热处理原理及工艺5-6-2014

3.特殊形态的珠光体
当钢中加入合金元素时，碳化物形成元素的原子M可能取代 渗碳体中部分铁原子，形成(Fe，M)3C合金渗碳体，也可能 形成MC、M2C、M7C3、M23C6等合金碳化物。 P的组织形态仍然主要是片状珠光体和粒状珠光体两种。但同 时有一些特殊形态的P，如碳化物呈针状或纤维状的P。
•针状珠光体 当钢中含有一定数量的 Cr，在转变温度较低时， 可形成针状珠光体，其组 织外形呈黑色针状，整体 呈冰花状。

3、片状渗碳体的球化过程
渗碳体片中有位错存在， 并可形成亚晶界而引起渗碳 体断裂。 在 片状渗碳体亚晶界处 存

与坑壁接触的固溶体（F或A）具有 较高的C浓度，将引起C在固溶体中 的扩散，并以渗碳体的形式在附近 平面渗碳体上析出

在表面张力，使该处易形成
凹坑 。在 凹坑两侧的渗碳体 与平面部分的渗碳体相比， 具有 较小的曲率半径 ，导致 溶解度较大。
但是在电子显微镜下观察各类片状P 相似，只是片间距离 不同而已 600以下a

珠光体形貌

光镜下形貌

电镜下形貌

索 氏 体 形 貌

光镜形貌

电镜形貌

托 氏 体 形 貌

光镜形貌

电镜形貌

P

S

T

2、粒状(球状)珠光体
 颗粒状Cm均匀地分布在铁素体基体上的组织，  F与Cm的机械混合物，F呈连续分布。  按渗碳颗粒的大小，粒状 P 可以分为粗粒状 P 、粒状 P 、 细粒状P和点状P。

能使渗碳体成为颗粒（球）状，即获得粒状珠光体。

形成特点 粒P形成特点：
粒状P的形成 也是形核及长大过程
晶核主要来源于非自发晶核。 在共析和过共析钢中，粒状P的形成是以 未溶解的Cm点

作为相变的晶核，它按球状的形式而长大，成为F 基体上

均匀分布粒状Cm的 粒状P组织。

2、渗碳体的球化机理
粒状渗碳体，通过加热过程中片状渗碳体球状化获得。 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: 渗碳体的尖角处曲率半径小,溶解度高→附近的固溶体具有 较高的 C 浓度 ，而靠近 平面处 （曲率半径大）的固溶体具 有较低的C浓度→引起了C的扩散，因而打破了碳浓度的胶 态平衡 →结果又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的球状渗碳体。

（2）珠光体的片间距离S0
在片状P中，一片铁素体和一片渗碳体的总厚度 ，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： ΔT……过冷度（K） 形成温度越低，S0越小。

8.02 104  S0  ( A) T

 S0的大小取决于珠光体形成温度的原因，可以用碳原子扩 散与温度的关系 、 界面能与奥氏体与珠光体间的自由能之差 来解释。  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。  珠光体形成时，由于新的铁素体和渗碳体的相界面的形 成将使系统的界面能增加，片间距离越小，相界面面积越 大，界面能越高。增加的界面能由奥氏体与珠光体的自由 能之差来提供，过冷度越大，奥氏体与珠光体的自由能差 别越大，能够提供的能量越多，能够增加的界面面积越大， 故片间距离就能减小。 G  VGv  S  VGs

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。 过程：

片状P转变为粒状P的金相照片
左图为部分球化；右图为全部球化



其它球化机理 调质形成球状珠光体 碳化物自M中析出经聚集、长

大而成


影响球化的因素：


塑性变形会增加F和渗碳体中的位错和亚晶界数量， 可促进渗碳体球化。

 碳化物形态:网状碳化物一般也会断裂和球化，但球

§4-2 珠光体形成机制 一、珠光体形成的热力学条件
P 相变的驱动力来自于

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”。

二、片状珠光体的形成机制
1、珠光体相变的领先相 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。

化不完全，故一般球化前需正火处理。

§4－3 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，但要考虑先共析铁素体（或渗碳体）的析出。 一、伪共析转变

