珠光体转变过程.ppt

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1、,1.4 珠光体转变,1.4 珠光体转变,珠光体是铁素体和渗碳体两相机械混合物。按渗碳体的形态，珠光体分为片状珠光体和粒状珠光体两种。,1.4 珠光体转变,研究珠光体转变的意义形成铁素体和渗碳体组成的机械混合物，铁素体为体心立方，硬度低而塑性高；渗碳体为正交晶系，质硬而脆，两者合理的匹配，可得到良好的综合力学性能。作为最终热处理，获得一定形态的珠光体，使结构件具有良好的综合力学性能。,1.4 珠光体转变,1.4 珠光体转变,发生珠光体转变的热处理可作为机加工的中间热处理，消除因前一道工序造成的加工硬化，改善机加工性能，便于下道工序的切削加工。-预备热处理,1.4 珠光体转变,用得更为广泛的则是

2、作为淬火的 预备热处理，为淬火作好组织上的 准备 对于要求高硬度、高强度的构件，则希望获得马氏体，为避免因工艺 不当使组织中出现珠光体，则必须 研究珠光体的形成动力学,1.4 珠光体转变,珠光体转变的热力学条件,由于珠光体转变的温度较高，Fe和C原子都能扩散较大的距离，珠光体又是在位错等微观缺陷较多的晶界形核，相变需要的自由能较小，所以在较小的过冷度下就可以发生相变。,1.4 珠光体转变,共析钢奥氏体化后缓冷或在略低于A1温度下等温，奥氏体将转变为珠光体，可表示为：,A,P（+Fe3C）扩散型相变 0.77%C 0.0218%C 6.69%C 化学成分变化（通过C原子扩散完成）面心立方 体心立

3、方 复杂斜方 晶体结构变化（通过铁原子自扩散、C原子扩散完成）,珠光体的形成包括：1.碳原子重新分布，由碳含量为0.77%奥氏体转变为高碳的渗碳体和低碳的铁素体；2.点阵重构（晶格重组），由面心立方的奥氏体转变为体心立方的铁素体和复杂斜方的渗碳体。,1.4 珠光体转变,一、珠光体的组织形态和机械性能,1、片状珠光体（1）组织形态,其F、Fe3C呈层状分布重量比：F:Fe3C=8:1 珠光体领域或称珠光体团,1.4 珠光体转变,珠光体领域,一、珠光体的组织形态和机械性能,（2）珠光体的片间距S0,定义：P192 影响S0的因素：原因：a.当形成温度降低，碳的扩散速度减慢，碳原子难以作较长距离的迁

4、移，只能形成片层间距较小的珠光体；,TA1T转变,b.珠光体形成时，铁素体与渗碳体界面能的增加，要由奥氏体与珠光体的自由能之差来提供。过冷度愈大则所能提供的自由能差愈大，即可提供更多的能量以增加F与Fe3C形成时所增加的界面能，因此过冷度越大则形成的界面越多，片间距愈小。,一、珠光体的组织形态和机械性能,一、珠光体的组织形态和机械性能,（3）片状珠光体按S0大小分类,类型 形成温度 S0 形态,珠光体(P)A1650 450150nm 粗片 光学显微镜明显分辩 片状珠光体 索氏体(S)650600 15080nm 细片 光学显微镜（8001500X）才能分辩 屈氏体(T)600550 8030

5、nm 更细片 电子显微镜下分辩,一、珠光体的组织形态和机械性能,一、珠光体的组织形态和机械性能,（4）片状珠光体的机械性能,P片的机械性能主要决定于片间距S0和珠光体团的直径，片间距和珠光体团的直径越小，钢的强度和硬度越高，塑性也越大（当S0150nm时）。,一、珠光体的组织形态和机械性能,P片的屈服强度和断裂强度与其S0的关系为：s(MPa)=139+46.4 S0-1(m-1)f(MPa)=436.5+98.1 S0-1(m-1)式中：s屈服强度，f断裂强度，S0珠光体片间距,P片屈服强度与珠光体团尺寸的关系符合Hall-Petch公式：S=i+Kd-1/2,一、珠光体的组织形态和机械性能

