熱處理原理之珠光體轉變

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1、1第五章珠光體轉變25.1 5.1 研究珠光體型相變的意義研究珠光體型相變的意義珠光體是滲碳體和鐵素體片層相間、交替排列形珠光體是滲碳體和鐵素體片層相間、交替排列形成的機械混合物。用符號成的機械混合物。用符號P表示（表示（Pearlite）。）。0.0218%6.69%0.77%含碳量含碳量鐵素體鐵素體滲碳體滲碳體奧氏體奧氏體晶體結構晶體結構體心立方體心立方面心立方面心立方復雜斜方復雜斜方珠光體轉變是單相奧氏體分解為鐵素體和滲碳體珠光體轉變是單相奧氏體分解為鐵素體和滲碳體兩個新相的機械混合物的相變過程，因此珠光體兩個新相的機械混合物的相變過程，因此珠光體轉變必然發生碳的重新分布和鐵的晶格改組。

2、轉變必然發生碳的重新分布和鐵的晶格改組。3共析鋼的動力學曲線和共析鋼的動力學曲線和IT圖圖4珠光體轉變是過冷奧氏體在臨界溫度珠光體轉變是過冷奧氏體在臨界溫度A1以下比較高以下比較高的溫度范圍內進行的轉變，共析碳鋼約在的溫度范圍內進行的轉變，共析碳鋼約在A1500溫度之間發生，又稱高溫轉變。溫度之間發生，又稱高溫轉變。由于相變在較高的溫度下進行，鐵、碳原子都能進由于相變在較高的溫度下進行，鐵、碳原子都能進行擴散，所以珠光體轉變是典型的擴散型相變。行擴散，所以珠光體轉變是典型的擴散型相變。珠光體珠光體鐵素體鐵素體滲碳體滲碳體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兩者合理的匹配，可

3、得到綜合力學性能良好的兩者合理的匹配，可得到綜合力學性能良好的P5珠光體轉變是鋼中重要的相變，同時在熱處理實踐珠光體轉變是鋼中重要的相變，同時在熱處理實踐中也極為重要，因為在鋼的退火與正火時所發生的中也極為重要，因為在鋼的退火與正火時所發生的都是珠光體轉變。都是珠光體轉變。必須控制珠光體轉變必須控制珠光體轉變產物的形態，以保證產物的形態，以保證所得組織具有所需要所得組織具有所需要的強度、韌塑性等。的強度、韌塑性等。要求退火或正火所要求退火或正火所得組織能滿足最終得組織能滿足最終熱處理的需要。熱處理的需要。退火與正火退火與正火最終熱處理最終熱處理預備熱處理預備熱處理6為了解決上述一系列問題，就必

4、須對珠光體轉變為了解決上述一系列問題，就必須對珠光體轉變過程、轉變機理、轉變動力學、影響因素以及珠過程、轉變機理、轉變動力學、影響因素以及珠光體轉變產物的性能等進行深入的研究。光體轉變產物的性能等進行深入的研究。另外，為使奧氏體能夠過冷到低溫，使之全部轉變另外，為使奧氏體能夠過冷到低溫，使之全部轉變為馬氏體或貝氏體，就必須要保證奧氏體在冷卻過為馬氏體或貝氏體，就必須要保證奧氏體在冷卻過程中不發生珠光體轉變。程中不發生珠光體轉變。7 珠光體的組織形態珠光體的組織形態珠光體珠光體鐵素體鐵素體滲碳體滲碳體根據形態不同根據形態不同片狀珠光體片狀珠光體 粒狀珠光體粒狀珠光體 針狀珠光體針狀珠光體 兩種最

5、常見的珠光體組織兩種最常見的珠光體組織5.2 5.2 珠光體的組織形態與晶體結構珠光體的組織形態與晶體結構8材料名稱：共析鋼材料名稱：共析鋼浸蝕劑：浸蝕劑：4硝酸酒精溶液硝酸酒精溶液處理情況：處理情況：820加熱保溫后緩冷加熱保溫后緩冷 片狀珠光體片狀珠光體 滲碳體呈片狀，是由一滲碳體呈片狀，是由一層鐵素體和一層滲碳體層鐵素體和一層滲碳體層層緊密堆疊而成。層層緊密堆疊而成。910 珠光體團珠光體團 在一個原奧氏體晶粒內可形在一個原奧氏體晶粒內可形成成3 35 5個珠光體團個珠光體團 片層排列方向大致相同的片層排列方向大致相同的區域，稱為珠光體團或珠區域，稱為珠光體團或珠光體晶粒光體晶粒在每一個

