珠光体转变过程
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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 珠光体形成时， 要由奥氏体与珠光体的自由能之差来提供。 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， 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 供更多的能量以增加 与 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， 面能，因此过冷度越大则形成的界面越多，片间 距愈小。 距愈小。
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一、珠光体的组织形态和机械性能 的屈服强度和断裂强度与其S 的关系为： P片的屈服强度和断裂强度与其S0的关系为：
σs (MPa) = 139 + 46.4 S0-1(µm-1) σf (MPa) = 436.5 + 98.1 S0-1(µm-1)
式中：σs—屈服强度，σf—断裂强度，S0—珠光体片间距 屈服强度， 断裂强度， 式中： 屈服强度 断裂强度 珠光体片间距
屈服强度与珠光体团尺寸的关系符合HallP片屈服强度与珠光体团尺寸的关系符合 Petch公式： 公式： 公式 σS=σi+Kd-1/2
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一、珠光体的组织形态和机械性能
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一、珠光体的组织形态和机械性能
原因： 原因：P194
珠光体团直径减小使塑性提高的原因： 珠光体团 珠光体团直径减小使塑性提高的原因 ： 直径减小， 则单位体积内片层排列方向增多， 直径减小 ， 则单位体积内片层排列方向增多 ， 使 局部产生大量塑性变形引起应力集中的可能性减 因而既提高了强度，也改善了塑性。 小，因而既提高了强度，也改善了塑性。
由于珠光体转变的温度较高， 由于珠光体转变的温度较高 ， Fe 原子都能扩散较大的距离， 和 C原子都能扩散较大的距离 ， 原子都能扩散较大的距离 珠光体又是在位错等微观缺陷较 多的晶界形核， 多的晶界形核 ， 相变需要的自由 能较小， 能较小 ， 所以在较小的过冷度下 就可以发生相变。 就可以发生相变。
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2.粒状珠光体 2.粒状珠光体
在硬度相同的条件下， △ 在硬度相同的条件下 ， P 粒 比 P 片 具有更好的 拉伸性能。 拉伸性能。 还具有较好的切削加工性能（ △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。 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， 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。 理作好组织准备。
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1.4 珠光体转变
晶核就在那些高 能量、 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。
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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 两种机制： 成片形成机制； 珠光体长大有两种机制：一是成片形成机制； 二是分枝形成机制。 二是分枝形成机制。 分枝形成机制 早期：Mehl和Hull提出成片形成机制。 早期：Mehl和Hull提出成片形成机制。 提出成片形成机制 1962年 Hillert开始提出分枝形成机制。 1962年：Hillert开始提出分枝形成机制。 开始提出分枝形成机制 1973年 Dippenaar和 Honeycombe根据透射电 1973 年 ： Dippenaar 和 Honeycombe 根据透射电 镜观察结果， 镜观察结果 ， 证实成片形成机制和分枝形成机制 是同时存在的。 是同时存在的。
1.4 珠光体转变
1.4 珠光体转变
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1.4 珠光体转变
珠光体是铁素体和渗碳体两相机械混合 物。 按渗碳体的形态，珠光体分为片状珠光 按渗碳体的形态，珠光体分为片状珠光 粒状珠光体两种 两种。 体和粒状珠光体两种。
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1.4 珠光体转变
研究珠光体转变的意义
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一、珠光体的组织形态和机械性能 （3）片状珠光体按S0大小分类 片状珠光体按S
类型 形成温度 S0 形态 珠光体(P) A1～650℃ 450～150nm 粗片 光学显微镜明显分辩 珠光体 ℃ 0 片状珠光体 索氏体(S) 650 600℃ 150 索氏体(S) 650～600℃ 150～80nm 屈氏体(T) 600～550℃ 80～30nm 屈氏体 0 ℃ ～ 光学显微镜 （800～1500X）才能分辩 0 ） 更细片 电子显微镜下分辩 细片
