第三章 珠光体转变

珠光体转变动力学和影响因素；
珠光体的力学性能、影响力学性能的因素；
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• 何为珠光体?
固 态 相 变 原 理 与 应 用
珠光体是奥氏体发生共析转变所形成的铁 素体与渗碳体的共析体。
• 何为珠光体转变？
Fe3C
平衡相变 共析相变 扩散型相变
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3.1 珠光体的组织特征
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固 态 相 变 原 理 与 应 用
屈氏体
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珠光体
固 态 相 变 原 理 与 应 用
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索氏体
固 态 相 变 原 理 与 应 用
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屈氏体
固 态 相 变 原 理 与 应 用
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球状珠光体的组织特征
固 态 相 变 原 理 与 应 用
（1）片状珠光体的形成过程 相组成： γ → （ α + Fe3C ） 6.69% 复杂斜方
碳含量： 0.77%
0.02%
点阵结构：面心立方 体心立方
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珠光体的形核
固 态 相 变 原 理 与 应 用
条件： 能量、成分和结构起伏
形核部位
奥氏体晶界
奥氏体晶内（温度较低）
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固 态 相 变 原 理 与 应 用
渗碳体片存在内部缺陷，在亚晶界处出现沟槽
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片状渗碳体破断、球化过程示意图
固 态 相 变 原 理 与 应 用
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片状渗碳体破断、球化过程
固 态 相 变 原 理 与 应 用
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固 态 相 变 原 理 与 应 用
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共析钢的形核率和晶体长大速度与转变温度的关系
固 态 相 变 原 理 与 应 用
两者都具有极大值特征，其极大值约在550℃左右。
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（2）长大速度G与转变温度T
固 态 相 变 原 理 与 应 用
转变温度较高时珠光体团一般长大成等轴类球形，各个方向上的 长大速度G基本相等，可由下式表示：
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4．影响珠光体转变动力学的因素
固 态 相 变 原 理 与 应 用
(1) 加热温度和保温时间
(2) 碳含量
(3) 合金元素 (4) 奥氏体晶粒度
(5) 应力和塑性变形
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（1）加热温度和保温时间的影响
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B，过共析钢：
先共析渗碳体的形态可以是粒状、网状或针（片）状。
固 态 相 变 原 理 与 应 用
过共析钢在奥氏体成分均匀、晶粒粗大的情况下，渗碳体一般呈网状 或针（片）状渗碳体，此时将显著增大钢的脆性。
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组织控制：
固 态 相 变 原 理 与 应 用
工业上，片（针）状铁素体或渗碳体加珠光体的组织称为魏氏组织。 魏氏组织——晶粒粗大——机械性能（尤其塑性和冲击性能）显著降 低——钢的脆性转折温度升高；
目的： （1）消除组织缺陷； （2）均匀化学成分及组织，细化晶粒，提高钢的力学性能，减少残 余应力； （3）降低硬度，提高塑性和韧性，改善切削加工性能。
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各种退火加热温度范围
固 态 相 变 原 理 与 应 用
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正火：
固 态 相 变 原 理 与 应 用
将钢加热至Ac3或Acm以上适当温度，保温后在空气中冷却得到 珠光体类组织的热处理工艺。 与完全退火不同点：正火冷却速度较快，转变温度较低，因此 获得的珠光体组织较细，钢的强度和硬度也较高。
固 态 相 变 原 理 与 应 用
典型形态：片状或层状 是铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物，也称 片状珠光体，如图所示。
符号：P （Pearlite） 含碳量ωc＝0.77％；
图3-1 共析碳钢的片状珠光体组织
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固 态 相 变 原 理 与 应 用
珠光体
