热处理原理之珠光体转变演示文稿课件

第五章珠光体转变15.1 5.1 研究珠光体型相变的意义研究珠光体型相变的意义珠珠光光体体是是渗渗碳碳体体和和铁铁素素体体片片层层相相间间、交交替替排排列列形形成的机械混合物。用符号成的机械混合物。用符号P表示（表示（Pearlite）。）。0.0218%6.69%0.77%含碳量含碳量铁素体铁素体渗碳体渗碳体奥氏体奥氏体晶体结构晶体结构体心立方体心立方面心立方面心立方复杂斜方复杂斜方珠珠光光体体转转变变是是单单相相奥奥氏氏体体分分解解为为铁铁素素体体和和渗渗碳碳体体两两个个新新相相的的机机械械混混合合物物的的相相变变过过程程，因因此此珠珠光光体体转变必然发生碳的重新分布和铁的晶格改组。转变必然发生碳的重新分布和铁的晶格改组。2共析钢的动力学曲线和共析钢的动力学曲线和IT图图3珠珠光光体体转转变变是是过过冷冷奥奥氏氏体体在在临临界界温温度度A1以以下下比比较较高高的的温温度度范范围围内内进进行行的的转转变变，共共析析碳碳钢钢约约在在A1500温度之间发生，又称高温转变。温度之间发生，又称高温转变。由由于于相相变变在在较较高高的的温温度度下下进进行行，铁铁、碳碳原原子子都都能能进进行扩散，所以珠光体转变是典型的扩散型相变。行扩散，所以珠光体转变是典型的扩散型相变。珠光体珠光体铁素体铁素体渗碳体渗碳体硬度低而塑性高硬度低而塑性高硬度高而脆性大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两者合理的匹配，可得到综合力学性能良好的P4珠珠光光体体转转变变是是钢钢中中重重要要的的相相变变，同同时时在在热热处处理理实实践践中中也也极极为为重重要要，因因为为在在钢钢的的退退火火与与正正火火时时所所发发生生的的都是珠光体转变。都是珠光体转变。必必须须控控制制珠珠光光体体转转变变产产物物的的形形态态，以以保保证证所所得得组组织织具具有有所所需需要要的强度、韧塑性等。的强度、韧塑性等。要要求求退退火火或或正正火火所所得得组组织织能能满满足足最最终终热处理的需要。热处理的需要。退火与正火退火与正火最终热处理最终热处理预备热处理预备热处理5为为了了解解决决上上述述一一系系列列问问题题，就就必必须须对对珠珠光光体体转转变变过过程程、转转变变机机理理、转转变变动动力力学学、影影响响因因素素以以及及珠珠光体转变产物的性能等进行深入的研究。光体转变产物的性能等进行深入的研究。另另外外，为为使使奥奥氏氏体体能能够够过过冷冷到到低低温温，使使之之全全部部转转变变为为马马氏氏体体或或贝贝氏氏体体，就就必必须须要要保保证证奥奥氏氏体体在在冷冷却却过过程中不发生珠光体转变。程中不发生珠光体转变。6 珠光体的组织形态珠光体的组织形态珠光体珠光体铁素体铁素体渗碳体渗碳体根据形态不同根据形态不同片状珠光体片状珠光体 粒状珠光体粒状珠光体 针状珠光体针状珠光体 两种最常见的珠光体组织两种最常见的珠光体组织5.2 5.2 珠光体的组织形态与晶体结构珠光体的组织形态与晶体结构7材料名称：共析钢材料名称：共析钢浸蚀剂：浸蚀剂：4硝酸酒精溶液硝酸酒精溶液处理情况：处理情况：820加热保温后缓冷加热保温后缓冷 片状珠光体片状珠光体 渗渗碳碳体体呈呈片片状状，是是由由一一层层铁铁素素体体和和一一层层渗渗碳碳体体层层层层紧密堆叠而成。