一、珠光体的组织形态和机械性能 （2）珠光体的片间距S0 珠光体的片间距S ①定义：P192 定义： ②影响S0的因素：0 = 8.02 ×103 nm 影响S 的因素： S
∆T
TA1－T转变
原因： 形成温度降低， ③原因：a.当形成温度降低，碳的扩散速度减 碳原子难以作较长距离的迁移， 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； 层间距较小的珠光体；
讨论问题方便，一般以渗碳体为领先相。 讨论问题方便，一般以渗碳体为领先相。
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1.4 珠光体转变
（ⅱ）珠光体形核位置 领先相大多在奥氏体晶界或相界面 （ 领先相大多 在奥氏体晶界或相界面（ 奥氏体与 在奥氏体晶界或相界面 先共析相界面） 上形核。 先共析相界面 ） 上形核 。 因为这些区域缺陷较多 能量较高， 原子容易扩散， ， 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。 要的成分起伏、能量起伏和结构起伏的条件。
P （α + Fe3C ）…扩散型相变 扩散型相变
0.0218%C
面心立方
6.69%C …化学成分变化 …化学成分变化 通过C原子扩散完成） （通过C原子扩散完成） …晶体结构变化 体心立方 复杂斜方 晶体结构变化 通过铁原子自扩散、 原子扩散完成） （通过铁原子自扩散、C原子扩散完成）
珠光体的形成包括： 碳原子重新分布， 珠光体的形成包括 ： 1. 碳原子重新分布 ， 由碳含量为 77%奥氏体转变为高碳的渗碳体和低碳的铁素体； 0.77% 奥氏体转变为高碳的渗碳体和低碳的铁素体 ； 2. 点 阵重构（晶格重组） 阵重构（晶格重组），由面心立方的奥氏体转变为体心立 方的铁素体和复杂斜方的渗碳体。 方的铁素体和复杂斜方的渗碳体。
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1.4 珠光体转变
二、珠光体的形成过程（珠光体的转变机理） 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。 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 亚共析钢：铁素体F 过共析钢:渗碳体Fe 过共析钢:渗碳体Fe3C 共析钢：F或Fe3C，为了
形成铁素体和渗碳体组成的机械混合物， 铁素体为体心立方，硬度低而塑性高； 渗碳体为正交晶系，质硬而脆，两者合 理的匹配，可得到良好的综合力学性能。 作为最终热处理，获得一定形态的珠光 体，使结构件具有良好的综合力学性能。
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1.4 珠光体转变 发生珠光体转变的热处理可作 为机加工的中间热处理，消除 因前一道工序造成的加工硬化， 改善机加工性能，便于下道工 序的切削加工。--预备热处理
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1.4 珠光体转变
用得更为广泛的则是作为淬火的 预备热处理，为淬火作好组织上的 准备 对于要求高硬度、高强度的构件， 则希望获得马氏体，为避免因工艺 不当使组织中出现珠光体，则必须 研究珠光体的形成动力学
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1.4 珠光体转变
珠光体转变的热力学条件
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1.4 珠光体转变
共析钢奥氏体化后缓冷或在略低于 温度下等温， 共析钢奥氏体化后缓冷或在略低于A1温度下等温， 奥氏体化后缓冷或在略低于 奥氏体将转变为珠光体，可表示为： 奥氏体将转变为珠光体，可表示为：
A
0.77%C
→
A1～ ℃（高温转变） 550
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一、珠光体的组织形态和机械性能
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一、珠光体的组织形态和机械性能 （4）片状珠光体的机械性能 的机械性能主要决定于片间距 片间距S P 片 的机械性能主要决定于 片间距 S0 和 珠光体 团的直径，片间距和珠光体团的直径越小， 团的直径 ， 片间距和珠光体团的直径越小 ， 钢 的强度和硬度越高，塑性也越大（ 150nm 的强度和硬度越高，塑性也越大（当S0＜150nm 时）。
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1.4 珠光体转变
一、珠光体的组织形态和机械性能 1、片状珠光体 、 （1）组织形态 ） 其F、Fe3C呈层状分布 重量比： 重量比：F: Fe3C = 8:1 珠光体领域 或称珠光体团 或称珠光体团
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1.4 珠光体转变
珠光体领域
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2.粒状珠光体 2.粒状珠光体 （2）粒状珠光体的机械性能 的力学性能主要取决于渗碳体颗粒的大小、 P粒的力学性能主要取决于渗碳体颗粒的大小、 形态与分布。 形态与分布。 △钢的成分一定时，渗碳体颗粒越细，则钢的 钢的成分一定时，渗碳体颗粒越细， 硬度和强度越高。 渗碳体越接近等轴状、 硬度和强度越高 。 渗碳体越接近等轴状 、 分布越 均匀，则钢的韧性越好。 均匀，则钢的韧性越好。 在成分相同时， △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。 硬度稍低，但塑性更好。
