05-热处理原理之珠光体转变

1第五章珠光体转变25.1研究珠光体型相变的意义珠光体是渗碳体和铁素体片层相间、交替排列形成的机械混合物。用符号P表示（Pearlite）。0.0218%6.69%0.77%含碳量铁素体渗碳体奥氏体晶体结构体心立方面心立方复杂斜方珠光体转变是单相奥氏体分解为铁素体和渗碳体两个新相的机械混合物的相变过程，因此珠光体转变必然发生碳的重新分布和铁的晶格改组。3共析钢的动力学曲线和IT图4珠光体转变是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A1~500℃温度之间发生，又称高温转变。由于相变在较高的温度下进行，铁、碳原子都能进行扩散，所以珠光体转变是典型的扩散型相变。珠光体铁素体渗碳体硬度低而塑性高硬度高而脆性大两者合理的匹配，可得到综合力学性能良好的P5珠光体转变是钢中重要的相变，同时在热处理实践中也极为重要，因为在钢的退火与正火时所发生的都是珠光体转变。必须控制珠光体转变产物的形态，以保证所得组织具有所需要的强度、韧塑性等。要求退火或正火所得组织能满足最终热处理的需要。退火与正火最终热处理预备热处理6为了解决上述一系列问题，就必须对珠光体转变过程、转变机理、转变动力学、影响因素以及珠光体转变产物的性能等进行深入的研究。另外，为使奥氏体能够过冷到低温，使之全部转变为马氏体或贝氏体，就必须要保证奥氏体在冷却过程中不发生珠光体转变。7㈠珠光体的组织形态珠光体铁素体渗碳体根据形态不同片状珠光体粒状珠光体针状珠光体两种最常见的珠光体组织5.2珠光体的组织形态与晶体结构8材料名称：共析钢浸蚀剂：4％硝酸酒精溶液处理情况：820℃加热保温后缓冷⑴片状珠光体渗碳体呈片状，是由一层铁素体和一层渗碳体层层紧密堆叠而成。910①珠光体团在一个原奥氏体晶粒内可形成3～5个珠光体团片层排列方向大致相同的区域，称为珠光体团或珠光体晶粒在每一个珠光体团中，铁素体和渗碳体片大体上维持相同取向的小区域，称为珠光体领域11②珠光体的片间距离S0在片状珠光体中，一片铁素体和一片渗碳体的总厚度或相邻两片渗碳体或铁素体中心之间的距离，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：TCS0式中：C=8.02×104（Å·K）ΔT——过冷度（K）1213珠光体型相变为扩散型相变，铁素体片和渗碳体片的长大是受碳、铁原子的扩散控制的。当珠光体的形成温度下降时扩散系数减小长大速度减小S减小ΔT增加S与ΔT成反比14可见，S与ΔT必然存在一定的定量关系。另一方面，在过冷度ΔT一定的情况下，若S过小，则由于铁素体和渗碳体的相界面的面积增大，导致相变阻力阻力之一的界面能增大；而体系的自由能差保持不变。结果是相变驱动力过小而相变不易进行。VdGVGSVGVGVGsV系统自由能变化均匀形核：非均匀形核：15③片状珠光体的分类通常所说的珠光体，是指在光学显微镜下能清楚分辨出片层状态的一类珠光体，而当片间距离小到一定程度后，光学显微镜就无法分辨不出片层的状态了。根据片间距离的大小，通常把珠光体分为普通珠光体P、索氏体S和屈氏体T。S：S0=0.25~0.08μm，很难分辨出片层结构；P：S00.25μm，能清晰分辨出片层结构；T：S00.08μm，无法分辨片层结构。在光学显微镜下1617索氏体（500×）索氏体18索氏体（4700×）19屈氏体（400×）淬火马氏体屈氏体20屈氏体电镜形貌21渗碳体呈颗粒状，均匀地分布在铁素体基体上的组织，铁素体呈连续分布。⑵粒状珠光体22⑶针状珠光体当钢中含有一定数量的Cr，在转变温度较低时，可形成一类特异形态的珠光体，其组织外形呈黑色针状，整体呈冰花状。23㈡珠光体的晶体结构⑴珠光体相变的位向关系①珠光体与奥氏体之间的位向关系珠光体团奥氏体形成可动的非共格界面珠光体团中的铁素体及渗碳体与被长入的奥氏体晶粒之间不存在位向关系与另一侧不易长入的奥氏体晶粒之间则形成不易动的共格界面保持一定的晶体学位向关系24珠光体形成时，铁素体与奥氏体之间的位向关系为(110)γ∥(112)α；[112]γ∥[110]α而在亚共析钢中，先共析铁素体与奥氏体之间的位向关系为(111)γ∥(110)α；[110]γ∥[111]α这两种位向关系不同，说明珠光体中铁素体与先共析铁素体具有不同的转变特性。