第二章 奥氏体及其形成n

金属固态相变
2.1 奥氏体的组织结构和性能

以往，将奥氏体定义为：碳溶入γ－Fe中的固溶体。 此定义不够严格。

严格地说：钢中的奥氏体是碳或各种化学元素溶入 γ－Fe中所形成的固溶体。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。 奥氏体是多种化学元素构成的一个整合系统。
图2-5加热速度和温度对w （c）=0.18%钢奥氏体碳含 量不均匀的影响
金属固态相变
Wt%与at%的换算：
A元素的at％＝ B元素的at％＝

☓100% ☓100%
A、B为原子量；a，b分别为A、B两元素的wt％
金属固态相变
2.1.5奥氏体的性能

(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。 (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。
图415085c钢在不同加热速度下的加热曲线连续加热平衡加热的热分析曲线示意图金属固态相变在快速加热情况下碳化物来不及充分溶解碳和合金元素的原子来不及充分扩散因而造成奥氏体中碳合金元素浓度分布很不均匀金属固态相变40在实际生产中可能因为加热速度快保温实际短而导致亚共析钢淬火后得到碳含量低于平均成分的马氏体
第2章 奥氏体及其形成
引言

钢被加热到奥氏体相区，得到奥氏体组织。 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。 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。

Qm σ V = K exp RT R K 常数 Qm 晶界移动激活能
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(2 8)
随加热温度升 高,奥氏体晶粒长大 速度成指数关系迅速 增大. 加热温度升高 时,保温时间应相应 缩短,这样才能获得 细小的奥氏体晶粒.
图2-21 奥氏体晶粒大小与加热 温度,保温时间的关系
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(2)加热速度的影响
加热速度越大,奥氏体的实际形成温度 越高,形核率与长大速度之比(N/G)随 之增大,可以获得细小的起始晶粒度. 快速加热并且短时间保温可以获得细小 的奥氏体晶粒度. 如果此时长时间保温,由于起始晶粒细 小,加上实际形成温度高,奥氏体晶粒很 容易长大.
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公式(2-6)的推导:
面积为A的晶界如果移动dx 距离时,体系总的Gibbs自由 能变化为dGt ,则沿x方向有力 P作用于晶界上,构成晶界移 动的驱动力. 图2-13中A,B晶粒间的晶界 构成一曲率半径为R的球面.
图2-13 双晶体中的A,B 两晶粒,其中B晶粒呈球 状存在于A晶粒中.
图2-2 Fe-C 相图
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2.1.2 奥氏体的性能 奥氏体的比容最小,线膨胀系数最大,且为顺 磁性(无磁性).利用这一特性可以定量分析奥 氏体含量,测定相变开始点,制作要求热膨胀灵 敏的仪表元件. 奥氏体的导热系数较小,仅比渗碳体大.为避 免工件的变形,不宜采用过大的加热速度. 奥氏体塑性很好,σS 较低,易于塑性变形. 故工件的加工常常加热到奥氏体单相区进行.
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2.1.3 奥氏体形成的热力学条件
G = Gv + Gs+ Gve - Gd ---- 在晶体缺陷处形核 引起的自由能降低 相 变 必 须在一定的过热 度T下,使得GV <0,才 能得到G<0.所以相变必 须在高于 A1 的某一温度下 才能发生,奥氏体才能开 始形核. 图2-3 自由能和温度关系图

