热处理设备1-3珠光体相变

1、第三章珠光体相变,3.1珠光体的组织形态与性能特点3.1.1过冷奥氏体转变,图3-1TTT曲线,过冷奥氏体等温转变动力学图，TTT曲线，C曲线，IT曲线。反映温度-时间-转变量三者之间的关系。,A1550，Fe、C原子均可扩散。共析分解成珠光体-铁素体与渗碳体两相层片状机械混合物。珠光体团(或领域)-片层方向大致相同的珠光体，在一个奥氏体晶粒内可以形成35个珠光体团。,（1）高温转变,（2）中温转变,图3-4(a)上贝氏体X600(b)下贝氏体X400,非扩散型相变：Fe、C原子均不发生扩散，生成的马氏体与原奥氏体成分相同。马氏体：碳在-Fe中的过饱和固溶体。马氏体相变是变温型相变，相变开始点

2、Ms，终了点Mf。,（3）低温转变,图3-5(a)低碳钢中的板条马氏体(X80)(b)高碳钢中的针状(片状)马氏体(X400),3.1.2珠光体的组织形态珠光体：由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。珠光体团：若干大致平行的铁素体与渗碳体片组成一个珠光体领域，也称珠光体团。珠光体片层间距：珠光体中一对铁素体片与渗碳体片的厚度之和。,（2）粒状珠光体铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的组织称为粒状珠光体，也叫球状珠光体。,（1）片状珠光体：渗碳体为片状的珠光体。,3.1.3珠光体的片层间距S0,珠光体的片层间距与转变温度有关，与过冷度成反比。,图3-1珠光体片层间距S0,定义：珠光体中一对铁素体片与渗碳

3、体片的厚度之和。,3.1.4珠光体的力学性能,片状珠光体的塑性变形基本上发生在铁素体片层内，渗碳体对位错滑移起阻碍作用，位错最大滑移距离等于片层间距S0。片层间距S0愈小，强度、硬度愈高，符合Hall-Petch关系：s=0+kS0-1粒状珠光体的屈服强度取决于铁素体的晶粒大小(直径df），也符合Hall-Petch关系：s=0+kdf-1/2,由于片状渗碳体的表面积大于同体积的球状渗碳体，在球化退火时，将会自发球化。与渗碳体尖角接壤处的铁素体碳浓度C-k大于与平面接壤处的碳浓度，在铁素体内将引起碳原子扩散，结果界面碳浓度平衡被打破，为维持碳浓度平衡，渗碳体尖角处会溶解，而平面处会向外生长，最

4、后形成各处曲率半径相近的粒状渗碳体。,图3-6片状渗碳体溶断机制,渗碳体片内亚晶界的存在，会产生一界面张力，为保持界面张力平衡，在亚晶界处会出现沟槽。由于沟槽两侧曲率半径较小，此处渗碳体将溶解，而使曲率半径增大，破坏了界面张力的平衡，为恢复平衡，沟槽将进一步加深，直至渗碳体溶断。,图3-7片状渗碳体在A1温度以下球化过程示意图,当奥氏体化不充分时，也会以未溶颗粒状渗碳体作为形核核心，直接形成球状珠光体。,生产中球化退火和调质处理均可得到粒状珠光体,对有网状碳化物的过共析钢，一般应先进行正火以消除网状碳化物，然后再进行球化退火：有网状碳化物的过共析钢在Ac1Ac3之间加热时，网状碳化物也会发生断

5、裂和球化，但所得碳化物颗粒较大，且往往呈多角形，“一”字形或“人”字形；网状碳化物为先共析相，采用正常的球化退火无法消除网状碳化物，为使其断裂，球化所需的温度应高于正常球化退火温度。,珠光体转变的特点,各温度下的转变都有孕育期；亚共析钢左上方有一条先共析铁素体析出线；过共析钢左上方有一条先共析渗碳体析出线。,含碳量亚共析钢：C%，铁素体形核率；另外，相变驱动力G-，所以珠光体转变速度下降，C曲线右移。,3.2影响珠光体转变的因素,（1）钢的化学成分,若加热温度高于Accm：C%，渗碳体形核率升高；另外，碳在奥氏体中的扩散系数增大，从而使珠光体的孕育期缩短，转变加速，C曲线左移。若加热温度在Ac

