材料科学与工程专业《金属热处理原理及工艺》课件第四章珠光体转变

第四章珠光体转变,4.1、钢的冷却转变概述4.2、珠光体的组织和性能4.3、珠光体转变机理4.4、珠光体转变动力学4.5、珠光体转变影响因素4.6、钢中碳化物的相间析出,等温冷却,钢在热处理时的冷却方式,临界温度,4.1、钢的冷却转变概述,4.1、钢的冷却转变概述一、过冷奥氏体等温转变图(TTT/IT图）,A1,550,230,727,-50,过冷奥氏体处于临界温度之下暂时存在的奥氏体。,稳定的奥氏体区,过冷奥氏体区,A向产物转变开始线,A向产物转变终止线,A+产物区,产物区,A1550;高温转变区;扩散型转变;P转变区。,550230;中温转变区;半扩散型转变;贝氏体(B)转变区;,230-50;低温转变区;非扩散型转变;马氏体(M)转变区。,M+AR,共析碳钢C曲线分析,二、过冷奥氏体连续冷却转变图（CT图）,Vk,时间(lg),温度,A1,Pf,Ps,AP,K,Ms,Mf,水冷,油冷,Vk1,炉冷,空冷,4.1、钢的冷却转变概述,转变中止线,4.2珠光体的组织和性能一.珠光体的组织形态,层片状、粒状、其他,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。,珠光体团：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。,4.2珠光体的组织和性能二.珠光体的层间距,层间距的影响因素：过冷度。T、S。,C-常数（8.02103nmK）T过冷度,4.2珠光体的组织和性能二.珠光体的层间距,150450nm珠光体80-150nm索氏体30-80nm屈氏体,根据珠光体片间距大小分为：,珠光体,索氏体,屈氏体,珠光体的存在：钢的退火或正火组织中,0.4C-10Cr钢转变10min后的组织，图中碳化物为Cr23C6,特殊碳化物与F组成的珠光体,纤维状碳化物与F的聚合体,0.2C-4Mo钢在650转变后的组织a）转变20min，b）转变2h,相间沉淀物与F的聚合体,0.5C-0.75V钢的显微组织a）680等温10mb）725等温5min,1、片状珠光体屈服强度:s=139+46.4S-1断裂强度:f=436.5+98.1S-1,4.2珠光体的组织和性能三.珠光体的力学性能,片间距，强度和硬度，同时塑性和韧性有所改善,2、球状珠光体,性能取决于：（1）F晶粒大小（基体）（2）Fe3C大小、数量，分布。Fe3C细小，分布均匀，则强度、硬度较高，韧性也。与同成分片状P相比：强度硬度稍低，塑韧性较高,4.3珠光体转变机理一.片状珠光体的转变机理,形核长大因为是两相混合物，因此有一个领先相的问题。,1、领先相与化学成分有关亚共析钢：F过共析钢：Fe3C共析钢：两者均可，一般认为是Fe3C,A中存在未溶渗碳体时，促进P转变。,2、形成机理（以共析钢为例）,相转变：AF+Fe3C成分变化：0.77%0.021%6.67%结构变化:fccbcc复杂正交,形核：,在A晶界和缺陷密集区，形成薄片状Fe3C晶核。,长大：扩散进行长大方式：纵向长大，沿着珠光体片长轴方向长大；横向长大，沿着珠光体片垂直方向长大,依靠C的扩散,界面过程，依靠Fe的自扩散,3、片状珠光体长大碳的扩散机制,CA/F：F/A界面上A一侧的碳浓度CA/Fe3c：Fe3C/A界面上A一侧的碳浓度CA：原A中的碳浓度CF/A：F/A界面上F一侧的碳浓度CF/Fe3c：F/Fe3C界面上F一侧的碳浓度CFe3c：Fe3C的碳浓度为6.69%,Fe3C,F,A1,T,CFe3c,F,A,A,CA/Fe3C，造成碳从A/F界面扩散到A/Fe3C界面，这便破坏了界面平衡，使CA/F,CA/Fe3C，进而导致F长大(使CA/F)，Fe3C长大(使CA/Fe3C)。（b）由远离P区扩散因为CA/FCACA/Fe3C，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。（c）铁素体中C的扩散如图，因为CF/ACF/Fe3C，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。,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。综上所述，珠光体转变时珠光体团的形成是铁素体与渗碳体横向沿奥氏体晶界或沿已形成的珠光体团界交替形核、纵向长大的结果。,珠光体转变过程,4.3珠光体转变机理二.