冷却速度较大时，非共
析成分的奥氏体被过冷到 伪共析区后，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，
度，从而引起碳的扩散，为了保持 相界面C%平衡，即恢复界面奥氏体 的C的高浓度，必须从奥氏体中继 续析出低C的铁素体，从而使铁素

体晶核不断长大。

3、先共析铁素体的长大方式
 当 转变温度较高 时： Fe 原子活动能力较强， 非共格界面 迁移比较容易，故铁素体向无位向关系一侧的奥氏体晶粒长 大成球冠状. •当奥氏体的C%较高时，铁素体将连成网状， •当奥氏体的C%较低时，铁素体将形成块状。 •如果奥氏体晶粒较大，冷速较快，先共析铁素体也可能 沿奥氏体晶界呈网状析出。

•纤维状珠光体
纤维状碳化物与铁素体的聚合体 纤维的直径约为20~50nm，而且在碳的质量分数为 0.2%时，就可以使钢具有“全共析”组织。因此，这种组 织具有很好的力学性能，
例如，含wC为0.2%和wMo为 4%的钢，在600~650℃转变后 其屈服强度可达770Mpa。

以纤维状形态存在的特 殊碳化物可以是Mo2C、

在一个P团中的F与Cm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P团的长大。

2、珠光体的亚结构（F中）
 退火状态下的片P中，F内具有 位错亚结构，位错密度约为

107~108/cm2，在一片F中存在有亚晶界，构成许多亚晶粒。
 淬火回火的粒状P中F基体具有多边化亚结构。  通过退火得到的粒状P中的F，由于在退火时发生了再结晶， 位错密度较低，因此不出现亚晶粒。  珠光体中渗碳体的亚结构 认识还不清楚，从珠光体中萃取 出来的渗碳体 观察到了位错 ，同时也看到了由均匀 刃型位错 组成的小角度晶界。

•过冷度小时Cm是领先相；过冷度大时F是领先相。
•在亚共析钢中F是领先相，在过共析钢中Cm是领先相，

而在共析钢中Cm和F作领先相的趋势相同。但一般认为
共析钢中P形成时的领先相是Cm.

2、珠光体的形成机理
γ(0.77%C)
(面心立方)

→ α(~0.02%C) + Cem(6.67%C)
（体心立方） （复杂单斜）

(A,F,Cm)共存，过冷A的C浓
度不均匀. C浓度分布情况:与铁素体相 接的奥氏体 C浓度Cγ-α 较高 ， 与渗碳体接触处的奥氏体的

γ

C浓度Cγ-cem较低。
在 奥氏体 中产生了 C 浓度差， 引起了C的扩散

4、珠光体转变的分枝机制
•P 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

P 形成包含着两个过程，碳的扩散 + 晶体点阵重构。
（1）形核 条件：需要满足系统内的“结构起伏、成分起伏和能量起 伏”。 部位：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。

形状：片状形核

首先在 A 晶界上形成一小片 Cm ，这就可以看成是 P 转

（3）片状珠光体的分类
根据片间距离的大小，通常把珠光体分为:  普通P: S0=150~450 nm，光学显微镜下能清晰分辨出片层

结构；Ar1-650℃
 索氏体S: S0=80~150 nm，光学显微镜下很难分辨出片层结 构；650-600℃

 屈氏体T: S0=30~80 nm，光学显微镜下无法分辨片层结构。



当 转变温度较低 时： Fe 原子扩散困难 ，非共格界面不易迁 移，而 共格界面迁移则成为主要 的，铁素体将通过共格界 面 向与其有位向关系的奥氏体晶粒内长大 。为了减小弹性 畸变能，铁素体将 呈条片状沿奥氏体某一晶面向晶粒内伸 展，此晶面为{111}α 面。
如果奥氏体成分均匀，晶粒粗大，冷却速度又比较适中， 先共析铁素体有可能呈片状（为平行分布的针状或锯齿状） 析出-- 魏氏组织铁素体

