热处理第3章 珠光体转变与钢的退火和正火

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第3章 珠光体转变与钢的退火和正火
3.1 钢的冷却转变概述 3.2 珠光体的组织和性能 3.3 珠光体转变机理 3.4 珠光体转变动力学 3.5 先共析转变 3.6 合金钢中其他类型的奥氏体高温分解
3.1 钢的冷却转变概述
过冷奥氏体－奥氏体冷至临界温度以下， 在热力学上处于不稳定状态，但尚未发生 转变的奥氏体。
根据转变温度和转变产物不同， 共析钢C曲线可分为三个转变区：
A1～550℃之间为珠光体转变区，属于扩 散型相变。
550℃～Ms之间为贝氏体转变区，属于半 扩散型相变。
Ms～Mf之间为马氏体转变区，属于非扩散 型相变。
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3.1.2 CT（CCT）图
共析钢无论以何 种冷速进行连续 冷却均不能获得 贝氏体！！
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影响珠光体转变动力学的因素
(1) 化学成分的影响
碳含量
共析成分的C曲线最靠右，随含C量的增加 或减少，C曲线都将左移。 合金元素 钢中合金元素充分固溶于奥氏体时:
除Co外，其他所有合金元素皆使钢的 C曲线右移，珠光体转变孕育期增长；
除Ni、Mn外，其他所有合金元素皆使 珠光体转变的“鼻尖”温度移向高温。
珠光体转变前的这种析出，称为先 共析转变。
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3.5.1 发生先共析转变的条件
GS 线 的 延 长 线 SG′ 可看作是奥氏体对铁 素体的饱和线;
ES线的延长线SE′可 看作是奥氏体对渗碳 体的饱和线；
三角区为伪共析珠光 体区。成分范围处于 0.6～1.4%C。
F+A F+P
Fe3C+A
F+A F+P
Fe3C+A Fe3C+P
P伪共析
图3.13 先共析相析出的温度 和成分范围
3.5.2 亚共析钢和过共析钢C曲线
所等亚形温共成温析的度钢F量越C越曲低少线，，上多一条先等所共温形析温成铁度的素越Fe体低3C析量，出线； 过共P量析越钢多C。曲线上多一条先越共少析,P渗量碳越体多析。出线；
珠光体(P) 片
层
索氏体(S) 间
距
屈氏体(T)
减 小
强度、硬度
球状(粒状)珠光体－渗碳体呈球状分 布在铁素体基体上
珠光体形成机理
形核位置 长大方式
A晶界 端向长大
3.5 先共析转变
钢在发生珠光体转变前，有先共析 铁素体或先共析渗碳体析出，一旦未转 变的奥氏体成分改变到共析成分时，将 发生珠光体转变。
小结
奥氏体的形成过程分为四个阶段：
奥氏体形核
奥氏体晶核长大
剩余碳化物溶解
奥氏体成分均匀化
奥氏体晶粒度
（1）起始晶粒度
（2）实际晶粒度
（3）本质晶粒度
共析钢等温加热奥氏体转变动力学图 （Time-Temperature-Austenitization,TTA图）
共析钢连续加热奥氏体形成动力学图
(V1<V2<V3<V4)
Fe3C+P
P伪共析
0.65%C
0.12%C
图3.13 先共析相的 析出温度和成分范围
先共析相析出的温度和成分范围
亚共析钢
较快速冷至SE‘以上PS 以下温度范围→F＋P
过共析钢
较快速冷至SG‘以上PS以 下温度范围→Fe3CⅡ＋P
对成分范围处于0.6～ 1.4%C的碳钢
较快速冷至阴影温度范围 →P伪共析组织
珠光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的。
3.3.1 片状珠光体的形成
（1）珠光体转变的形核
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无领先相形核
当奥氏体中贫碳区和富碳区涨落以及随 机出现的结构涨落、能量涨落，满足形核条 件时，则在贫碳区建构铁素体的同时，在富 碳区也建构渗碳体（或碳化物），二者是同 时同步，共析共生，形成一个珠光体的晶核 （F+Fe3C）。
度。碳钢中珠光体片层间距S0与过冷度ΔT 的关系：
S0