6、1Accm：C%，获得不均匀奥氏体及Fe3C，有利于珠光体的形核，故孕育期缩短，转变加速，C曲线左移。,过共析钢：,钢的碳含量,奥氏体的碳含量,合金元素除Co以外，只要合金元素溶入奥氏体中，均使奥氏体的稳定性增大，从而减慢奥氏体分解为珠光体，C曲线右移。,在碳钢中共析钢过冷奥氏体最稳定，C曲线最靠右。,通过影响碳在奥氏体中的扩散速度，影响珠光体转变动力学；改变奥氏体向铁素体同素异构转变的速度通过合金元素在奥氏体中的扩散与再分配通过改变临界点通过影响珠光体的形核率和长大速度通过改变界面能,合金元素改变珠光体转变的途径,奥氏体成分的不均匀，有利于高碳区形成Fe3C，低碳区形成铁素体，并加速碳原子的

7、扩散，从而加速先共析相及珠光体的形成。未溶渗碳体的存在，既可作为先共析渗碳体的晶核，亦可作为珠光体领先相渗碳体的晶核，故可加速珠光体的形成。,（2）奥氏体的均匀化程度和残余碳化物,（3）钢的原始组织原始组织越粗大，珠光体形成速度就越快。,（5）奥氏体化加热温度和保温时间奥氏体化温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒尺寸越大，并且成分趋于均匀化，减少了珠光体形核所需的浓度起伏和形核位置，从而减慢珠光体的形成，使C曲线右移。,（4）奥氏体晶粒度奥氏体晶粒的细化，可增加珠光体的形核位置，从而促进珠光体的形成。,拉应力和塑性变形造成点阵畸变和位错密度增高，显著提高了珠光体的形核率，促进珠光体转变，使C曲线

8、左移。塑性形变温度越低，变形程度越大，这种加速作用越显著。在等向压应力作用下，由于原子迁移阻力增大，阻碍了Fe、C原子的扩散，同时点阵改组的阻力也增大，所以将减慢珠光体的形成。,（6）应力和塑性变形,3.3先共析转变和伪共析转变,3.3.1先共析转变,研究对象：亚共析钢或过共析钢,定义：非共析成分的奥氏体在珠光体转变之前析出先共析相的转变称为先共析转变。,析出的先共析铁素体的量取决于奥氏体的碳含量和冷却速度。碳含量越高，冷速越大，析出的先共析铁素体量越少。,先共析铁素体的析出是一个形核和长大的过程。先共析片状铁素体通常称为魏氏组织铁素体,成核位置：奥氏体晶界,3.3.2亚共析钢先共析铁素体的析

9、出,3.3.3过共析钢先共析渗碳体的析出,形态：粒状；网状或针状,魏氏组织渗碳体：在奥氏体晶粒粗大，成分均匀的情况下，粒状的可能性小，一般呈针状或网状，此时的先共析渗碳体称为魏氏组织渗碳体。,3.3.4伪共析转变,定义：非共析成分的奥氏体经快冷而进入ESG区域后将发生共析转变，即分解为铁素体与渗碳体的混合组织，这种共析转变称为伪共析转变。,伪共析组织仍属于珠光体类型的组织；伪共析转变的分解机制及分解产物的组织特征与珠光体转变完全相同。伪共析组织中铁素体和渗碳体的量与珠光体中的量不同。奥氏体的碳含量越高，渗碳体的量就越多。,产生伪共析转变的条件奥氏体的碳含量过冷度,含碳量越接近共析成分，过冷度越

10、大，越容易发生伪共析转变,3.4魏氏组织,定义：工业上将具有针状先共析铁素体或先共析渗碳体加珠光体的组织叫魏氏组织。前者叫铁素体魏氏组织，后者称为渗碳体魏氏组织。,一次魏氏组织铁素体：从奥氏体中直接析出的针状先共析铁素体。,二次魏氏组织铁素体：从网状铁素体长出的针状先共析铁素体。,图3-13一次魏氏组织铁素体d)二次魏氏组织铁素体e),2.魏氏组织的形态亚共析钢中的魏氏组织铁素体，单个的形貌是针状；按它们的分布状态来看，则有羽毛状的；三角形的，也可能是几种形态混合。,3.魏氏组织的形成条件和基本特征魏氏组织铁素体是按成核，长大机理形成的，魏氏组织铁素体的尺寸随等温时间的延长而增大；魏氏组织铁素

