第三章珠光体相变

上海应用技术学院材料工程系1第三章珠光体相变§3.1珠光体的组织形态与性能特点§3.1.1过冷奥氏体转变图3-1TTT曲线过冷奥氏体等温转变动力学图，TTT曲线，C曲线，IT曲线。反映温度-时间-转变量三者之间的关系。上海应用技术学院材料工程系2图3-2共析碳钢C曲线Mf高温中温低温上海应用技术学院材料工程系3A1~550℃，Fe、C原子均可扩散。共析分解成珠光体----铁素体与渗碳体两相层片状机械混合物。珠光体团(或领域)----片层方向大致相同的珠光体，在一个奥氏体晶粒内可以形成3～5个珠光体团。（1）高温转变上海应用技术学院材料工程系4图3-3层片状珠光体示意图原奥氏体晶界珠光体团上海应用技术学院材料工程系5（2）中温转变550℃~220℃，C原子可扩散，Fe原子不能扩散。形成贝氏体----过饱和铁素体与渗碳体的非层片状混合物。①上贝氏体：550℃稍下形成，羽毛状。在平行铁素体板条间分布有不连续的杆状渗碳体。②下贝氏体：220℃稍上形成，针状。在针状铁素体内分布有细小渗碳体。上海应用技术学院材料工程系6图3-4(a)上贝氏体X600(b)下贝氏体X400上海应用技术学院材料工程系7非扩散型相变：Fe、C原子均不发生扩散，生成的马氏体与原奥氏体成分相同。马氏体：碳在α-Fe中的过饱和固溶体。马氏体相变是变温型相变，相变开始点Ms，终了点Mf。（3）低温转变上海应用技术学院材料工程系8图3-5(a)低碳钢中的板条马氏体(X80)(b)高碳钢中的针状(片状)马氏体(X400)上海应用技术学院材料工程系9§3.1.2珠光体的组织形态（1）片状珠光体（2）球状珠光体铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体。形成温度(℃)片层间距(nm)珠光体PAr1~650500~700索氏体S650~600300~400屈氏体T600~550100~200上海应用技术学院材料工程系10(a)(b)图3-6(a)片状珠光体(b)球状珠光体上海应用技术学院材料工程系11§3.1.3珠光体的片层间距S0珠光体的片层间距与转变温度有关，与过冷度成反比。图3-1珠光体片层间距S0)13(1002.830nmTS上海应用技术学院材料工程系12①在一定的过冷度下，若S0过大，原子所需扩散的距离就要增大，这将使转变发生困难。②若S0过小，由于相界面面积增大，使界面能增大，这时ΔGV不变，这会使相变驱动力降低，也会使相变不易进行。所以一定的ΔT对应一定的S0。原因：上海应用技术学院材料工程系13原因：③ΔT愈大，碳在奥氏体中的扩散能力愈小，扩散距离变短。另外，ΔGV会变大，可以增加较多的界面能，所以S0会变小。原奥氏体晶粒大小对S0无明显影响。但原奥氏体晶粒越细小，珠光体团直径也越细小。上海应用技术学院材料工程系14§3.1.4珠光体的力学性能片状珠光体的塑性变形基本上发生在铁素体片层内，渗碳体对位错滑移起阻碍作用，位错最大滑移距离等于片层间距S0。片层间距S0愈小，强度、硬度愈高，符合Hall-Petch关系：σs=σ0+kS0-1粒状珠光体的屈服强度取决于铁素体的晶粒大小(直径df），也符合Hall-Petch关系：σs=σ0+kdf-1/2上海应用技术学院材料工程系15§3.2珠光体转变的机理§3.2.1珠光体形成的热力学图3-2自由能-成分曲线在A1（T1）温度，γ、α、Fe3C三相的自由能-成分曲线有一共切线。在A1温度以下温度T2，γ、α、Fe3C三相间可作三条共切线，共析成分的奥氏体的自由能在三条共切线之上。上海应用技术学院材料工程系16（1）珠光体形成时的领先相从热力学上讲，铁素体与渗碳体都可能成为领先相。共析与过共析钢中，渗碳体为领先相。亚共析钢中，铁素体为领先相。