第3章 珠光体转变

第三章珠光体转变主要内容：珠光体组织特征，转变机制动力学及影响因素珠光体转变产物的机械性能等了解珠光体转变热力学、形核、长大机理等重点内容：珠光体转变过程、动力学特征前言钢中的珠光体转变：austenitepearliteAP(F+Fe3C,ferrite+cementite)最具代表性的共析转变典型的平衡相变，产物符合状态图的平衡组织。退火：将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当的温度，保温一定时间，然后缓慢冷却以达到接近平衡状态P组织的热处理工艺。研究意义：获得或避免P转变正火：将钢加热到Ac3或Accm以上适当温度，保温适当时间后在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。退火和正火的产物：珠光体3.1珠光体的组织特征珠光体：共析碳钢奥氏体化后缓慢冷却，奥氏体将分解为铁素体和渗碳体层片相间的混合物。典型组织：珠光体呈片状或层状，一个奥氏体晶粒内可以形成几个片层方向大致相同的区域——珠光体团。珠光体片层间距：S0，取决于？随转变温度降低，珠光体层片间距将减小，依次分为：片状珠光体S0=150~450nm；索氏体S0=80~150nm；托氏体S0=30~80nm。珠光体的片层间距取决于形成温度，过冷度越大，片层间距就越小，为什么？

S0=8.02103/∆TS0减小，界面能升高；但相变驱动力增大T8钢退火索氏体(S)：铁素体与片状渗碳体的混合物，其片层比珠光体更细密，在高倍显微镜下才能分辨出片层。T8钢正火：索氏体托氏体：也是铁素体与片状渗碳体的机械混合物，其片层比索氏体更细密，在一般光学显微镜下无法分辨，只能看到黑色组织。（灰白色块状、针状为淬火马氏体）T8钢快冷正火：托氏体分析：过冷奥氏体在连续冷却过程中的珠光体粗细？A晶粒大小对P的片层无明显的影响，但影响P团大小，所以晶粒细化随P片层间距减小、或者碳含量降低，渗碳体片变薄。粒状珠光体：在铁素体基体上分布着粒状渗碳体组织。形成条件：1、加热转变不充分，尚存未溶碳化物颗粒。2、片状珠光体的低温球化退火。3、马氏体、贝氏体组织在A1稍下高温回火所得到。第二节珠光体转变机制热力学条件片状P的晶体学1、珠光体转变的领先相：随相变温度和A成分不同而异一般认为是渗碳体。因为:(1)

珠光体中渗碳体与从奥氏体中析出的先共析渗碳体的晶体学位向相同；（2）珠光体中渗碳体与共析转变前产生的渗碳体在组织上是连续的；（3）奥氏体中未溶解的渗碳体有促进珠光体形成的作用；2、珠光体的形成过程转变特点：转变温度较高，Fe、C原子能长距离扩散，晶界、晶体缺陷处形核功小，在较小过冷度下就可转变。形核位置：晶界、晶体缺陷比较密集的区域。转变过程：铁、碳原子的扩散、点阵重构，即相组成：→

