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解读钢加热转变为奥氏体化历程

时间:2019-05-09来源:申博太阳城浏览次数:

钢的热处理,一样平常都必需先将钢加热至临界温度以上,取得奥氏体构造,然后再以恰当体式格局(或速度)冷却,以取得所须要的构造和机能。一般把钢加热取得奥氏体的转变历程称为奥氏体化历程。


一、转变温度


在 Fe-Fe3C 相图中,共析钢在加热和冷却历程当中经由PSK线(A1)时,发作珠光体与奥氏体之间的互相转变,亚共析钢经由GS线(A3)时,发作铁素体与奥氏体之间的互相转变,过共析钢经由ES线(Acm)时,发作渗碳体与奥氏体之间的互相转变。A1、A3、Acm为钢在均衡前提下的临界点。在现实热处理消费历程当中,加热和冷却不可能极为迟缓,因此上述转变往往会发生分歧水平的滞后征象。现实转变温度与均衡临界温度之差称为过热度(加热时)或过冷度(冷却时)。过热度或过冷度随加热或冷却速度的增大而增大。一般把加热时的临界温度加注下标"c",如 Ac1、Ac3、Accm,而把冷却时的临界温度加注下标"r",如 Ar1、Ar3、Arcm,如图 5.1 所示。

二、奥氏体的构成


以共析钢为例申明奥氏体的构成历程。共析钢在室温时,其均衡构造为单一珠光体,是由含碳极微的具有体心立方晶格的铁素体和含碳量很高的具有庞杂斜方晶格的渗碳体所构成的两相混合物,其中铁素体是基体相,渗碳体为分散相。珠光体的匀称含碳量为0.77%。当加热至Ac1以上温度保温,珠光体将悉数转变为奥氏体。而由于铁素体、渗碳体和奥氏体三者的含碳量和晶体构造都相差很大。因此,奥氏体的构成历程包罗碳的散布从新散布和铁素体向奥氏体的晶格重组,也是一个形核、长大和匀称化的历程,如图5.2所示。

1. 奥氏体的形核


奥氏体晶核一般优先在铁素体和渗碳体的相界面上构成。这是由于在相界面上碳浓度散布不匀称,位错密度较高、原子分列不规则,晶格畸变大,处于能量较高的状况,能为发生奥氏体晶核供应浓度和构造两方面的有利前提。而奥氏体形核和液态结晶形核一样,须要肯定的构造升沉、能量升沉和浓度升沉。在铁素体和渗碳体的相界处原子分列不规则,处于高能不稳状况,具有形核所须要的构造升沉和能量升沉前提。同时相界面处碳浓度处于铁素体和渗碳体的过渡之间,轻易涌现奥氏体形核所须要的浓度升沉。以是,奥氏体形核优先在相界面上构成。


2. 奥氏体晶核的长大


奥氏体形核后便最先长大。在AC1以上的某一温度t1构成奥氏体晶核。奥氏体晶核构成今后,它一面与渗碳体相邻,另一面与铁素体相邻。假定它与铁素体和渗碳体相邻的界面都是平直的,依据Fe-Fe3C相图可知,奥氏体与铁素体相邻的界限处的碳浓度为Cγ - α,奥氏体与渗碳体相邻的界限处的碳浓度为Cγ -C。此时,两个界限处于界面均衡状况,这是体系自由能最低的状况。由于Cγ -C>Cγ - α,因此,在奥氏体中涌现碳的浓度梯度,并引发碳在奥氏体中赓续地由高浓度向低浓度的散布。由于散布的效果,奥氏体与铁素体相邻的界限处碳浓度升高,而与渗碳体相邻的界限处碳浓度下降。从而破坏了相界面的均衡,使体系自由能升高。为了规复均衡,渗碳体必将溶入奥氏体,使它们相邻界面的碳浓度规复到 Cγ -C,与此同时,另一个界面上,发作奥氏体碳原子向铁素体的散布,促使铁素体转变为奥氏体,使它们之间的界面规复到 Cγ - α,从而规复界面的均衡,下降体系的自由能。如许,奥氏体的两个界面就向铁素体和渗碳体两个偏向推移,奥氏体便长大。由于奥氏体中碳的散布,赓续打破相界面均衡,又经由过程渗碳体和铁素体向奥氏体转变而规复均衡的历程循环往复地举行,奥氏体便赓续地向铁素体和渗碳体中扩大,逐步长大。另一方面,由于在铁素体内,铁素体与渗碳体和铁素体与奥氏体打仗的两个界面之间也存在着碳浓度差CF-C ? CF- γ,因此,碳在奥氏体中散布的同时,在铁素体中也举行着散布。由于散布的效果,促使铁素体向奥氏体转变,从而增进奥氏体长大。


