第3章 奥氏体相变

针状A形成示意图
针状A晶粒合并长大示意图
颗粒状Ag
针状Aa
（一）针状A晶粒的形成及长大


钢的成分：低中碳钢 形成温度：在Ac1~Ac3之间 形核位置：小角晶界上（原始M板条之间 形成） 在形成Aa同时也会形成Ag
M束
低碳板条马氏体
M板条间的Aa和M板条束间的Ag
Aa的形成机制



形核：Aa核在板条条界上、碳化物旁形成。由于板条 条界是小角晶界，故Aa核可以与两侧均形成共格或半 共格晶界，保持K－S关系。由于共格或半共格界面能 量低，故形核功小，在不大的过热度下即可形成。 长大：形核后依靠碳化物的溶解与碳在F与A中的扩散 而长大。但因核两侧均为共格或半共格晶界，活动性 差，而条界又可以提供长大所需的碳原子，故沿条界 长大速度大，长成针状A。 合并:由于同一板条束内的Aa均具有相同的空间取向， 故相遇时合并成一个大颗粒状A（组织遗传）。
1)奥氏体的形核
以共析钢的等温形成A为例： P (F + Fe3C) A 含碳量： 0.02% 6.67% 0.77% 结构： 体心立方 复杂斜方 面心立方 形成位置： i) 在F和Fe3C交界面上通过扩散机构形成； ii) 珠光体团界； iii) 先共析F/珠光体团交界处。
界面形核的原因
1）成分上：在相界面上容易形成A所需的浓度

本节讨论共析钢和亚共析钢的等温形成动 力学
一、共析钢奥氏体等温形成动力学
1. 等温形成动力学图－ 时间－温度－转变量关系图
动力学曲线
共析钢等温形成动力学图
2. 共析钢等温转变动力学图特点
1）转变需要孕育期 2）曲线呈S型 初期：速度随时间加快； 50%后：速度下降 3）随温度升高，孕育期缩短，速度加快
3.2 奥氏体的等温转变
（讨论由平衡组织共析钢转变为A的过程）
？
基本概念
1.平衡和非平衡组织 原始组织—加热相变前的组织 钢的平衡态组织—以极缓慢的速度冷却 (加热)得到的组织 钢的非平衡态组织--以较快的速度冷却得 到的组织
问题


为什么在临界温度A1以上珠光体会转变 为奥氏体? 奥氏体是如何形成的?(机制) 奥氏体的核在什么位置形成? 在珠光体中的两个相哪个先转变完？
A形核率I、长大速度与温度的关系
温度 º C
730
740
750
760
780
800
形核率 － I 1/mm3 .s
2280
－
11000
51500
616000
线生长 0.0005 0.001 速度 mm/s
0.004
0.01
0.026
0.041
3.4 A晶粒长大及其控制


A晶粒大小将影响冷却时的转变和转变所 得的组织与性能。细小的A晶粒将有利于 获得优良的性能 Hall-Petch关系：
加热温度对A晶粒尺寸的影响
二）晶粒长大现象




加热转变终了后，随温度进一步升高， 时间继续延长，A晶粒将不断长大的现象。 晶粒长大是一自发过程。因为晶粒越大， 单位体积内晶粒数越少，晶界面积越小， 界面能越小。 正常长大：随温度升高，A不断长大 异常长大：当温度升高到超过某一定值 后晶粒随温度升高急剧长大。
举例


以Al脱氧的钢为本质细晶粒钢。因为钢 中含有大量难熔的AlN，弥散析出在晶界 上，防止了晶粒长大。 高频表面淬火细化晶粒
第四节 非平衡组织的A形成


非平衡组织－淬火组织及淬火后并不充 分回火组织：淬火马氏体，回火马氏体 贝氏体、等 非平衡组织奥氏体化时，因成分和加热 条件不同，可能同时得到针状或颗粒状 两种形态奥氏体晶粒。
* * G非均匀 G均匀S ( )
S(θ)称为形状因子，其数值小于或等于1，只与润湿角有关，
1 S ( ) (2 cos )(1 cos ) 2 2
()
S() 0 0 10 ~10-4 60 ~0.3 90 1
形核由难到易次序： 均匀形核→空位形核→位错形核→堆垛层错 →晶界形核→相界形核→自由表面2Βιβλιοθήκη 亚共析钢A转变的特点

珠光体首先转变为A。受C在A中扩散控制， 速度较快。 A向F界面推移，使F慢慢转变为A。受C 在F中扩散所控制。C原子作较长距离的 扩散，形成速度极慢。 转变速度与碳含量有关，碳含量越高， 转变速度越快。
0.1%C钢奥氏体等温形成图 共析钢的等温形成图
3.3

