热处理原理之珠光体转变

1、第五章 珠光体转变 5.1 5.1 研究珠光体型相变的意义 珠光体是渗碳体和铁素体片层相间、交替排列形 成的机械混合物。用符号P表示（Pearlite）。 0.0218%6.69%0.77% 含碳量 铁素体渗碳体奥氏体 晶体结构体心立方面心立方复杂斜方 珠光体转变是单相奥氏体分解为铁素体和渗碳体 两个新相的机械混合物的相变过程，因此珠光体 转变必然发生碳的重新分布和铁的晶格改组。 共析钢的动力学曲线和IT图 珠光体转变是过冷奥氏体在临界温度A1以下比较高 的温度范围内进行的转变，共析碳钢约在A1500 温度之间发生，又称高温转变。 由于相变在较高的温度下进行，铁、碳原子都能进 行扩散，所以珠光

2、体转变是典型的扩散型相变。 珠光体铁素体渗碳体 硬度低而塑性高硬度高而脆性大 两者合理的匹配，可得到综合力学性能良好的P 珠光体转变是钢中重要的相变，同时在热处理实践 中也极为重要，因为在钢的退火与正火时所发生的 都是珠光体转变。 必须控制珠光体转变 产物的形态，以保证 所得组织具有所需要 的强度、韧塑性等。 要求退火或正火所 得组织能满足最终 热处理的需要。 退火与正火 最终热处理预备热处理 为了解决上述一系列问题，就必须对珠光体转变 过程、转变机理、转变动力学、影响因素以及珠 光体转变产物的性能等进行深入的研究。 另外，为使奥氏体能够过冷到低温，使之全部转变 为马氏体或贝氏体，就必须要保证

3、奥氏体在冷却过 程中不发生珠光体转变。 珠光体的组织形态 珠光体铁素体渗碳体 根据形态不同 片状珠光体 粒状珠光体 针状珠光体 两种最常见的珠光体组织 5.2 5.2 珠光体的组织形态与晶体结构 材料名称：共析钢 浸蚀剂：4硝酸酒精溶液 处理情况： 820加热保温后缓冷 片状珠光体 渗碳体呈片状，是由一层 铁素体和一层渗碳体层层 紧密堆叠而成。 珠光体团 在一个原奥氏体晶粒内可形 成3 35 5个珠光体团 片层排列方向大致相同的区 域，称为珠光体团或珠光体 晶粒 在每一个珠光体团中，铁素 体和渗碳体片大体上维持相 同取向的小区域，称为珠光 体领域 珠光体的片间距离S0 在片状珠光体中，一片铁素

4、体和一片渗碳体的总厚 度或相邻两片渗碳体或铁素体中心之间的距离，称 为珠光体的片间距离，用S0表示。 S S0 0与珠光体的形成温度有关， 可用下面的经验公式表示： T C S 0 式中：C=8.02C=8.0210104 4（K K） TT过冷度（K K） 珠光体型相变为扩散型相变，铁素体片和渗碳体 片的长大是受碳、铁原子的扩散控制的。 当珠光体的形成温度下降时 扩散系数减小 长大速度减小 S 减小 T增加 S与T成反比 可见，S S与TT必然存在一定的定量关系。 另一方面，在过冷度T一定的情况下，若S S过小， 则由于铁素体和渗碳体的相界面的面积增大，导致 相变阻力阻力之一的界面能增大；而

5、体系的自由能 差保持不变。 结果是相变驱动力过小而相变不易进行。 Vd GVGSVG V GVGsV 系统自由能变化 均匀形核： 非均匀形核： 片状珠光体的分类 通常所说的珠光体，是指在光学显微镜下能清楚分 辨出片层状态的一类珠光体，而当片间距离小到一 定程度后，光学显微镜就无法分辨不出片层的状态 了。根据片间距离的大小，通常把珠光体分为普通 珠光体P 、索氏体S和屈氏体T。 S： S0=0.250.08m，很难分辨出片层结构； P： S00.25m，能清晰分辨出片层结构； T： S0 Mn W Ni SiMo Mn W Ni Si 另外，强碳化物形成元素V V、TiTi、ZrZr、NbNb、