二、珠光体的形成过程
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二、珠光体的形成过程
在一个珠光体领域形成的同时， c 、 在一个珠光体领域形成的同时 ， 有可能在 奥氏体晶界的其它领域， 奥氏体晶界的其它领域，或在已形成的珠光体领 域的边缘上形成新的、其它取向的渗碳体晶核， 域的边缘上形成新的、其它取向的渗碳体晶核， 并由此形成另一个不同取向的珠光体领域。直到 并由此形成另一个不同取向的珠光体领域。 各个珠光体领域相遇，奥氏体全部分解完了， 各个珠光体领域相遇，奥氏体全部分解完了，珠 光体转变即告结束。 光体转变即告结束。最后得到了片状的珠光体组 织。
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一、珠光体的组织形态和机械性能 等温冷却形成的片状珠光体与连续冷却形成 的片状珠光体其组织与性能有什么差别？ 的片状珠光体其组织与性能有什么差别？
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一、珠光体的组织形态和机械性能 2、粒状珠光体 、 （1）组织形态 在铁素体基本上分布 着粒状渗碳体的两相机械 混合物称为粒状珠光体。 混合物称为粒状珠光体 。 粒状珠光体一般经球化退 粒状珠光体一般经 球化退 而得到， 也可以通过淬 火 而得到 ， 也可以通过 淬 火加回火处理得到。 火加回火处理得到。 处理得到
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二、珠光体的形成过程
（ⅰ）成片形成机制：由两个过程组成：横向形 成片形成机制：由两个过程组成： 核长大和纵向长大。 核长大和纵向长大。 a、横向形核长大 横向长大是层片数增 加。-P195 b、纵向长大 纵向长大是向奥氏体 晶粒推进。 晶粒推进。
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二、珠光体的形成过程
（ⅱ）分枝形成机制
（3）过冷奥氏体转变为珠光体时，晶格的重构 过冷奥氏体转变为珠光体时， 是由铁原子自扩散和碳原子的扩散完成的。 是由铁原子自扩散和碳原子的扩散完成的。
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二、珠光体的形成过程
2、粒状珠光体的形成 粒状珠光体可通过平衡组织球化退火和 粒状珠光体可通过平衡组织球化退火和马氏体 球化退火 组织回火得到。 组织回火得到。 得到 球化退火包括： 球化退火包括： 1.普通球化退火 1.普通球化退火 2.等温球化退火 2.等温球化退火 3.周期球化退火等 3.周期球化退火等
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 珠光体形成时， 要由奥氏体与珠光体的自由能之差来提供。 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， 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 供更多的能量以增加 与 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， 面能，因此过冷度越大则形成的界面越多，片间 距愈小。 距愈小。
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一、珠光体的组织形态和机械性能 的屈服强度和断裂强度与其S 的关系为： P片的屈服强度和断裂强度与其S0的关系为：
σs (MPa) = 139 + 46.4 S0-1(µm-1) σf (MPa) = 436.5 + 98.1 S0-1(µm-1)
式中：σs—屈服强度，σf—断裂强度，S0—珠光体片间距 屈服强度， 断裂强度， 式中： 屈服强度 断裂强度 珠光体片间距
屈服强度与珠光体团尺寸的关系符合HallP片屈服强度与珠光体团尺寸的关系符合 Petch公式： 公式： 公式 σS=σi+Kd-1/2
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一、珠光体的组织形态和机械性能
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一、珠光体的组织形态和机械性能
原因： 原因：P194
珠光体团直径减小使塑性提高的原因： 珠光体团 珠光体团直径减小使塑性提高的原因 ： 直径减小， 则单位体积内片层排列方向增多， 直径减小 ， 则单位体积内片层排列方向增多 ， 使 局部产生大量塑性变形引起应力集中的可能性减 因而既提高了强度，也改善了塑性。 小，因而既提高了强度，也改善了塑性。
由于珠光体转变的温度较高， 由于珠光体转变的温度较高 ， Fe 原子都能扩散较大的距离， 和 C原子都能扩散较大的距离 ， 原子都能扩散较大的距离 珠光体又是在位错等微观缺陷较 多的晶界形核， 多的晶界形核 ， 相变需要的自由 能较小， 能较小 ， 所以在较小的过冷度下 就可以发生相变。 就可以发生相变。
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2.粒状珠光体 2.粒状珠光体