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两者都具有极大值特征，其极大值约在550℃左右。
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（3）形核率I和长大速度G与转变时间的关系
固 态 相 变 原 理 与 应 用
当转变温度一定时，随转变时间延长，形核率I逐渐增大。 等温保持时间对珠光体的长大速度G则无明显的影响。
共析钢珠光体形核率与转变时间的关系
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S0 为珠光体的片层间距； Dcγ为C在奥氏体中的扩散系数； K为常数。
由于S0反比于过冷度△T，而K正比于△T，所以式可改写为
T ↘, ΔT↗, S0 ↘,C扩散距离↘，G ↗； T ↘, Dc ↘, G ↘ ；
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共析钢的形核率和晶体长大速度与转变温度的关系
固 态 相 变 原 理 与 应 用
固 态 相 变 原 理 与 应 用
（1）伪共析转变 亚共析钢缓慢冷却时，先共析铁素体+珠光体。 过共析钢缓慢冷却时，先共析渗碳体+珠光体。
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固 态 相 变 原 理 与 应 用
亚（或过）共析钢较快速度冷却时，奥氏体中同时析出铁 素体和渗碳体，即珠光体组织，成分并非共析成分——伪 共析转变。
当奥氏体晶粒较细小，等温温度较高或冷却速度较 慢时，Fe原子可以充分扩散，所形成的先共析铁素 体一般呈等轴块状。
当奥氏体晶粒较粗大，冷却速度较快时，先共 析铁素体可能沿奥氏体晶界呈网状析出。
当奥氏体成分均匀、晶粒粗大、冷却速度又比 较适中时，先共析铁素体有可能呈片（针）状， 沿一定晶面向奥氏体晶内析出，此时铁素体与 奥氏体有共格关系。
珠光体转变时的领先相:
固 态 相 变 原 理 与 应 用 •
铁素体 珠光体 渗碳体 领先相？（相变温度和奥氏体成分）
过冷度小时渗碳体是领先相，过冷度大时铁素体是领先相； 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； 在共析钢中两者为领先相的几率相同，但一般认为领先相是渗碳体。
• •
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典型形态：球状或粒状 组成：铁素体基体＋粒状渗碳体
T12A钢的粒状珠光体组织
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3.2 珠光体转变机制
固 态 相 变 原 理 与 应 用
1．珠光体的形成过程
2．珠光体转变时的领先相
3．亚（过）共析钢的珠光体转变
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2．珠光体的形成过程
固 态 相 变 原 理 与 应 用
保证不发生珠光体转变。为使奥氏体能过冷到低温，使之转变为马氏 体或贝氏体，必须要保证奥氏体在冷却过程中不发生珠光体转变。
珠光体转变的过程、转变机理、转变动力学、影响因素、珠光体转变 产物性能。
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本章知识点：
固 态 相 变 原 理 与 应 用
珠光体的组织形态、晶体结构； 珠光体的形成过程、形成机制以及形成的热力学条件； 亚（过）共析钢的珠光体转变、先共析相的析出条件；
目的： （1）改善钢的切削加工性能； （2）消除热加工缺陷组织，均匀组织，细化晶粒，消除内应力； （3）消除过共析钢的网状碳化物，便于球化处理； （4）提高普通结构零件的机械性能。
应用：一般作为预备热处理，也可作大型或形状复杂零件的终热处理。
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学习珠光体转变的意义：
固 态 相 变 原 理 与 应 用
固 态 相 变 原 理 与 应 用
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珠光体间距：
固 态 相 变 原 理 与 应 用
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。
珠光体团：
片层方向大致相同的区域称为“珠光体团”或“珠光体晶粒” 。
片状珠光体示意图
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片层间距大小和珠光体团影响因素：
2．珠光体转变动力学图
固 态 相 变 原 理 与 应 用
根据不同温度下珠光体的形核率和长大速度与时间的关系，共 析钢的珠光体等温转变动力学曲线如图中实线所示：
共析钢的珠光体等温转变动力学曲线
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3．先共折相的长大动力学
固 态 相 变 原 理 与 应 用
亚共析钢（先共析铁素体在奥氏体晶界上的长大方向有两个）： 一是沿奥氏体晶界长大（长度方向）； 二是向奥氏体晶内长大（厚度方向）：
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固 态 相 变 原 理 与 应 用
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获得粒状珠光体的途径：
固 态 相 变 原 理 与 应 用
（四）形变球化：
若在稍高于临界点Ar3施加大应变量 形变，形变后等温或缓冷处理，可以直 接获得铁素体加细小弥散渗碳体的球化 组织。
