珠光体转变珠光体的组织形态与晶体结构
热处理工艺学课件-第03章珠光体转变
珠光体的晶体结构
渗碳体呈短棒状或颗 粒状，其晶体结构为 复杂的正交结构。
渗碳体和铁素体间 以特定的晶体学关系 相间排列，形成层状 结构。
铁素体呈长条状，其 晶体结构为体心立方 结构。
珠光体的特性
珠光体组织具有较高的强度和硬 度，因此钢的强度和硬度主要取 决于珠光体组织的数量和形态。
珠光体的层状结构使其具有良好 的塑性和韧性，有利于钢的切削
04
珠光体转变的影响因素
合金元素的影响
合金元素对珠光体转变的影响主要体现在改变奥氏体的稳定性，从而影响珠光体的 形核和长大过程。
例如，一些合金元素（如铬、镍、锰等）能够提高奥氏体的稳定性，使珠光体转变 温度升高，转变孕育期延长。
另外一些合金元素（如钨、钼、钒等）则降低奥氏体的稳定性，使珠光体转变温度 降低，转变速度加快。
石油化工
在石油化工行业中，许多设备和管 道都需要能够承受高温和腐蚀的金 属材料，珠光体转变能够提高金属 材料的耐腐蚀性和强度。
珠光体转变在材料科学研究中的应用
相变动力学
计算材料学
珠光体转变是材料科学中的重要相变 过程，研究珠光体转变的相变动力学 有助于深入了解材料的性能和行为。
利用计算机模拟珠光体转变的过程， 可以预测材料的性能，为新材料的开 发提供指导。
在转变完成后，冷却速率对珠光体的形貌和晶体学取向也有影响。在缓 慢冷却条件下，珠光体容易形成片层较厚、晶体学取向较差的组织。
05
珠光体转变的研究进展
新型珠光体转变的研究
新型珠光体转变的发现
近年来，随着材料科学的发展，人们发现了新型珠光体转变，这 种转变具有不同于传统珠光体转变的特点和机理。
新型珠光体转变的特性
合金设计
钢的热处理-珠光体转变
§2 珠光体的转变机理
1. 珠光体的形核
珠光体的形核地点：奥氏 体晶界。 铁素体先形核还是渗碳 体先形核？
在共析钢和过共析钢中， 通常以渗碳体为领先相， 在亚共析钢中，则不排 除以铁素体为领先相的 可能性。
珠光体的形核长大示意图
问题：珠光体纵向长大还是横向长大？ 目前认为，初期纵向和横向都长大，后期按分枝长
奥氏体中未溶解的碳化物或其它夹杂物 质点（如脱氧产物）的存在，可以作为非 自发核心增加形核速率，从而加速珠光体 的转变，是C曲线左移。但对长大速度无明 显影响。
4. 塑性变形
奥氏体的塑性变形会促进珠光体转变， 而且变形度愈大，对珠光体转变的加速作 用愈强。
5. 奥氏体的成分
（1）碳含量的影响 亚共析钢中随着碳含量增加，转变速度减慢，
大小。
先析出相的典型形态
（1）仿晶界型 先共析相在母相晶界 上形核，并延晶界平 滑长大，最终可能形 成网状。
（2）魏氏组织型侧向片 状或针状
先析出相从母相晶界 开始，向一侧的晶内 发展，长成片状或针 状。
魏氏组织：晶界或晶 内形核，在晶内特定 晶面上形核，并延一 定位向长大成片状或 针状的组织－魏氏组 织。
与薄片状的渗碳体组成的相间混合物 （质量分数：渗碳体占12%，铁素体88%）。 珠光体团－若干具有相同位向的铁素体和渗碳
体组成的一个晶体群。
珠光体团的亚结构－在一个珠光体团内，不是 所有渗碳体片的位向都完全一致，而是由若 干位向差不大的亚结构组成。
铁素体和渗碳体的颜色和位向关系
铁素体和渗碳体的颜色： 铁素体和渗碳体都是灰白色。 如果放大倍数不高，渗碳体两边被腐蚀的相
需的浓度起伏就愈困难，因而形核率愈低。 在热处理时，奥氏体化温度愈高，保温时 间愈长，则奥氏体的成分愈均匀，故形成 珠光体的速度愈慢，使C曲线右移。 2. 奥氏体的晶粒度
珠光体转变珠光体的组织形态与晶体结构
珠光体转变珠光体的组织形态与晶体结构珠光体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，共析碳钢约在A1~500℃温度之间发生，又称高温转变。
珠光体转变是单相奥氏体分解为铁素体和渗碳体两个新相的机械混合物的相变过程，因此珠光体转变必然发生碳的重新分布和铁的晶格改组。
由于相变在较高的温度下进行，铁、碳原子都能进行扩散，所以珠光体转变是典型的扩散型相变。
珠光体转变在热处理实践中极为重要，因为在钢的退火与正火时所发生的都是珠光体转变。
退火与正火可以作为最终热处理，即工件经退火或正火后直接交付使用，因此在退火与正火时必须控制珠光体转变产物的形态（如片层的厚度、渗碳体的形态等），以保证退火与正火后所得到的组织具有所需要的强度、塑性与韧性等。
退火与正火也可以作为预备热处理，即为最终热处理作好组织准备，这就要求退火或正火所得组织能满足最终热处理的需要。
另外，为使奥氏体能过冷到低温，使之转变为马氏体或贝氏体，必须要保证奥氏体在冷却过程中不发生珠光体转变。
为了解决上述一系列问题，就必须对珠光体转变过程、转变机理、转变动力学、影响因素以及珠光体转变产物的性能等进行深入的研究。
珠光体……Pearlite一、珠光体的组织形态与晶体结构（一）珠光体的组织形态珠光体是过冷奥氏体在A 1以下的共析转变产物，是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。
通常根据渗碳体的形态不同，把珠光体分为片状珠光体、粒状（球状）珠光体和针状珠光体，其中片状和粒状珠光体是两种常见的珠光体组织。
1、片状珠光体渗碳体呈片状，是由一层铁素体和一层渗碳体层层紧密堆叠而成。
（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。
