第三章第三章 珠光体相变珠光体相变3.1 珠光体的组织形态与性能特点珠光体的组织形态与性能特点3.1.1 过冷奥氏体转变过冷奥氏体转变图图3-1 TTT 曲线曲线n 过过冷冷奥奥氏氏体体等等温温转转变变动动力力学学图图，TTT曲曲线线，C曲曲线，线，IT曲线。曲线。n 反反映映温温度度-时时间间-转转变变量量三者之间的关系。三者之间的关系。1图图3-2 共析碳钢共析碳钢 C 曲线曲线Mf高温高温中温中温低温低温2n A1 550 ，Fe、C原子均可扩散。原子均可扩散。n 共共析析分分解解成成珠珠光光体体 - 铁铁素素体体与与渗渗碳碳体两相层片状机械混合物。体两相层片状机械混合物。n 珠珠光光体体团团(或或领领域域) - 片片层层方方向向大大致致相相同同的的珠珠光光体体，在在一一个个奥奥氏氏体体晶晶粒粒内内可可以形成以形成35个珠光体团。个珠光体团。（1 1）高温转变）高温转变3图图3-3 层片状珠光体示意图层片状珠光体示意图原奥氏体晶界原奥氏体晶界珠光体团珠光体团4（2）中温转变）中温转变n 550 220 ，C 原原子子可可扩扩散散，Fe原原子子不不能扩散。能扩散。n 形形成成贝贝氏氏体体-过过饱饱和和铁铁素素体体与与渗渗碳碳体体的的非非层片状层片状 混合物。混合物。 上上贝贝氏氏体体：550 稍稍下下形形成成，羽羽毛毛状状。在在平平行铁素体板条间分布有不连续的杆状渗碳体。行铁素体板条间分布有不连续的杆状渗碳体。 下下贝贝氏氏体体：220 稍稍上上形形成成，针针状状。在在针针状状铁素体内分布有细小渗碳体。铁素体内分布有细小渗碳体。5图图3-4 (a) 上贝氏体上贝氏体 X600 (b) 下贝氏体下贝氏体 X4006n 非非扩扩散散型型相相变变：Fe、C原原子子均均不不发发生生扩扩散散，生生成成的的马马氏氏体体与与原原奥奥氏氏体体成成分分相相同。同。n 马氏体：马氏体：碳在碳在-Fe中的过饱和固溶体。中的过饱和固溶体。n 马马氏氏体体相相变变是是变变温温型型相相变变，相相变变开开始始点点 Ms ，终了点，终了点 Mf 。 （3）低温转变）低温转变7图图3-5 (a) 低碳钢中的低碳钢中的板条马氏体板条马氏体 (X80) (b) 高碳钢中的高碳钢中的针状针状(片状片状)马氏体马氏体 (X400)83.1.2 珠光体的组织形态珠光体的组织形态（1）片状珠光体）片状珠光体（2）球状珠光体）球状珠光体n 铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体。铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体。 形成温度形成温度() 片层间距片层间距 (nm)珠光体珠光体 P Ar1 650 500 700索氏体索氏体 S 650 600 300 400屈氏体屈氏体 T 600 550 100 2009(a)(b)图图3-6 (a) 片状珠光体片状珠光体 (b) 球状珠光体球状珠光体 103.1.3 珠光体的片层间距珠光体的片层间距 S0 n 珠珠光光体体的的片片层层间间距距与与转转变变温温度度有有关关，与与过过冷冷度度成成反比。反比。图图3-1 珠光体片层间距珠光体片层间距S0 11 在在一一定定的的过过冷冷度度下下，若若S0过过大大，原原子子所所需需扩扩散散的的距距离离就就要要增增大大，这这将将使使转转变发生困难。变发生困难。 若若S0过过小小，由由于于相相界界面面面面积积增增大大，使使界界面面能能增增大大，这这时时GV不不变变，这这会会使使相相变变驱驱动动力力降降低低，也也会会使使相相变变不不易易进进行。所以一定的行。所以一定的T对应一定的对应一定的 S0 。