第三章 珠光体转变-2013

的珠光体，在一个奥氏体晶粒内可以形成 3～5
个珠光体团。
过冷奥氏体转变
（2）中温转变（贝氏体转变）
550℃ ~ 230℃，C 原子可扩散，Fe原子不
能扩散。
形成贝氏体----过饱和铁素体与渗碳体的非
层片状混合物。
①上贝氏体：550℃ 稍下形成，羽毛状。在平 行铁素体板条间分布有不连续的杆状渗碳体。
2. 珠光体的形成过程
• （1）片状珠光体的形成（横向长大）
共析钢（渗碳体领先相）
能量、成分和结构的起伏在A晶界 上形成小片渗碳体晶核 渗碳体的晶核与A保持共格关系 为了减小应变能成片状 片状晶核按非共格扩散方法长大时， 共格关系被破坏。
2. 珠光体的形成过程
• （1）片状珠光体的形成（横向长大）
（2）粒状珠光体的形成过程
②片状P加热到略低于A1 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。 片状渗碳体溶断机制
• P的形核位置：
– 共析钢过冷A发生P转变时，多半在奥氏体晶界 上形核，也可在晶体缺陷比较密集的区域形核 – 当A中碳浓度很不均匀或有较多未溶渗碳体存 在时，P晶核也可在A晶粒内产生
原因： – 这些部位有利于产生能量、成分和结构起伏， 新相晶核易在这些高能量、接近渗碳体碳含量 和类似渗碳体晶体点阵的区域产生
② 下贝氏体：230℃ 稍上形成，针状。在针状 铁素体内分布有细小渗碳体。
过冷奥氏体转变
（3）低温转变（马氏体转变）
非扩散型相变：Fe、C原子均不发生扩散，
生成的马氏体与原奥氏体成分相同。
马氏体：碳在α-Fe中的过饱和固溶体。 马氏体相变是变温型相变，相变开始点
Ms ，终了点 Mf 。
珠光体转变
3.1珠光体的组织特征
• 珠光体：共析碳钢加热奥氏体化后缓慢冷 却，在稍低于A1温度时分解铁素体和渗碳 体的混合物。其典型形态：片状或层状
珠光体片层间距S0
1. 片状珠光体
珠光体片层间距：
• 珠光体的片层间距大 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。 T , S0
3.位向关系
• 铁素体与奥氏体：
（ 110 ） ) ;[112] //[110] //(112
共析钢 不同的 转变特性 亚共析钢
（ 111 ） ) ;[110] //[111 ] //(110
• 渗碳体与奥氏体：复杂 • 铁素体与渗碳体：
有先共析渗碳体存在的A晶界
纯A晶界
3.2珠光体转变机制
Mother of Pearl
共析钢：
过冷奥氏体转变
A：奥氏体 P：珠光体
高温
中温
Ｂ：贝氏体
低温
Ｍ：马氏体
共析钢过冷奥氏体等温转变曲线
过冷奥氏体转变
（1）高温转变（珠光体转变）
A1 ~ 550 ℃，Fe、C原子均可扩散。 共析分解成珠光体
相层片状机械混合物。
---- 铁素体与渗碳体两

珠光体团(或领域) ---- 片层方向大致相同
片状珠光体比粒状珠光体 硬度高，如果下道工序要冷加 工，有时要球化退火得到粒状 珠光体。一些合金工具钢在淬 (a) 火前也要经过球化处理。
• 珠光体本质上是铁素体和渗碳体的混合物
• 退火态下：
– 铁素体中的位错密度较低 – 渗碳体中的位错密度更低 – 铁素体/渗碳体两相交界处的位错密度较高 – 铁素体中存在亚晶界
1.珠光体转变时的领先相
• 珠光体转变：形核和长大的过程 • 珠光体：铁素体+渗碳体 • 哪一个是领先相？ 很难通过实验直接验证，目前尚无定论 许多实验证实：领先相与温度，A成分有关
1.珠光体转变时的领先相
• 哪一个是领先相？（温度，成分） • 过冷度小，渗碳体是领先相 • 过冷度大，铁素体是领先相 • 亚共析钢：铁素体是领先相 • 过共析钢：渗碳体是领先相 • 共析钢：渗碳体是领先相
2. 珠光体的形成过程
• 奥氏体过冷到A1点以下，发生珠光体转变 • Fe、C都能长距离扩散 • 珠光体在A晶界上形核，形核功较低，需要的过 冷度小
6.69%
• 珠光体的形成：
– （1）C的扩散 低碳F + 高碳渗碳体 – （2）晶体点阵的重构 FCC转变BCC+复杂斜方点阵
2. 珠光体的形成过程
第三章 珠光体转变
3.1 珠光体的组织特征 3.2 珠光体的转变机制 3.3 珠光体的转变动力学 3.4 珠光体转变产物的机械性能
珠光体的命名
共析钢退火样品，在经过磨光、 抛光与腐蚀（4%的硝酸酒精）后， 会呈现出一种珠母贝色泽 （mother of pearl），故称为珠 光体（Pearlite)。 珠光体表面呈现的珠母贝壳 似的光泽，可能是由于试样表面的 层状组织可以作为可见光的衍射光 栅而产生的光栅衍射效果。
1. 片状珠光体
T , S0 原因

