钢的珠光体转变

二 粒状珠光体形成机理

片状Fe3C的表面积大于同体积的粒状Fe3C，从 能量考虑，Fe3C球化是一个自发过程，根据胶态 平衡理论，第二相质点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，片状 Fe3C的尖角处溶解度高于平面处的溶解度，使得 周围铁素体与Fe3C尖角接壤处的碳浓度大于与平 面接壤处的碳浓度，引起碳的扩散。扩散的结果 破坏了界面的碳浓度平衡，为了恢复平衡，Fe3C 尖角处将进一步溶解，Fe3C平面将向外长大，如 此不断进行，最终形成了各处曲率半径相近的粒 状Fe3C。




2. 含碳量的影响 过共析钢S0<亚共析钢S0 亚共析钢：C%↓，S0 ↑ 3. 合金元素的影响 Co、Cr显著减小S0 Ni、Mn、Mo使S0 增大。
三 片状珠光体的晶体学

铁素体与母相奥氏体保持K-S关系：

渗碳体与奥氏体之间保持Pitsch关系：
四 珠光体的性能特点

光镜形貌
电镜形貌
索氏体形貌像
③屈氏体（T）: 片间距约为80～ 30nm，形成于600～550℃温度范围内。 在光学显微镜下已很难分辨出铁素体和 渗碳体片层状组织形态。极细片状的P屈氏体,35～40HRC。
电镜形貌 屈氏体形貌像
光镜形貌
珠光体、索氏体和屈氏体比较
珠光体
索氏体
屈氏体
珠光体、索氏体、屈氏体之间无本质区别， 都是出铁素体和渗碳体片层相间组织，其形成 温度也无严格界线，只是其片层厚薄和片间距 不同。

片状Fe3C的断裂与其内部的晶体缺陷有关， 若Fe3C片内存在亚晶界，将在亚晶界面上 产生一界面张力，从而使片状Fe3C在亚晶 界处出现沟槽，沟槽两侧将成为曲面，与 平面相比具有较小的曲率半径，因此溶解 度较高，曲面处的Fe3C溶解而使曲率半径增 大，破坏了界面张力平衡。为了恢复平衡， 沟槽进一步加深。如此循环直至Fe3C片溶 穿。


珠光体的机械性能取决于 (1)层片间距S0； (2)珠光体团尺寸； (3)F亚结构。


1.珠光体层片间距S0
S0减小，相界面增多，相界面阻碍位错运动 的能力增加，变形抗力提高，强度提高；另外S0 减小，Fe3C变薄，易弯曲和滑移使塑性提高。


2.珠光体团尺寸
珠光体团尺寸与珠光体形成温度和原奥氏体 晶粒尺寸有关珠光体形成温度低和奥氏体晶粒尺 寸细小导致珠光体团尺寸小，单位体积内片层排 列方向增多，应力集中可能性降低，导致强度和 塑性提高；反之强度和塑性降低。
① 珠光体（P）: 片间距约为450～150nm， 形成于A1 ～650℃温度范围内。在光学显微镜 下可清晰分辨出铁素体和渗碳体片层状组织形 态。5～25HRC。
光镜形貌
电镜形貌
珠光体形貌像
②索氏体(S): 片间距约为150～ 80nm，形成于650～600℃温度范围内。 只有在800倍以上光学显微镜下观察才 能分辨出铁素体和渗碳体片层状组织形 态。细片状P－索氏体，25～36HRC。
--Larger T: diffusion is faster --Pearlite is coarser.
• Ttransf well below TE
--Smaller T: diffusion is slower --Pearlite is finer.
- Smaller T: colonies are larger

(2)远离珠光体晶核的奥氏体，其含碳量Cγ 为共析成分的含碳量，因为有Cr-Fe3C ≤Cγ≤ Cr-a，所以，远离珠光体晶核的奥氏体中的 C原子向与Fe3C相接的奥氏体扩散使其形成 珠光体的Fe3C；而与F相接的奥氏体中的C 原子向远离珠光体晶核方向扩散使其形成 珠光体的F。




(3)在已形成的珠光体中，与奥氏体相接的 铁素体中的C原子向与Fe3C相接铁素体中扩 散。 (4)珠光体晶核一端与母相奥氏体保持不可 动的共格晶面，形成一定的晶体学位向关 系，另一端(可动)长入奥氏体晶内，完成纵 向长大。 (5)为了减少应变能，珠光体呈片状，C原子 扩散路程短，有利于扩散。 (6)Fe原子自扩散完成晶格改组。
C的扩散




Cr-a—与铁素体相接的 奥氏体C%； Cr-Fe3C—与Fe3C相接的 奥氏体C%； Ca-r—与奥氏体相接的 铁素体C%； Ca-Fe3C—与Fe3C相接的 铁素体C%。

