热处理原理及工艺珠光体转变教学课件PPT.ppt

热处理原理及工艺,( 5-6 ),钢的过冷奥氏体转变图,第四章 珠光体转变,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，共析碳钢约在A1500温度之间发生，又称高温转变。 A（0.77%C） F(0.0218%C) + Fe3C(6.69%C) 珠光体 Pearlite （符号：P） FFe3C 机械混合物 典型的扩散型相变。,1、片状珠光体 渗碳体呈片状，是由一层F和一层Cm层紧密堆叠而成。,41 珠光体的组织形态与晶体结构 一、珠光体的组织形态 根据Cm的形态不同，珠光体分为片状P、粒状P和针状P,（1）珠光体团 片层排列方向大致相同的区域，称为珠光体团(珠光体领域或珠光体晶粒)。在一个原奥氏体晶粒内可以形成几个珠光体团。 （2）珠光体的片间距离S0 在片状P中，一片铁素体和一片渗碳体的总厚度，称为珠光体的片间距离，用S0表示。 S0与珠光体的形成温度有关，可用下面的经验公式表示：,T过冷度（K）,形成温度越低，S0越小。,S0的大小取决于珠光体形成温度的原因，可以用碳原子扩散与温度的关系、界面能与奥氏体与珠光体间的自由能之差来解释。 形成温度降低，碳的扩散速度减慢，碳原子难以作较大距离的迁移，故只能形成片间距离较小的珠光体。 珠光体形成时，由于新的铁素体和渗碳体的相界面的形成将使系统的界面能增加，片间距离越小，相界面面积越大，界面能越高。增加的界面能由奥氏体与珠光体的自由能之差来提供，过冷度越大，奥氏体与珠光体的自由能差别越大，能够提供的能量越多，能够增加的界面面积越大，故片间距离就能减小。,（3）片状珠光体的分类 根据片间距离的大小，通常把珠光体分为: 普通P: S0=150450 nm，光学显微镜下能清晰分辨出片层结构；Ar1-650 索氏体S: S0=80150 nm，光学显微镜下很难分辨出片层结构；650-600 屈氏体T: S0=3080 nm，光学显微镜下无法分辨片层结构。 但是在电子显微镜下观察各类片状P 相似，只是片间距离不同而已 600以下a,珠 光 体 形 貌,光镜形貌,电镜形貌,索 氏 体 形 貌,托 氏 体 形 貌,电镜形貌,光镜形貌,P,S,T,2、粒状(球状)珠光体 颗粒状Cm均匀地分布在铁素体基体上的组织， F与Cm的机械混合物，F呈连续分布。 按渗碳颗粒的大小，粒状P可以分为粗粒状P、粒状P、细粒状P和点状P。,针状珠光体 当钢中含有一定数量的Cr，在转变温度较低时，可形成针状珠光体，其组织外形呈黑色针状，整体呈冰花状。,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)3C合金渗碳体，也可能形成MC、M2C、M7C3、M23C6等合金碳化物。 P的组织形态仍然主要是片状珠光体和粒状珠光体两种。但同时有一些特殊形态的P，如碳化物呈针状或纤维状的P。,0.2C-4%Mo钢在650保温2h后的组织,纤维状珠光体 纤维状碳化物与铁素体的聚合体,以纤维状形态存在的特殊碳化物可以是Mo2C、W2C、VC、Cr7C3和TiC。,纤维的直径约为2050nm，而且在碳的质量分数为0.2%时，就可以使钢具有“全共析”组织。因此，这种组织具有很好的力学性能，,例如，含wC为0.2%和wMo为4%的钢，在600650转变后其屈服强度可达770Mpa。