第二章-奥氏体及其形成n课件.ppt
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- 第二 奥氏体 及其 形成 课件
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1、2023年5月13日星期六第二章第二章 奥氏体及其形成奥氏体及其形成n引言引言l钢被加热到奥氏体相区,得到奥氏体组织。l奥氏体状态,包括奥氏体晶粒大小,亚结构,成分,均匀性以及是否存在其他相、夹杂物等,对于在随后冷却过程中得到的组织和性能有直接的影响。l熟悉钢中的奥氏体的形成机理,掌握获得奥氏体状态的方法,具有重要的实际意义和理论价值。2.1 奥氏体的组织结构和性能奥氏体的组织结构和性能l旧定义:碳溶入Fe中的固溶体。l钢中的奥氏体是碳或各种化学元素溶入钢中的奥氏体是碳或各种化学元素溶入Fe中所中所形成的固溶体。形成的固溶体。其中C、N等元素存在于奥氏体的间隙位置。或者晶格缺陷处。而原子尺寸与
2、Fe原子相差不大的合金元素则固溶于替换位置。还有一些化学元素吸附于奥氏体晶界等晶体缺陷处。l奥氏体是多种化学元素构成的一个整合系统。2.1.1.奥氏体组织形貌奥氏体组织形貌奥氏体晶粒一般为等轴状多边形,在奥氏体晶粒内有孪晶。图中出现的灰白不同的衬度是由于各晶粒暴露在试样表面上的晶面具有不同的取向的缘故。(a)50CrVA钢的奥氏体晶粒钢的奥氏体晶粒(高温暗场像高温暗场像)(b)1Cr18Ni9Ti钢室温的奥氏体组织钢室温的奥氏体组织2.1.2 奥氏体的晶体结构奥氏体的晶体结构碳原子的间隙固溶碳原子的间隙固溶l在1147时,碳在奥氏体中的最大溶解度仅为2.11(质量百分数)Fe的八面体中心的间隙
3、半径为0.052nm碳原子的半径0.086nm。碳原子溶入将使八面体发生较大的膨胀,产生畸变,溶入愈多,畸变愈大,晶格将不稳定,因此不是所有的八面体中心都能溶入一个碳原子,溶解度是有限的。l如果间隙位置都被碳原子占据,质量分数和摩尔分数分别为多少?2.11%时,多少个晶胞里有一个碳?碳原子的间隙固溶碳原子的间隙固溶l如果间隙位置都被碳原子占据,则一个晶胞中含有4个铁原子和4个碳原子,则原子分数为50%,折合17.6wtCl实际上原子分数为8.7atC,即25个Fe晶胞中有9个碳原子。奥氏体晶格参数与含碳量的关系奥氏体晶格参数与含碳量的关系2.1.3 奥氏体中的亚结构奥氏体中的亚结构l任何一个奥
4、氏体晶粒,均非完整的晶格,总是存在晶体缺陷,如空位、位错、层错、亚晶和孪晶等。这些缺陷具有缺陷能或畸变能。在珠光体转变为奥氏体的过程中,会形成相变孪晶。众所周知,在外力作用下以孪生方式可以形成形变孪晶。在高温加热奥氏体化时,没有外加应力,形成的奥氏体中存在孪晶,此属相变孪晶或退火孪晶;这些孪晶的形成机理尚不清楚,研究报道甚少。l退火孪晶的形貌特征是:(1)孪晶有平直的界面,即有一条平直的孪晶线;(2)孪晶可横贯奥氏体晶粒,也可终止于晶粒内,有时呈现台阶状。图2-3 18-8型奥氏体不锈钢中的退火孪晶(a)0Cr18Ni9;(b)1Cr18Ni9Ti图2-4TEM(a)含氮奥氏体不锈钢中的层错;
5、(b)奥氏体中的位错 2.1.4 奥氏体成分的不均匀性奥氏体成分的不均匀性l在奥氏体中,一部分碳原子固溶在fcc的晶格间隙中,一部分偏聚的晶界、位错等晶体缺陷处。l碳含量分布实际上是不均匀的。0.2C的奥氏体中的间隙碳原子分布的奥氏体中的间隙碳原子分布勇于开始,才能找到成功的路 奥氏体中的碳和合金元素分布是不均匀的,均匀是相对的,不均匀是绝对的。材料的成分均质化是指宏观上的相对均匀。不同淬火温度和不同加热速度情况下,奥氏体中碳含量不均匀的图解。可见加热到12001300时,该钢的原珠光体区域和原铁素体区域的碳含量仍然存在很大差别,碳含量仍然不均匀分布。图2-5加热速度和温度对w(c)=0.18
