珠光体转变动力学

珠光体转变动力学

（一）珠光体转变的形核率N 及线长大速度G

1、形核率N 及长大速度G 与转变温度的关系

过冷奥氏体转变为珠光体的动力学参数-N 和G 与转变温度之间都具有极大值和特征。0.78%C 、0.63%Mn 钢珠光体的成核率和晶体长大速度与温度的关系如下图所示。 产生上述特征的原因，可

以定性地说明如下：在其它条

件相同的情况下，随着过冷度

增大（转变温度降低），奥氏

体与珠光体的自由能差增大。

但随着过冷度的增大，原子活

动能力减小，因而，又有使成

核率减小的倾向。N 与转变温度的关系曲线具有极大值的变化趋向就是这种综合作用的结果。

由于珠光体转变是典型的扩散性相变，所以珠光体的形成过程与原子的扩散过程密切相关。当转变温度降低时，由于原子扩散速度减慢，因而有使晶体长大速度减慢的倾向，但是，转变温度的降低，将使靠近珠光体的奥氏体中的C 浓度差增大，亦即C r-cem 与C r-a 差值增大，这就增大了C 的扩散速度，而有促进晶体长大速度的作用。

共析钢（0.78%C 、0.63%Mn ）的成核率（N ） 和晶体长大速度（G ）与转变温度的关系

从热力学条件来分析，由于能量的原因，随着转变温度降低，有利于形成薄片状珠光体组织。当浓度差相同时，层间距离越小，C原子动力距离越短，因而有增大珠光体长大速度的作用。综合上述因素的影响，长大速度与转变温度的关系曲线也具有极大值的特征。

2、形核率N和长大速度G与转变时间的关系

研究表明等温保持时间对珠光体的长大速度无明显的影响。

当转变温度一定时，珠光体转变的形核与等温温度有一定的关系，随着转变时间的延长形核逐渐增加，当达到一定程度后就急剧下降到零，即所谓的位置饱和。

（二）珠光体等温转变动力学图

珠光体等温转变动力学图，一般都是用实验方法来测定的。由于其形状具有字母“C”的形状，通常称为C曲线，或TTT（Time Temperature Transformation）曲线。

1、C曲线的建立

以共析碳钢C曲线的建立过程，说明建立C曲线的建立过程。

（1）试样，φ10×2mm小圆片；（2）每个试样都具有相同的原始组织状态；（3）在相同的条件下进行奥氏体化（具有相同的奥氏体状态）；（4）选择一系列转变温度；（5）在每一个选定的温度下确定一系列等温时间；（6）到达规定的

等温时间后，迅速将试样投入到盐水中冷却到室温；（7）对每个试样都进行金相组织观察，确定其转变量；（8）作出相应的曲线图。

2、珠光体等温转变动力学的特点

（1）珠光体形成初期有一孕育期。

所谓孕育期是指等温开始至发生转

变的这段时间。

（2）当等温温度从A 1点逐渐降低

时，相变的孕育期逐渐缩短。温度

下降到某一温度（碳钢约为550℃）

时，孕育期最短，该点称这为C 曲线的鼻子点。温度再降低，孕育期反而增加。

（3）从整体来看，当奥氏体转变为珠光体时，随着时间的增长，转变速度增大，在转变量为50%时，转变速度达到极大值。但转变50%以后，转变速度又逐渐降低，直至转变完成。

3、亚（过）共析钢珠光体等温形成图

对于亚共析钢，在在珠光体等温形成图的左上方，有一条先共析铁素体析出线，如图所示。这种析出线，随着钢中碳含量的增高，逐渐向右下方移动。

共析钢的珠光体形成动力学图

与此相似，对于过共析钢，如果奥氏体化温度在A cm 点

以上，在等温转变过程中，于珠光体形成曲线的左上方有一条先共析渗碳体析出线，如图所示。这条析出线，随着钢中碳含量的增高，逐渐向左上方移。

（三）影响珠光体转变动力学的因素

如前所述，珠光体的转变量决定于成核率和晶体长大速度。因此，凡是影响珠光体成核率和晶体长大速度的因素，都是影响珠光体转变动力学的因素。影响珠光体转变动力学的因素，概括起来可以分为两类：一类是钢本身内在的因素，如化学成分、组织结构状态等；另一类是外界施加因素，如加热温度、保温时间等。

