第三章-钢的珠光体转变

第三章钢的珠光体转变本章内容提要：珠光体(P)的组织形态、晶体结构珠光体形成的热力学条件、形成过程、形成机制亚(过)共析钢的珠光体转变、先共析相的析出条件珠光体的力学性能、影响力学性能的因素奥氏体冷却过程中发生的转变按发生转变的温度范围可分为：高温转变：Fe，C原子能充分扩散（珠光体转变）中温转变：Fe难以扩散，C原子能扩散（贝氏体转变）低温转变：Fe、C原子均不能充分扩散（马氏体转变）3.1珠光体的组织特征

铁素体和渗碳体两相的含碳量、晶体结构相差悬殊且与奥氏体截然不同，转变时必然发生C的扩散和晶格的改组，因此珠光体转变是典型的扩散型相变。根据奥氏体化温度和奥氏体化程度不同，过冷奥氏体可形成片状珠光体和粒状珠光体，前者渗碳体呈片状，后者渗碳体呈粒状。珠光体的发现HenryCliftonSorby1864年，Sorby首先在炭素钢中观察到。珠光体组织一、片状珠光体

共析成分的奥氏体冷却到A1以下时，将分解为铁素体与渗碳体的混合物，称为珠光体。

1.概念片状珠光体：过冷奥氏体缓冷所得的铁素体与渗碳体呈层片相间组织；

珠光体团：片状珠光体的片层位向大致相同的区域称为珠光体团，在一个奥氏体晶粒内，可有几个珠光体团。

珠光体片间距：珠光体团中相邻的两片渗碳体(或铁素体)中心之间的距离称为珠光体的片间距，用S0表示。P团原A晶界图3-2S0Fe3Cα图3-1片状珠光体金相形态电镜形态

①珠光体（P）:

Pearlite片间距约为450～150nm，形成于A1～650℃温度范围内。在光学显微镜下可清晰分辨出铁素体和渗碳体片层状组织形态。光镜形貌电镜形貌珠光体形貌像

2、片状珠光体分类生产上根据珠光体片间距的大小，可将珠光体类型组织分为三种:

②索氏体(S):Sorbite

片间距约为150～80nm，形成于650～600℃温度范围内。只有在800倍以上光学显微镜下观察才能分辨出铁素体和渗碳体片层状组织形态。细片状P－索氏体。光镜形貌电镜形貌索氏体形貌像

③屈氏体（T）:Troostite

片间距约为80～30nm，形成于600～550℃温度范围内。在光学显微镜下已很难分辨出铁素体和渗碳体片层状组织形态。极细片状的P-屈氏体。电镜形貌光镜形貌

屈氏体形貌像珠光体、索氏体和屈氏体比较珠光体索氏体屈氏体

珠光体、索氏体、屈氏体之间无本质区别，都是出铁素体和渗碳体片层相间组织，其形成温度也无严格界线，只是其片层厚薄和片间距不同。3影响珠光体片间距的因素珠光体片层间距S0的大小，取决于过冷度ΔT而与原奥氏体晶粒尺寸大小无关。

原因：1.在一定的过冷度下，若S0过大，原子所需扩散的距离就要增大，这将使转变发生困难。2.若S0过小，由于相界面面积增大，使界面能增大，这时ΔGV不变，这会使相变驱动力降低，也会使相变不易进行。所以一定的ΔT对应一定的S0。位向关系铁素体与奥氏体位向关系亚共析钢中先共析铁素体与奥氏体位向关系（K-S关系）渗碳体与奥氏体位向关系比较复杂

二、粒（球）状珠光体

粒状珠光体：渗碳体以粒状分布于铁素体基体中。它一般通过特定的热处理获得。渗碳体颗粒大小、形状与所采用的热处理工艺有关。渗碳体颗粒的多少与WC有关。在高碳钢中按渗碳体颗粒大小将粒状珠光体分为粒状P、细粒状P、点状P。其他类型的珠光体，如碳化物呈纤维状和针状。

3.2珠光体转变的机理一、珠光体形成的两个基本过程珠光体转变过程包括两个同时进行的过程：（1）通过碳原子的扩散使奥氏体分解为高碳的Fe3C和低碳的F；（2）通过铁原子的扩散发生晶体结构的改组。过程如下（A冷至Ar1以下）：

