固态相变课件2.22012.3

第二章珠光体共析分解PearliticEutectoidDecomposition第一节珠光体(P)的组织形态P74一.珠光体的形态珠光体：铁素体+渗碳体TAr1片状珠光体珠光体团：片状珠光体的片层位向大致相同的区域在一个奥氏体晶粒内，可有几个珠光体团(见图)。片间距S0：珠光体团中相邻的两片渗碳体(或铁素体)中心之间的距离。层片状珠光体团珠光体团珠光体的片间距和过冷度关系如下:S0=C/△T其中:C=8.02×103(nm·K);S0:珠光体的片间距(nm);△T:过冷度，即珠光体转变温度与临界点A1之差。一般所谓的珠光体，是指光学显微镜下能明显分辨出片层的珠光体，此时片间距为150～450nm，当片间距为80～150nm时，称为索氏体(S)，片间距为30～80nm时，称为屈氏体(T)。当渗碳体以颗粒状存在于铁素体中时，称为粒状珠光体。第二节珠光体的共析分解机理一.形成热力学由共析成分的奥氏体转变为珠光体时,有下列关系式:A→P(F+Cm)碳含量（%）:P:0.77,F:0.02,Cm:6.67.因此,只要考虑这三相(A,F,Cm)自由能的变化,即可了解相变的过程.在图中,可以看到,在温度T1时,三相自由能曲线有一条公切线,说明此温度下三相平衡。由三个切点作垂线与(c)图中温度坐标中的T1温度相交,可得三相平衡的成分F(P),A(S),Cm(K)(见图).当温度降至T2时,就出现了图(b)中的情况.从该图中可见,共可作三组公切线,即成份为d的A与Cm平衡,成份为c的A与成份为a的F平衡,以及成份为a'的F与Cm平衡.由上述切点作垂线与c)图中的T2温度相交,可得各二相平衡的成份点:F(a'),F(a),A(d),A(c)和Cm(k).因此,在T2温度时,可同时存在上述三组二相平衡.由于形成F(a‘)与Cm的二相平衡时,公切线的位置最低,也即体系自由能最低,是最稳定的状态,所以A只要在Ar1下保持足够长时间,就会得到F+Cm的二相混合物P.二.片状珠光体形成机制1.领先相P中F与F先位向相同,故设定亚共析钢中F为领先相P中Fe3C与Fe3CII位向相同,故设定过共析钢中Fe3C为领先相，共析钢中领先相可以是F，也可以是Fe3C，一般认为领先相是渗碳体。原因:实验现象P中CEM与从A中析出的CEM晶体学位向相同;P中CEM与共析转变前的CEM在组织上常常是连续的;A中未溶解的Fe3C有促进P形成的作用,而铁素体无明显影响珠光体转变：铁素体和渗碳体共析共生，同步形核？2.珠光体形成机制共析成分的奥氏体，在临界点以下发生如下转变:A→F+Fe3C转变依赖于扩散,以得到所需要的浓度变化以及结构变化，转变也是一个形核和长大的过程。详见下面的叙述.(1)形核a）位置:Fe3C形核于A晶界或A晶内未溶Fe3C粒子b）形状：薄片。因表面积大，易接受扩散来的原子，且应变能小。晶核(2)长大Fe3C薄片向纵向、横向长大，不断吸收周围碳原子(图a)→在Fe3C两侧或A晶界上贫碳区，形成F核(图b)→Fe3C纵向长大(横向已不可能),F纵向长大、横向长大,于F侧的同一位向形成Fe3C(图c),在同一位向交替形成F与Fe3C,形成一个珠光体团(图d)。在不同位向形成另一个珠光体团(图ce)→珠光体团互相接触，转变结束(图f).(3)碳的扩散过程共析成分的奥氏体，冷却到临界点以下一个温度t1时，新相P与母相A的成分如图。由于各相间的浓度差，就造成了如下几种扩散。（a）界面扩散如上图，在t1温度时，A中CA-FCA-C，造成碳从A/F界面扩散到A/Cm界面(如图)，这便破坏了界面平衡，使CA-F↓,CA-C↑,进而导致F长大(引起CA-F↑)，Fe3C长大(引起CA-C↓)。（b）由远离P区扩散如图，因为CA-FCACA-C，F前沿的碳将向远处扩散，而远处的碳(浓度为CA)将扩散至Fe3C前，使F、Fe3C长大。