珠光体转变
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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
3珠光体转变
先共析F形成示意图
（B）过共析钢中先共析Fe3C形成
过共析钢会析出先共析Fe3C 形态：网状、片状（针）－魏氏组织 晶体学关系： Fe3C与Ａ之间具有Pitsch关系
1. 珠光体等温转变的动力学曲线及动力学图
亚（过）共析钢珠光体等温转变动力
2.影响珠光体转变动力学因素
1）含碳量的影响
在亚共析钢中，随C含量增加，先共 析铁素体与P孕育期增长，析出速度下降， 转变速度下降。
这是由于随C含量增加，获得F晶核几率下 降。F长大时，需扩散去的碳量增大，析出速 度下降，而P的析出在F之后，F析出减慢， P的析出也减慢。
片状珠光体
（T8钢990℃炉冷）500×
片状珠光体 （T8钢800℃炉冷）1000×
高倍下有浮凸片状珠光体
（T8钢840℃炉冷）3800×
片状珠光体片层间距（ S0 ）： 片状珠光体相邻两片渗碳体（铁素体）中心 之间的距离。
影响因素 温度，随T↓， S0 ↓ 原因： （1）随T↓ ，碳原子扩散速度减小 （2）过冷度越大，形核率越高
在过共析钢中，随C含量增加，先共析 Fe3C与P孕育期缩短,析出速度增加，转变 速度增加。这是由于随C量增加，获得 Fe3C晶核几率增加，P的形成是在Fe3C之后， 故也加快。 • 综上所述，共析钢的A最稳定。
2）加热和保温时间的影响
因为A成分不一定是钢的成分，所以加热和保温时 间不同，得到的A也不一样，必然对随后的冷却转变 起影响。 当奥氏体化温度↑，保温时间↑，A成分均匀，晶 粒↑，晶界面积↓， P形核位臵↓，I↓，V↓。 当奥氏体化温度↓，保温时间↓, A成分不均匀，晶粒 ↓，晶界面积↑， 且有残余K存在，P形核位臵↑，I↑， V↑。 上述二种影响，当P转变是在高温时更为剧烈。
珠光体转变过程
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。
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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回主目珠光体形核位置 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。
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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。
第三章珠光体转变
2、珠光体的形成机理 （1）形核
γ(0.77%C) → α(~0.02%C) + cem(6.67%C) (面心立方) （体心立方） （复杂单斜）
条件：同样需要满足系统内的“结构起伏、成分起伏和 能量起伏”。 部位：晶核多半产生在奥氏体的晶界上（晶界的交叉点 更有利于珠光体晶核形成），或其它晶体缺陷（如位错） 比较密集的区域。
c)表示由晶界长出的渗碳体片，伸向 晶粒内后形成了一个珠光体团。
其中a)和b)为离异共析组织。
3.2.3 粒状珠光体形成机制
1) 粒状珠光体的形成 特定条件是：奥氏体化温度 低，保温时间较短，即加热 转变未充分进行，此时奥氏 体中有许多未溶解的残留碳 化物或许多微小的高浓度C的 富集区，
其次是转变为珠光体的等温 温度要高，等温时间要足够 长，或冷却速度极慢，这样 可能使渗碳体成为颗粒（球） 状，即获得粒状珠光体。
