第三章_钢的珠光体转变

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合金Ⅲ T1 T2
成分 转变温度
合金Ⅰ T1 T2
合金Ⅱ T1 T2
转变产物
F+P
P
P
P
Fe3C+P
P
冷速越快,转变温度越低,
先析相越少,P伪越多。
伪共析转变应用:
1)加快冷速,提高P伪量,有助提高低碳钢的强度。
2)通过快冷抑制过共析钢中网状渗碳体的析出
亚共析钢先共析F的形态 等轴状(块状) A晶粒细小,转变温度较高(或慢冷)
复杂斜方
6.69%
二、珠光体转变的领先相
珠光体转变是有奥氏体分解为铁素体与渗 碳体,必然存在一个先析出相。珠光体形成的领 先相取决于化学成分。
亚共析钢-F(因为P中的F与F先的位向相同) 过共析钢- Fe3C(因为P中Fe3C和Fe3C先位向相 同且组织上连续) 共析钢- Fe3C(A中未溶Fe3C将促进P的形成, 而先共析F存在则无明显影响) ������ 过冷度小,渗碳体是领先相;过冷度大,铁素体 是领先相。
S0
原A晶界
α
Fe3C
图3-1 图3-2
P团
片状珠光体
金相形态
电镜形态
2、片状珠光体分类 生产上根据珠光体片间距的大小,可将珠光 体类型组织分为三种: ① 珠光体(P): Pearlite 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。
网状
片状
A晶粒粗大,转变温度较低(或快冷)
A晶粒粗大,冷速适中
过共析钢先共析Fe3C的形态 网状 必须消除 片状 魏氏组织 片(针)状F(或Fe3C)+P 显著降低钢的力学性能,特别是塑韧性, 必须消除 ——采用细化晶粒的正火,退火或锻造
四、钢中的魏氏组织
工业上将具有先共析片(针)状铁素体或针(片)状渗碳 体加珠光体的组织,都称为魏氏组织。前者称为铁素体 (α-Fe)魏氏组织,后者称为渗碳体魏氏组织。
三.亚(过)共析钢的珠光体转变
E T G
先析F T1
S
先析Fe3C G′

T2
伪共析
E′
Ⅰ Ⅱ
先共析F析出: A在SE′与GS所包围区域内析 出先析F相。 先共析渗碳体析出: A在SG′与ES所包围区域内析 A1 出先析Fe3C。 先共析转变完成后, 在SE′—— SG′内 C% 剩余A发生伪共析转变
• • • •
EX: COOLING HISTORY Fe-C SYSTEM
Eutectoid composition, Co = 0.77wt%C Begin at T > 727C Rapidly cool to 625C and hold isothermally. Cooling to lower temperatures results in finer microstructures
3.1 珠光体的组织特征
铁素体和渗碳体两相的含碳量、晶体结构 相差悬殊且与奥氏体截然不同,转变时必然发 生 C 的扩散 和 晶格的改组 ,因此珠光体转变是 典型的扩散型相变。 根据奥氏体化温度和奥氏体化程度不同, 过冷奥氏体可形成 片状珠光体 和 粒状珠光体 , 前者渗碳体呈片状,后者渗碳体呈粒状。
特定的热处理条件是:
(1) 低的奥氏体化温度,短的保温时间,加热转变 未充分,有较多的未溶渗碳体粒子。 (2) A→P临界点下高的等温温度,长的等温保温时 间,冷却速度极慢,以得到粒状珠光体。 (3)淬火+高温回火(调质处理)
4.3 珠光体转变机理
二.粒状珠光体的形成机制 球化条件: 加热时:A化温度低,保温时间短 冷却时:P化温度高,保温时间长 片状P
光镜形貌
电镜形貌
珠光体形貌像
②索氏体(S):Sorbite
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。
光镜形貌
电镜形貌
索氏体形貌像
③屈氏体(T): Troostite
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。
3.2 珠光体转变的机理
一、珠光体形成的两个基本过程
