1、1,过冷奥氏体：奥氏体冷却到临界点（A1或A3）以下，就不再是稳定组织，一般称为过冷奥氏体。 过冷奥氏体在不同的冷却条件下，可以通过不同的转变机制进行转变，最终可能转变为珠光体、贝氏体、马氏体或它们的混合组织。,第四章 珠光体转变,2,图3-1 FeFe3C平衡状态图,3,根据奥氏体转变机制的不同，将过冷奥氏体的转变划分为三大类：1、高温转变珠光体转变（Fe原子和C原子均能充分扩散）；2、中温转变贝氏体转变（Fe原子已经难以扩散，但C原子还能进行扩散）；3、低温转变马氏体转变（Fe原子和C原子都不能进行扩散）。,4,第一节 珠光体组织,一、珠光体的组织形态 1、片状珠光体珠光体共析碳素钢加热到
2、均匀的奥氏体状态，而后缓慢冷却到A1以下时，将分解为铁素体与渗碳体的混合物，这种组织经过抛光和腐蚀以后呈珠母色泽，所以我们把这种组织称为“珠光体”。,图3-2 共析碳钢的片状珠光体组织,5,片状珠光体是由一层铁素体与一层渗碳体层层紧密堆叠而成的。在光学显微镜下能够明显看出铁素体与渗碳体呈层状分布的组织形态，其片间距大约在30450nm之间。珠光体团在片状珠光体组织中，片层方向大致相同的区域我们称为“珠光体团” 。珠光体的片间距在珠光体团中，相邻两片渗碳体（或者是铁素体）中心之间的平均距离，称为“珠光体的片间距”。,6,图3-3 片状珠光体的片间距a）和珠光体团 b）示意图,7,珠光体如果珠光体
3、的形成温度较高。在光学显微镜下能够明显看出铁素体与渗碳体呈层状分布的组织形态，其片间距大约在150450nm之间，称为“珠光体”。 索氏体如果珠光体的形成温度较低，在放大倍数不高的光学显微镜下，很难分辨铁素体与渗碳体的形态，在电子显微镜下测得片间距大约在80150nm之间，工业上把这种细片状珠光体称作“索氏体”。屈氏体对于在更低温度下形成的片间距大约在3080nm之间的极细片状珠光体，在光学显微镜下根本无法辨别其层状特征，这种组织在工业上叫做“屈氏体” 。,片状珠光体类型组织分为：,8,a珠光体 1000（700等温） b索氏体 1000（650等温） c屈氏体 1000（600等温） 图3-
4、4 三种片状珠光体组织,9,2、片间距,珠光体的片间距大小主要取决于珠光体的形成温度。奥氏体形成温度越低，也就是过冷度越大，则片间距越小。原因有：(1)、转变温度越低，C原子的扩散速度越小。C原子难以作较大距离的迁移。(2)、过冷度越大，能提供的自由焓越大，能增加的界面能也就越多，形核率越高，因此片间距有可能就越小。,C8.02104 （K）；S0珠光体的片间距（）； T 过冷度（K）,10,一般采用等温处理的方法，来获得粗细相近的珠光体组织，以提高钢的切削性能。 试样的磨制角度不同，片间距差别往往很大。,11,3、其它形状珠光体,粒状珠光体：当渗碳体以颗粒状存在于铁素体基体中时，这种形态的珠
5、光体称为“粒状珠光体”或“球状珠光体”。一般是经过球化退火处理后得到的。 针状珠光体 纤维状珠光体,图3-5 T12A钢的粒状珠光体,12,二、珠光体晶体学,在退火状态下，珠光体的铁素体中位错密度较小，渗碳体中位错密度更小。片状珠光体中铁素体与渗碳体片两相交界处常具有较高的位错密度。 在铁素体片中还有亚晶界，构成许多亚晶粒。,13,珠光体形成时，新相（铁素体与渗碳体）与母相（奥氏体）之间存在一定的晶体学位向关系。 铁素体与奥氏体的位向关系为： 110 112)， 而在亚共析钢中，先共析铁素体与奥氏体的位向关系为： 111 110 ， ,14,在一个珠光体团中，铁素体与渗碳体的晶体学位向关系通常
6、有两类： 第一类 第二类 （相差236）， （相差236）。,15,第二节 珠光体转变过程,一、珠光体转变热力学 珠光体转变的驱动力是自由焓差。 当珠光体与奥氏体的自由能之差为负值时，过冷奥氏体分解为珠光体是自发的过程。 奥氏体向珠光体转变时，涉及到三个相：奥氏体、铁素体和渗碳体。,16,T1温度：三相平衡 T2温度发生的转变：,图3-6 铁碳合金中的、Fe3C及 相在T1、T2温度的自由焓成分曲线,(0.77%C)(0.0218%C)+Fe3C(6.69%C),17,二、片状珠光体的形成机制,1、珠光体转变的领先相（争论中） 铁素体与渗碳体都可能成为领先相； 在过共析钢中，通常以渗碳体为领先
