文档介绍：第四节钢的热处理原理
一、奥氏体转变
(一)奥氏体的形成过程
奥氏体是C溶于γ-Fe中的间隙固溶体,具有面心立方结构。C在γ-Fe中可能的间隙位置如图1-11所示。奥氏体是顺磁性的,在钢的各种组织中,它的比容最小,线膨胀系数比其他组织大,除渗碳体外,导热性能最差。奥氏体的塑性高,屈服强度低,容易塑性变形加工成形。
由Fe-Fe3C相图可知,温度在A1以下钢的平衡组织为铁素体和渗碳体,当温度超过A1(对共析钢)或A3(对亚共析钢)或Acm(对过共析钢)以上,钢的组织为单相奥氏体组织。由于新形成的奥氏体和原来的铁素体及渗碳体的碳含量和点阵结构相差很大,因而奥氏体的形成是一个渗碳体的溶解,铁素体到奥氏体的点阵重构以及碳在奥氏体中扩散的过程。
奥氏体的形成由形核和长大两个步骤组成。以共析钢为例说明奥氏体的形成过程。图1-12为共析钢的奥氏体形成过程示意图。
图1-11 C在γ-Fe中可能的间隙位置
图1-12 共析钢的奥氏体形成过程示意图
假设共析钢的原始组织是片状珠光体,当加热到Ac1温度以上并保温一定时间后,由于珠光体中铁素体和相界面上碳浓度分布不均匀,位错密度较高,原子排列不规则,处于能量较高状态,容易获得奥氏体形核所需的浓度起伏、结构起伏和能量起伏,所以奥氏体晶核优先在相界面上形成,当然,珠光体群边界也可能成为奥氏体的形核部位。
奥氏体形核后便开始长大。奥氏体晶核形成以后,它的一侧与铁素体相邻,而另一侧与Fe3C相邻。假设它们的界面是平直的,则根据Fe-Fe3C相图可知,奥氏体中的碳浓度是不均匀的,与Fe3C相邻界面的碳浓度高于奥氏体与铁素体相邻界面的碳浓度。因此,碳在奥氏体中的分布出现梯度,并引起碳在奥氏体中不断地从高浓度处向低浓度处扩散,从而破坏了相界面的平衡,为了恢复平衡,就不断地溶入奥氏体,以保持它们之间的相界面的碳浓度。与此同时,在另一侧界面上,由于奥氏体的碳原子向铁素体中不断扩散,致使铁素体不断转变为奥氏体,这样奥氏体的两个界面就不断地向铁素体和Fe
3C方向移动,奥氏体便长大。
在铁素体内,由于它与Fe3C和奥氏体接触的两个界面之间也存在碳浓度,因此,碳在铁素体内也进行着扩散,结果加速铁素体向奥氏体转变,使奥氏体长大。
当铁素体全部转变成奥氏体时,便可认为奥氏体的长大过程已经完毕。但此时仍有部分Fe3C尚未溶解,剩余在奥氏体中。随着保温时间逐渐延长或温度升高,剩余Fe3C通过碳的扩散会不断地溶入奥氏体中,使奥氏体的含碳量逐渐接近共析成分,当Fe3C全部溶解时,奥氏体的碳浓度仍是不均匀的,因此,在保温或升温过程中,通过碳原子的扩散,奥氏体中碳浓度逐渐趋于均匀,最后达到均匀的单相奥氏体,至此,奥氏体的形成过程全部结束。
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,但只有当前者的加热温度超过A3,后者的加热温度超过Acm并保温足够时间,才能获得均匀单相的奥氏体。
(二)影响奥氏体形成速度的因素
由于奥氏体的形成是靠晶核形成及长大来完成的,因此,一切影响奥氏体形成速度的因素都是通过对晶核的形成和长大速度的影响而起作用。

加热温度愈高,原子扩散能力越强,奥氏体形成的孕育期以及整个相变过程所需要的时间愈短,奥氏体形成速度愈快。

(1)含碳量钢中含碳量愈高,奥氏体的形成速度愈快。
(2)合金元素合金元素不改变奥氏体化的过程,但影响奥氏体的形成速度。碳化物形成元素(如Cr、Mo、W、V、Ti等)会减慢奥氏体的形成速度,非碳化物形成元素(如Co、Ni)会加速奥氏体的形成速度。

在化学成分相同的情况下,钢的原始组织愈细,奥氏体的形成速度愈快。
(三)影响奥氏体晶粒长大的因素
金属结晶后形成一定尺寸的晶粒,晶粒尺寸的大小与金属材料的热加工工艺和力学性能存在着十分密切的关系,随着热加工变形程度和后续热处理奥氏体化温度的改变,晶粒大小会发生改变,通常随着加热温度的升高,晶粒开始长大,而且在高温时晶粒长大速度会明显加快,导致晶粒粗化,因此,晶粒度是评定加热质量的指标之一。

加热温度越高,保温时间延长,晶粒越粗大。因为加热温度升高,原子扩散速度呈指数关系增大,因此高温时晶粒长大趋势更明显,而且温度的影响比时间要大的多。

加热速度越快,奥氏体转变时的过热度也越大,奥氏体的实际形成温度也越高,越容易得到细小晶粒,因此起始晶粒度越细。

在一定范围内(共析成分附近),奥氏体晶粒度随含碳量增大而增大,超过这个范围,晶粒度反而减小。

形成难溶化合物的元素阻碍晶粒长大。钢中加入第Ⅵ族副族元素如Ti、Zr等和第Ⅴ族副族元素如V、Nb、Ta,有强烈细化晶粒作用;用Al脱氧