（2）珠光体的片间距离S 0在片状珠光体中，一片铁素体和一片渗碳体的总厚度或相邻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离，用S 0表示。
S 0与珠光体的形成温度有关，可用下面的经验公式表示：T CS ∆=0式中C=8.02×104（Å·K ），ΔT ……过冷度（K ） S 0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。
第四章 珠光体转变
第四章珠光体转变珠光体转变——当以缓慢速度冷却时，发生分解的过冷度很小，过冷奥氏体在高温下有足够的时间进行扩散分解，形成含碳量和晶体结构相差悬殊并和母相奥氏体截然不同的两个固态新相，即为珠光体组织。
奥氏体到珠光体的转变必然发生碳的重新排布及铁晶格的改组，因此其是一种扩散型相变。
这种冷却速度相当于炉冷或空冷的冷却方式，热处理生产上成为退火或正火。
§4.1 珠光体的组织形态及晶体学§4.2 珠光体转变机制§4.4 珠光体转变动力学§4.5 珠光体的力学性能§4.3 先共析转变和伪共析转变（略）§4.1 珠光体的组织形态及晶体学一、珠光体的组织形态珠光体（Pearlite）—铁素体和渗碳体组成的双相组织。
γ→P (F + Fe3C)面心立方体心立方复杂斜方0.77%C 0.0218%C 6.69%C根据在铁素体基体上分布的渗碳体形态，珠光体可分为两种：（1）片状珠光体（2）粒状珠光体（球状珠光体）其他特殊形态的珠光体图3-1 T8钢中的片状珠光体组织典型组织形态为：在铁素体基体上分布着片状渗碳体。
典型组织形态为：在铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的组织。
图3-3 T8钢中的粒状珠光体组织（经球化退火处理）由相间的铁素体和渗碳体片组成，呈层片状。
珠光体团——片状珠光体中片层方向大致相同的区域称为珠光体团。
珠光体的片间距S0——渗碳体与铁素体片厚之和。
（1）片状珠光体图3-2 片状珠光体的片层间距和珠光体团的示意图片间距S0是衡量片状珠光体组织粗细程度的一个主要指标。
S0取决于转变时的过冷度。
ΔT大，则转变温度低，S0小。
对于碳钢，Marder推导得出经验公式：S0=8.02×103/ ΔT进一步研究表明，仅当过冷度较小时S0与形成温度存在线性关系。
根据片层间距的大小，可将片状珠光体细分为以下三类：(1) 珠光体：在A1~650℃范围内形成，层片较粗，片层间距平均约0.15～0.45μm，在放大400倍以上的光学显微镜下便可分辨出层片；(2) 索氏体：在650~600℃范围内形成，层片比较细，片层间距平均为0.08~0.15μm，在大于1000倍的光学显微镜下可分辨出层片；(3) 屈氏体：在600~550℃范围内形成，层片很细，片层间距平均小于0.03～0.08μm，即使在高倍光学显微镜下也无法分辨出片层，只有在电子显微镜下才能分辨出层片。
比较贝氏体转变与珠光体转变和马氏体转变的异同
For personal use only in study and research; not for commercial use比较马氏体贝氏体珠光体转变的异同一．组织形态：1.珠光体：珠光体的组织形态特征：珠光体的典型组织特征是由一层铁素体和一层渗碳体交替平行堆叠而形成的双相组织。
根据片层间距的不同，可将珠光体分为三种：珠光体：S0=450-150nm，形成温度为A1－650℃，普通光学显微镜可以分辨。
索氏体：S0=150-80nm，形成温度为650－600℃，高倍光学显微镜可以分辨。
屈氏体：S0=80-30nm，形成温度为600－550℃，电子显微镜可以分辨。
铁素体基体上分布着粒状渗碳体的组织为粒状珠光体。
这种组织一般是通过球化退火或淬火后高温回火得到的。
在珠光体转变过程中，所形成的珠光体中的铁素体与母相奥氏体具有一定的晶体学位向关系。
珠光体中，铁素体与渗碳体之间存在一定的晶体学位向关系。
2.马氏体：马氏体的组织形态：○1.板条马氏体是低、中碳钢中形成的一种典型马氏体组织，其形貌特征可描述如下：在一个原奥氏体晶粒内部有几个（3－5个）马氏体板条束，板条束间取向随意；在一个板条束内有若干个相互平行的板条块，块间是大角晶界；在一个板条块内是若干个相互平行的马氏体板条，板条间是小角晶界。
马氏体板条内存在大量的位错，所以板条马氏体的亚结构是高密度的位错和位错缠结。
板条状马氏体也称为位错型马氏体。
○2.片状马氏体是中、高碳钢中形成的一种典型马氏体组织，其形貌特征可描述如下：在一个原奥氏体晶粒内部有许多相互有一定角度的马氏体片。
马氏体片的空间形态为双凸透镜状，横截面为针状或竹叶状。
在原奥氏体晶粒中首先形成的马氏体片贯穿整个晶粒，将奥氏体晶粒分割，以后陆续形成的马氏体片越来越小，所以马氏体片的尺寸取决于原始奥氏体晶粒的尺寸。
片状马氏体的形成温度较低，在马氏体片的周围往往存在着残余奥氏体。
片状马氏体的内部亚结构主要是孪晶。
第三章 珠光体转变
片状珠光体形成时碳的扩散示意图
14 Yuxi Chen Hunan Univ.
片状珠光体中渗碳体的分枝长大 原因：塞积位错 体扩散机制：碳原子在奥氏体中 的扩散。
界面扩散机制：650oC以下珠光 体相变主要是通过母相与珠光体 的界面扩散进行。
15
Yuxi Chen Hunan Univ.