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。
3、特殊形态的P
当钢中含有一定数量 的合金，形成碳化物 时形态多样。
片状--粒状--针状—纤 维状
3.1.2珠光体的晶体结构
1、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。
珠光体转变PPT课件
“派敦（登）处理”
T12球化退火组织
•4
2.粒状P： Fe3C颗粒的大小及分布 颗粒越小相界面硬度、强度 3.比较：①成分一定 HB、s 球P<片P 塑性 球P片P （F连续分布） ②强度相同：疲劳极限 球P片P ③球P在淬火时的变形开裂倾向小；
§4-2 珠光体转变机制
一、一般概述 二、珠光体的领先相 三、片状珠光体的形成 四、粒状珠光体的形成
重点： 1.掌握珠光体的组织形态与晶体结构； 2.掌握珠光体的形成机理； 3.掌握珠光体的力学性能； 4.掌握先共析转变； 难点： 1.珠光体（片状和粒状）的形成机理； 2.先共析产物的形成机理。
•1
T、转变温度降低驱动力、Fe、C原子活动能力
高温转变 Fe、C充分扩散 P 中温转变 C能扩散、 Fe不能 B 低温转变 Fe、C均不能扩散 M
F析出CA/F抑制F的长大析出碳化物CA/F
温度范围：Ａ１点以下，Ｂ转变温度以上----含有Ｎｂ、Ｖ元素的合金钢中
•30
转变温度低，Ｃ及合金元素可能扩散的距离很小，加之钢中c，单位体 积内可提供的Ｃ原子数量很少从Ａ中在晶界上析出的特殊碳化物只能呈细
小粒状分布。
碳化物是在A/F界面上形核与Ｆ保持共格或半共格关系并在Ｆ中长大
F和Fe3C向A晶粒内部纵向长大
•11
3、P的分枝形成机制
P只是以纵向长大的方式进行，至于横向的展宽，并不是通 过横向重复形核，而是以分岔的方式进行。
Fe3C晶核纵向长大不断分枝 F在枝间形成
片织
T12钢退火组织
•13
四、粒状P的形成
1.过冷A直接分解形成粒状P 2.由片状P球化而成 3.淬火组织回火
强碳化物形成元素 右移----溶入A中 左移----未溶碳化物
T12球化退火组织
•4
2.粒状P： Fe3C颗粒的大小及分布 颗粒越小相界面硬度、强度 3.比较：①成分一定 HB、s 球P<片P 塑性 球P片P （F连续分布） ②强度相同：疲劳极限 球P片P ③球P在淬火时的变形开裂倾向小；
§4-2 珠光体转变机制
一、一般概述 二、珠光体的领先相 三、片状珠光体的形成 四、粒状珠光体的形成
重点： 1.掌握珠光体的组织形态与晶体结构； 2.掌握珠光体的形成机理； 3.掌握珠光体的力学性能； 4.掌握先共析转变； 难点： 1.珠光体（片状和粒状）的形成机理； 2.先共析产物的形成机理。
•1
T、转变温度降低驱动力、Fe、C原子活动能力
高温转变 Fe、C充分扩散 P 中温转变 C能扩散、 Fe不能 B 低温转变 Fe、C均不能扩散 M
F析出CA/F抑制F的长大析出碳化物CA/F
温度范围：Ａ１点以下，Ｂ转变温度以上----含有Ｎｂ、Ｖ元素的合金钢中
•30
转变温度低，Ｃ及合金元素可能扩散的距离很小，加之钢中c，单位体 积内可提供的Ｃ原子数量很少从Ａ中在晶界上析出的特殊碳化物只能呈细
小粒状分布。
碳化物是在A/F界面上形核与Ｆ保持共格或半共格关系并在Ｆ中长大
F和Fe3C向A晶粒内部纵向长大
•11
3、P的分枝形成机制
P只是以纵向长大的方式进行，至于横向的展宽，并不是通 过横向重复形核，而是以分岔的方式进行。
Fe3C晶核纵向长大不断分枝 F在枝间形成
片织
T12钢退火组织
•13
四、粒状P的形成
1.过冷A直接分解形成粒状P 2.由片状P球化而成 3.淬火组织回火
强碳化物形成元素 右移----溶入A中 左移----未溶碳化物
3珠光体转变.