6、珠光體團中，鐵素在每一個珠光體團中，鐵素體和滲碳體片大體上維持相體和滲碳體片大體上維持相同取向的小區域，稱為珠光同取向的小區域，稱為珠光體領域體領域 11 珠光體的片間距離珠光體的片間距離S0 在片狀珠光體中，一片鐵素體和一片滲碳體的總厚在片狀珠光體中，一片鐵素體和一片滲碳體的總厚度或相鄰兩片滲碳體或鐵素體中心之間的距離，稱度或相鄰兩片滲碳體或鐵素體中心之間的距離，稱為珠光體的片間距離，用為珠光體的片間距離，用S0表示。表示。S S0 0與珠光體的形成溫度有與珠光體的形成溫度有關，可用下面的經驗公式關，可用下面的經驗公式表示：表示：TCS0式中：式中：C=8.02C=8.0210104 4（K

7、K）TT過冷度（過冷度（K K）1213珠光體型相變為擴散型相變，鐵素體片和滲碳體珠光體型相變為擴散型相變，鐵素體片和滲碳體片的長大是受碳、鐵原子的擴散控制的。片的長大是受碳、鐵原子的擴散控制的。當珠光體的形成溫度下降時當珠光體的形成溫度下降時擴散系數減小擴散系數減小長大速度減小長大速度減小S 減小減小T增加增加S與與T成反比成反比14可見，可見，S S與與TT必然存在一定的定量關系。必然存在一定的定量關系。另一方面，在過冷度另一方面，在過冷度T一定的情況下，一定的情況下，若若S S過小，過小，則由于則由于鐵素體和滲碳體的相界面的鐵素體和滲碳體的相界面的面積增大，導致面積增大，導致相變阻力阻力

8、之一的界面能增大；而體系的自由能相變阻力阻力之一的界面能增大；而體系的自由能差保持不變。差保持不變。結果是相變驅動力過小而相變不易進行。結果是相變驅動力過小而相變不易進行。VdGVGSVG VGVGsV 系統自由能變化系統自由能變化均勻形核：均勻形核：非均勻形核：非均勻形核：15 片狀珠光體的分類片狀珠光體的分類 通常所說的珠光體，是指在光學顯微鏡下能清楚分通常所說的珠光體，是指在光學顯微鏡下能清楚分辨出片層狀態的一類珠光體，而當片間距離小到一辨出片層狀態的一類珠光體，而當片間距離小到一定程度后，光學顯微鏡就無法分辨不出片層的狀態定程度后，光學顯微鏡就無法分辨不出片層的狀態了。根據片間距離的大

9、小，了。根據片間距離的大小，通常把珠光體分為普通通常把珠光體分為普通珠光體珠光體P、索氏體、索氏體S和屈氏體和屈氏體T。S：S0=0.250.08m，很難分辨出片層結構；，很難分辨出片層結構；P：S00.25m，能清晰分辨出片層結構；，能清晰分辨出片層結構；T：S0 Mn W Ni SiMo Mn W Ni Si另外，強碳化物形成元素另外，強碳化物形成元素V V、TiTi、ZrZr、NbNb、TaTa等在等在鋼中形成難溶的碳化物。如果這些元素在加熱時能鋼中形成難溶的碳化物。如果這些元素在加熱時能夠溶入奧氏體中，則增大過冷奧氏體的穩定性。但夠溶入奧氏體中，則增大過冷奧氏體的穩定性。但是，即使加熱

10、到很高溫度，這類碳化物仍然幾乎不是，即使加熱到很高溫度，這類碳化物仍然幾乎不能完全溶入奧氏體中。因此，當鋼中加入強烈形成能完全溶入奧氏體中。因此，當鋼中加入強烈形成碳化物元素，奧氏體溫度又不很高時，不僅不能增碳化物元素，奧氏體溫度又不很高時，不僅不能增大甚至會降低過冷奧氏體的穩定性大甚至會降低過冷奧氏體的穩定性。76硼元素硼元素B B很特別：一般認為，鋼中加入微量的很特別：一般認為，鋼中加入微量的B B，就，就可以顯著降低亞共析鋼中先析出鐵素體的速度，同可以顯著降低亞共析鋼中先析出鐵素體的速度，同時對珠光體的形成也有抑制作用。隨著鋼中碳含量時對珠光體的形成也有抑制作用。隨著鋼中碳含量的增高，的

