材料学—西安理工大学材料学院
§3.2 合金元素对钢加热转变的影响
• 钢加热过程中相变是什么？涉及哪些具体转 变？
第三章 合金钢中的相变
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奥氏体的形成
奥氏体形成过程
渗碳体的溶解
奥氏体的长大
第三章 合金钢中的相变
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一、合金元素对奥氏体形成的相变机制的影响
第三章 合金钢中的相变
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4、碳在铁中的活度
定义：碳在铁固溶体中的活动性，可以衡量C在固溶 体中的扩散能力、溶解能力和析出能力 ai = riNi （ai：活度；ri：组元的活度系数；Ni：碳在铁中的百分
比浓度）
相对活度系数：碳在合金与非合金铁中活度系数的比 值 即 fc = ai M / ai =ri M/ ri
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§3.1合金元素对相变基本因素的 影响 影响自由能 影响扩散 影响活度
第三章 合金钢中的相变
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相变基本因素包括： 热力学——可能性 动力学——速度或快慢（即扩散）
一、合金元素对新相（α）、 母相（γ）自由能的影响
Δ Fv：自由能差（奥氏体向铁素体 转变），表示相变驱动力，差 愈小，临界晶核愈难形成， γ 相愈稳定。
(1)Co,Ni 提高C的扩散，增大A形成速度； (2)Si,Al,Mn影响不大； (3)碳化物形成元素Cr，Mo，W，Ti，V等阻碍碳的扩散， 阻碍A形成
第三章 合金钢中的相变
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三、合金元素对碳化物溶解的影响
1、与碳钢相比，合金钢中碳化物溶解的特点： 1）奥氏体化时间：合金元素扩散速度较C的扩散速 度慢的多，只是碳扩散的千分之几或万分之几。合金 钢中，当F全部转变为A后，还有相当一部分碳化物 被保留下来，为了增强A的合金化程度，充分发挥合 金元素的作用，应使残余碳化物充分溶解到A中。所 以合金钢奥氏体化时间较长。这就是合金钢在生产中 加热保温时间较长的原因。 2）奥氏体化温度：由于合金元素的作用造成的扩散 困难和合金碳化物的稳定性高，要使残余碳化物分解 并溶于A中，需要提高加热温度。如：高速钢的淬火 温度1250~1280℃，而共析温度只有820℃，就是希 望碳化物充分溶解。
1、降低ΔFv：C、Mn、Cr、Ni
2、提高ΔFv：Al、Co 3、影响不大：Mo、W
第三章 合金钢中的相变
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二、合金钢中的扩散和碳在铁中的活度
钢中扩散包括： ①、碳在奥氏体和铁素体中的扩散能力 ②、合金元素在奥氏体和铁素体中的扩散能力 ③、合金元素对Fe 、C扩散的影响
第三章 合金钢中的相变Fra bibliotek材料学—西安理工大学材料学院
3、合金元素对铁在奥氏体中的自扩散影响
（1）Cr、Mn、Mo、Ti、Nb等阻碍Fe 在奥氏体 中的自扩散。这些元素与铁形成固溶体，降低 铁原子的活度，使铁原子间结合力增加。
（2）碳对Fe 在奥氏体中自扩散的影响:存在碳， 削弱铁原子间结合力，促进铁原子扩散。
※表征合金元素在铁碳合金中对碳活度的影响
第三章 合金钢中的相变
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非碳化物形成元素使 fc> 1，提高其活动性， 增加碳在基体中的活度， 使C从固溶体中析出的倾 向增加。 碳化物形成元素使fc< 1，降低其活动性，降低 碳在基体中的活度，使C 难于从固溶体中析出。
第三章 合金钢中的相变
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二、合金元素对A形成速度的影响
合金元素的加入，改变了钢A形成温度A1，A3和Acm 及相变点的位置，从而影响了A形成速度；
A的形成速度取决于奥氏体的形核和长大，这都和C的 扩散有关，合金元素的加入改变了碳的扩散速度，所 以影响了A的形成速度.
第三章 合金钢中的相变
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1、钢中元素扩散的一般规律
置换式原子扩散比间隙原子慢几个数量级 在特定温度下，所有原子在铁素体中的扩散 速度都比在奥氏体中的快； 在所有情况下，对每一种元素，在α －Fe 中扩散激活能必低于在γ －Fe 中的激活能 （扩散能力与激活能呈负幂指关系，即激活 能越大，扩散能力越差）
第三章 合金钢中的相变
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组织遗传：对粗晶有序组织加热高于AC3， 可能导致形成的奥氏体晶粒与钢的原始 晶粒具有相同的形状、大小和取向
合金化与加热速度对出现组织遗传的影响如下：
消除组织遗传的方法：最终的快速加热淬火之
前进行回火处理。
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钢加热奥氏体化时有两种相互竞争的相变机制： 晶体学有序机制和无序机制。 无序机制形成奥氏体时，α →γ 转变伴随着重 结晶，即γ 新晶粒的形成对原始α 相来说，改 变了大小和方向； 有序机制：不伴随重结晶，以相变切变的方式 进行， γ 晶粒保持原来α 相晶粒的形状和大小
第三章 合金钢中的相变
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决定晶体相变转变机制的主要因素是：原始组织 的类型以及他们之间精确的晶体学有序性。 原始无序的组织只能以无序转变机制进行相变； 原始有序组织（马氏体、贝氏体和魏氏组织铁素 体）有两种转变机制：有序转变机制和无序转变 机制。到底以那种相变机制进行转变，取决于合 金化程度和加热速度。合金化程度越高，加热速 度越快，越易出现有序转变或组织遗传。见图3－ 6
第三章 合金钢中的相变
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第三章 合金钢中的相变
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问题：钢中可能发生的相变有哪些？
本节主要讲授内容 加热(奥氏体化)—§3.2 冷却(奥氏体分解) —§3.3 淬火钢回火转变影响—§3.4
钢相变的热力学与动力学—§3.1
第三章 合金钢中的相变
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2、元素对碳在奥氏体中扩散能力的影响
碳化物形成元素:W、Mo、Cr、Mn提高C扩散结合能，降 低扩散系数，使碳原子不容易扩散； 非碳化物形成元素:Ni、Co、Cu、Al降低C扩散结合能，提 高扩散系数，使碳原子容易扩散。 特殊元素Si:是非碳化物元素，提高碳的活度，但在奥氏体中 剧烈地降低铁原子的活动性，增加铁在固溶体中的结合力， 阻碍碳原子的扩散。