2、珠光体的组织形态
片状珠光体
珠光体形态
粒状珠光体
1）片状P的显微结构：
●由Fe3C片和F片互相交替排列组成的。 ●试样用4％硝酸酒精溶液浸蚀，显示P由片状Fe3C（暗色）和F （白色）组成。 ●试样经深浸蚀将F优先腐蚀掉， 再用扫描电镜观察，片状 Fe3C成浮凸像。
片状珠光体
（T8钢990℃炉冷）500×
2）粒状P的显微结构：
球化退火显微组织 （T10钢球化退火）580X
粒状珠光体 （T8钢球化退火） 550×
关于粒状珠光体的几个要点
●粒状珠光体:Fe3C以粒状分布于F基体上形成
的混合组织。
●采用球化处理工艺可以得到粒状珠光体组织。
● Fe3C的量由钢的C%决定 ，
● Fe3C的尺寸,形状由球化工艺决定。
其中: C =8.02×10 3(nm· K)；S0：珠光体的片间距(nm)； △T：过冷度，即珠光体转变温度与临界点A1之差。
S0 = C /△ T
亚共析钢显微组织（45钢，退火）×580 铁素体为浅蓝颜色，珠光体为多种颜色
过共析钢显微组织（T12钢，退火）×580
珠光体+白色网状渗碳体
片状珠光体分为三种：
一般所谓的珠光体(P)，是指光学 显微镜下能明显分辨出片层的珠光 体，此时片间距为150～450 nm， 当片间距为80～150 nm时，称为索 氏体(S)，片间距为30～80 nm时， 称为屈氏体(T)。
珠光体形貌像
光镜下形貌
电镜下形貌
索氏体形貌像
光镜形貌
电镜形貌
屈氏体形貌像
光镜形貌
电镜形貌
②淬火变形、开裂倾向小，疲劳强度（σ-1）高。 ③可切性能好，对刀具磨损小。
第三章 珠光体转变
粒状珠光体
3.1 珠光体的组织特征
片状珠光体 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S0表示。 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 。
层片状珠光体示意图
3.1 珠光体的组织特征
根据片层间距大小的不同，可将珠光体分为三种。
3.1 珠光体的组织特征
珠光体——一般所谓的片状珠光体是指在光学显微镜下能明 显分辨出铁素体和渗碳体层片状组织形态的珠光体。它的片 间距大约为450~150nm，形成于A1~650℃温度范围内。
3.1 珠光体的组织特征
索氏体——如果形成温度较低，在650~600℃温度范围内形 成的珠光体，其片间距较小，约为150~80nm，只有在高倍 的光学显微镜下（放大800~1500倍时）才能分辨出铁素体和 渗碳体的片层形态。
3.3 珠光体动力学
（3）形核率I和长大速度G与转变时间的关系
当转变温度一定时，随转 变时间的延长，I 逐渐增大 ，而对G无明显的影响。
3.3 珠光体动力学
1、有孕育期，且随温度的 变化有极小值； 2、温度降低，转变速度增 加，对应鼻点温度时转变速度 最大； 3、转变时间增加，转变量 增加，当转变量超过50%后， 转变速度减慢。 因为在A→P时，对A产生压 应力抑制A →P的转变，压应 力下，C、Fe原子扩散和晶格 改组困难。
3.1 珠光体的组织特征
珠光体形成的过程中，新相铁素体和母相奥氏体的位向关系 110 // 112 ; 112 // 110
在亚共析钢中，先共析铁素体与奥氏体的位向关系
(111) //(110 ) ;[110 ] //[111]
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。
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。
第三章 珠光体转变
第三章 珠光体转变
热处理原理与工艺 第三章 珠光体转变
1
第三章 珠光体转变
导读
▪ 通过学习本章，重点掌握钢中珠光体的 概念，物理本质，组织结构特点，珠光 体转变的物理过程，分解动力学特征及 C曲线的影响因素。了解珠光体分解热力 学，形核长大机理等知识。
2
第三章 珠光体转变
第三章 珠光体转变
