珠光体转变1

珠光体转变珠光体转变是过冷奥氏体在临界温度A 1以下比较高的温度范围内进行的转变，共析碳钢约在A 1~500℃温度之间发生，又称高温转变。

珠光体转变是单相奥氏体分解为铁素体和渗碳体两个新相的机械混合物的相变过程，因此珠光体转变必然发生碳的重新分布和铁的晶格改组。

由于相变在较高的温度下进行，铁、碳原子都能进行扩散，所以珠光体转变是典型的扩散型相变。

珠光体转变在热处理实践中极为重要，因为在钢的退火与正火时所发生的都是珠光体转变。

退火与正火可以作为最终热处理，即工件经退火或正火后直接交付使用，因此在退火与正火时必须控制珠光体转变产物的形态（如片层的厚度、渗碳体的形态等），以保证退火与正火后所得到的组织具有所需要的强度、塑性与韧性等。

退火与正火也可以作为预备热处理，即为最终热处理作好组织准备，这就要求退火或正火所得组织能满足最终热处理的需要。

另外，为使奥氏体能过冷到低温，使之转变为马氏体或贝氏体，必须要保证奥氏体在冷却过程中不发生珠光体转变。

为了解决上述一系列问题，就必须对珠光体转变过程、转变机理、转变动力学、影响因素以及珠光体转变产物的性能等进行深入的研究。

珠光体……Pearlite在液态铁碳合金中，首先单独结晶的渗碳体（一次渗碳体）为块状，角不尖锐，共晶渗碳体呈骨骼状。

过共析钢冷却时沿Acm 线析出的碳化物（二次渗碳体）呈网结状，共析渗碳体呈片状。

铁碳合金冷却到Ar 1以下时，由铁素体中析出渗碳体（三次渗碳体），在二次渗碳体上或晶界处呈不连续薄片状。

一、珠光体的组织形态与晶体结构（一）珠光体的组织形态珠光体是过冷奥氏体在A 1以下的共析转变产物，是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。

通常根据渗碳体的形态不同，把珠光体分为片状珠光体、粒状（球状）珠光体和针状珠光体，其中片状和粒状珠光体是两种常见的珠光体组织。

1、片状珠光体渗碳体呈片状，是由一层铁素体和一层渗碳体层层紧密堆叠而成。

（1）珠光体团片层排列方向大致相同的区域，称为珠光体团、珠光体领域或珠光体晶粒。

在一个原奥氏体晶粒内可以形成几个珠光体团。

（2）珠光体的片间距离S 0在片状珠光体中，一片铁素体和一片渗碳体的总厚度或相邻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离，用S 0表示。

S 0与珠光体的形成温度有关，可用下面的经验公式表示：TC S ∆=0 式中C=8.02×104（Å·K ），ΔT ……过冷度（K ）S 0的大小取决于珠光体形成温度的原因，可以用碳原子扩散与温度的关系、界面能与奥氏体与珠光体间的自由能之差来解释。

形成温度降低，碳的扩散速度减慢，碳原子难以作较大距离的迁移，故只能形成片间距离较小的珠光体。

珠光体形成时，由于新的铁素体和渗碳体的相界面的形成将使系统的界面能增加，片间距离越小，相界面面积越大，界面能越高，增加的界面能由奥氏体与珠光体的自由能之差来提供，过冷度越大，奥氏体与珠光体的自由能差别越大，能够提供的能量越多，能够增加的界面面积越大，故片间距离就能减小。

（3）片状珠光体的分类通常所说的珠光体是指在光学显微镜下能清楚分辨出片层状态的一类珠光体，而当片间距离小到一定程度后，光学显微镜就分辨不出片层的状态了。

根据片间距离的大小，通常把珠光体分为普通珠光体、索氏体和屈氏体。

普通珠光体P ：S 0=1500~4500 Å，光学显微镜下能清晰分辨出片层结构；索氏体S ： S 0=800~1500 Å，光学显微镜下很难分辨出片层结构；屈氏体T ： S 0=300~800 Å，光学显微镜下无法分辨片层结构。

