珠光体转变机理

这种演化机制属于放大型的因果正反馈作用， 它使微小的随机涨落经过连续的相互作用逐级增 强，而使原系统（奥氏体A）瓦解，建构新的稳定 结构P(F+Fe3C)晶核。 因此，珠光体共析分解是同步形成铁素体和 渗碳体的整合机制（本质上是一分为二的化学反 应）。
珠光体Hale Waihona Puke BaiduP）由铁素体和渗碳体两相(F+Fe3C)整合 而成。
共析碳素钢的珠光体在晶界形 核（TEM，二次复型）
图3－16 SEM 20MnCrMo钢的珠光体 在晶界形核
珠光体在原奥氏体晶界形核并长大。珠光体晶核尺寸 很小，约0.2μm。珠光体晶核由铁素体片和渗碳体片 两相组成。
细腻的观察形核
3.2 过冷奥氏体中的贫碳区和富碳区
• 按照科学技术哲学的自组织理论，系统远离 平衡态，必然出现随机涨落。过冷奥氏体在 一定过冷度（ΔT）下，将出现贫碳区与富碳 区的涨落。加上随机出现的结构涨落、能量 涨落，一旦满足形核条件，则在贫碳区建构 铁素体核坯的同时，在富碳区也建构渗碳体 （或碳化物）的核坯，二者同时同步，共析 共生，非线性相互作用，互为因果，共同建 构一个珠光体的晶核(F+Fe3C)。
碳素钢中过冷奥氏体共析分解 的反应式为：
反应产物是珠光体 P （ F+ 碳化物） , 是一个整体，是整合组织。
1.珠光体形成的热力学
过冷奥氏体在临界点A1以下，将要发 生过冷奥氏体的共析分解。 由于分解温度较高，原子能够长程扩 散（界面扩散），相变所需的自由能较 小， 在较小的过冷度下发生转变。
这一步
不正确
形核从 这一步 开始
新的珠光体形核长大示意图
贫碳 晶核
γ 1
富碳区
区
γ 2
4.1.渗碳体和铁素体的端向长大
珠光体晶核的端向 长大过程有赖于碳从铁 素体前沿富碳奥氏体向 渗碳体前沿贫碳奥氏体 中扩散，于是失碳奥氏 体发生晶格重构变为铁 素体，增碳奥氏体则析 出渗碳体，使渗碳体和 铁素体实现端向长大， 下图。
奥氏体分解为珠光体是自发的过程
钢中奥氏体共析分解 为铁素体和渗碳体，通过 实验测得共析钢奥氏体转 变为珠光体的热焓，导出 各个温度下的奥氏体与与 珠光体的自由能之差，如 图 3-10 所 示 。 可 见 ， 自 由 能之差为负值时，过冷奥 氏体分解为珠光体是自发 的过程。
奥氏体与珠光体的自由能之差与温度
2.3 动力学证明
两种钢的TTT图的“鼻温”为550℃左右。 从动力学图上分析，可见在“鼻温”处，珠 光体转变孕育期最短，均约为0.5秒。而且 从图（b）可以看出，在T10钢的“鼻温”处， 经过0.5秒的等温时间，共析分解反应就将 完成。显然珠光体转变在极短时间内，于 550℃保温0.5s即形成珠光体，完成 （F+Fe3C）的形核、长大，这一实验事实足 以说明铁素体和渗碳体是共析共生的，没有 “领先”和“随后”之分，即不存在领先相。
的关系
相变驱动力约为200~700J/mol。
Fe-C合金在A1以下各相自由能变化，图311 ，说明共析分解的可能性。
2. 珠光体形核机制
2.1关于领先相的各种提法：
1、一般认为渗碳体和铁素体均可成为相变的领先相。 2、过共析钢中通常以渗碳体为领先相，在亚共析钢 中通常以铁素体为领先相。 3、在共析钢中两相都可以成为领先相。 4、过冷度小时，渗碳体是领先相；过冷度大时，铁 素体是领先相。