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……Pearlite
3
3.1 珠光体的组织特征
第三章 珠光体转变
3.1.1 珠光体的组织形态
第
一
珠光体是过冷奥氏体在A1以下的共析转变产物，
节 是铁素体和渗碳体组成的机械混合物(P)。
珠
形状分类：片状珠光体、粒状(球状)珠光体和针
光 体
状珠光体；片状和粒状最常见。
的 1、片状珠光体
组
织
渗碳体呈片状，是由一层铁素体和一层渗碳体层
镜下可辨，用符号S 表示。
珠 光 体 的 组 织 特 征 光镜形貌
电镜形貌
13
第三章 珠光体转变
▪ ⑶ 托氏体
▪ 形成温度为600-550℃，片层极薄，电镜下可辨，
第 一
用符号T 表示。
节
珠
光
体
的
组
织
特
光镜形貌
电镜形貌
征
热处理原理与工艺 第三章 珠光体转变
1
第三章 珠光体转变
导读
▪ 通过学习本章，重点掌握钢中珠光体的 概念，物理本质，组织结构特点，珠光 体转变的物理过程，分解动力学特征及 C曲线的影响因素。了解珠光体分解热力 学，形核长大机理等知识。
2
第三章 珠光体转变
第三章 珠光体转变
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……Pearlite
3
3.1 珠光体的组织特征
第三章 珠光体转变
3.1.1 珠光体的组织形态
第
一
珠光体是过冷奥氏体在A1以下的共析转变产物，
节 是铁素体和渗碳体组成的机械混合物(P)。
珠
形状分类：片状珠光体、粒状(球状)珠光体和针
光 体
状珠光体；片状和粒状最常见。
的 1、片状珠光体
组
织
渗碳体呈片状，是由一层铁素体和一层渗碳体层
镜下可辨，用符号S 表示。
珠 光 体 的 组 织 特 征 光镜形貌
电镜形貌
13
第三章 珠光体转变
▪ ⑶ 托氏体
▪ 形成温度为600-550℃，片层极薄，电镜下可辨，
第 一
用符号T 表示。
节
珠
光
体
的
组
织
特
光镜形貌
电镜形貌
征
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℃
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
珠光体转变
• (d) 亚(过)共析钢的TTT曲线左上方有一先共 析F(Fe3C)线，如图2-4-3。
2-4-4、 45钢的等温转变图
2-4-5、 T11钢的动力学图
三. 影响珠光体转变动力学因素
• 1. 含碳量的影响
在亚共析钢中，随C含量增加，先共析铁素 体与P孕育期增长，析出速度下降，转变速度 下降。这是由于随C含量增加，获得F晶核几率 下降。F长大时，需扩散去的碳量增大，析出 速度下降，而P的析出在F之后，F析出减慢，P 的析出也减慢。 • 在过共析钢中，随C含量增加，先共析Fe3C 与P孕育期缩短,析出速度增加，转变速度增加。 这是由于随C量增加，获得Fe3C晶核几率增加， P的形成是在Fe3C之后，故也加快。 • 综上所述，共析钢的A最稳定。
图2-2-6
第三节 亚(过)共析钢的珠光体转变
• 一. 伪共析转变 亚(过)共析钢A 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(见图2-3-1)。
图2-2-7
二. 亚共析钢中先共析铁素体的析出 1. 块状F的析出 当P转变温度高，Fe 原子自扩散便利，且 晶粒较细时，F在晶 界形核后，由于CA-F > CA (见图2-3-2)，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(见图2-3-3)。
• • • •
• ÿ由Thomson-Freundlieh方程，可列出：
• • 其中，σ 为表面张力，M为原子量，r为粒子半径，ρ为 密度，(XαB)r即半径为r的α相中B的溶解度，(XαB)∞即为 半径∞时α相中的B的溶解度，显然，粒子半径r越小， 溶解度越大。半径为∞是指粒子呈平面形状。 • 根据上式，小半径粒子中(呈尖角处)碳的溶解度高， 大半径粒子(呈平面处)的溶解度低。这就在与其接触 的F内形成碳的浓度梯度，使尖角附近的碳原子向平面 附近扩散。这种扩散破坏了界面平衡，使尖角进一步 溶解，而平面处形成堆积和析出。最终各处都形成曲 率半径相近的球粒形状的碳化物。
