钢的热处理——钢的珠光体转变

电镜形态
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: ①珠光体: 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。 ②索氏体: 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。 ③屈氏体: 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。
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。
铁素体和片状珠光体混合组织及其性能 （1）亚共析钢在退火和正火工艺下的室温组织为F+P （2）随含碳量增加，铁素体量减少，珠光体量增多。 （3）随冷却速度的增加，先析出铁素体量减少，珠 光体量增多，珠光体的含碳量下降。

三、片状珠光体的形成过程
一、片状珠光体形成过程
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。 1、 形核 （a）形核位置：Fe3C形核于奥氏体晶界或奥氏 体晶内未溶Fe3C粒子。珠光体优先在奥氏体晶界上 或其他晶体缺陷处形核。？ （b）晶核的形状：薄片。因表面积大，易接受 扩散来的原子，且应变能小。
第二节
珠光体形成机制
6.2.1珠光体形成的热力学特点 珠光体相变的驱动力：新旧两相的体积自由焓之差。 由于珠光体转变温度较高，Fe和C原子都能扩散较大 距离，珠光体又是在位错等微观缺陷较多的晶界成核，相 变需要的自由能较小，所以在较小的过冷度下就可以发生 相变。
图6-12为铁碳合金的、和Fe3C三个相在T1、T2温度 的自由焓-成分曲线示意图。 （1）T1温度三个相的自由焓-成分曲线有一条公切线， 此时和Fe3C两个相的混合物珠光体的自由焓与共析成分 的奥氏体相同，二者的自由焓之差为零，因此相变驱动力 为零。所以，在T1温度三相处于平衡状态，共析成分的奥 氏体不能转变为珠光体。
（3）此时相内的碳含量不均匀，存在碳浓度梯度， 即与Fe3C界面处碳浓度低，与相界面处碳浓度高，碳 将从高碳区向低碳区扩散，使相的上述转变得以持续进 行，最终完全转变为自由焓最低的a成分的相与Fe3C的 两相混合物—珠光体。
6.2.2 珠光体形成机制
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：
第六章 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 珠光体转变动力学和影响因素 珠光体的力学性能、影响力学性能的因 素
6.1 珠光体的组织特征
珠光体类转变是过冷奥氏 体在临界温度A1以下比较高的 温度范围内进行的转变，将分 解为铁素体与渗碳体的混合物， 称为珠光体转变，又称高温转 变。产物为珠光体。 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。
（2） T2温度时，三个相的自由焓曲线如图6-12b所示， 可作出三条公切线，它们分别代表三组混合相的自由焓： d成分的相与Fe3C，c成分的相与a成分的相；a′成分的 相与Fe3C。由于共析成分的相的自由焓在三条公切线之 上，因此共析成分的相将首先同时转变为d成分的相与 Fe3C以及c成分的相与a成分的相。
片状珠光体的机械性能取决于 (1)层片间距S0； (2)珠光体团尺寸； (3)F亚结构。


1.珠光体层片间距S0
S0减小，相界面增多，相界面阻碍位错运动 的能力增加，变形抗力提高，强度提高；另外S0 减小，Fe3C变薄，易弯曲和滑移使塑性提高。


2.珠光体团尺寸
珠光体团尺寸与珠光体形成温度和原奥氏体 晶粒尺寸有关，珠光体形成温度低和奥氏体晶粒 尺寸细小导致珠光体团尺寸小，单位体积内片层 排列方向增多，应力集中可能性降低，导致强度 和塑性提高；反之强度和塑性降低。
影响珠光体片间距的因素
8.02104 S0 T
1. 过冷度的影响 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。 S0大小变化的原因：(1)珠光体形成在一个温度范围 内进行，先冷却得到的珠光体由于形成温度高，C 原子扩散速度快，扩散距离长，珠光体片层间距 S0大。(2)随着温度降低，后冷却得到的珠光体由 于ΔT增大，ΔG增大，形核率I增加并且C原子扩散 速度和距离变小，使S0变小。
① 珠光体（P）: 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。5～25HRC。
光镜形貌
电镜形貌
珠光体形貌像
②索氏体(S): 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，25～36HRC。

片状珠光体晶粒尺寸大小可以用片间距大小来表 示，相邻两片Fe3C(或F)的平均距离S0称珠光体的 片层间距。 珠光体片层间距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。一个原 奥氏体晶粒内可以形成几个珠光体晶粒。
S0 原A晶界
α