,二、珠光体的晶体结构 1、珠光体相变的位向关系 通常P 均在奥氏体晶界上形核，然后向一侧的A晶粒内长大成珠光体团，P团中的F及Cm与被长入的A晶粒之间不存在位向关系，形成可动的非共格界面，但与另一侧的不易长入的A晶粒之间则形成不易动的共格界面，并保持一定的晶体学位向关系。 在一个P团中的F与Cm之间存在着一定的晶体学位向关系，这样形成的相界面，具有较低的界面能，同时这种界面可有较高的扩散速度，以利于P团的长大。,2、珠光体的亚结构（F中） 退火状态下的片P中，F内具有位错亚结构，位错密度约为107108/cm2，在一片F中存在有亚晶界，构成许多亚晶粒。 淬火回火的粒状P中F基体具有多边化亚结构。 通过退火得到的粒状P中的F，由于在退火时发生了再结晶，位错密度较低，因此不出现亚晶粒。 珠光体中渗碳体的亚结构 认识还不清楚，从珠光体中萃取出来的渗碳体观察到了位错，同时也看到了由均匀刃型位错组成的小角度晶界。,P相变的驱动力来自于新旧两相的体积自由能之差。 相变的热力学条件是“要在一定的过冷度下相变才能进行”。,4-2 珠光体形成机制 一、珠光体形成的热力学条件,二、片状珠光体的形成机制 1、珠光体相变的领先相 珠光体形成的领先相，可以随相变发生的温度和奥氏体成分的不同而异。 过冷度小时Cm是领先相；过冷度大时F是领先相。 在亚共析钢中F是领先相，在过共析钢中Cm是领先相，而在共析钢中Cm和F作领先相的趋势相同。但一般认为共析钢中P形成时的领先相是Cm.,2、珠光体的形成机理 (0.77%C) (0.02%C) + Cem(6.67%C) (面心立方) （体心立方） （复杂单斜） P 形成包含着两个过程，碳的扩散 + 晶体点阵重构。 （1）形核 条件：需要满足系统内的“结构起伏、成分起伏和能量起伏”。 部位：多半产生在奥氏体的晶界上（晶界的交叉点更有利于珠光体晶核形成），或其它晶体缺陷（如位错）比较密集的区域。,形状：片状形核 首先在A晶界上形成一小片Cm，这就可以看成是 P 转变的晶核。 片状形核的原因是： 新相产生时引起的应变能较小； 片状伸展时获得碳原子的面积增大； 片状形核时碳原子的扩散距离相对缩短。,（2）长大,珠光体形成时，纵向长大是渗碳体片和铁素体片同时连续向奥氏体中延伸；横向长大是渗碳体片与铁素体片交替堆叠增多。,3、珠光体转变时碳的扩散规律,P刚刚出现时，三相(A,F,Cm)共存，过冷A的C浓度不均匀. C浓度分布情况:与铁素体相接的奥氏体C浓度C-较高，与渗碳体接触处的奥氏体的C浓度C-cem较低。 在奥氏体中产生了C浓度差，引起了C的扩散,P 中的渗碳体，有些以产生枝杈的形式长大。渗碳体形核后，在向前长大过程中，不断形成分枝，而铁素体则协调在渗碳体分枝之间不断地形成。 珠光体转变中的反常现象。可能是前沿A中位错塞积引起,4、珠光体转变的分枝机制,a) 在A晶界上形成的渗碳体一侧长出一层铁素体，但此后却不再配合成核长大。 b) 从晶界上形成的渗碳体中，长出一个分枝伸向晶粒内部，但无铁素体与之配合成核，因此形成一条孤立的渗碳体片。 c) 由晶界长出的渗碳体片，伸向晶粒内后形成了一个P团。,5、离异共析 正常的片状珠光体形成时，铁素体与渗碳体是交替配合长大的。在某些不正常情况下，出现一些特异的现象。,三、粒状珠光体形成机制 1、粒状珠光体的形成 在特定的奥氏体化和冷却条件下，可形成粒状珠光体 特定条件： （a）奥氏体化温度低(Ac1+1020)，保温时间较短，即加热转变未充分进行，此时奥氏体中有许多未溶解的残留碳化物或许多微小的高浓度C的富集区 （b）转变为珠光体的等温温度要高，等温时间要足够长(Ar1-2030)，或冷却速度极慢（1020/h），这样可能使渗碳体成为颗粒（球）状，即获得粒状珠光体。