珠光体转变
干大致平行的铁素体与渗碳体片组成一个珠光体领域，或称珠光体团，在一个奥氏体晶粒内，可以形成几个珠光体团。
珠光体中渗碳体θ与铁素体α片厚之和称为珠光体的片问距，用S 0表示。
片间距是用来衡量片状珠光体组织粗细程度的一个主要指标片状珠光体一般在两个奥氏体γ1与γ2的晶界上形核，然后向与其没有特定取向关系的奥氏体γ2晶粒内长大形成珠光体团。
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人的奥氏体γ1晶粒之间则形成不易移动的共格界面，并保持一定的位向关系。
片状珠光体形成机制：相转变：γ → α + Fe 3C成分变化： 0.77% 0.021% 6.67%片状珠光体的转变机理：形核＋长大因为是两相混合物，因此有一个领先相的问题1、领先相：与化学成分有关亚共析钢：α过共析钢：Fe 3C共析钢：两者均可。
过冷度小时，渗碳体为领先相；过冷度大时，铁素体为领先相。
如果共析钢的领先相是渗碳体，珠光体形成时渗碳体的晶核通常优先在奥氏体晶界上形成 --成分起伏、结构起伏和能量起伏 与铁素体接壤的奥氏体的含碳量为，高于与渗碳体接壤的奥氏体的含碳量，原因片状珠光体形成过程中，渗碳体晶核形成后长大时，将从周围吸取碳原子渗碳体与铁素体均随着碳原子的扩散同时往奥氏体晶粒纵深长大，从而形成片状珠光体。
渗碳体主干分枝长大的原因之一，很可能是前沿奥氏体中塞积位错引起的。
在某些情况下，在过共析钢中片状珠光体形成时，渗碳体和铁素体不一定交替配合长大。
粒状珠光体的形成机制：形成粒状珠光体的条件：保证渗碳体的核能在奥氏体晶内形成。
达到形成粒状珠光体的转变条件，需要特定的奥氏体化工艺条件和特定的冷却工艺条件。
普通球化退火工艺条件：所谓特定的奥氏体化工艺条件是：奥氏体化温度很低(一般仅比Ac1高10～20℃)，保温时间较短。
等温球化退火工艺条件：所谓特定的冷却工艺条件是：冷却速度极慢(一般小于20℃／h)，或者过冷奥氏体等温温度足够高(一般仅比Ac1低20～30℃)，等温时间要足够长。
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。
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亚共析钢中，先共析铁素体与奥氏体的位向关系为 (111)∥(110) ； [110]∥[111]
这两种位向关系不同，说明珠光体中铁素体与先共 析铁素体具有不同的转变特性。
第三章 珠光体转变 珠光体中渗碳体与奥氏体的位向关系比较复杂。
3.2 珠光体的形成机理
片状珠光体的形成过程：
相组成： 碳含量： 点阵结构： （ 0.77% 面心立方 + Fe3C ） 6.69% 复杂斜方
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。
第三章 珠光体转变
3
3.1 珠光体的组织特征
• 铁素体与渗碳体的混合物，称为珠光体 。 • 按渗碳体的形态，珠光体分为片状珠光体和粒状珠光体。 • 片状珠光体：由一层铁素体与一层渗碳体交替紧密堆叠而成 的。
• 在一个奥氏体晶粒内可以形成几个珠光体团。
第三章 珠光体转变
索氏体(Sorbite)
第三章 珠光体转变
• 索氏体 在光学金相显微镜下放大600倍以上才能分辨片层的细珠光 体(GB/T7232标准)。其实质是一种珠光体，是钢的高温转变产物，是 片层的铁素体与渗碳体的双相混合组织，其层片间距较小(30～ 80nm) ，碳在铁素体中已无过饱和度，是一种平衡组织。
图3
三种片状珠光体组织
第三章 珠光体转变
片状珠光体 Pearlite