紧密堆叠而成。89 珠光体团珠光体团 在在一一个个原原奥奥氏氏体体晶晶粒粒内内可可形形成成3 35 5个珠光体团个珠光体团 片层排列方向大致相同的区片层排列方向大致相同的区域，称为珠光体团或珠光体域，称为珠光体团或珠光体晶粒晶粒在每一个珠光体团中，铁素在每一个珠光体团中，铁素体和渗碳体片大体上维持相体和渗碳体片大体上维持相同取向的小区域，称为珠光同取向的小区域，称为珠光体领域体领域 10 珠光体的片间距离珠光体的片间距离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，用为珠光体的片间距离，用S0表示。表示。S S0 0与珠光体的形成温度有关，与珠光体的形成温度有关，可用下面的经验公式表示：可用下面的经验公式表示：式中：式中：C=8.0210C=8.02104 4（KK）T T过冷度（过冷度（K K）1112珠珠光光体体型型相相变变为为扩扩散散型型相相变变，铁铁素素体体片片和和渗渗碳碳体体片的长大是受碳、铁原子的扩散控制的。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当珠光体的形成温度下降时扩散系数减小扩散系数减小长大速度减小长大速度减小S 减小减小T增加增加S与与T成反比成反比13可见，可见，S S与与TT必然存在一定的定量关系。必然存在一定的定量关系。另另一一方方面面，在在过过冷冷度度T一一定定的的情情况况下下，若若S S过过小小，则则由由于于铁铁素素体体和和渗渗碳碳体体的的相相界界面面的的面面积积增增大大，导导致致相相变变阻阻力力阻阻力力之之一一的的界界面面能能增增大大；而而体体系系的的自自由由能能差保持不变。差保持不变。结果是相变驱动力过小而相变不易进行。结果是相变驱动力过小而相变不易进行。系统自由能变化系统自由能变化均匀形核：均匀形核：非均匀形核：非均匀形核：14 片状珠光体的分类片状珠光体的分类 通通常常所所说说的的珠珠光光体体，是是指指在在光光学学显显微微镜镜下下能能清清楚楚分分辨辨出出片片层层状状态态的的一一类类珠珠光光体体，而而当当片片间间距距离离小小到到一一定定程程度度后后，光光学学显显微微镜镜就就无无法法分分辨辨不不出出片片层层的的状状态态了了。根根据据片片间间距距离离的的大大小小，通通常常把把珠珠光光体体分分为为普普通通珠光体珠光体P、索氏体、索氏体S和屈氏体和屈氏体T。S：S0=0.250.08m，很难分辨出片层结构；，很难分辨出片层结构；P：S00.25m，能清晰分辨出片层结构；，能清晰分辨出片层结构；T：S0 Mn W Ni Si Mo Mn W Ni Si另另外外，强强碳碳化化物物形形成成元元素素V V、TiTi、ZrZr、NbNb、TaTa等等在在钢钢中中形形成成难难溶溶的的碳碳化化物物。如如果果这这些些元元素素在在加加热热时时能能够够溶溶入入奥奥氏氏体体中中，则则增增大大过过冷冷奥奥氏氏体体的的稳稳定定性性。但但是是，即即使使加加热热到到很很高高温温度度，这这类类碳碳化化物物仍仍然然几几乎乎不不能能完完全全溶溶入入奥奥氏氏体体中中。因因此此，当当钢钢中中加加入入强强烈烈形形成成碳碳化化物物元元素素，奥奥氏氏体体温温度度又又不不很很高高时时，不不仅仅不不能能增增大甚至会降低过冷奥氏体的稳定性大甚至会降低过冷奥氏体的稳定性。