A→P（F＋Fe3C）面心体心复杂斜方0.77%0.0218%6.69%

二、珠光体转变的领先相珠光体转变是有奥氏体分解为铁素体与渗碳体，必然存在一个先析出相。珠光体形成的领先相取决于化学成分。亚共析钢－F（因为P中的F与F先的位向相同）过共析钢－Fe3C（因为Ｐ中Fe3C和Fe3C先位向相同且组织上连续）共析钢－Fe3C（A中未溶Fe3C将促进P的形成，而先共析F存在则无明显影响）过冷度小，渗碳体是领先相；过冷度大，铁素体是领先相。

一、片状珠光体形成过程共析成分的奥氏体，在临界点以下发生如下转变：A→F+Fe3C片状珠光体形成依赖于扩散，以得到所需要的浓度变化以及结构变化，转变也是一个形核和长大的过程。

3.2.2珠光体的形成过程

1.形核一般情况下在奥氏体晶界处奥氏体化温度低时，可在奥氏体晶内形核Fe3C形状：小薄片（应变能小，表面积大，容易接受到Ｃ原子）新相形状与弹性应变能之间关系2、长大Fe3C薄片向纵向、横向长大，不断吸收周围碳原子→在Fe3C两侧或奥氏体晶界上贫碳区，形成F核→Fe3C纵向长大(横向已不可能)，F纵向长大、横向长大，于F侧的同一位向形成Fe3C，在同一位向交替形成F与Fe3C，形成一个珠光体团。在不同位向形成另一个珠光体团→珠光体团互相接触，转变结束。

片状P的长大方式：（1）交替形核、纵向长大；（2）横向长大；（3）分枝形式长大。3、片状珠光体长大碳的扩散机制CA/F：F/A界面上A一侧的碳浓度CA/Fe3c：Fe3C/A界面上A一侧的碳浓度CA：原A中的碳浓度CF/A：F/A界面上F一侧的碳浓度CF/Fe3c

：F/Fe3C界面上F一侧的碳浓度

CFe3c

：Fe3C的碳浓度为6.69%

CA/FFe3CFA1CACA/F

T

CFe3cF△TACA/Fe3cCF/ACF

/Fe3cACA/Fe3C<由于各相间的浓度差，造成了如下扩散：

（a）界面扩散在t1温度时，奥氏体中CA/F>CA/Fe3C，造成碳从A/F界面扩散到A/Fe3C界面，这便破坏了界面平衡，使CA/F↘,CA/Fe3C↗，进而导致F长大(使CA/F↗)，Fe3C长大(使CA/Fe3C↘)。

（b）由远离P区扩散因为CA/F>CA>CA/Fe3C，F前沿的碳将向远处扩散，而远处的碳(浓度为CA)将扩散至Fe3C前，使F、Fe3C长大。（c）铁素体中C的扩散如图，因为CF/A>CF/Fe3C，这就造成F内部的碳的扩散，使F前沿碳浓度下降，有利于F长大，Fe3C长大。

由于形成了γ/α，γ/Fe3C相界面，在相界面前沿γ相中产生浓度差Cγ-α–Cγ-k，从而引起碳原子由α前沿向Fe3C前沿扩散，扩散的结果破坏了相界面的碳浓度平衡，为了恢复碳浓度平衡，渗碳体和铁素体就要向奥氏体中纵向长大。珠光体的纵向长大：

4、铁原子的自扩散

珠光体转变时，晶体点阵的改组是通过铁原子自扩散完成的。综上所述，珠光体转变时珠光体团的形成是铁素体与渗碳体横向沿奥氏体晶界或沿已形成的珠光体团界交替形核、纵向长大的结果。

二、粒状珠光体形成机制

粒状珠光体一般通过特定的热处理获得。生产中广泛应用的球化退火、淬火＋高温回火，即通过下述方法得到粒状珠光体。

(1)低的奥氏体化温度，短的保温时间，加热转变未充分，有较多的未溶渗碳体粒子。(2)A→P临界点下高的等温温度，长的等温保温时间，冷却速度极慢，以得到粒状珠光体。（3）淬火＋高温回火（调质处理）特定的热处理条件是：4.3珠光体转变机理二.粒状珠光体的形成机制