经2-4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在不同放大倍数的显微镜下可以观察 到不同特征的珠光体组织 . 当放大倍数较高时可以清晰地看到珠光体 中平行排列分布的宽条铁素体和窄条渗碳体 ;当放大倍数较低时 ,珠光 体中的渗碳体只能看到一条黑线 ; 而当放大倍数继续降低或珠光体变 细时,珠光体的层片状结构就不能分辨了,此时珠光体呈黑色的一团。
• 片层间距：一对铁素体片和渗碳体片的总厚度，以S0表示。 • 粒状珠光体：在铁素体基体上分布着粒状渗碳体的组织，一 般是经过球化退火处理后获得的。
第三章 珠光体转变
珠光体的组织特征
图1（a)共析碳钢片状珠光体
图1（b)T12A钢的粒状珠光体组织
第三章 珠光体转变
珠光体的组织特征
片状珠光体：由一层铁素 体与一层渗碳体交替紧密 堆叠而成的。 在一个奥氏体晶粒内可以 形成几个珠光体团。
第三章 珠光体转变
讨论：
（1）随转变温度T 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I 减小； （2）随转变温度T 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 I 增大。 综合作用结果，导致珠光体的形核率 I 对转变温度 T 有极大值。
第三章 珠光体转变
第三章 珠光体转变
第三章 珠光体转变
第三章 珠光体转变
3.3 珠光体转变动力学
（a）珠光体的形核率I 和长大速度G （1）形核率I与转变温度T的关系 在均匀形核条件下，珠光体的形核率I与转变温度T之 间有如下关系：
式中，C为常数；Q为扩散激活能；W为临界晶核形核功；
K玻尔兹曼常数；T为绝对温度。
0.02% 体心立方
第三章 珠光体转变
发生珠光体转变时，由0.77％C的 均匀固溶体转变为6.69％C的渗碳体和0.02％ C的铁素体的混合物。
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。
第三章 珠光体转变
（1）珠光体转变时的领先相
温回火)的原因。
第三章 珠光体转变
屈氏体(Troostite,托氏体)
第三章 珠光体转变
屈氏体
• 一种最细的珠光体类型组织，其组织比索氏体组织还细。 钢经淬火后在300~450℃回火所得到的屈氏体称为回火屈氏 体。
600-550℃范围内奥氏体等温转变形成，片层间距平均小
于0.1μm，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，与珠光体、索氏体 只有粗细之分，并无本之分。
钢中常见的是二次魏氏组织F。 第三章 珠光体转变
3.魏氏组织形成特征
(1)钢的成分＞0.6%；(2)奥氏体晶粒粗大；(3)冷却速度适中。
4.魏氏组织对性能的影响
魏氏组织以及与其伴生的晶粒组织粗大，显著降低钢的机械性能， 尤其是塑性和冲击性能，并使钢的脆性转折温度升高。 5.消除方法 常用采用细化晶粒的正火、 退火以及锻造等。
快速冷却时，先共析铁素体或先共析渗碳体来不及析出，奥氏
体被过冷到 T1 温度以下区域并在该温度保温时，将自奥氏体中同时 析出铁素体和渗碳体。在这种情况下，过冷奥氏体将全部转变为珠光
体型组织，这种转变称为“伪共析转变”，其转变产物称为“伪共析
组织”，ESG线以下的阴影区域称为“伪共析转变区”。由图可见，过 冷奥氏体转变温度越低，其伪共析转变的成分范围越大。
第三章 珠光体转变
过共析钢中先共析渗碳体的形态
第三章 珠光体转变
（c）魏氏组织
组织渗碳体。 1.亚共析钢
工业上将具有片（针）状铁素体或渗碳体加珠光体的
组织称为魏氏组织，前者称为魏氏组织铁素体，后者称为魏氏
(1)一次魏氏组织F, (2)二次魏氏组织F。
2.过共析钢
(1)一次魏氏组织碳化物：白色针状，基体珠光 体组织 (2)二次魏氏组织碳化物：网状碳化物上长出针 状碳化物，基体为珠光体。
第三章 珠光体转变
第三章 珠光体转变
说明
钢经正火或等温转变所得到的铁素体与渗碳体的机
械混合物。索氏体组织属于珠光体类型的组织，但其组织比
