§8-4 共析转变

（2）珠光体的纵向长大：
α-γ相界面：
C γ −α > C 0
3
C原子向远离α-γ相界面扩散。 C原子向Fe3C-γ相界面扩散。 由α向Fe3C扩散。
Fe3C-γ相界面：Cγ − Fe C < C 0 α-Fe3C：
C γ −α > C γ − Fe3C
扩散的结果破坏了α/γ相界面和Fe3C/γ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 要向奥氏体中长大，实现珠光体的纵向长大。 ③ 珠光体的分枝长大： 在珠光体生长的后期，会出现分枝长大现象。
§8-4 共 析 转 变
一.概述
共析转变：一个固相同时转变为两个成分和结构均 不同于母相的新固相的转变。 Fe-C合金：
γ [w (C )= 0.77% ] → α [w (C )= 0.0218% ] + Fe 3C [w (C )= 6.69% ]
面心立方 体心立方 复杂单斜
成分改变 共析转变 点阵重构
先共析相及伪共析组织形成范围
六. 珠光体的组织特点和力学性能
片状珠光体 珠光体 粒状珠光体
片状珠光体×500
粒状珠光体×500
粒状珠光体的形成：
片状渗碳体的表面积大，界面能高，球化退火时，将会 自发球化。 与渗碳体尖角接壤处的铁素体碳浓度 Cα-k 大于与平面接 壤处的碳浓度，在铁素体内将引起碳原子扩散，结果界 面碳浓度平衡被打破，为维持碳浓度平衡，渗碳体尖角 处会溶解，而平面处会向外生长，最后形成各处曲率半 径相近的粒状渗碳体。 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。
当奥氏体化不充分时，也会以未溶颗粒状渗碳体作为形核核 心，直接形成球状珠光体。
片状渗碳体溶断机制
片状渗碳体在 A1 温度 以下球化过程示意图
形成温度(℃) 珠光体 P 索氏体 S 屈氏体 T Ar1 ~ 650 650 ~ 600 600 ~ 550
片层间距 (nm) 500 ~ 700 300 ~ 400 100 ~ 200
形成魏氏组织：
过共析钢魏氏组织 亚共析钢魏氏组织
(a)
(b)
亚共析钢(a)和过共析钢(b)的C曲线
伪共析转变：若亚共 析钢（过共析钢）以较快 速度冷却，在先共析铁素 体（渗碳体），来不及析 出的情况下，奥氏体冷却 至红三角形内的区域，将 直接转变为铁素体和渗碳 体的混合物，该转变为伪 共析转变。转变产物为伪 共析组织。也称为珠光体。
线长大速度：
1 u ∝ ΔG D S0 1 Q ΔG ∝ ΔT ∝ ΔT S0 ∴ u ∝ ΔT 2 D ∝ ΔT 2 exp(− Q ) RT
~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。
长大速度与转变温度的关系
共析转变动力学图
当N、G不随转变时间改变 时，Johnson-Mehl方程：
二. 共析转变的热力学分析
在A1 （T1 ）温度，γ、α、 Fe3C 三相的自由能-成分曲线 有一条公切线。 在A1温度以下温度T2 ， γ、 α、Fe3C 三相间可作三条公 切线，共析成分的奥氏体的自 由能在三条公切线之上。
自由能-成分曲线
三. 珠光体的形成机制
珠光体相变是一级相变、扩散型相变、有核相变。 1. 形核 从热力学上讲，铁素体与渗碳体都可能成为领先相。 共析与过共析钢中，渗碳体为领先相。 亚共析钢中，铁素体为领先相。 以共析碳钢为例：C原子在奥氏体晶界富集，形成Fe3C 的晶核，周围奥氏体产生贫碳区，在Fe3C两侧通过点阵 重构，形成两小片铁素体。同样，铁素体的形成也将产 生富碳区，这又促使渗碳体片的形核。如此协调地交替 形核生长，从而形成铁素体、渗碳体片相间的层片组织。
四. 共析转变动力学
ΔG * Q 形核率： N = C exp(− )低，过冷度增大，自由能 差增大，形核驱动力增加，故形 核率增大。 温度较低时：扩散起主导作 用，随温度降低，尽管过冷度增 大，但扩散困难，形核率下降。
~550℃
形核率与转变温度的关系
珠光体：共析转变的铁素体和渗碳体层片状组织。
S0
原奥氏体晶界
α
珠光体团
Fe3C
S0 =
8.02 ×103 nm ΔT
层片状珠光体示意图
片状珠光体
形成温度(℃) 珠光体 P 索氏体 S 屈氏体 T Ar1 ~ 650 650 ~ 600 600 ~ 550 片层间距 (nm) 大于400 200 ~ 400 小于200
硬度HRC 5-27 27-38 38-43
片间距减小，强度和硬度升高； 粒状珠光体的综合机械性能优于片状珠光体。 魏氏组织的强度、塑性、韧性恶化。
符合Hall-Petch 关系：σs = σ0 + kdf-1/2
Thanks
A晶界 贫碳区
A晶界
富碳区
Fe3C F
Fe3C
珠光体团中，α和Fe3C之间存在位向关系：
⎡(001)Fe3 C // (2 1 1 )α ⎤ ⎢ ⎥ ⎢[100]Fe3C // 01 1 α ⎥ ⎢ [010]Fe3C //[111]α ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦
[ ]
⎡(001)Fe3 C // (52 1 )α ⎤ ⎢ ⎥ o ⎢[100]Fe3C 与 13 1 α 相差2.6 ⎥ ⎢ ⎥ o ⎢[010]Fe3C 与[113]α 相差2.6 ⎥ ⎣ ⎦
（2）形成温度较低时，铁原子不易作长距离扩散，使非共格 晶界不易迁移，这时主要依靠共格界面迁移。 铁素体晶核通过共格界面向与其有位向关系的奥氏体晶粒内 长大，为减小应变能，铁素体呈片状沿奥氏体某一晶面向晶粒内 生长，该惯习面为 {111}γ。所以片状铁素体常常呈现为彼此平 行，或互成60°、90°角。
25μ
25μ
亚共析钢的显微组织
过共析钢的显微组织
先共析相在奥氏体晶界形核，长大后成等轴状；在一定条 件下，铁素体（渗碳体）呈网状、块状、针状。
先共析相在奥氏体晶界上形核，一侧为共格，另一侧为非共格。 （1）形成温度较高时，非共格晶界易迁移，向奥氏体晶粒一侧长 成球冠状。 奥氏体含碳量较高，铁素体易长成网状。 奥氏体含碳量较低，铁素体长入奥氏体呈块状分布。
⎛ π 3 4⎞ f (τ ) = 1 − exp⎜ − μ Iτ ⎟ ⎝ 3 ⎠
当N随转变时间改变时， Avrami方程：
f = 1 − exp − Bτ
(
n
)
共析转变动力学图
五. 先共析转变及伪共析转变
亚共析钢（过共析钢）在A3（Acm）线以下先形成 铁素体（渗碳体），再形成珠光体的平衡转变称为先 共析转变。
[ ]
2. 长大 （1）珠光体的横向生长： Fe3C的横向生长使周围奥氏体产生贫碳区，当碳浓 度下降到Cα-C时，在Fe3C两侧通过点阵重构，形成两 小片铁素体。同样，铁素体的横向生长也将产生富碳 区，这又促使渗碳体片的形核生长。如此协调地交替 形核生长，从而形成铁素体、渗碳体片相间的层片组 织。 铁素体片由于其两侧渗碳体片的形成而停止横向增 厚，渗碳体片的横向生长亦然，故珠光体的横向生长 很快就停止。