第3章 珠光体转变14

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片状珠光体长大过程受碳原子扩散控制
共析钢转变成珠光体 Cr-a>Cr-C
存在浓度差 原子扩散 打破C原子平衡 相变保持平衡 两处界面推进
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分支长大
渗碳体片在向前长大的过程中，有 可能不断分枝，而铁素体则协调地在渗 碳体枝间形成。这样形成的珠光体团中 的渗碳体是一个单晶体，渗碳体间的铁 素体也是一个单晶体，即一个珠光体团 是由一个渗碳体晶粒和一个铁素体晶粒 互相穿插起来而形成的。
② 渗碳体θ则与不易长入的奥氏体γ1之间保持Pitsch关系，该 关系接近于：
(100) / /(111) , [010] / /[110] , [001] / /[112]
③ 一个珠光体团内的铁素体和渗碳体之间也存在着一定的 位相关系，即Pitsch-Ptech关系：
(001) / /(521) , [010] / /[113] (差236′ [100] / /[131] (差236′ )， )
渗碳体主干分支长大的原因之一，很
可能是前沿奥氏体中塞积位错引起的。
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上述珠光体形成机制仅涉及碳原子在奥氏体内的
扩散，所以又被称为体扩散机制。
实际上，在珠光体转变的过程中同时存在着体扩
撒和界面扩散两种扩散，①过冷度小时很可能以体
扩散为主， ②过冷度大时很可能以界面扩散为主。 对合金钢，考虑到合金元素的空位扩散，其珠光 体相变很可能也以界面扩散为主。
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第一节 珠光体的组织形态及晶体学
一、珠光体的组织形态 珠光体：铁素体和渗碳体的双态组织。 珠光体在光学显微镜下，呈现珍珠般的光泽， 所以称为珠光体。 按渗碳体的形态，珠光体可分为片状珠光体、 颗粒状珠光体和特殊形态的珠光体。
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1.片状珠光体 片状珠光体由相间 的铁素体和渗碳体 片组成。 珠光体团：若干大 致平行的铁素体与 渗碳体组成的一个 珠光体领域。
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1.魏氏组织的形态和分布特征 1. 魏氏组织的形态和分布特征
定义：沿母相特定晶面析出的针状组织
魏氏组织的形态： 针状 1. 2. 沿特定晶面析出——有惯习面
按先共析相分： 魏氏组织渗碳体： 魏氏组织中的先共析渗碳体 魏氏组织铁素体： 魏氏组织中的先共析铁素体
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按析出方式分： 一次魏氏组织： 从奥氏体中直接析出的针状先共 析渗碳体
长。
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普通球化退火工艺
等温球化退火工艺
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球化退火的物理机制
温度低 时间短
残留碳化物 富碳区
粒状渗碳体
晶内渗碳体核
各向长大 铁素体
低碳奥氏体
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如果加热前的原始组织为片状珠光体，则在加热过程 中片状渗碳体有可能按照片状组织的球化机制自发的发
生破裂和球化。
对组织为片状珠光体的钢进行塑性变形，会使渗碳体
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过冷度与片间距的关系
8.02 3 S0 10 T
过冷度越大，即转变温度越低，珠光体的片间距越小。
原因：
① 转变温度越低，碳的扩散速度越慢，碳原子难以作较大距 离的迁移，所以只能形成片间距较小的珠光体。
② 珠光体形成时，由于新的铁素体与渗碳体界面的形成将使 界面能增加，这部分界面能是由奥氏体与珠光体的自由能 差提供的，过冷度越大，所提供的自由能越大，能够增加 的界面能也越多，所以片间距有可能越小。
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长大 两个过程。 先共析铁素体的析出经历 形核 、 先共析铁素体的形核位置： 奥氏体的晶界 先共析铁素体的形态有 块状 、网状 和 片状 三 种。
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a. 块状（或等轴状）F的析出
当P转变温度高，Fe原子自扩散充分便利，且晶
粒较细时，F在晶界形核后，由于CA-F > CA，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。
下就会形成魏氏组织。
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3. 魏氏组织的形成机制 3. 魏氏组织的形成机制
长大 两个过程。 先共析铁素体的析出经历 形核 、
切变机制： 浮凸
切变形核
受原子扩散控制
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奥氏体晶粒越细小越不容易形成W 奥氏体晶粒细小 在晶界形核 扩散距离短 块状 网状 片状
快速富C
抑制W形成
处理温度高于WS
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b) 过冷度大时，铁素体为领先相。
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珠光体的长大过程
