胞体积为V2=a^3。
面心立方密排方向为[110]，从而有4r=a*√2。
根据上述可以计算其致密度为η=V1/V2=π*√2/6=74%。
密排六方：4/3πr^6/a^3=（4/3πx（a/2）^6)/6x(√3a/4)xc=0.743、晶粒的大小对材料力学性能有哪些影响？用哪些方法可使液态金属结晶后获得细晶粒？晶粒度的大小对金属材料的力学性能有很大影响。
金属材料晶粒越小，其综合力学性能越好，即强度、硬度、塑性、韧性越高。
细化液态金属结晶晶粒的方法：增大过冷度、变质处理、振动或搅拌。
4、什么是过冷度？过冷度和冷却速度有什么关系？金属在实际结晶过程中，从液态必须冷却到理论结晶温度（T0）以下才开始结晶，这种现象称为过冷。
理论结晶温度T0和实际结晶温度T1之差△T，称为过冷度。
金属结晶时的过冷度并不是一个恒定值，而是与冷却速度有关，冷却速度越大，过冷度就越大，金属的实际结晶温度也就越低。
5、实际金属晶体存在哪些缺陷？对材料性能有何影响？晶体缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷三种缺陷。
其中点缺陷包括空位、间隙原子、置换原子。
线缺陷包括刃型位错、螺型位错。
面缺陷包括晶体的表面、晶界、亚晶界、相界。
它们对力学性能的影响：使得金属塑性、硬度以及抗拉压力显著降低等等。
第二章材料的力学行为1、说明下列力学性能指标的名称、单位及其含义。
钢的热处理(答案)
钢的热处理一、选择题1.加热是钢进行热处理的第一步，其目的是使钢获得（B ）。
A．均匀的基体组织 B．均匀的A体组织 C．均匀的P体组织 D．均匀的M体组织2.下列温度属于钢的高、中、低温回火温度范围的分别为（A ）（D ）（B ）。
A．500℃ B．200℃ C．400℃ D．350℃3.碳钢的淬火工艺是将其工件加热到一定温度，保温一段时间，然后采用的冷却方式是（D ）。
A．随炉冷却 B．在风中冷却 C．在空气中冷却 D．在水中冷却4.正火是将工件加热到一定温度，保温一段时间，然后采用的冷却方式是（C ）。
A．随炉冷却 B．在油中冷却 C．在空气中冷却 D．在水中冷却5.完全退火主要用于（A ）。
A．亚共析钢 B．共析钢 C．过共析钢 D．所有钢种6.共析钢在奥氏体的连续冷却转变产物中，不可能出现的组织是（ C）。
A．P B．S C．B D．M7.退火是将工件加热到一定温度，保温一段时间，然后采用的冷却方式是（A ）。
A．随炉冷却 B．在油中冷却 C．在空气中冷却 D．在水中冷却二、是非题1. 完全退火是将工件加热到Acm以上30～50℃，保温一定的时间后，随炉缓慢冷却的一种热处理工艺。
√2. 合金元素溶于奥氏体后，均能增加过冷奥氏体的稳定性。
×3. 渗氮处理是将活性氮原子渗入工件表层，然后再进行淬火和低温回火的一种热处理方法。
×4. 马氏体转变温度区的位置主要与钢的化学成分有关，而与冷却速度无关。
×三、填空题1. 共析钢中奥氏体形成的四个阶段是：（奥氏体晶核形成），（奥氏体晶核长大），残余Fe3C溶解，奥氏体均匀化。
2. 化学热处理的基本过程，均由以下三个阶段组成，即（介质分解），（工件表面的吸收），活性原子继续向工件内部扩散。
3. 马氏体是碳在（α-Fe）中的（过饱和溶液）组织。
4. 在钢的热处理中，奥氏体的形成过程是由（加热）和（保温）两个基本过程来完成的。
奥氏体晶粒粗化现象
奥氏体晶粒粗化现象
奥氏体晶粒粗化现象是金属材料在高温处理过程中常见的一种
现象。
在高温条件下，奥氏体晶粒会逐渐长大，最终导致材料的机械性能下降。
这种现象通常是由于热处理过程中温度控制不当或者保温时间过长引起的。
在金属材料加工过程中，奥氏体晶粒的大小是非常重要的。
细小的晶粒可以提高材料的强度和韧性，而粗大的晶粒则会导致材料变脆。