具有B1结构的第二相能有效促进晶内形核
奥氏体化温度低，慢速冷却至Ar1点以下，未溶 解的残余粒状渗碳体便成为现成的渗碳体核。
18 Yuxi Chen 18 Hunan Univ.
片状渗碳体加热过程中有可能自发地发生破裂 和球化，这是因为片状渗碳体的的表面积大于 同样体积的粒状渗碳体，从能量角度考虑，渗 碳体的球化是一个自发过程。
低温球化退火工艺。
34 Yuxi Chen Hunan Univ.
第四节 珠光体转变动力学
形核率I 长大速度v
1、珠光体的形核率与 长大速度
珠光体形核率I 及线长 大速度v与转变温度之间 的关系曲线均为具有极大 值的下凹曲线。
35 Yuxi Chen Hunan Univ.
随转变温度降低，过冷度增大，奥氏体与珠光体的自 由能差增大，相变驱动力△Gv增大，使临界形核功W 减小，上式中的第二项将增大，即使形核率增大。 随转变温度降低，原子扩散能力减弱，由于 Q基本不 变，上式中的第一项将减小，使形核率减小； 综合作用结果，导致珠光体的形核率对转变温度有极 大值。
24 Yuxi Chen Hunan Univ.
1、先共析转变
亚共析钢——先共析铁素体 亚共析钢完全奥氏体化后 被冷却到GSE 区，将有先 共析铁素体析出。 随温度降低，铁素体析出 量增加，到T2温度时，先 共析相停止析出。 碳含量越高，冷却速度越 大，先共析铁素体量越少。
珠光体球化的原因
珠光体球化的原因
珠光体球化是指一种金属材料的表面出现球状凸起的现象。
这种凸起通常呈现
出一种珠光般的光泽，给金属物体增添了一种独特的美感。
珠光体球化的原因主要有以下几个方面：
1. 晶体结构变化：珠光体球化通常发生在一些具有面心立方（FCC）结构的金
属上，如铜、铝等。
在金属材料中，晶体结构的变化可能导致原子重新排列，形成珠光体球化的凸起。
这种重排的过程会改变金属表面的形态，使其出现珠光体球化现象。
2. 温度和压力的影响：较高的温度和压力条件也可能导致珠光体球化现象的发生。
金属在高温下会发生相变，并且随着压力的变化，金属晶体结构也会发生改变。
当金属材料经历温度和压力的变化时，内部应力会导致原子重新排列，形成凸起的珠光体结构。
3. 化学反应：某些化学环境下，金属表面的化学反应也可能是珠光体球化的原
因之一。
例如，金属在酸性溶液中容易发生氧化反应，形成一层厚度较大的金属氧化物。
这种氧化层的形成可能导致表面凸起，产生珠光体球化的效果。
虽然珠光体球化给金属材料带来了一种独特的美感，但它也可能影响到金属的
功能或使用寿命。
因此，在某些应用领域中，需要对珠光体球化进行控制或处理，以保证金属材料的性能和质量。
这可以通过调整材料的成分或采用合适的表面处理方法来实现。
钢中珠光体转变_一_
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热处理技术与装备
第 32 卷
层式 Fe3 C 生 长 前 沿 的 奥 氏 体 中 碳 的 浓 度 为 C γc ， Fe3 C 与 α 界面上的碳浓度为 C αc 。 因为 C γα ＞ C γc ， C γα 降低， C γc 增 生长前沿的奥氏体中发生碳的扩散， 加， 将使 α 和 Fe3 C 长大一点， 使铁素体 α 前沿奥氏 体中碳浓度提高一点， 同时使渗碳体前沿奥氏体中 碳浓度降低一点， 达到新的平衡； 新的平衡又促使碳 重复发生上述扩散。 另外， 在珠光体生长前沿铁素 体中碳的扩散 （ 见图 3 ） 也促使珠光体不断长大， 如 破坏了相界面处的 C 原子的平 此反复进行的扩散， 衡， 促使珠光体向奥氏体 γ2 的长大（ 图 3 ） ， 直至奥氏 体的消失。这样， 共析成分合金原来在奥氏体 γ 上 的 Z 点处的自由能和成分为 C αc 的铁素体与渗碳体 公切线上 y 点自由能之间的差值即为该温度 T2 下 的奥氏体与珠光体间体积自由能的差值 。 2 ． 2 片状珠光体的形成和晶体学 共析钢 珠 光 体 形 核 于 奥 氏 体 晶 界 上 （ 图 7a ） 。 为了降低形核能垒， 该核心与原先的奥氏体晶粒 γ1 具有一定的位向关系。 如首先形成的相是 渗 碳 体 Fe3 C ， 它与 γ1 形 成 半 共 格、 可动性低的界面（ 图 7 （ a） （ i） ） 。正交晶系渗碳体 Fe3 C 与 γ1 之间的位向 （ 010 ） Fe3 C / / 关系 接 近 于： （ 100 ） Fe3 C / / （ 111 ） γ， （ 110 ） γ， （ 001 ） Fe3 C / / （ 112 ） γ。 它与另一奥氏体晶 在渗碳体 粒 γ2 形成非共格的可动性的界面。 同时， 周围出现贫碳， 增加铁素体析出的驱动力， 从而形成 F 与 γ1 也保持 铁素体 F 核心（ 图 7 （ a） （ ii） 和（ iii） ） ， Sachs 关系， 位向关系， 为 kurdjumov这过程重复进行 使珠光体领域沿奥氏体晶界向两边扩展 。 它能向 γ2 长大是由于非共格面的移动而进行 。图 7 （ a） （ iv） 表 示形成新片的分枝机制。铁素体 F 长大排斥出来的 碳在奥氏体中扩散至渗碳体的前沿 （ 图 3 ） 。 