珠光体转变过程包括两Байду номын сангаас同时进行的过程:
( 1 )通过碳原子的扩散使奥氏体分解为高 碳的Fe3C和低碳的F; ( 2 )通过铁原子的扩散发生晶体结构的改 组。过程如下( A冷至Ar1 以下 ):
A
→ P(F

Fe3C)
面心
0.77%
体心
0.0218%
3.2.2 珠光体的形成过程
一、片状珠光体形成过程
共析成分的奥氏体,在临界点以下发生如下 转变: A → F + Fe3C 片状珠光体形成依赖于扩散,以得到所需要 的浓度变化以及结构变化,转变也是一个形核和 长大的过程。
1. 形核
一般情况下在奥氏体晶界处
奥氏体化温度低时,可在奥氏体 晶内形核
Fe3C形状:小薄片(应变能小,表面积大,容易接受 到C原子)
- Smaller T: colonies are larger
- Larger T: colonies are smaller
NUCLEATION AND GROWTH
• Reaction rate is a result of nucleation and growth of crystals. Nucleation rate increases with T Growth rate increases with T
由于各相间的浓度差,造成了如下扩散:
(a)界面扩散 在t1温度时,奥氏体中CA/F>CA/Fe3C, 造成碳从A/F界面扩散到A/Fe3C界面,这 便破坏了界面平衡,使CA/F↘,CA/Fe3C↗, 进而导致F长大(使CA/F ↗),Fe3C长大(使 CA/Fe3C ↘)。 (b)由远离P区扩散
因为CA/F>CA>CA/Fe3C,F前沿的碳将向 远处扩散,而远处的碳 (浓度为 CA)将扩散 至Fe3C前,使F、Fe3C长大。
(c)铁素体中C的扩散 如图,因为CF/A>CF/Fe3C ,这就造成F 内部的碳的扩散,使F前沿碳浓度下降, 有利于F长大,Fe3C长大。
珠光体的纵向长大: 由于形成了γ/α,γ/Fe3C相界面,在相 界面前沿γ相中产生浓度差Cγ-α – Cγ-k ,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的碳浓度平衡, 为了恢复碳浓度平衡,渗碳体和铁素体就 要向奥氏体中纵向长大。
PEARLITE MORPHOLOGY
Two cases:
• Ttransf just below TE
--Larger T: diffusion is faster --Pearlite is coarser.
• Ttransf well below TE
--Smaller T: diffusion is slower --Pearlite is finer.
电镜形貌 屈氏体形貌像
光镜形貌
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, 都是出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。
3 影响珠光体片间距的因素
8.0210 S0 T
4
珠光体片层间距S0的大小,取决于过冷度ΔT 而与原奥氏体晶粒尺寸大小无关。 原因:
3、片状珠光体长大碳的扩散机制
T
A
F A1
CA/ Fe3C < CA/F
A
Fe3C
△T
F
CF /Fe3c CF/A CA/Fe3c CA CA/ F
C Fe3c
CA/F:F/A界面上A一侧的碳浓度 CA/ Fe3c :Fe3C/A界面上A一侧的碳浓度 CA:原A中的碳浓度 CF/A: F/A界面上F一侧的碳浓度 CF/ Fe3c :F/Fe3C界面上F一侧的碳浓度 C Fe3c :Fe3C的碳浓度为6.69%
4、铁原子的自扩散 珠光体转变时,晶体点阵的改组是通过铁原 子自扩散完成的。 综上所述,珠光体转变时珠光体团的形成 是铁素体与渗碳体横向沿奥氏体晶界或沿已形 成的珠光体团界交替形核、纵向长大的结果。
二、粒状珠光体形成机制
粒状珠光体一般通过特定的热处理获得。生产中 广泛应用的球化退火、淬火+高温回火,即通过下述方 法得到粒状珠光体。
