过共析钢奥氏体化过程

2019-07-0207:20:59过共析钢奥氏体化过程已关闭评论

奥氏体化是钢的组织转变的基本条件。下面首先以共析钢为例,分析奥氏体的形成过程:

(1)奥氏体的形成

共析钢在A1点以下全部为珠光体组织,珠光体(P)是铁素体(F)和渗碳体(Fe3 C)两相组成的机械混合物;因此珠光体向奥氏体(A)的转变过程中必须进行晶格的改组和铁、碳原子的扩散。奥氏体的形成是通过形核及长大过程来实现的,其基本过程可分为4个阶段,如图1.4.2所示。

图1.4.1 钢在实际加热和冷却时的临界点

图1.4.2 珠光体向奥氏体转变过程示意图

第一阶段,奥氏体晶核的形成 如图1.4.2(a)所示,奥氏体晶核优先在铁素体与渗碳体的相界面上形成。这是因为相界面上的原子排列不规则,位错和空位密度较高,处于能量较高状态,此外因奥氏体的含碳量介于铁素体和渗碳体之间,故在两相的界面上为奥氏体的形核提供了良好的条件。

第二阶段,奥氏体晶核的长大 如图1.4.2(b)所示,这一过程是依靠铁、碳原子的扩散,使其邻近的铁素体晶格改组为面心立方晶格的奥氏体和与其邻近的渗碳体不断溶入奥氏体而进行的。这一阶段一直进行到铁素体全部转变为奥氏体为止。

第三阶段,残余渗碳体的溶解 如图1.4.2(c)所示,由于渗碳体的晶体结构和含碳量都与奥氏体差别很大,故铁素体向奥氏体的转变速度比渗碳体向奥氏体的溶解要快,因此在铁素体全部消失后,仍有部分渗碳体尚未溶解,随着保温时间的延长,残余渗碳体不断溶入奥氏体,直到全部消失为止。

第四阶段,奥氏体的均匀化 如图1.4.2(d)所示,由于原来珠光体中的碳主要集中在渗碳体中,故当残余渗碳体完全溶解后,奥氏体中碳浓度仍是不均匀的,原先是渗碳体的地方碳浓度较高,而原先是铁素体的地方碳浓度较低。只有继续延长保温时间,通过碳原子的扩散才能获得均匀的奥氏体。

亚共析碳钢和过共析碳钢的奥氏体形成过程与共析钢相似,但它们的室温组织中除了珠光体外,还有先析出的铁素体和先析出的二次渗碳体。因此,亚共析碳钢和过共析碳钢的奥氏体转化过程,首先是珠光体转变为奥氏体,然后先析出相继续向奥氏体转变或溶解,最后得到单相奥氏体组织。

奥氏体形成速度主要受到以下几个因素的影响:

①加热温度 加热温度越高,原子扩散能力越大,铁素体的晶格改组和铁、碳原子的扩散越快,因而加速了奥氏体的形成。

②加热速度 加热速度越快,奥氏体的形成温度越高,形成的温度范围越宽,因而形成所需的时间越短。

③钢的含碳量 随着钢中含碳量的增加,铁素体和渗碳体相界面总量增多,有利于奥氏体的形核,可加速奥氏体的形成。

④钢原始晶粒的大小 钢的原始晶粒越细,其界面越多,奥氏体的形成速度越快。例如成分相同的钢,细片状珠光体与粗片状珠光体相比,前者铁素体与渗碳体相界面的面积大,形成奥氏体晶核的几率高,因此细片状珠光体的奥氏体形成速度快。

(2)奥氏体晶粒的长大

钢加热时,奥氏体晶粒的大小直接影响到热处理后钢的性能。实践证明,原来奥氏体晶粒细小的,热处理后钢的强度、塑性和韧性均较高。因而细化晶粒成为提高钢的性能的重要途径之一。为了控制奥氏体晶粒,就需要研究奥氏体晶粒长大的过程。

1)奥氏体的晶粒度

晶粒度是表示晶粒大小的尺度。钢进行加热时,当珠光体刚刚全部转变为奥氏体时的奥氏体晶粒度,成为起始晶粒度。一般情况下,奥氏体起始晶粒度比较细小,在继续加热或保温时,它就要长大。

钢在某一具体的热处理或热加工条件下实际获得的奥氏体晶粒度,称为奥氏体的实际晶粒度。它的大小直接影响着钢的性能。实际晶粒一般总比起始晶粒大。因为在热处理过程中,通常都有一个升温和保温阶段,就在这段时间内,晶粒有了不同程度的长大。实践表明,不同成分的钢,在热处理加热时,奥氏体晶粒的长大倾向是不同的,如图1.4.3所示。在图中,晶粒度级别数字越大,表明晶粒越细小。由图可见,有些钢的奥氏体晶粒随着加热温度的升高会迅速长大,这类钢称为本质粗晶粒钢(如图中的曲线1);而有些钢的奥氏体晶粒则不容易长大,只有加热到较高温度(900~950℃)时,奥氏体晶粒才会急剧长大,这类钢称为本质细晶粒钢(如图1.4.3中的曲线2)(注:晶粒度级别数字越大,晶粒越细小)。

为了测定钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向(奥氏体的本质晶粒度),国家标准(GB 6394—86)规定,将钢加热到(930±10)℃,保温3~8 h,冷却后在放大100倍的显微镜下测定奥氏体的晶粒度,并与标准晶粒度等级图进行比较评级,凡是晶粒度是1~4级的定为本质粗晶粒钢;5~8级的定为本质细晶粒钢。

应该注意,本质细晶粒钢只是在特定的加热条件下其奥氏体晶粒长大倾向较小,并不是在任何加热温度下都不会产生晶粒粗化。当加热温度较高时(>930℃),奥氏体晶粒长大倾向急剧增加,此时,本质细晶粒钢的实际晶粒度很可能比本质粗晶粒钢还要大(如图1.4.3所示)。

图1.4.3 加热温度与奥氏体晶粒长大的关系

1—本质粗晶粒钢 2—本质细晶粒钢

用铝脱氧的钢大多是本质细晶粒钢,用硅锰脱氧的钢为本质粗晶粒钢。这是因为铝与钢中的氧、氮化合,形成极细的化合物(如Al2 O3,AlN等)微粒分布在奥氏体晶界上,阻止了奥氏体晶粒的长大。但在很高的加热温度下,这些化合物微粒会集聚长大或溶解消失,使奥氏体晶粒迅速长大。

在工业生产中,沸腾钢一般为本质粗晶粒钢,镇静钢一般为本质细晶粒钢。需经热处理的工件一般都采用本质细晶粒钢。

2)影响奥氏体晶粒长大的因素

加热温度越高,保温时间越长,奥氏体晶粒长得越大。当加热温度确定后,加热速度越快,过热度越大,奥氏体晶粒越细小。

随着奥氏体含碳量的增加,铁、碳原子的扩散速度增大,奥氏体晶粒长大倾向增加。但当超过奥氏体饱和碳浓度以后,由于出现残余渗碳体,产生机械阻碍作用,使晶粒长大倾向减小。

为了控制奥氏体晶粒的长大,可采用快速加热、短时间保温、合理选择加热温度、合理选择钢的原始组织和成分等措施。

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