如果是 铁素体 F 首先形核， 它与奥氏体 γ1 的位向关系是 kurdjumovSachs 关系： ｛ 110 ｝ F / / ｛ 111 ｝ γ ，＜ 111 ＞ F / / ＜ 110 ＞ γ 其余情况与上述相类似。 至于究竟哪个相 先在奥氏体晶界上形核则与晶界的结构和成分有 关。还要指明的是， 在渗碳体片和铁素体片之间的 交界面是半共格的， 在珠光体向奥氏体母相生长时 不会发生片层的粗化。 图 7b） 表示在奥氏体晶界上存在先共析相时珠 光体形核和向非共格一边长大的情况。 图示为存在 先共析渗碳体的过共析钢的情况， 这先共析渗碳体 Bagaryatski 100］ 位向关系： ［ 与 γ1 晶粒倾向于近于 Fe3 C / /［ 011］ ［ 010］ Fe3 C / /［ 11 1］ （ 001 ） Fe3 C γ， γ， / / （ 211 ） γ。当共析温度达到时， 在其可动的非共格
热处理工艺学珠光体转变
5
§3-2 珠光体形成机制
珠光体形成的热力学
转变驱动力：自由焓差
转变条件：GP<GA 片状珠光体的形成机制
领先相：亚共析钢－铁素体；过共析钢－ 渗碳体；共析钢－铁素体或渗碳体
无论哪一相领先，有未溶渗碳体存在时， 促进P形成，铁素体的存在影响不大
课件
6
片状珠光体形成机制
课件
7
共析成分奥氏体在700℃等温转变过程
第三章 珠光体转变
课件
1
前言
A在低温下为不稳定组织，当钢冷时，先沿GS、 ES析出先共析铁素体和先共析渗碳体，同时A 成分向共析成分靠拢，在低于A1时，发生共析 转变
冷速不同，过冷度不同，Fe、C原子的活性不 同，转变机制不同
高温转变（缓冷）：珠光体转变
中温转变（中速）：贝氏体转变
低温转变（快速）：马氏体转变
奥氏体化温度较高，渗碳体充分溶解→保温时 间短，A不均匀→高碳区形成粒状渗碳体
课件
10
加热在A1以下的球化过程
胶态平衡理论－自发过程
第二相颗粒的溶解度（S）与 其曲率半径（r）有关
S1 r
C
C%↑ C%↓ C%↑
课件
11
晶体缺陷的影响
课件
12
§3-3 亚（过）共析钢的珠光体转变
亚（过）共析钢的珠光体转变类似于共 析钢的珠光体转变，不同之处在于： 先共析铁素体的析出 先共析渗碳体的析出 伪共析转变 重点：魏氏组织
T
|G
P
-G
A
|
S0
,
dC dx
I ,V
T D I ,V
τ↑→I很快饱和，饱和后降为0
τ对V无关， τ一定时，V一定
第三章 珠光体转变
18
Cγ -α Cγ -k
图3-4 珠光体形成时碳的扩散
19
③ 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-k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。
9
原因：
③ΔT 愈大，碳在奥氏体中的扩散能 力愈小，扩散距离变短。另外， ΔGV 会变大，可以增加较多的界面能，所 以 S0 会变小。
原奥氏体晶粒大小对 S0 无明显影 响。但原奥氏体晶粒越细小，珠光体 团直径也越细小。
10
1.4 珠光体的力学性能
1）一般规律
珠光体的强度、硬度高于铁素体，而低于贝 氏体、渗碳体和马氏体，塑性和韧性则高于 贝氏体、渗碳体和马氏体。 适于切削加工或冷成型加工。
27
3.2 亚共析钢中的先共析铁素体形态
在奥氏体晶界上形成的晶核，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。
① 若原奥氏体含碳量较高，析出的铁素体量较少， 则铁素体易长成网状。 ② 若原奥氏体含碳量较低，析出的铁素体量较多， 且单位体积排出的碳原子较少，非共格界面更 易迁移，铁素体长入奥氏体呈块状分布。
G * Q N C exp( ) exp( ) RT RT T G * , Q
(3 3)
形成温度较高时，扩散较易，形核功起主导 作用，由于温度降低，A与P间的自由能差增大， 故形核率增加。至一定温度时，扩散起主导作 用，温度降低，扩散困难，形核率下降。
35
~550℃
珠光体转变 掌握珠光体的组织形态与晶体结构
1、过冷A分解形成粒状P
特定条件：
1）奥氏体化温度较低，保温时间较短，加热转变未
充分进行； 2）转变为P的等温温度要高，等温时间足够长，或 者冷却速度极慢。
2、片状P粒状P（胶态平衡理论）
尖角处（曲率半径小）—高碳浓度 平面处（曲率半径大）—低碳浓度
C原子扩散
尖角处：Fe3C溶解
破坏平衡 平面处：Fe3C析出
一、一般概述
A(面心立方）F（体心立方）＋Fe3C (复杂斜方）
0.77％ 0.0218％ 6.69％
特点：
1.热力学条件：需要一定的的过冷度G<0 2.形核与长大：形核地点—A晶界或A孪晶界
3.原子的扩散：Fe远程自扩散与C远程异扩散
原子扩散＋点阵重构
二、珠光体转变的领先相
1、Fe3C为领先相
TS0
珠光体 索氏体
为什么？
600~550 ℃ 30~80nm
屈氏体
三种珠光体组织
2.粒（球）状珠光体：
F的基体上分布着Fe3C颗粒 二、珠光体的晶体学 ①P晶核在纯A晶界上产生时： ②P晶核在A晶界上有先共析
Fe3C时。
三、珠光体的机械性能 45钢球化退火组织 T12球化退火组织
1.片状P：① S0 （T）②P团直径 S0 、P团直径强度、硬度、塑性 S0 F 、Fe3C变薄 相界面 抗塑变能力
