第三章 珠光体转变

1、Yuxi ChenHunan Univ.Yuxi ChenHunan Univ.珠光体转变 (Pearlite transformation) ： 铁碳合金经奥氏体化后缓慢冷却时，具有共析成分的奥氏体在略低于A1的温度分解为铁素体和渗碳体双相组织的共析转变。铁素体与渗碳体的混合物，称为珠光体 。Yuxi ChenHunan Univ.片状珠光体：由一层铁素体片与一层渗碳体片交替紧密堆叠而成。片层间距：铁素体片层厚度和渗碳体片层厚度的总和，以 S0表示。过冷度越大，珠光体片间距越小。珠光体分为片状珠光体和粒状珠光体。1、珠光体的组织形态、珠光体的组织形态Yuxi ChenHunan Univ.Y

2、uxi ChenHunan Univ.按照珠光体片间距大小，生产中将片状珠光体区分为：珠光体、索氏体、屈氏体珠光体：温度A1650C，片层间距150450nm索氏体：温度600650C，片层间距80150nm屈氏体：温度550600C，片层间距3080nmYuxi ChenHunan Univ.粒状珠光体：在铁素体基体上分布着粒状渗碳体的组织称为粒状珠光体。一 般是经过球化退火等一些特定的热处理后获得。Yuxi ChenHunan Univ.特殊形态的珠光体 当铁碳合金中加入合金元素，碳化物形成元素的原子会取代部分铁原子，形成(Fe,M)3C合金渗碳体，也可能形成MC, M2C, M6C及M2

3、3C6等碳化物。珠光体的形态仍然主要是片状和粒状两种，但也会出现一些特殊形态珠光体，如针状、纤维状等。Yuxi ChenHunan Univ.珠光体形成时，珠光体与奥氏体之间存在一定的晶体学位向关系，使新相和母相的原子在界面上能够较好地匹配。铁素体与奥氏体的位向关系：K-S关系：渗碳体与奥氏体的位向关系：Pitsch关系：铁素体与渗碳体的位向关系：Pitsch-Petch关系：2、片状珠光体的晶体学Yuxi ChenHunan Univ.91、珠光体转变的热力学条件（驱动力）Yuxi ChenHunan Univ.2、片状珠光体形成机制成分条件，结构条件，能量条件Yuxi ChenHunan

4、Univ.珠光体转变时的领先相 究竟是铁素体还是渗碳体，很难通过实验直接验证，目前也尚无定论。珠光体形成时的领先相随钢的化学成分、奥氏体化条件及珠光体转变的过冷度决定。在亚共析钢中铁素体是领先相，在过共析钢中渗碳体是领先相，而在共析钢中两者的几率相同。过冷度小时渗碳体 过冷度大时铁素体Yuxi ChenHunan Univ.奥氏体晶界处优先形核成分条件，结构条件，能量条件纵向长大是渗碳体片和铁素体片同时连续地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。 Yuxi ChenHunan Univ. 随珠光体形成温度降低，渗碳体片和铁素体片逐渐变薄缩短，同时两侧连续形成速度（横向长大速度

5、）及其纵向长大速度都发生改变，珠光体群的轮廓也由块状逐渐变为扇形，继而为轮廓不光滑的团絮状，即由片状珠光体逐渐变为索氏体或屈氏体。 Yuxi ChenHunan Univ.片状珠光体形成时碳的扩散示意图 Yuxi ChenHunan Univ.片状珠光体中渗碳体的分枝长大原因：塞积位错体扩散机制：碳原子在奥氏体中的扩散。界面扩散机制：650oC以下珠光体相变主要是通过母相与珠光体的界面扩散进行。Yuxi ChenHunan Univ.具有B1结构的第二相能有效促进晶内形核Yuxi ChenHunan Univ.3、粒状珠光体形成机制渗碳体形核在奥氏体晶界处片状珠光体渗碳体形核在奥氏体晶粒内粒状

6、珠光体因此形成粒状珠光体的条件是保证渗碳体的晶核在奥氏体晶粒内部形成。奥氏体化工艺条件 + 冷却工艺条件奥氏体化温度低保温时间短冷却速度极慢等温时间足够长Yuxi ChenHunan Univ.18粒状珠光体是通过片状珠光体中渗碳体的球状化而获得的。 若将片状珠光体加热至略高于 Ac1点的温度，保温时间短，则得到奥氏体加未完全溶解渗碳体的混合组织。此时，渗碳体已不保持完整片状，而是断开的趋于球状的颗粒状渗碳体。此温度下保温将使片状渗碳体球化。奥氏体化温度低，慢速冷却至Ar1点以下，未溶解的残余粒状渗碳体便成为现成的渗碳体核。Yuxi ChenHunan Univ.片状渗碳体加热过程中有可能自发

