热处理原理与工艺 第2版 课件 第2章 珠光体转变

第二章

珠光体转变第一节过冷奥氏体转变图简介

加热冷却方式等温加热、连续加热等温冷却、连续冷却转变等温转变、连续转变等温转变、连续转变驱动力过热度过冷度转变开始临界点Ac1、Ac3、AccmAr1、Ar3、Arcm等温转变图连续转变图第一节过冷奥氏体转变图简介等温冷却：将材料快速冷却到共析临界温度点A1以下某温度，进行保温，然后再冷却至室温的冷却方式。转变开始线、转变结束线，呈“C”型。马氏体转变开始线Ms、马氏体转变结束线Mf。第一节过冷奥氏体转变图简介温度降低，C原子扩散能力显著降低。鼻尖以上，平衡组织（P、F、Cm），鼻尖以下，非平衡组织（B、M）。上述组织中，珠光体P的强度、硬度最低，塑性、韧性最好；马氏体M的强度、硬度最高，塑性、韧性最差；贝氏体B介于两者间。第一节过冷奥氏体转变图简介鼻尖以上，邻近共析点温度区域的等温转变产物为粗片状珠光体P。邻近鼻尖区域的等温转变产物为极细片珠光体，谓托氏体T（屈、Troost）。中间温度等温转变产物为细片状珠光体，谓之索氏体S（Sorby）。第一节过冷奥氏体转变图简介等温转变特点转变在某一温度完成需要过冷度，存在孕育期过冷度不同，产物不同成分不同，曲线不完全相同IT(IsothermalTransformation)TTT(TimeTemperatureTransformation)第一节过冷奥氏体转变图简介连续冷却：以某一冷却速度，将材料直接冷却至室温的冷却方式。转变开始线、转变结束线、转变中止线、马氏体转变开始线Ms、马氏体转变结线Mf。呈半个“C”形。第一节过冷奥氏体转变图简介临界冷却速度Vc：连续冷却中，形成片状珠光体P的最大冷却速度，或形成马氏体M的最小冷却速度。V1＜V2＜V3＜VcV1→P片，V2→S，V3→T第一节过冷奥氏体转变图简介连续冷却转变特点：转变在一定的温度范围内完成先转变的粗大，后转变的细小V＞Vc，转变产物为马氏体M连续冷却速度非常数无贝氏体转变不同成分，曲线图不完全相同CCT(ContinuesCoolingTransformation)。Fe-C相图、IT图和CCT图是工艺设计依据。第二节珠光体的组织形态和力学性能珠光体P：由α相（铁素体F组织）和Fe3C相（渗碳体Cm组织）组成的机械混合物。珠光体包括：片状珠光体、粒状珠光体、针状珠光体、纤维状珠光体等。第二节珠光体的组织形态和力学性能珠光体团：片层排列位向大致相同小区域。原奥氏体晶粒内可形成几个位向不同的珠光体团，互成小角度。原相邻奥氏体晶粒内珠光体团呈大角度。第二节珠光体的组织形态和力学性能珠光体片层间距S0：相邻两渗碳体Cm片或铁素体F片中心之间的垂直距离。铁素体F片层厚度δF大于渗碳体片层厚度δCm。片间距S0越小，则片状珠光体P片越细。第二节珠光体的组织形态和力学性能珠光体P：放大400倍可见（光学显微镜）。索氏体S：放大600倍可见（光学显微镜）。托氏体T：1000倍以上可见（电子显微镜）。组织名称形成温度/℃片层间距/nm硬度/HBW珠光体PA1-68050-450170-250索氏体S680-60080-150250-320托氏体T600-50030-80320-400珠光体型组织(P)与其它类型组织（M/B）相比，强、硬度较低，塑性、韧性较高。粗片状珠光体P的强硬度及塑性韧性均相对较低。托氏体T的强硬度及塑性韧性均相对较高。索氏体则介于两者之间，综合性能较好。片间距S0对组织及性能影响：片间距S0越小，组织越细，强塑性越好；片间距S0越小，对塑性影响越明显。第二节珠光体的组织形态和力学性能第二节珠光体的组织形态和力学性能珠光体片间距S0大小由过冷度ΔT决定。表现形式：连续冷却速度V和等温温度T。珠光体片间距S0随过冷度ΔT增大而呈非线性减小。650℃-A1温度范围内，珠光体片间距S0受过冷度ΔT的影响明显（连续冷却速度V和等温温度T）。第二节珠光体的组织形态和力学性能粒状珠光体P粒：在连续的铁素体F（α相）基体均匀分布着球粒状碳化物（Fe3C相）的复合组织。碳化物颗粒越细，粒状珠光体P粒的强、硬度越高，塑性越好。第二节珠光体的组织形态和力学性能碳化物颗粒分布越均匀，粒状珠光体P粒的韧性越好。随C量增加，粒状珠光体P粒强硬度增加，塑性降低。相对片状珠光体P片而言，粒状珠光体P粒的强度、硬度、塑性和韧性均较优。粒状珠光体P粒只能通过等温球化退火，由片状珠光体P片演变而来。第三节珠光体形成过程两个阶段：形核、长大加热T↑P→A冷却T↓A→P=F+Cmγ