实验依据： 1）P中Fe3C与先共析Fe3C的位向相同，P中的F与先共析F
的位向不同；
2）P中的Fe3C与先共析Fe3C在结构上是连续的；而P中的
F与先共析F在结构是不连续的；
3）游离Fe3C有促进P相变的作用，则它肯定作为晶核存 在，而游离F没有促进P相变的作用，则F肯定不是晶核核心。
第十六章珠光体
第一节 珠光体的组织与晶体结构
转变过程中温度突变对珠光体片层间距的影响
第一节 珠光体的组织与晶体结构
②C含量：亚共析钢，C含量增加，间距减小；过共 析钢， C含量增加，间距减小；共析钢间距大于 过共析钢。
③合金元素：Co、Cr显著减小间距，Cr的作用更明 显。Ni、Mn、Mo增大间距（原因可能与这些元 素对过冷度及碳的扩散影响有关）；
第二节 珠光体的形成机理
片状珠光体的核过程（Fe3C为领先相）示意如下：
问题：珠光体纵向长大还是横向长大？ 目前认为，初期纵向和横向都长大，后期按
分枝长大机制进行。
第二节 珠光体的形成机理
第二节 珠光体的形成机理
珠光体长大时，纵向长大是渗碳体片和铁素 体片同时连续地向奥氏体内延伸，而横向长大是 渗碳体片和铁素体片交替堆叠。
第二节 珠光体的形成机理
第二节 珠光体的形成机理
一、珠光体形成的热力学条件
奥氏体过冷到A1温度以下将发生珠光体转 变，转变的进行需要一定的过冷度，以提供相 变时消耗的化学自由能。由于珠光体转变的温 度较高，铁原子和碳原子都能扩散较大距离， 珠光体是在晶体缺陷较多的晶界处形核，因而 相变需要的自由能较小，即在较小的过冷度下 便可发生珠光体转变。
⑴ 片状珠光体的形成过程
当共析碳钢由奥氏体转变为珠光体时，将由 均匀固溶体转变为点阵结构与母相截然不同的渗 碳体和铁素体的两相混合物，即：
相组成： 碳含量：
γ→ 0.77%
α+ 0.02%
Fe3C 6.69%
点阵结构: 面心立方 体心立方 复杂斜方
第二节 珠光体的形成机理
因此珠光体的形成包含着同时进行的两个过程：
第一节 珠光体的组织与晶体结构
第3章珠光体转变
第三章珠光体转变重点：1、掌握珠光体的组织形态与晶体结构；2、了解珠光体的形成机理；3、掌握珠光体的力学性能。
难点：1、珠光体的形成机理；2、珠光体的力学性能。
意义：* 钢中的珠光体转变，即冷却时由奥氏体（γ）向珠光体（α+Fe3C）的转变。
是典型的扩散型相变。
（γ→α+Fe3C）是最具代表性的共析相变，在热处理实践中极为重要。
共析相变是一种典型的平衡转变，其转变产物为符合状态图的平衡组织，无论是金属材料还是陶瓷材料都可发生共析相变。
* 研究珠光体转变的规律，不仅与为了获得珠光体转变产物的退火、正火、索氏体化等热处理工艺有关，而且与为了避免产生珠光体转变产物的淬火和等温淬火等热处理工艺也有密切的联系本章主要讨论钢中珠光体转变产物的组织形态、形成过程、转变速度、力学性能及其影响因素。
§3-1 珠光体的组织形态与晶体结构珠光体：共析钢加热至A化后缓慢冷却，在稍低于A1温度时A将分解为铁素体与渗碳体的两相混合物。
转变温度：珠光体转变是过冷奥氏体在临界温度A l以下比较高的温度范围内进行的转变，共析钢约在A1~550℃温度之间发生，又称为高温转变。
按渗碳体的形态，珠光体分为片状珠光体和粒状珠光体两种。
一、珠光体形态1、片状珠光体――是由片层相间的铁素体和渗碳体片组成。
片状珠光体是由一层铁素体与一层渗碳体交替紧密堆叠而成的。
在片状珠光体组织中，一对铁素体片和渗碳体片的总厚度称为“珠光体片层间距”，以S。
表示，如图3-2a）。
S。
是用来衡量珠光体组织粗细程度的一个主要指标。
若干大致平行的铁素体和渗碳体片组成一个“珠光体晶粒”或“珠光体团”，在一个奥氏体晶粒内，可形成几个珠光体团如图3-2b)。
根据珠光体片间距大小不同，可将珠光体分为三种。
* 珠光体* 索氏体* 屈氏体形态如图3-3所示。
2、粒状珠光体α珠光体团原奥氏体晶界工业用钢中也可见到如图3-4所示的在铁素体基体上分布着粒状渗碳体的组织，称为“粒状珠光体”或“球状珠光体”，一般是经过球化退火或淬火后经中、高温回火得到的。
第3章 新1-珠光体组织形态与晶体结构
第3章 珠光体转变与钢 的退火和正火
第1节 珠光体的组织形态与晶体结构
3.1.1 珠光体的组织形态 3.1.2 珠光体的晶体结构
前言 珠光体转变 扩散型相变 珠光体转变在热处理过程的重要性 本章内容
一. 珠光体的组织形态和晶体学
珠光体；索氏体；贝氏体；球化体
珠光体
托氏温度为 600℃，片层较薄. ℃ 片层较薄
电镜形貌
800-1000倍光镜 倍光镜 下可辨， 下可辨，用符号 S 表示。 表示。
光镜形貌
托氏体 形成温度为600-550℃，片层极薄，电镜下可辨， ℃ 片层极薄，电镜下可辨， 形成温度为 用符号T 表示。 用符号 表示。
一. 珠光体的组织形态和晶体学
(一). 珠光体的组织： 一 珠光体的组织： 定义：片层相间的铁素体和渗碳体（7:1） 定义：片层相间的铁素体和渗碳体（ ） 形成条件（ 形成条件（A1-200——A1） 光泽（渗碳体衍射光栅） 光泽（渗碳体衍射光栅） 珠光体团；珠光体领域（ 与 取向基本相同） 珠光体团；珠光体领域（F与Fe3C取向基本相同） 取向基本相同
End
一. 珠光体的组织形态和晶体学
珠光体团；珠光体区域
珠光体团
三维珠光体如同放在水中的包心菜