在硬度相同的条件下， △ 在硬度相同的条件下 ， P 粒 比 P 片 具有更好的 拉伸性能。 拉伸性能。 还具有较好的切削加工性能（ △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。 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， 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。 理作好组织准备。
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1.4 珠光体转变
晶核就在那些高 能量、 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。
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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 两种机制： 成片形成机制； 珠光体长大有两种机制：一是成片形成机制； 二是分枝形成机制。 二是分枝形成机制。 分枝形成机制 早期：Mehl和Hull提出成片形成机制。 早期：Mehl和Hull提出成片形成机制。 提出成片形成机制 1962年 Hillert开始提出分枝形成机制。 1962年：Hillert开始提出分枝形成机制。 开始提出分枝形成机制 1973年 Dippenaar和 Honeycombe根据透射电 1973 年 ： Dippenaar 和 Honeycombe 根据透射电 镜观察结果， 镜观察结果 ， 证实成片形成机制和分枝形成机制 是同时存在的。 是同时存在的。
1.4 珠光体转变
1.4 珠光体转变
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1.4 珠光体转变
珠光体是铁素体和渗碳体两相机械混合 物。 按渗碳体的形态，珠光体分为片状珠光 按渗碳体的形态，珠光体分为片状珠光 粒状珠光体两种 两种。 体和粒状珠光体两种。
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1.4 珠光体转变
研究珠光体转变的意义
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一、珠光体的组织形态和机械性能 （3）片状珠光体按S0大小分类 片状珠光体按S
类型 形成温度 S0 形态 珠光体(P) A1～650℃ 450～150nm 粗片 光学显微镜明显分辩 珠光体 ℃ 0 片状珠光体 索氏体(S) 650 600℃ 150 索氏体(S) 650～600℃ 150～80nm 屈氏体(T) 600～550℃ 80～30nm 屈氏体 0 ℃ ～ 光学显微镜 （800～1500X）才能分辩 0 ） 更细片 电子显微镜下分辩 细片
一、珠光体的组织形态和机械性能 （2）珠光体的片间距S0 珠光体的片间距S ①定义：P192 定义： ②影响S0的因素：0 = 8.02 ×103 nm 影响S 的因素： S
∆T
TA1－T转变
原因： 形成温度降低， ③原因：a.当形成温度降低，碳的扩散速度减 碳原子难以作较长距离的迁移， 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； 层间距较小的珠光体；
讨论问题方便，一般以渗碳体为领先相。 讨论问题方便，一般以渗碳体为领先相。
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1.4 珠光体转变
（ⅱ）珠光体形核位置 领先相大多在奥氏体晶界或相界面 （ 领先相大多 在奥氏体晶界或相界面（ 奥氏体与 在奥氏体晶界或相界面 先共析相界面） 上形核。 先共析相界面 ） 上形核 。 因为这些区域缺陷较多 能量较高， 原子容易扩散， ， 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。 要的成分起伏、能量起伏和结构起伏的条件。
P （α + Fe3C ）…扩散型相变 扩散型相变
0.0218%C
面心立方
6.69%C …化学成分变化 …化学成分变化 通过C原子扩散完成） （通过C原子扩散完成） …晶体结构变化 体心立方 复杂斜方 晶体结构变化 通过铁原子自扩散、 原子扩散完成） （通过铁原子自扩散、C原子扩散完成）
珠光体的形成包括： 碳原子重新分布， 珠光体的形成包括 ： 1. 碳原子重新分布 ， 由碳含量为 77%奥氏体转变为高碳的渗碳体和低碳的铁素体； 0.77% 奥氏体转变为高碳的渗碳体和低碳的铁素体 ； 2. 点 阵重构（晶格重组） 阵重构（晶格重组），由面心立方的奥氏体转变为体心立 方的铁素体和复杂斜方的渗碳体。 方的铁素体和复杂斜方的渗碳体。
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1.4 珠光体转变
二、珠光体的形成过程（珠光体的转变机理） 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。 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 亚共析钢：铁素体F 过共析钢:渗碳体Fe 过共析钢:渗碳体Fe3C 共析钢：F或Fe3C，为了
形成铁素体和渗碳体组成的机械混合物， 铁素体为体心立方，硬度低而塑性高； 渗碳体为正交晶系，质硬而脆，两者合 理的匹配，可得到良好的综合力学性能。 作为最终热处理，获得一定形态的珠光 体，使结构件具有良好的综合力学性能。
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1.4 珠光体转变 发生珠光体转变的热处理可作 为机加工的中间热处理，消除 因前一道工序造成的加工硬化， 改善机加工性能，便于下道工 序的切削加工。--预备热处理
