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。
第二节 珠光体形成机制
• 一. 形成热力学 • 由共析成分的奥氏 体转变为珠光体时, 有下列关系式: • A → P ( F + Cm) • 碳含量（%）：P： 0.77, F：0.0218， Cm：6.67。因此，只 要考虑这三相(A，F， Cm)自由能的变化, 即可了解相变的过程。
图2-2-1
图2-2-4
（c）铁素体中C的扩散 如上图，因为CF-A>CF-c，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(如图)。 (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。
图2-2-5
三. 粒状珠光体形成机制
• 1. 生产中广泛应用的球化处理，即通过下述方法得 到粒状珠光体。 (1)低的A化温度，短的保温时间，以得到较多的未溶 渗碳体粒子。 (2)临界点下高的等温温度，长的保温时间，以得到粒 状珠光体。 2. 片状转为粒状机制 (1)由片状向粒状转变，可降低表面能，属自发过程。 (2)不同半径粒子，溶解度不同。
( Xαβ)r 2σM ln = ( Xαβ)∞ rRTρ
• (3)亚晶界使片状渗碳体断 裂 由于亚晶界的存在，在 渗碳体内将产生界面张力， 为了平衡此张力，渗碳体 出现了沟槽 (见图)。由于 沟槽处曲率半径小， 溶解 度大，使曲率半径加大(见 图)，半径加大后，破坏了 界面张力平衡，为达到平 衡，沟槽进一步加深，最 终导致渗碳体断裂。 • (4)破坏的渗碳体球化 破坏的渗碳体球化依机 制(2)中的ThomsonFreundlieh方程规定的溶 解度规则进行。
图2-2-3
• (3)碳的扩散过程 共析成分的奥氏体，冷却到临界 点以下一个温度t1 时，新相P与母 相A的成分如图。由于各相间的浓度 差，就造成了如下几种扩散。 • （a）界面扩散 如上图，在t1温度时，A中CA-F>CAC，造成碳从A/F界面扩散到A/Cm界 面(如图)，这便破坏了界面平衡， 使CA-F↓，CA-C↑，进而导致F长大(引 起CA-F↑)，Fe3C长大(引起CA-C↓)。 • （b）由远离P区扩散 如上图，因为CA-F>CA >CA-C，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(如图)。
在温度T1时，三相自由能曲线 有一条公切线，说明此温度下三相 平衡。由三个切点作垂线与c)图中 温度坐标中的T1温度相交，得三相 平衡的成分F(P)，A(S)，Cm(K) 。 当温度降至T2时，就出现了图b)中 的情况。从该图中可见，共可作三 组公切线，即成份为d的A与Cm平衡， 成份为c的A与成份为a的F平衡，以 及成份为a'的F与Cm平衡。由上述 切点作垂线与c)图中的T2温度相交， 可得各二相平衡的成份点： • F(a')，F(a)，A(d)，A(c)和Cm(k)。
•
图2-2-2
•
•
因此，在T2温度时，可同时存在上述三组二相平衡。 由于形成F(a')与Cm的二相平衡时，公切线的位置最低，也即体 系自由能最低，是最稳定的状态，所以A只要在A1下保持足够长时 间，就会得到 F+Cm的二相混合物P。 二. 片状珠光体形成机制 1. 领先相 因为P中F与F先位向相同，故设定亚共析钢中F为领先相，因为P 中Fe3C与Fe3CIII位向相同，故设定过共析钢中Fe3C为领先相，共 析钢中领先相可以是F，也可以是Fe3C，一般认为领先相是渗碳体。 2. 珠光体形成机制 共析成分的奥氏体，在临界点以下发生如下转变： A → F + Fe3C 转变依赖于扩散，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。
在钢中组成珠光体的相有铁素体、渗碳体、合金渗碳 体、各类合金碳化物。各种相的形态形形色色。珠光体 组织有片状、细片状、极细片状的；点状、粒状、球状 的；以及粒状、片状渗碳体不规则形态的类珠光体；相 间沉淀组织等多种组织形态。 • 如图2-1-3示出了片状珠光体、类珠光体和粒状珠光 体的组织形貌。
a.片状
6 00
转 温 T ℃ 变 度（ ）
•
碳素钢和合金钢的珠光体片间距与形成温 度之间的关系。当过冷度很小时有近似的线性 关系，但总的来看是非线性的。有些人碳素钢 中珠光体的片间距与过冷度的关系处理为线性 关系： • 珠光体的片间距和过冷度关系如下： • S0 = C /△T • 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。
第四节 珠光体转变动力学
• 一. 珠光体转变的 形核率I及长大速 度V (1) 珠光体转变的 形核率I及长大速 度V随过冷度△T的 增加，先增后减。 共析钢P转变时，I 及V与温度关系见 图2-4-1。
图2-4-1共析钢（0.78％C，0.63%Mn） 的形核率N、长大速度G与温度的关系
