研究生课程（论文类）试卷
2 0 15 /2 016 学年第 1 学期
课程名称：金属材料学
课程代码：270100001
论文题目：钢在加热过程中的转变
学生姓名：
专业﹑学号：
学院：材料科学与工程学院
课程（论文）成绩：
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日期：年月日
课程（论文）题目：钢在加热过程中的转变
内容：
1.章节主要内容
重点：1、掌握钢件在加热过程中的组织转变规律；
2、掌握奥氏体晶粒大小的影响因素及控制措施。
难点：奥氏体的形成机理。
内容提要：钢在加热时的组织转变是钢件热处理的基础。
这是因为为使钢经热处理后获得所要求的组织和性能，大多数热处理（如退火、正火和回火等）都需要将钢件加热至相变临界点以上，形成奥氏体组织，称为奥氏体化，然后再以一定的速度进行冷却。
1.1 钢及热处理的概述
钢，是对含碳量质量百分比介于0.02%至2.06%之间的铁碳合金的统称。
热处理是将钢在固态下加热到预定温度，保温一段时间，然后以预定的方式冷却到室温的一种热加工工艺，如图1所示。
图1 热处理工艺图图2 自由能随温度变化示意图
1.2 奥氏体的形成机理
1.2.1奥氏体形成的热力学条件
根据Fe-Fe3C相图，温度在A1以下钢的平衡相为珠光体（铁素体和渗碳体）。
当温度超过A1时，珠光体将转变为奥氏体，亚共析钢或过共析钢分别加热到A3或Acm 温度以上，才能得到均匀的单相奥氏体组织。
奥氏体形成时系统总的自由能变化为（如图2所示）：
+
∆
=
∆（2-1）
∆
+
Ge
Gs
Gv
G∆
1.2.2奥氏体的形成过程
以共析钢为例：相组成：（α＋ Fe3C ）→γ
碳含量： 0.02％ 6.69％ 0.77％
点阵结构：体心立方复杂斜方面心立方奥氏体的形成：是由四个基本过程组成：1、奥氏体形核；2、奥氏体长大；3、剩余渗碳体溶解；4、奥氏体成分均匀化。
（a）奥氏体形核；（b）奥氏体长大；（c）剩余Fe3C溶解；（d）奥氏体成分均匀化
图3珠光体向奥氏体转变过程示意图
1.2.3奥氏体的形成速度
如图4所示，图中左起第一条线表示珠光体向奥氏体转变开始，第二条线表示珠光体向奥氏体转变刚刚结束，第三条线表示剩余渗碳体溶解完毕，第四条线表示奥氏体均匀化完成。
图4 共析钢奥氏体等温形成图
由图可以看出，共析钢加热到A c1以上某一温度等温，奥氏体并不是立即出现，而是需要保温一定时间才开始形成，这段时间称为孕育期，这是因为形成奥氏体晶核需要原子的扩散，而扩散需要一定的时间。
随着等温温度的升高，原子扩散速度加快，孕育期缩短。
例如在740℃等温转变时，经过10 s转变才开始，而在800℃等温时，瞬间转变便开始。
1.3奥氏体晶粒度概念、影响晶粒长大因素及控制
1.3.1 奥氏体晶粒度
奥氏体晶粒大小可以用奥氏体晶粒直径或单位面积中奥氏体晶粒数目来表示。
为了方便起见，实际生产上习惯用奥氏体晶粒度来表示奥氏体晶粒大小。
对于钢来说，如不特别指明，奥氏体晶粒度一般是指奥氏体化后的奥氏体实际晶粒大小。
奥氏体晶粒度通常分为8级标准评定，图5所示。
1级最粗，8级最细，超过8级以上者称为超细晶粒。
奥氏体晶粒度级别N与奥氏体晶粒大小的关系为
1
n (2-6)
=N
2-
式中，n为放大100倍的视野中每平方英寸(6.45cm2)所含的平均奥氏体晶粒数目。
奥氏体晶粒愈细小，n就↑，N也就↑。
图5 钢中晶粒度标准级别图
奥氏体晶粒度有三种：
（1）起始晶粒度：在临界温度以上，奥氏体刚刚形成时的晶粒度。
（2）实际晶粒度：在某一加热条件下（实际热处理）所得到的实际奥氏体晶粒大小。
（3）本质晶粒度：根据标准试验方法，在930±10℃，保温足够时间(3～8小时)后测得的奥氏体晶粒大小。
经上述试验，奥氏体晶粒度在5～8级者称为本质细晶粒钢，而奥氏体晶粒度在1～4级者称为本质粗晶粒钢。
随着温度的升高，钢中奥氏体晶粒长大的倾向存在着两种情况，如图6所示。
图6 奥氏体晶粒长大示意图
本质粗晶粒钢随加热温度升高，奥氏体晶粒迅速长大，而本质细晶粒钢在930℃以下随温度升高，奥氏体晶粒长大的速度很缓慢，当温度超过某一温度（950-1000℃），也可能迅速长大，晶粒尺寸甚至超过本质细晶粒钢。
1.3.2影响晶粒长大因素
a. 加热温度和保温时间的影响
加热温度愈高，保温时间愈长，奥氏体晶粒将愈粗大。
在每个温度下都有一个加速长大期，当奥氏体晶粒长到一定尺寸后，长大过程将减慢直至停止长大。
加热温度越高，奥氏体晶粒长大进行得就越快，如图7所示。
b．加热速度的影响
加热速度越大，过热度就越大，即奥氏体实际形成温度就越高，如图8所示。
图7 加热温度和保温时间对奥氏体晶粒大小的影响（Wc0.48%、WMnO82%钢）
图8 加热速度对奥氏体晶粒大小的影响
c．钢中碳含量的影响
在钢中碳含量不足以形成过剩碳化物的情况下，加热时奥氏体晶粒随钢中碳含量增加而增大。
这是因为，钢中碳含量增加时，C原子在奥氏体中的扩散速度及Fe原子的自扩散速度均增大，故奥氏体晶粒长大的倾向增大。
d．合金元素的影响
钢中加入适量形成难溶化合物的合金元素如Nb、Ti、Zr、V、AI、Ta等，将强烈地阻碍奥氏体晶粒长大，使奥氏体晶粒粗化温度显著升高。
形成易溶化合物的合金元素
W、Mo、Cr等也阻碍奥氏体晶粒的长大，但其影响程度为中等。
不形成化合物的合金元素如Si和Ni对奥氏体晶粒长大的影响很小，Cu和Co几乎没有影响。
而Mn、P、O和含量在一定限度以下的C可增大奥氏体晶粒长大的倾向。
当几种合金元素同时加入时，其相互影响十分复杂。
图9 合金元素对奥氏体晶粒粗化温度的影响
e．原始组织的影响
原始组织主要影响奥氏体起始晶粒度。
一般来说，原始组织越细，碳化物弥散度越大，所得到的奥氏体起始晶粒就越细小。
1.3.3 控制奥氏体晶粒长大措施
（1）合理选择加热温度和保温时间；
（2）采用快速加热和短时间保温；
（3）加入一定量合金元素（除锰、磷外）。
2.研究意义
为了使钢在热处理后获得所需要的组织和性能，大多数热处理工艺都必须先将钢加热至临界温度以上，获得奥氏体组织，然后再以适当方式〔或速度)冷却，以获得所需要的组织和性能。