Fe3C
图3-1 图3-2
P团
片状珠光体
金相形态
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。
性能：魏氏组织以及经常与之伴生的粗晶组织会严重 恶化钢的性能，使钢的强度、塑性和冲击韧性显著降低， 使钢的冷脆转变温度升高，容易发生脆性断裂。 解决方法：对易于出现魏氏组织的钢材可以通过控制 轧制、降低终锻温度、控制锻（轧）后的冷却速度或者改 进热处理工艺，如采用细化晶粒的正火、退火、调质等工 艺来防止或消除魏氏组织。




2. 含碳量的影响 过共析钢S0<亚共析钢S0 亚共析钢：C%↓，S0 ↑ 3. 合金元素的影响 Co、Cr显著减小S0 Ni、Mn、Mo使S0 增大。
片状珠光体的晶体学

铁素体与母相奥氏体保持K-S关系：

渗碳体与奥氏体之间保持Pitsch关系：
片状珠光体的性能特点



光镜形貌
电镜形貌
索氏体形貌像
③屈氏体（T）: 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,35～40HRC。
电镜形貌 屈氏体形貌像
光镜形貌
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。

(2)远离珠光体晶核的奥氏体，其含碳量Cγ 为共析成分的含碳量，因为有Cr-Fe3C ≤Cγ≤ Cr-a，所以，远离珠光体晶核的奥氏体中的 C原子向与Fe3C相接的奥氏体扩散使其形成 珠光体的Fe3C；而与F相接的奥氏体中的C 原子向远离珠光体晶核方向扩散使其形成 珠光体的F。




(3)在已形成的珠光体中，与奥氏体相接的 铁素体中的C原子向与Fe3C相接铁素体中扩 散。 (4)珠光体晶核一端与母相奥氏体保持不可 动的共格晶面，形成一定的晶体学位向关 系，另一端(可动)长入奥氏体晶内，完成纵 向长大。 (5)为了减少应变能，珠光体呈片状，C原子 扩散路程短，有利于扩散。 (6)Fe原子自扩散完成晶格改组。


横向长大：奥氏体晶核内形成一片Fe3C，立刻就 有两边F相连，搭桥机制。 珠光体分枝长大：(反常长大) 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，但在某些情况下，铁素体与渗碳 体不是交替配合长大的。
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。 特定的热处理条件是： (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）

3.铁素体亚结构


铁素体亚结构为位错，亚结构尺寸越细， 位错的量越多，受Fe3C阻碍变形抗力越高， 强度越高。 4.片状珠光体与粒状珠光体性能比较 同一成分钢，P粒相界面比P片少，强度低； 塑性好是因为F呈连续分布，Fe3C颗粒分布 在F基体上，对位错阻碍作用小。因此P粒表 现出(1)切削加工性能好；(2)冷塑性变形性 能好；(3)加热时变形或开裂倾向小。
A → F + Fe3C
共析成分的奥氏体，在临界点以下发生如下转变：
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。
（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。 因为珠光体中F与F先位向相同，Fe3C与 Fe3CIII位向相同，一般认为亚共析钢中 F为领先相，过共析钢中Fe3C为领先相； 共析钢中领先相可以是F，也可以是 Fe3C，一般认为领先相是渗碳体。 一般认为亚共析钢以F为领先相， 共析钢和过共析钢以Fe3C为领先相。
C的扩散




Cr-a—与铁素体相接的 奥氏体C%； Cr-Fe3C—与Fe3C相接的 奥氏体C%； Ca-r—与奥氏体相接的 铁素体C%； Ca-Fe3C—与Fe3C相接的 铁素体C%。

(1)由于过冷奥氏体中存在C浓度不均匀，导 致C原子扩散，C原子扩散破坏该温度下的C 浓度平衡，为了恢复平衡，与铁素体相接 的奥氏体形成铁素体排出C使碳浓度升高到 Cr-a ，与Fe3C相接的奥氏体形成Fe3C使碳浓 度降低到Cr-Fe3C ，其结果导致C原子扩散再 次发生。如此反复，珠光体晶核纵向长入 奥氏体晶内。
（4）塑性则随珠光体量的增多而下降，随铁素体晶 粒直径的减小而升高。 （5）亚共析钢的冲击韧性随珠光体量的增多而减小， 而冷脆转变温度则随珠光体量的增多而升高，见图6-10。
珠光体量与钢中含碳量、合金元素和冷却速度有关。 合金元素通过改变共析点成分(见图4-6)而影响珠光体中的 含碳量。由于合金元素能降低共析点的含碳量，所以，在 相同含碳量情况下，合金钢的珠光体含量比碳素钢要多。 冷却速度越快，产生的伪共析组织越多，珠光体量也会增 多。 魏氏组织及其性能 （1） 魏氏组织：工业上将先共析片状铁素体和先共 析针(片)状渗碳体称为。 （2）魏氏组织分类：铁素体魏氏组织，渗碳体魏氏 组织。 （3）魏氏组织性能：