8.02 103(nm) T
（1）片层间距随转变温度的降低而减小；
（2）片层间距的倒数与过冷度呈线性关系；
（3）片层间距的细小程度受所获得的驱动 力的限制。
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当渗碳体以颗粒状存在于铁素体基体上 时称为球状（粒状）珠光体。
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珠光体长大的基本方式是端向长大，长 大过程依赖于碳从铁素体前沿富碳奥氏体 向渗碳体前沿贫碳奥氏体中扩散，于是失 碳的奥氏体发生晶格重构变为铁素体，增 碳奥氏体则析出渗碳体，这一过程的重复 进行，使渗碳体和铁素体迅速沿晶界拓展， 珠光体团长大。
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(3) 粒状珠光体的形成
特定条件下过冷奥氏体的分解
加热温度和保温时间
提高加热温度或延长保温时间，相当于增加 奥氏体中碳和合金元素的含量，均使珠光体 转变的孕育期增长，转变速度降低。
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小结
共析钢连续冷却 不能得到贝氏体
共析碳钢 (a) 等温转变C曲线 (b)连续转变CT曲线
珠光体类型组织
(由片层相间的铁素 体和渗碳体组成)
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片状珠光体的球化
将片状珠光体加热到A1稍下的较高温度长 时间保温，片状珠光体能够自发的变为颗粒 状的珠光体。
片状珠光体自发球化机理
片状珠光体由渗碳体片和铁素体片构成。 渗碳体片中有位错，形成亚晶界。铁素体与 渗碳体亚晶界接触处形成凹坑。
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3.4 珠光体转变动力学
图3.8 珠光体端向长大碳原子的扩散 上一页 (a) Fe-Fe3C相图局部 (b) C原子的扩散方向 下一页
为碳维在持奥这氏一体平中衡扩，散铁的素结体果前，沿的导奥致氏铁体素必体须前转沿变奥成氏 铁 体 恢体C渗素复前γ碳/的F体至沿e体3碳， 平的C界增使 衡奥浓面高其 浓氏度碳，碳 度体C浓破浓C必γ/度γ坏α度须/F降的e了增析3C平低T高出。1衡，温恢渗这。渗度复碳样至体下珠碳平，奥光体衡使氏体的浓其便体前度碳纵与沿C浓向铁γ碳度/长素α；降大浓体渗低，及度碳 直至过冷奥氏体全部转变为珠光体为止。
V > Vk A→M + Ar (残余奥氏体)
3.2 珠光体的组织和性能
3.2.1 珠光体的组织形态和晶体学
组织形态
共析成分的碳钢自奥氏体相区冷却 到Al至A1以下约200℃温度范围时，将得 到由片层相间的铁素体和渗碳体所组成的 珠光体。
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(a)
(b)
(c)
图3.4 珠光体类型组织
过冷奥氏体转变图－表示在不同冷却条件 下过冷奥氏体转变过程的起止时间和各种 类型组织转变所处的温度范围的一种图形。
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如果转变在恒温下进行，则称过冷奥氏体等 温 ( 恒 温 ) 转 变 图 ， 又 称 IT (Isothermal Transformation) 或 TTT (Temperature Time Transformation)图；或C曲线。
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图3.12 几种钢C曲线的对比 (a)35Cr (b) 35CrMo (c) 35CrNiMo (d) 35CrNi4Mo
(2) 奥氏体状态的影响
不完全奥氏体化
如过共析钢奥氏体化不完全，则残余碳化物 具有促进珠光体形核长大的作用，使珠光体 转变时的孕育期缩短，转变速度加快，亦即 C曲线左移。
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珠光体晶核形成后，铁素体片和渗碳 体片将同时长大，它们各自旁侧的奥氏体 中碳浓度将有不同的变化趋势。
在铁素体旁侧的奥氏体中，碳原子逐 渐增加，不断富碳，这有利于渗碳体的再 形成；
渗碳体旁侧的奥氏体中，碳原子将不 断贫化，图这3.6有珠利光于体铁的素形体核的及再长形大成。
这(a样) 晶轮界流处出成现分涨，落珠光(b)体形核成不P晶断核长大， 逐渐形成(c)一和(个d)珠晶光核体长大领形域成。珠光体团
首先，将钢进行不完全奥氏体化，使奥 氏体中存在许多未溶的剩余碳化物，或 者奥氏体成分很不均匀，存在许多微小 的富碳区。
其次，需要特定的冷却条件，即过冷奥 氏体分解的温度要高(A1稍下)，等温时 间要足够长，或者冷却速度极慢。
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在这种特定条件下，珠光体易于形 核。以未溶的剩余碳化物为自发核心，形 成珠光体晶核(F＋Fe3C)，其中渗碳体不 是片状而是颗粒状，向四周长大，长大成 颗粒状的碳化物。颗粒状的碳化物长大过 程中，其周围的铁素体也不断向奥氏体中 生长，最后形成以铁素体为基体的、其上 分布着颗粒状碳化物的粒状珠光体组织。
当奥氏体晶粒细小，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，图3.16(a)；
上一页 下一页 图3.3 共析碳钢的CT图
➢ Vk表示过冷奥氏体在连续冷却过程中不发生 分解，全部过冷至Ms点以下发生马氏体转变 的最小冷速，称为上临界冷速。
➢ Vk′表示过冷奥氏体在连续冷却过程中全部转 变为珠光体的最大冷速，称为下临界冷速。
V < Vk' A→ P(珠光体)
Vk' < V < Vk A →P + M (马氏体)
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在渗碳体两侧形成 铁素体片后，便随渗碳 体片一起向前发展，同 时也横向长大，并会形 成分支。
铁素体和渗碳体如 此交替形核并长大形成 一个片层相间且大致平 行的珠光体领域。
(d)分支形核
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（2）珠光体晶核的长大
当共析成分过冷奥氏体在A1点稍下温度T1刚刚形 成珠光体时，在三相(奥氏体、渗碳体、铁素体)共 存情况下，奥氏体中的碳浓度不均匀；
F+P P伪
P
P伪Fe3C+P
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图3.14 三种钢的C曲线
3.5.3 先共析相的形态
先共析相
块状
沿晶界生长的网状 晶内生长的等轴状
从晶界长出的百度文库齿片状或针状
片状或针状
在晶内长成的片状或针状
图3.15 不同形态的先共析相 (a)晶界网状(b)等轴状(c)晶界锯齿片状(d)晶内长片状
对于亚共析钢
V K Dc S0
S0