§3.2.2片状珠光体的形成机制珠光体相变是扩散型相变、属形核长大型。上海应用技术学院材料工程系17（2）珠光体的形成机制图3-3珠光体形成过程示意图上海应用技术学院材料工程系18①珠光体的形核：在奥氏体晶界上先形成一小片渗碳体（长成片状是为了减少应变能），通过邻近奥氏体不断供应碳原子而长大。γ(0.77%C)→α(0.0218%C)+Fe3C(6.69%C)(面心立方)(体心立方)(复杂斜方)上海应用技术学院材料工程系19②珠光体的纵向长大：由于形成了γ/α，γ/Fe3C相界面，在相界面前沿γ相中产生浓度差Cγ-α–Cγ-k，从而引起碳原子由α前沿向Fe3C前沿扩散，扩散的结果破坏了相界面的碳浓度平衡，为了恢复碳浓度平衡，渗碳体和铁素体就要向奥氏体中纵向长大。上海应用技术学院材料工程系20图3-4珠光体形成时碳的扩散Cγ-αCγ-k上海应用技术学院材料工程系21③珠光体的横向生长：Fe3C的横向生长使周围奥氏体产生贫碳区，当碳浓度下降到Cα-k时，在Fe3C两侧通过点阵重构，形成两小片铁素体。同样，铁素体的横向生长也将产生富碳区，这又促使渗碳体片的形核生长。如此协调地交替形核生长，从而形成铁素体、渗碳体片相间的层片组织。上海应用技术学院材料工程系22③珠光体的横向生长：铁素体片由于其两侧渗碳体片的形成而停止横向增厚，渗碳体片的横向生长亦然，故珠光体的横向生长很快就停止。④在珠光体生长的后期，会出现分枝长大现象。上海应用技术学院材料工程系23§3.2.3球状珠光体的形成机制图3-5母相中的第二相母相α-Fe第二相Fe3CCr=Cα-k由界面热力学，汤姆逊-佛鲁德里西（Thomson-Freundlich）公式：)23(2lnRTrMCCrCr--与半径为r的第二相颗粒相平衡的母相溶解度。C∞--与片状（平界面）第二相相平衡的母相溶解度。M--第二相摩尔质量，σ--比界面能，ρ--第二相密度。上海应用技术学院材料工程系24①由于片状渗碳体的表面积大于同体积的球状渗碳体，在球化退火时，将会自发球化。②与渗碳体尖角接壤处的铁素体碳浓度Cα-k大于与平面接壤处的碳浓度，在铁素体内将引起碳原子扩散，结果界面碳浓度平衡被打破，为维持碳浓度平衡，渗碳体尖角处会溶解，而平面处会向外生长，最后形成各处曲率半径相近的粒状渗碳体。上海应用技术学院材料工程系25图3-6片状渗碳体溶断机制③渗碳体片内亚晶界的存在，会产生一界面张力，为保持界面张力平衡，在亚晶界处会出现沟槽。由于沟槽两侧曲率半径较小，此处渗碳体将溶解，而使曲率半径增大，破坏了界面张力的平衡，为恢复平衡，沟槽将进一步加深，直至渗碳体溶断。上海应用技术学院材料工程系26图3-7片状渗碳体在A1温度以下球化过程示意图④当奥氏体化不充分时，也会以未溶颗粒状渗碳体作为形核核心，直接形成球状珠光体。上海应用技术学院材料工程系27§3.3珠光体转变的动力学§3.3.1形核率QGTRTQRTGCN,)33()exp()exp(**形成温度较高时，扩散较易，形核功起主导作用，由于温度降低，形核功下降，故形核率增加。至一定温度时，扩散起主导作用，温度降低，扩散困难，形核率下降。上海应用技术学院材料工程系28形核率随转变温度的降低先增后减，在550℃附近有一极大值。图3-8形核率与转变温度的关系~550℃上海应用技术学院材料工程系29§3.3.2长大速度图3-8长大速度与转变温度的关系~550℃)exp(112200RTQTDTGTSTGDSGG长大速度随转变温度的降低也是先增后减，在550℃附近也有一极大值。上海应用技术学院材料工程系30§3.3.3珠光体转变动力学曲线图3-9珠光体转变的动力学曲线当N、G不随转变时间改变时，Johnson-Mehl方程：)3exp(143tNGVt当N随转变时间改变时，Avrami方程：)exp(1ntbtV上海应用技术学院材料工程系31(a)(b)图3-10亚共析钢(a)和过共析钢(b)的C曲线上海应用技术学院材料工程系32①含碳量亚共析钢：C%↑，铁素体形核率↓；另外，相变驱动力ΔGγ-α↓，所以珠光体转变速度下降，C曲线右移。