珠光體轉(zhuǎn)變課程

珠光體轉(zhuǎn)變課程第1頁(yè)/共71頁(yè)第2頁(yè)/共71頁(yè)第3頁(yè)/共71頁(yè)退火：將鋼加熱至臨界點(diǎn)Ac1以上或以下溫度，保溫后隨爐緩慢冷卻以獲得近于平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。目的：（1）消除組織缺陷；（2）均勻化學(xué)成分及組織，細(xì)化晶粒，提高鋼的力學(xué)性能，減少殘余應(yīng)力；（3）降低硬度，提高塑性和韌性，改善切削加工性能。獲得珠光體組織的熱處理工藝第4頁(yè)/共71頁(yè)各種退火加熱溫度范圍第5頁(yè)/共71頁(yè)正火：將鋼加熱至Ac3或Acm以上適當(dāng)溫度，保溫后在空氣中冷卻得到珠光體類(lèi)組織的熱處理工藝。與完全退火不同點(diǎn)：正火冷卻速度較快，轉(zhuǎn)變溫度較低，因此獲得的珠光體組織較細(xì)，鋼的強(qiáng)度和硬度也較高。目的：（1）改善鋼的切削加工性能；（2）消除熱加工缺陷組織，均勻組織，細(xì)化晶粒，消除內(nèi)應(yīng)力；（3）消除過(guò)共析鋼的網(wǎng)狀碳化物，便于球化處理；（4）提高普通結(jié)構(gòu)零件的機(jī)械性能。應(yīng)用：一般作為預(yù)備熱處理，也可作大型或形狀復(fù)雜零件的終熱處理。第6頁(yè)/共71頁(yè)珠光體轉(zhuǎn)變?cè)跓崽幚恚ㄍ嘶鹋c正火）實(shí)踐中極為重要：退火與正火可以作為最終熱處理。即工件經(jīng)退火或正火后直接交付使用，因此在退火與正火時(shí)必須控制珠光體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形態(tài)，以保證退火與正火后所得到的組織具有所需的強(qiáng)度、塑性和韌性等。退火與正火也可以作為預(yù)備熱處理。即為最終熱處理最好準(zhǔn)備，這就要求退火或正火所得的組織能滿足最終熱處理的需要。保證不發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變。為使奧氏體能過(guò)冷到低溫，使之轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體，必須要保證奧氏體在冷卻過(guò)程中不發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變。珠光體轉(zhuǎn)變的過(guò)程、轉(zhuǎn)變機(jī)理、轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)、影響因素、珠光體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物性能。學(xué)習(xí)珠光體轉(zhuǎn)變的意義：第7頁(yè)/共71頁(yè)珠光體的組織形態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)；珠光體的形成過(guò)程、形成機(jī)制以及形成的熱力學(xué)條件；亞（過(guò)）共析鋼的珠光體轉(zhuǎn)變、先共析相的析出條件；珠光體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)和影響因素；珠光體的力學(xué)性能、影響力學(xué)性能的因素；本章知識(shí)點(diǎn)：第8頁(yè)/共71頁(yè)何為珠光體?珠光體是奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變所形成的鐵素體與滲碳體的共析體。何為珠光體轉(zhuǎn)變？共析相變平衡相變擴(kuò)散型相變第9頁(yè)/共71頁(yè)3.1珠光體的組織特征典型形態(tài)：片狀或?qū)訝钍氰F素體薄層和滲碳體薄層交替重疊的層狀復(fù)相物，也稱片狀珠光體，如圖所示。圖3-1共析碳鋼的片狀珠光體組織符號(hào)：P（Pearlite）含碳量ωc＝0.77％；第10頁(yè)/共71頁(yè)珠光體第11頁(yè)/共71頁(yè)第12頁(yè)/共71頁(yè)珠光體間距：

