05金材第三章珠光体转变与钢的正火和退火

3. 粒状珠光体形成机制
①粒状P是铁素体基体上均匀分布着近球状或颗粒状渗碳体的组织。 ②粒状P形成特点：
●形核、长大过程 ●F转变通过Fe原子的点阵重建而成 ●Fe3C通过未溶碳化物质点进行非均匀形核长成球状或颗粒状。
或者从片状P通过球化处理而获得（下图）。
图3-15 片状渗碳体在A1以下球化过程示意图
图3-17形核率N与时间的关系
4.长大速度G与等温时间无关： 当T一定时，则G也一定。
● 珠光体的力学性能
一.共析成分珠光体的力学性能 1.片状珠光体的力学性能 ①原始奥氏体晶粒越细，所得珠光体团的尺寸越小，硬度、强度
越 高，塑性也较好。 ②珠光体中的F、Fe3C的片层间距（S0）越小，硬度（HB）、强
第三章 珠光体转变与钢的退火正火
本章主要介绍： ●珠光体的组织形态 ●珠光体的转变机制 ●珠光体的转变过程 ●珠光体的转变动力学 ●珠光体的力学性能 ●钢的退火和正火
引言
●如前所述：P是钢经A化后过冷到A1点以下发生共析转变的 产物。在退火、正火时，钢发生的主要转变是P转变。在生产 上采用退火、正火处理来软化钢，使其便于机加工，也为最终 热处理作好组织准备。 ●由Fe－Fe3C状态图可知，奥氏体在临界点以下是不稳定
X=1-exp(-πNG3t4/3)
X—珠光体体积分数 ；N—形核率；G—长大速度； t—等温时间（秒） 因为在恒温时N、G为常数，则f(t)作图得到S曲线（P41图3-1）
特征： ①转变开始（a点）前有 一段孕育期； ②转变初期、末期的转变 速度慢；中期快。
形核率N和长大率G与转变温度 1.特征：
A
P
A
F
P+F
图3-12 共析钢Leabharlann Baidu光 体 转变示意图
图3-13 亚共析钢珠 光体转变示意图
A
Fe3C
P+Fe3C
图3-14过共析钢珠 光体转变示意图
③晶核长大：不仅向前，也向两侧长大。
Fe3C吸收周围的C原子，使周围出现贫C奥氏体，贫C奥氏体区的A 晶界上又形成F晶核，F晶核长大使周围出现富C奥氏体，而又形成 新的Fe3C晶核，如此交替，并向纵深生长→P团。这个晶粒长大过 程是F＋Fe3C与A接壤附近的C扩散过程。 ●远离P的A中的C向与Fe3C接壤的A（Cr-Fe3C r）扩散，与F接壤的A 中的C向远离P的A中扩散。 ●F内部C扩散：F与A接壤的C通过F向Fe3C扩散。
2）P的形成 ①伴随着两个过程： γ（0.77％c）→α（0.02％c）+ Fe3C（6.69％c）
C的扩散：生成高C的Fe3C和低C的铁素体； 晶格的重构：面心立方的奥氏体→体心立方的F和复杂晶格Fe3C。
②形核部位： A晶粒界上。 条件是：晶界上缺陷较
多，能量较高，原子易于扩散。由于 能量成分、结构上的起伏，在A晶粒边 界上产生一小片渗C体（晶粒）。
◆在Gr自由能曲线上，过共析 成分作切线：
由析出相α，成分点α´作成分 轴的垂线，交切线与Gα于两点 A、B，由 于B-A是负值，所以， AB的数值即代表形成α相的驱 动力。 ◆同理可作出CD的数值是形成 Fe3C相的驱动力。
◆分别作Gα、Gr和GFe3C的公 切线，得ac、a´D、dD也
可发现，三条公切线都在Gr 共析成分点下方。同样说明
二、连续冷却转变图(Continuous Cooling Transformation), 称CCT曲线，也称CT曲线
图6-6共析碳钢连 续冷却转变图
40Cr钢CCT图 （奥氏体化温度840℃）
珠光体转变热力学（自由能与温度的关系）
1）P转变的驱动力：是自由能差△G＜0（吉布氏自由能）。 A→P转变能进行的条件是Gα＜Gr 和 GFe3C＜Gr
§3-4 珠光体转变动力学
P转变的几个动力学问题 ①形核率I和线长大速度V（长大率）； ②P等温转变的动力学曲线和动力学图； ③及其影响因素。
珠光体等温转变动力学曲线（S曲线） S曲线（P41图3-1）是反映在一定的等温温度下，P转变量f与时 间t的关系。 约翰逊—梅尔（Johnson-Mehl）方程表达式：