7、相；在亚共析钢中，则是以铁素体为领先相；在共析钢中两相都可以成为领先相； 过冷度小时，渗碳体是领先相；过冷度大时，铁素体是领先相。,18,2、片状珠光体的形成机制,珠光体的形成包含两个过程：(1)扩散成分改变；(2) 点阵重组，由面心立方点阵的奥氏体转变为体心立方的铁素体和复杂斜方的渗碳体。 共析成分的过冷奥氏体，发生珠光体转变时，其晶核大多在奥氏体晶界上或其它晶体缺陷处形成。 当奥氏体化温度较低时，珠光体的晶核也可以在奥氏体晶粒内形成。,19,（1）纵向及横向长大,图3-7 片状珠光体的形成过程示意图,20,均匀奥氏体冷却至Al以下时，首先在奥氏体晶界上产生一小片渗碳体晶核，核刚形成时呈片状
8、。这种片状珠光体晶核，按非共格扩散的方式不仅向纵向方向长大，而且也向横的方向长大。珠光体形成时，纵向长大是依靠渗碳体片和铁素体片的协同长大进行，连续向奥氏体中延伸，而横向长大是渗碳体片和铁素体片交互形成。,21,图3-8 共析钢过冷奥氏体在705等温转变过程的显微组织 a5min 50s； b19min 10s； c22min； d24min 10s；e66min 40s,22,转变过程中碳的扩散：,图3-9 片状珠光体形成时碳的扩散示意图,23,珠光体刚刚出现时，在三相(奥氏体、渗碳体、铁素体)共存的情况下，过冷奥氏体中的碳浓度是不均匀的，存在碳浓度差，从而引起碳的扩散。奥氏体中两界面处碳的
9、扩散；远离珠光体的奥氏体中C向渗碳体的扩散；与铁素体接壤的奥氏体中C向奥氏体远处的扩散；铁素体内部碳的扩散。,24,结论：概括以上所述，可以得出片状珠光体团的形成是渗碳体和铁素体横向沿奥氏体晶界或沿已形成的珠光体团界交替形核生长和纵向协同长大的结果。 晶体点阵的改组是通过部分铁原子的自扩散完成的。,25,（2）珠光体分枝长大 片状珠光体形成时，铁素体与渗碳体不是交替配合协同长大的：在位错区域形成的渗碳体晶核，成长过程中分枝长大； 铁素体与渗碳体具有确定的晶体学位向关系。这两个原因导致珠光体反常长大。,图3-10 过共析钢中的几种反常组织,26,（3）台阶机制长大 共析铁素体和渗碳体两相与母相的
10、相界面是由连续的长大台阶所整合的。界面迁移依赖台阶的横向运动。,图3-11 珠光体转变时各相界面位置示意图,27,图3-12 珠光体长大台阶形成F/C阶梯,28,三、粒状珠光体的形成机制,获得粒状珠光体的途径有四个： 加热转变不充分，奥氏体中尚存未溶碳化物颗粒或许多高碳区，然后将过冷奥氏体缓冷而得到； 片状珠光体的低温退火球化而获得； 对于马氏体、贝氏体组织的钢在Al稍下进行高温回火使碳化物析出并球化； 通过形变诱导铁素体超量析出，使变形奥氏体中碳的分布不均匀，然后在线保温或缓冷得到。,29,1、特定条件下过冷奥氏体的分解 （1）、奥氏体化温度降低，保温时间较短，加热转变未充分进行，此时在奥氏
11、体中有许多未溶的残留碳化物或许多微小的高浓度碳的富集区； （2）、转变为珠光体的等温温度要高，等温时间要足够长，或者冷却速度极慢。,30,2、片状珠光体的低温退火 将片状珠光体加热到Al稍下的较高温度长时间保温，片状珠光体能够自发地变为颗粒状的珠光体。 根据胶态平衡理论，第二相颗粒的溶解度与质点的曲率半径有关，曲率半径越小，其溶解度越高。因此片状渗碳体的尖角处溶解度高于平面处的溶解度。,31,图3-13 片状渗碳体球化机理示意图,32,片状渗碳体的球化过程：,图3-14 片状渗碳体溶断、球化过程示意图,（1）在A1以下，片状渗碳体的球化是通过渗碳体片的破裂、断开而逐渐成为球状的。 （2）在A1