3. 残留渗碳体的消融


铁素体、渗碳体、奥氏体三比拟较而言,铁素体的碳浓度和晶体构造与奥氏体邻近,以是铁素体先于渗碳体消逝。因此,奥氏体构成后,仍有未消融的渗碳体存在,跟着保温时候的延伸,未溶渗碳体将继承消融,直至悉数消逝。


4. 奥氏体身分匀称化


当残留渗碳体悉数消融完时,原渗碳体存在的处所含碳量比原铁素体存在的处所含碳量要高,以是须要继承延伸保温时候,让碳原子充足散布,能力使奥氏体的含碳量到处匀称。


三、 影响奥氏体转变速度的要素


奥氏体的构成是经由过程形核和长大历程举行的,全部历程受原子散布控制。因此,统统影响散布、影响形核与长大的要素都影响奥氏体的构成速度。重要要素如加热温度、原始构造和化学身分等。


1. 加热温度的影响


加热温度越高则奥氏体构成的速度就越快。这是由于加热温度高(即过热度大),则奥氏体形核率及长大速度都敏捷增大,原子散布能力也在加强,增进了渗碳体的消融和铁素体的转变。


加热温度必需高于AC1点,珠光体能力向奥氏体转变。转变须要一段孕育期今后能力最先,并且温度越高,孕育期越短。


转变温度越高,奥氏体的构成速度越快,转变所须要的时候越短。这是由两方面缘由形成的。一方面,温度越高则奥氏体与珠光体的自由能差越大,转变的推动力越大,另一方面,温度越高则原子散布越快,因此碳的从新散布与铁的晶格转变越快,以是,使奥氏体的形核、长大、剩余渗碳体的消融及奥氏体的匀称化都举行得越快。可见,一样一个奥氏体化状况,既可经由过程较低温度较长时候的加热获得,也可由较高温度较短时候的加热获得。因此,在制订加热工艺时,应周全斟酌温度和时候的影响。


2. 加热速度的影响

碳素结构钢及碳素工具钢简述

工业使用的钢铁材料中碳素钢占有重要地位。常用的碳素钢含碳量一般都小于1.3%,强度和韧性较好。与合金钢相比,碳素钢冶炼简便,加工容易,价格便宜,一般可满足使用性能要求,应用广泛。碳素钢也可按含碳量分低碳、中碳和高碳钢,按冶金质量分普通碳素钢、优质碳素钢和高级优质碳素钢,按用途分碳素结构钢和工具钢等。 一、碳素结构钢 碳素结构钢主要制造各种工程构件(如桥梁、船舶、建筑用钢)和机器零件(如齿轮、轴、螺钉、螺母、曲轴、连杆等)。这类钢一般属于低碳和中碳钢,分普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。 1、普通碳素结构钢 这


在一连升温加热时,加热速度对奥氏体化历程有重要影响,加热速度越快,则珠光体的过热度越大,转变的最先温度AC1越高,结束温度也越高.但转变的孕育期越短,转变所需的时候也就越短。


3. 化学身分的影响


一方面,钢中含碳量越高,奥氏体的构成速度越快。这是由于随含碳量增添,渗碳体的数目响应地增添,铁素体和渗碳体相界面的面积增添,因此增添了奥氏体形核的部位,增大奥氏体的形核率。同时,碳化物数目增添,又使碳的散布距离减小,和随奥氏体中含碳量增添,碳和铁原子的散布系数将增大,从而增大奥氏体的长大速度。另一方面,钢中到场合金元素,其实不转变珠光体向奥氏体转变的基础历程。然则,合金元素关于奥氏体化历程的举行速度有重要影响,一样平常都使之减慢。