(1)由于过冷奥氏体中存在C浓度不均匀，导 致C原子扩散，C原子扩散破坏该温度下的C 浓度平衡，为了恢复平衡，与铁素体相接 的奥氏体形成铁素体排出C使碳浓度升高到 Cr-a ，与Fe3C相接的奥氏体形成Fe3C使碳浓 度降低到Cr-Fe3C ，其结果导致C原子扩散再 次发生。如此反复，珠光体晶核纵向长入 奥氏体晶内。
EUTECTOID •TRANSFORMATION RATE ~ T Growth of pearlite from austenite:
• Reaction rate increases with T.
EX: COOLING HISTORY Fe-C • Eutectoid composition, C = 0.77wt%C SYSTEM • Begin at T > 727C
第三章 钢的珠光体转变
本章内容提要： 珠光体(P)的组织形态、晶体结构 珠光体形成的热力学条件、形成过程、 形成机制 亚(过)共析钢的珠光体转变、先共析相 的析出条件 珠光体转变动力学和影响因素 珠光体的力学性能、影响力学性能的因 素
3.1 珠光体的组织特征
珠光体类转变是过冷奥氏 体在临界温度A1以下比较高的 温度范围内进行的转变，将分 解为铁素体与渗碳体的混合物， 称为珠光体转变，又称高温转 变。产物为珠光体。 铁素体和渗碳体两相的含 碳量、晶体结构相差悬殊且与 奥氏体截然不同，转变时必然 发生C的扩散和晶格的改组， 因此珠光体转变是典型的扩散 型相变。 根据奥氏体化温度和奥氏 体化程度不同，过冷奥氏体可 形成片状珠光体和粒状珠光体， 前者渗碳体呈片状，后者渗碳 体呈粒状。
3.2 珠光体转变的机理
一、珠光体形成的两个基本过程
珠光体转变过程包括两个同时进行的过程：
（1）通过碳原子的扩散使奥氏体分解为高 碳的Fe3C和低碳的F； （2）通过铁原子的扩散发生晶体结构的 改组。过程如下（ A冷至Ar1 以下 ）：
A → P（F ＋ Fe3C） 面心 体心 复杂斜方 0.77% 0.0218% 6.69%
- Larger T: colonies are smaller
NUCLEATION AND • Reaction rate isGROWTH a result of nucleation and growth
of crystals. Nucleation rate increases with T Growth rate increases with T
一、片状珠光体 共析成分的奥氏体冷却到 A1 以下时，将分解为铁素 体与渗碳体的混合物，称为珠光体。 1. 概念 片状珠光体：过冷奥氏体缓冷所得的铁素体与渗碳 体呈层片相间组织； 珠光体团：片状珠光体的片层位向大致相同的区域 称为珠光体团，在一个奥氏体晶粒内，可有几个珠光 体团。 珠光体片间距：珠光体团中相邻的两片渗碳体(或铁 素体)中心之间的距离称为珠光体的片间距，用S0表示。
二、粒（球）状珠光体
粒状珠光体：渗碳体 以粒状分布于铁素体基体 中。它一般通过特定的热 处理获得。渗碳体颗粒大 小、形状与所采用的热处 理工艺有关。渗碳体颗粒 的多少与WC有关。 在高碳钢中按渗碳体 颗粒大小将粒状珠光体分 为粒状P、细粒状P、点 状P。 其他类型的珠光体，如 碳化物呈纤维状和针状。
3.2.3 珠光体的形成过程
一、片状珠光体形成过程
片状珠光体形成依赖于扩散，以得到所需要的浓 度变化以及结构变化，转变也是一个形核和长大的 过程。 1、 形核 （a）形核位置：Fe3C形核于奥氏体晶界或奥氏 体晶内未溶Fe3C粒子。珠光体优先在奥氏体晶界上 或其他晶体缺陷处形核。？ （b）晶核的形状：薄片。因表面积大，易接受 扩散来的原子，且ห้องสมุดไป่ตู้变能小。


横向长大：奥氏体晶核内形成一片Fe3C，立刻就 有两边F相连，搭桥机制。 珠光体分枝长大：(反常长大) 正常的片状珠光体形成时，铁素体与渗碳体是交 替配合长大的，但在某些情况下，铁素体与渗碳 体不是交替配合长大的。
二、粒状珠光体形成机制
粒状珠光体一般通过特定的热处理获得。 生产中广泛应用的球化退火、淬火＋高温回 火，即通过下述方法得到粒状珠光体。 特定的热处理条件是： (1) 低的奥氏体化温度，短的保温时间， 加热转变未充分，有较多的未溶渗碳体粒子。 (2) A→P临界点下高的等温温度，长的 等温保温时间，冷却速度极慢，以得到粒状 珠光体。 （3）淬火＋高温回火（调质处理）
A → F + Fe3C
共析成分的奥氏体，在临界点以下发生如下转变：
2、 长大 Fe3C薄片向纵向、横向长大，不断吸收周 围碳原子→ 在Fe3C两侧或奥氏体晶界上贫碳 区，形成F核→Fe3C纵向长大(横向已不可能)， F纵向长大、横向长大，于F侧的同一位向形 成Fe3C，在同一位向交替形成F与Fe3C，形成 一个珠光体团。 在不同位向形成另一个珠光体团→珠光体 团互相接触，转变结束。 片状P的长大方式：（1）交替形核、纵向 长大； （2）横向长大；（3）分枝形式长大。
电镜形态
2、片状珠光体分类 生产上根据珠光体片间距的大小，可将珠光 体类型组织分为三种: ①珠光体: 片间距约为450 ～ 150nm，形成于 A1 ～ 650℃温度范围内。在光学显微镜下可清晰 分辨出铁素体和渗碳体片层状组织形态。 ②索氏体: 片间距约为150～80nm，形成于 650-600℃温度范围内。只有在800倍以上光学显 微镜下观察才能分辨出铁素体和渗碳体片层状组 织形态。 ③屈氏体: 片间距约为80～30nm，形成于 600～550℃温度范围内。在光学显微镜下已很难 分辨出铁素体和渗碳体片层状组织形态。