粒状珠光体的形成机制,由片状珠光体中渗碳体球化获得,片状P转为粒状P过程：片状珠光体中的Fe3C在加热时有可能自发的发生断裂和球化，其过程为:片状珠光体（片状P网状Fe3C）Fe3C断裂界面张力的作用，Fe3C球化粒状珠光体,4.3珠光体转变机理二.粒状珠光体的形成机制,片状P,粒状P,球化退火,片状P,A未溶Fe3C,A粒状Fe3C,粒状P,球化条件：加热时：A化温度低，保温时间短冷却时：P化温度高，保温时间长,珠光体球化过程,A1,C,T,T1,伪共析转变：快速冷却时，非共析成分的A被过冷到SEG区后，可以不析出先共析相而直接分解为FCm的混合物，分解机制和分解产物与共析转变完全相同，这一转变称为伪共析转变，转变产物为“伪共析组织”。,4.3珠光体转变机理三.亚（过）共析钢的珠光体转变,G,S,E,E,G,先共析F析出：,4.3珠光体转变机理三.亚（过）共析钢的珠光体转变,A在SE与GS所包围区域内析出先析F相。,A1,C%,T,G,S,E,E,G,伪共析,先析F,先共析渗碳体析出：,先共析转变完成后，在SESG内剩余A发生伪共析转变,A在SG与ES所包围区域内析出先析Fe3C。,P,P,P,Fe3C+P,P,F+P,伪共析转变应用：1）加快冷速，提高P伪量，有助提高低碳钢的强度。2）通过快冷抑制过共析钢中网状渗碳体的析出,冷速越快，转变温度越低，先析相越少，P伪越多。,亚共析钢先共析F的形态,过共析钢先共析Fe3C的形态,网状片状,等轴状（块状）,网状,片状,A晶粒细小，转变温度较高（或慢冷）,A晶粒粗大，转变温度较低（或快冷）,A晶粒粗大，冷速适中,魏氏组织片（针）状F（或Fe3C）P显著降低钢的力学性能，特别是塑韧性，必须消除采用细化晶粒的正火，退火或锻造,必须消除,网状铁素体,网状渗碳体,片状铁素体,片状渗碳体,某低碳钢气焊热影响区过热段出现的粗大针状魏氏铁素体组织,魏氏渗碳体组织,4.4珠光体转变动力学（等温）一.转变温度对珠光体形核与长大影响,形核率和长大速度随T，先后。原因：（1）T，T，驱动力Gv，有利P形核长大；（2）T，T，A中浓度梯度，P片间距，有利P形核长大；（3）T，T，原子活动能力，不利形核。以上三者共同作用，曲线出现极值。,4.4珠光体转变动力学二.转变时间对珠光体形核与长大影响,时间(S),0,当温度T一定，形核率随t，先后。长大速度基本为定值，转变时间没有明显影响,P转变量,100,4.4珠光体转变动力学三.珠光体转变动力学图,550,T1T2T3T4,550,650,4.4珠光体转变动力学三.珠光体转变动力学图,与共析钢相比，亚（过）共析钢的C曲线上都多出一条先共析相的析出线，由于先析相的析出，降低了过冷A的稳定性，C曲线左移。,亚（过）共析钢的TTT图,亚共析钢,过共析钢,4.5珠光体转变影响因素一、奥氏体成分与组织,（1）碳含量共析成分的C曲线最靠右（共析A最稳定），成分偏离共析点，C曲线将左移（先析相的析出，降低过冷A的稳定性）。成分偏离共析点越多，C曲线左移越多。（2）奥氏体晶粒度晶粒细小，可促进P转变（3）奥氏体成分不均匀性成分不均匀，有利形核，加速P转变,（4）合金元素除了Co，大部分使C曲线右移，降低P的转变二、外界条件（1）加热温度和保温时间加热T低，保温t短，将加速P转变（2）应力和变形拉应力和变形均加速转变,4.5珠光体转变影响因素一、奥氏体成分与组织,4.6、钢中碳化物的相间析出,相间析出：含有强C（N）化物形成元素的低中碳合金钢的A，在冷却过程中，有可能首先发生C（N）化物的析出，由于析出发生在A/F相界面上，所以称为相间析出。,性能：细晶强化固溶强化弥散强化,组织：F基体点列状分布极细小的C（N）化物微粒,强度高，韧性好，焊接性好,4.6、钢中碳化物的相间析出,相间沉淀机理,合金碳化物周期的在A/F界面上形成，核形成后随A/F界面的推移而长大。,垂直于A/F界面,平行于A/F界面,4.6、钢中碳化物的相间析出,相间析出条件,相间析出应用,析出温度：500850特殊的合金元素：（Mo，V，Nb，Ti等）以形成合金碳化物合适的冷却速度：过慢，得到FP过快，碳化物来不及析出,低合金钢的强化,小结,基本概念：过冷奥氏体，TTT(IT)图，伪共析转变，魏氏组织珠光体(P)的形态：片状珠光体和粒状珠光体；珠光体片间距及其与过冷度的关系。珠光体的力学性能、影响力学性能的因素、片状珠光体和粒状珠光体在力学性能的差异。珠光体形成的两个基本过程、形成机制碳的扩散过程（片状珠光体的长大机制）、片状珠光体转为粒状珠光体机制亚(过)