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3 亚（过）共析钢的珠光体转变
获得粒状珠光体的途径：
固 态 相 变 原 理 与 应 用
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获得粒状珠光体的途径：
固 态 相 变 原 理 与 应 用
（二） 片状珠光体的低温退火
界面能减小的自发趋势（片状球化 和析出相长大）。
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获得粒状珠光体的途径：
固 态 相 变 原 理 与 应 用
500～650 º C 300～500 º C
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(2) 亚（过）共析钢先共析相的析出
固 态 相 变 原 理 与 应 用
先共析相量的影响：
先共析相的量的影响因素：碳在奥氏体中的扩散（碳含量，析出温度， 冷却速度）。 碳含量↗ (或↘)，冷却速度↗ ，析出温度↘，先共析量↘ 。
材料科学与工程学院 先共析相形貌的影响： A，亚共析钢： 固 态 相 变 原 理 与 应 用
C%
Cγ
C%
γ
P S Cγ/cem Cγ C γ /α
Fe3C
A'
A S B
Fe3C
Cγ/cem γ
S' B'
度
α A' S' B'
C%
Cα/cem C α/ γ
C γ /α
C%
碳含量
A
Cγ
C α/ γ
α
S
γ
B
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珠光体转变过程
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（2）粒状珠光体的形成过程
固 态 相 变 原 理 与 应 用
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S0就愈小。
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固 态 相 变 原 理 与 应 用
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片状珠光体的分类：
固 态 相 变 原 理 与 应 用
1．珠光体的形核率I和长大速度G
固 态 相 变 原 理 与 应 用
（1）形核率与转变温度T
在均匀形核：
一方面： 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，即相变 驱动力△Gv增大，使临界形核功W减小, 使形核率I增大。中间出现最大值； 另一方面： 随转变温度T降低，原子扩散能力减弱，因Q基本不变，使形核率I减小。
魏氏组织→采用细化晶粒的正火、退火以及锻造等等。
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3.3 珠光体转变动力学
固 态 相 变 原 理 与 应 用
1．珠光体的形核率I和长大速度G
2．珠光体转变动力学图
3．先共折相的长大动力学
4．影响珠光体转变动力学的因素
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固 态 相 变 原 理 与 应 用
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领先相Fe3C形状:
固 态 相 变 原 理 与 应 用
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片状珠光体形成过程示意图
固 态 相 变 原 理 与 应 用
横向长大是渗碳体片与铁素体片交替堆叠增多。
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；
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珠光体形成时碳的扩散过程：
Ccem/γ
固 态 相 变 原 理 温α 与 应 用 G E
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第三章
珠光体转变
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固 态 相 变 原 理 与 应 用
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固 态 相 变 原 理 与 应 用
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获得珠光体组织的热处理工艺
固 态 相 变 原 理 与 应 用
退火：
将钢加热至临界点Ac1以上或以下温度，保温后随炉缓慢冷却以 获得近于平衡状态组织的热处理工艺。
式中，S为铁素体片的半厚度；t为铁素体长大时间；α为系数。
先共析铁素体的转变动力学曲线也呈“C”字形，通常位于珠光体 转变动力学曲线的左上方。并且随着钢中碳含量的增高，先共析 铁素体的析出线移向右下方。 对于过共析钢，若奥氏体化温度在Acm点以上，则在等温转变过程 中于珠光体转变动力学曲线的左上方有一条先共析渗碳体析出线。 这条先共析渗碳体析出线，随钢中碳含量的增高，逐渐移向左上方。
珠光体转变在热处理（退火与正火）实践中极为重要： 退火与正火可以作为最终热处理。即工件经退火或正火后直接交付使 用，因此在退火与正火时必须控制珠光体转变产物的形态，以保证退 火与正火后所得到的组织具有所需的强度、塑性和韧性等。 退火与正火也可以作为预备热处理。即为最终热处理最好准备，这就 要求退火或正火所得的组织能满足最终热处理的需要。