第3章 珠光體轉(zhuǎn)變

第三章珠光體轉(zhuǎn)變主要內(nèi)容：珠光體組織特征，轉(zhuǎn)變機制動力學(xué)及影響因素珠光體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的機械性能等了解珠光體轉(zhuǎn)變熱力學(xué)、形核、長大機理等重點內(nèi)容：珠光體轉(zhuǎn)變過程、動力學(xué)特征前言鋼中的珠光體轉(zhuǎn)變：austenitepearliteAP(F+Fe3C,ferrite+cementite)最具代表性的共析轉(zhuǎn)變典型的平衡相變，產(chǎn)物符合狀態(tài)圖的平衡組織。退火：將組織偏離平衡狀態(tài)的金屬或合金加熱到適當(dāng)?shù)臏囟龋匾欢〞r間，然后緩慢冷卻以達(dá)到接近平衡狀態(tài)P組織的熱處理工藝。研究意義：獲得或避免P轉(zhuǎn)變正火：將鋼加熱到Ac3或Accm以上適當(dāng)溫度，保溫適當(dāng)時間后在空氣中冷卻，得到珠光體類組織的熱處理工藝。退火和正火的產(chǎn)物：珠光體3.1珠光體的組織特征珠光體：共析碳鋼奧氏體化后緩慢冷卻，奧氏體將分解為鐵素體和滲碳體層片相間的混合物。典型組織：珠光體呈片狀或?qū)訝?，一個奧氏體晶粒內(nèi)可以形成幾個片層方向大致相同的區(qū)域——珠光體團。珠光體片層間距：S0，取決于？隨轉(zhuǎn)變溫度降低，珠光體層片間距將減小，依次分為：片狀珠光體S0=150~450nm；索氏體S0=80~150nm；托氏體S0=30~80nm。珠光體的片層間距取決于形成溫度，過冷度越大，片層間距就越小，為什么？

S0=8.02103/?TS0減小，界面能升高；但相變驅(qū)動力增大T8鋼退火索氏體(S)：鐵素體與片狀滲碳體的混合物，其片層比珠光體更細(xì)密，在高倍顯微鏡下才能分辨出片層。T8鋼正火：索氏體托氏體：也是鐵素體與片狀滲碳體的機械混合物，其片層比索氏體更細(xì)密，在一般光學(xué)顯微鏡下無法分辨，只能看到黑色組織。（灰白色塊狀、針狀為淬火馬氏體）T8鋼快冷正火：托氏體分析：過冷奧氏體在連續(xù)冷卻過程中的珠光體粗細(xì)？A晶粒大小對P的片層無明顯的影響，但影響P團大小，所以晶粒細(xì)化隨P片層間距減小、或者碳含量降低，滲碳體片變薄。粒狀珠光體：在鐵素體基體上分布著粒狀滲碳體組織。形成條件：1、加熱轉(zhuǎn)變不充分，尚存未溶碳化物顆粒。2、片狀珠光體的低溫球化退火。3、馬氏體、貝氏體組織在A1稍下高溫回火所得到。第二節(jié)珠光體轉(zhuǎn)變機制熱力學(xué)條件片狀P的晶體學(xué)1、珠光體轉(zhuǎn)變的領(lǐng)先相：隨相變溫度和A成分不同而異一般認(rèn)為是滲碳體。因為:(1)

珠光體中滲碳體與從奧氏體中析出的先共析滲碳體的晶體學(xué)位向相同；（2）珠光體中滲碳體與共析轉(zhuǎn)變前產(chǎn)生的滲碳體在組織上是連續(xù)的；（3）奧氏體中未溶解的滲碳體有促進珠光體形成的作用；2、珠光體的形成過程轉(zhuǎn)變特點：轉(zhuǎn)變溫度較高，F(xiàn)e、C原子能長距離擴散，晶界、晶體缺陷處形核功小，在較小過冷度下就可轉(zhuǎn)變。形核位置：晶界、晶體缺陷比較密集的區(qū)域。轉(zhuǎn)變過程：鐵、碳原子的擴散、點陣重構(gòu)，即相組成：→