→α+Fe3CC%↑↓↑↑晶体结构FCC

BCCCOt转变策略原高温有序→混乱无序→新低温有序第三节珠光体形成过程奥氏体A的状态宏观成分均匀，微观成分不均匀晶内有序度高，晶界有序度低晶内能量较低，晶界能量较高珠光体P形核位置：晶界优先C原子优先存在形式高温条件下，运动能力强→固溶低温条件下，运动能力弱→化合物第三节珠光体形成过程形核步骤高C微区的C与Fe结合成Fe3C，FCC→COt。相邻微区的C向Fe3C扩散，其C%降低。相邻低C微区Fe发生同素异构转变，FCC→BCC，γ→α，A→F。第三节珠光体形成过程形核步骤α（F）中多余的C原子向两侧扩散。α（F）外侧微区C%升高，成为高C微区。重复第一步。形成由F晶核和Cm晶核相间的P晶核。第三节珠光体形成过程长大步骤Cm晶核面向A晶内的前端两侧A微区的C向Cm晶核扩散。Cm晶核向A晶内长大、扩展。前端两侧A微区的C%降低。前端两侧A微区同素异构转变FCC→BCC，γ→α，A→F。F中多余C原子向其两侧Cm前端扩散。第三节珠光体形成过程长大步骤Cm、F相继协同向A晶内长大、扩展，呈相间片状。形成P片团，直至与其它P片团接触为止。第三节珠光体形成过程珠光体P转变为扩散型转变。C原子扩散Fe原子同素异构转变F、Cm是相伴形核，相伴长大。共析钢中，α(F)、Fe3C(Cm)均可为领先形核相（组织）。亚共析钢多以α(F)为领先形核相(组织)。过共析钢则Fe3C(Cm)为领先形核相(组织)。第三节珠光体形成过程粒状珠光体P粒由片状珠光体P片演变而来。演变过程温度T高于A1时，F/Cm界面形成A晶核片状Cm(Fe3C)被溶断，片状→杆状或块状A晶核数量多，则杆状或块状→粒状缓冷或低于A1保温，则A中C原子向Cm扩散，促使粒状→球状，且A→F又称渗碳体Cm的球化。第三节珠光体形成过程P粒形成过程的本质：利用A形核，且避免A晶核长大，即控制形核。控制对象：加热温度和保温温度。控制措施：加热温度略高于A1温度，较短时间保温，然后缓慢冷却或略低于A1温度较长时间保温。P粒或球化质量：粒状Cm尺寸小、均匀；粒状Cm形状呈球状或近球状；粒状Cm分布均匀。第四节珠光体转变速度及影响因素珠光体转变完成时间由珠光体形核率N和珠光体长大速度G共同决定。珠光体形核率N：单位时间单位体积内所生成的珠光体晶核数量。珠光体长大速度G：单位时间内珠光体团直径的增加值。珠光体转变速度：单位时间单位体积内形成的珠光体体积分数（%）。转变速度变化规律：先慢、后快、再慢。影响因素过冷度ΔT和转变温度T过冷度↑，A越不稳定，P形核驱动力↑，形核率N↑。过冷度↑，转变温度↓，原子扩散能力↓，P片长大速度↓，P团长大速度G↑。550℃以上时，随过冷度增大、转变温度降低，珠光体转变速度加快；550℃以下时，则珠光体转变速度减慢。第四节珠光体转变速度及影响因素碳含量C%当C%＜0.77%时，随C%↑，P转变速度↓。当C%＞0.77%时，随C%↑，P转变速度↑。即C%＝0.77%时，P转变速度最小。合金元素Co元素加快P转变速度。Ni降低P转变临界温度，减慢P转变速度。其它降低C原子扩散，减慢P转变速度。V、Ti、Nb提高P转变速度。第四节珠光体转变速度及影响因素奥氏体A晶粒度晶粒度越高，晶粒超细，P转变速度越快。奥氏体A均匀度温度越高，保温时间越长，A均匀度越高，形核率N减小，P转变速度减慢。原始室温组织越细小，A均匀度越高，形核率N减小，P转变速度减慢。第四节珠光体转变速度及影响因素未溶碳化物（Ex.TiC