7、地发生破裂和球化，这是因为片状渗碳体的的表面积大于同样体积的粒状渗碳体，从能量角度考虑，渗碳体的球化是一个自发过程。低温球化退火工艺。Yuxi ChenHunan Univ.片状Fe3C 的断裂与其内部的晶体缺陷有关。若Fe3C 片内存在亚晶界，将在亚晶界面上产生一界面张力，从而使片状Fe3C在亚晶界处出现沟槽，沟槽两侧将成为曲面，与平面相比具有较小的曲率半径，因此溶解度较高，曲面处的Fe3C 溶解而使曲率半径增大，破坏了界面张力平衡。为了恢复平衡，沟槽进一步加深。如此循环直至Fe3C片溶穿。Ac1点以下，片状渗碳体的球化是通过渗碳体片的破裂、断开而逐渐成为粒状的。Yuxi ChenHunan

8、 Univ.片状渗碳体断裂机制示意图 Yuxi ChenHunan Univ. 连续冷却时发生的珠光体转变与等温中发生的基本相同，只是连续转变时，珠光体是在不断降温过程中形成的，故片间距不断减小。而等温转变所得的片状珠光体的片间距则基本一致。Yuxi ChenHunan Univ.共析钢非共析钢（亚共析钢和过共析钢）共析钢的原始组织：珠光体亚共析钢的原始组织：珠光体+铁素体过共析钢的原始组织：珠光体+渗碳体Yuxi ChenHunan Univ.非共析钢（亚共析钢和过共析钢）与共析钢基本相似区别：在珠光体转变之前，会发生先共析相的析出，冷却速度大时，还会发生伪共析转变。划分为四个区域：奥氏体单

9、相区伪共析转变先共析铁素体析出区先共析渗碳体析出区Yuxi ChenHunan Univ.亚共析钢先共析铁素体1、先共析转变亚共析钢完全奥氏体化后被冷却到GSE 区，将有先共析铁素体析出。随温度降低，铁素体析出量增加，到T2温度时，先共析相停止析出。碳含量越高，冷却速度越大，先共析铁素体量越少。Yuxi ChenHunan Univ.Yuxi ChenHunan Univ.亚共析钢的先共析铁素体形态示意图 块状块状网状网状片状片状片状片状Yuxi ChenHunan Univ.过共析钢先共析渗碳体形态：粒状，网状，针状（实际为片状）网状渗碳体或铁素体降低钢的力学性能，严加控制。Yuxi Che

10、nHunan Univ.2、魏氏组织魏氏组织是一种沿着特定晶面析出的针状组织。钢中的魏氏组织：针状先共析铁素体或渗碳体及其间的珠光体组成的复相组织。（特定取向）Yuxi ChenHunan Univ.魏氏组织薄片在母相中所占据的平面被称为魏氏组织惯习面。魏氏组织铁素体的惯习面为(111)，K-S关系(110) / (110) , 111 / 110 魏氏组织渗碳体的惯习面为(227)，位相关系001 / 311 , / Yuxi ChenHunan Univ.魏氏组织形成条件：钢的化学成分；过冷度；奥氏体晶粒度碳含量0.2-0.4%（质量），魏氏组织铁素体低于0.2%，块状铁素体高于0.4%，

11、网状铁素体合金元素锰：促进魏氏组织形成；钼、铬、硅：阻碍魏氏组织形成。Yuxi ChenHunan Univ.奥氏体晶粒度晶粒粗大，容易形成魏氏组织。晶粒粗大则晶界少，网状铁素体析出后剩余的空间大，有利于魏氏组织铁素体。过冷度的影响（依情况不同）亚共析钢共析钢过共析钢Yuxi ChenHunan Univ.魏氏组织形成机制：形核和长大机制无定论类似马氏体相变的切变魏氏组织的力学性能魏氏组织以及与其伴生的粗晶组织，显著降低钢的机械性能，尤其是塑性和冲击性能，并使钢的韧脆转变温度升高。Yuxi ChenHunan Univ.3、伪共析转变、伪共析转变 非共析成分的奥氏体快冷进入ESG 发生共析转变

12、，即分解为铁素体和渗碳体，称为伪共析转变。伪共析组织，属于珠光体组织组织特征相同，但铁素体和渗碳体的量与共析成分的珠光体不同。转变条件：奥氏体的含碳量（接近共析成分），过冷度（大）Yuxi ChenHunan Univ. 形核率I 长大速度v1、珠光体的形核率与 长大速度 珠光体形核率I 及线长大速度v与转变温度之间的关系曲线均为具有极大值的下凹曲线。Yuxi ChenHunan Univ.36l随转变温度降低，过冷度增大，奥氏体与珠光体的自由能差增大，相变驱动力Gv增大，使临界形核功W 减小，上式中的第二项将增大，即使形核率增大。l随转变温度降低，原子扩散能力减弱，由于 Q基本不变，上式中的

13、第一项将减小，使形核率减小；综合作用结果，导致珠光体的形核率对转变温度有极大值。 Yuxi ChenHunan Univ.在转变温度较高时珠光体团一般长大成等轴类球形，各个方向上的长大速度基本相等。l随转变温度降低，过冷度增大，使靠近珠光体的奥氏体中的碳浓度差增大，加速了碳原子的扩散速度，而且珠光体的片层间距 S 0减小，使碳原子的扩散距离缩短，这些因素都促使长大速度增大；l随转变温度降低，碳原子扩散能力减弱，使长大速度减小。综合作用结果，导致珠光体的长大速度对转变温度也有极大值。 Yuxi ChenHunan Univ.38形核率温度曲线长大速度温度曲线形核率时间曲线长大速度时间曲线形核率时