+Fe3C

碳含量：0.77%0.02%6.69%點陣結(jié)構(gòu)：面心立方體心立方復(fù)雜斜方結(jié)論：珠光體的形成過程包含著兩個同時進行的過程：

1、通過碳原子的擴散形成低碳鐵素體和高碳滲碳體；

2、晶體點陣重構(gòu)。1.以共析鋼為例，片狀珠光體的形成過程：

形核位置：A晶界上、晶體缺陷處、A中未溶滲碳體處以滲碳體為領(lǐng)先相1）均勻A冷卻到臨界點以下，先在A晶界上形成一小片與母相共格、呈片狀的滲碳體晶核；滲碳體晶核不僅縱向長大，也橫向長大2.珠光體的橫向長大：片狀滲碳體晶核吸收兩側(cè)碳原子，使A碳濃度降低到足以形成F時，在滲碳體的兩側(cè)形成F片；新生成的F片伴隨滲碳體片縱向長大時，也橫向長大；循環(huán)下去，就形成了滲碳體片和F片相間的片狀P。3）同時，在晶界其他部位、在長大著的P和A的相界上也可產(chǎn)生新的滲碳體晶核；4）各種不同取向的P不斷長大，同時可有新晶核產(chǎn)生；5）各個P群相遇，奧氏體向P轉(zhuǎn)變結(jié)束。結(jié)論：P橫向長大是滲碳體片與F片交替增多，P縱向長大是滲碳體片與F片同時連續(xù)的向A中延伸。隨著P形成溫度降低，滲碳體片和F片逐漸變薄變短，由片狀P逐漸變?yōu)樗魇象w、屈氏體。珠光體的縱向長大：（a）珠光體剛形成、三相共存時，A中的碳濃度是不均勻的，引起界面附近A中碳的擴散，破壞了界面碳濃度的平衡；為了維持平衡，珠光體縱向長大；(b)奧氏體中的碳濃度差引起碳的遠(yuǎn)程擴散；（c）鐵素體中的碳濃度差引起碳的擴散。以上為片狀P的形成機制：橫向+縱向2.粒狀珠光體的形成過程將片狀P加熱到略高于A1溫度保溫，將使片狀珠光體球化，得到在A基體上分布著顆粒狀滲碳體的組織。這種使片狀滲碳體球狀化，獲得球狀P的熱處理過程稱為球化退火。緩慢冷卻到A1點以下時，A轉(zhuǎn)變?yōu)榱頟。片狀滲碳體球化過程：

1、將片狀珠光體加熱到略高于A1溫度，得A加未完全溶解的滲碳體第二相顆粒在其基體中的溶解度和其曲率半徑有關(guān)，使?jié)B碳體界面處的A中存在碳濃度差C原子的擴散得到A基體上分布著粒狀滲碳體緩冷后得到粒狀珠光體AAAA2、將片狀珠光體加熱到略低于A1溫度，得到F加片狀滲碳體（位錯的存在使其與基體相接觸處形成凹坑）。凹坑使?jié)B碳體界面處的F中存在碳濃度差，引起C原子球化過程：滲碳體的尖角處溶解、平面處析出3.亞（過）共析鋼的珠光體轉(zhuǎn)變1.偽共析轉(zhuǎn)變：條件：冷卻速度較快成分：非共析成分產(chǎn)物：偽共析組織2.亞共析鋼先共析相的析出：析出量決定于奧氏體碳含量、析出溫度或冷卻速度。是形核、長大過程，受碳在A中的擴散控制。等軸狀、網(wǎng)狀F由非共格界面推移長大片狀F由F晶核的共格界面推移長大亞共析鋼中先共析鐵素體的形態(tài)如圖3.過共析鋼先共析相的析出：先共析滲碳體的形態(tài)：網(wǎng)狀或針狀，使鋼的脆性增大。避免方法：退火加熱溫度必須在Acm點以下。形成條件：加熱溫度高、A晶粒粗大、成份均勻、冷卻緩慢，易形成網(wǎng)狀。消除辦法：加熱到Acm點以上，使?jié)B碳體全部溶于奧氏體，然后快速冷卻使其發(fā)生偽共析轉(zhuǎn)變，然后再進行球化退火。魏氏組織：片（針）狀鐵素體或滲碳體加珠光體的組織。3.3.2魏氏組織組織形態(tài)：針狀先共析相+珠光體形成條件：含碳量和過冷度適當(dāng)性能特點：粗晶魏氏組織降低鋼的強度、塑性和韌性等20鋼退火45鋼退火65鋼退火T12鋼退火3.4珠光體轉(zhuǎn)變動力學(xué)

轉(zhuǎn)變速度：取決于形核率和長大速度分析分析1、珠光體的形核率和長大速度I和G都隨T的降低而先增大后減小，極大值在550C左右。過冷度增大：相變驅(qū)動力增大，I,G增大P片間距減小，G增大T降低，I,G減小動力學(xué)特點：珠光體轉(zhuǎn)變有孕育期550°C等溫時的孕育期最短轉(zhuǎn)變開始和結(jié)束時轉(zhuǎn)變速度較小，中段時間轉(zhuǎn)變加快，轉(zhuǎn)變量50%時轉(zhuǎn)變速度最大。2、珠光體轉(zhuǎn)變動力學(xué)圖3、先共析相的長大動力學(xué)亞共析鋼中，先共析鐵素體的轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線也呈“C”曲線，在珠光體轉(zhuǎn)變曲線的左上方，隨碳含量增加而移向右下方。過共析鋼中，先共析滲碳體的轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線在珠光體轉(zhuǎn)變曲線的左上方，隨碳含量增加而逐漸向左上方移動。4、影響珠光體轉(zhuǎn)變動力學(xué)的因素即：影響形核率和長大速度的因素內(nèi)因：化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu);