12、以上的奥氏体形成过程中，未转变的片状渗碳体也会按照上述机制溶断、球化。,33,3、高温回火 对马氏体或贝氏体进行高温回火，析出的细小弥散的碳化物不断聚集粗化，最后可以得到球状珠光体组织。 原始片状珠光体组织细小，可以加快碳化物的球化过程。,34,4、形变球化 若在稍高于临界点Ar3施加大应变量形变，形变后等温或缓冷处理，可以直接获得铁素体加细小弥散渗碳体的球化组织。,35,第三节 亚(过)共析钢的珠光体转变,一、亚（过）共析钢先共析相的形态,图3-15 先共析相的析出温度范围,36,先共析铁素体的形态有三种：网状、块状和片状。 先共析铁素体的核大都在奥氏体晶界上形成，并不断向奥氏体内长大。,图
13、3-16 亚共析钢的先共析铁素体形态示意图,37,、当转变温度比较高时，非共格界面迁移比较容易，铁素体将向奥氏体晶粒一侧长成球冠状。 如果原奥氏体碳含量较高，则当晶界上的铁素体晶核长大并连成网状时，剩余奥氏体的碳浓度可能已经接近共析成分，将转变为珠光体； 如果原奥氏体碳含量比较低，先共析铁素体量较多，故先共析铁素体可以长成块状。剩余的碳富化了的奥氏体将转变为珠光体。,38,图3-17 先共析铁素体形成示意图,39,、当转变温度较低时，共格界面迁移成为主要方式。为减少弹性能，铁素体将以条片状沿奥氏体某一晶面向晶粒内长大。 通常将先共析片状铁素体称为魏氏组织铁素体。,40,图3-18 先共析铁素体
14、的形态与转变温度及碳含量的关系,41,影响先共析铁素体形态的因素： 当含碳量大于0.4时，主要形成网状铁索体G。 当碳含量低于0.2时，主要形成块状铁素体M。 当碳含量为0.2-0.4之间时，主要形成魏氏组织铁素体W。 当钢的成分一定时，先共析铁素体的形态就决定于转变温度和冷却速度。,42,过共析渗碳体的形态，可以是粒状的、网状的或针(片)状的。 如果过共析钢具有网状或针（片）状渗碳体组织，将显著增大钢的脆性。因此，过共析钢件毛坯的退火加热温度，必须在Acm点以下，以避免网状渗碳体的形成。 对于具有网状或针(片)状渗碳体的钢料，为了消除网状或针(片)状渗碳体，必须加热到Acm点以上，使碳化物全
15、部溶于奥氏体中，然后快速冷却，使先共析渗碳体来不及析出，而后再进行球化退火。,43,二、伪共析组织的形成 如果将亚（过）共析钢从奥氏体区以较快的速度冷却下来，这时候先共析铁素体（渗碳体）还来不及析出，奥氏体就被过冷到ES或GS的延长线以下。将从奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体。 分解机制和分解产物的组织特征与珠光体转变完全相同，但其中的铁索体和渗碳体的量则与珠光体不同，它是随着奥氏体的碳含量而变化的，碳含量愈高，渗碳体量愈多。,44,三、钢中的魏氏组织 魏氏组织：工业上将具有先共析片(针)状铁索体或针(片)状渗碳体加珠光体的组织，都称为魏氏组织。前者称为-Fe魏氏组织，后者称为渗碳体魏氏组织。
16、1、魏氏组织的形态和分布 -Fe魏氏组织中的先共析铁素体是在原奥氏体晶粒内部呈片（针）状分布的。 先共析渗碳体在奥氏体晶粒内部呈针状析出。,45,图3-19 魏氏组织铁素体组织形貌,46,2、魏氏组织的形成条件和特征 魏氏组织易在粗晶粒的奥氏体中形成，且魏氏组织的形成与钢的化学成分有关。 当钢的碳含量超过0.6%时魏氏织织铁素体较难形成，钢中加入猛，会促进魏氏组织铁素体的形成，而加入钼、铬、硅等则会阻碍魏氏组织的形成。 在连续冷却时，魏氏组织只在一定冷却速度下才能形成，过慢或过快的冷却速度都会抑制它的产生。,47,3、魏氏组织的力学性能 魏氏组织以及经常与其伴生的粗晶组织，会使钢的力学性能，尤
