珠光体转变幻灯片

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1、1,热处理原理与工艺第三章 珠光体转变,2,导读,通过学习本章，重点掌握钢中珠光体的概念，物理本质，组织结构特点，珠光体转变的物理过程，分解动力学特征及C曲线的影响因素。了解珠光体分解热力学，形核长大机理等知识。,3,第三章 珠光体转变,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。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。由于相变在较高的温度下进行，铁、碳原子都能进行扩散，所以珠光体转变是典型的扩散型相变。珠光体Pearlite,4,3.

2、1 珠光体的组织特征3.1.1 珠光体的组织形态 珠光体是过冷奥氏体在A1以下的共析转变产物，是铁素体和渗碳体组成的机械混合物(P)。 形状分类：片状珠光体、粒状(球状)珠光体和针状珠光体；片状和粒状最常见。 1、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。,第一节 珠光体的组织特征,5,第一节 珠光体的组织特征,6,第一节 珠光体的组织特征,7,第一节 珠光体的组织特征,8,（1）珠光体团 片层排列方向大致相同的区域，称为珠光体团、珠光体领域或珠光体晶粒。在一个原奥氏体晶粒内可以形成几个珠光体团。（2）珠光体的片间距离S0 在片状珠光体中，一片铁素体和一片渗碳体的总

3、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。 S0与珠光体的形成温度有关，可用下面的经验公式表示：,第一节 珠光体的组织特征,9,第一节 珠光体的组织特征,10,S0受哪些因素影响？ S0的大小取决于珠光体形成温度。（形成温度降低，碳的扩散速度减慢，碳原子难以作较大距离的迁移，故只能形成片间距离较小的珠光体）。,第一节 珠光体的组织特征,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。 若S0过小，由于相界面面积增大，使界面能增大，这时GV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T对应一定的 S0 。T 愈大，碳

4、在奥氏体中的扩散能力愈小，扩散距离变短。另外， GV 会变大，可以增加较多的界面能，所以 S0 会变小。,11,（3）片状珠光体的分类片间距离的大小，珠光体分为普通珠光体、索氏体和屈氏体。普通珠光体P：S0=150450 nm，光学显微镜下能清晰分辨出片层结构；索氏体S：S0=80150 nm，光学显微镜下很难分辨出片层结构；屈氏体T：S0=3080 nm，光学显微镜下无法分辨片层结构。电子显微镜下只是片间距离不同而已,第一节 珠光体的组织特征,12, 珠光体：形成温度为A1-650，片层较厚，500倍光镜下可辨，用符号P表示。,第一节 珠光体的组织特征,13, 索氏体形成温度为650-600

5、，片层较薄，800-1000倍光镜下可辨，用符号S 表示。,第一节 珠光体的组织特征,14, 托氏体形成温度为600-550，片层极薄，电镜下可辨，用符号T 表示。,电镜形貌,光镜形貌,第一节 珠光体的组织特征,15,索氏体形貌,第一节 珠光体的组织特征,16,屈氏体形貌,第一节 珠光体的组织特征,17,2、粒状珠光体 渗碳体呈颗粒状，均匀地分布在铁素体基体上的组织，同样是铁素体与渗碳体的机械混合物，铁素体呈连续分布。 按渗碳颗粒的大小，料状珠光体可以分为粗粒状珠光体、粒状珠光体、细粒状珠光体和点状珠光体。,第一节 珠光体的组织特征,18,3、针状珠光体 当钢中含有一定数量的Cr，在转变温度较

6、低时，可形成一类特异形态的珠光体，其组织外形呈黑色针状，整体呈冰花状。,第一节 珠光体的组织特征,19,3.1.2 珠光体的晶体结构 1、珠光体相变的位向关系 通常珠光体均在奥氏体晶界上形核，然后向一侧的奥氏体晶粒内长大成珠光体团，珠光体团中的铁素体及渗碳体与被长入的奥氏体晶粒之间不存在位向关系，形成可动的非共格界面，但与另一侧的不易长入的奥氏体晶粒之间则形成不易动的共格界面，并保持一定的晶体学位向关系。在一个珠光体团中的铁素体与渗碳体之间存在着一定的晶体学位向关系，这样形成的相界面，具有较低的界面能，同时这种界面可有较高的扩散速度，以利于珠光体团的长大。,第一节 珠光体的组织特征,20,3.

