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标准与技术

钢的奥氏体加热转变

发布时间:2018-02-06   来源:易紧通整理  

  热处理过程一般是由加热、保温和冷却三个阶段组成的,其目的在于改变金属及合金的内部组织结构,使材料满足服役条件提出的性能要求。

        为了使钢件在经过热处理后能够得到符合要求的组织和性能,大多数热处理工艺(如淬火、正火和普通退火)都需要将钢件加热至临界点A1或A3以上,见图2-1,形成奥氏体组织,称为奥氏体化,然后再以一定的方式(或速度)冷却。因此,钢在加热时的转变是钢热处理的基础,而且热处理钢件的组织和性能与其加热时形成的奥氏体相有很大关系。如果过热将引起奥氏体晶粒长大,会导致钢件热处理后冲击韧性降低,表现出明显的脆化倾向。研究加热转变对改进钢的热处理工艺有重要意义,掌握加热转变规律是学习各种冷却相变的理论基础。本章将着重讨论平衡加热时奥氏体的形成规律。

  图2-1 Fe-Fe3C相图(实线)及Fe-石墨相图(虚线) 

      1、概 述

        在实际热处理的加热过程中,发生的常常是非平衡相变,不能完全用Fe-Fe3C相图来分析。因此,为了掌握奥氏体的形成规律,必须对奥氏体形成的热力学条件、形成机理、动力学及影响因素进行研究。

         根据Fe-Fe3C相图(见图2-1),温度在Al以下时,共析碳钢的平衡组织为珠光体,亚共析碳钢为珠光体加铁素体,过共析碳钢为珠光体加渗碳体。而珠光体组织是由铁素体与渗碳体构成的机械混合物,所以从相的组成来说,碳钢在Al温度以下的平衡相为铁索体和渗碳体。当温度超过Al后,珠光体将转变为单相奥氏体。随着温度继续升高,亚共析碳钢中的先共析铁索体将转变为奥氏体,过共析碳钢的先共析渗碳体溶入奥氏体,使奥氏体量逐渐增多。奥氏体的化学成分分别沿A3和Acm线变化。当加热温度超过GSE线以上时,平衡相均为单相奥氏体。 

         由热力学可知,钢加热时发生相变的动力是新相奥氏体与母相之间的体积自由能之差V·△gv,奥氏体成核时,系统的自由能变化为:△G=V·△gv十Sσ+εV (2-1)

        式中Sσ—形成奥氏体时所增加的界面能;

                εV—形成奥氏体时所增加的应变能。 

         因为奥氏俸在高温下形成,其相变的应变能较小,所以相变的阻力主要是界面能。 

         图2-2示出共析钢奥氏体和珠光体的自由能随温度的变化曲线,交点为A1点(727℃)。当温度等于727℃时,珠光体与奥氏体自由能相等,相变尚不会发生。当温度高于A1时,△gv为负值,即式(2-1)右侧第一项为负值,这时才有可能发生相变。V·△gv为奥氏体形成的驱动力,它随加热温度升高而增大。只有在A1点以上,当珠光体向奥氏体转变的驱动力V·△gv能够克服奥氏体形成所增加的界面能和应变能时,奥氏体才会自发地形成,即奥氏体形成必须要有一定的过热度(△T)。

        因此当加热和冷却时,相变并不按相图中所示的温度进行,通常是在一定的过热或过冷的情况下进行的。过热度或过冷度随加热速度或冷却速度升高而加大。这样,就使加热和冷却时的临界点不在同一温度上。通常把加热时的临界点标以字母c,如Ac1、Ac3、Accm等;而把冷却时的临界点标以字母r,如Ar1,Ar2、Arcm等。图2-3示出了在加热速度和冷却速度均为0.125℃/min时临界点的移动。

  图2-2珠光体(P)和奥氏体(γ)自由能与温度的关系示意图    图2-3 Fe-Fe3C相图中临界点的移动

        2、奥氏体的组织、结构和性能

        奥氏体组织通常是由等轴状的多边形晶粒所组成,常可在晶内观察到孪晶,见图2-4。奥氏体为C在γ-Fe中的固溶体。C原子在γ-Fe点阵中处于由Fe原子组成的八面体间隙中心处,即面心立方晶胞的中心或棱边的中点,见图2~5。若按所有八面体间隙位置均填满C原子计算,则单位晶胞中含有4个Fe原子和4个C原子,即其原子浓度为50%,折合质量浓度为20%,但实际上奥氏体的最大含碳量为2.11%(质量),折合原子浓度为10%,即25个γ-Fe晶胞中才有10个C原子。这是因为C原子的半径为0.77A,①而γ-Fe点阵中八面体间隙的半径仅为0.52A,因此,当C原子进入间隙位置后,引起点阵畸变,使其周围的空隙不可能都填满C原子。实际上,C在奥氏体中是呈统计性均匀分布的,存在浓度起伏。


图2-4钢中的奥氏体(500×)                                                  图2-5 C在γ-Fe中可能的间隙位置

        C原子的存在,使奥氏体点阵发生膨胀,因而点阵常数随含碳量升高而增大,见图2-6。


  图2-6奥氏体点阵常数和含碳量的关系 

         合金钢中的奥氏体是C及合金元素溶于γ-Fe中的固溶体。合金元素如Mn,Si、Cr、Ni、C。等,在γ-Fe中取代Fe原子位置而形成置换式固溶体。它们的存在也引起晶格畸变和点阵常数变化。所以合金奥氏体的点阵常数除与其含磺量有关外,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。

        在钢的各种组织中,奥氏体的比容最小,线膨胀系数最大,导热性差,塑性高,屈服强度很低,易于变形加工,对于含0.8%C的钢、奥氏体、铁素体和马氏体的比容分别为0.12399cm^3/g、0.12708cm^3/g和0.12915cm^3/g,线膨胀系数分别为23×10-6cm/K、14.5x10-6cm/K和11.5×10-6cm/K。工业上常利用奥氏体钢线膨胀系数大的特性制作仪表元件。在碳钢中,铁素体、珠光体、马氏体、奥氏体和渗碳体的导热系数分别为77.1W/(m·K)、5l.9W/(m·K)、29.3W/(m·K)、14.6W/(m·K)和4.2W/(m·K)。除渗碳体外,奥氏体的导热性最差。所以,奥氏体钢加热时,不宜采用过大的加热速度,以免因热应力过大而引起工件变形。

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