珠光体组织细。索氏体具有良好的综合机械性能。将淬火钢 在450-600℃进行回火，所得到的索氏体称为回火索氏体( tempered sorbite) 。 回火索氏体比索氏体具有更好的机械 性能。这就是为什么多数结构零件要进行调质处理(淬火+高
在一般光学显微镜下，只能看到如墨菊装的黑色形态。当
其少量析出时，沿晶界分布，呈黑色网状；当其大量析出 时，成大块黑状。
第三章 珠光体转变
片状珠光体、索氏体、屈氏体
研究指出，片层间距是一个统计平均值。片层间距大小主 要取决于珠光体的形成温度。
在连续冷却条件下，冷却速度愈大，珠光体的形成温 度愈低，即过冷度愈大，则片层间距就愈小。
图
渗碳体为领先相，片状珠光体的形成过程示意图
第三章 珠光体转变
粒状珠光体的形成
粒状珠光体是通过片状珠光体中渗碳体的球化而 获得的。当奥氏体化温度较低，成分不均匀，尤其是得到奥 氏体加未完全溶解渗碳体（网状）的混合组织。此时，渗碳 体已不保持完整片状，而是凹凸不平、厚薄不匀，部分已经
断开。在此温度下保温将使片状渗碳体球状化。
许多研究证实，珠光体形成时的领先相随相变发
生的温度和奥氏体成分的不同而异：
过冷度小时－－渗碳体
过冷度大时－－铁素体
在亚共析钢中铁素体是领先相，在过共析钢中渗 碳体是领先相，而在共析钢中两者的几率相同。 对于片状珠光体来说，一般认为是渗碳体为领先 相。
第三章 珠光体转变
片状珠光体形成
纵向长大是渗碳体片和铁素体片同时连续地向奥氏 体中延伸，而横向长大是渗碳体片与铁素体片交替堆叠增多。
图2 片状珠光体片层间距和珠光体团示意图
研究指出:片层间距是一个统计平均值。片层间距大小主要取决于珠 光体的形成温度。在连续冷却条件下，冷却速度愈大，珠光体的形成温度 愈低，即过冷度愈大，则片层间距就愈小。
第三章 珠光体转变
根据片间距S0大小不同，将片状珠光体分为三种：
片状珠光体，其S0约为150～450nm；A1～650℃范围内形成。 索 氏 体，其S0约为80～150nm； 650～600℃范围内形成。 屈 氏 体，其S0约为30～80nm。 600～550℃范围内形成。
虽然，片状珠光体、索氏体、屈氏体的组织形态在光 学显微镜下观察差别较大，但是，在电子显微镜下观察都具有 片层状特征，它们之间的差别只是片层间距不同而已。
第三章 珠光体转变
珠光体的组织特征
在一定过冷度下，有一定的片层间距。随着过 冷度增大，珠光体片层间距减小。碳钢中珠光体片 层间距 S0与过冷度ΔT 的关系可以用下面经验公式 表示：
第三章 珠光体转变
粒状渗碳体球状化的主要原因
成分不均匀，存在高碳区和低碳区，直接在高碳区
形成渗碳体晶核。
对于未溶渗碳体，已非片状或网状。第二相颗粒在 基体中的溶解度与其曲率半径有关。粒子的半径愈小，在母 相中的溶解度越大。 获得粒状珠光体的关键：控制奥氏体化温度，在A1 点以下较高温度范围内缓冷。
第三章 珠光体转变
（2）长大速度G与转变温度T的关系
式中，S0为珠光体的片层间距；Dc为C在奥氏体中的扩散系数；
K为常数（包含浓度梯度C/－C/cem的影响）。
由于 S0 反比于过冷度△ T ，而 K 正比于△ T ，所以上式 可改
（1）随转变温度T 降低，过冷度△T 增大，使靠近珠光体的奥氏体 中的碳浓度差 （C/ -C/cem）增大，加速了C原子的扩散速度，而且珠 光体的片层间距S0减小，使C原子的扩散距离缩短，这些因素都促使长大速 度G增大； （2）随转变温度 T 降低，C原子的扩散系数Dc减小，使长大速度 G 减小。因此，综合上述因素的影响，珠光体团的长大速度 G 对转变温度 T 也有极大值。 可见，I 和 G 均随 T 降低而先增大后减小，两者都具有极大值特 征，其极大值约在550℃左右 。
第三章 珠光体转变
（b)亚（过）共析钢先共析相的析出
亚共析钢或过共析钢（如图5中合金Ⅰ或Ⅱ）奥氏体 化后冷却到先共析铁素体区或先共析渗碳体区时，将有先共
析铁素体或先共析渗碳体析出。析出的先共析相的量决定于
奥氏体碳含量和析出温度或冷却速度。
碳含量愈高（或愈低），冷却速度愈大、析出温度愈低，