T↓，C扩散速度↓，C原子迁移距离↓，只能形成片间 距小的P

P形成时， F和Fe3C的界面形成使界面能 ↑，S0越小，
增加界面能越多，界面能由A和P自由能差提供。T 越大，提供自由能差越大，增加界面能越多，故片 间距有可能越小
1. 片状珠光体
T , S0 原因
结果，破坏了界面处的碳浓度平衡。为恢复界面碳浓度平 衡，渗碳体的尖角处将溶解而使其曲率半径增大，而渗碳 体的平面处将长大而使其曲率半径减小，以至逐渐成为各 处曲率半径相近的颗粒状渗碳体，从而得到在奥氏体基体
上分布着颗粒状渗碳体的组织。
（2）粒状珠光体的形成过程
尖角处（曲率半径小）—高碳浓度 平面处（曲率半径大）—低碳浓度 C原子扩散
尖角处：Fe3C溶解
破坏平衡 平面处：Fe3C析出
曲率半径相近的粒状Fe3C
（2）粒状珠光体的形成过程
然后缓慢冷却至A1点以下时，奥氏体将 转变为珠光体。此时，领先相渗碳体不仅可 以在奥氏体晶界上形核，而且也可以从已存 在的颗粒状渗碳体上长出，但这时已不能长 成片状，最后得到渗碳体呈颗粒状分布的粒 状珠光体。
1.珠光体转变时的领先相
• 渗碳体是领先相（共析钢、过共析钢）
原因：
（1）P中Fe3C与A中先共析Fe3C的位向相同，P中的F与A中先 共析F的位向不同，因此，是Fe3C先从A中析出；
（2）P中的Fe3C与相变前Fe3C在结构上是连续的；而P中的
F与相变前F在结构是不连续的； （3）A中未溶解的Fe3C有促进P相变的作用，则它肯定作为 晶核存在，而先共析F没有促进P相变的作用，则F肯定不 是晶核核心。
粒状珠光体是通过片状珠光体中渗碳体的球化获得的。
①若将片状珠光体加热至略高于A1点的温度，则得到
奥氏体加未完全溶解渗碳体的混合组织。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。
（2）粒状珠光体的形成过程
根 据 界 面 热 力 学 ， 汤 姆 逊 - 佛 鲁 德 里 西 （ ThomsonFreundlich）公式：
光镜形貌 电镜形貌 屈 氏 体 形 貌 像
珠光体、索氏体和屈氏体比较
珠光体
索氏体
屈氏体
珠光体、索氏体、屈氏体之间无本质区别， 都是由铁素体和渗碳体片层相间组织，其形成温 度也无严格界线，只是其片层厚薄和片间距不同。
2. 粒（球）状珠光体
粒状珠光体：渗碳体以粒状 分布于铁素体基体中。它一般 通过特定的热处理获得。渗碳 体颗粒大小、形状与所采用的 热处理工艺（球化回火处理） 有关。
光镜形貌
电镜形貌
珠 光 体 形 貌 像
索氏体(S)
片间距约为150～80nm，形成于650～600℃温度范 围内。只有在800倍以上光学显微镜下观察才能分辨出铁 素体和渗碳体片层状组织形态。细片状P－索氏体，25～ 36HRC。
光镜形貌
电镜形貌 索 氏 体 形 貌 像
屈氏体（T）
片间距约为80～30nm，形成于600～550℃温度范围 内。在光学显微镜下已很难分辨出铁素体和渗碳体片层状 组织形态。极细片状的P-屈氏体,35～40HRC。
1. 片状珠光体
根据S0的大小，珠光体分为三类：
A1-650℃ 650-600℃ 600-550℃
150-450nm 80-150nm
片状珠光体 索氏体
(英国H.C. Sorby (1826～1908))
30-80nm
屈氏体 (法国L.J.Troost)
珠光体（P）
片间距约为 450 ～ 150nm ，形成于 A1 ～ 650℃ 温度 范围内。在光学显微镜下可清晰分辨出铁素体和渗碳 体片层状组织形态。5～25HRC。

