金属加热冷却时的相变转换

• 若在奥氏体晶界上形成了一片渗
碳体（领先相为片状，主要是由于ຫໍສະໝຸດ Baidu片状的应变能较低，片状在形核过 程中的相变阻力小）
• 同时向纵横方向生长
• 由于横向生长，使周围碳原子在向渗碳
体聚集的同时，产生贫碳区，当其C%下降
到该温度下Cα/Fe3C浓度时，铁素体即在 Fe3C/γ相界面上形核并长成片状；随着F
• 奥氏体的晶
粒尺寸主要 影响珠光体 团的大小，A 晶粒越小P团 越细小。
奥氏体晶界上珠光体团示意图
1.1.4 珠光体的力学性能
• 片状珠光体：
➢ 由于铁素体的塑性变形受到阻碍，位错的移 动限于渗碳片之间的铁素体中进行，增加了变 形抗力，使强度得到提高。
➢ 渗碳体片越薄，抵抗塑性变形的能力越强， 其硬度越高；
第三章 加热金属冷却时的转变
加热金属冷却时的转变包括
1.珠光体相变 2.马氏体相变 3.贝氏体相变
1. 珠光体相变
1.1 珠光体及其形成机理
1.1.1 研究珠光体型相变的意义
铁素体和渗碳体组成的层片状机械混合 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，是钢中的重要相变。
1.1.6 粒状珠光体的形成机理
• 汤姆逊-弗雷德利西(Thomson-Frendlich)
方程
• Xr 、Xr=x 半径为γ、∝新相粒子在溶 剂中的饱和溶解度
• m —原子量，σ—表面能，ρ—密度
• 新相粒子的半径愈小，在母相中的溶解 度越大。
1.1.6.1 片状珠光体的球化
沟槽由于表面 张力作用而处于 平衡态。
的横向生长，又促使渗碳体片的形核并生 长
• 如此不断形核生长，从而形成铁素体、 渗
碳体相相同的片层。
• 片状可以大面积获得碳原子，同时使扩散 距离短，有利于扩散。
• 珠光体的纵向生长形成γ/α，γ/Fe3C相 界面后，在γ的相界面上产生浓度差Cγ/α-
Cγ/Fe3C，从而引起碳原子由α前沿向Fe3C前沿 扩散，扩散的结果破坏了相界面C浓度的平衡，
1.1.2 珠光体的类型
• 片状珠光体：
其F、Fe3C呈层状分布
• 片状珠光体(P) 150～450nm 光镜可分辨
➢ 索氏体(S) ➢ 屈氏体(T) ➢ 形成温度
80～150nm 高倍 30～80nm 光镜下不能分辨 P 650～Ar1 S 600～650 （共析碳钢） T 550～600
• 球状珠光体
为了恢复碳浓度的平衡，在γ／α相界面上形 成α，γ／Fe3C相界面上形成Fe3C。
• 珠光体的横向生长：由于其两侧渗碳体
片的形成而终止，渗碳体的横向生长亦然， 故珠光体片的横向生长很快停止；而纵向生 长继续，直到与另一方向长来的珠光体相遇 为止。这就形成了层片状的珠光体。
• 随着温度的降低，碳原子的扩散能力下 降，从而形成的铁素体、渗碳体片逐渐变 薄，片层间距缩短。由片状P→S→T。
➢ 厚的渗碳体不易变形，薄片渗碳体却可以承 受部分变形，故强度升高的同时，塑性也有所 提高。
• 球状珠光体
球状珠光体中的渗碳体为球状，其阻 碍铁素体变形的能力大为下降，比起片状 珠光体，它具有较低的强度以及较高的塑 性。
• 珠光体团尺寸的减小，由Hall-Petch公式
σS=σi+Kd-1/2知，强度将有所提高；
• 晶粒的细小，使参与滑移的晶粒数增多，虽 然每一晶粒的变形量减少，但总变形量增加， 从而塑性亦有所提高。
1.1.5 珠光体的形成机理
• 珠光体相变是扩散型相变、属形 核长大型
1.1.5.1相变的热力学条件
F0.0218+Fe3C
1.1.5.2 片状珠光体的形成机理
母相奥氏体成分均匀时，往往优先在 原奥氏体相界面上形核，而当母相成 分不均匀时，则可能在晶粒内的亚晶 界或缺陷处形核。
• 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，便于下道工 序的切削加工
• 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
• 用得更为广泛的则是作为淬火的
预先热处理，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
Fe3C呈颗粒状分布
• 材料名称：共析钢。
• 浸蚀剂：4％硝酸 酒精溶液。
• 处理情况：820℃ 加热保温后缓冷。
• 组织说明：片状珠 光体-铁素体与渗 碳体成层片状相间 排列。
• 粒状珠光体
Fe3C呈颗粒 状分布于铁 素体基体
• 片状珠光体：片层方向大致相同的珠光体称为 珠光体团（或领域），在一个奥氏体晶粒内可 以形成3～5个珠光体团。
珠光体形成时的领先相
• α相或Fe3C相，从热力学上讲，均可成为领
先相。
• 由于形成领先相的驱动力较小，所以起始相 往往与母相保持共格关系： {111}γ//{110}α//{011}Fe3C <110>γ//<111>α//<010> Fe3C
• 从成分上讲，由于钢的含碳量较低产生
低碳区更为有利，即有利于α为领先相
• 球状珠光体：珠光体中的渗碳体呈球状分布， 其渗碳体的大小、形态及分布，对最终热处理 后的性能具有直接的影响，是球化退火验收的 重要指标。
1.1.3珠光体的片层间距S
S与ΔT成反比：
珠光体型相变为扩散型相变，是受碳、铁原 子的扩散控制的。当珠光体的形成温度下降时， ΔT增加，扩散变得较为困难，从而层片间距必 然减小（以缩短原子的扩散距离），所以S与ΔT 成反比关系。原子所需扩散的距离就要增大，这 使转变发生困难；若S过小，则由于相界面面积 增大，而使表面能增大，这时ΔGV不变，△GS增 加，必然使相变驱动力过小，而使相变不易进 行。可见，S与ΔT必然存在一定的定量关系。
• 从结构上讲，在较高温度，特别在高碳 钢中，往往出现先共析Fe3C相，或存在未溶 Fe3C微粒
• 一般认为过共析钢的领先相为Fe3C，而亚
共析钢的为F，共析钢的并不排除F的可能性。
• 珠光体的形核：
➢ 依靠C原子的扩散，满足相变对成分的要求
铁原子的自扩散，则完成点阵的改组。
➢ 生长的过程则是一个“互相促发，依次形核， 逐渐伸展”的过程。
碳原子获得能