11、体形成时，也会产生表面浮凸现象；魏氏组织铁素体是沿奥氏体中一定的晶面析出的，惯习面为（111），并于奥氏体之间存在K-S位向关系。,魏氏组织的形成有一个上限温度Ws点。在这个温度以上，魏氏组织不能形成。奥氏体晶粒越细，Ws点越低。奥氏体晶粒越粗大，越容易形成魏氏组织。当钢的碳含量超过0.6%时，魏氏组织铁素体较难形成。在连续冷却时，魏氏组织只在一定冷却速度下才能形成，过慢或过快的冷却速度都会抑制它的产生。,钢中加入Mn，会促进魏氏组织铁素体的形成，而加入Mo；Cr；Si等阻碍魏氏组织的形成。,3.魏氏组织的力学性能强度降低塑性和冲击韧性显著降低韧脆转变温度升高,表1魏氏组织对45钢力学性能的影

12、响,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；,3.5珠光体的力学性能,化学成分,热处理工艺,力学性能,片状珠光体的力学性能硬度：160280HBW抗拉强度：784882MPa伸长率：20%25%,钢中珠光体的力学性能，主要决定于钢的化学成分和热处理后所获得的组织形态。,片状珠光体的力学性能与珠光体的片间距，珠光体团的直径以及珠光体中铁素体片的亚晶粒尺寸有关。,随珠光体团直径及片间距的减小，珠光体的强度，硬度及塑性将升高。,共析成分的片状珠光体的力学性能主要取决于奥氏体化温度以及珠光体形成温度。,强度和硬度随片层间距减小而增大的原因：位

13、错塞积和运动塑性冲击韧性：极小值,2.粒状珠光体的性能成分相同时，比片状珠光体强度硬度稍低，但塑性较好；疲劳强度比片状珠光体高；可切削性，冷挤压时成形性好，加热淬火时变形，开裂倾向小；其性能还取决于碳化物颗粒的大小，形态与分布。,3.铁素体+珠光体的力学性能固溶强化元素的含量（C；Mn；Si；N）显微组织中铁素体和珠光体的相对量铁素体晶粒的直径珠光体的片层间距（1）强度，硬度（2）塑性（3）冲击韧性,4.形变珠光体的力学性能派登脱处理：,高碳钢或中碳钢,Ar1以下的铅浴中等温,奥氏体化,获得索氏体,进行深度冷拔,优异的强韧性配合,索氏体具有良好的冷拔性能的原因：,片层间距小，使位错沿最短途径滑

14、移的可能性增加；,渗碳体片很薄，在进行较强塑性变形时它能够产生弹性弯曲和塑性变形。,深度冷变形可使索氏体产生显著强化的原因,铁素体内的位错密度大大增加；铁素体的亚晶粒明显细化，点阵畸变明显增大；渗碳体部分溶解脆化，使铁素体含碳量过饱和，产生更大的固溶强化。,冷变形越大，铁素体内的位错密度增加的幅度也越大，亚晶粒细化越明显，铁素体含碳量过饱和度越大，强化效果越明显。,3.6钢中碳化物的相间沉淀,定义：含有强碳（氮）化物形成元素的过冷奥氏体，在珠光体转变之前或转变过程中可能发生纳米碳（氮）化物的析出，称为相间析出，又称相间沉淀。,2.相间沉淀的条件：,含碳量低并有强碳化物形成元素（Mo；Nb；V；Ti）碳及合金元素均溶于奥氏体中奥氏体化温度适宜在一定温度范围内（800500）冷却速度适中,3.相间沉淀产物的形态与性能相间沉淀的组织特征：铁素体中有呈带状分布的粒状珠光体相间沉淀产物的性能主要取决于细晶强化；