珠光体晶核形成时引起的自由焓变化为：
计算临界晶核尺寸和形核功：
计算表明，在700～650℃，临界晶核尺寸为150～ 70nm，相当于该温度下形成的细珠光体的片间距。而 临界形核功为155～292J/mol，是合理的。
4.珠光体晶核的长大
• 片状珠光体晶核的长大分为端向长大和侧 向长大。
以往的珠光体形核及长大示意图， 以渗碳体为领先相。
体扩散示意图
珠光体转变时碳原子扩散方向（a）和各相界 面位置（b）和示意图
4.2新理论认为： 珠光体长大是依靠界面扩散进行的
• 共析碳钢中珠光体的实测长大速度约为50μm / s。 • 但按体扩散计算所得的铁素体长大速度为 0.16μm / s， 渗碳体为0.064μm / s，远小于实测值。 • 因此，认为珠光体的长大主要通过界面扩散进行。 • 按扩散理论，当温度在（ 1 ～ 0.7Tm 熔点）时，进行体 扩散，以点阵扩散为主；当温度较低时（0.3~0.5Tm）， 以界面扩散为主；在0.3Tm以下温度时，界面扩散也过 于缓慢或难以进行了。 • 对于共析钢约在800 ～480℃，以界面扩散为主； 480 ～ Ms （ 200℃）热激活跃迁； 200℃以下无扩散位 移。
T8和T10钢的等温转变动力学图。
2.4试验观察证明
T8钢550℃等温形成的一个珠光体晶核的观察
T8 ，加热到 900℃奥氏体化，迅速冷却到 550℃的盐浴炉中等温 9s ，然后淬火到室温，在 扫描电镜下，可以观察到微小的珠光体团在奥氏 体晶界形成 。
3.珠光体的形核
3.1形核的试验观察
SEM 35CrMo钢奥氏体晶界处 形成珠光体晶核并长大
珠光体形核示意图（a，b，c）和珠光体团TEM （d）
晶界形核，共析共生。
3.3 珠光体临界晶核尺寸的推导和计算
γ 为母相奥氏体，P为珠光体晶核，γ 的晶界能为 σ γ 。界面能（σ 核）为σ γ P，接触角为θ （图b实 测θ =60°）。令t =cosθ ，当界面张力平衡时，有： σ γ =σ γ p·t
这些提法混乱，既缺乏理论依据也缺乏试验依 据。
2.2共析共生,不存在“领先相”
按照自组织理论，远离平衡态，出现 随机涨落，奥氏体中必然出现贫碳区和富 碳区，加上随机出现的结构涨落、能量涨 落，在贫碳区建构铁素体，而在富碳区建 构渗碳体或碳化物，二者是共析共生，非 线性相互作用，互为因果。铁素体和渗碳 体同步出现（一分为二），组成一个珠光 体的晶核。
本节要点：
掌握共析分解理论要点、熟悉新理论。 • 1）热力学条件：在A1以下，ΔG＝Gγ-Gp＜0 • 2）铁素体和渗碳体二者是共析共生，非线性相互作 用，互为因果。铁素体和渗碳体同步出现，不存在领 先相。 • 3）珠光体的形核机制。 • 4）珠光体转变以界面扩散为主。 • 5）珠光体长大不是非共格的无序地进行界面推移。 • 6）铁素体+渗碳体共析共生，共享台阶，协同竞争、 扩散性长大。
• 按照固态相变的一般规律，奥氏体晶界上是 珠光体优先形核的地点，因为奥氏体晶界能 量高，碳原子偏聚多，原子排列不规则，这 些地方的能量涨落、浓度涨落、结构涨落是 形核的有利条件。 • 珠光体的晶核可以由一片铁素体和一片碳化 物相间组成，也可能是几片铁素体和几片碳 化物组成。只要大于其临界晶核尺寸，均可 能长大为一个珠光体领域(称珠光体团)。