光镜下形貌
电镜下形貌
一. 珠光体的组织形态和晶体学
片层间距S0决定P机械性能
C S0 = ∆T
一. 珠光体的组织形态和晶体学
4σVmTc S= ∆H∆T
1）S随转变温度降 ） 随转变温度降 低而减小。 低而减小。 2）S倒数与过冷度 ） 倒数与过冷度 呈线性关系。 呈线性关系。 3）S细小程度受驱 ） 细小程度受驱 动力的限制。 动力的限制。
珠光体转变1
珠光体转变珠光体转变是过冷奥氏体在临界温度A 1以下比较高的温度范围内进行的转变，共析碳钢约在A 1~500℃温度之间发生，又称高温转变。
珠光体转变是单相奥氏体分解为铁素体和渗碳体两个新相的机械混合物的相变过程，因此珠光体转变必然发生碳的重新分布和铁的晶格改组。
由于相变在较高的温度下进行，铁、碳原子都能进行扩散，所以珠光体转变是典型的扩散型相变。
珠光体转变在热处理实践中极为重要，因为在钢的退火与正火时所发生的都是珠光体转变。
退火与正火可以作为最终热处理，即工件经退火或正火后直接交付使用，因此在退火与正火时必须控制珠光体转变产物的形态（如片层的厚度、渗碳体的形态等），以保证退火与正火后所得到的组织具有所需要的强度、塑性与韧性等。
退火与正火也可以作为预备热处理，即为最终热处理作好组织准备，这就要求退火或正火所得组织能满足最终热处理的需要。
另外，为使奥氏体能过冷到低温，使之转变为马氏体或贝氏体，必须要保证奥氏体在冷却过程中不发生珠光体转变。
为了解决上述一系列问题，就必须对珠光体转变过程、转变机理、转变动力学、影响因素以及珠光体转变产物的性能等进行深入的研究。
珠光体……Pearlite在液态铁碳合金中，首先单独结晶的渗碳体（一次渗碳体）为块状，角不尖锐，共晶渗碳体呈骨骼状。
过共析钢冷却时沿Acm 线析出的碳化物（二次渗碳体）呈网结状，共析渗碳体呈片状。
铁碳合金冷却到Ar 1以下时，由铁素体中析出渗碳体（三次渗碳体），在二次渗碳体上或晶界处呈不连续薄片状。
一、珠光体的组织形态与晶体结构（一）珠光体的组织形态珠光体是过冷奥氏体在A 1以下的共析转变产物，是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。
通常根据渗碳体的形态不同，把珠光体分为片状珠光体、粒状（球状）珠光体和针状珠光体，其中片状和粒状珠光体是两种常见的珠光体组织。
1、片状珠光体渗碳体呈片状，是由一层铁素体和一层渗碳体层层紧密堆叠而成。
（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。
概述3. 珠光体转变
钢的平衡组织
二、伪共析转变 伪共析转变的条件 ： 偏离共析成分奥氏体快速 冷 至 E’SG’ 线 以 下 不 发 生 先共析相的析出而转变为 珠光体，称为伪珠光体。 亚 (过)共析钢奥氏体化 后，以较快的速度冷却到 ES 延长线 SE‘ 与 GS 延长线 SG’ 以下，发生珠光体转 变，称为 伪共析转变 ，产 物称为伪共析组织。
3.2.2 片状珠光体的领先相
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：
（ 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
0.77%
体心
0.0218%
2.网状F的析出
当转变温度较高，或冷速较大、奥氏体晶 粒粗大时，Fe自扩散能力下降，F易沿晶界析 出并连成网状。此时晶内碳浓度不断升高, 达 伪共析成分时转变为珠光体。
3.片状F的析出
当转变温度较低， 奥氏体中成分均匀，晶 粒粗大时，F向与其有 位向关系的奥氏体中长 大，就使得同一晶粒中 F呈片状且相互平行。 通常将这种先共析铁素 体称为魏氏组织铁素体。
3.2.3 亚(过)共析钢的珠光体转变
一、先共析相的析出条件 Fe-Fe3C相图中GS、ES线的延长线SG’、SE’具有 一定的意义，GSG’ 、ESE’线把相图分成四个区：
GSE以上为A区 GSE’以左为先共析F析 出区 ESG’以右为先共析 Fe3C析出区 E’SG’以下为伪共析P 析出区。 右图为先共析相及伪 共析组织形成范围
重点内容：
珠光体(P)的形态：片状珠光体和粒状珠光体；珠 光体片间距及其与过冷度的关系。 珠光体形成的两个基本过程、热力学、形成机制 碳的扩散过程（片状珠光体的长大机制）、片状 珠光体转为粒状珠光体机制 亚 ( 过 ) 共析钢的珠光体转变、先共析相的析出条 件、形态 共析钢珠光体转变动力学图的分析、非共析钢与 共析钢珠光体转变动力学图的异同。影响珠光体转 变动力学因素 珠光体的力学性能、影响力学性能的因素、片状 珠光体和粒状珠光体在力学性能的差异。
热处理原理之珠光体转变
ppt2023-10-29•珠光体转变概述•珠光体转变的物理机制•珠光体转变的热力学条件目录•珠光体转变的工艺参数设计•珠光体转变的应用实例•珠光体转变的研究进展与展望01珠光体转变概述珠光体转变是指钢在奥氏体化后，温度冷却到Ar1以下时，在铁素体和渗碳体两相混合物中，进行等温转变或连续冷却转变得到珠光体组织的过程。
珠光体是铁素体和渗碳体两相混合物，通常以片状、球状、针状或板状形式存在。
珠光体转变的定义等温转变将奥氏体化的钢快冷至Ar1以下某一温度，并保持一段时间，使奥氏体转变为珠光体。