75硼硼元元素素B B很很特特别别：一一般般认认为为，钢钢中中加加入入微微量量的的B B，就就可可以以显显著著降降低低亚亚共共析析钢钢中中先先析析出出铁铁素素体体的的速速度度，同同时时对对珠珠光光体体的的形形成成也也有有抑抑制制作作用用。随随着着钢钢中中碳碳含含量量的增高，的增高，B B增大过奥氏体稳定性的作用逐渐减小。增大过奥氏体稳定性的作用逐渐减小。钢钢加加入入微微量量的的B B能能够够降降低低先先共共析析铁铁素素体体和和珠珠光光体体转转变变速度的原因：速度的原因：主主要要是是由由于于B B的的原原子子半半径径的的相相对对大大小小既既不不适适于于形形成成间间隙隙固固溶溶体体，又又不不适适于于形形成成置置换换固固溶溶体体，因因而而具具有有富富集集于于晶晶界界的的强强烈烈倾倾向向。B B吸吸附附在在奥奥氏氏体体晶晶界界上上，降降低低了了晶晶界界的的能能量量，从从而而降降低低了了先先共共析析铁铁素素体体和和珠珠光光体体的成核率。的成核率。76合合金金元元素素对对珠珠光光体体转转变变产产生生影影响响的的原原因因，至至今今仍仍未未彻底搞清楚，归纳起来可以从以下几个方面考虑。彻底搞清楚，归纳起来可以从以下几个方面考虑。A)A)合金元素自扩散的影响合金元素自扩散的影响合合金金奥奥氏氏体体的的共共析析分分解解，除除了了碳碳的的扩扩散散之之外外，合合金金元素也需要进行扩散再分配。元素也需要进行扩散再分配。由由于于合合金金元元素素具具有有较较低低的的扩扩散散速速度度，其其扩扩散散系系数数比比C C在在奥奥氏氏体体中中扩扩散散系系数数低低3 35 5个个数数量量级级，因因而而增增大大了了过过冷冷奥奥氏氏体体转转变变为为珠珠光光体体的的孕孕育育期期、降降低低了了形形成成速度。速度。合金元素对珠光体转变产生影响的原因合金元素对珠光体转变产生影响的原因77B)B)合金元素对碳原子扩散的影响合金元素对碳原子扩散的影响合合金金元元素素对对珠珠光光体体转转变变的的影影响响，还还可可以以通通过过降降低低C C在在奥奥氏氏体体中中的的扩扩散散系系数数而而起起作作用用。除除Co和和小小于于3的的Ni以以外外，所所有有合合金金元元素素都都提提高高碳碳在在奥奥氏氏体体中中的的扩扩散激活能，从而降低散激活能，从而降低C在在A中的扩散系数。中的扩散系数。合合金金元元素素降降低低C C的的扩扩散散系系数数，将将增增大大珠珠光光体体转转变变的的孕育期，从而降低转变速度。孕育期，从而降低转变速度。C)C)合金合金元素对铁原子扩散的影响元素对铁原子扩散的影响合合金金元元素素的的加加入入，还还可可以以影影响响FeFe原原子子的的扩扩散散，通通过过影响影响的同素异构转变进程来影响珠光体转变。的同素异构转变进程来影响珠光体转变。78例例如如，Ni、Mn、Cr等等的的加加入入，都都提提高高了了Fe的的自自扩扩散散激激活活能能，从从而而降降低低了了Fe原原子子在在奥奥氏氏体体中中的的扩扩散散系系数数，进而影响晶体结构的重建而降低珠光体转变的速度。进而影响晶体结构的重建而降低珠光体转变的速度。D)D)合金元素改变共析点的位置合金元素改变共析点的位置合合金金元元素素的的加加入入，将将改改变变共共析析点点的的位位置置，从从而而影影响响临临界界转转变变温度而影响珠光体的转变。温度而影响珠光体的转变。