外因：加熱溫度、保溫時間1.化學(xué)成分的影響（1）碳含量的影響：亞共析鋼：隨含C量增加，先共析F速度減慢，使P轉(zhuǎn)變速度減小。

原因:隨含C量增加，F(xiàn)形核率減少，F(xiàn)長大時所需擴散離去的C量增大。過共析鋼:隨含C量的增高，滲碳體形核率越大，碳在A中的擴散系數(shù)增大，P轉(zhuǎn)變速度增大。過共析鋼不完全奧氏體化更易發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變。奧氏體成分的不均勻性和過剩相均加速珠光體轉(zhuǎn)變。(2)合金元素的影響：除了Co以外，其它所有的合金元素都使“C”曲線右移；除了Ni、Mn以外，其它常用合金元素皆使珠光體轉(zhuǎn)變的“鼻尖”溫度上移。原因：合金元素的自擴散、對碳擴散的影響，對相變臨界點的影響。2、加熱溫度和保溫時間的影響加熱溫度低、保溫時間短，將加速珠光體的轉(zhuǎn)變。原因：A成分不均勻、或有未溶滲碳體，有利于形核3、奧氏體晶粒度的影響A的晶粒越細(xì)小，P的形核部位越多，越促進P轉(zhuǎn)變。細(xì)小的A晶粒也將促進先共析相的析出。4、應(yīng)力和塑性變形的影響對奧氏體氏加拉應(yīng)力，將加速珠光體的轉(zhuǎn)變對奧氏體氏加壓應(yīng)力，將減慢珠光體的轉(zhuǎn)變3.5

珠光體的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能：受外力作用時反映出來的性能。主要有：強度、硬度、塑性、韌性、彈性強度：材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力?？煞譃椋嚎估瓘姸?、抗壓強度、屈服強度、抗彎強度、抗剪強度等。塑性：材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。硬度：材料抵抗更硬物體壓入其內(nèi)的能力，硬度高耐磨性高。常用的硬度指標(biāo)：布氏硬度、洛氏硬度、維氏（顯微）硬度。韌性：材料抵抗沖擊載荷的能力。彈性：伸長與載荷成正比，去除外力恢復(fù)原狀的能力。材料的各種力學(xué)性能有一定的聯(lián)系，且與內(nèi)部組織有關(guān)。一、珠光體的力學(xué)性能珠光體的力學(xué)性能：主要取決于鋼的化學(xué)成分和熱處理后所獲得的組織形態(tài)，如珠光體的片層間距、珠光體團大小、原始奧氏體晶粒大小等有關(guān)；珠光體的片層間距：取決于形成溫度珠光體團直徑大小：取決于形成溫度，奧氏體晶粒

結(jié)論：共析鋼珠光體的力學(xué)性能主要取決于奧氏體化的溫度和珠光體的形成溫度。隨著珠光體的片層間距以及珠光體團直徑的減小，珠光體的強度、硬度、塑性均提高。表3-3不同組織的硬度鋼在連續(xù)冷卻時形成的珠光體：片間距不等，性能不勻。粒狀珠光體的強度、硬度較低，塑性較高；切削性好，冷擠壓成型性好，加熱淬火時的變形開裂傾向性小。原因：粒狀珠光體中鐵素體和滲碳體的相界面較片狀珠光體的少，所以強度和硬度較低；滲碳體呈粒狀分布在連續(xù)的鐵素體基體上，對位錯的阻礙作用小，使塑性提高。用途：中低碳鋼的冷擠壓成形、高碳鋼的機械加工和熱處理前。碳化物顆粒越細(xì)小，分布越均勻，則硬度和強度越高，韌性越好。對于亞共析鋼，隨冷卻速度增大、或隨鋼中碳含量增高，則先共析鐵素體量減少，珠光體的量增多。鐵素體+珠光體的性能取決于：鐵素體及珠光體的相對量、鐵素體晶粒大小、珠光體片層間距及鐵素體化學(xué)成分等。二、鐵素體加珠光體的力學(xué)性能屈服強度：主要取決于鐵素體晶粒尺寸、珠光體量塑性：隨珠光體量的增多而降低，隨鐵素體晶粒的細(xì)化而升高韌性：隨含碳量的增加而降低韌脆轉(zhuǎn)折溫度：隨P量的增加而升高三、形變珠光體的力學(xué)性能索氏體：塑性變形可提高強韌性原因：S片間距小，滲碳體片較薄，可彈性彎曲和