6、,一、珠光体的组织形态和机械性能,珠光体团直径减小使塑性提高的原因：珠光体团直径减小，则单位体积内片层排列方向增多，使局部产生大量塑性变形引起应力集中的可能性减小，因而既提高了强度，也改善了塑性。,原因：P194,一、珠光体的组织形态和机械性能,等温冷却形成的片状珠光体与连续冷却形成的片状珠光体其组织与性能有什么差别？,一、珠光体的组织形态和机械性能,2、粒状珠光体,（1）组织形态 在铁素体基本上分布着粒状渗碳体的两相机械混合物称为粒状珠光体。粒状珠光体一般经球化退火而得到，也可以通过淬火加回火处理得到。,2.粒状珠光体,（2）粒状珠光体的机械性能 P粒的力学性能主要取决于渗碳体颗粒的大小、形

7、态与分布。钢的成分一定时，渗碳体颗粒越细，则钢的硬度和强度越高。渗碳体越接近等轴状、分布越均匀，则钢的韧性越好。在成分相同时，粒状珠光体比片状珠光体的硬度稍低，但塑性更好。,2.粒状珠光体,在硬度相同的条件下，P粒比P片具有更好的拉伸性能。P粒还具有较好的切削加工性能（对工模具钢而言）、冷成型性能及淬火工艺性能。所以一般工模具钢在锻造后机加工前的预备热处理为等温球化退火，以获得粒状珠光体，目的是为了获得良好的切削加工性能以及为最终热处理作好组织准备。,二、珠光体的形成过程（珠光体的转变机理）,1.4 珠光体转变,1、片状珠光体的形成 两个基本过程:形核和长大。,（1）珠光体的形核 亚共析钢：铁

8、素体F（）珠光体转变的领先相 过共析钢:渗碳体Fe3C 共析钢：F或Fe3C，为了 讨论问题方便，一般以渗碳体为领先相。,1.4 珠光体转变,（）珠光体形核位置 领先相大多在奥氏体晶界或相界面（奥氏体与先共析相界面）上形核。因为这些区域缺陷较多，能量较高，原子容易扩散，容易满足形核所需要的成分起伏、能量起伏和结构起伏的条件。,1.4 珠光体转变,晶核就在那些高能量、接近渗碳体（或F）含碳量和类似渗碳体(或F)晶格点阵的区域产生。,二、珠光体的形成过程,（2）珠光体的长大 珠光体长大有两种机制：一是成片形成机制；二是分枝形成机制。早期：Mehl和Hull提出成片形成机制。1962年：Hiller

9、t开始提出分枝形成机制。1973年：Dippenaar和Honeycombe根据透射电镜观察结果，证实成片形成机制和分枝形成机制是同时存在的。,二、珠光体的形成过程,（）成片形成机制：由两个过程组成：横向形核长大和纵向长大。,a、横向形核长大 横向长大是层片数增加。-P195 b、纵向长大 纵向长大是向奥氏体晶粒推进。,二、珠光体的形成过程,c、在一个珠光体领域形成的同时，有可能在奥氏体晶界的其它领域，或在已形成的珠光体领域的边缘上形成新的、其它取向的渗碳体晶核，并由此形成另一个不同取向的珠光体领域。直到各个珠光体领域相遇，奥氏体全部分解完了，珠光体转变即告结束。最后得到了片状的珠光体组织。,

10、二、珠光体的形成过程,二、珠光体的形成过程,（）分枝形成机制,（3）过冷奥氏体转变为珠光体时，晶格的重构是由铁原子自扩散和碳原子的扩散完成的。,二、珠光体的形成过程,2、粒状珠光体的形成 粒状珠光体可通过平衡组织球化退火和马氏体组织回火得到。,球化退火包括：1.普通球化退火2.等温球化退火3.周期球化退火等,通过在加热、保温过程中片状或网状Fe3C的断裂、溶解、C的扩散以及随后冷却过程中的碳化物的析出完成的，要点如下：,二、珠光体的形成过程,加热时，奥氏体的成分愈不均匀，愈容易得到球化组织。当奥氏体化温度较低时（略高于Ac1温度），加热后的奥氏体的成分不均匀a.存在富碳微区（碳化物溶解区）；b

11、.存在大量未溶解的、凹凸不平的、厚薄不均的碳化物，该组织有利于粒状珠光体的形成。,二、珠光体的形成过程,在保温过程中，这些未溶解的碳化物就会由片状逐渐变为球状。其热力学依据是在其他条件相同的情况下，片状组织单位体积所占有的表面积大于球状的，因而片状的表面能大于球状的，总自由能也是如此，所以片状组织能自发地变成球状的。过程如下图如示：,二、珠光体的形成过程,二、珠光体的形成过程,二、珠光体的形成过程,在随后的缓冷或在A1以下等温过程中，奥氏体中的富碳微区，会成为碳化物的结晶中心，使一部分碳化物直接析出长成球状：这些微小区域弥散分布，形成球状碳化物的扩散距离比形成片状的短，虽然其应变能大于片状珠光