6、%钢奥氏体碳含量不均匀的影响Wt%与与at%的换算:的换算:A元素的at 100%B元素的at 100%lA、B为原子量;a,b分别为A、B两元素的wt2.1.5奥氏体的性能奥氏体的性能 l(1)奥氏体是最密排的点阵结构,致密度高,故奥氏体的比容最小(与F、M比较)。因此,钢被加热到奥氏体相区时,体积收缩,冷却时,奥氏体转变为铁素体珠光体等组织时,体积膨胀,容易引起内应力。l(2)奥氏体的点阵滑移系多,故奥氏体的塑性好,屈服强度低,易于加工塑性变形。钢锭或钢坯一般被加热到1100以上奥氏体化,然后进行锻轧,塑性加工成材。l一般钢中的奥氏体具有顺磁性,因此奥氏体钢可以作为无磁性钢。特殊的FeNi
7、软磁合金,也是奥氏体组织,但具有铁磁性。l奥氏体的导热性差,线膨胀系数最大,比铁素体和渗碳体的平均线膨胀系数高约一倍。故奥氏体钢可以用来制造热膨胀灵敏的仪表元件。l另外,由于其导热性差,大钢件加热时,热透较慢,加热速度应当慢一些,以减少温差应力,避免开裂。2.2 奥氏体形成机理 l奥氏体形成是扩散性相变,转变的全过程可以分为四个阶段:(1)奥氏体形核;(2)奥氏体晶核长大;(3)剩余渗碳体、碳化物的溶解;(4)奥氏体成分相对均匀化。片状珠光体片状珠光体奥氏体奥氏体l珠光体转变为奥氏体,是扩散型相变,是形核长大的过程。2.2.1奥氏体形成的热力学条件奥氏体形成的热力学条件l1)相变驱动力 l2)
8、加热时的临界点 实际生产中加热速度一般较快,转变发生滞后现象,即转变开始点随着加热速度的加快而升高。习惯上将在一定加热速度下(0.125/min)实际测定的临界点用Ac1表示,临界点A3和Acm也附加脚标c,即:Ac3、Accm。l3)冷却时的临界点冷却时的临界点与冷却速度有关。冷却时的临界点以Ar1 表示。临界点A3和Acm也附加脚标r,表示为Ar3、Arcm。2.2.2奥氏体晶核的形成奥氏体晶核的形成1)形核地点形核地点l一般认为奥氏体在铁素体和渗碳体交界面上形成晶核。l奥氏体晶核也可以在以往的粗大奥氏体晶界上(原始奥氏体晶界)形核并且长大,由于这样的晶界处富集较多的碳原子和其他元素,给奥
9、氏体形核提供了有利条件。l (图4-5b)所示为在原始粗大奥氏体晶界上开始形成许多细小的奥氏体晶粒。a)奥氏体在铁素体、渗碳体界面上形成 b)奥氏体在原始界面上形核0.1mm原 奥 氏 体晶 界 和 晶核cTEM Fe-2.6Cr-1C钢的奥氏体的形核 1.5maSEM T8钢奥氏体的形核1.5mbl第一次观察到奥氏体晶核在铁素体片/渗碳体片相界面处形成。图26 TEM奥氏体在珠光体领域的边界上形核6奥氏体晶核的尺度奥氏体晶核的尺度100nm2)扩散型形核扩散型形核l奥氏体的形成是扩散型相变,因此奥氏体晶核是通过扩散机制形成的。l也存在无扩散机制形核的观点。3)晶核与母相之间存在位向关系晶核与
10、母相之间存在位向关系(K-S)2.2.3 奥氏体晶核的长大奥氏体晶核的长大 奥氏体同时吃掉铁素体片奥氏体同时吃掉铁素体片(a,b)和渗碳体片或只是吃掉铁素和渗碳体片或只是吃掉铁素体(体(c)。)。长大速率:长大速率:0.65微米微米/秒秒 1.375微米微米/秒秒 晶核的长大过程分析晶核的长大过程分析l当在铁素体和渗碳体交界面上形成奥氏体晶核时,则形成了和Fe3C两个相界面。l奥氏体晶核的长大过程实际上是两个相界面向原有的铁素体和渗碳体中推移的过程。2.2.4 剩余碳化物的溶解剩余碳化物的溶解SEM T8SEM T8奥氏体中存在剩余渗碳体奥氏体中存在剩余渗碳体结论:结论:l加热到临界点以上,形
