第十六章-珠光体

凝固理论与固态相变SolidificationTheoryandPhaseTransformationsinSolids南京航空航天大学材料科学与技术学院缪强第十六章珠光体转变前言珠光体转变即加热钢在冷却过程中由奥氏体向珠光体（α+Fe3C）的共析转变。共析转变是一种典型的扩散型转变，其转变产物为符合相图的平衡组织。共析转变在热处理实践中极为重要，无论是金属材料还是陶瓷材料都可以发生共析转变。因此，研究珠光体转变的过程及其规律具有十分重要的意义。前言研究珠光体转变的规律，不仅与为了获得珠光体转变产物的退火、正火、索氏体化处理等热处理工艺有关，而且与为了避免产生珠光体转变产物的淬火、等温淬火等热处理工艺也有密切的关系。本章主要讨论珠光体转变产物的组织形态、形成过程、力学性能及其影响规律。前言本章学习重点：掌握珠光体的组织形态和晶体结构；了解珠光体的形成机理；掌握珠光体的力学性能。本章学习难点：珠光体的形成机理；珠光体的力学性能。第一节珠光体的组织与晶体结构第一节珠光体的组织与晶体结构一、珠光体的定义共析钢加热保温并完全奥氏体化后缓慢冷却，在稍低于A1温度下发生共析分解，其产物为α与Fe3C的混合物，称为珠光体。第一节珠光体的组织与晶体结构转变温度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，共析钢约在A1~550℃温度之间发生，故又称为高温转变。第一节珠光体的组织与晶体结构二、珠光体的形态按照渗碳体的形态，珠光体可分为：片状珠光体粒状珠光体第一节珠光体的组织与晶体结构1、片状珠光体由一层铁素体片和渗碳体片交替紧密堆砌而成（质量分数：渗碳体占12%，铁素体88%）。片层间距——一对铁素体片和渗碳体片的总厚度，以S0来表示。珠光体团——若干具有大致相同位向的铁素体和渗碳体组成的一个晶体群，也称“珠光体晶粒”。第一节珠光体的组织与晶体结构珠光体团原奥氏体晶界Fe3CS0ααα珠光体片层间距珠光体团第一节珠光体的组织与晶体结构根据珠光体片层间距的大小不同,又细分为珠光体、索氏体和托氏体三种。三维珠光体如同放在水中的包心菜第一节珠光体的组织与晶体结构光镜下形貌电镜下形貌⑴珠光体：形成温度为A1~650℃，片层间距150~400nm，500倍光镜下可辨，用符号P表示.第一节珠光体的组织与晶体结构电镜形貌光镜形貌形成温度为650~600℃,片层间距80~150nm，800~1000倍光镜下可辨，用符号S表示。⑵索氏体第一节珠光体的组织与晶体结构光镜形貌⑶托氏体形成温度为600~550℃，片层间距30~80nm，电镜下可辨，用符号T表示。电镜形貌第一节珠光体的组织与晶体结构珠光体、索氏体、托氏体三种组织并无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。第一节珠光体的组织与晶体结构片状珠光体的力学性能主要取决与其片层间距和珠光体团的直径片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。第一节珠光体的组织与晶体结构影响珠光体片层间距的因素①温度（过冷度）：是影响的主要因素。冷却速度越大，形成温度越低，过冷度增大，C在奥氏体中的扩散能力减小，C扩散距离变小，只能形成片层间距小的珠光体。共析钢的片层间距S0与过冷度ΔT之间的关系可用如下经验公式来表达：3010028TS.第一节珠光体的组织与晶体结构如果过冷奥氏体是在一个连续的冷却过程分解，则高温段所形成的珠光体层间距较厚，而低温段形成的珠光体层间距较薄，这种粗细不匀的组织将引起珠光体的力学性能不均匀，在外力作用下，将引起不均匀的塑性变形而导致应力集中，使钢的强度和塑性都下降，可能并对切削加工性能产生不利的影响。因此对结构钢一般采取等温退火的方法，来获得粗细较接近的珠光体组织。转变过程中温度突变对珠光体片层间距的影响第一节珠光体的组织与晶体结构②C含量：亚共析钢，C含量增加，间距减小；过共析钢，C含量增加，间距减小；共析钢间距大于过共析钢。