12、体，但其总自由能却较低，因而形成粒状珠光体。另一部分仍以片状成长的碳化物则在随后的慢冷或等温过程中逐渐球化。最终得到粒状珠光体组织。,二、珠光体的形成过程,冷却速度和等温温度(时间)对P粒颗粒的影响：P197 过冷奥氏体转变为珠光体时，晶格的重构是由铁原子的自扩散和碳原子的扩散完成的。,1.4 珠光体转变,三、亚（过）共析钢的珠光体转变,工程上使用的钢大多是亚（过）共析钢，它们在实际冷却条件下的珠光体转变基本上与共析钢相似，只是在珠光体转变之前还有先共析转变，析出铁素体（或渗碳体），并且随后发生珠光体转变。以下用Fe-Fe3C相图来分析亚（过）共析钢的珠光体转变,1.4 珠光体转变,先共析相与

13、伪共析组织,Hultgren外推法认为：相图上各条相界（即相区交界线）的延长线仍具有物理意义。将A3（GS）和Acm（ES）线延长到A1温度以下仍具有相同的物理意义，即GS的延长线SG仍可看作是奥氏体对铁素体的饱和线，ES线的延长线SE仍可看作是奥氏体对渗碳体的饱和线。,1.4 珠光体转变,1.4 珠光体转变,如果将偏离共析成分的过冷奥氏体在SE线和SG线以下的阴影线区等温时，则会因同时对铁素体和渗碳体所过饱和而直接进行珠光体转变。这种非共析成分的珠光体，在显微组织上也是由片层状的铁素体和渗碳体组成，但两个相的相对含量以及片层相对厚度都不同于共析成分的珠光体。这种由偏离共析成分的过冷奥氏体所形

14、成的珠光体称为伪共析体或伪珠光体。通常仍习惯称为珠光体。,1.4 珠光体转变,用Fe-Fe3C相图分析亚（过）共析钢在T1温度等温的情况,三、亚（过）共析钢的珠光体转变,从钢的过冷奥氏体等温转变曲线和连续转变曲线可分析出：亚、过共析钢从奥氏体态连续冷却时的冷却速度越快，等温冷却时的等温转变温度越低，（先共析相析出时间缩短，）则珠光体转变之前析出的先共析铁素体或渗碳体越少，伪珠光体越多。,在热处理生产中，为了提高低碳钢板的强度（珠光体类组织），可采用热轧后立即水冷或喷雾冷却的方法减少先共析铁素体量，增加珠光体量，并减小珠光体的片间距。,三、亚（过）共析钢的珠光体转变,1.4 珠光体转变,四、珠光

15、体组织的应用,铅浴淬火可获得高强度的绳用钢丝、琴钢丝和弹簧钢丝。铅浴淬火可使高碳钢获得索氏体组织，再经深度冷拔，获得高强度钢丝。索氏体具有良好的冷拔性能，是由于其片间距小，滑移可沿最短途径进行；加上其渗碳体很薄（1nm），在强烈变形时能够弹性弯曲，使塑性变形能力增强。,四、珠光体组织的应用,片状珠光体经塑性变形提高钢丝强度的原因是位错密度增大和亚晶粒的细化加工硬化。,作业一,1.根据影响奥氏体晶粒长大的因素，讨论细化奥氏体晶粒的途径。2.奥氏体等温形成速度与过冷奥氏体等温转变速度随温度的变化有何不同？为什么？3.计算碳素钢的奥氏体中，当碳浓度达到最大固溶度时（2.11），-Fe八面体间隙被碳原子填充的比例，并折算成大约多少个-Fe晶胞中才含有一个碳原子。解释奥氏体中碳原子的溶解度受限制的原因。,作业二,解释等温冷却形成的片状珠光体与连续冷却形成的片状珠光体其组织与性能上的差别？在什么条件下奥氏体转变为片状珠光体，在什么条件下转变为粒状珠光体？高碳钢完全退火时出现网状二次渗碳体，严重降低了钢材的机械性能，问采用什么工艺方法即可避免出现网状二次渗碳体，又可得到片状珠光体类组织？为什么,