n 原因：原因：12n 原因：原因：T 愈愈大大，碳碳在在奥奥氏氏体体中中的的扩扩散散能能力力愈愈小小，扩扩散散距距离离变变短短。另另外外， GV 会会变变大大，可可以以增增加加较较多多的的界界面面能能，所所以以 S0 会变小。会变小。n 原原奥奥氏氏体体晶晶粒粒大大小小对对 S0 无无明明显显影影响响。但但原原奥奥氏氏体体晶晶粒粒越越细细小小，珠珠光光体体团团直直径径也越细小。也越细小。133.1.4 珠光体的力学性能珠光体的力学性能n 片状珠光体片状珠光体的塑性变形基本上发生在铁素体片层内，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于片层间距S0 。n 片层间距片层间距S0 愈小，强度、硬度愈高，愈小，强度、硬度愈高， 符合符合Hall-Petch 关系关系：s = 0 + kS0-1 n 粒状珠光体粒状珠光体的屈服强度取决于铁素体的晶粒大小的屈服强度取决于铁素体的晶粒大小(直径直径 df ），）， 也也符合符合Hall-Petch 关系关系：s = 0 + kdf-1/2 14图3-5 共析碳素钢的珠光体形成温度对片层间距和团直径的影响15图3-6 共析碳素钢珠光体团的直径和片层间距对断裂强度的影响16图3-7 共析碳素钢珠光体团的直径和片层间距对断面收缩率的影响 珠光体团直径和片层间距越小，强度、硬度越高，塑性也越好。17图3-8 共析碳素钢不同组织的应力-应变图1-片状珠光体 2-粒状珠光体 在退火状态下，对于相同含碳量的钢料，粒状珠光体的强度、硬度比片状珠光体低，塑性、切削加工性和淬火工艺性等比片状珠光体好。183.2 珠光体转变的机理珠光体转变的机理 3.2.1 珠光体形成的热力学珠光体形成的热力学图图3-2 自由能自由能-成分曲线成分曲线n 在在A1（T1）温温度度，、Fe3C 三三相相的的自自由由能能-成成分分曲曲线有一共切线。线有一共切线。n 在在A1温温度度以以下下温温度度T2 ， 、Fe3C 三三相相间间可可作作三三条条共共切切线线，共共析析成成分分的的奥奥氏氏体体的的自由能在三条共切线之上。自由能在三条共切线之上。19（1）珠光体形成时的领先相）珠光体形成时的领先相n 从热力学上讲，铁素体与渗碳体都可能成从热力学上讲，铁素体与渗碳体都可能成为领先相。为领先相。n 共析与过共析钢中，共析与过共析钢中，渗碳体为领先相渗碳体为领先相。n 亚共析钢中，铁素体为领先相。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片状珠光体的形成机制 n 珠光体相变是扩散型相变、属形核长大型。珠光体相变是扩散型相变、属形核长大型。20（2）珠光体的形成机制）珠光体的形成机制图图3-3 珠光体形成过程示意图珠光体形成过程示意图形成21 珠光体的形核：珠光体的形核：在在奥奥氏氏体体晶晶界界上上先先形形成成一一小小片片渗渗碳碳体体（长长成成片片状状是是为为了了减减少少应应变变能能），通通过过邻邻近近奥奥氏体不断供应碳原子而长大。氏体不断供应碳原子而长大。(0.77%C) (0.0218%C) + Fe3C(6.69%C)(面心立方面心立方) (体心立方体心立方) (复杂斜方复杂斜方) 22 珠光体的纵向长大：珠光体的纵向长大：由由于于形形成成了了/，/Fe3C相相界界面面，在在相相界界面面前前沿沿相相中中产产生生浓浓度度差差C- C-k ，从从而而引引起起碳碳原原子子由由前前沿沿向向Fe3C前前沿沿扩扩散散，扩扩散散的的结结果果破破坏坏了了相相界界面面的的碳碳浓浓度度平平衡衡，为为了了恢恢复复碳碳浓浓度度平平衡衡，渗渗碳碳体体和和铁铁素素体体就就要要向向奥奥氏体中纵向长大。