11、增高，B B增大過奧氏體穩定性的作用逐漸減小。增大過奧氏體穩定性的作用逐漸減小。鋼加入微量的鋼加入微量的B B能夠降低先共析鐵素體和珠光體轉能夠降低先共析鐵素體和珠光體轉變速度的原因：變速度的原因：主要是由于主要是由于B B的原子半徑的相對大小既不適于形成的原子半徑的相對大小既不適于形成間隙固溶體，又不適于形成置換固溶體，因而具有間隙固溶體，又不適于形成置換固溶體，因而具有富集于晶界的強烈傾向。富集于晶界的強烈傾向。B B吸附在奧氏體晶界上，吸附在奧氏體晶界上，降低了晶界的能量，從而降低了先共析鐵素體和珠降低了晶界的能量，從而降低了先共析鐵素體和珠光體的成核率。光體的成核率。77合金元素對珠光

12、體轉變產生影響的原因，至今仍未合金元素對珠光體轉變產生影響的原因，至今仍未徹底搞清楚，歸納起來可以從以下幾個方面考慮。徹底搞清楚，歸納起來可以從以下幾個方面考慮。A)A)合金元素自擴散的影響合金元素自擴散的影響合金奧氏體的共析分解，除了碳的擴散之外，合金合金奧氏體的共析分解，除了碳的擴散之外，合金元素也需要進行擴散再分配。元素也需要進行擴散再分配。由于合金元素具有較低的擴散速度，其擴散系數比由于合金元素具有較低的擴散速度，其擴散系數比C C在奧氏體中擴散系數低在奧氏體中擴散系數低3 35 5個數量級，因而增大個數量級，因而增大了過冷奧氏體轉變為珠光體的孕育期、降低了形成了過冷奧氏體轉變為珠光體

13、的孕育期、降低了形成速度。速度。合金元素對珠光體轉變產生影響的原因合金元素對珠光體轉變產生影響的原因78B)B)合金元素對碳原子擴散的影響合金元素對碳原子擴散的影響合金元素對珠光體轉變的影響，還可以通過降低合金元素對珠光體轉變的影響，還可以通過降低C C在奧氏體中的擴散系數而起作用。在奧氏體中的擴散系數而起作用。除除Co和小于和小于3的的Ni以外，所有合金元素都提高碳在奧氏體中的擴以外，所有合金元素都提高碳在奧氏體中的擴散激活能，從而降低散激活能，從而降低C在在A中的擴散系數。中的擴散系數。合金元素降低合金元素降低C C的擴散系數，將增大珠光體轉變的的擴散系數，將增大珠光體轉變的孕育期，從而降

14、低轉變速度。孕育期，從而降低轉變速度。C)C)合金合金元素對鐵原子擴散的影響元素對鐵原子擴散的影響合金元素的加入，還可以影響合金元素的加入，還可以影響FeFe原子的擴散，通過原子的擴散，通過影響影響的同素異構轉變進程來影響珠光體轉變。的同素異構轉變進程來影響珠光體轉變。79例如，例如，Ni、Mn、Cr等的加入，都提高了等的加入，都提高了Fe的自擴的自擴散激活能，從而降低了散激活能，從而降低了Fe原子在奧氏體中的擴散系原子在奧氏體中的擴散系數，進而影響晶體結構的重建而降低珠光體轉變的數，進而影響晶體結構的重建而降低珠光體轉變的速度。速度。D)D)合金元素改變共析點的位置合金元素改變共析點的位置合