连续加热时奥氏体的形成
0
G均匀
r*
*
2 GV GS
G均匀
16 3 3(GV GS ) 2
物理意义：新相核胚的原子团半径(r)必须大于临界半径(r*)，系统才 ）的阻碍，新相的核胚才能继续长大，完成形核过 能克服势垒（ G均匀 程。否则核胚的原子团将重新散开，形核失败。
非均匀形核
钢件在实际加热时，A是在连续加热过程 中形成。即在A形成过程中，温度还将不 断升高。 －叫做非等温转变 或连续加热转变
T2 T1
3.3.1 连续转变动力学图
0.7%C的亚共析钢连续加热时A的形成曲线
3.3.2 转变特点




在一定的加热速度范围内，临界点随加 热速度增大而升高 相变是在一个温度范围内完成的（速度 越快，范围越宽） A形成速度随加热速度增加而加快 快速连续加热时形成的A成分不均匀性增 大 可以获得超细晶粒（形核率和形核位置）
3.影响P转变为A的因素




温度 形核率与线长大速度随温度升高 而增加 碳含量：A形成速度随C%增加而增加 原始组织 P中Fe3C片厚度和颗粒大小影 响A形成过程及形成速度. 片状大于颗粒状；片层越小，速度越大 合金元素：改变临界点位置、影响C扩散 速度；形成各种碳化物（K）
形核率:
Q W I=Ch exp( ) exp( ) kT kT
3)残留渗碳体的溶解
1.实验现象： 1) F消失时，组织中的Fe3C还未完全转变 2) 测定后发现A中含碳量低于共析成分0.77% 2.原因： Fe-Fe3C相图上ES线斜度大于GS线，S点不在 CA-F与CA-C中点，而稍偏右。所以A中平均碳浓 度，即(CA-F + CA-C)/2低于S点成分。当F全部转 变为A后，多余的碳即以Fe3C形式存在。
继续保温，能使未溶碳渗体溶入A中!
4)A均匀化
渗碳体溶解完后，A成分是不均匀的，原 渗碳体部分C含量高，铁素体部分含量低， 保温通过C的扩散使A中C分布均匀。 小结：共析钢的A等温形成是通过碳铁原子 的扩散，通过形核-长大-碳化物溶解-A均 匀化实现的

3.2.3 转变动力学
形成动力学 － 形成速度 即奥氏体的转变量与温度和时间的关系
3.2.1 转变的热力学
A形成热力学条件
两相自由能差：ΔGv=Gγ-Gp<0--相变驱动力 P A条件是：将P加热到A1以上 过热度：转变温度与临界点A1之差 过热度越大，驱动力越大，转变速度越快 加热速度极慢时：过热度＞0即可发生转变。A1 加热速度较快时：在较大的过热度下才能发生相 变，好象临界点提高了。 Ac1 Ac1－在一定加热速度下实际测得的临界点 （0.125º C/min)

一、温度、时间、加热速度 D＝kt1/2
D－晶粒平均直径，k－与材料和温度有关的 常数，t－加热时间 过热：晶粒过分长大（在晶界上未发生晶界 弱化）的现象 过烧：温度过高，A晶粒长大而且在晶界上发 生了某些使晶界弱化的变化
正常长大 混晶
第二相粒子对晶界迁移的影响示意图
影响A长大的因素（II）
第三章
奥氏体(A)与钢在加热过程中的 转变
Austenite in Steel and transformation during heating
主要内容



什么是钢中的奥氏体：结构、组织、性 能 奥氏体如何形成的 奥氏体等温形成动力学（速度、影响因 素） 连续加热时奥氏体的形成 奥氏体晶粒长大及控制
σs=σi+Kyd-1/2 σs －屈服强度，σi－抵抗位错在晶粒中运动的 摩擦阻力，Ky－常数, d－晶粒直径


晶粒度 级别图 1-8级
3.4.1 晶粒度概念及晶粒长大现象
一）晶粒度
设N为放大100倍时每平方英寸in2面积内 的晶粒数，则下式中G即为晶粒度。
N=2
G-1
晶粒越细，G越大。 起始晶粒：加热转变终了时所得的A晶粒 实际晶粒：长大到冷却开始时的A晶粒 本质晶粒：930º C保温3~8小时所得的晶粒 1－4级：本质粗晶粒钢，5－8本质细晶粒钢
晶粒尺寸与加热温度关系
晶粒尺寸与保温时间关系
3.4.2 A晶粒长大机理

长大方式：通过界面迁移而长大 驱动力：来自A晶界的界面能。A晶粒的 长大将导致界面能降低。 P＝2γ/R
P－驱动力，R－球面晶界曲率半径， γ－界面能
晶粒越小，界面能越大，长大驱动力越大
3.4.3 影响A长大的因素（I）
研究奥氏体转变的目的


奥氏体转变是加热(临界点以上)过程中的 转变 是材料获得最终组织的必需转变过程
通过研究A转变，可以控制A转变的条件， 获得理想的A组织，为后续处理做好组织 准备!
3.1 奥氏体及其特点
定义，晶体结构，微观组织，性能
一、A的定义和晶体结构
定义：A是碳溶于γ-Fe所形成的固溶体 晶体结构：面心立方，碳位于八面体间隙中心。
Q-激活能,W-临界晶核形成功
WA
3
G 2 V
长大速率:
v
dc DC dx K c c

v Fe3C