三、粒状珠光体形成机制
1、粒状珠光体的形成 在特定的奥氏体化和冷却条件下，可形成粒状珠光体 特定条件： 特定条件：

（ a ）奥氏体化温度低 (Ac1+10～20℃) ，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 （ b ） 转变为珠光体的等温温度要高，等温时间要足够长 (Ar1-20～30℃)，或冷却速度极慢（ 10～ 20℃/h），这样可

2、先共析铁素体的形成
析出量与碳含量和冷却速度有关。wc高，冷速越大，少
形核、长大过程。 晶核大都在奥氏体晶界上形成。晶核与一侧的奥氏体晶粒 存在K-S关系，两者之间为共格界面，但与另一侧的奥氏体 晶粒则无位向关系，两者之间是非共格界面。

亚共析钢成份

晶核形成后，与F接壤的A的C%

Cγ -α 将增加，在A内形成C的浓度梯
GSE’:先共析F析出区 ESG’：先共析Fe3C析出区 G’SE’：伪共析转变区

G’

伪共析组织。
先共析与伪共析组织形成范围

二、亚共析钢中先共析铁素体的析出
Ⅰ Ⅱ

G ’

GSE’:先共析F析出区 ESG’：先共析Fe3C析出区 G’SE’：伪共析转变区

先共析与伪共Leabharlann Baidu组织形成范围

1、先共析铁素体的形态 先共析铁素体具有三种形态，网状、块状 和片状（针状）。

W2C、VC、Cr7C3和TiC。

0.2％C-4%Mo钢在650℃保温2h后的组织

二、珠光体的晶体结构
1、珠光体相变的位向关系
通常P 均在奥氏体晶界上形核，然后向一侧的A晶粒内长大成
珠光体团，P团中的F及Cm与被长入的A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A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。

典型的扩散型相变。

§4－1 珠光体的组织形态与晶体结构 一、珠光体的组织形态
根据Cm的形态不同，珠光体分为片状P、粒状P和针状P

1、片状珠光体
渗碳体呈片状，是由一层F和一层Cm层紧密堆叠而成。

（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。
形成分枝，而铁素体则协调在 渗碳体分枝之间不断地形成。 •珠光体转变中的反常现象。 可能是前沿A中位错塞积引起

5、离异共析
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，出现一些特异的现象。 a) 在A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) 从晶界上形成的渗碳体中，长出一个分枝伸向晶粒内部， 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) 由晶界长出的渗碳体片，伸向晶粒内后形成了一个P团。
热处理原理及工艺
( 5-6 )

钢的过冷奥氏体转变图

第四章 珠光体转变
 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 A1~500℃温度之间发生，又称 高温转变 。

A（0.77%C） → F(0.0218%C) + Fe3C(6.69%C)


珠光体 Pearlite （符号：P） F＋Fe3C 机械混合物
为了保持亚稳定平衡，凹坑两侧 的渗碳体尖角将逐渐被溶解，而 使曲率半径增大。

•曲率半径增大又破坏了此处相界面表 面张力(γcem-a-γcem-cem) 的平衡 。为了 保持表面张力的平衡，凹坑将因渗碳 体继续溶解而加深。
•在渗碳体片亚晶界的另一面也发生上 述溶解析出过程，如此不断进行直到 渗碳体片溶穿，一片成为两截。 渗碳体在溶穿过程中和溶穿之后， 又按 尖角溶解、平面析出 长大而向球 状化转化。 这种片状渗碳体断裂现象，在渗碳 体中位错密度高的区域也会发生。
变的晶核。 片状形核的原因是： • • • 新相产生时引起的应变能较小； 片状伸展时获得碳原子的面积增大； 片状形核时碳原子的扩散距离相对缩短。

（2）长大

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；横向长大 是渗碳体片与铁素体片交替堆叠增多。

3、珠光体转变时碳的扩散规律
P刚刚出现时，三相