,特定条件：,形成特点 粒状P的形成 也是形核及长大过程 晶核主要来源于非自发晶核。 在共析和过共析钢中，粒状P的形成是以未溶解的Cm点作为相变的晶核，它按球状的形式而长大，成为F 基体上均匀分布粒状Cm的 粒状P组织。,粒P形成特点：,2、渗碳体的球化机理 粒状渗碳体，通过加热过程中片状渗碳体球状化获得。 根据胶态平衡理论，第二相颗粒的溶解度，与其曲率半径有关: 渗碳体的尖角处曲率半径小,溶解度高附近的固溶体具有较高的C浓度，而靠近平面处（曲率半径大）的固溶体具有较低的C浓度引起了C的扩散，因而打破了碳浓度的胶态平衡结果又导致尖角处的渗碳体溶解，而在平面处析出渗碳体（为了保持C浓度的平衡）。如此不断进行，最后形成了各处曲率半径相近的球状渗碳体。,3、片状渗碳体的球化过程 渗碳体片中有位错存在，并可形成亚晶界而引起渗碳体断裂。 在片状渗碳体亚晶界处存在表面张力，使该处易形成凹坑。在凹坑两侧的渗碳体与平面部分的渗碳体相比，具有较小的曲率半径，导致溶解度较大。,与坑壁接触的固溶体（F或A）具有较高的C浓度，将引起C在固溶体中的扩散，并以渗碳体的形式在附近平面渗碳体上析出,为了保持亚稳定平衡，凹坑两侧的渗碳体尖角将逐渐被溶解，而使曲率半径增大。,曲率半径增大又破坏了此处相界面表面张力(cem-a-cem-cem)的平衡。为了保持表面张力的平衡，凹坑将因渗碳体继续溶解而加深。 在渗碳体片亚晶界的另一面也发生上述溶解析出过程，如此不断进行直到渗碳体片溶穿，一片成为两截。 渗碳体在溶穿过程中和溶穿之后，又按尖角溶解、平面析出长大而向球状化转化。 这种片状渗碳体断裂现象，在渗碳体中位错密度高的区域也会发生。,片状渗碳体的球化过程，是通过渗碳体的断裂、C的扩散进行。 过程：,片状P转变为粒状P的金相照片 左图为部分球化；右图为全部球化,其它球化机理 调质形成球状珠光体 碳化物自M中析出经聚集、长大而成 影响球化的因素： 塑性变形会增加F和渗碳体中的位错和亚晶界数量，可促进渗碳体球化。 碳化物形态:网状碳化物一般也会断裂和球化，但球化不完全，故一般球化前需正火处理。,43 亚（过）共析钢的珠光体转变和组织形态 亚（过）共析钢中的珠光体转变情况，基本上与共析钢相似，但要考虑先共析铁素体（或渗碳体）的析出。,一、伪共析转变 冷却速度较大时，非共析成分的奥氏体被过冷到伪共析区后，不析出先共析相，而直接分解为铁素体和渗碳体的机械混合物，伪共析组织。,二、亚共析钢中先共析铁素体的析出,1、先共析铁素体的形态 先共析铁素体具有三种形态，网状、块状和片状（针状）。,2、先共析铁素体的形成 析出量与碳含量和冷却速度有关。wc高，冷速越大，少 形核、长大过程。 晶核大都在奥氏体晶界上形成。晶核与一侧的奥氏体晶粒存在K-S关系，两者之间为共格界面，但与另一侧的奥氏体晶粒则无位向关系，两者之间是非共格界面。,晶核形成后，与F接壤的A的C% C-将增加，在A内形成C的浓度梯度，从而引起碳的扩散，为了保持相界面C%平衡，即恢复界面奥氏体的C的高浓度，必须从奥氏体中继续析出低C的铁素体，从而使铁素体晶核不断长大。,亚共析钢成份,3、先共析铁素体的长大方式 当转变温度较高时：Fe原子活动能力较强，非共格界面迁移比较容易，故铁素体向无位向关系一侧的奥氏体晶粒长大成球冠状. 当奥氏体的C%较高时，铁素体将连成网状， 当奥氏体的C%较低时，铁素体将形成块状。 