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1.4 珠光体转变
用得更为广泛的则是作为淬火的 预备热处理，为淬火作好组织上的 准备 对于要求高硬度、高强度的构件， 则希望获得马氏体，为避免因工艺 不当使组织中出现珠光体，则必须 研究珠光体的形成动力学
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1.4 珠光体转变
珠光体转变的热力学条件
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1.4 珠光体转变
共析钢奥氏体化后缓冷或在略低于 温度下等温， 共析钢奥氏体化后缓冷或在略低于A1温度下等温， 奥氏体化后缓冷或在略低于 奥氏体将转变为珠光体，可表示为： 奥氏体将转变为珠光体，可表示为：
A
0.77%C
→
A1～ ℃（高温转变） 550
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一、珠光体的组织形态和机械性能
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一、珠光体的组织形态和机械性能 （4）片状珠光体的机械性能 的机械性能主要决定于片间距 片间距S P 片 的机械性能主要决定于 片间距 S0 和 珠光体 团的直径，片间距和珠光体团的直径越小， 团的直径 ， 片间距和珠光体团的直径越小 ， 钢 的强度和硬度越高，塑性也越大（ 150nm 的强度和硬度越高，塑性也越大（当S0＜150nm 时）。
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1.4 珠光体转变
一、珠光体的组织形态和机械性能 1、片状珠光体 、 （1）组织形态 ） 其F、Fe3C呈层状分布 重量比： 重量比：F: Fe3C = 8:1 珠光体领域 或称珠光体团 或称珠光体团
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1.4 珠光体转变
珠光体领域
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2.粒状珠光体 2.粒状珠光体 （2）粒状珠光体的机械性能 的力学性能主要取决于渗碳体颗粒的大小、 P粒的力学性能主要取决于渗碳体颗粒的大小、 形态与分布。 形态与分布。 △钢的成分一定时，渗碳体颗粒越细，则钢的 钢的成分一定时，渗碳体颗粒越细， 硬度和强度越高。 渗碳体越接近等轴状、 硬度和强度越高 。 渗碳体越接近等轴状 、 分布越 均匀，则钢的韧性越好。 均匀，则钢的韧性越好。 在成分相同时， △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。 硬度稍低，但塑性更好。
二、珠光体的形成过程
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二、珠光体的形成过程
在一个珠光体领域形成的同时， c 、 在一个珠光体领域形成的同时 ， 有可能在 奥氏体晶界的其它领域， 奥氏体晶界的其它领域，或在已形成的珠光体领 域的边缘上形成新的、其它取向的渗碳体晶核， 域的边缘上形成新的、其它取向的渗碳体晶核， 并由此形成另一个不同取向的珠光体领域。直到 并由此形成另一个不同取向的珠光体领域。 各个珠光体领域相遇，奥氏体全部分解完了， 各个珠光体领域相遇，奥氏体全部分解完了，珠 光体转变即告结束。 光体转变即告结束。最后得到了片状的珠光体组 织。
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一、珠光体的组织形态和机械性能 等温冷却形成的片状珠光体与连续冷却形成 的片状珠光体其组织与性能有什么差别？ 的片状珠光体其组织与性能有什么差别？
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一、珠光体的组织形态和机械性能 2、粒状珠光体 、 （1）组织形态 在铁素体基本上分布 着粒状渗碳体的两相机械 混合物称为粒状珠光体。 混合物称为粒状珠光体 。 粒状珠光体一般经球化退 粒状珠光体一般经 球化退 而得到， 也可以通过淬 火 而得到 ， 也可以通过 淬 火加回火处理得到。 火加回火处理得到。 处理得到
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二、珠光体的形成过程
（ⅰ）成片形成机制：由两个过程组成：横向形 成片形成机制：由两个过程组成： 核长大和纵向长大。 核长大和纵向长大。 a、横向形核长大 横向长大是层片数增 加。-P195 b、纵向长大 纵向长大是向奥氏体 晶粒推进。 晶粒推进。
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二、珠光体的形成过程
（ⅱ）分枝形成机制
（3）过冷奥氏体转变为珠光体时，晶格的重构 过冷奥氏体转变为珠光体时， 是由铁原子自扩散和碳原子的扩散完成的。 是由铁原子自扩散和碳原子的扩散完成的。
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二、珠光体的形成过程
2、粒状珠光体的形成 粒状珠光体可通过平衡组织球化退火和 粒状珠光体可通过平衡组织球化退火和马氏体 球化退火 组织回火得到。 组织回火得到。 得到 球化退火包括： 球化退火包括： 1.普通球化退火 1.普通球化退火 2.等温球化退火 2.等温球化退火 3.周期球化退火等 3.周期球化退火等