但是在电子显微镜下观察各类片状珠光体是没有区别的，只是片间距离不同而已。

珠光体的片间距离取决于奥氏体分解时的过冷度。

过冷度越大，所形成的珠光体片间距离越小。

在A1~650℃形成的珠光体片层较厚，在金相显微镜下放大400倍以上可分辨出平行的宽条铁素体和细条渗碳体，称为粗珠光体、片状珠光体，简称珠光体。

在650~600℃形成的珠光体用金相显微镜放大500倍，从珠光体的渗碳体上仅看到一条黑线，只有放大1000倍才能分辨的片层，称为索氏体。

在600~550℃形成的珠光体用金相显微镜放大500倍，不能分辨珠光体片层，仅看到黑色的球团状组织，只有用电子显微镜放大10000倍才能分辨的片层称为屈氏体。

2、粒状珠光体渗碳体呈颗粒状，均匀地分布在铁素体基体上的组织，同样是铁素体与渗碳体的机械混合物，铁素体呈连续分布。

按渗碳颗粒的大小，料状珠光体可以分为粗粒状珠光体、粒状珠光体、细粒状珠光体和点状珠光体。

它由过共析钢经球化退火或马氏体在650℃~A1温度范围内回火形成。

其特征是碳化物成颗粒状分布在铁素体上。

3、针状珠光体当钢中含有一定数量的Cr，在转变温度较低时，可形成一类特异形态的珠光体，其组织外形呈黑色针状，整体呈冰花状。

（二）珠光体的晶体结构虽然，珠光体有多种形态，但是本质上都是铁素体与渗碳体的机械混合物。

1、珠光体相变的位向关系通常珠光体均在奥氏体晶界上形核，然后向一侧的奥氏体晶粒内长大成珠光体团，珠光体团中的铁素体及渗碳体与被长入的奥氏体晶粒之间不存在位向关系，形成可动的非共格界面，但与另一侧的不易长入的奥氏体晶粒之间则形成不易动的共格界面，并保持一定的晶体学位向关系。

在一个珠光体团中的铁素体与渗碳体之间存在着一定的晶体学位向关系，这样形成的相界面，具有较低的界面能，同时这种界面可有较高的扩散速度，以利于珠光体团的长大。

2、珠光体的亚结构退火状态下的珠光体中，铁素体内具有位错来亚结构，位错密度约为107~108/cm2，在一片铁素体中存在有亚晶界，构成许多亚晶粒。

淬火回火的粒状珠光体中铁素体基体具有多边化亚结构，通过退火得到的粒状珠光体中的铁素体，由于在退火时发生了再结晶，位错密度较低，因此不出现亚晶粒。

珠光体中渗碳体的亚结构目前认识还不清楚，从珠光体中萃取出来的渗碳体观察到了位错，同时也看到了由均匀刃型位错组成的小角度晶界。

二、珠光体形成机制（一）珠光体形成的热力学条件珠光体相变的驱动力同样来自于新旧两相的体积自由能之差，相变的热力学条件是“要在一定的过冷度下相变才能进行”。

奥氏体过冷到A1（727）以下，将发生珠光体转变。

发生这种转变，需要一定的过冷度，以提供相变时消耗的化学自由能。

由于珠光体转变温度较高，Fe和C原子都能扩散较大距离，珠光体又是在位错等微观缺陷较多的晶界成核，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。

（二）片状珠光体的形成机制1、珠光体相变的领先相珠光体相变符合一般的相变规律，是一个形核及核长大过程。

由于珠光体是由两个相组成，因此成核有领先相问题。

晶核究竟是铁素体还是渗碳体？很明显，铁素体和渗碳体在同一微小区域同时出现的可能性是很小的。

这个问题，由于很难通过实验来直接验证。

所以到目前为止，还没有一个统一的认识。

某些研究认为，珠光体形成的领先相，可以随相变发生的温度和奥氏体成分的不同而异。

过冷度小时渗碳体是领先相；过冷度大时铁素体是领先相。

在亚共析钢中铁素体是领先相，在过共析钢中渗碳体是领先相，而在共析钢中渗碳体和铁素体作领先相的趋势是相同的。

但是，一般认为共析钢中珠光体形成时的领先相是渗碳体，其原因如下：（1）珠光体中的渗碳体与从奥氏体中析出的先共析渗碳体的晶体位向相同，而珠光体中的铁素体与直接从奥氏体中析出的先共析铁素体的晶体位向不同；（2）珠光体中的渗碳体与共析转变前产生的渗碳体在组织上常常是连续的，而珠光体中的铁素体与共析转变前产生的铁素体在组织上常常是不连续的；（3）奥氏体中未溶解的渗碳体有促进珠光体形成的作用，而先共析铁素体的存在，对珠光体的形成则无明显的影响。