在片狀珠光體組織中，一對(duì)鐵素體片和滲碳體片的總厚度稱為“珠光體片層間距”，以S0表示。珠光體團(tuán)：片層方向大致相同的區(qū)域稱為“珠光體團(tuán)”或“珠光體晶?！?。片狀珠光體示意圖第13頁(yè)/共71頁(yè)片層間距大小和珠光體團(tuán)影響因素：珠光體的片層間距大小主要取決于珠光體的形成溫度。在連續(xù)冷卻條件下，冷卻速度愈大，珠光體的形成溫度愈低，即過(guò)冷度愈大，則片層間距S0就愈小。第14頁(yè)/共71頁(yè)第15頁(yè)/共71頁(yè)片狀珠光體的分類(lèi)：第16頁(yè)/共71頁(yè)屈氏體第17頁(yè)/共71頁(yè)珠光體第18頁(yè)/共71頁(yè)索氏體第19頁(yè)/共71頁(yè)屈氏體第20頁(yè)/共71頁(yè)T12A鋼的粒狀珠光體組織球狀珠光體的組織特征組成：鐵素體基體＋粒狀滲碳體典型形態(tài)：球狀或粒狀第21頁(yè)/共71頁(yè)3.2珠光體轉(zhuǎn)變機(jī)制2．珠光體轉(zhuǎn)變時(shí)的領(lǐng)先相1．珠光體的形成過(guò)程3．亞（過(guò)）共析鋼的珠光體轉(zhuǎn)變第22頁(yè)/共71頁(yè)2．珠光體的形成過(guò)程（1）片狀珠光體的形成過(guò)程相組成：γ→（α+Fe3C）碳含量：0.77%0.02%6.69%點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：面心立方體心立方復(fù)雜斜方第23頁(yè)/共71頁(yè)珠光體的形核形核部位條件：能量、成分和結(jié)構(gòu)起伏奧氏體晶界奧氏體晶內(nèi)（溫度較低）第24頁(yè)/共71頁(yè)珠光體轉(zhuǎn)變時(shí)的領(lǐng)先相:

過(guò)冷度小時(shí)滲碳體是領(lǐng)先相，過(guò)冷度大時(shí)鐵素體是領(lǐng)先相；在亞共析鋼中鐵素體是領(lǐng)先相，在過(guò)共析鋼中滲碳體是領(lǐng)先相；在共析鋼中兩者為領(lǐng)先相的幾率相同，但一般認(rèn)為領(lǐng)先相是滲碳體。珠光體鐵素體滲碳體領(lǐng)先相？（相變溫度和奧氏體成分）第25頁(yè)/共71頁(yè)領(lǐng)先相Fe3C形狀:第26頁(yè)/共71頁(yè)橫向長(zhǎng)大是滲碳體片與鐵素體片交替堆疊增多。縱向長(zhǎng)大是滲碳體片和鐵素體片同時(shí)連續(xù)地向奧氏體中延伸；片狀珠光體形成過(guò)程示意圖第27頁(yè)/共71頁(yè)γGESPα溫度碳含量Cγ/cemCγCγ/αCα/γCα/cemC%BAαγCα/γCγ/αC%CγSC%B'A'Fe3CγC%CγS'Ccem/γCγ/cem珠光體形成時(shí)碳的擴(kuò)散過(guò)程：ASαFe3CA'S'B'B第28頁(yè)/共71頁(yè)珠光體轉(zhuǎn)變過(guò)程第29頁(yè)/共71頁(yè)（2）粒狀珠光體的形成過(guò)程滲碳體片存在內(nèi)部缺陷，在亞晶界處出現(xiàn)溝槽第30頁(yè)/共71頁(yè)片狀滲碳體破斷、球化過(guò)程示意圖第31頁(yè)/共71頁(yè)片狀滲碳體破斷、球化過(guò)程第32頁(yè)/共71頁(yè)第33頁(yè)/共71頁(yè)獲得粒狀珠光體的途徑：第34頁(yè)/共71頁(yè)獲得粒狀珠光體的途徑：（二）片狀珠光體的低溫退火界面能減小的自發(fā)趨勢(shì)（片狀球化和析出相長(zhǎng)大）。第35頁(yè)/共71頁(yè)獲得粒狀珠光體的途徑：300～500oC500～650oC第36頁(yè)/共71頁(yè)第37頁(yè)/共71頁(yè)獲得粒狀珠光體的途徑：（四）形變球化：

若在稍高于臨界點(diǎn)Ar3施加大應(yīng)變量形變，形變后等溫或緩冷處理，可以直接獲得鐵素體加細(xì)小彌散滲碳體的球化組織。第38頁(yè)/共71頁(yè)3亞（過(guò)）共析鋼的珠光體轉(zhuǎn)變（1）偽共析轉(zhuǎn)變亞共析鋼緩慢冷卻時(shí)，先共析鐵素體+珠光體。過(guò)共析鋼緩慢冷卻時(shí)，先共析滲碳體+珠光體。