1、钢的内在因素

（1）碳含量的影响

一般认为，在亚共析钢中，随着钢中碳含量增高，过冷45钢（0.44%C,0.22%Si,0.66%Mn,0.15%Cr,

0.02%V ）的过冷奥氏体等温转变图

T10钢（1.03%C,0.17%Si,0.22%Mn,0.07%Cr, 0.10%Ni ）的过冷奥氏体等温转变图

奥氏体在珠光体转变区的先共析铁素体析出的孕育期增长，析出速度减慢，珠光体形成的孕育期随之增长，形成速度也随之而减慢。C曲线右移。这是由于在相同的条件下，随着亚共析钢中碳含量的增加，获得铁素体晶核的机率减少，铁素体长大时所需扩散离去的C量增大，因而使铁素体析出速度减慢。一般认为，由于铁素体的析出，使奥氏体中与铁素体交接处的C浓度增高，为珠光体的成核与长大提供了有利条件，而且在亚共析钢中铁素体也可作为珠光体的领先相，所以先共析铁素体的析出促进了珠光体的形成。因此，当亚共析钢中先共析铁素体孕育期增长且析出速度减慢时，珠光体的形成速度也随之而减慢。

过共析钢，当加热温度在A cm以上使钢完全奥氏体化的情况下，过共析钢中碳含量越高，提供渗碳体晶核的机率越大，C在奥氏体中的扩散系数增大，则先共析渗碳体析出的孕育期缩短，析出速度增大。珠光体形成的孕育期随之缩短，形成速度随之而增大。当钢中的碳含量高于1%时，这种影响更为明显。如果加热温度在A C1~A cm之间，加热后所获得的组织是不均匀的奥氏体加残留渗碳体。这种组织状态，具有促进珠光体的晶核形成和晶体长大的作用，使珠光体形成的孕育期缩短，转变速度加快。因此，对于相同碳含量的过共析钢，不完全奥氏体化常常比完全奥氏体容易发生珠光体转变。

高碳工具钢制件淬火，应该注意珠光体形成的孕育期很短、转变速度很快这一特性。基于此因，对于高浓度渗碳、碳氮共渗钢件淬火，表层容易出现屈氏体（黑色组织的一种）。

（2）合金元素的影响

合金钢中的珠光体转

变，与碳素钢中的情况相似。

因此，研究合金钢中的珠光

体转变，实质上就是讨论合

金元素对Fe-C 合金珠光体转

变的影响。

1）合金元素对珠光体转变影

响的规律

合金元素对奥氏体-珠光体平衡温度（A 1）和共析碳浓度的影响如下图所示。可以看出，除Ni 、Mn 降低了A 1点之外，其它常用合金元素都提高了A 1温度。几乎所有合金元素皆使钢的共析碳浓度降低。

合金元素的加入，改变了奥氏体-珠光体平衡温度，如果转变温度相同，则过冷度就不同。因此，不同的合金钢，在相同的温度下形成珠光体的层间距离是不同的。

各类钢中合金元素对珠光体形成的影响，大致可以归纳如下：

常见合金元素对共析温度（A 1）及 共析点（S ）碳量的影响

Mo显著地增大了过冷奥氏体在珠光体转变区的稳定性，即增长了相变孕育期和减慢了转变速度。Mo特别显著地增大在580~600℃温度范围内的过冷奥氏体的稳定性。在共析钢中加入0.8%Mo，可以使过冷奥氏体分解完成时间增长28000倍。

在含Mo的共析钢中，Mo含量小0.5%时，形成的碳化物是渗碳体型的，而含量大于0.5%时，形成的碳化物是特殊碳化物M23C6。由于这种碳化物要共析钢中加热时很难完全溶解，在这种情况下，Mo对珠光体形成时减小长大速度的作用反而减小。为了提高过冷奥氏体的稳定性，钢的Mo含量一般应低于0.5%。

W的影响与Mo相似，当含量按重量百分率计算时，其影响程度约为Mo的一半。

Cr的影响，表现在比较强烈地增大过冷奥氏体在600~650℃温度范围内的稳定性。

Ni、Mn都有比较明显提高过冷奥氏体在珠光体转变区稳定的作用。

Si对过冷奥氏体转变为珠光体的速度影响较小，稍有增大过冷奥氏体稳定性的作用。Al对珠光体转变的影响很小。

V、Ti、Zr、Nb、Ta等在钢中形成难溶的碳化物。如果，这些元素在加热时能够溶入奥氏体中，则增大过冷奥氏体的

稳定性。但是，即使加热到很高温度，这类碳化物仍然几乎不能完全溶入奥氏体中。因此，当钢中加入强烈形成碳化物元素，奥氏体温度又不很高时，不仅不能增大甚至会降低过冷奥氏体的稳定性

B元素很特别。一般认为，钢中加入微量的B （0.0010~0.0035%，实际上有效B含量比此量还低），可以显著降低亚共析钢中过冷奥氏体在珠光体转变区析出铁素体的速度，对珠光体的形成也有抑制作用。随着钢中碳含量的增高，B增大过奥氏体稳定性的作用逐渐减小。一般认为，钢加入微量的B能够降低先共析铁素体和珠光体转变速度的原因，主要是由于B吸附在奥氏体晶界上，降低了晶界的能量，从而降低了先共析铁素体和珠光体的成核率。B对先共析铁素体长大速度并不发生明显影响，而且B还有增大珠光体长大速度的倾向。因此，B能延迟过冷奥体分解的开始时间，但对形成珠光体的完了时间则影响较小。