氏体中纵向长大。23图图3-4 珠光体形成时碳的扩散珠光体形成时碳的扩散C- -C-k-k24 珠光体的横向生长：珠光体的横向生长：Fe3C的的横横向向生生长长使使周周围围奥奥氏氏体体产产生生贫贫碳碳区区，当当碳碳浓浓度度下下降降到到C-k时时，在在Fe3C两两侧侧通通过过点点阵阵重重构构，形形成成两两小小片片铁铁素素体体。同同样样，铁铁素素体体的的横横向向生生长长也也将将产产生生富富碳碳区区，这这又又促促使使渗渗碳碳体体片片的的形形核核生生长长。如如此此协协调调地地交交替替形形核核生生长长，从从而而形形成成铁铁素素体体、渗渗碳碳体体片片相相间的层间的层片组织。片组织。25 珠光体的横向生长：珠光体的横向生长：铁铁素素体体片片由由于于其其两两侧侧渗渗碳碳体体片片的的形形成成而而停停止止横横向向增增厚厚，渗渗碳碳体体片片的的横横向向生生长长亦亦然然，故故珠珠光体的横向生长很快就停止。光体的横向生长很快就停止。 在在珠珠光光体体生生长长的的后后期期，会会出出现现分分枝枝长长大大现现象。象。26 由由于于片片状状渗渗碳碳体体的的表表面面积积大大于于同同体体积积的的球球状状渗渗碳碳体体，在在球球化化退退火火时时，将将会会自自发发球球化。化。 与与渗渗碳碳体体尖尖角角接接壤壤处处的的铁铁素素体体碳碳浓浓度度 C-k 大大于于与与平平面面接接壤壤处处的的碳碳浓浓度度，在在铁铁素素体体内内将将引引起起碳碳原原子子扩扩散散，结结果果界界面面碳碳浓浓度度平平衡衡被被打打破破，为为维维持持碳碳浓浓度度平平衡衡，渗渗碳碳体体尖尖角角处处会会溶溶解解，而而平平面面处处会会向向外外生生长长，最最后后形形成各处曲率半径相近的粒状渗碳体。成各处曲率半径相近的粒状渗碳体。3.2.3 球状珠光体的形成机制球状珠光体的形成机制 27图图3-6 片状渗碳体溶断机制片状渗碳体溶断机制渗渗碳碳体体片片内内亚亚晶晶界界的的存存在在，会会产产生生一一界界面面张张力力，为为保保持持界界面面张张力力平平衡衡，在在亚亚晶晶界界处处会会出出现现沟沟槽槽。由由于于沟沟槽槽两两侧侧曲曲率率半半径径较较小小，此此处处渗渗碳碳体体将将溶溶解解，而而使使曲曲率率半半径径增增大大，破破坏坏了了界界面面张张力力的的平平衡衡，为为恢恢复复平平衡衡，沟沟槽槽将将进进一一步步加加深深，直直至至渗渗碳碳体体溶断。溶断。28图图3-7 片状渗碳体在片状渗碳体在 A1 温度以下球化过程示意图温度以下球化过程示意图当当奥奥氏氏体体化化不不充充分分时时，也也会会以以未未溶溶颗颗粒粒状状渗渗碳碳体体作作为为形形核核核核心心，直直接接形成球状珠光体。形成球状珠光体。珠光体的形成293.3 珠光体转变的动力学珠光体转变的动力学3.3.1 形核率形核率n 形形成成温温度度较较高高时时，扩扩散散较较易易，形形核核功功起起主主导导作作用用，由由于于温温度度降降低低，形形核核功功下下降降，故故形形核核率率增增加加。至至一一定定温温度度时时，扩扩散散起起主主导导作作用用，温温度度降降低，扩散困难，形核率下降。低，扩散困难，形核率下降。30n 形核率随转变温度的降低先增后减，在形核率随转变温度的降低先增后减，在550附近有一极大值。附近有一极大值。图图3-8 形核率与转变温度的关系形核率与转变温度的关系550313.3.2 长大速度长大速度图图3-8 长大速度与转变温度的关系长大速度与转变温度的关系550n 长长大大速速度度随随转转变变温温度度的的降降低低也也是是先先增增后后减减，在在550附附近近也有一极大值。也有一极大值。