②同时也由于△T↗，Crr-α－Crr-c（浓度差）↗，A中的C浓度梯度↗，P片 间距↘，而I↗，V↗。 ③但是随着△T↗，C原子活动能力↘，则N↘、G↘ ，导致扩散系数
D=D0e-Q/RT↘. 综上分析，前面是由△G起主导作用，后面是C扩散起主导作用。
3. 形核率N与时间关系：
随着等温时间t↗，而N↗ （图3-17）
③粒状P形成特定条件： ●奥氏体化温度较低、保温时间较短、加热转变未充分
进行 ●转变为珠光体的等温温度要高、等温时间要足够长或
冷却速度慢。
§3-1钢的冷却转变
一.等温转变IT图及等温转变 动力学曲线
共析碳钢的IT图（a） 等温转变动力学图（b） ， 它可由多组IT图绘制而成，由称 TTT曲线（Time-TemperatureTrasfomatiom）, 俗称C曲线。
组织。过冷奥氏体的转变有三类：
1.高温的珠光体转变：A→P＋Fe3C（过共析成分），
或A→P＋F（亚共析成分）。
特点：此时Fe原子、C原子均能充分扩散。
2.中温的贝氏体转变：A→B上 （ Bain，美国物理冶金学家）
A→B下
A→B粒
特点：Fe原子难以扩散，C原子尚能扩散。
3.低温的马氏体转变：A→M （ Marten，德国著名冶金学家）
图3-8 球化退火显微组织 （T10钢，球化退火）580X
①片状P以其片间距又分为： ●片状P：片间距150～450nm 光子显微镜下可辨出。 ●索氏体：片间距80～150nm 光子显微镜下难以分辨。 ●屈氏体：片间距30～80nm 光子显微镜根本无法辨别。 （它是在更低的温度下形成的）
②片状P的显微结构：
①大致估计出工件在某种冷却介质中冷却得到的组织； ②制定等温淬火和分散淬火的工艺； ③估计钢接受淬火的能力。 （2）实际热处理中采用连续冷却，其转变规律与等温冷却有 相当大的差异。因此，TTT图只能对连续冷却的热处理 工艺提供定性数据，它的直接应用受到很大的限制。 连续冷却转变图是在连续转变条件下测定的转变温度、时 间和转变量关系曲线，比较接近生产实际，因此，比较有 指导意义。
§3-3 珠光体的转变机理
1. 珠光体转变是由含0.77％c的奥氏体分解为碳含量很高6.69％)的渗 碳休和碳含量很低(0.02l8)的铁索体，转变中同时完成原子扩散和点 阵重构两个过程。因此珠光体转变是以扩散为基础并受扩散所控制。
珠光体转变也可分为形核和长大两个阶段。 ●形核 当钢为共析成分时，珠光体在奥氏体晶界上形核，当钢的成 分偏离共析成分时，珠光体在通常位于奥氏体晶界处的先共析相（铁 索体或渗碳体）上形核。 ●长大 珠光体长大的基本方式是沿着片的长轴方向长大，称为纵向 长大；同时还可以横向长大。
度（σb）越高，塑性(Ψ、δ)也较好。 S0的大小主要取决于P形成温度 T：
T↓，S0↓，则P的σb↑、HB↑、Ψ↑、δ↑。
2.粒状珠光体的力学性能 ①与片状珠光体相比，在成分相同的情况下，P粒的强 度和硬度稍低于P片，但断面收缩率ψ↑、延伸率δ↑，比P 片的好。 强度、硬度稍低的原因是P粒的F与Fe3C的界面较P片少 的缘故，而ψ、δ高是因为其基体是F呈连续分布。 ②淬火变形、开列倾向小，疲劳强度（σ-1）高。 ③可切性能好，对刀具磨损小。
①共析成分下，在T1温度（A1=727℃），三个相的 自由能－成分曲线有一条公切线。 说明：三个相的自由能相等， △G＝0 即无相变驱动力（图3-5a）。
②当温度下降到T2时，由于γ、 Fe3C、α相的自由能 随温度变化（GT）的速率不同，使三条自由能曲线 的相对位置发生变化（图b），根据切线规则,用图解 法，可以找出 A转变成P（F＋Fe3C）的相变驱动力。
图3-10 碳在奥氏体中扩散示意图 图3-11片状珠光体形成时碳的扩散示意图
2. 片状P形成过程 1）关于P转变的领先相
P的形成是形核、长大的结果，领先晶核是F或是Fe3C仍在研究 之中。一般认为：
●亚共析钢的领先相是F（有先析出F）， ●过共析钢的领先相是Fe3C（有先析出Fe3C）， ●共析钢的领先相是F和Fe3C。 不论哪一相领先，当过冷A有未溶Fe3C存在时，未溶解的Fe3C就 有促进P形成的作用，而先共析F无明显影响。