为了保持B对珠光体转变的有益作用，必须使B富集在奥氏体晶界上，如果活泼的B元素与

钢中的Fe或残留的N、O，化合成稳

定的夹杂物，或者由于高温奥氏体化，

使B向奥氏体晶粒内扩散，而使晶界

的有效B减少，这样都使B的有益作

用减弱甚至消失。钢中的合金元素对珠光体

转变动力学的影响示意图

Co降低过冷奥氏体在珠光体转变区的稳定性，缩短珠光体转变的孕育期，加速珠光体的转变。

合金元素对珠光体转变的影响可用下图表示。从图中可以看出，当合金元素充分溶入奥氏体中的情况下，除Co以外，所有常用合金元素皆使珠光体的鼻子右移，先共析铁素体的鼻子右移。除Ni以外，所有的常用合金元素皆使这两个鼻子移向高温区。

2）合金元素对珠光体转变产生影响的原因

合金元素对珠光体转变所产生影响的原因，至今仍未彻底搞清楚，归纳起来可以从以下几个方面考虑。

①合金元素自扩散的影响

为了完成合金奥氏体的共析分解，除了碳的扩散之外，合金元素也需要进行扩散再分配。扩散结果，在珠光体中形成碳化物的区域，碳化物形成元素的含量增加，而非碳化物形成元素则减少。铁素体区域的情况则与此相反。由于合金元素具有较低的扩散速度（其扩散系数为C在奥氏体中扩散系数的万分之一到千分之一），因而增长了过冷奥氏体转变为珠光体的孕育期和降低了形成速度。

②合金元素对碳扩散的影响

合金元素对珠光体转变的影响，是通过合金元素改变了C在奥氏体中的扩散系数而起作用的。降低C扩散系数的将增大珠光体转变的孕育期和降低转变速度，反之则缩短孕育

期和增加转变速度。

③合金元素改变了γ→α转变速度

合金元素的加入，可以改变γ→α的同素异构转变速度，改变α-Fe的临界形核功，因此，对珠光体的转变产生相应的影响。

④合金元素改变了临界点

合金元素的加入，将改变临界点的位置，并使其成为一个温度范围。这样一来，在相同的温度条件下，不同成分的钢其过冷度就不同，对珠光体的转变产生不同的影响。

⑤合金元素对γ/α相界面的拖曳作用

合金元素的加入，将对γ/α相界面产生拖曳作用，从而降低γ/α相界面的移动速度，进而降低珠光体的形成速度。

（3）奥氏体成分均匀性和过剩相溶解情况的影响钢件在实际加热条件下，奥氏体常常处于不太均匀的状态，有时还可能有少量渗碳体微粒残存。这种情况，因钢中含有稳定碳化物形成元素和原始组织比较粗大而加剧。奥氏体成分的不均匀，将有利于在高碳区形成渗碳体；在低碳区形成铁素体，并加速C在奥氏体中的扩散，增大了先共析相和珠光体的形成。未溶解渗碳体的存在，既可以作为先共析渗碳体的非匀质晶核，也可以作为珠光体领先相的晶核，因而也加速了珠光体的转变。

（4）奥氏体晶粒度的影响

由于钢的化学成分、脱氧剂等的不同，在相同的加热条件下，所获得的奥氏体晶粒度也不尽相同。奥氏体晶粒细小，单位体积内晶界面积增大，有利于珠光体成核的部位增多，将促进珠光体形成。同理，细小的奥氏体晶粒，也将促进先共析铁素体和渗碳体的析出。

2、外界影响因素

（1）加热温度和保温时间的影响

钢的加热温度和保温时间，直接影响钢的奥氏体化情况和晶粒大小。提高加热温度或延长保温时间，由于促进渗碳体的进一步溶解和奥氏体的均匀化，同时也会使奥氏体晶粒长大，因此减小了珠光体相变的成核率和晶体长大速度，从而推迟了珠光体相变的进行。

（2）应力和塑性变形的影响

在奥氏体状态下承受拉应力或进行塑性变形，有加速度珠光体转变的作用。这是由于拉应力和塑性变形造成的晶体点阵畸变和位错密度增高，有利于C和Fe原子的扩散和晶体点阵改建，所以有促进珠光体晶核形成和晶体长大的作用。且奥氏体形变温度越低，珠光体转变速度越大。

（3）等向压应力的影响

对奥氏体施加等向压应力，有降低珠光体形成温度、共析点移向低碳和减慢珠光体形成速度的作用。这与等向压应

力下原子迁移阻力增大，C、Fe原子扩散、晶体点阵改组困难有关。