32(a)(b)图图3-10 亚共析钢亚共析钢(a)和过共析钢和过共析钢(b)的的C曲线曲线珠光体转变视频33 含碳量含碳量 亚共析钢：亚共析钢： C%，铁素体形核率，铁素体形核率；另外，相变另外，相变 驱动力驱动力G- ，所以珠光体转变，所以珠光体转变 速度下降，速度下降，C 曲线曲线右移右移。3.3.3 影响珠光体转变动力学的因素影响珠光体转变动力学的因素（1）钢的化学成分）钢的化学成分34n 若若加加热热温温度度高高于于Accm： C% ，渗渗碳碳体体形形核核率率升升高高；另另外外，碳碳在在奥奥氏氏体体中中的的扩扩散散系系数数增增大大，从从而而使使珠珠光光体体的的孕孕育育期期缩缩短短，转变加速，转变加速，C曲线曲线左移左移。n 若若加加热热温温度度在在Ac1Accm：C%，获获得得不不均均匀匀奥奥氏氏体体及及Fe3C，有有利利于于珠珠光光体体的的形形核核，故故孕孕育育期期缩缩短短，转转变变加加速速，C曲曲线线左左移移。过共析钢：过共析钢：35 合金元素合金元素 除除Co以以外外，只只要要合合金金元元素素溶溶入入奥奥氏氏体体中中 ，均均使使奥奥氏氏体体的的稳稳定定性性增增大大，从从而而减减慢奥氏体分解为珠光体，慢奥氏体分解为珠光体，C曲线右移曲线右移。n 在碳钢中共析钢过冷奥氏体最稳定，在碳钢中共析钢过冷奥氏体最稳定，C曲曲线最靠右。线最靠右。36n 奥奥氏氏体体成成分分的的不不均均匀匀，有有利利于于高高碳碳区区形形成成Fe3C，低低碳碳区区形形成成铁铁素素体体，并并加加速速碳碳原原子子的的扩扩散散，从从而而加加速速先先共共析析相相及及珠珠光光体体的的形成。形成。n 未未溶溶渗渗碳碳体体的的存存在在，既既可可作作为为先先共共析析渗渗碳碳体体的的晶晶核核，亦亦可可作作为为珠珠光光体体领领先先相相渗渗碳碳体的晶核，故可体的晶核，故可加速加速珠光体的形成。珠光体的形成。（2）奥氏体的均匀化程度和残余碳化物）奥氏体的均匀化程度和残余碳化物37（4）奥氏体化加热温度和保温时间）奥氏体化加热温度和保温时间n 奥奥氏氏体体化化温温度度越越高高，保保温温时时间间越越长长，奥奥氏氏体体晶晶粒粒尺尺寸寸越越大大，并并且且成成分分趋趋于于均均匀匀化化，减减少少了了珠珠光光体体形形核核所所需需的的浓浓度度起起伏伏和和形形核核位位置置，从从而而减慢珠光体的形成，减慢珠光体的形成，使使C曲线右移曲线右移。（3）奥氏体晶粒度）奥氏体晶粒度n 奥奥氏氏体体晶晶粒粒的的细细化化，可可增增加加珠珠光光体体的的形形核核位位置，从而置，从而促进珠光体的形成促进珠光体的形成。38n 拉拉应应力力和和塑塑性性变变形形造造成成点点阵阵畸畸变变和和位位错错密密度度增增高高，显显著著提提高高了了珠珠光光体体的的形形核核率率，促促进进珠珠光光体体转转变变，使使C曲曲线线左左移移。塑塑性性形形变变温温度度越越低低，变形程度越大，这种加速作用越显著。变形程度越大，这种加速作用越显著。n 在在等等向向压压应应力力作作用用下下，由由于于原原子子迁迁移移阻阻力力增增 大大，阻阻碍碍了了 Fe、C 原原子子的的扩扩散散，同同时时点点阵阵改改组组的阻力也增大，所以将减慢珠光体的形成。的阻力也增大，所以将减慢珠光体的形成。（5 5）应力和塑性变形）应力和塑性变形39n 在在A3 、Acm线线以以下下先先形形成成铁铁素素体体或或渗渗碳体。碳体。n 到达到达A1线发生珠光体相变。线发生珠光体相变。n 随随冷冷速速加加快快，将将出出现现伪伪共共析析组组织织，且且珠光体量增多，而先共析量减少。