6、TaTa等在 钢中形成难溶的碳化物。如果这些元素在加热时能 够溶入奥氏体中，则增大过冷奥氏体的稳定性。但 是，即使加热到很高温度，这类碳化物仍然几乎不 能完全溶入奥氏体中。因此，当钢中加入强烈形成 碳化物元素，奥氏体温度又不很高时，不仅不能增 大甚至会降低过冷奥氏体的稳定性 。 硼元素B B很特别：一般认为，钢中加入微量的B B，就 可以显著降低亚共析钢中先析出铁素体的速度，同 时对珠光体的形成也有抑制作用。随着钢中碳含量 的增高，B B增大过奥氏体稳定性的作用逐渐减小。 钢加入微量的B B能够降低先共析铁素体和珠光体转变 速度的原因： 主要是由于B B的原子半径的相对大小既不适于形成间 隙固

7、溶体，又不适于形成置换固溶体，因而具有富 集于晶界的强烈倾向。B B吸附在奥氏体晶界上，降低 了晶界的能量，从而降低了先共析铁素体和珠光体 的成核率。 合金元素对珠光体转变产生影响的原因，至今仍未 彻底搞清楚，归纳起来可以从以下几个方面考虑。 A) A) 合金元素自扩散的影响 合金奥氏体的共析分解，除了碳的扩散之外，合金 元素也需要进行扩散再分配。 由于合金元素具有较低的扩散速度，其扩散系数比 C C在奥氏体中扩散系数低3 35 5个数量级，因而增大 了过冷奥氏体转变为珠光体的孕育期、降低了形成 速度。 合金元素对珠光体转变产生影响的原因 B) B) 合金元素对碳原子扩散的影响 合金元素对珠光

8、体转变的影响，还可以通过降低C C 在奥氏体中的扩散系数而起作用。除Co和小于3 的Ni以外，所有合金元素都提高碳在奥氏体中的扩 散激活能，从而降低C在A中的扩散系数。 合金元素降低C C的扩散系数，将增大珠光体转变的 孕育期，从而降低转变速度。 C) C) 合金元素对铁原子扩散的影响 合金元素的加入，还可以影响FeFe原子的扩散，通过 影响的同素异构转变进程来影响珠光体转变。 例如，Ni、Mn、Cr等的加入，都提高了Fe的自扩散 激活能，从而降低了Fe原子在奥氏体中的扩散系数， 进而影响晶体结构的重建而降低珠光体转变的速度。 D) D) 合金元素改变共析点的位置 合金元素的加入，将改变共析

9、点的位置，从而影响临界转变 温度而影响珠光体的转变。 它主要通过影响体系的自由能 和转变的过冷度对珠光体转变 产生不同的影响。 E) E) 合金元素对/相界面的拖曳作用 合金元素的加入，将对/相界面产生拖曳作用， 从而降低/相界面的移动速度，进而降低珠光体 的形成速度。 例如，强碳化物形成元素V、Ti、Zr、Nb、Ta等在 钢中形成难溶的碳化物。即使加热到很高温度，这 类碳化物仍然不能完全溶入奥氏体中。 因此，当钢中加入强烈形成碳化物元素，奥氏体温 度又不很高时，这些弥散分布的难溶碳化物质点， 将对/相界面的迁移产生阻碍作用，从而降低珠光 体的形成速度。 钢件在实际加热条件下，奥氏体常常处于不太均匀 的状态，有时还可能有少量渗碳体微粒残存。 奥氏体成分均匀性和过剩相溶解情况的影响 奥氏体成分不均匀未溶解渗碳体的存在 珠光体领先 相的晶核 利于在高C区 形成渗碳体； 利于在低C区 形成铁素体 先共析渗碳体 的非匀质晶核 加速C在 奥氏体中 的扩散