连续冷却转变将奥氏体化的钢以一定的冷却速度冷却至Ar1以下某一温度，并不断进行转变，直至形成珠光体。
珠光体转变的类型珠光体转变温度范围通常很窄，一般在50-100℃之间。
转变温度范围窄珠光体转变速度相对较慢，需要一定的时间才能完成转变。
转变速度较慢珠光体转变产物为铁素体和渗碳体的两相混合物，具有中间相的特点。
转变产物具有中间相珠光体转变对材料性能影响显著，如强度、硬度、韧性等。
对材料性能影响显著珠光体转变的特点02珠光体转变的物理机制在一定温度和时间下，碳原子扩散到铁原子晶格中，形成奥氏体。
奥氏体分解随着温度的降低，奥氏体中碳原子的扩散能力下降，导致奥氏体分解为铁素体和渗碳体。
在奥氏体分解过程中，部分碳原子析出并聚集在铁素体周围，形成渗碳体。
渗碳体分解在高温下，渗碳体发生分解，其中的碳原子扩散到铁素体中，使铁素体中的碳含量增加。
渗碳体形成VS铁素体形成在奥氏体分解过程中，未被碳原子占据的晶格位置形成铁素体。
铁素体分解在高温下，铁素体中的碳原子扩散到渗碳体中，使渗碳体中的碳含量增加，同时铁素体发生分解。
03珠光体转变的热力学条件降低形成珠光体所需的孕育期温度对转变动力学的影响转变开始和结束的温度提高温度升高，促进珠光体转变缩短转变所需时间温度升高，转变动力学曲线向右移动010*********•碳含量的影响•随着碳含量增加，珠光体转变的孕育期缩短，转变速度增加•当碳含量达到一定值时，转变速度达到最大值，之后逐渐降低•其他合金元素的影响•合金元素对珠光体转变的影响主要表现在对奥氏体•一些元素可以促进奥氏体分解，如硅、锰等•一些元素可以抑制奥氏体分解，如铬、镍等应力的影响应力的作用应力可以促进珠光体转变，提高转变速度应力的作用机制应力可以引起局部的温度变化，从而影响珠光体转变；应力还可以引起金属内部晶格畸变，从而影响原子扩散过程，促进珠光体转变04珠光体转变的工艺参数设计加热速度慢，材料的变形和应力较小，但需要较长时间才能达到转变温度。
珠光体转变过程
103 nm
③原因：a.当形成温度降低，碳的扩T散A1－速T度转变减慢，碳原子难以
作较长距离的迁移，只能形成片层间距较小的珠光体；
一、珠光体的组织形态和机械性能
b. 珠光体形成时，铁素体与渗碳体界面能的增加，要由奥氏体 与珠光体的自由能之差来提供。过冷度愈大则所能提供的自由能 差愈大，即可提供更多的能量以增加F与Fe3C形成时所增加的界面 能，因此过冷度越大则形成的界面越多，片间距愈小。
渗碳体越接近等轴状、分布越均匀，则钢的韧性越好。 △在成分相同时，粒状珠光体比片状珠光体的硬度稍低，但塑
性更好。
2.粒状珠光体
△在硬度相同的条件下，P粒比P片具有更好的拉伸性能。 △P粒还具有较好的切削加工性能（对工模具钢而言）、冷成型 性能及淬火工艺性能。 所以一般工模具钢在锻造后机加工前的预备热处理为等温球化 退火，以获得粒状珠光体，目的是为了获得良好的切削加工性能以 及为最终热处理作好组织准备。
形核。因为这些区域缺陷较多，能量较高，原子容易扩散，容易满 足形核所需要的成分起伏、能量起伏和结构起伏的条件。
1.4 珠光体转变
晶核就在那些高能量、 接近渗碳体（或F）含碳 量和类似渗碳体(或F)晶 格点阵的区域产生 。
二、珠光体的形成过程
（2）珠光体的长大 珠光体长大有两种机制：一是成片形成机制；二是分枝形成机
1.4 珠光体转变
二、珠光体的形成过程（珠光体的转变机理）
1、片状珠光体的形成 两个基本过程:形核和长大。
（1）珠光体的形核 （ⅰ）珠光体转变的领先相
亚共析钢：铁素体F
过共析钢:渗碳体Fe3C 共析钢：F或Fe3C，为了
讨论问题方便，一般以渗碳体为领先
相。
1.4 珠光体转变
扩散型相变—珠光体转变
量达到最大，为0.0218%）。因为铁素体的溶碳量低，奥氏体中 多余的碳必须以渗碳体的形式脱溶出来（绝对平衡条件下碳以 石墨的形式脱溶）。 珠光体转变也是通过形核和长大过程进行的。由于珠光体 是由两相组成，因此存在哪个相首先形核的问题。自从1942 年 提出这个问题来，学术上一直都有争议。尽管近年来对领先相 的认识基本趋于一致，但领先相的问题除具有理论意义外，没 有任何实际工程应用价值。 其实，珠光体中铁素体和渗碳体同时出现的可能性极大。 因为珠光体中的铁素体和渗碳体具有固定的化学成分、固定的 组成相相对含量。珠光体不是铁素体和渗碳体两相简单地“机 械混合”，两相的形核和长大是相辅相成的。碳原子在奥氏体 中的分布不均匀是绝对的，奥氏体均匀化只是相对的。所以， 奥氏体中总是同时存在贫碳区和富碳区，贫碳区有利于铁素体 的析出，富碳区是奥氏体晶界 ，因为晶界处存在结构起伏、成分起伏和能量起伏。
后，因铁素体“排碳”，与其接壤的奥氏体的碳浓度将增加，使 奥氏体内形成碳浓度梯度，从而引起碳的扩散，结果导致界面上 碳平衡被破坏。为恢复平衡，先共析铁素体与奥氏体的相界面需 要向奥氏体一侧移动，从而使铁素体不断长大。 先共析铁素体的形态有 3 种：等轴状、网状和片状。一般认 为，等轴状和网状铁素体是由铁素体晶核的非共格界面推移而形 成；片状铁素体则是由铁素体晶核的共格界面推移而形成（魏氏 组织）。先共析铁素体的形态与钢的化学成分、奥氏体晶粒度和 冷却速度等因素有关。例如，当奥氏体晶粒较细小、等温温度较 高或冷却速度较慢时，先共析铁素体呈等轴状。反之，先共析铁 素体可能沿着奥氏体晶界呈网状析出。当奥氏体成分均匀、晶粒 粗大、冷却速度又比较适中时，先共析铁素体可能沿一定晶面向 奥氏体晶内析出，并与奥氏体有共格关系，此时先共析铁素体的 形态呈片（针）状。 5.2.3.2 过共析钢的珠光体转变 过共析钢完全奥氏体化后，冷却到 ESG ' 线以右时将析出先 共析渗碳体。析出量同样取决于奥氏体中碳的质量分数、析出温