③合金元素：Co、Cr显著减小间距，Cr的作用更明显。Ni、Mn、Mo增大间距（原因可能与这些元素对过冷度及碳的扩散影响有关）；④奥氏体晶粒大小及均匀程度：基本上不影响间距。第一节珠光体的组织与晶体结构第一节珠光体的组织与晶体结构下表所列数据表明，当奥氏体晶粒度由2级减小到8~9级时，珠光体片层间距未发生明显的变化，但影响了珠光体团的大小。奥氏体化参数奥氏体晶粒度级数相变温度/℃层间距离/mm×25001050℃，20min27001.54860℃，12min67001.38860℃，20min67001.45815℃，30min8~96941.650.78C%，0.63Mn%钢奥氏体晶粒度对珠光体层间距离的影响第一节珠光体的组织与晶体结构2、粒状珠光体工业用钢中也可见到在铁素体基体上弥散分布粒状渗碳体的组织，称为“粒状珠光体”或“球状珠光体”，一般是经过球化退火或淬火后经中、高温回火而得到的。×500第一节珠光体的组织与晶体结构粒状珠光体的力学性能：主要取决于渗碳体颗粒的大小、形态和分布。一般来说，当成分一定时，渗碳体颗粒越细，相界面越多，强度和硬度越高；碳化物越接近等轴状、分布越均匀，则钢的韧性越好。在成分相同的条件下，粒状珠光体较片状珠光体的硬度略低，而塑性更好。第一节珠光体的组织与晶体结构粒状珠光体的应用：在硬度相同的条件下，粒状珠光体与片状珠光体相比较，具有良好的拉伸性能，同时还具有良好的切削加工性、冷加工成型性及淬火工艺性。因此，许多重要的机器零件都要通过热处理获得碳化物呈颗粒状的回火索氏体组织。在钼钢发现了纤维状珠光体，由纤维状Mo2C分布于铁素体基体上形成。第一节珠光体的组织与晶体结构3、纤维状珠光体第一节珠光体的组织与晶体结构三、珠光体的晶体结构虽然珠光体有多种形态，但本质上都是铁素体和渗碳体的混合物。电子显微镜观察表明，退火状态下的珠光体，铁素体中的位错密度较低，渗碳体中的位错密度更低，而铁素体与渗碳体两相交界处位错密度较高。在铁素体片中还有亚晶界，构成亚许多晶粒。第一节珠光体的组织与晶体结构珠光体形成时，新相（铁素体和渗碳体）与母相（奥氏体）之间有着一定的晶体学位向关系，使新相与母相在界面处能较好地匹配。其中铁素体和奥氏体的位向关系为：（110）γ∥（112）α[112]γ∥[110]α亚共析钢中，先共析铁素体中和奥氏体的位向关系为：（111）γ∥（110）α[110]γ∥[111]α第二节珠光体的形成机理第二节珠光体的形成机理一、珠光体形成的热力学条件奥氏体过冷到A1温度以下将发生珠光体转变，转变的进行需要一定的过冷度，以提供相变时消耗的化学自由能。由于珠光体转变的温度较高，铁原子和碳原子都能扩散较大距离，珠光体是在晶体缺陷较多的晶界处形核，因而相变需要的自由能较小，即在较小的过冷度下便可发生珠光体转变。第二节珠光体的形成机理如图表示了Fe-C合金中α、γ和Fe3C三个相在A1点以下的自由能状态。碳含量/%温度/℃各相的自由能GαγFe3CT1A1第二节珠光体的形成机理根据各相自由能水平和体系总的自由能变化分析，可以得出：在A1温度以下，铁素体加渗碳体混合组织是自由能最低状态。在转变过程中，奥氏体也可转变为铁素体加高碳浓度奥氏体或过饱和铁素体的过渡状态。第二节珠光体的形成机理二、珠光体的形成机理当共析钢由奥氏体转变为珠光体时，是由含碳0.77%的均匀固溶体转变为含碳很高(6.69%)的渗碳体和含碳很低(≤0.021%)的铁素体的混合物。第二节珠光体的形成机理珠光体是α与Fe3C两相所组成的，珠光体转变也是形核与长大的过程，因此就有形核领先相的问题。许多研究证实，领先相随转变温度和奥氏体的成分不同而异。过冷度小→渗碳体，过冷度大→铁素体；亚共析钢→铁素体，过共析钢→渗碳体，而共析钢→铁素体、渗碳体几率相同。