合金元素影响的缘由以下:


(1)合金元素会转变钢的均衡临界点:如镍、锰、铜等都使临界点下降,而铬、钨、钒、硅等则使之升高。因此,在统一温度奥氏体化时,与碳素钢比拟合金元素转变了过热度,因此也就转变了奥氏体与珠光体的自由能差,这关于奥氏体的形核与长大都有重要影响。


(2)合金元素在珠光体中的散布是不匀称的:如铬、钼、钨、钒、钛等能构成碳化物的元素,重要存在于共析碳化物中,镍、硅、铝等不构成碳化物的元素,重要存在于共析铁素体中。因此,合金钢奥氏体化时,除必需举行碳的散布从新散布外,还必需举行合金元素的散布从新散布。但是,合金元素的散布速度比碳原子要慢很多,以是合金奥氏体的匀称化要迟缓很多。


(3)某些合金元素会影响碳和铁的散布速度:如铬、钼、钨、钒、钛等都明显减慢碳的散布,钴、镍等则加快碳的散布,硅、铝、锰等影响不大。


(4)极易构成碳化物的元素:如钛、钒、锆、铌、钼、钨等,会构成特别碳化物,其稳定性比渗碳体高,很难溶入奥氏体,必需举行较高温度较长时候加热能力完整消融。总之,合金钢的奥氏体化速度一样平常都比碳素钢慢,特别是高合金钢更要慢很多。


4. 原始构造的影响


在化学身分雷同的情况下,随原始构造中碳化物分散度的增大,不只铁素体和渗碳体相界面增加,加大了奥氏体的形核率;并且由于珠光体片层间距减小,使奥氏体中的碳浓度梯度增大,这些都使奥氏体的长大速度增添。因此,钢的原始构造越细,则奥氏体的构成速度越快。


四、奥氏体的晶粒度及其影响要素


奥氏体的晶粒大小对钢的冷却转变及转变产品的构造和机能都有重要的影响,同时也影响工艺机能。比方,微小的奥氏体晶粒淬火所获得的马氏体构造也微小,这不只能够进步钢的强度与韧性,还可下降淬火变形、开裂偏向。现在,细化晶粒已经成为强化金属材料的重要要领。依据奥氏体的构成历程及长大偏向,奥氏体的晶粒度能够用肇端晶粒度、现实晶粒度和素质晶粒度等形貌。


1. 肇端晶粒度


钢加热时,当珠光体方才转变为奥氏体时,奥氏体晶粒大小叫肇端晶粒度,此时的晶粒一样平常均较微小,若温度进步或时候延伸,晶粒会长大。


2. 现实晶粒度


奥氏体的肇端晶粒构成后,若是继承在临界点以上升温或保温,晶粒就会自动长大起来。这是由于,晶粒越微小则晶界面积越大,总的界面能也越大,以是,细晶粒状况的自由能高于粗晶粒状况的自由能。晶粒长大能使自由能下降,以是晶粒总要自觉长大。明显,晶粒长大的推动力是界面能的下降,而晶粒长大的阻力来自第二相的障碍等作用。晶粒长大是依托原子散布与晶界推移,由大晶粒兼并小晶粒而举行的。温度越高,时候越长,晶粒就长得越大。在每个详细加热前提下所获得的奥氏体晶粒大小,称为奥氏体的"现实晶粒度"。即现实晶粒度为在详细的加热前提下加热时,所获得奥氏体的现实晶粒大小。它直接影响钢在冷却今后的机能。