7、2.1 珠光体形成的热力学条件 珠光体相变的驱动力同样来自于新旧两相的体积自由能之差，相变的热力学条件是“要在一定的过冷度下相变才能进行”。,珠光体（P）和奥氏体（）自由能随温度的变化曲线（示意图）,3.2 珠光体转变机制,第二节 珠光体转变机制,21,图3-6 自由能-成分曲线,在A1（T1）温度，、Fe3C 三相的自由能-成分曲线有一共切线。 在A1温度以下温度T2 ， 、Fe3C 三相间可作三条共切线，共析成分的奥氏体的自由能在三条共切线之上。,22,3.2.2 片状珠光体的形成机制 (0.77%C) a(0.02%C) + Cem(6.67%C) (面心立方) （体心立方） （复杂单斜

8、） 珠光体的形成过程，包含着两个过程，一个是碳的扩散，以生成高碳的渗碳体和低碳的铁素体；另一个是晶体点阵的重构，由面心立方的奥氏体转变为体心立方点阵的铁素体和复杂单斜点阵的渗碳体。,第二节 珠光体转变机制,23,某些研究认为，珠光体形成的领先相，可以随相变发生的温度和奥氏体成分的不同而异。过冷度小时渗碳体是领先相；过冷度大时铁素体是领先相；亚共析钢中铁素体是领先相；过共析钢中渗碳体是领先相，共析钢中渗碳体和铁素体作领先相的趋势是相同的。但一般认为渗碳体是领先相。,24,共析钢中珠光体形成时的领先相是渗碳体的原因：1）珠光体中的渗碳体与从奥氏体中析出的先共析渗碳体的晶体位向相同，而珠光体中的铁素

9、体与直接从奥氏体中析出的先共析铁素体的晶体位向不同；2）珠光体中的渗碳体与共析转变前产生的渗碳体在组织上常常是连续的，而珠光体中的铁素体与共析转变前产生的铁素体在组织上常常是不连续的；3）奥氏体中未溶解的渗碳体有促进珠光体形成的作用，而先共析铁素体的存在，对珠光体的形成则无明显的影响。,第二节 珠光体转变机制,25,（1）形核 条件：同样需要满足系统内的“结构起伏、成分起伏和能量起伏”。 部位：晶核多半产生在奥氏体的晶界上（晶界的交叉点更有利于珠光体晶核形成），或其它晶体缺陷（如位错）比较密集的区域。,第二节 珠光体转变机制,26,形状：片状形核。 首先在奥氏体晶界上形成一小片渗碳体，这就可以

10、看成是珠光体转变的晶核。 片状形核的原因是： 1、新相产生时引起的应变能较小； 2、片状伸展时获得碳原子的面积增大； 3、片状形核时碳原子的扩散距离相对缩短。,第二节 珠光体转变机制,27,（2）长大,由上述珠光体形成过程可知，珠光体形成时，纵向长大是渗碳体片和铁素体片同时连续向奥氏体中延伸；而横向长大是渗碳体片与铁素体片交替堆叠增多。,第二节 珠光体转变机制,28,（3）珠光体转变时碳的扩散规律,当珠光体刚刚出现时，在三相共存的情况下，过冷奥氏体的C浓度是不均匀的，C浓度分布情况可由Fe-Fe3C相图得到，如图所示，即与铁素体相接的奥氏体C浓度Cr-a较高，与渗碳体接触处的奥氏体的C浓度Cr

11、-cem较低。因此在奥氏体中就产生了C浓度差，从而引起了C的扩散，其扩散示意图如图所示 。,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。,29,（4）转变的分枝机制 珠光体中的渗碳体，有些以产生枝杈的形式长大。渗碳体形核后，在向前长大过程中，不断形成分枝，而铁素体则协调在渗碳体分枝之间不断地形成。这样就形成了渗碳体与铁素体机械混合的片状珠光体。这种珠光体形成的分枝机制可以解释珠光体转变中的一些反常现象。,第二节 珠光体转变机制,30,（5）离异共析（了解，自学） 正常的片状珠光体形成时，铁素体与渗碳体是交替配合长大的。在某些不正常情况下，片状珠光体形