• I 及V 对温度的关系呈极大值的原因是： 由于△T↑，对V及I造成了正反效应，故有极 大值存在。 • 正效应是：△T↑,相变驱动力 △G = (GP-GA)↑， 形核力△w = k /△G1/2↓，所以 I↑；且△T↑, 奥 氏体的界面浓度差(CA-F-CA-C)↑，珠光体片层间 距S =C/△T↓，奥氏体中的浓度梯度增加，碳原 子的扩散距离缩短 ，所以，V↑，I↑。 • 反效应是： △T↑，原子活动能力↓，能克服势 垒而扩散的原子数↓, 所以V↓，I↓。 • (2)形核率N还与转变时间有关，随着时间的延 长，晶界形核很快达到饱和故使形核率降低； 长大速度G与等温时间无关。温度一定时，G 为定值。
二. 珠光体等温转变的动力学图 1. 珠光体等温转变的动力学曲线及动力学图
• 将共析碳钢奥氏体化后，快速冷却 到A1下一定温度，保温不同时间后 测出相应的转变量，并描绘在以横 坐标为时间，纵坐标为析出转变量 的坐标系中，就构成了珠光体转变 的动力学曲线(见图2-4-2)。仍以时间 为横坐标，纵坐标改为温度，将上 图中各温度下的转变开始和结束的 时间绘于此图中，把同类的点连起 来，即得珠光体转变动力学图(见图 2-4-2)。由于上图中曲线与"C"相似， 故称曲线C；还因为温度、时间、转 变三个英文名词以"T"开头，又称 TTT(IT)曲线。
2-3-1珠光体形成时碳扩散 示意图
• 2. 网状F的析出 当转变温度较高， 或冷速较大、A晶粒 粗大时，Fe自扩散 能力下降，F易沿晶 界析出并连成网状 (见图2-3-4)。此时 晶内碳浓度不断升 高, 达伪共析成分 时转变为P。
2-3-2先共析铁素体形成示意图
•3. 片状F的析出 当转变温度较低，A中成分均匀，晶粒粗大时， F向与其有位向关系的A中长大，就使得同一晶粒 中F呈片状且相互平行。通常将这种先共析铁素体 称为魏氏组织铁素体(见图2-3-3)。
•
• • •
• (1) 形核 （a）位置：Fe3C形核于A晶界或A 晶内未溶Fe3C粒子(见图a)。 （b）形状：薄片。因表面积大， 易接受扩散来的原子，且应变能小。 • (2) 长大 Fe3C薄片向纵向、横向长大，不 断吸收周围碳原子(图a)→在Fe3C 两侧或A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(图c)，在同一位 向交替形成F与Fe3C，形成一个珠 光体团(图d)。在不同位向形成另 一个珠光体团(图c∼e)→珠光体团 互相接触，转变结束(图f)。
图2-1-4为极细珠光体的各类电 镜照片。
• 图2-1-4 TEM各类珠光体的组织 • a.托氏体 b.碳化物不连续 c.碳化物呈颗粒状 • d.索氏体（复型）
二、冷却温度对珠光体的影响
• 片状珠光体中相邻两片渗碳体（或铁素体）中心之间的距 离称为珠光体的片间距。 • 温度是影响片间距大小的一个主要因素。随着冷却速度 增加，奥氏体转变温度的降低，也即过冷度不断增大，转 变所形成的珠光体的片间距不断减小。
b.类珠光体 图2-1-3各类珠光体组织 ×500
c.粒状
珠光体的分类
•
• • • • 片状珠光体依片间距不同，可以分成珠光体、索氏 体、托氏体三种。 在光学显微镜下能够明显分辨出片层的珠光体，其片 间距约为150～450nm。 片间距为80～150nm时，称为索氏体，其片层在光学 显微镜下难以分辨。 在更低的温度下形成片间距为30～80nm的珠光体称为 托氏体，只有在电子显微镜下才能观察到片层结构。 当渗碳体以颗粒状存在于铁素体基体上时称为粒状 珠光体，如图2-1-3c所示。粒状珠光体可以通过不均匀 的奥氏体缓慢冷却时分解而得，也可以通过其他热处 理方法获得。
2. 珠光体等温转变的特点 • (a) 转变有孕育期。指等温 开始到发生转变的这段时间。 • (b) 随着转变温度下降，孕 育期变短，转变速度加快。 当超过某一特定温度后，转 变温度下降，孕育期反而增 长，转变速度下降。"鼻尖" 处对应I、V最大处。 • (c) 从动力学曲线上可见， 随时间增长，转变速度增加， 当转变量超过50%，转变速度 下降。
• 一. 珠光体的形态
第二章 珠光体转变 珠光体(P) (P)的组织形态 第一节 珠光体(P)的组织形态
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。缓冷所得的珠光体呈层 片状，称为片状珠光体(见图 2-1-1)；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(见图 2-1-1)。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S0(见图2-1-2)。
2 0 1 8 1 6 1 4 1. 0C-9C r 0. 6C-1. 5Mn 0. 8C 0. 8C-1. 2Co 0. C 8
图2-1-5珠光体片间距 与形成温度的非线性 关系来自SO-1（ -1） UM
1 2 1 0 8 6 4 2 0 7 60
74 0
72 0
7 00
68 0
6 60
6 40
62 0