Fe3C薄片向纵向、横向长大，不断吸收周围碳原子 在FeC纵向长大(横向已不可能)，3F纵向长大、横向长大 Fe3 3C两侧或奥氏体晶界上贫碳区，形成F核 在同一位向交替形成F与Fe C，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
只有适当的冷却速度下才能形成W 冷却速度太慢 在高温停留时间长 Fe原子的扩散速度较快
片断开、碎化、溶解，会增加珠光体中铁素体和渗碳体的
位错密度和亚晶界数量，故有促进渗碳体球化的作用。如 高碳钢的高温形变球化退火，可使球化速度加快。
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有网状碳化物的过共析钢在Ac1-Accm之间加热时，网状碳 化物也会发生断裂和球化，但所得碳化物颗粒较大，且往 往呈多角形、“一”字形或“人”字形。由于网状碳化物 为先共析相，采用正常的球化退火无法消除网状碳化物。 为使其断裂、球化所需的加热温度应高于正常球化退火温 度。因此，对有网状碳化物的过共析钢，一般应先进行正
{001}θ//{311}γ,<100>θ//<112>γ
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2. 魏氏组织的形成条件 2. 魏氏组织的形成条件
①碳 含 量 为 0.2%-0.4% 的亚共析 钢；
②碳 含 量 较大的 过共析 钢
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影响魏氏组织铁素体形成的因素：
钢中加入锰，会促进魏氏组织铁素体的形成
①合金元素：
加入钼、铬、硅等会阻碍魏氏组织的形成
二次魏氏组织：从网状铁素体中长出的针状先共 析渗碳体
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魏氏组织位向关系
魏氏组织铁素体的惯习面为：(111)γ
魏氏组织铁素体与母相奥氏体的位相关系： K-S关系
(110)α//(111)γ，[111]α//[110]γ
{227}γ 魏氏组织渗碳体的惯习面为：
魏氏组织渗碳体与母相奥氏体的位相关系：
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2. 颗粒状珠光体
在铁素体基体中分布着颗粒 状渗碳体的组织称为颗粒状珠 光体，或球状珠光体。 获得途径：通过球化退火处理 （将钢加热到略高于Ac1温度， 保温后随炉缓冷至600 º C，出炉
空冷）等一些特定的热处理获
得的。
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3. 特殊形态的珠光体 当钢中加入合金元素时，碳化物形成元素的原
子M可能取代渗碳体中部分铁原子，形成（Fe，M）
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珠光体的片间距S0：珠光体中渗碳体θ与铁素体α片 厚之和称为。
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片间距是用来衡量片状珠光体组织粗细程度的 一个主要指标。 珠光体，S0：150-450nm；A1~650℃ 光学显微镜下可见 索氏体，S0：80-150nm；650~600℃ 800倍以上的光学显微镜下可见 屈氏体，S0：30-80nm；600~550℃ 光学显微镜下很难观察到
单相奥 氏体区
先共析 铁素体 析出区
先共析 渗碳体 析出区
伪共 析区
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一、先共析转变
先共析转变：非共析成分的奥氏体在珠光体转变 之前析出先共析相的转变。
根据C含量的不同可分为：亚共析和过共析
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1. 亚共析钢先共析铁素体的析出
影响先共析铁素体的析出量的因素：
① 奥氏体的碳含量 碳含量越高，先共析铁素体的析出量越少。 ② 奥氏体的冷却速度 冷却速度越大，先共析铁素体的析出量越少。
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第二节 珠光体转变机制
一． 二． 三．
珠光体转变的热力学条件 片状珠光体的形成机制 粒状珠光体的形成机制
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一、珠光体转变的热力学条件
珠光体转变温度：
共析成分奥氏体过冷至A1点以下，将发生珠光体转变。
注：由于珠光体转变温度较高，原子能够长距离扩散，
珠光体又是在晶界形核，形核所需的驱动力较小， 所以在较小的过冷度下即可发生珠光体转变。
晶粒越大，越容易形成魏氏组织铁素体
②原奥氏体晶粒大小：
晶粒越小，越不容易形成
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上线温度 Ws
原奥氏体晶粒越小，越不容易形成魏氏组Fra Baidu bibliotek铁素体
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连续冷却时，只有当钢的含碳量和过冷度都在适当 的范围内才会形成魏氏组织。 ① 当奥氏体晶粒大小适中时，只有在含碳量ωc为0.15%0.32%的较窄范围内，且冷却速度大于140℃/s时才会 形成魏氏组织。 ② 当奥氏体晶粒较粗大时，在ωc为0.15%-0.5%（特别 是ωc为0.3%-0.5%）之间的亚共析钢，在较慢的冷速
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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——领先相。珠光体形成的领先相取决 于化学成分和珠光体的过冷度。一般认为： ① ② ③ 亚共析钢以F为领先相； 过共析钢以Fe3C为领先相； 共析钢中领先相可以是F，也可以是Fe3C a) 过冷度小时，渗碳体为领先相；