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先共析铁素体和渗碳体的形成3.4.1 伪共析转变伪共析转变40图图3-11 先共析相及伪共析组织形成范围先共析相及伪共析组织形成范围41魏氏组织魏氏组织 ： 在奥氏体晶粒较粗大，冷却速在奥氏体晶粒较粗大，冷却速度相对较快时，钢中先共析相（先度相对较快时，钢中先共析相（先共析铁素体或先共析渗碳体）以针共析铁素体或先共析渗碳体）以针状或片状形态从原奥氏体晶界沿奥状或片状形态从原奥氏体晶界沿奥氏体一定晶面往晶内平行或规则生氏体一定晶面往晶内平行或规则生长，并与片状珠光体混合存在，该长，并与片状珠光体混合存在，该组织称为组织称为。42n 在在奥奥氏氏体体晶晶界界上上形形成成的的晶晶核核，一一侧侧为为共共格格，另另一侧为非共格。一侧为非共格。（1）形形成成温温度度较较高高时时，非非共共格格晶晶界界易易迁迁移移，向向奥奥氏体晶粒一侧长成球冠状。氏体晶粒一侧长成球冠状。 若若原原奥奥氏氏体体含含碳碳量量较较高高，析析出出的的铁铁素素体体量量较较少少，则铁素体易长成则铁素体易长成网状。网状。 若若原原奥奥氏氏体体含含碳碳量量较较低低，析析出出的的铁铁素素体体量量较较多多，且且单单位位体体积积排排出出的的碳碳原原子子较较少少，非非共共格格界界面面更更易易迁移，铁素体长入奥氏体呈迁移，铁素体长入奥氏体呈块状块状分布。分布。3.4.2 亚共析钢中的先共析铁素体形态亚共析钢中的先共析铁素体形态43图图3-12 网状网状 b) 和块状和块状 c) 先共析铁素体先共析铁素体44（2）形形成成温温度度较较低低时时，铁铁原原子子不不易易作作长长距距离离扩扩散散，使使非非共共格格晶晶界界不不易易迁迁移移，这这时时主主要要依依靠靠共共格格界面迁移。界面迁移。n 铁铁素素体体晶晶核核将将通通过过共共格格界界面面向向与与其其有有位位向向关关系系的的奥奥氏氏体体晶晶粒粒内内长长大大，为为减减小小应应变变能能，铁铁素素体体呈呈片片状状沿沿奥奥氏氏体体某某一一晶晶面面向向晶晶粒粒内内生生长长，该该惯惯习习面面为为 111。所所以以片片状状铁铁素素体体常常常常呈呈现现为为彼彼此此平行，或互成平行，或互成60、90角。角。n 这这种种先先共共析析片片状状铁铁素素体体通通常常称称为为魏魏氏氏组组织织铁铁素体素体。45图图3-13 一次魏氏组织铁素体一次魏氏组织铁素体 d) 二次魏氏组织铁素体二次魏氏组织铁素体 e)(1)一次魏氏组织F：从奥氏体中直接析出片状(截面呈针状)分布的F称一次魏氏组织F。(2)二次魏氏组织F：从原奥氏体晶界上首先析出网状F，再从网状F上长出的片状F称二次魏氏组织F。两者往往连在一起组成一个整体，人为分为两种是它们的形成机制不同。钢中常见的是二次魏氏组织F。亚共析钢魏氏组织F单个是片(针)状的，整体分布形态为(1)羽毛状；(2)三角状；(3)两者混合型的。46图图3-14 亚共析钢中的魏氏组织铁素体亚共析钢中的魏氏组织铁素体 47图图3-15 过共析钢中的魏氏组织渗碳体过共析钢中的魏氏组织渗碳体48n 粒状渗碳体；粒状渗碳体； n 网状渗碳体；网状渗碳体； n 片状渗碳体片状渗碳体-魏氏组织。魏氏组织。3.4.3 3.4.3 过共析钢中的渗碳体形态过共析钢中的渗碳体形态过共析钢过共析钢(1)一次魏氏组织碳化物：白色针状，基体珠光体组织。一次魏氏组织碳化物：白色针状，基体珠光体组织。(2)二次魏氏组织碳化物：网状碳化物上长出针状碳化物，基体为珠光体。二次魏氏组织碳化物：网状碳化物上长出针状碳化物，基体为珠光体。49魏氏组织形成一般有两个原因: 一是热处理温度较高，导致奥氏体晶粒粗大； 二是冷却速度较快。 如果奥氏体晶粒异常粗大，即使不大的冷速也可能形成魏氏组织，这种组织的塑性和韧性比较差，并且大部分魏氏组织的产生是由于此； 如果奥氏体晶粒不是特别粗大，冷速比较快的时候也可能形成魏氏组织，但这种魏氏组织不会有什么害处。消除的措施要从产生的原因上着手: 一是控制热处理加热温度； 二是控制冷速。50