它它主主要要通通过过影影响响体体系系的的自自由由能能和和转转变变的的过过冷冷度度对对珠珠光光体体转转变变产生不同的影响。产生不同的影响。79E)E)合金元素对合金元素对/相界面的拖曳作用相界面的拖曳作用合合金金元元素素的的加加入入，将将对对/相相界界面面产产生生拖拖曳曳作作用用，从从而而降降低低/相相界界面面的的移移动动速速度度，进进而而降降低低珠珠光光体体的形成速度。的形成速度。例例如如，强强碳碳化化物物形形成成元元素素V、Ti、Zr、Nb、Ta等等在在钢钢中中形形成成难难溶溶的的碳碳化化物物。即即使使加加热热到到很很高高温温度度，这这类碳化物仍然不能完全溶入奥氏体中。类碳化物仍然不能完全溶入奥氏体中。因因此此，当当钢钢中中加加入入强强烈烈形形成成碳碳化化物物元元素素，奥奥氏氏体体温温度度又又不不很很高高时时，这这些些弥弥散散分分布布的的难难溶溶碳碳化化物物质质点点，将将对对/相相界界面面的的迁迁移移产产生生阻阻碍碍作作用用，从从而而降降低低珠珠光光体的形成速度。体的形成速度。80钢钢件件在在实实际际加加热热条条件件下下，奥奥氏氏体体常常常常处处于于不不太太均均匀匀的状态，有时还可能有少量渗碳体微粒残存。的状态，有时还可能有少量渗碳体微粒残存。奥氏体成分均匀性和过剩相溶解情况的影响奥氏体成分均匀性和过剩相溶解情况的影响奥氏体成分不均匀奥氏体成分不均匀未溶解渗碳体的存在未溶解渗碳体的存在珠光体领先珠光体领先相的晶核相的晶核利于在高利于在高C区区形成渗碳体；形成渗碳体；利于利于在低在低C区区形成铁素体形成铁素体先共析渗碳体先共析渗碳体的非匀质晶核的非匀质晶核加速加速C在在奥氏体中奥氏体中的扩散的扩散加速先共析相和珠光体的形成加速先共析相和珠光体的形成加速了珠光体的转变加速了珠光体的转变81 奥氏体晶粒度的影响奥氏体晶粒度的影响由由于于钢钢的的化化学学成成分分、脱脱氧氧剂剂等等的的不不同同，在在相相同同的的加加热条件下，所获得的奥氏体晶粒度也不尽相同。热条件下，所获得的奥氏体晶粒度也不尽相同。同同理理，细细小小的的奥奥氏氏体体晶晶粒粒，也也将将促促进进先先共共析析铁铁素素体体和渗碳体的析出。和渗碳体的析出。奥氏体晶粒细小奥氏体晶粒细小单位体积内晶界的面积增大单位体积内晶界的面积增大珠光体成核的部位增多珠光体成核的部位增多促进珠光体形成促进珠光体形成82 加热温度和保温时间的影响加热温度和保温时间的影响钢钢的的加加热热温温度度和和保保温温时时间间，直直接接影影响响钢钢的的奥奥氏氏体体化化均匀性和晶粒大小。均匀性和晶粒大小。外界影响因素外界影响因素提高加热温度或延长保温时间提高加热温度或延长保温时间促进渗碳体的进一步溶解促进渗碳体的进一步溶解和奥氏体的均匀化和奥氏体的均匀化珠光体成核率减小珠光体成核率减小奥氏体晶粒粗大奥氏体晶粒粗大珠光体长大速度降低珠光体长大速度降低降低珠光体形成速度降低珠光体形成速度83 应力和塑性变形的影响应力和塑性变形的影响在在奥奥氏氏体体状状态态下下承承受受拉拉应应力力或或进进行行塑塑性性变变形形，有有加加速珠光体转变的作用。压应力作用相反。速珠光体转变的作用。压应力作用相反。拉应力拉应力塑性变形塑性变形促进珠光体转变促进珠光体转变晶体点阵畸变晶体点阵畸变有利于有利于C和和Fe原子的原子的扩散和晶体点阵改建扩散和晶体点阵改建位错密度增高位错密度增高84个人观点供参考，欢迎讨论！