（c）铁素体中C的扩散如图,因为CF-ACF-C，这就造成F内部的碳的扩散，使F前沿碳浓度下降，有利于F长大，Fe3C长大。(4)铁原子的自扩散珠光体转变时，晶体点阵的改组是通过铁原子自扩散完成的。三.粒状珠光体形成机制1.生产中广泛应用的球化处理，即通过下述方法得到粒状珠光体。(1)低的A化温度，短的保温时间，以得到较多的未溶渗碳体粒子。(2)临界点下高的等温温度，长的保温时间，以得到粒状珠光体。2.片状转为粒状机制(1)由片状向粒状转变，可降低表面能，属自发过程。(2)不同半径粒子，溶解度不同。粒子半径r越小，溶解度越大。•粒子中呈尖角处碳的溶解度高，粒子中呈平面处碳的溶解度低，这就在与其接触的F内形成碳的浓度梯度。•尖角附近的碳原子向平面附近扩散。这种扩散破坏了界面平衡，使尖角进一步溶解，而平面处形成堆积和析出。•最终各处都形成曲率半径相近的球粒形状的碳化物。对于片状珠光体曲率半径：曲线上某一点找到与它内切的圆，这个圆的半径即为曲率半径.(3)亚晶界使片状渗碳体断裂由于亚晶界的存在,在渗碳体内将产生界面张力,为了平衡此张力,渗碳体出现了沟槽(见图)。由于沟槽处曲率半径小,溶解度大，使曲率半径加大(见图)，半径加大后，破坏了界面张力平衡，为达到平衡，沟槽进一步加深，最终导致渗碳体断裂。(4)破坏的渗碳体球化第三节亚共析钢的珠光体转变一.伪共析转变亚(过)共析钢A化后，以较快的速度冷却到ES延长线SE‘与GS延长线SG‘以下，发生珠光体转变，称为伪共析转变(见图)。二.亚共析钢中先共析铁素体的析出1.块状F的析出当P转变温度高，Fe原子自扩散便利，且晶粒较细时，F在晶界形核后，由于CA-FCA(见图)，引起碳的扩散，为保持相界面平衡，即CA-F的高浓度，只有继续析出F，以至长成块状F(见图a)。2.网状F的析出当转变温度较高，或冷速较大、A晶粒粗大时，Fe自扩散能力下降，F易沿晶界析出并连成网状(见图c)。此时晶内碳浓度不断升高,达伪共析成分时转变为P。3.片状F的析出当转变温度较低，A中成分均匀，晶粒粗大时，F向与其有位向关系的A中长大，就使得同一晶粒中F呈片状且相互平行。通常将这种先共析铁素体称为魏氏组织铁素体(见图b,c).第四节转变动力学图一.珠光体转变的形核率I及长大速度V(1)I及V随过冷度△T的增加，先增后减。共析钢P转变时，I及V与温度关系见图。I及V对温度的关系呈极大值的原因是:(2)珠光体转变的形核率I随转变时间的增长而增大，珠光体转变的线长大速度V与保温时间无明显关系。由于△T↑，对V及I造成了正反效应，故有极大值存在。二.珠光体等温转变的动力学图1.珠光体等温转变的动力学曲线及动力学图将共析碳钢奥氏体化后，快速冷却到Ar1下一定温度，保温不同时间后测出相应的转变量，并描绘在以横坐标为时间，纵坐标为析出转变量的坐标系中，就构成了珠光体转变的动力学曲线(见图)。以时间为横坐标，纵坐标改为温度，将上图中各温度下的转变开始和结束的时间绘于此图中，把同类的点连起来，即得珠光体转变动力学图。由于图中曲线与“C”相似，故称曲线C;还因为温度、时间、转变三个英文名词以T开头，又称TTT曲线。2.珠光体等温转变的特点(a)转变有孕育期.(b)随着转变温度下降，孕育期变短，转变速度加快。当超过某一特定温度后，转变温度下降，孕育期反而增长，转变速度下降。鼻尖处对应I、V最大处.(c)从动力学曲线上可见，随时间增长，转变速度增加，当转变量超过50%，转变速度下降.(d)亚(过)共析钢的TTT曲线左上方有一先共析F(Fe3C)线，如图.1.含碳量的影响在亚共析钢中，随C含量增加，先共析铁素体与P孕育期增长，析出速度下降，转变速度下降。这是由于随C含量增加，获得F晶核几率下降。F长大时，需扩散去的碳量增大，析出速度下降，而P的析出在F之后，F析出减慢，P的析出也减慢。在过共析钢中，随C含量增加，先共析Fe3C与P孕育期缩短,析出速度增加，转变速度增加。这是由于随C量增加，获得Fe3C晶核几率增加，P的形成是在Fe3C之后，故也加快。