15、金元素的加入，將改變共析合金元素的加入，將改變共析點的位置，從而影響臨界轉變點的位置，從而影響臨界轉變溫度而影響珠光體的轉變。溫度而影響珠光體的轉變。它主要通過影響體系的自由能它主要通過影響體系的自由能和轉變的過冷度對珠光體轉變和轉變的過冷度對珠光體轉變產生不同的影響。產生不同的影響。80E)E)合金元素對合金元素對/相界面的拖曳作用相界面的拖曳作用合金元素的加入，將對合金元素的加入，將對/相界面產生拖曳作用，相界面產生拖曳作用，從而降低從而降低/相界面的移動速度，進而降低珠光相界面的移動速度，進而降低珠光體的形成速度。體的形成速度。例如，強碳化物形成元素例如，強碳化物形成元素V、Ti、Zr、

16、Nb、Ta等在等在鋼中形成難溶的碳化物。即使加熱到很高溫度，這鋼中形成難溶的碳化物。即使加熱到很高溫度，這類碳化物仍然不能完全溶入奧氏體中。類碳化物仍然不能完全溶入奧氏體中。因此，當鋼中加入強烈形成碳化物元素，奧氏體溫因此，當鋼中加入強烈形成碳化物元素，奧氏體溫度又不很高時，這些彌散分布的難溶碳化物質點，度又不很高時，這些彌散分布的難溶碳化物質點，將對將對/相界面的遷移產生阻礙作用，從而降低珠光相界面的遷移產生阻礙作用，從而降低珠光體的形成速度。體的形成速度。81鋼件在實際加熱條件下，奧氏體常常處于不太均勻鋼件在實際加熱條件下，奧氏體常常處于不太均勻的狀態，有時還可能有少量滲碳體微粒殘存。的狀

17、態，有時還可能有少量滲碳體微粒殘存。奧氏體成分均勻性和過剩相溶解情況的影響奧氏體成分均勻性和過剩相溶解情況的影響奧氏體成分不均勻奧氏體成分不均勻未溶解滲碳體的存在未溶解滲碳體的存在珠光體領先珠光體領先相的晶核相的晶核利于在高利于在高C區區形成滲碳體；形成滲碳體；利于利于在低在低C區區形成鐵素體形成鐵素體先共析滲碳體先共析滲碳體的非勻質晶核的非勻質晶核加速加速C在在奧氏體中奧氏體中的擴散的擴散加速先共析相和珠光體的形成加速先共析相和珠光體的形成加速了珠光體的轉變加速了珠光體的轉變82 奧氏體晶粒度的影響奧氏體晶粒度的影響由于鋼的化學成分、脫氧劑等的不同，在相同的加由于鋼的化學成分、脫氧劑等的不同

18、，在相同的加熱條件下，所獲得的奧氏體晶粒度也不盡相同。熱條件下，所獲得的奧氏體晶粒度也不盡相同。同理，細小的奧氏體晶粒，也將促進先共析鐵素體同理，細小的奧氏體晶粒，也將促進先共析鐵素體和滲碳體的析出。和滲碳體的析出。奧氏體晶粒細小奧氏體晶粒細小單位體積內晶界的面積增大單位體積內晶界的面積增大珠光體成核的部位增多珠光體成核的部位增多促進珠光體形成促進珠光體形成83 加熱溫度和保溫時間的影響加熱溫度和保溫時間的影響鋼的加熱溫度和保溫時間，直接影響鋼的奧氏體化鋼的加熱溫度和保溫時間，直接影響鋼的奧氏體化均勻性和晶粒大小。均勻性和晶粒大小。外界影響因素外界影響因素提高加熱溫度或延長保溫時間提高加熱溫度

19、或延長保溫時間促進滲碳體的進一步溶解促進滲碳體的進一步溶解和奧氏體的均勻化和奧氏體的均勻化珠光體成核率減小珠光體成核率減小奧氏體晶粒粗大奧氏體晶粒粗大珠光體長大速度降低珠光體長大速度降低降低珠光體形成速度降低珠光體形成速度84 應力和塑性變形的影響應力和塑性變形的影響在奧氏體狀態下承受拉應力或進行塑性變形，有加在奧氏體狀態下承受拉應力或進行塑性變形，有加速珠光體轉變的作用。壓應力作用相反。速珠光體轉變的作用。壓應力作用相反。拉應力拉應力塑性變形塑性變形促進珠光體轉變促進珠光體轉變晶體點陣畸變晶體點陣畸變有利于有利于C和和Fe原子的原子的擴散和晶體點陣改建擴散和晶體點陣改建位錯密度增高位錯密度增高