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奥氏体等温形成动力学

发布时间:2018-02-08   来源:易紧通整理  

  奥氏体形成速度取决于成核率N和长大速度G。在等温条件下,N和G均为常数。

  成核率

  在奥氏体均匀成核的条件下,成核率N与温度T之间的关系可表示为


        式中C'—常数;
  Q —扩散激活能;
  T —绝对温度;
  k—玻耳兹曼常数;
  W—成核功。

  由式(2-2)可见,当奥氏体形成温度升高时,成核率N将以指数函数关系迅速增大,见表2-l。奥氏体形成温度升高时,还因相变驱动力增大,而使成核功W减小,因而使奥氏体成核率增大。同时,相变温度升高,还引起扩散系数增大,原子扩散速度加快,有利于铁素体向奥氏体点阵重构,因而促进奥氏体成核。此外.由图2-7(b)还可以看出,随相变温度升高,Cγ-α与Cα-γ之差减小,奥氏体成核所需要的C浓度起伏减小,也有利于提高奥氏体的成核率。因此,奥氏体形成温度升高,即相变的过热度增大,可以使奥氏体成核急剧增大,这对于形成细小的奥氏体晶粒是有利的。


  表2-1奥氏体成核N和长大速度G与温度的关系

  长大速度

  根据前述的奥氏体形成机制,奥氏体晶核形成后,其长大速度应等于相界面的推移速度,若忽略C在铁素体中的扩散对相界面移动速度的影响,则可由扩散定律导出奥氏体形成时的相界面推移速度为


  式(2-4)同时适用于奥氏体向铁素体和奥氏体向渗碳体中的推移速度计算,并且对片状珠光体和粒状珠光体均适用。因为在一个珠光体片层间距内形成奥氏体的同时,类似过程在其他片层中也在进行。所以,从大范围内看,可以用一个片层间距内的长大速度代替奥氏体长大的平均速度,并且dc/dx≈(CrC-Cra)/S0(其中S0为珠光片体片层间距),CrC-Cra为奥氏体两个相界面之间的浓度差dc,可根据奥氏体形成温度由相图中GS和ES线确定。

  这样便可按式(2-3)近似估算出奥氏休向铁素体及奥氏体向渗碳体中的移动速度。但是,由于式(2-3)忽略了C在铁素体中的扩散,所以计算值往往比试验值偏小,并且当温度升高时,试验值与计算值的误差增大。

  由式(2-4),当奥氏体形成温度为780℃时,则奥氏体向铁素体中的推移速度为

        奥氏体向渗碳体中的推移速度为

  即相界面向铁素体中的推移速度比向渗碳体中的推移速度快14.87倍。但是,在通常情况下,片状珠光体中的铁素体片厚度仅比渗碳体片厚度大7倍。所以,奥氏体在等温形成时,总是铁素体先消失,当a→r转变结束后,还含有相当数量的剩余渗碳体未完全溶解,还需要经过剩余渗碳体溶解和奥氏体均匀化过程才能获得成分均匀的奥氏体。

  奥氏体长大速度随奥氏体形成温度升高而增大。因为相变温度升高时,C在r中的扩散系数Dξ成指数函数关系增大,而且C在奥氏体中的浓度梯度增大[见图2-7(b),T2>T1,T2温度下的Crc与Cra之差大干T1度下的Crc与Cra之差,因而奥氏体形成速度增大。同时,相变温度升高时,还使奥氏件与铁素体的相界面浓度差和奥氏体与渗碳体的相界面浓度差减小[见图2-7(b),相变温度越高,Cra—Car及Ccr—Crc的差值越小],所以,奥氏体形成时的相界面推移速度加快。

  综上所述,奥氏体形成温度升高时,成核率N和长大速度G均随温度升高而增大。所以,奥氏体形成速度随形成温度升高而单调增大。

  奥氏体等温形成动力学曲线

  首先讨论共析钢奥氏体等温形成动力学曲线。在奥氏体等温形成时,成核率N和长大速度G均为常数,通过试验可以做出奥氏体转变量与转变时间的关系,见图2-8(a),将该曲线称为奥氏体等温形成动力学曲线。该曲线给出了在不同温度下奥氏体等温形成的开始时间及终了时间。由表2-1中数据可知,等温温度越高,N和G越大,因此在图2-8(a)中等温形成动力学曲线越靠左,等温形成的开始及终了时间也越短。