11、成奥氏体,转变分为四个阶段:晶界形核;晶核向铁素体和渗碳体两个方向长大;剩余渗碳体或碳化物溶解;奥氏体成分相对均匀化。2.2.5 针形奥氏体和球形奥氏体的形成针形奥氏体和球形奥氏体的形成l淬火组织或回火不充分的组织,如马氏体、贝氏体、回火马氏体等,在加热时,常可在奥氏体转变初期获得针形奥氏体和球形奥氏体。其形成与钢的成分、原始组织和加热条件等因素有关。l实验证明,低、中碳合金钢以马氏体为原始组织在Ac1Ac3之间低温区加热时,在马氏体板条之间形成针形奥氏体。而在原始奥氏体晶界、马氏体群边界和夹杂物边界上形成球形奥氏体。通常钢中含有推迟铁素体再结晶的合金元素时,在一定加热条件下,容易产生针形奥氏
12、体。l针形奥氏体常常在板条状马氏体边界上形成,同时,还会在原奥氏体晶界、马氏体板条群之间产生球形奥氏体,图217所示为原始组织为回火马氏体在Ac1Ac3之间加热时,形成的针形奥氏体和球形奥氏体。钢的成分为0.123%C-3.5%Ni-0.35Mo。图217 针形奥氏体和球形奥氏体720加热保温10h,加热速度100/s图2-18 25钢的退火组织图2-20 25钢不同温度淬火后的组织12.2.6 亚共析钢的奥氏体化亚共析钢的奥氏体化图2-22 T12钢加热到不同温度后淬火得到的组织 11000,OM(a)725;(b)728;(c)7502.2.7 过共析钢奥氏体的形成过共析钢奥氏体的形成2.
13、3奥氏体等温形成动力学奥氏体等温形成动力学l所谓形成动力学即指新相的形成速度问题。l钢的成分、原始组织、加热温度等均影响转变速度。l为了使问题简化,首先讨论当温度恒定时奥氏体形成的动力学问题。2.3.1 共析碳素钢奥氏体等温形成动力学共析碳素钢奥氏体等温形成动力学奥氏体化曲线 TTATime Temperature Austenitizing勇于开始,才能找到成功的路共析钢奥氏体等温形成图共析钢奥氏体等温形成图(TTA)共析碳钢中奥氏体刚刚形成,铁素体刚刚消失之际,还存在剩余碳化物,继续等温将继续溶解,碳化物溶解完毕后,奥氏体成分是不均匀的。均匀化还需要较长的时间。2.3.2亚共析碳素钢的等温
14、亚共析碳素钢的等温TTA曲线曲线图2-9 0.1%C 钢TTA曲线 图2-10 0.6%C钢TTA曲线 勇于开始,才能找到成功的路2.3.3连续加热时奥氏体形成的连续加热时奥氏体形成的TTA曲线曲线 图中的转变开始线Ac1、Ac3,终了线Ac1f,均随着加热速度的提高,而使转变温度升高。不过,对于大多数钢种来说,当超过一定加热速度后,转变开始线Ac1、Ac3就不再向温度升高的方向推进,而使开始线保持平坦。由于均匀奥氏体和不均匀奥氏体没有严格的界线,图中将其加上了引号,并且用虚线隔开。2.3.4 奥氏体的形核率奥氏体的形核率N和长大速度和长大速度G表表2-12-11)形核率形核率l在均匀形核条件
15、下形核率与温度之间的关系可用下式表示:式中,常数;Q扩散激活能;T-绝对温度;K-波尔兹曼常数;W-形核功。形核率急遽增加的原因是多方面的形核率急遽增加的原因是多方面的l奥氏体形成温度升高时,相变驱动力增大使形核功W减小,因而奥氏体形核率增大;l奥氏体化温度升高,元素扩散系数增大,扩散速度加快,因而促进奥氏体形核;l由图36a)可见,随着相变温度升高,相界面碳浓度差减小,与 之差减小,即奥氏体形核所需的C浓度起伏减小,也有利于通过奥氏体形核率。线生长速度线生长速度Gl奥氏体位于铁素体和渗碳体之间时,受碳原子扩散控制,奥氏体两侧界面分别向铁素体和渗碳体推移。奥氏体长大线速度包括向两侧推移地速度。
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