(第4章)珠光体及其转变

4-8
So对力学性能影响
片间距S0愈小，塑性愈高。 片间距S0愈小，强度愈高。 符合Hall-Petch 关系：σs=σ0 + kS0-1 片间距S0愈小，硬度愈高。
P
5～25HRC
S
25～36HRC
T
35～40HRC
Chapter 4 Transformation of Pearlite
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4-24
奥氏体化不充分,未溶粒状渗碳体
作为形核核心,直接形成球状珠光体。
③ 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。
4-9
Chapter 4 Transformation of Pearlite
4-10
珠光体团组织与力学性能
原奥氏体晶界
珠光体团
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。
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4-23
①片状渗碳体的表面积大于同体积的球状渗碳体， 在球化退火时，将会自发球化。
② 渗碳体尖角接壤处的F碳浓度 Cα -k 大于与平 面接壤处的碳浓度，F内碳原子扩散，打破界面 碳浓度平衡，为维持平衡，渗碳体尖角处溶解， 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。
b)
80-150nm
c)
30-80nm
2500X
珠光体 (700℃)
7500X 索氏体 (650℃)
11000X 屈氏体(600℃)
(1)平行关系；片间距随转变温度的下降而变细 (2) 渗碳体几乎连续、杆状
S0=8.02×103/△t：片间距为相邻两片( F或Fe3C) 中心之间的距离
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亚共析钢中，铁素体为领先相。
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4-16
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。
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4-36
4.4、珠光体转变动力学
Chapter 4 Transformation of Pearlite
4-4
P/S/T组织比较
光镜形貌
电镜形貌
索 氏 体 形 貌
Chapter 4 Transformation of Pearlite
4-5
P/S/T组织比较
光镜形貌
电镜形貌
屈 氏 体 形 貌
Chapter 4 Transformation of Pearlite
4-6
(1)片状珠光体 a)
150-450nm
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4-13
4.2 珠光体形成机制(热力学特点)
G与T的关系示意
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4-14
在A1 （T1 ）温度， γ 、 α 、 Fe3C 三 相 的 自由能-成分曲线有一 共切线。 在A1 温度以下温度 T2 ， γ、α、Fe3C 三 相间可作三条共切线 ，共析成分的奥氏体 的自由能在三条共切 线之上。
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4-21
• 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。
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4-31
网状F的析出
当转变温度较低，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。
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4-18
C控制长大
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4-19
• (1) 过冷奥氏体中C浓 • (2)远离珠光体晶核的奥 氏体，含碳量Cγ 为共析成 度不均匀, C原子扩散. 分含碳量，Cr-Fe3C ≤Cγ ≤ 平衡;与铁素体相接奥 Cr-a，远离珠光体晶核的 氏体形成铁素体排出C 奥氏体中C原子向与Fe3C 使碳浓度升高到Cr-a , 相接的奥氏体扩散使其形 与Fe3C相接的奥氏体形 成珠光体的Fe3C；而与F 成Fe3C使碳浓度降低到 相接的奥氏体中的C原子 Cr-Fe3C,导致C原子扩散 远离珠光体晶核方向扩散 再次发生.珠光体晶核 使其形成珠光体的F。 纵向长入奥氏体晶内。
4-7
片间距So影响因素
(1)过冷度 珠光体片层间距S0的大小， 取决于过冷度Δ T。 (2) 含碳量 过共析钢S0<亚共析钢S0;亚 共析钢：C%↓，S0 ↑ (3)合金元素 Co、Cr显著减小S0 ;Ni、 Mn、Mo使S0 增大。
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4-17
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。
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4-22
粒状珠光体形成机制
粒状珠光体特定热处理条件
(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）
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4-15
片状珠光体形成机制
ɤ → ɑ + Fe3C
珠光体形成时的领先相
(1)Fe/C的扩散重新分配； (2)铁原子从g晶格向a-Fe 与碳化物晶格的过渡。
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。
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4-11
(2)粒状珠光体组织
片状珠光体
粒状珠光体
500X
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4-12
粒状珠光体性能
力学性能取决于渗碳体颗粒的大小、形态与分 布。成分一定时，渗碳体颗粒越细，相界面越多， 钢的硬度和强度越高。碳化物越接近等轴状，分布 越均匀，则钢的韧性越好。 在成分相同的条件下，颗粒状珠光体比片状珠光体 的强度、硬度稍低，但塑性较好。颗粒状珠光体硬 度稍低的原因是由于其铁素体和渗碳体的相界面比 片状珠光体少。颗粒状珠光体塑性好是因为铁素体 连续分布，渗碳体呈颗粒状分布在铁素体基体上， 对位错运动阻碍较小。
4-27
先共析相析出条件
GSE以上:A区; GSE’以左:先共析F析出 区; ESG’以右:先共析Fe3C析 出区; E’SG’以下:伪共析P析出 区
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4-28
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。
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4-2
P
Swk.baidu.com
T
P 平 衡 态 获 得 ,S/T 非平衡态获得
Chapter 4 Transformation of Pearlite
4-3
P/S/T组织比较
光镜形貌
电镜形貌
珠 光 体 形 貌
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4-29
亚共析钢中先共析铁素体的析出
先共析F相的形态：块状（或等轴状）、 片状、网状。
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4-30
块状（或等轴状）F的析出
当P转变温度高，Fe原子自扩散充分便利，且晶 粒较细时，F在晶界形核后，由于CA-F > CA，引起 碳的扩散，为保持相界面平衡，即CA-F的高浓度， 只有继续析出F，以至长成块状F。
片状渗碳体溶断示意图
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4-25
球化机制
由界面热力学，汤姆逊-佛鲁德 Cr=Cα-k 里 西 （ Thomson-Freundlich ） 公 式：
第二相 Fe3C
Cr 2M ln C rRT
(3 - 2)
Cr -- 与半径为r的第二相颗粒相平 衡的母相溶解度。 C∞ -- 与片状（平界面）第二相相 平衡的母相溶解度。
母相 α-Fe
母相中的第二相
M -- 第二相摩尔质量，σ-- 比界面能，ρ-- 第二相密度。
第二相颗粒的半径r越小，其溶解度越大， 其周围的固溶体的平衡溶质浓度越高。
Chapter 4 Transformation of Pearlite
4-26
4.3、亚(过)共析钢珠光体转变
Chapter 4 Transformation of Pearlite
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4-20
• (3)已形成珠光体中，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。
4-32
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。
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4-33
某碳钢焊接热影响区过热段出现的粗大针状 魏氏铁素体组织
主要内容
4.1、概况
4.2、珠光体形成机制
4.3、亚(过)共析钢珠光体转变 4.4、珠光体转变动力学
4.5 小结
Chapter 4 Transformation of Pearlite
4-1
4.1 概况 珠光体为F/Fe3C混合物
铁素体 铁素体是碳溶于α-Fe 中的间隙固溶体,体心立方晶 格,“F”表示。 铁素体强度/硬度低，塑性/韧性好。其中抗拉强度 σb=250MPa，硬度(HBS)为80，伸长率δ=50%，断面 收缩率ψ=80%。用其加工的钢板利用冷轧工艺可提 高其强度。 铁素体居里点与α-Fe相同。
Chapter 4 Transformation of Pearlite
4-34
过共析钢中先共析Fe3C的析出
先共析Fe3C相的 形态：粒状、网状、 片状（针状、称为魏 氏组织渗碳体）
Chapter 4 Transformation of Pearlite
4-35
A－奥氏体、G－网状组织、M－块状铁素体、 W－魏氏组织、P－珠光体、B－贝氏体