如果奥氏体晶粒较大，冷速较快，先共析铁素体也可能沿奥氏体晶界呈网状析出。,当转变温度较低时：Fe原子扩散困难，非共格界面不易迁移，而共格界面迁移则成为主要的，铁素体将通过共格界面向与其有位向关系的奥氏体晶粒内长大。为了减小弹性畸变能，铁素体将呈条片状沿奥氏体某一晶面向晶粒内伸展，此晶面为111 面。 如果奥氏体成分均匀，晶粒粗大，冷却速度又比较适中，先共析铁素体有可能呈片状（为平行分布的针状或锯齿状）析出- 魏氏组织铁素体,No.6 1. A化指什么？什么是过冷A？过冷A的转变有哪些类型？ 2.什么是珠光体？珠光体转变的工艺条件是什么？ 3.珠光体主要组织形态有哪些？P、S、T分别指指什么？ 4. 片状珠光体形成时碳原子如何扩散。 5.球状P的转变的特定条件指什么？ 6.球状珠光体的形成机制,先共析渗碳体可等温或连续冷却析出 先共析渗碳体的形态，可以是粒状、网状和针（片）状。 在奥氏体成分均匀、晶粒粗大的情况下，先共析渗碳体一般是网状的或针（片）状的。,三、先共析渗碳体的形成,具有网状或针（片）状渗碳体组织，将显著增大钢的脆性。,过共析钢件毛坯的退火加热温度，必须在Acm以下。 对于具有网状或针（片）状渗碳体的钢料，必须加热到Acm以上，使渗碳体充分溶入奥氏体中。然后快速冷却，使先共析渗碳体来不及析出，形成伪共析或其它组织，再进行球化退火。,1.定义：工业上将具有先共析片状铁素体和针片状渗碳体加珠光体的组织，都称为魏氏体组织。前者称为-Fe魏氏组织，后者称为渗碳体魏氏体组织。,四、魏氏体组织,先共析铁素体（渗碳体）形态与转变温度及含碳量的关系 奥氏体晶粒度为14级粗晶粒 b)奥氏体晶粒度为78级细晶粒,G 网状铁素体 M 块状铁素体 W 魏氏体组织,2.魏氏体组织形成条件 成分： 亚共析钢：0.20.4% 过共析钢：大于1.2% 一定的冷速 晶粒尺寸 （越大越易形成）,过冷A转变为P的动力学参数N和G与转变温度之间都具有极大值特征。 对形核率N的影响（综合作用） 在其它条件相同的情况下，随着过冷度增大, 自由能差增大，形核率。 随着过冷度的增大，原子活动能力减小，因而，又有使成核率的倾向。,0.78%C、0.63%Mn钢珠光体的成核率和晶体长大速度与温度的关系,4-4 珠光体转变动力学 一、珠光体转变的形核率N及线长大速度G 1、形核率N及长大速度G与转变温度的关系,G与转变温度的关系曲线也具有极大值的特征 由于 （1）P转变是典型的扩散性相变，P的形成过程与原子的扩散过程密切相关。 当转变温度时，原子扩散速度 减慢，因而有使晶体G的倾向， 转变温度 ，将使靠近P的A中 的C浓度差增大，即C-cem与C-差值增大，增大了C的扩散速度，而有晶体G的作用。 （2）从热力学条件来分析，由于能量的原因，随着转变温度降低，有利于形成薄片状珠光体组织。当浓度差相同时，层间距离越小，C原子运动距离越短，因而有增大珠光体 G的作用。,2、形核率N和长大速度G与转变时间的关系 等温保持时间对珠光体的G无明显的影响。 当转变温度一定时，珠光体转变的形核率N与等温时间有一定的关系，随着转变时间的延长形核逐渐增加，当达到一定程度后就急剧下降到零，即所谓的位置饱和。,3 影响珠光体形成速度的因素 (1) 化学成分的影响 1）碳含量的影响 亚共析钢，随着A中wc，析出先共析F的孕育期增长，析出速度减慢。同时，P转变的孕育期也随之增长，转变速度减慢。 