05 热处理原理之珠光体转变

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第五章珠光体转变,1,5.1,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。,2,共析钢的动力学曲线和,IT,图,3,珠光体转变是过冷奥氏体在临界温度,A,1,以下比较高的温度范围内进行的转变，共析碳钢约在,A,1,500,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,P,4,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,5,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。,6,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,7,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, 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。,8,9, 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,10,珠光体的片间距离,S,0,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,S,0,表示。,S,0,与珠光体的形成温度有关，可用下面的经验公式表示：,式中：,C=8.0210,4,（,K,）,T,过冷度（,K,）,11,12,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,T,增加,S,与,T,成反比,13,可见，,S,与,T,必然存在一定的定量关系。,另一方面，在过冷度,T,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。,系统自由能变化,均匀形核：,非均匀形核：,14, 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,：,S,0,=0.250.08,m,，很难分辨出片层结构；,P,：,S,0,0.25,m,，能清晰分辨出片层结构；,T,：,S,0,Mn, W Ni ,Si,另外，强碳化物形成元素,V,、,Ti,、,Zr,、,Nb,、,Ta,等在钢中形成难溶的碳化物。如果这些元素在加热时能够溶入奥氏体中，则增大过冷奥氏体的稳定性。但是，即使加热到很高温度，这类碳化物仍然几乎不能完全溶入奥氏体中。因此，当钢中加入强烈形成碳化物元素，奥氏体温度又不很高时，不仅不能增大甚至会降低过冷奥氏体的稳定性,。,75,硼元素,B,很特别：一般认为，钢中加入微量的,B,，就可以显著降低亚共析钢中先析出铁素体的速度，同时对珠光体的形成也有抑制作用。随着钢中碳含量的增高，,B,增大过奥氏体稳定性的作用逐渐减小。,钢加入微量的,B,能够降低先共析铁素体和珠光体转变速度的原因：,主要是由于,B,的原子半径的相对大小既不适于形成间隙固溶体，又不适于形成置换固溶体，因而具有富集于晶界的强烈倾向。,B,吸附在奥氏体晶界上，降低了晶界的能量，从而降低了先共析铁素体和珠光体的成核率。,76,合金元素对珠光体转变产生影响的原因，至今仍未彻底搞清楚，归纳起来可以从以下几个方面考虑。,A),合金元素自扩散的影响,合金奥氏体的共析分解，除了碳的扩散之外，合金元素也需要进行扩散再分配。,由于合金元素具有较低的扩散速度，其扩散系数比,C,在奥氏体中扩散系数低,3,5,个数量级，因而增大了过冷奥氏体转变为珠光体的孕育期、降低了形成速度。,合金元素对珠光体转变产生影响的原因,77,B),合金元素对碳原子扩散的影响,合金元素对珠光体转变的影响，还可以通过降低,C,在奥氏体中的扩散系数而起作用。,除,Co,和小于,3,的,Ni,以外，所有合金元素都提高碳在奥氏体中的扩散激活能，从而降低,C,在,A,中的扩散系数。,合金元素降低,C,的扩散系数，将增大珠光体转变的孕育期，从而降低转变速度。,C),合金,元素对铁原子扩散的影响,合金元素的加入，还可以影响,Fe,原子的扩散，通过影响,的同素异构转变进程来影响珠光体转变。,78,例如，,Ni,、,Mn,、,Cr,等的加入，都提高了,Fe,的自扩散激活能，从而降低了,Fe,原子在奥氏体中的扩散系数，进而影响晶体结构的重建而降低珠光体转变的速度。,D),合金元素改变共析点的位置,合金元素的加入，将改变共析点的位置，从而影响临界转变温度而影响珠光体的转变。,它主要通过影响体系的自由能和转变的过冷度对珠光体转变产生不同的影响。,79,E),合金元素对,/,相界面的拖曳作用,合金元素的加入，将对,/,相界面产生拖曳作用，从而降低,/,相界面的移动速度，进而降低珠光体的形成速度。,例如，强碳化物形成元素,V,、,Ti,、,Zr,、,Nb,、,Ta,等在钢中形成难溶的碳化物。即使加热到很高温度，这类碳化物仍然不能完全溶入奥氏体中。,因此，当钢中加入强烈形成碳化物元素，奥氏体温度又不很高时，这些弥散分布的难溶碳化物质点，将对,/,相界面的迁移产生阻碍作用，从而降低珠光体的形成速度。,80,钢件在实际加热条件下，奥氏体常常处于不太均匀的状态，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,奥氏体成分不均匀,未溶解渗碳体的存在,珠光体领先相的晶核,利于在高,C,区形成渗碳体；,利于,在低,C,区形成铁素体,先共析渗碳体的非匀质晶核,加速,C,在,奥氏体中的扩散,加速先共析相和珠光体的形成,加速了珠光体的转变,81, 奥氏体晶粒度的影响,由于钢的化学成分、脱氧剂等的不同，在相同的加热条件下，所获得的奥氏体晶粒度也不尽相同。,同理，细小的奥氏体晶粒，也将促进先共析铁素体和渗碳体的析出。,奥氏体晶粒细小,单位体积内晶界的面积增大,珠光体成核的部位增多,促进珠光体形成,82,加热温度和保温时间的影响,钢的加热温度和保温时间，直接影响钢的奥氏体化均匀性和晶粒大小。,外界影响因素,提高加热温度或延长保温时间,促进渗碳体的进一步溶解和奥氏体的均匀化,珠光体成核率减小,奥氏体晶粒粗大,珠光体长大速度降低,降低珠光体形成速度,83, 应力和塑性变形的影响,在奥氏体状态下承受拉应力或进行塑性变形，有加速珠光体转变的作用。压应力作用相反。,拉应力,塑性变形,促进珠光体转变,晶体点阵畸变,有利于,C,和,Fe,原子的扩散和晶体点阵改建,位错密度增高,84,