+Fe3C

碳含量：0.77%0.02%6.69%点阵结构：面心立方体心立方复杂斜方结论：珠光体的形成过程包含着两个同时进行的过程：

1、通过碳原子的扩散形成低碳铁素体和高碳渗碳体；

2、晶体点阵重构。1.以共析钢为例，片状珠光体的形成过程：

形核位置：A晶界上、晶体缺陷处、A中未溶渗碳体处以渗碳体为领先相1）均匀A冷却到临界点以下，先在A晶界上形成一小片与母相共格、呈片状的渗碳体晶核；渗碳体晶核不仅纵向长大，也横向长大2.珠光体的横向长大：片状渗碳体晶核吸收两侧碳原子，使A碳浓度降低到足以形成F时，在渗碳体的两侧形成F片；新生成的F片伴随渗碳体片纵向长大时，也横向长大；循环下去，就形成了渗碳体片和F片相间的片状P。3）同时，在晶界其他部位、在长大着的P和A的相界上也可产生新的渗碳体晶核；4）各种不同取向的P不断长大，同时可有新晶核产生；5）各个P群相遇，奥氏体向P转变结束。结论：P横向长大是渗碳体片与F片交替增多，P纵向长大是渗碳体片与F片同时连续的向A中延伸。随着P形成温度降低，渗碳体片和F片逐渐变薄变短，由片状P逐渐变为索氏体、屈氏体。珠光体的纵向长大：（a）珠光体刚形成、三相共存时，A中的碳浓度是不均匀的，引起界面附近A中碳的扩散，破坏了界面碳浓度的平衡；为了维持平衡，珠光体纵向长大；(b)奥氏体中的碳浓度差引起碳的远程扩散；（c）铁素体中的碳浓度差引起碳的扩散。以上为片状P的形成机制：横向+纵向2.粒状珠光体的形成过程将片状P加热到略高于A1温度保温，将使片状珠光体球化，得到在A基体上分布着颗粒状渗碳体的组织。这种使片状渗碳体球状化，获得球状P的热处理过程称为球化退火。缓慢冷却到A1点以下时，A转变为粒状P。片状渗碳体球化过程：

1、将片状珠光体加热到略高于A1温度，得A加未完全溶解的渗碳体第二相颗粒在其基体中的溶解度和其曲率半径有关，使渗碳体界面处的A中存在碳浓度差C原子的扩散得到A基体上分布着粒状渗碳体缓冷后得到粒状珠光体AAAA2、将片状珠光体加热到略低于A1温度，得到F加片状渗碳体（位错的存在使其与基体相接触处形成凹坑）。凹坑使渗碳体界面处的F中存在碳浓度差，引起C原子球化过程：渗碳体的尖角处溶解、平面处析出3.亚（过）共析钢的珠光体转变1.伪共析转变：条件：冷却速度较快成分：非共析成分产物：伪共析组织2.亚共析钢先共析相的析出：析出量决定于奥氏体碳含量、析出温度或冷却速度。是形核、长大过程，受碳在A中的扩散控制。等轴状、网状F由非共格界面推移长大片状F由F晶核的共格界面推移长大亚共析钢中先共析铁素体的形态如图3.过共析钢先共析相的析出：先共析渗碳体的形态：网状或针状，使钢的脆性增大。避免方法：退火加热温度必须在Acm点以下。形成条件：加热温度高、A晶粒粗大、成份均匀、冷却缓慢，易形成网状。消除办法：加热到Acm点以上，使渗碳体全部溶于奥氏体，然后快速冷却使其发生伪共析转变，然后再进行球化退火。魏氏组织：片（针）状铁素体或渗碳体加珠光体的组织。3.3.2魏氏组织组织形态：针状先共析相+珠光体形成条件：含碳量和过冷度适当性能特点：粗晶魏氏组织降低钢的强度、塑性和韧性等20钢退火45钢退火65钢退火T12钢退火3.4珠光体转变动力学

转变速度：取决于形核率和长大速度分析分析1、珠光体的形核率和长大速度I和G都随T的降低而先增大后减小，极大值在550C左右。过冷度增大：相变驱动力增大，I,G增大P片间距减小，G增大T降低，I,G减小动力学特点：珠光体转变有孕育期550°C等温时的孕育期最短转变开始和结束时转变速度较小，中段时间转变加快，转变量50%时转变速度最大。2、珠光体转变动力学图3、先共析相的长大动力学亚共析钢中，先共析铁素体的转变动力学曲线也呈“C”曲线，在珠光体转变曲线的左上方，随碳含量增加而移向右下方。过共析钢中，先共析渗碳体的转变动力学曲线在珠光体转变曲线的左上方，随碳含量增加而逐渐向左上方移动。4、影响珠光体转变动力学的因素即：影响形核率和长大速度的因素内因：化学成分、组织结构;