第39頁(yè)/共71頁(yè)亞（或過(guò)）共析鋼較快速度冷卻時(shí)，奧氏體中同時(shí)析出鐵素體和滲碳體，即珠光體組織，成分并非共析成分——偽共析轉(zhuǎn)變。第40頁(yè)/共71頁(yè)(2)亞（過(guò)）共析鋼先共析相的析出先共析相量的影響：先共析相的量的影響因素：碳在奧氏體中的擴(kuò)散（碳含量，析出溫度，冷卻速度）。碳含量↗

(或↘)，冷卻速度↗

，析出溫度↘，先共析量↘

。第41頁(yè)/共71頁(yè)先共析相形貌的影響：A，亞共析鋼：當(dāng)奧氏體晶粒較細(xì)小，等溫溫度較高或冷卻速度較慢時(shí)，F(xiàn)e原子可以充分?jǐn)U散，所形成的先共析鐵素體一般呈等軸塊狀。當(dāng)奧氏體晶粒較粗大，冷卻速度較快時(shí)，先共析鐵素體可能沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出。當(dāng)奧氏體成分均勻、晶粒粗大、冷卻速度又比較適中時(shí)，先共析鐵素體有可能呈片（針）狀，沿一定晶面向奧氏體晶內(nèi)析出，此時(shí)鐵素體與奧氏體有共格關(guān)系。第42頁(yè)/共71頁(yè)B，過(guò)共析鋼：先共析滲碳體的形態(tài)可以是粒狀、網(wǎng)狀或針（片）狀。過(guò)共析鋼在奧氏體成分均勻、晶粒粗大的情況下，滲碳體一般呈網(wǎng)狀或針（片）狀滲碳體，此時(shí)將顯著增大鋼的脆性。第43頁(yè)/共71頁(yè)組織控制：工業(yè)上，片（針）狀鐵素體或滲碳體加珠光體的組織稱為魏氏組織。魏氏組織——晶粒粗大——機(jī)械性能（尤其塑性和沖擊性能）顯著降低——鋼的脆性轉(zhuǎn)折溫度升高；魏氏組織→采用細(xì)化晶粒的正火、退火以及鍛造等等。第44頁(yè)/共71頁(yè)3.3珠光體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)1．珠光體的形核率I和長(zhǎng)大速度G2．珠光體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)圖3．先共折相的長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)4．影響珠光體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)的因素第45頁(yè)/共71頁(yè)第46頁(yè)/共71頁(yè)1．珠光體的形核率I和長(zhǎng)大速度G（1）形核率與轉(zhuǎn)變溫度T在均勻形核：一方面：隨轉(zhuǎn)變溫度T降低，過(guò)冷度增大，奧氏體與珠光體的自由能差增大，即相變驅(qū)動(dòng)力△Gv增大，使臨界形核功W減小,使形核率I增大。中間出現(xiàn)最大值；另一方面：隨轉(zhuǎn)變溫度T降低，原子擴(kuò)散能力減弱，因Q基本不變，使形核率I減小。第47頁(yè)/共71頁(yè)兩者都具有極大值特征，其極大值約在550℃左右。共析鋼的形核率和晶體長(zhǎng)大速度與轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系第48頁(yè)/共71頁(yè)（2）長(zhǎng)大速度G與轉(zhuǎn)變溫度T轉(zhuǎn)變溫度較高時(shí)珠光體團(tuán)一般長(zhǎng)大成等軸類(lèi)球形，各個(gè)方向上的長(zhǎng)大速度G基本相等，可由下式表示：S0

為珠光體的片層間距；Dcγ為C在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)；K為常數(shù)。由于S0反比于過(guò)冷度△T，而K正比于△T，所以式可改寫(xiě)為T(mén)↘,