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片状先共析铁素体
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2.过共析钢先共析渗碳体的析出
先共析渗碳体的形态有 粒状 、 网状 和 片状 三种。
奥氏体晶粒粗大
成分不均匀
网状或片 状铁素体
魏氏组 织渗碳 体
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粒状先共析渗碳体
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网状先共析渗碳体
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网状先共析渗碳体
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片状先共析渗碳体
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二、魏氏组织 1. 魏氏组织的形态和分布特征 2. 魏氏组织的形成条件 3. 魏氏组织的形成机制 4. 魏氏组织的力学性能
3C合金渗碳体，也可能形成MC、M2C、M6C、
M7C3、M23C6等合金碳化物，即特殊碳化物。
这些碳化物的形状多样因此得到的珠光体的的形 态也比较多——不详细介绍
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二、片状珠光体的晶体学 片状珠光体一般在两个奥氏体γ1和γ2的晶界上形核， 然后向与其没有特定取向关系的奥氏体γ2晶粒内长 大，形成珠光体团。
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二、片状珠光体的形成机制
珠光体转变时，共析成分的奥氏体将转变为铁素体和
渗碳体的双相组织，这一反应可用下式表示： A → P（α ＋ Fe3C）
晶体结构： 面心
碳 含 量： 0.77%
体心
0.02%
复杂斜方
6.67%
珠光体的形核，包含着两个同时进行的过程，一个是C的扩 散，以生成高C的Fe3C和低C的F；另一个是晶体点阵的重 构，由面心立方的A转变为体心立方的 F和复杂斜方的 Fe3C
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三、粒状珠光体形成机制
粒状珠光体一般通过球化退火、淬火＋高温回火（调质）
热处理获得。 球化退火工艺条件： ① 奥氏体化工艺条件 ：奥氏体温度很低（一般仅比AC1高
10-20℃），保温时间较短。
② 冷却工艺条件 ：冷却速度极慢，或者过冷奥氏体等温温
度足够高（一般仅比AC1低20-30℃） ，等温时间要足够
第三章 珠光体转变
珠光体转变是过冷奥氏体在临界温度A1以下比 较高的温度范围内进行的转变。
钢铁材料在退火、正火时，都要求发生珠光体
转变。 在淬火或等温淬火时，则力求避免发生
珠光体转变。
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主要内容
第一节 珠光体的组织形态及晶体学 第二节 珠光体转变机制 第三节 先共析转变和伪共析转变 第四节 光体转变动力学 第五节 珠光体的力学性能 第六节 钢中碳化物的相间沉淀
火以消除网状碳化物，然后再进行球化退火。
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调质处理颗粒状珠光体的形核长大
钢淬成马氏体后，通过高温退火，从马氏
体析出的碳化物经聚集、长大成颗粒状碳化物，
均匀分布在铁素体基体中，成为粒状珠光体。
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第三节 先共析转变和伪共析转变
一．先共析转变 二．魏氏组织 三．伪共析转变
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工程上使用的钢大多是亚（过）共析钢，它们在 实际冷却条件下的珠光体转变基本上与共析钢相 似，只是在珠光体转变之前还有先共析转变，析 出铁素体（或渗碳体），并且随后发生珠光体转 变。
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块状先共析铁素体
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b.网状F的析出
当转变温度较高，或冷速较大、奥氏体晶粒粗大
时，Fe自扩散能力下降，F易沿晶界析出并连成网状。 此时晶内碳浓度不断升高, 达伪共析成分时转变为珠
光体。
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网状先共析铁素体
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c.片状F的析出
当转变温度较低，奥氏体中成分均匀，晶粒粗大时， F向与其有位向关系的奥氏体中长大，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。
1 2 珠光体中的铁素体及渗碳体 与被长入的奥氏体晶粒之间 不存在位向关系，形成可动 的非共格界面； 与另一侧的不易长入的奥氏 体γ1晶粒之间则形成不易移 动的共格界面，并保持一定 的位相关系。 铁素体和渗碳体存在一定的 10 位向关系
有 位 向 关 系
有位相关系
无 位 向 关 系
① 铁素体α与不易长入的奥氏体γ1之间保持K-S关系： {110} / /{111} , [111] / /[110]