3. 素质晶粒度


消费中发明,有的钢材加热时奥氏体晶粒很轻易长大,而有的钢材就不轻易长大,这申明分歧的钢材的晶粒长大偏向是分歧的。素质晶粒度就是反应钢材加热时奥氏体晶粒长大偏向的一个目标。通常奥氏体晶粒轻易长大的钢就称为"素质粗晶粒钢",反之,奥氏体晶粒不轻易长大的钢则称为"素质细晶粒钢"。跟着加热温度升高,素质粗晶粒钢的奥氏体晶粒一向长大,逐步粗化。素质细晶粒钢则否则,在肯定温度以下加热时,奥氏体晶粒长大很迟缓,一向连结微小晶粒。但是,凌驾肯定温度今后,晶粒急剧长大,倏忽粗化。这个晶粒最先猛烈长大的温度称为"晶粒粗化温度"。素质细晶粒钢只要在晶粒粗化温度以下加热时,晶粒才不轻易长大,凌驾这一温度今后,便与素质粗晶粒钢没有什么区别了。


素质晶粒度是依据冶金部的部颁规范 YB27—77《钢的晶粒度测定法》的划定来测定的,行将钢在(930 ± 10℃)保温 3h~8h 冷却后测定奥氏体晶粒大小称为素质晶粒度。一般是在放大 100 倍的情况下,与规范晶粒度品级图(见图 5.3)举行对照评级。晶粒度是 1 级~4 级的定为素质粗晶粒钢,5 级~8 级的定为素质细晶粒钢。钢的素质晶粒度决定于钢的身分和冶炼前提。一样平常来说,能用铝脱氧的钢都是素质细晶粒钢,不消铝而用硅、锰脱氧的钢则为素质粗晶粒钢。含有钛、锆、钒、铌、钼、钨等合金元素的钢也是素质细晶粒钢。这是由于铝、钛、锆等元素在钢中会构成散布在晶界上的超细的化合物颗粒,如 AlN、Al2O3、TiC、ZrC 等,它们稳定性很高,不轻易群集;也不轻易消融,能障碍晶粒长大。然则,当温度凌驾晶粒粗化温度今后,由于这些化合物的群集长大,或许消融消逝,落空障碍晶界迁徙的作用,奥氏体晶粒便倏忽长大起来。在素质粗晶粒钢中不存在这些化合物微粒,晶粒长大不受障碍,从而随温度升高而逐步粗化。钢的素质晶粒度在热处理消费中具有很重要的意义。由于,有些热处理工艺,如渗碳、渗金属等工艺,必需在高温举行长时候加热能力完成,这时候若接纳素质细晶粒钢,就可以防备工件心部和表层过热,渗后就可以直接举行淬火。若用素质粗晶粒钢就会严峻过热。另外,素质细晶粒钢焊接时,焊缝热影响区的过热水平也比素质粗晶粒钢细微很多。

奥氏体晶粒长大基础上是一个奥氏体晶界迁徙的历程,其实质是原子在晶界左近的散布历程。以是统统影响原子散布迁徙的要素都能影响奥氏体晶粒长大。起首,奥氏体构成后跟着加热温度升高和保温时候延伸,晶粒急剧长大;其次,加热速度越大,奥氏体转变时的过热度越大,奥氏体的现实构成温度越高,则奥氏体的形核率越高,肇端晶粒越细;第三,钢中含碳量在肯定局限以内,随含碳量的增添,奥氏体晶粒长大的偏向增大,然则含碳量凌驾某一限制时,奥氏体晶粒反而变得微小。这是由于跟着含碳量的增添,碳在钢中的散布速度和铁的自散布速度均增添,故加快了奥氏体晶粒长大的偏向性。然则,当含碳量凌驾肯定限制今后,钢中涌现二次渗碳体,跟着含碳量的增添,二次渗碳体数目增加,渗碳体能够障碍奥氏体晶界的挪动,故奥氏体晶粒反而微小;第四,钢中到场适当的构成难熔化合物的合金元素,如 Ti、Zr、V、Al、Nb、Ta 等,猛烈地障碍奥氏体晶粒长大,使奥氏体晶粒粗化温度升高,由于这些元素是强碳、氮化合物构成元素,在钢中能构成熔点高、稳定性强、弥散的碳化物或氮化物,障碍晶粒长大。

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