ΔT↗,S0↘,C擴(kuò)散距離↘，G↗；T↘,Dc↘,G↘

；第49頁(yè)/共71頁(yè)兩者都具有極大值特征，其極大值約在550℃左右。共析鋼的形核率和晶體長(zhǎng)大速度與轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系第50頁(yè)/共71頁(yè)（3）形核率I和長(zhǎng)大速度G與轉(zhuǎn)變時(shí)間的關(guān)系當(dāng)轉(zhuǎn)變溫度一定時(shí)，隨轉(zhuǎn)變時(shí)間延長(zhǎng)，形核率I逐漸增大。等溫保持時(shí)間對(duì)珠光體的長(zhǎng)大速度G則無(wú)明顯的影響。共析鋼珠光體形核率與轉(zhuǎn)變時(shí)間的關(guān)系第51頁(yè)/共71頁(yè)2．珠光體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)圖根據(jù)不同溫度下珠光體的形核率和長(zhǎng)大速度與時(shí)間的關(guān)系，共析鋼的珠光體等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線如圖中實(shí)線所示：共析鋼的珠光體等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線第52頁(yè)/共71頁(yè)3．先共折相的長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)亞共析鋼（先共析鐵素體在奧氏體晶界上的長(zhǎng)大方向有兩個(gè)）：一是沿奧氏體晶界長(zhǎng)大（長(zhǎng)度方向）；二是向奧氏體晶內(nèi)長(zhǎng)大（厚度方向）：式中，S為鐵素體片的半厚度；t為鐵素體長(zhǎng)大時(shí)間；α為系數(shù)。先共析鐵素體的轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線也呈“C”字形，通常位于珠光體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線的左上方。并且隨著鋼中碳含量的增高，先共析鐵素體的析出線移向右下方。對(duì)于過(guò)共析鋼，若奧氏體化溫度在Acm點(diǎn)以上，則在等溫轉(zhuǎn)變過(guò)程中于珠光體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線的左上方有一條先共析滲碳體析出線。這條先共析滲碳體析出線，隨鋼中碳含量的增高，逐漸移向左上方。第53頁(yè)/共71頁(yè)4．影響珠光體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)的因素加熱溫度和保溫時(shí)間碳含量合金元素奧氏體晶粒度應(yīng)力和塑性變形第54頁(yè)/共71頁(yè)（1）加熱溫度和保溫時(shí)間的影響①奧氏體不均勻有利于珠光體的轉(zhuǎn)變。（低C區(qū)形成鐵素體，高C區(qū)形成滲碳體，加速C的擴(kuò)散，促進(jìn)P形成）②未溶解的滲碳體，可以作為共析相的非均勻成核或領(lǐng)先相。如奧氏體化溫度提高，保溫時(shí)間延長(zhǎng)，導(dǎo)致(P轉(zhuǎn)變速度降低)：降低加熱溫度，縮短保溫時(shí)間，加速珠光體的轉(zhuǎn)變！第55頁(yè)/共71頁(yè)（2）碳含量的影響對(duì)于亞共析鋼，奧氏體中碳含量↗，析出先共析鐵素體的孕育期↗，析出速度減慢↘。珠光體轉(zhuǎn)變的孕育期↗，轉(zhuǎn)變速度減慢↘。對(duì)于過(guò)共析鋼，在完全奧氏體化情況下，隨著鋼中碳含量↗，先共析滲碳體析出的孕育期↘，析出速度增大↗。珠光體轉(zhuǎn)變的孕育期↘，轉(zhuǎn)變速度增大↗。如果不完全奧氏體化（加熱溫度在A1和Acm之間），加熱組織為不均勻奧氏體加殘余碳化物，則具有促進(jìn)珠光體形核和晶體長(zhǎng)大的作用，使珠光體轉(zhuǎn)變時(shí)的孕育期↘，轉(zhuǎn)變速度↗第56頁(yè)/共71頁(yè)（3）合金元素的影響常用合金元素（除Co

外）使鋼的TTT曲線右移；常用合金元素（除Ni、Mn外）使珠光體轉(zhuǎn)變的“鼻尖”溫度移向高溫。影響機(jī)制:①合金元素自擴(kuò)散的影響觀點(diǎn)1：合金元素在轉(zhuǎn)變后期間接影響著珠光體的轉(zhuǎn)變，主要影響了碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度以及相變臨界點(diǎn)引起的。觀點(diǎn)2：轉(zhuǎn)變初期就受合金元素的擴(kuò)散所控制，合金元素較低的擴(kuò)散速度降低了珠光體的轉(zhuǎn)變速度。觀點(diǎn)3：當(dāng)轉(zhuǎn)變溫度較高和合金元素含量較高，轉(zhuǎn)變初期受合金元素的擴(kuò)散所控制，因此使得珠光體轉(zhuǎn)變速度降低。第57頁(yè)/共71頁(yè)②合金元素對(duì)碳擴(kuò)散的影響大多數(shù)降低碳的擴(kuò)散，Co則提高了擴(kuò)散速度；③合金元素對(duì)γ→α的影響