8.02 T
103 (nm)
V
K Dc S0
KT 2Dc
式中S0为珠光体的片层间距；D为C在 奥氏体中的扩散系数；K为常数。
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珠光体的形核率N对转变温度T有极大值。
珠光体的长大速度V对转变温度T也有极大值。
图3.11 共析钢的形核率、长大速度 与温度的关系
图3.6(e) 晶核在晶界形成并长大成珠光体团ＴＥＭ像
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领先相形核
渗碳体晶核首先在 奥氏体晶界上形成、长 大的同时，使其两侧的 奥氏体出现贫碳区，为 铁素体在渗碳体两侧形 核创造条件；
图3.7 以渗碳体为领先相的形核及长大
(a) Fe3C在晶界形核 (b) F在Fe3C一侧形核 (b)(c)重复形核长大
形核率与转变温度的关系
N

C
exp
Q W kT


C1
exp
Q kT


C
2


W kT

3
W A GV 2
式中，C1和C2为常数；Q为激活能；T 为绝对温度；k为波尔兹曼常数；W为临界
晶核的形核功。
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Dc
长大速度与转变温度的关系
如果转变在连续冷却过程中进行，则称过冷 奥 氏 体 连 续 冷 却 转 变 图 ， 又 称 CT 曲 线 或 CCT (Continuous Cooling Transformation)图。
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冷却转变 3.1.1 IT图（C曲线） 加热转变
图3.1 共析碳钢的IT图(左) 及等温转变动力学曲线(右)
图3.5 球状珠光体组织
晶体学关系
铁素体和渗碳体之间两种晶体学位向关系：
第一种关系
第二种关系
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3.2.2 珠光体的机械性能
珠光体的屈服强度和断裂强度与其片层间 距的关系：
b(MPa) 139 46.45S 1
f (MPa) 436.5 98.1S1
Ar1~550 ˚C
(珠光体类型组织)
(a)珠光体 (P)
转变温度：Ar1～650℃ 片层间距： 150～450nm
(b)索氏体 (S)
转变温度：650～600℃ 片层间距：80～150nm
(c)屈氏体 (T)
转变温度：600～550℃ 片层间距：30～80nm
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珠光体的片层间距主要取决于其形成温
在成分相同的情况下，与片状珠光体 相比，粒状珠光体的强度、硬度稍低，而 塑性较高。
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珠光体的硬度与其片层间距的关系
珠光体：＜25HRC 索氏体：25～35HRC 屈氏体：35～40HRC
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3.3 珠光体转变机理
A0.77%C → P (F 0.02l8％C+ Fe3C6.69％C)