§3.3.4影响珠光体转变动力学的因素（1）钢的化学成分上海应用技术学院材料工程系33若加热温度高于Accm：C%↑，渗碳体形核率升高；另外，碳在奥氏体中的扩散系数增大，从而使珠光体的孕育期缩短，转变加速，C曲线左移。若加热温度在Ac1～Accm：C%↑，获得不均匀奥氏体及Fe3CⅡ，有利于珠光体的形核，故孕育期缩短，转变加速，C曲线左移。过共析钢：上海应用技术学院材料工程系34②合金元素除Co以外，只要合金元素溶入奥氏体中，均使奥氏体的稳定性增大，从而减慢奥氏体分解为珠光体，C曲线右移。在碳钢中共析钢过冷奥氏体最稳定，C曲线最靠右。上海应用技术学院材料工程系35奥氏体成分的不均匀，有利于高碳区形成Fe3C，低碳区形成铁素体，并加速碳原子的扩散，从而加速先共析相及珠光体的形成。未溶渗碳体的存在，既可作为先共析渗碳体的晶核，亦可作为珠光体领先相渗碳体的晶核，故可加速珠光体的形成。（2）奥氏体的均匀化程度和残余碳化物上海应用技术学院材料工程系36（4）奥氏体化加热温度和保温时间奥氏体化温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒尺寸越大，并且成分趋于均匀化，减少了珠光体形核所需的浓度起伏和形核位置，从而减慢珠光体的形成，使C曲线右移。（3）奥氏体晶粒度奥氏体晶粒的细化，可增加珠光体的形核位置，从而促进珠光体的形成。上海应用技术学院材料工程系37拉应力和塑性变形造成点阵畸变和位错密度增高，显著提高了珠光体的形核率，促进珠光体转变，使C曲线左移。塑性形变温度越低，变形程度越大，这种加速作用越显著。在等向压应力作用下，由于原子迁移阻力增大，阻碍了Fe、C原子的扩散，同时点阵改组的阻力也增大，所以将减慢珠光体的形成。（5）应力和塑性变形上海应用技术学院材料工程系38在A3、Acm线以下先形成铁素体或渗碳体。到达A1线发生珠光体相变。随冷速加快，将出现伪共析组织，且珠光体量增多，而先共析量减少。§3.4先共析铁素体和渗碳体的形成§3.4.1伪共析转变上海应用技术学院材料工程系39图3-11先共析相及伪共析组织形成范围上海应用技术学院材料工程系40在奥氏体晶界上形成的晶核，一侧为共格，另一侧为非共格。（1）形成温度较高时，非共格晶界易迁移，向奥氏体晶粒一侧长成球冠状。①若原奥氏体含碳量较高，析出的铁素体量较少，则铁素体易长成网状。②若原奥氏体含碳量较低，析出的铁素体量较多，且单位体积排出的碳原子较少，非共格界面更易迁移，铁素体长入奥氏体呈块状分布。§3.4.2亚共析钢中的先共析铁素体形态上海应用技术学院材料工程系41图3-12网状b)和块状c)先共析铁素体上海应用技术学院材料工程系42（2）形成温度较低时，铁原子不易作长距离扩散，使非共格晶界不易迁移，这时主要依靠共格界面迁移。铁素体晶核将通过共格界面向与其有位向关系的奥氏体晶粒内长大，为减小应变能，铁素体呈片状沿奥氏体某一晶面向晶粒内生长，该惯习面为{111}γ。所以片状铁素体常常呈现为彼此平行，或互成60°、90°角。这种先共析片状铁素体通常称为魏氏组织铁素体。上海应用技术学院材料工程系43图3-13一次魏氏组织铁素体d)二次魏氏组织铁素体e)上海应用技术学院材料工程系44图3-14亚共析钢中的魏氏组织铁素体上海应用技术学院材料工程系45图3-15过共析钢中的魏氏组织渗碳体上海应用技术学院材料工程系46粒状渗碳体；网状渗碳体；片状渗碳体----魏氏组织。§3.4.3过共析钢中的渗碳体形态上海应用技术学院材料工程系47