1、珠光体转变时的领先相第二节珠光体的形成机理但是，一般认为共析钢中的领先相是渗碳体，理由如下：P中的Fe3C与从奥氏体中先共析的Fe3C晶体学位向相同；而P中的α与先共析α晶体学位向不相同；P中的Fe3C与转变前产生的Fe3C在组织上常常是连续的；而P中的α与转变前产生的α不连续；奥氏体中的未溶Fe3C有促进P形成的作用，而先共析α的存在对P形成无明显影响。第二节珠光体的形成机理合金元素对珠光体形成的领先亦有一定的影响除了Ni、Mn降低A1点外，其他合金元素均提高A1点，而几乎所有的合金元素都使钢的共析碳浓度降低。合金元素对共析温度和共析碳含量的影响024681012130011009007005000.80.60.40.20合金元素含量/%共析碳含量/%共析温度/℃TiMoSiWCrMnNiTiCrMnSiWMoNi2、珠光体的形成过程第二节珠光体的形成机理当共析碳钢由奥氏体转变为珠光体时，将由均匀固溶体转变为点阵结构与母相截然不同的渗碳体和铁素体的两相混合物，即：相组成：γ→α+Fe3C碳含量：0.77%0.02%6.69%点阵结构:面心立方体心立方复杂斜方⑴片状珠光体的形成过程第二节珠光体的形成机理因此珠光体的形成包含着同时进行的两个过程：通过碳原子的扩散形成低碳的铁素体和高碳的渗碳体；晶体点阵的重构——由面心立方的奥氏体转变为体心立方的铁素体和复杂斜方的渗碳体。第二节珠光体的形成机理珠光体的形核：多数在奥氏体的晶界上，也可在晶粒内晶体缺陷比较集中的区域形核。原因：这些部位易于产生能量、结构和成分起伏，新相晶核容易在在这些高能量、接近渗碳体碳含量并类似渗碳体点阵结构的区域产生。但当奥氏体中的碳浓度分布很不均匀或存在较多的未溶碳化物时，珠光体晶核也可能在奥氏体晶粒内产生。第二节珠光体的形成机理片状珠光体的核过程（Fe3C为领先相）示意如下：问题：珠光体纵向长大还是横向长大？目前认为，初期纵向和横向都长大，后期按分枝长大机制进行。第二节珠光体的形成机理第二节珠光体的形成机理珠光体长大时，纵向长大是渗碳体片和铁素体片同时连续地向奥氏体内延伸，而横向长大是渗碳体片和铁素体片交替堆叠。随着珠光体转变温度的降低，渗碳体片和铁素体片逐渐变薄缩短，同时两侧的连续形成速度和纵向长大速度都发生了变化，珠光体群的轮廓也逐渐由块状变为扇形，继而为轮廓不光滑的团絮状，即逐渐转变为索氏体和托氏体。第二节珠光体的形成机理第二节珠光体的形成机理CBB’AA’Fe3CαγSS’GSEG’PP’E’Cα-cCα-γCγ-αCγ-cCγC含量/%温度/℃CγCγA’B’BACα-γCc-γCγ-αCγ-cCCSS’C%当共析成分过冷奥氏体（平均碳浓度为Cγ）在A1点稍下温度T1刚刚形成珠光体时，在三相（γ、Fe3C和α）共存的情况下，奥氏体中的碳浓度是不均匀的，可由状态图确定。T1与铁素体接触的奥氏体碳浓度为Cγ-α较高，与渗碳体接触的奥氏体碳浓度Cγ-c较低，因此与γ和α分别接触的奥氏体部位产生碳浓度差Cγ-α-Cγ-c，从而引起界面附近奥氏体中碳原子的扩散。碳原子扩散的结果是导致铁素体前沿奥氏体的碳浓度Cγ-α降低，渗碳体前沿奥氏体的碳浓度Cγ-c升高，破坏了T1温度下奥氏体与铁素体核计渗碳体界面碳浓度的平衡。第二节珠光体的形成机理第二节珠光体的形成机理为了维持这一平衡，铁素体前沿的奥氏体必须析出铁素体，使其碳浓度增高并恢复到Cγ-α；渗碳体前沿奥氏体必须析出渗碳体，使其碳浓度降低并恢复到Cγ-c。这样，珠光体便纵向长大，直至过冷奥氏体全部转变。第二节珠光体的形成机理与此同时，由于奥氏体中存在碳浓度差Cγ-α-Cγ和Cγ-Cγ-c，还将发生远离珠光体的奥氏体（碳浓度为Cγ）中的碳向与渗碳体接触的奥氏体界面处（碳浓度为Cγ-c）扩散，以及与铁素体接触的奥氏体界面处（碳浓度为Cγ-α）的碳向远离珠光体的奥氏体中扩散。第二节珠光体的形成机理此外，已经形成的珠光体，其中铁素体的碳浓度在奥氏体界面处为Cα-γ，在渗碳体界面处为Cα-c，两者也存在一个浓度差Cα-γ-Cα-c，因此在珠光体中的铁素体内也要发生碳的扩散，这些扩散都促使铁素体和渗碳体不断长大，即促进了过冷奥氏体向珠光体的转变。过冷