  将在不同温度下测得的等温形成动力学曲线综合绘制在转变温度与时间坐标系中,可得奥氏体等温形成图,见图2-8(b)。需要注意的是图中的转变开始曲线,严格说来只是表示在所采用的研究方法中,能够察觉的某一定量奥氏体形成时所需的时间与温度的关系,其位置与所用方法的灵敏度有关。随侧量方法精度提高,转变开始曲线向温度坐标靠近。通常,为了使用方便,将能够察觉的一定量如0.5%奥氏体形成以前的一段时间作为奥氏体形成的孕育期。图中的转变终了曲线对应于铁素体相全部消失,奥氏体刚刚形成,还需要经过一段时间,才能使剩余碳化物全部溶解和奥氏体成分均匀化,在整个奥氏体形成过程中,以剩余碳化物溶解,特别是奥氏体均匀化所需的时间最长,见图2-9。


  对于亚共析钢或过共析钢,当珠光体全部转变为奥氏体后,还有过剩相铁素体或渗碳体的转变。也需要通过C原子在奥氏体中扩散及奥氏体与过剩相之间的相界推移来进行。也可以把过剩相铁素体的转变终了曲线或过剩相渗碳体的溶解终了曲线画在奥氏体等温形成图上,见图2-10。与共析钢棚比,过共柝钢的碳化物溶解和奥氏体成分均匀化所需的时间要长得多。
图2-10钢的奥氏体等温形成图

   影响奥氏体形成速度的因素

  一切影响奥氏体转变成核率和长大速度的因索都会影响奥氏体的形成速度,如加热温度,钢的原始组织和化学成分及所含合金元素等。

  1.加热温度的影响

  由珠光体转变为奥氏体的过程是扩散型相变过程。随相变温度升高,相变驱动力增大,C原子扩散速度加快,奥氏体成核率N及长大速度G均大大增高,见表2-1,因此奥氏体形成速度随加热温度升高而迅速增大。由图2-9可见,奥氏体形成温度越高,转变的孕育期越短,相应地转变完成所需的时间也越短。

  随奥氏体形成温度升高,成核率的增长速率高于长大速度的增长速率。例如,转变温度从740℃增加到800℃时,成核率增长270倍,而长大速度只增加80倍,见表2-1。因此,奥氏体形成温度越高,获得的起始晶粒度越细小,同时,随相变温度升高,奥氏体向铁素体中的相界而推移速度与奥氏体向渗碳体中的柑界面推移建度之比增大。例如,奥氏体形成温度为780℃时,二者之比约为14.8,而当奥氏体形成温度升高至800℃时,二者之比约增大到19.1[由式(2-4)计算]。因此,奥氏体形成温度升高时,在铁素体相消失的瞬间,剩余渗碳体量增大,奥氏体基体的平均含碳量降低,见表2-2。

  表2-2奥氏体形成强度对其基体含碳量的影响

  综合上述,随奥氏体形成温度的升高,由于成核率的增长速率高于长大建度的增长速率,因而导致奥氏体起始晶粒细化;同时,由于相变温度升高、相变的不平衡程度增大,在铁素体相消失的瞬间,剩余渗碳体量增多,因而奥氏体基体的平均含碳量降低。这两个因素均有利于改善淬火钢的韧性,尤其是对高碳的淬火工具钢具有重要实际意义。近代发展起来的快速加热、短时保温等强韧化处理新工艺也都是建立在这个理论基础上的。

  2.钢的含碳量和钢的原始组织的影响

  钢中含碳量越高,奥氏体形成速度越快。因为钢中含碳量升高时,碳化物数量增多,增加了铁索体与渗碳体的相界面面积,因而增加了奥氏体成核部位,使成核率增大。同时,碳化物数量增多后,使C的扩散距离减小,以及随奥氏体中含碳量增加,C和Fe原子的扩散系数增大,这些因素都加速了奥氏体形成。图2-11示出不同含碳量钢中珠光体向奥氏体转变50%所需的时间。由图可见,奥氏体形成温度为740℃时,0.46%C钢中珠光体向奥氏体转变50%需7min,0.85%C钢中珠光体向奥氏体转变50%需5min,而1.35%C钢中珠光体向奥氏体转变50%仅需2min。但是,在过共析钢中,由于碳化物数量过多,随含碳量增加,也会引起剩余碳化物溶解和奥氏体均匀化时间延长。