珠光体中渗碳体与奥氏体的位向关系比较复杂。25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，同时这种界面具有较高的扩散速度，以利于珠光体团的长大。珠光体形成时，铁素体与渗碳体之间的位向关系有两种类型。第一类(001)cem∥(2-1-1)α[100]cem∥[01-1]α[010]cem∥[111]α②珠光体团中的铁素体与渗碳体之间的位向关系第一类位向关系是珠光体晶核在有先共析渗碳体存在的奥氏体晶界上产生时测得的；26第二类(001)cem∥(52-1-)α[100]cem∥[131-]α相差2°36´[010]cem∥[113]α相差2°36´第二类位向关系是珠光体晶核在纯奥氏体晶界上产生时测得的。⑵珠光体的亚结构目前认识还不清楚，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。①珠光体中渗碳体的亚结构27退火状态下的珠光体中的铁素体铁素体内具有位错亚结构，位错密度约107-8/cm2；在一片铁素体中存在有亚晶界，构成许多亚晶粒。退火状态下的粒状珠光体中的铁素体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。淬火回火的粒状珠光体中的铁素体铁素体基体具有多边化亚结构。②珠光体中铁素体的亚结构285.3珠光体转变产物的力学性能碳钢亚共析碳钢共析碳钢过共析碳钢片P粒PP+FPP+K29㈠共析成分珠光体的力学性能⑴片状珠光体的力学性能片层间距P团直径F片的亚晶粒尺寸原始奥氏体晶粒大小力学性能影响因素片状珠光体的性能主要取决于奥氏体化温度及珠光体的形成温度珠光体的形成温度奥氏化条件珠光体的形成温度奥氏体的晶粒大小碳含量30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。规律由于铁素体与渗碳体片薄时，相界面增多，阻碍位错运动。在外力作用下，抵抗塑性变形的能力增高，因而强度和硬度增大；珠光体团直径减小，单位体积内珠光体片层排列方向增多，每一有利塑性变形的尺寸减小，都将使局部发生大量塑性变形所引起的应力集中减少，因而既增高了强度又提高了塑性。原因31工业上，以片状珠光体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。所谓派敦处理，也叫铅淬冷拔工艺。就是将高碳钢奥氏体化后，淬入铅浴（600～650℃）中等温转变，获得细片状珠光体（索氏体）组织，然后再进行深度冷拔。这是目前工业上具有最高强度的组织形态之一。应用32这两个相互矛盾因素的共同作用，使表征冲击韧性的冷脆转变温度与片间距离的关系出现一个极小值.片间距离对冲击韧性的影响片间距离对冲击韧性的影响比较复杂。片间距离的减小将使冲击性能变坏而渗碳体变薄又有利于改善冲击韧性强度提高而使冲击变坏薄的渗碳体片可以弯曲和变形，使断裂成为韧性断裂，从而改善冲击韧性33与片状珠光体相比，在成分相同的情况下，粒状珠光体的强度、硬度稍低，但塑性较好。⑵粒状珠光体的机械性能铁素体与渗碳体的相界面较片状珠光体的少，对位错运动的阻力较小。铁素体呈连续分布，渗碳体颗粒均匀地分布在铁素体基体上，位错可以较大范围的移动，因此，塑性变形量较大。34高碳钢在机加工和热处理前，常要求先经球化退火处理得到粒状珠光体；中低碳钢在机械加工前，则需正火处理，得到更多的伪珠光体，以提高切削加工性能；低碳钢在深冲等冷加工前，为了提高塑性变形能力，常需进行球化退火。此外，粒状P的可切削性好，对刀具磨损小，冷挤压成型性好，加热淬火时的变形、开裂倾向小。粒状珠光体的性能，主要取决于碳化物颗粒的大小、形态和分布。一般来说，当钢的化学成分一定时，碳化物颗粒越细小，强度、硬度越高；碳化物越接近等轴状，分布越均匀，塑韧性越好。