如Co則提高了γ→α的轉(zhuǎn)變速度；④合金元素對(duì)相變臨界點(diǎn)的影響

Ni，Mn降低A1，減小過(guò)冷度，珠光體轉(zhuǎn)變速度降低；而Co提高了A1，增大過(guò)冷度，珠光體轉(zhuǎn)變速度加快；⑤合金元素對(duì)γ∕α界面移動(dòng)的拖拽作用

Mn和Mo在γ∕α界面聚集，阻止了界面移動(dòng)的拖拽作用，從而降低先共析鐵素體的長(zhǎng)大速度，降低珠光體的形成速度。第58頁(yè)/共71頁(yè)（3）奧氏體晶粒度的影響奧氏體晶粒細(xì)小，單位體積內(nèi)的晶界面積增大，珠光體的形核部位增多，將促進(jìn)珠光體的形成。細(xì)小的奧氏體晶粒也將促進(jìn)先共析鐵素體和先共析滲碳體的析出。（4）應(yīng)力和塑性變形的影響對(duì)奧氏體施加拉應(yīng)力或進(jìn)行塑性變形，加速珠光體的轉(zhuǎn)變。晶體點(diǎn)陣畸變和位錯(cuò)密度增高，有利于C和Fe原子的擴(kuò)散及晶體點(diǎn)陣重構(gòu)，促進(jìn)珠光體的形核和晶體長(zhǎng)大，加速珠光體的轉(zhuǎn)變。變形溫度越低，珠光體轉(zhuǎn)變速度就越大。對(duì)奧氏體施加等向壓應(yīng)力，減慢珠光體的形成速度。

原子遷移阻力增大，C和Fe原子的擴(kuò)散及晶體點(diǎn)陣重構(gòu)困難，將降低珠光體的形成溫度，減慢珠光體的形成速度。第59頁(yè)/共71頁(yè)3.4珠光體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的機(jī)械性能機(jī)械性能與成分和熱處理工藝有關(guān)：不同形態(tài)P，性能不同；對(duì)于片狀P，由層片間距決定；先共析F和Fe3C含量不同，性能不同。第60頁(yè)/共71頁(yè)第61頁(yè)/共71頁(yè)影響因素：片層間距和珠光體團(tuán)的直徑**

片層間距以及珠光體團(tuán)直徑減小，珠光體的強(qiáng)度、塑性均提高：片層間距↘，層片變薄，相界面↗，抗塑性變形能力↗；層片變薄，可通過(guò)滑移或彎曲產(chǎn)生塑性變形，塑性變形能力↗；珠光體團(tuán)直徑↘，單位體積片層排列方向↗，局部發(fā)生大量變形引起的應(yīng)力集中可能性↘，強(qiáng)度和塑性↗；連續(xù)冷卻珠光體組織：強(qiáng)度和塑性降低第62頁(yè)/共71頁(yè)(2)粒狀珠光體的力學(xué)性能強(qiáng)度、硬度稍低于片狀P，塑性較高。原因：粒狀珠光體中鐵素體與滲碳體的相界面較片狀珠光體少，強(qiáng)度和硬度稍低；滲碳體呈粒狀分散在連續(xù)的鐵素體基體上，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用較小，使塑性提高；碳化物顆粒越細(xì)小，硬度和強(qiáng)度就越高；碳化物顆粒越接近等軸狀，分布越均勻，韌性越好。粒狀珠光體組織的加工性能：

切削性好，冷擠壓成形性好，加熱淬火時(shí)變形和開(kāi)裂傾向性小。第63頁(yè)/共71頁(yè)2．鐵素體加珠光體的機(jī)械性能機(jī)械性能影響因素：珠光體和鐵素體的相對(duì)含量，鐵素體晶粒大小，珠光體片層間距，鐵素體化學(xué)成分。強(qiáng)度和韌性：珠光體量增加對(duì)鋼的強(qiáng)度和韌性的作用增大。鋼的成分一定，隨冷卻速度增大，先共析鐵素體量減少，珠光體量增多；完全奧氏體化情況下，鋼中碳含量增高，先共析鐵素體量減少，而珠光體量增多；

屈服強(qiáng)度：主要取決于鐵素體晶粒尺寸的大小第64頁(yè)/共71頁(yè)隨珠光體量增加，鐵素體晶粒尺寸大小對(duì)強(qiáng)度的影響減小。越接近共析成分，珠光體對(duì)強(qiáng)度的影響就越大，珠光體片層間距的作用就愈明顯。第65頁(yè)/共