  图2-11 含碳量不同的钢中珠光体向奥氏体转变50%时所需的时间

  在钢的成分相同的情况下.如果原始组织的碳化物分散度越高,则相界面越多,成核率便越大;同时,碳他物分散度高时,珠光体片层间距减小,奥氏体中C的浓度梯度增大,使扩散速度加快,而且由于C原子扩散距离减小,也使奥氏体长大速度增加。因此,钢的原始组织越细,则其奥氏体形成速度越快。例如,奥氏体形成温度为760℃,若珠光体的片层间距从0.5μm减至0.1μm时,奥氏体的长大速度约增加7倍。所以,钢的原始组织为屈氏体时,其奥氏体形成速度比索氏体和珠光体都快。

  原始组织中碳化物的形状对奥氏沐形成速度也有一定的影响。片状珠光体与粒状珠光体相比较,由于片状珠光体的相界面较大,渗碳体呈薄片状,易于溶解,所以加热时奥氏体易于形成。

  3.合金元素的影响

  合金元素不影响珠光体向奥氏体转变的机制,但影响碳化物的稳定性及C在奥氏体中的扩散系数,并且多种合金元素在碳化物和基体之间的分布是不均匀的,所以合金元素影响奥氏体形成的转变速度及碳化物溶解和奥氏体均匀化的速度。

  (1)合金元素影响C在奥氏体中的扩散。强碳化物形成元索如Cr、Mo、w等,可降低C在奥氏体中的扩散系数(钢中加3%Mo或1%w,可使C在r-Fe中的扩散系数降低50%),因而显著减慢奥氏体形成速度。非碳化物形成元素Co和Ni可增大C在奥氏体中的扩散系数(钢中加4%Co约使C在奥氏体中的扩散系数增加l倍),加速奥氏体形成。Si和Al对C在奥氏体中的扩散影响不大,因此对奥氏体形成速度无显著影响。

  (2)钢中加入合金元素改变了临界点A1、A3、Acm的位置,并变成了一个温度范围。因而改变了相变时的过热度,从而影响奥氏体形成速度。如Ni、Mn、Cu等降低A1点,相对地增大过热度,故增大奥氏体形成速度。Cr、Mo、Ti、Si、Al、w、V等提高A1点,相对地降低过热度,所以减小奥氏体形成速度。

  (3)钢中加入合金元素还会影响珠光体片层间距,改变C在奥氏体中的溶解度,从而影响相界面的浓度差及C在奥氏体中的浓度梯度以及成核功等。这些都会影响到奥氏体的形成速度。

  合金元素在钢中的分布是不均匀的,弱碳化物形成元素主要分布在Fe3C中,如Mn;非碳化物形成元素主要分布在a相中,如Ni、Si;强碳化物形成元素主要分布在特殊碳化物中,如Mo、W、V、Ti等。钢中含1%Cr,在退火状态下碳化物中约古5%Cr,而a-Fe中仅含0.5%Cr,可见Cr主要存在于碳化物中。钢中含4%Ni,在退火状态下碳化物中仅含1%Ni,大部分存在于固溶体中。合金元素分市的这种不均匀性,一直持续到碳化物完全溶解之后。因此,合金钢的奥氏体均匀化过程,除C的均匀化以外,还包括合金元索的均匀化。由于合金元素的扩散系数仅相当C的1/10000~1/1000,同时,碳化物形成元素还降低C在奥氏体中的扩散系数,如果形成特殊碳化物,如VC、TiC等,则更难于溶解。因此,合金钢奥氏体均匀化过程比碳钢长得多。由于这些原因,合金钢淬火时,为了使奥氏体均匀化,需要加热到较高的温度和保温较长的时间。
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