35㈡亚共析钢珠光体转变产物的力学性能当P量少时，P对强度的贡献不占主要地位，此时，强度的提高主要靠先共析F晶粒的减小，而当P的量趋近100%时，P对强度的贡献就成为主要的，此时强度的提高依靠P片间距离的减小。先共析F与P的相对量先共析F的晶粒大小P的片间距离主要取决于其组织形态钢中的碳含量、奥氏体化温度及冷却条件365.4珠光体形成机制㈠珠光体形成的热力学条件珠光体相变的驱动力同样来自于新旧两相的体积自由能之差；珠光体相变的热力学条件是“要在一定的过冷度下相变才能进行”。珠光体（P）和奥氏体（γ）自由能随温度的变化曲线（示意图）37㈡片状珠光体的形成机制⑴珠光体相变的领先相在共析钢中，渗碳体和铁素体作领先相的趋势是相同的。但是，一般认为共析钢中珠光体形成时的领先相是渗碳体，其原因如下：亚共析钢领先相共析钢过共析钢组织P+F′PP+K′F′K′？38①珠光体中的从奥氏体中析出的渗碳体先共析渗碳体铁素体先共析铁素体晶体位向②珠光体中的从奥氏体中析出的渗碳体先共析渗碳体铁素体先共析铁素体组织连续性39③奥氏体中未溶解的渗碳体有促进珠光体形成的作用，而先共析铁素体的存在，对珠光体的形成则无明显的影响。因此，虽然在共析钢中渗碳体和铁素体作领先相的趋势是相同的，但一般认为共析钢中珠光体形成时的领先相是渗碳体。40因此，由奥氏体转变为珠光体，既需要有碳原子的扩散，也需要有晶体结构的变化。0.0218%6.69%0.77%含碳量铁素体渗碳体奥氏体晶体结构体心立方面心立方复杂斜方⑵珠光体的形成机理41①形核形核条件形核部位晶核形状结构起伏成分起伏能量起伏片状形核：首先在A晶界上形成一小片渗碳体，这就可以看成是P转变的晶核。母相成分均匀时，优先在原A相界面上形核；母相成分不均匀时，则可能在晶粒内的亚晶界或缺陷处形核。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;碳原子的扩散距离相对缩短。片状形核的原因42由上述珠光体形成过程可知，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；而横向长大是渗碳体片与铁素体片交替堆叠增多。②长大纵向长大和横向长大机制43分枝长大机制首先在奥氏体晶界上形成Fe3C片晶核；然后Fe3C片依靠其不断的分枝向晶粒内部平行长大；Fe3C片分枝长大的同时使相邻A贫碳，促使F在其两侧长大；结果形成片层相间的两相混合物。44㈢粒状珠光体形成机制在特定的奥氏体化和冷却条件下，奥氏体向珠光体转变也有可能形成粒状珠光体。⑴粒状珠光体由奥氏体向珠光体转变形成特定条件奥氏体化条件冷却条件奥氏体化温度低保温时间较短等温温度高等温时间足够长或冷却速度极慢加热转变进行不充分，导致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45在共析和过共析钢中，粒状珠光体的形成是以未溶解的渗碳体质点作为相变的晶核，它按球状的形式而长大，最终形成在铁素体基体上均匀分布粒状渗碳体的粒状珠光体组织。粒状珠光体的形成与片状珠光体的形成情况基本相同，也是一个形核及长大过程；不过这时的晶核主要来源于非自发晶核。46粒状珠光体中的粒状渗碳体，通常是通过渗碳体球状化获得的。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。靠近非球状渗碳体的尖角处（曲率半径小的部分）的固溶体具有较高的C浓度，而靠近平面处（曲率半径大的部分）的固溶体具有较低的C浓度，这就引起了C的扩散，因而打破了碳浓度的胶态平衡。结果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。⑵粒状珠光体由片状珠光体球化形成47渗碳体片中有位错存在，并可形成亚晶界，在固溶体(A或F)与渗碳体亚晶界接触处则形成凹坑。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。因此，与坑壁接触的固溶体具有较高的溶解度，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。片状渗碳体的球化过