片状P长时间保温略低于A1粒状P球化退火片状P加热略高于A1A＋未溶Fe3C保温A＋粒状Fe3C缓冷粒状P球化条件：加热时：A化温度低，保温时间短冷却时：P化温度高，保温时间长•Growthofpearlitefromaustenite:•ReactionrateincreaseswithDT.EUTECTOIDTRANSFORMATIONRATE~DT•Eutectoidcomposition,Co=0.77wt%C•BeginatT>727C•Rapidlycoolto625Candholdisothermally.•CoolingtolowertemperaturesresultsinfinermicrostructuresEX:COOLINGHISTORYFe-CSYSTEM•TtransfjustbelowTE

--LargerT:diffusionisfaster--Pearliteiscoarser.Twocases:•TtransfwellbelowTE

--SmallerT:diffusionisslower--Pearliteisfiner.PEARLITEMORPHOLOGY•Reactionrateisaresultofnucleationandgrowthofcrystals.•Examples:NUCLEATIONANDGROWTHNucleationrateincreaseswithDTGrowthrateincreaseswithT一、先共析相的析出条件Fe-Fe3C相图中GS、ES线的延长线SG’、SE’具有一定的意义，GSG’、ESE’线把相图分成四个区：GSE以上为A区GSE’以左为先共析F析出区ESG’以右为先共析Fe3C析出区E’SG’以下为伪共析P析出区。右图为先共析相及伪共析组织形成范围3.2.3亚（过）共析钢的Ｐ转变一、伪共析转变定义：非共析成分的Ａ被过冷到ES延长线SE‘与GS延长线SG’，可以不先析出先共析相而直接分解为F与Fe3C混合物—与共析转变相似。转变条件：亚共析钢或过共析钢快冷并在ES延长线E‘与GS延长线SG’区保温组织：也称为Ｐ特点：分解机制和分解产物的组织特征与Ｐ转变完全相同。但Ｆ和Fe3C量与Ｐ不同，随Ｃ％升高，Fe3C量增加。先共析F析出：三.亚（过）共析钢的珠光体转变

A在SE′与GS所包围区域内析出先析F相。

A1C%TT1GSEE′G′伪共析先析F先析Fe3C先共析渗碳体析出：先共析转变完成后，在SE′——SG′内剩余A发生伪共析转变ⅠⅡT2ⅢA在SG′与ES所包围区域内析出先析Fe3C。PPPT2T2T2Fe3C+PPF+PT1T1T1转变产物转变温度合金Ⅲ合金Ⅱ合金Ⅰ成分伪共析转变应用：1）加快冷速，提高P伪量，有助提高低碳钢的强度。2）通过快冷抑制过共析钢中网状渗碳体的析出冷速越快，转变温度越低，先析相越少，P伪越多。亚共析钢先共析F的形态过共析钢先共析Fe3C的形态网状片状等轴状（块状）网状片状A晶粒细小，转变温度较高（或慢冷）A晶粒粗大，转变温度较低（或快冷）A晶粒粗大，冷速适中魏氏组织片（针）状F（或Fe3C）＋P显著降低钢的力学性能，特别是塑韧性，

必须消除——采用细化晶粒的正火，退火或锻造必须消除四、钢中的魏氏组织工业上将具有先共析片(针)状铁素体或针(片)状渗碳体加珠光体的组织，都称为魏氏组织。前者称为铁素体（α-Fe）魏氏组织，后者称为渗碳体魏氏组织。某低碳钢气焊热影响区过热段出现的粗大针状魏氏铁素体组织3.3珠光体转变的动力学§3.3.1形核率