综上所述，共析钢的A不受碳含量影响，稳定。三.影响珠光体转变动力学因素2.加热温度和保温时间的影响因为A成分不一定是钢的成分，所以加热和保温时间不同，得到的A也不一样，必然对随后的冷却转变起影响。当奥氏体化温度↑，保温时间↑，A成分均匀，晶粒尺寸↑，晶界面积↓，P形核位置↓，I↓，V↓。当奥氏体化温度↓，保温时间↓,A成分不均匀，晶粒尺寸↓，晶界面积↑，P形核位置↑，I↑，V↑。上述二种影响，P转变是在高温时更为剧烈。3.原始组织的影响原始组织细，奥氏体均匀化快，随之冷却后珠光体转变的I，V均下降。第五节珠光体的力学性能P183一.共析成分珠光体的力学性能(1)片状珠光体的力学性能(a)片状珠光体的断裂强度与片间距有关，片间距↓，强度↑，二者关系可见图8-2右。(b)片状珠光体的塑性与片间距有关，当片间距减小，断面收缩率呈上升趋势，二者关系可见图8-3右。(c)片状珠光体的力学性能与珠光体团直径有关，但由于实际情况下，A的晶粒不会很大，P团的直径就没有很大变化，故不再讨论。(d)片状间距影响强度、塑性的原因片间距减小,渗碳体与铁素体变薄,相界面增多,铁素体中位错不易滑动，故使塑变抗力增高。另一方面，即使外力足够大,并开动了位错源后,由于片层变薄,塞积位错少,正应力少,不易引起开裂，也就提高了强度。片间距小时，渗碳体片必然变薄，在外力作用下，可以滑移产生塑性变形，也可产生弯曲，致使塑性提高。(2)粒状珠光体的力学性能在成分相同的情况下，粒状珠光体的强度、硬度比片状的较低，塑性较好，这是由于:(a)相界面少，铁素体中位错易于滑动,故使塑变抗力减小.另一方面,由于相界面少,界面上位错塞积就多,正应力大,易于开裂.这两方面的因素均使强度降低；(b)Fe3C呈颗粒状，没有尖角，不易产生应力集中，塑性好。(3)派登处理，用于高碳钢的强韧化处理，具体步骤如下:高碳钢奥氏体化→铅浴等温(560℃)得到珠光体→冷拉(使F内位错密度提高，强度上升，片间距P下降，而使Fe3C不致脆断)。最终得到强烈变形后的细珠光体(索氏体)，具有极好的强度与塑性的配合。二.亚共析钢的珠光体转变产物的力学性能(1)亚共析钢完全A化后冷却，有如下规律:(a)随着钢中碳含量下降，先共析铁素体增加；(b)当碳含量一定时，随冷速加大，或转变温度降低，先共析铁素体减少,珠光体量增加,但珠光体含碳量下降。(2)亚共析组织的强度可由下列经验公式给出:s(MPa)=15.4{f1/3[2.3+3.8(Mn)+1.13d-1/2]+(1-f1/3)[11.6+0.25S0-1/2]+4.1(Si)+27.6(N)1/2)}；(2-1)b(MPa)=15.4{f1/3[16+74.2(N)1/2+1.18d-1/2]+(1-f1/3)[46.7+0.23S0-1/2]+6.3(Si)}。(2-2)式中:f—铁素体体积百分数；d—铁素体晶粒的平均直径(mm)；S0—珠光体片平均间距(mm)。可见:当P少时，珠光体对强度影响不占主要地位，也即S0在(2-1)及(2-2)中不起主要作用。强度主要依赖于铁素体晶粒直径d。当P量大时，珠光体间距成为影响强度的主要因素(3).最佳的珠光体层间距Sopt为:Sopt=6.7×10-6(D-0.12)2/3其中:D为稀释因子，其值为D=0.8fP/(%C)，fP为P的体积百分数。可见,对于共析钢D=1，亚共析钢快冷后得到的伪共析组织D1。三.过共析钢珠光体转变产物的力学性能过共析钢珠光体转变产物的力学性能与Fe3ClI的形态有关。Fe3C为脆性相，呈网状时会造成晶界脆断，必须消除。•第二章习题•(1)片状珠光体的片层位向大致相同的区域称为______.•（a）亚结构（b）魏氏组织（c）孪晶（d）珠光体团•(2)珠光体团中相邻的两片渗碳体(或铁素体)中心之间的间距的距离称为珠光体的____.•（a）直径（b）片间距（c）珠光体团（d）点阵常数•(3)由于形成F与C的二相平衡时,体系自由能最低,所以A只要在A1下保