某低碳钢气焊热影响区过热段出现的粗大针状魏氏铁素体组织
3.3 珠光体转变的动力学
§3.3.1 形核率
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,形核功下降,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。
新相形状与弹性应变能之间关系
2、 长大 Fe3C薄片向纵向、横向长大,不断吸收周围 碳原子→ 在Fe3C两侧或奥氏体晶界上贫碳区,形 成F核→Fe3C纵向长大(横向已不可能),F纵向长大、 横向长大,于F侧的同一位向形成Fe3C,在同一位 向交替形成F与Fe3C,形成一个珠光体团。 在不同位向形成另一个珠光体团→珠光体团互 相接触,转变结束。 片状P的长大方式: (1)交替形核、纵向长大; (2)横向长大; (3)分枝形式长大。
1. 在一定的过冷度下,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。 2. 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 。
位向关系
铁素体与奥氏体位向关系
亚共析钢中先共析铁素体与奥氏体位向关系 (K-S关系)
一、伪共析转变
定义:非共析成分的A被过冷到ES延长线SE‘与GS延 长线SG’ ,可以不先析出先共析相而直接分解为F与Fe3C 混合物—与共析转变相似。
转变条件:亚共析钢或过共析钢快冷并在ES延长线E‘与 GS延长线SG’区保温 组织:也称为P 特点:分解机制和分解产物的组织特征与P转变完 全相同。但F和Fe3C量与P不同,随C%升高,Fe3C 量增加。
渗碳体与奥氏体位向关系比较复杂
二、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 采用的热处理工艺有关。渗 碳体颗粒的多少与WC有关。
在高碳钢中按渗碳体颗 粒大小将粒状珠光体分为粒 状P、细粒状P、点状P。
其他类型的珠光体,如碳 化物呈纤维状和针状。
第三章 钢的珠光体转变
本章内容提要:
制 亚 (过 )共析钢的珠光体转变、先共析相的析出 条件 珠光体的力学性能、影响力学性能的因素 珠光体(P)的组织形态、晶体结构 珠光体形成的热力学条件、形成过程、形成机
奥氏体冷却过程中发生的转变
按发生转变的温度范围可分为:
高温转变:Fe,C原子能充分扩散 (珠光体转变) 中温转变:Fe难以扩散,C原子能扩散 (贝氏体转变) 低温转变:Fe、C原子均不能充分扩散 (马氏体转变)
珠光体的发现
1864年,Sorby首先在炭素钢中观察到。
Henry Clifton Sorby
珠光体组织
一、片状珠光体
共析成分的奥氏体冷却到A1以下时,将分解为铁素体 与渗碳体的混合物,称为珠光体。 1. 概念 片状珠光体:过冷奥氏体缓冷所得的铁素体与渗碳体 呈层片相间组织; 珠光体团:片状珠光体的片层位向大致相同的区域称 为珠光体团,在一个奥氏体晶粒内,可有几个珠光体团。 珠光体片间距:珠光体团中相邻的两片渗碳体(或铁素 体)中心之间的距离称为珠光体的片间距,用S0表示。
• Examples:
3.2.3亚(过)共析钢的P转变
一、先共析相的析出条件 Fe-Fe3C相图中GS、ES线的延长线SG’、SE’具 有一定的意义,GSG’ 、ESE’线把相图分成四个区:
GSE以上为A区 GSE’以左为先共析F 析出区 ESG’以右为先共析 Fe3C析出区 E’SG’以下为伪共析P 析出区。 右图为先共析相及伪 共析组织形成范围
加热 略高于A1 缓冷
A+未溶Fe3C 粒状P
保温
A+粒状Fe3C
片状P
长时间保温
略低于A1
粒状P 球化退火
EUTECTOID TRANSFORMATION RATE ~ T
• Growth of pearlite from austenite:
• Reaction rate increases with T.
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