因此，控制奥氏体晶粒的大小是金属材料加工中的一项重要技术。
为了防止奥氏体晶粒粗化，需要采取一系列措施。
首先，要严格控制热处理温度和保温时间，避免长时间处于高温状态。
其次，可以采用一些特殊的热处理工艺，如等温淬火、循环淬火等，来细化奥氏体晶粒。
此外，还可以通过合金化、表面涂层等方法来提高材料的抗晶粒粗化能力。
总之，奥氏体晶粒粗化现象是金属材料加工中需要关注的一个重要问题。
通过合理的热处理工艺和材料选择，可以有效地防止奥氏体晶粒粗化，提高材料的机械性能。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
奥氏体长大过程中扩散的作用
一、奥氏体长大的特点
奥氏体的长大是指在合金中奥氏体相的体积分数增加，晶粒尺寸增大的过程。
奥氏体的长大是通过扩散作用实现的，其主要特点如下：1. 扩散是原子迁移的过程，需要在一定温度下进行。
常见的扩散机制有普通扩散、差别扩散和激活扩散。
2. 扩散速率与温度、扩散距离和扩散物种的浓度梯度有关。
温度越高，扩散速率越快；扩散距离越大，扩散速率越慢；浓度梯度越大，扩散速率越快。
3. 扩散过程是一个热力学平衡过程，会受到界面能的影响。
界面能越高，扩散速率越慢。
二、影响奥氏体长大的因素
奥氏体长大过程中，扩散是一个关键的因素，其扩散速率受到多种因素的影响，主要包括以下几个方面：
1. 温度：温度是影响扩散速率的重要因素，温度越高，原子的热运动越剧烈，扩散速率越快。
2. 扩散距离：扩散距离是指原子从一个位置迁移到另一个位置所需的距离，扩散距离越大，扩散速率越慢。
3. 扩散物种的浓度梯度：浓度梯度越大，扩散速率越快。
如果合金中某一种原子的浓度较高，那么该原子会向浓度较低的区域扩散。
4. 界面能：界面能是指两种不同相之间的界面能量，界面能越高，
扩散速率越慢。
5. 合金成分：合金中的元素种类和含量对奥氏体长大过程中的扩散速率有重要影响。
不同元素的扩散速率不同，元素含量的变化也会影响扩散速率。
三、奥氏体长大过程中的扩散作用
在奥氏体长大过程中，扩散是实现晶粒长大的重要机制之一。
扩散作用使得奥氏体中的原子重新排列，从而形成更大的晶粒。
扩散作用的具体过程如下：
1. 温度升高后，原子的热运动加剧，使得原子更容易从一个位置迁移到另一个位置。
同时，界面能降低，使得原子更容易跨越晶界。
2. 在高温下，奥氏体中的碳原子开始从高浓度区域向低浓度区域扩散。
扩散过程中，碳原子会与铁原子结合形成渗碳体。
3. 随着时间的推移，渗碳体逐渐增多，晶界逐渐消失，奥氏体晶粒逐渐长大。
4. 当温度降低到一定程度时，奥氏体晶粒的长大停止，形成了具有一定尺寸和形状的奥氏体晶粒。
四、奥氏体长大过程中扩散的应用
奥氏体长大过程中的扩散作用在材料工程和冶金工业中有着广泛的应用，主要包括以下几个方面：
1. 热处理：通过控制奥氏体长大过程中的扩散作用，可以使材料获得特定的组织和性能。
例如，通过控制温度和时间，可以实现奥氏
体的细化或粗化，从而改善材料的强度和韧性。
2. 合金设计：通过调整合金中的元素组成和含量，可以控制奥氏体长大过程中的扩散速率，从而改变材料的微观结构和性能。
3. 表面改性：通过在材料表面形成特定的化合物层，可以改善材料的耐磨性、耐腐蚀性和高温性能。
这些化合物层的形成主要依赖于奥氏体长大过程中的扩散作用。
4. 离子注入：离子注入是一种利用扩散作用实现表面改性的方法。
通过将离子注入到材料表面，可以改变材料的组织和性能。
奥氏体长大过程中的扩散作用是实现晶粒长大的重要机制之一。
扩散速率受到多种因素的影响，包括温度、扩散距离、浓度梯度、界面能和合金成分等。
扩散作用在材料工程和冶金工业中有着广泛的应用，可以通过控制扩散作用来改变材料的微观结构和性能，实现特定的组织和性能要求。