原因：在相同转变条件下，随着A中wc ，F的形核率减少，F长大时所需扩散离去的碳原子的量增大，因而使铁素体析出速度减慢。,过共析钢，在完全奥氏体化情况下，随着钢中wc ，碳在A中的扩散系数增大，Fe3C的形核率增大，先共析Fe3C析出的孕育期缩短，析出速度增大。P转变的孕育期亦随之缩短，转变速度增大。 所以共析钢的过冷奥氏体最稳定。 如果不完全奥氏体化，加热组织为不均匀奥氏体加残余碳化物，则具有促进珠光体形核和晶体长大的作用，使珠光体转变时的孕育期缩短，转变速度加快。,2）合金元素的影响 在钢中的合金元素充分固溶于奥氏体中的情况下， 除了Co以外，其他所有的常用合金元素皆使钢的C曲线右移，P转变孕育期增长，推迟P转变的进行； 除了Ni、Mn以外，其他所有的常用合金元素皆使P转变的“鼻尖”温度移向高温。 大多数合金元素都降低珠光体转变的形核和长大速度，因而影响珠光体的形成。,(2) 奥氏体晶粒度的影响 A晶粒细小，单位体积内的晶界面积增大，珠光体、先共析F或先共析Cm的形核部位增多，将促进P的形成。 （3）成分均匀性及未溶第二相的影响 奥氏体成分不均匀，有利于在高碳区形成渗碳体，在低碳区形成铁素体，并加速碳在奥氏体中的扩散，促进先共析相和珠光体的形成。 钢中存在的未溶渗碳体，即可以作为先共析渗碳体的非均匀晶核，也可以作为珠光体领先相的晶核，因而也加速珠光体转变。,(4) 加热温度和保温时间的影响 提高加热温度或延长保温时间， （a）增加奥氏体中碳和合金元素的含量，都使珠光体转变的孕育期增长，转变速度降低。 （b）奥氏体晶粒也愈加粗大。P形核位置减少 加热温度低，保温时间短，均将加速珠光体的转变。,(5)应力和塑性变形的影响 对奥氏体施加拉应力或进行塑性变形，将造成晶体点阵畸变和位错密度增高，有利于碳和铁原子的扩散及晶体点阵重构，促进珠光体的形核和晶体长大，加速珠光体的转变。 奥氏体塑性变形的温度越低，珠光体转变速度就越大。 对奥氏体施加等向压应力，将使原子迁移阻力增大，碳和铁原子的扩散及晶体点阵重构困难，将降低珠光体的形成温度，减慢珠光体的形成速度。,4-5 珠光体转变产物的力学性能 钢中P的力学性能，主要决定于钢的化学成分和热处理后所获得的组织形态。 一、共析成分珠光体的力学性能 1、片状珠光体 共析碳钢在获得单一片状P的情况下，力学性能与珠光体的层间距离、珠光体团的直径、珠光体中铁素体片的亚晶粒尺寸和原始奥氏体晶粒大小 密切相关。,共析钢片状P的性能主要取决于A化温度及P的形成温度。 （1）规律 随着珠光体团直径以及片间距离的减小，珠光体的强度、硬度和塑性均升高。,原因 铁素体与渗碳体片薄，相界面增多，在外力作用下，抗塑性变形能力（强度）增高 铁素体、渗碳体片很薄，会使塑性变形能力增大。 珠光体团直径减小，表明单位体积内珠光体片层排列方向增多，使局部发生大量塑性变形引起应力集中的可能性减少，因而既增高了强度又提高了塑性。,应用 工业上，片状 P 作为使用的组织状态，比较重要的是“派敦”（Patenting）处理的绳用钢丝、琴钢丝和某些弹簧钢丝。 派敦处理， 也叫铅淬冷拔工艺。 将高碳钢奥氏体化后，淬入铅浴（600650）中进行索氏体化，然后再进行深度冷拔。目前工业上具有最高强度的组织形态之一。0.9C， 4000MPa,（2）片间距离对冲击韧性的影响 冲击韧性的冷脆转变温度与片间距离的关系有一个极小值。 片间距离的减小，强度提高，使冲击性能变坏 渗碳体变薄可以弯曲、变形，又有利于改善冲击韧性。,2、球状珠光体的机械性能 （1） 在成分相同的情况下，与片