形成温度较高时，扩散较易，形核功起主导作用，由于温度降低，形核功下降，故形核率增加。至一定温度时，扩散起主导作用，温度降低，扩散困难，形核率下降。

形核率随转变温度的降低先增后减，在550℃附近有一极大值。图3-8形核率与转变温度的关系~550℃§3.3.2长大速度图3-8长大速度与转变温度的关系~550℃长大速度随转变温度的降低也是先增后减，在550℃附近也有一极大值。形核率和长大速度随T↘，先↗后↘。原因：（1）T↘，△T↗，驱动力△Gv↗，有利P形核长大；（2）T↘，△T↗，A中浓度梯度↗，P片间距↘，有利P形核长大；（3）T↘，△T↗，原子活动能力↘，不利形核。以上三者共同作用，曲线出现极值。3.形核率和长大速度与转变时间的关系当转变温度一定时，珠光体的形核率I与转变时间的关系如图所示，随转变时间延长，形核率I逐渐增大。而等温保持时间对珠光体的长大速度G则无明显的影响。三、影响珠光体转变动力学的因素1.化学成分的影响(1)C%a)亚共析钢：C%增加，先析F形核率降低，F长大需要扩散离去的C%增高，使奥氏体转变为珠光体的孕育期增大，导致珠光体转变速度降低。b)过共析钢：C%增加，Fe3C的形核率增加，孕育期减小，使奥氏体转变为珠光体的孕育期减小，导致奥氏体转变为珠光体的转变速度提高。(2)合金成分的影响除Co、Al外，合金元素的加入均不同程度的降低珠光体的转变速度。①Ni：减低G与N,过冷度较小时，影响较大。②Cr：过冷度较大时显著降低G，使Tn↑③Mo(W)：剧烈降低G与N，使Tn明显上移。④Mn：△T较小时，对G影响不明显；△T较大时，显著降低G⑤Co：N↑、G↑2.加热温度和时间的影响（影响A成分和状态）

奥氏体成分不均匀，珠光体转变的形核率高，C原子扩散速度高，长大速度快；未溶Fe3C多，可作为领先相晶核存在使珠光体转变的形核率提高，加速其长大速度。奥氏体化温度高时间长，奥氏体晶粒粗大且奥氏体化均匀，使“C”曲线右移，珠光体转变的孕育期、形核率和长大速度均降低，珠光体形成速度降低。3.奥氏体晶粒度的影响奥氏体晶粒细小，单位体积内晶界面积增大，珠光体形核部位增多，促进珠光体形成。亦促进先共析铁素体和先共析渗碳体的析出。4.应力和塑性变形的影响奥氏体化时拉应力或塑性变形，易使点阵畸变和位错增高，促进C、Fe原子扩散及点阵重构，促进珠光体的形核长大。奥氏体化时压应力，原子迁移阻力增大，C、Fe原子扩散困难，减慢珠光体形成速度。3.4P转变产物的力学性能与成分和热处理工艺有关－各相的含量和组织形态;对于片状P，由层片间距决定；不同形态P，性能不同;先共析F和Fe3C含量不同，性能不同。3.4.1共析成分P的力学性能与P的片间距、P团直径、P中F的亚结构有关－由A化温度和P形成温度决定。P片间距越小，强度、硬度、塑性均升高（为什么？）P团直径越小，强度、塑性如何变化？问题：连续冷却发生P转变时，是否对性能有利？1片状P1、片状珠光体

屈服强度:σs=139+46.4S-1

断裂强度:σf=436.5+98.1S-1

珠光体的力学性能

片间距↘，强度和硬度↗，同时塑性和韧性有所改善在成分相同的条件下，与片状珠光体相比，粒状珠光体的强度、硬度稍低，而塑性较高。其主要原因是：粒状珠光体中铁素体与渗碳体的相界面较片状珠光体少，强度和硬度稍低；而铁素体呈连续分布，渗碳体呈粒状分散在铁素体基体上，对位错运动的阻碍作用较小，使塑性提高。渗碳体分布愈细，硬度强度愈高，分布愈均匀，韧性愈好.2粒状珠光体3.4.2亚、过共析钢珠光体转变产物的力学性能亚共析钢完全奥氏体化后冷却，随着钢中碳含量下降，先共析铁素体量增加；当碳含量一定时，随着冷却速度的加大，或转变温度的降低，先共析铁素体量减少，珠光体量增加，但珠光体中的含碳量下降。与珠光体和铁素体的相对含量有关。为了获得最佳冲击性能，应使用细晶粒、含硅、含碳低的钢。细化铁素体晶粒、细化珠光体团对韧性是有益的，而固溶强化对韧性是有害的。1.亚共析钢的珠光体转变产物的力学性能屈服强度主要取决于铁素体晶粒尺寸大小，随珠光体量增加，它对强度的影响减小。越接近共析成分，珠光体对强度的影响就越大，珠光体片层间距的作用就愈明显。屈服强度、抗拉强度随铁素体量和珠光体量的变化是非线性的。塑性随珠光体量的增多而下降，