2、珠光体的形成机理γ(0.77%C) → α(~0.02%C) + cem (6.67%C)(面心立方) （体心立方） （复杂单斜）从上面的反应方程，可以看出，珠光体的形成过程，包含着两个同时进行的过程，一个是碳的扩散，以生成高碳的渗碳体和低碳的铁素体；另一个是晶体点阵的重构，由面心立方的奥氏体转变为体心立方点阵的铁素体和复杂单斜点阵的渗碳体。

（1）形核条件：同样需要满足系统内的“结构起伏、成分起伏和能量起伏”。

部位：晶核多半产生在奥氏体的晶界上（晶界的交叉点更有利于珠光体晶核形成），或其它晶体缺陷（如位错）比较密集的区域。

这是由于在这些部位有利于产生能量、成分和结构起伏，晶核就在这些高能量、接近渗碳体的含碳量和类似渗碳体晶体点阵的区域产生。

但是，当奥氏体中碳浓度很不均匀或者有较多未溶解的渗碳体存在时，珠光体的晶核也可以在奥氏体晶粒内出现。

形状：片状形核。

首先在奥氏体晶界上形成一小片渗碳体，这就可以看成是珠光体转变的晶核。

片状形核的原因是：1新相产生时引起的应变能较小；2片状伸展时获得碳原子的面积增大；3片状形核时碳原子的扩散距离相对缩短。

（2）长大下图是片状珠光体形成过程示意图。

由于能量、成分和结构的起伏，首先在奥氏体晶界上产生了一小片渗碳体（晶核）。

这种片状珠光体晶核，按非共格扩散方式不仅向纵的方向长大，而且也向横的方向长大。

渗碳体横向长大时，吸收了两侧的C 原子，而使其两侧的奥氏体含碳量降低，当碳含量降低到足以形成铁素体时，就在渗碳体片两侧出现铁素体片。

新生成的铁素体片，除了伴随渗碳体片向纵向长大外，也向横向长大。

铁素体横向长大时，必然要向两侧的奥氏体中排出多余的C ，因而增高侧面奥氏体的C 浓度，这就促进了另一片渗碳体的形成，出现了新的渗碳体片。

如此连续进行下去，就形成了许多铁素体-渗碳体相间的片层。

珠光体的横向长大，主要是靠铁素体和渗碳体片不断增多实现的。

这时在晶界的其它部分有可能产生新的晶核（渗碳体小片）。

当奥氏体中已经形成了片层相间的铁素体与渗碳体的集团，继续长大时，在长大着的珠光体与奥氏体的相界上，也有可能产生新的具有另一长大方向的渗碳体晶核，这时在原始奥氏体中，各种不同取向的珠光体不断长大，而在奥氏体晶界上和珠光体-奥氏体相界上，又不断产生新的晶核，并不断长大，直到长大着的各个珠光体晶群相碰，奥氏体全部转变为珠光体时，珠光体形成即告结束。

由上述珠光体形成过程可知，珠光体形成时，纵向长大是渗碳体片和铁素体片同时连续向奥氏体中延伸；而横向长大是渗碳体片与铁素体片交替堆叠增多。

3、珠光体转变时碳的扩散规律当珠光体刚刚出现是时，在三相共存的情况下，过冷奥氏体的C 浓度是不均匀的，C 浓度分布情况可由Fe-Fe 3C 相图得到，如图所示，即与铁素体相接的奥氏体C 浓度C r-a 较高，与渗碳体接触处的奥氏体的C 浓度C r-cem 较低。

因此在奥氏体中就产生了C 浓度差，从而引起了C 的扩散，其扩散示意图如图所示。