14、间曲线： （等温）S形长大速度时间曲线（等温）无关（碳原子在奥氏体中的扩散，体扩散机制，界面扩散机制）Yuxi ChenHunan Univ.2、珠光体等温转变动力学曲线假设珠光体转变为均匀形核，形核率不随时间而改变，则转变量f 与等温时间 的关系可用Johnson-Mehl方程表达： f = 1exp(/3 I v3 4)孕育期孕育期vmax实际转变中用Avrami方程 f = 1exp(K n)Yuxi ChenHunan Univ.40金相法、硬度法、膨胀法磁性法、电阻法等；一般取转变量5%时的时间为转变开始时间；转变量为95%时的时间为转变终了时间。转变温度时间转变量（C曲线）3、珠光

15、体等温转变动力学图Yuxi ChenHunan Univ.特点：1）孕育期2）C曲线鼻子：随转变温度降低，孕育期缩短，到某一温度达到最短，随后随温度降低又逐渐增加；3）转变速度极大：等温转变时，当转变量50%时，转变速度达到极大值，随后转变速度逐渐降低；4）过共析钢和亚共析钢的C曲线左上方，都有一条先共析渗碳体或铁素体的析出线。Yuxi ChenHunan Univ.4、影响珠光体转变动力学的因素内在因素：化学成分，原始组织外在因素：加热温度，保温时间碳含量（奥氏体中的碳含量）合金元素奥氏体晶粒奥氏体成分均匀性奥氏体过剩相原始组织加热温度和保温时间应力塑性变形Yuxi ChenHunan Un

16、iv.碳含量（奥氏体中的碳含量）1）亚共析成分奥氏体，珠光体转变速度随碳含量的增加而减慢。碳含量增加铁素体形核率降低。2）过共析成分奥氏体，珠光体转变速度随碳含量的增加而增加。碳含量增加渗碳体形核率增加。Yuxi ChenHunan Univ.合金元素对珠光体转变动力学的影响l影响碳在奥氏体中的扩散速度l改变奥氏体到铁素体的同素异型转变的速度l合金元素在奥氏体中的扩散和再分配l改变珠光体转变临界点l影响珠光体的形核率及长大速度l改变界面的表面能Yuxi ChenHunan Univ.奥氏体晶粒度：越细小，则珠光体转变速度越快。奥氏体成分均匀性：奥氏体成分不均匀，将加速先共析相和珠光体的转变速度

17、。原始组织：粗大，则奥氏体均匀化速度慢，珠光体形成速度可能加快。加热温度和保温时间：提高温度延长保温时间，则奥氏体成分更均匀，珠光体转变速度降低。应力：拉应力加速珠光体转变，压应力则推迟。塑性变形：可以加速珠光体转变。Yuxi ChenHunan Univ.珠光体的强度、硬度高于铁素体，而低于贝氏体、渗碳体和马氏体，塑性和韧性则高于贝氏体、渗碳体和马氏体，因此珠光体组织适合切削加工或冷成型加工。Yuxi ChenHunan Univ.1、片状珠光体的力学性能片状珠光体的硬度一般在160280HBS; 抗拉强度784882 MPa； 延伸率2025%。其力学性能与下列因素等有关：1）珠光体的片间

18、距；2）珠光体团的直径；3）珠光体中的铁素体片的亚晶粒尺寸Yuxi ChenHunan Univ.1）珠光体的片间距： 主要取决于珠光体形成温度，温度降低则变小。2）珠光体团直径： 与珠光体形成温度有关，也与奥氏体晶粒有关， 随形成温度降低及奥氏体晶粒细化而变小。珠光体的强度、硬度及塑性均随珠光体团直径及片间距的减小而升高。Yuxi ChenHunan Univ.2、粒状珠光体的力学性能与片状珠光体相比，粒状珠光体：1）强度、硬度稍低，但塑性较好；2）疲劳强度稍高；3）可切削性、冷挤压成型性好。Yuxi ChenHunan Univ.3、铁素体加珠光体的力学性能与共析钢及过共析钢相比，亚共析钢的强度、硬度低，但塑性、韧性好。亚共析钢中1）C, Mn, Si, N等固溶强化元素含量越多，2）珠光体相对量越多，3）铁素体晶粒越细，4）珠光体片间距越小，则亚共析钢的强度和硬度就越高。Yuxi ChenHunan Univ.4、形变珠光体的力学性能索氏体经塑性变形可以大幅度提高强韧性，适合深度冷拔。塑性提高是因为索氏体的片间距小，使得位错沿最短途径滑移的可能性增加；同时，由于渗碳体片很薄，在进行强烈塑性变形时它能产生弹性弯曲和塑性变形。强度提高是因为位错密度增大