课题二奥氏体形成.ppt
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1、1,第二章 奥氏体的形成,2,1、奥氏体及其结构特征,1.1 奥氏体的结构及其存在范围,图2-1 奥氏体的单胞,奥氏体是碳溶于-Fe 中的间隙固溶体 碳原子位于八面体间隙中心,即FCC晶胞的中心或棱边的中点 八面体间隙半径 0.52 碳原子半径 0.77 点阵畸变,3,4,图2-2 Fe-C 相图,5,1.2 奥氏体的性能 奥氏体的比容最小,线膨胀系数最大,且为顺磁性(无磁性)。利用这一特性可以定量分析奥氏体含量,测定相变开始点,制作要求热膨胀灵敏的仪表元件。 奥氏体的导热系数较小,仅比渗碳体大。为避免工件的变形,不宜采用过大的加热速度。 奥氏体塑性很好,S 较低,易于塑性变形。故工件的加工常
2、常加热到奥氏体单相区进行。,6,2、 奥氏体形成的热力学条件,图2-3 自由能和温度关系图,G = V Gv + S + V - Gd (2-1),- Gd - 在晶体缺陷处形核引起的自由能降低,相变必须在一定的过热度T下,使得GV 0,才能得到G0。所以相变必须在高于 A1 的某一温度下才能发生,奥氏体才能开始形核。,7,图2-4 以0.125/min加热和冷却时,Fe-C相图中临界点的移动,加热时临界点加注c : Ac1 Ac3 Accm 冷却时临界点加注r : Ar1 Ar3 Arcm,8,奥氏体的形成为形核长大、扩散型相变 奥氏体的形成过程可分成四个阶段: (1)奥氏体的形核 (2)奥
3、氏体的长大 (3)渗碳体的溶解 (4)奥氏体的均匀化,3. 奥氏体的形成机理,9,10,11,(1)奥氏体的形核,形核的成分、结构条件,12,形核位置 鉴于相变对成分、结构以及能量的要求,晶核将在/Fe3C相界面上优先形成,这是由于: 相界面形核,可以消除部分晶体缺陷而使体系的自由能降低,有利于相变对能量的要求。 相界面两边的碳浓度差大,较易获得与新相奥氏体相适配的碳浓度,况且碳原子沿界面扩散较晶内为快,从而加速了奥氏体的形核。 相界面处,原子排列较不规则,易于产生结构起伏,从而由BCC改组成FCC。,13,(2)奥氏体的长大,图2-6 相界面上的碳浓度及扩散,14,15,16,奥氏体晶核的长
4、大速度,17,由式(2-2)可知,奥氏体晶核的长大速度与碳在奥氏体中的浓度梯度成正比,而与相界面上的碳浓度差成反比。 由于 /Fe3C相界面的碳浓度差 Ck 较大,Fe3C本身复杂的晶体结构,使得奥氏体向渗碳体方向的长大速度远比向铁素体方向为小,所以铁素体向奥氏体的转变比渗碳体的溶解要快得多,铁素体先消失,而渗碳体有剩余。,18,(3)剩余渗碳体的溶解 剩余渗碳体借助于Fe、C原子的扩散进一步溶解。 (4)奥氏体成分的均匀化 原渗碳体部位的碳浓度高,原铁素体部位的碳浓度低。 通过Fe、C原子在新形成奥氏体中的扩散,实现奥氏体成分的均匀化。,19,4、 奥氏体形成的动力学,4.1 形核率,为了满
5、足形核的热力学条件,需依靠能量起伏,补偿临界晶核形核功,所以形核率应与获得能量涨落的几率因子 exp(-G*/kT) 成正比。 为了达到奥氏体晶核对成分的要求,需要原子越过能垒,经扩散富集到形核区,所以应与原子扩散的几率因子 exp(-Q/kT) 成正比。,20,N = C exp(-G*/kT)exp(-Q/kT) (2-3) 式中: C - 常数 G* - 临界形核功 Q - 扩散激活能 k - 玻尔兹曼常数,= 1.38X10-23 J/K T - 绝对温度 N - 形核率,单位 1/(mm3 s) 与结晶不同的是,PA的相变,是在升高温度下进行的相变。 温度升高时, G* ,Q ,从而
6、形核率 N 增大。,21,4.2 奥氏体线长大速度,碳在奥氏体中的扩散系数 D=D0exp(-Q/RT) 阿累尼乌斯方程(Arrhenius) G - 长大线速度,单位 mm/s 温度升高时,D , dC , C , Ck 从而线长大速度G增大。,22,4.3 奥氏体等温形成动力学曲线,设新形成的奥氏体为球状,则由约翰逊-迈尔方程(Johnson-Mehl方程):,Vt - 新形成奥氏体的体积分数,转变量达50%左右时,转变速度最大。 转变温度越高,奥氏体形成的孕育期越短。 转变温度越高,完成转变所需的时间越短。,23,图2-8 奥氏体等温形成动力学曲线,形成温度升高,N的增长速率高于G的增长
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