12、成时，铁素体与渗碳体不一定交替配合长大，而出现一些特异的现象。可以是在部分形成粗大珠光体后，再在较低温度下于已形成的粗大珠光体的渗碳体上，从未转变的过冷奥氏体生出分枝渗碳体并向奥氏体中延伸，在分枝的端部长成层片间距较小的珠光体小球；或者在长出的渗碳体分枝两侧，没有铁素体配合成核，而成为一片渗碳体片。,第二节 珠光体转变机制,31,a)表示在奥氏体晶界上形成的渗碳体一侧长出一层铁素体，但此后却不再配合成核长大。 b)表示从晶界上形成的渗碳体中，长出一个分枝伸晶粒内部，但无铁素体与之配合成核，因此形成一条孤立的渗碳体片。 c)表示由晶界长出的渗碳体片，伸向晶粒内后形成了一个珠光体团。其中a)和b)

13、为离异共析组织。,第二节 珠光体转变机制,32,3.2.4 粒状珠光体形成机制1、粒状珠光体的形成 在一般情况下奥氏体向珠光体转变总是形成片状，但是在特定的奥氏体化和冷却条件下，也有可能形成粒状珠光体。所谓特定条件是：奥氏体化温度低，保温时间较短，即加热转变未充分进行，此时奥氏体中有许多未溶解的残留碳化物或许多微小的高浓度C的富集区，其次是转变为珠光体的等温温度要高，等温时间要足够长，或冷却速度极慢，这样可能使渗碳体成为颗粒（球）状，即获得粒状珠光体。,第二节 珠光体转变机制,33,粒状珠光体的形成与片状珠光体的形成情况基本相同，也是一个形核及长大过程，不过这时的晶核主要来源于非自发晶核。在共

14、析和过共析钢中，粒状珠光体的形成是以未溶解的渗碳体质点作为相变的晶核，它按球状的形式而长大，成为铁素体基体上均匀分布粒状渗碳体的粒状珠光体组织。,第二节 珠光体转变机制,34,2、渗碳体的球化机理 粒状珠光体中的粒状渗碳体，通常是通过渗碳体球状化获得的。根据胶态平衡理论，第二相颗粒的溶解度，与其曲率半径有关。靠近非球状渗碳体的尖角处（曲率半径小的部分）的固溶体具有较高的C浓度，而靠近平面处（曲率半径大的部分）的固溶体具有较低的C浓度，这就引起了C的扩散，因而打破了碳浓度的胶态平衡。结果导致尖角处的渗碳体溶解，而在平面处析出渗碳体（为了保持C浓度的平衡）。如此不断进行，最后形成了各处曲率半径相近

15、的球状渗碳体。,第二节 珠光体转变机制,35,第二节 珠光体转变机制,36,片状渗碳体的球化过程，是通过渗碳体的断裂、C的扩散进行的，其过程示意如下图。,第二节 珠光体转变机制,亚晶界引起： 渗碳体片内亚晶界的存在，会产生一界面张力，为保持界面张力平衡，在亚晶界处会出现沟槽。由于沟槽两侧曲率半径较小，此处渗碳体将溶解，而使曲率半径增大，破坏了界面张力的平衡，为恢复平衡，沟槽将进一步加深，直至渗碳体溶断。,37,片状珠光体转变为粒状珠光体的实物照片左图为部分球化；右图为全部球化,38,3.2.5 亚（过）共析钢的珠光体转变和组织形态 亚（过）共析钢中的珠光体转变情况，基本上与共析钢相似，但要考虑

16、先共析铁素体（或渗碳体）的析出。1、伪共析转变 非共析成分的奥氏体被过冷到伪共析区后，可以不析出先共析相，而直接分解为铁素体和渗碳体的机械混合物，其分解机制和分解产物的组织特征与珠光体转变的完全相同，但其中的铁素体和渗碳体的量则与珠光体的不同，随奥氏体的C%而变，C%增加，渗碳体量越多，这一转变被称为伪共析转变。转变产物被称为伪共析组织，一般仍称为珠光体。,39,2、亚共析钢中先共析铁素体的析出先共析铁素体的形态 先共析铁素体具有三种不同的形态，网状、块状（或称等轴状）和片状（有时也称针状），如下图所示，其中a)、b)、c)表示铁素体形成时与奥氏体无共格关系。a)、b)是块状铁素体，c)为网状铁素体。图中d)、e)、f)表示铁素体长大时与奥氏体有共格联系，形成的是片状铁素体。,