外因：加热温度、保温时间1.化学成分的影响（1）碳含量的影响：亚共析钢：随含C量增加，先共析F速度减慢，使P转变速度减小。

原因:随含C量增加，F形核率减少，F长大时所需扩散离去的C量增大。过共析钢:随含C量的增高，渗碳体形核率越大，碳在A中的扩散系数增大，P转变速度增大。过共析钢不完全奥氏体化更易发生珠光体转变。奥氏体成分的不均匀性和过剩相均加速珠光体转变。(2)合金元素的影响：除了Co以外，其它所有的合金元素都使“C”曲线右移；除了Ni、Mn以外，其它常用合金元素皆使珠光体转变的“鼻尖”温度上移。原因：合金元素的自扩散、对碳扩散的影响，对相变临界点的影响。2、加热温度和保温时间的影响加热温度低、保温时间短，将加速珠光体的转变。原因：A成分不均匀、或有未溶渗碳体，有利于形核3、奥氏体晶粒度的影响A的晶粒越细小，P的形核部位越多，越促进P转变。细小的A晶粒也将促进先共析相的析出。4、应力和塑性变形的影响对奥氏体氏加拉应力，将加速珠光体的转变对奥氏体氏加压应力，将减慢珠光体的转变3.5

珠光体的力学性能材料的力学性能：受外力作用时反映出来的性能。主要有：强度、硬度、塑性、韧性、弹性强度：材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。可分为：抗拉强度、抗压强度、屈服强度、抗弯强度、抗剪强度等。塑性：材料在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。硬度：材料抵抗更硬物体压入其内的能力，硬度高耐磨性高。常用的硬度指标：布氏硬度、洛氏硬度、维氏（显微）硬度。韧性：材料抵抗冲击载荷的能力。弹性：伸长与载荷成正比，去除外力恢复原状的能力。材料的各种力学性能有一定的联系，且与内部组织有关。一、珠光体的力学性能珠光体的力学性能：主要取决于钢的化学成分和热处理后所获得的组织形态，如珠光体的片层间距、珠光体团大小、原始奥氏体晶粒大小等有关；珠光体的片层间距：取决于形成温度珠光体团直径大小：取决于形成温度，奥氏体晶粒

结论：共析钢珠光体的力学性能主要取决于奥氏体化的温度和珠光体的形成温度。随着珠光体的片层间距以及珠光体团直径的减小，珠光体的强度、硬度、塑性均提高。表3-3不同组织的硬度钢在连续冷却时形成的珠光体：片间距不等，性能不匀。粒状珠光体的强度、硬度较低，塑性较高；切削性好，冷挤压成型性好，加热淬火时的变形开裂倾向性小。原因：粒状珠光体中铁素体和渗碳体的相界面较片状珠光体的少，所以强度和硬度较低；渗碳体呈粒状分布在连续的铁素体基体上，对位错的阻碍作用小，使塑性提高。用途：中低碳钢的冷挤压成形、高碳钢的机械加工和热处理前。碳化物颗粒越细小，分布越均匀，则硬度和强度越高，韧性越好。对于亚共析钢，随冷却速度增大、或随钢中碳含量增高，则先共析铁素体量减少，珠光体的量增多。铁素体+珠光体的性能取决于：铁素体及珠光体的相对量、铁素体晶粒大小、珠光体片层间距及铁素体化学成分等。二、铁素体加珠光体的力学性能屈服强度：主要取决于铁素体晶粒尺寸、珠光体量塑性：随珠光体量的增多而降低，随铁素体晶粒的细化而升高韧性：随含碳量的增加而降低韧脆转折温度：随P量的增加而升高三、形变珠光体的力学性能索氏体：塑性变形可提高强韧性原因：S片间距小，渗碳体片较薄，可弹性弯曲和