T一定时 若 S0 过大，原子所需扩散的距离就要增大，这将使
转变发生困难。
若S0过小，由于相界面面积增大，使界面能增大，
这时 ΔGV 不变，这会使相变驱动力降低，也会使相
变不易进行。所以一定的ΔT对应一定的 S0 。
1. 片状珠光体
珠光体片层间距：
• 过冷奥氏体在连续冷却过程中分解，珠光体是在一个 温度范围内形成的，则在高温形成的珠光体较粗低温 形成的珠光体较细。这种珠光体组织的不均匀将导致 机械性能的不均匀，从而影响钢的切削加工性能。 • 因此，应采用一定温度的等温处理(等温正火或等温退 火)的方法，来获得粗细相近的珠光体组织，以提高钢 的切削性能。 • 奥氏体晶粒大小对珠光体的片层间距没有明显影晌， 但影响珠光体团的大小。 • 随珠光体片层间距的减小，珠光体中渗碳体片的厚度 减薄。 • S0一定时，随钢中C，渗碳体片也将变薄。
共析钢（渗碳体领先相）
2. 珠光体的形成过程
• （1）片状珠光体的形成（纵向长大）
/cem /cem /
/
2. 珠光体的形成过程
• （1）片状珠光体的形成
• P形成时，纵向长大是Fe3C片和F片同时连 续地向A中延伸，而横向长大是Fe3C片与F 片交替堆叠增多。 • 过冷奥氏体转变为珠光体时，晶体点阵重 构是由部分Fe原子的自扩散完成的。
ln Cr 2M C rRT
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。
M -- 第二相摩尔质量 σ-- 比界面能 ρ-- 第二相密度。 第二相粒子的半径r越小，其溶 解度越大，其周围母相溶质的 平衡浓度越高。
（2）粒状珠光体的形成过程
1.珠光体转变时的领先相
• 合金元素对领先相的影 响
（1）Ni、Mn降低A1点，其他 合金元素均提高A1点 （2）几乎所有合金元素皆使 钢的共析碳浓度降低。 合金元素改变A1点，若 转变温度相同则过冷度就不 同，从而改变相变驱动力的 大小，并影响珠光体片层间 距。而共析碳浓度的改变导 致先共析铁素体或先共析渗 碳体的析出，并影响珠光体 转变的领先相。
（2）粒状珠光体的形成过程
凹坑
微观缺陷（亚晶界）处：C原子扩散片状Fe3C破裂 尖角溶解 破裂的Fe3C 小片 粒状碳化物 平面析出
碳化物破裂＋碳的扩散＋碳化物析出
共析钢：
3. 亚（过）共析钢的珠光体转变
• 亚（过）共析钢的珠 光体转变基本上与共 析钢的珠光体转变相 似。
2. 珠光体的形成过程
• （1）片状珠光体的形成
• 随T，渗碳体片和铁素体片逐渐变薄缩短， 同时两侧连续形成速度及其纵向长大速度 都发生改变，珠光体群的轮廓也由块状逐 渐变为扇形，继而为轮廓不光滑的团絮状， 即由片状珠光体逐渐变为索氏体或屈氏体。
2. 珠光体的形成过程
• （2）粒状珠光体的形成过程
• 珠光体转变（高温转变）：冷却时奥氏体（） 珠光体P (+Fe3C)的转变。 • 共析相变：具有共析成分的单一母相在一定条件 下分解生成两个或多个结构与成分不同的新相的 过程。 • 它是一种典型的扩散型相变。 • 平衡转变：缓慢加热或冷却时发生的能获得符合 平衡状态图的相变，其产物是符合状态图的平衡 组织。 • 钢中产生珠光体的热处理工艺，退火或正火。
由于第二相颗粒在基体中的溶解度与其曲率半径有关， 所以与非球状渗碳体尖角处(曲率半径较小部位)相接触的奥
氏体具有较高的碳浓度，而与渗碳体平面处(曲率半径较大
部位)相接触的奥氏体具有较低的碳浓度，在渗碳体界面附 近的奥氏体中百度文库在浓度差，因此界面附近奥氏体中的C原子
将从渗碳体的尖角处向渗碳体的平面处扩散。这种扩散的