17、其塑性和冲击韧性显著降低，还会使钢的脆性转变温度升高。,48,第四节 珠光体转变动力学,一、珠光体转变的形核率J和长大速度v 1、J和v与转变温度的关系：珠光体的形核率和长大速度均随着过冷度的增加先增后减。,图3-20 共析钢珠光体转变的形核率J及线长大速度v与温度的关系,49,2、J和v与转变时间的关系：当转变温度一定时，随着转变时间的增长，形核率逐渐增大。,图3-21 共析碳钢在680时珠光体转变形核率J与等温时间的关系,50,二、珠光体等温转变动力学图,TTT图的特点：珠光体形成初期有一孕育期。随着转变温度的降低，孕育期逐渐缩短，温度再降低，孕育期又增加。一般在550时孕育期最短，也就是
18、转变速度最快，通常把这个地方称为C曲线的鼻子。,图3-22 共析碳钢珠光体转变动力学图,51,图3-23 亚共析钢珠光体等温转变动力学图,图3-24 过共析钢珠光体等温转变动力学图,52,三、影响珠光体转变动力学的因素,1、奥氏体固溶碳含量的影响 亚共析钢随着奥氏体中碳含量的增加，析出先共析铁素体的孕育期增长，析出速度减慢。珠光体转变孕育期随之增长，转变速度随之下降。 过共析钢经过完全奥氏体化以后，随着含碳量的增加，析出先共析渗碳体的孕育期缩短，析出速度加快。珠光体转变的孕育期也随之缩短，形成速度增大。 2、奥氏体状态的影响 奥氏体晶粒细小，组织中残留碳化物，成分不均匀等都将促进珠光体转变。,
19、53,3、合金元素的影响,图3-25 合金元素对珠光体转变动力学的影响的示意图,合金元素充分固溶于奥氏体中时，除了Co以外，其它所有的常用合金元素都使钢的C曲线右移；除了Ni以外，其它所有常用的合金元素都使C曲线上移。,54,合金元素的影响机制1）合金元素自扩散的影响2）合金元素对碳扩散的影响3）合金元素对转变的影响4）合金元素对相变临界点的影响5）合金元素对/界面移动的拖拽作用,55,4、奥氏体化温度和保温时间的影响提高奥氏体化温度和延长保温时间，降低珠光体转变速度。 5、应力和塑性变形的影响拉应力和塑性变形将促进珠光体转变；三向压应力将减慢珠光体的转变速度。,56,第五节 珠光体转变产物的
20、力学性能,一、共析成分珠光体的力学性能,图3-26 共析碳素钢的珠光体团直径和片间距对断裂强度的影响,57,图3-27 共析碳素钢的珠光体团直径和片间距对断裂收缩率的影响,58,1、随着珠光体的片间距和珠光体团的直径减小，珠光体的强度、硬度和塑性都会升高。原因： 片间距减小，相界面增多，位错不易滑动，抗塑性变形能力增大，所以使强度、硬度升高。 铁素体、渗碳体片很薄时，容易滑移变形，也容易弯曲，使钢的塑性变形能力增大，因而提高塑性。 珠光体团直径减小，表明单位体积内片层排列方向增多，使局部发生大量塑性变形引起应力集中的可能性减少，因而既提高了强度又提高了塑性。,59,2、当钢的成分一定时，粒状珠
21、光体中碳化物颗粒越细，硬度、强度越高，碳化物分布越均匀，韧性越好。 3、相同成分的粒状珠光体与片状珠光体相比，强度、硬度较低，塑性、韧性较高。原因： 粒状珠光体比片状珠光体常具有较少的相界面，铁素体中位错易于滑动，故使塑性变形抗力减小；另一方面，由于相界面少，界面上位错塞积就多，正应力大。这两方面的因素均使强度降低。 渗碳体呈颗粒状，没有尖角，不易产生应力集中，所以粒状珠光体的塑性好。,60,4、粒状珠光体常常是高碳钢（高碳工具钢）切削加工前要求获得的组织形态。 5、强度相同时，粒状珠光体比片状珠光体具有更高的疲劳强度。 6、等温冷却比连续冷却条件更能获得均匀的珠光体组织，从而使珠光体具有更好的拉伸性能和疲劳性能。,61,二、亚、过共析钢珠光体转变产物的力学性能 随着珠光体相对量的增加，塑性下降；随着铁素体晶粒的细化，塑性、韧性升高。 过共析钢珠光体转变产物中的渗碳体为脆性相，沿晶界呈网状分布时，会造成晶界脆断，必须消除。,62,三、派登处理 就是使高碳钢获得细珠光体（索氏体组织），再经过深度冷拔，获得高强度钢丝。 具体步骤如下：高碳钢奥氏体化铅浴等温(560)得到索氏体冷拉(使铁素体内位错密度提高，强度上升，片间距下降，而使渗碳体不致脆断)。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。,