●获得强化效果的原因 细珠光体有较高的塑性变形能力（因为Fe3C薄，滑移
或弯曲），易于深度冷拔进行强化。变形量大，则位错 密度ρ↑、抗拉强度 σb↑、铁素体的亚晶细化，强化 效果↑。
§3-7 钢的退火与正火
退火、正火、淬火和回火通常是 热处理工作者的四把火。本章主要介绍
退火、正火热处理工艺。
一.退火的定义、目的和分类 1.退火的定义：
①N－G具有极大值。随着 T↘、△T↗，则N ↗， G ↗ 到最高点（550-600℃）； ②过最大值后随T↘、T↗， 则N↘，G↘； ③高温转变获得粗珠光体、低 温转变获得细珠光体；
图3-16形核率N和长大率G与转变温度的关系
2. 原因：
①随着过冷度△T↗，A与P的自由能差△G↗，晶核临界尺寸减小 （rc=2σTm/L△T）和临界临界晶核形成功降低 （△G=16л/3×σ3T2m/L2×1/△T）,故使得N↗，G↗。
1.主要特点： ①各温度下等温转变开始前都有一 段孕育期； ②随着转变温度降低，孕育期变 短，而出现最小值，即“鼻尖”， 随后又逐渐变长。 ③对于亚共析或过共析钢的C曲线 上方上分别由一条先共析铁素体
或先共析渗碳体线。
2. 过冷奥氏体等温转变动力学图类型
T8钢过冷奥 氏体等温转 变图
3.TTT图的应用 （1）是制定钢材热处理工艺规范的基本依据之一：
共析成分的奥氏体首先可同 时转变F、 Fe3C。成分为：
b 成分的γ与Fe3C； C 成分的γ与a´成分的F。
此时，A、F、Fe3C三相共 存，但A成分不均匀，靠F 侧含碳高（CA-F），靠Fe3C 含碳低（CA-C） ，引起A内 部 碳 扩 散 ， 使 A→P 转 变 得 以继续进行，直到A消失， 成 为 F、Fe3C 两 相 混 合 物 P （自由能最低的）
即：F相、Fe3C相的自由能曲线的成分点，必须在奥氏体相的自 由能曲线的共析成分点的切线下方，F、Fe3C才有形成的驱动力。 ●A→P时，涉及三个相：奥氏体（r ）、铁素体（a）和渗C体 （Fe3C），三个相在T1、T2温度下的自由能－成分曲线如图3-9。
图3-20铁碳合金中的γ、α 和Fe3C相在T1、T2温度下 的自由能－成分曲线
图3-4 亚共析钢显微组织（45钢，退火）×580 铁素体为浅兰颜色，珠光体为多种颜色
图3-5.过共析钢显微组织（T12钢，退火）×580 珠光体+白色网状渗碳体
图3-3片状珠光体 （T8钢840℃炉冷）3800×
2.粒状珠光体形态（见图3-7、3-8所示）
图3-7 粒状珠光体 （T8钢球化退火）550×
将金属工件缓慢加热到一定的温度（温度范围根据 不同的退火方法而定），保持一定时间后缓慢冷却（通 常是炉中冷却至600℃左右出炉空冷）下来的热处理工艺 称退火。
特点：Fe原子、C原子都已不能扩散。
●P转变在热处理实践中的重要性：
1.钢在退火、正火时所发生的都是P转变，可作为预先热 处理，也可用作最终热处理。其组织形态（层片的厚薄 等）所表现出来的性能（σ、δ、φ、ak）都直接影响 使用性能。
2.防止淬火时发生P转变，减少或克服非M组织，达到预 期的性能。
§1 珠光体的组织形态 一.珠光体形态
珠光体形态有片状珠光体和粒状珠光体两种： 1.片状珠光体形态（见图3-1~3-3所示）
图3-1 片状珠光体 （T8钢990℃炉冷）500×
图3-2 片状珠光体 （T8钢800℃炉冷）1000×
图3-3 珠光休显微姐织（T8钢退火）х580 珠光体组织粗细颜色不同
●由一片片互相交替排列的Fe3C和F组成。 ●一个A晶粒内α以形成几个P团----层片方向大致一致。 ●试样用4％硝酸酒精溶液浸蚀，显示P由片状Fe3C（暗
色）和F （白色）组成。 ●试样经深浸蚀将F优先腐蚀掉，再用扫描电镜观察，片
状Fe3C成凸雕象（图3-3）
2. 粒状珠光体的形态
下图是粒状珠光体形态。F基体上分布着粒状Fe3C。 A→P粒（高C钢中常见）