/VCetc.）增加形核率N，加快P转变速度。高温奥氏体A态塑变（锻造）奥氏体A晶粒发生变形，晶界畸变能增加，不稳定性增加，形核率N增加，珠光体P转变速度增快。第四节珠光体转变速度及影响因素第五节非共析钢的珠光体转变及先共析相共析钢(0.77%)：低C微区(0.0218%左右）→α(F)，高C微区(6.69%左右）→Fe3C(Cm)。亚共析钢(＜0.77%)：低C微区多，高C微区少甚至无。第五节非共析钢的珠光体转变及先共析相亚共析钢珠光体转变过程A晶界处低C微区(0.0218%左右)→α（F），多余C原子向相邻微区扩散；相邻微区的C%升高，但仍＜6.69%，继续→α（F）；α（F）不断长大，薄片状→厚片状→针状→杆状→块状→等轴状；α（F）区域原多余的C原子集中到剩余A剩中，A剩的C%升高，直至0.77%左右；A剩发生珠光体共析转变，形成P片。第五节非共析钢的珠光体转变及先共析相亚共析钢珠光体转变室温组织：F先＋P片。F先为先共析铁素体。过共析钢（＞0.77%）：高C微区多，低C微区少过共析钢珠光体转变过程A晶界处的高C微区(6.69%左右)→Fe3C(Cm)，周围区域的C原子向Fe3C扩散；周围区域的C%降低，但仍＞0.0218%，其C原子继续向Fe3C扩散；第五节非共析钢的珠光体转变及先共析相过共析钢珠光体转变过程Fe3C(Cm)不断长大，薄片状→厚片状→针状→杆状；剩余A剩的C%不断降低，直至0.77%左右；A剩发生共析转变，形成片状珠光体P片。过共析钢转变室温组织：Cm先＋P片。Cm先为先共析渗碳体。F先和Cm先，统称为先共析组织。α先和Fe3C先，统称为先共析相。第五节非共析钢的珠光体转变及先共析相第五节非共析钢的珠光体转变及先共析相共析钢和非共析钢的CCT曲线第五节非共析钢的珠光体转变及先共析相先共析转变与共析转变的区别

先共析转变共析转变相同点转变本质C原子扩散C原子扩散转变机制形核、长大形核、长大异同点成分＜0.77%和＞0.77%0.77%C扩散行程较长较短转变温度较高较低转变产物α（F）或Fe3C（Cm）α和Fe3C（P）第五节非共析钢的珠光体转变及先共析相长程扩散，需要C原子具有强的扩散能力和足够的扩散时间。快速冷却至室温或至较低温度等温，先共析相（组织）数量减少甚至为零。伪共析组织：非共析成分（0.77%附近）奥氏体A转变为单一片状珠光体P片。第五节非共析钢的珠光体转变及先共析相共析与伪共析的区别

共析组织伪共析组织相同点转变机制形核、长大形核、长大组织形貌相间片状F和片状Cm相间片状F和片状Cm异同点成分0.77%0.77%左右冷却条件慢、较快较快C扩散程度充分不充分平衡状态平衡非平衡第五节非共析钢的珠光体转变及先共析相形态变化规律：片状→针状→杆状→块状→粒状（球状）分布状态