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珠光体转变珠光体的组织形态与晶体结构
珠光体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，共析碳钢约在A1~500℃温度之间发生，又称高温转变。
珠光体转变是单相奥氏体分解为铁素体和渗碳体两个新相的机械混合物的相变过程，因此珠光体转变必然发生碳的重新分布和铁的晶格改组。
由于相变在较高的温度下进行，铁、碳原子都能进行扩散，所以珠光体转变是典型的扩散型相变。
珠光体转变在热处理实践中极为重要，因为在钢的退火与正火时所发生的都是珠光体转变。
退火与正火可以作为最终热处理，即工件经退火或正火后直接交付使用，因此在退火与正火时必须控制珠光体转变产物的形态（如片层的厚度、渗碳体的形态等），以保证退火与正火后所得到的组织具有所需要的强度、塑性与韧性等。
退火与正火也可以作为预备热处理，即为最终热处理作好组织准备，这就要求退火或正火所得组织能满足最终热处理的需要。
另外，为使奥氏体能过冷到低温，使之转变为马氏体或贝氏体，必须要保证奥氏体在冷却过程中不发生珠光体转变。
为了解决上述一系列问题，就必须对珠光体转变过程、转变机理、转变动力学、影响因素以及珠光体转变产物的性能等进行深入的研究。
珠光体……Pearlite
一、珠光体的组织形态与晶体结构
（一）珠光体的组织形态
珠光体是过冷奥氏体在A 1以下的共析转变产物，是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。
通常根据渗碳体的形态不同，把珠光体分为片状珠光体、粒状（球状）珠光体和针状珠光体，其中片状和粒状珠光体是两种常见的珠光体组织。
1、片状珠光体
渗碳体呈片状，是由一层铁素体和一层渗碳体层层紧密堆叠而成。
（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。
（2）珠光体的片间距离S 0
在片状珠光体中，一片铁素体和一片渗碳体的总厚度或相邻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离，用S 0表示。
S 0与珠光体的形成温度有关，可用下面的经验公式表示：
T C
S ∆=0
式中C=8.02×104（Å·K ），ΔT ……过冷度（K ） S 0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。
（3）片状珠光体的分类
通常所说的珠光体是指在光学显微镜下能清楚分辨出片层状态的一类珠光体，而当片间距离小到一定程度后，光学显微镜就分辨不出片层的状态了。
根据片间距离的大小，通常把珠光体分为普通珠光体、索氏体和屈氏体。
普通珠光体P：S0=1500~4500Å，光学显微镜下能清晰分辨出片层结构；
索氏体S：S0=800~1500Å，光学显微镜下很难分辨出片层结构；
屈氏体T：S0=800~1500Å，光学显微镜下无法分辨片层结构。
但是在电子显微镜下观察各类片状珠光体是没有区别的，只是片间距离不同而已。
2、粒状珠光体
渗碳体呈颗粒状，均匀地分布在铁素体基体上的组织，同样是铁素体与渗碳体的机械混合物，铁素体呈连续分布。
按渗碳颗粒的大小，料状珠光体可以分为粗粒状珠光体、粒状珠光体、细粒状珠光体和点状珠光体。
3、针状珠光体
当钢中含有一定数量的Cr，在转变温度较低时，可形成一类特异形态的珠光体，其组织外形呈黑色针状，整体呈冰花状。
（二）珠光体的晶体结构
虽然，珠光体有多种形态，但是本质上都是铁素体与渗碳体的机械混合物。
1、珠光体相变的位向关系
通常珠光体均在奥氏体晶界上形核，然后向一侧的奥氏体晶粒内长大成珠光体团，珠光体团中的铁素体及渗碳体与被长入的奥氏体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奥氏体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。
在一个珠光体团中的铁素体与渗碳体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，以利于珠光体团的长大。
2、珠光体的亚结构
退火状态下的珠光体中，铁素体内具有位错来亚结构，位错密度约为107~108/cm2，在一片铁素体中存在有亚晶界，构成许多亚晶粒。
淬火回火的粒状珠光体中铁素体基体具有多边化亚结构，通过退火得到的粒状珠光体中的铁素体，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目前认识还不清楚，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。