RP
P 2
R
(2 6)
比界面能
R 球面曲率半径，如为平
图2-12 球面晶界长 大驱动力示意图
直晶界，R ，P 0。
公式2-6的推导:
面积为A的晶界如果移动dx 距离时,体系总的Gibbs自由能 变化为dGt ,则沿x方向有力P作 用于晶界上,构成晶界移动的驱 动力.
图2-13中A、B晶粒间的晶界 构成一曲率半径为R的球面.
2.2.4 连续加热时奥氏体的形成特点
图2-9 珠光体向奥氏体转变动力学曲线
奥氏体形成是在一个温度范围内完成的.
随加热速度增大,转变趋向高温,且转变温度范围 扩大,而转变速度则增大.
随加热速度增大,C,Fe原子来不及扩散,所形成的 奥氏体成分不均匀性增大.
快速加热时,奥氏体形成温度升高,可引起奥氏体 起始晶粒细化；同时,剩余渗碳体量也增多,形成奥 氏体的平均碳含量降低.
八面体间隙半径 0.52 Ǻ 碳原子半径 0.77 Ǻ →点阵畸变
图2-1 奥氏体的单胞
奥 氏 体 相 区 ： NJESGN包围的区域
GS线 ---- A3线 ES线 ---- Acm线 PSK线 ---- A1线
碳在奥氏体中的最大 溶 解 度 为 2.11wt% (10at%)
碳原子的溶入使 γ-Fe 的点阵畸变，点阵常数 随碳含量的增加而增大
形成温度升高,N的增 长速率高于G的增长速 率,N/G增大,可获得细小 的起始晶粒度.
形 成 温 度 升 高,Gγ→α/Gγ→k 增大,铁素 体消失时,剩余渗碳体量 增大,形成奥氏体的平均 碳含量降低.
图2-8 奥氏体等温形 成动力学曲线
影响奥氏体等温形成速度的因素：
1.加热温度的影响 1加热温度升高,∆T增大,形核速度I和长大速度G均增加； 2加热温度升高,奥氏体形成的孕育期变短,相变时间变短 3加热温度升高,奥氏体界面浓度差∆C减小,向F体和Fe3C的长大

碳在奥氏体中最大溶解度：2.11wt%（1148oC），而不是八面体空隙被 填满时的17.7wt%。按最大溶解度计算，大约2.5个-Fe晶胞中才有一个C 原子。 合金钢中的奥氏体：是C及合金元素溶于γ-Fe中形成的固溶体。Mn、Si 、 Cr、Ni、Co等合金元素溶入γ-Fe后将取代Fe原子形成置换式固溶体，引 起点阵畸变和点阵常数变化。所以合金奥氏体的点阵常数除与碳含量有 关外，还与合金元素的含量及合金元素原子和Fe原子的半径差等因素有 关。 稳定存在温度：Fe-C合金：727℃以下不稳定相 Fe-C合金中加入足够数量的扩大相区的合金元素，室温、室温以下稳定 奥氏体钢：能在室温下以奥氏体状态使用的钢。奥氏体呈顺磁性，无磁 钢 奥氏体的物理性能：密度最高，比体积最小，线膨胀系数最大，导热性 能最差，加热速度？ 滑移系多，屈服强度低，易塑性变形，塑性成型？
第二节 奥氏体形成的热力学条件
Fe-Fe3C相 图： A1以下： A1以上： 继续升温： 亚共析钢 过共析钢 奥氏体的 成份沿GS 和ES曲线 变化 GSE线以 上，单相 奥氏体。
相变驱动力： Gv 系统自由能变化： G=V· Gv + S +V Gs V： S： ：单位面积界面能 Gs：应变能 注：奥氏体在高温下形成，应变能 较小，相变的阻力主要是界面能 共析钢奥氏体和珠光体的体积自 由能随温度的变化曲线：交于Α1 点（727°C） 727°C时，两相自由能相等，相 变不会发生 高于A1时，ΔGv为负值，珠光体 将转变为奥氏体。反之奥氏体将 转变为珠光体。 相变必须在有过热（过冷）的条 件下才能进行
加热(冷却)速度对 临界点影响： 加热（冷却） 速度越大，过热 （过冷）程度也越 大。 加热和冷却时 发生转变的温度 （即临界点）不在 同一温度 加热时的临界点： Ac1，Ac3，Accm, 冷却时的临界点： Ar1，Ar3，Arcm 加热速度和冷却速度为0.125℃/min时，临界点的移动