珠光體轉(zhuǎn)變與鋼的退火和正火

珠光體轉(zhuǎn)變與鋼的退火和正火第一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三1.熱處理的定義:熱處理是將材料通過特定的加熱和冷卻方法獲得所需的組織和性能的工藝過程。時(shí)間溫度臨界溫度熱加保溫冷卻第二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三概述珠光體轉(zhuǎn)變是過冷奧氏體在臨界溫度A1以下比較高的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的轉(zhuǎn)變；共析碳鋼約在A1~500℃溫度之間發(fā)生，又稱高溫轉(zhuǎn)變。珠光體轉(zhuǎn)變是單相奧氏體分解為鐵素體和滲碳體兩個(gè)新相的機(jī)械混合物的相變過程，因此珠光體轉(zhuǎn)變必然發(fā)生碳的重新分布和鐵的晶格改組。由于相變在較高的溫度下進(jìn)行，鐵、碳原子都能進(jìn)行擴(kuò)散，所以珠光體轉(zhuǎn)變是典型的擴(kuò)散型相變。γ→α+Fe3C碳含量C%0.770.02186.69晶格類型面心立方體心立方復(fù)雜斜方第三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三鐵素體和滲碳體組成的層片狀機(jī)械混合物，鐵素體為體心立方，硬度低而塑性高；滲碳體為正交晶系，質(zhì)硬而脆，兩者合理的匹配，可得到良好的綜合力學(xué)性能，是鋼中的重要相變。作為淬火的預(yù)先熱處理，也可作為機(jī)加工的中間熱處理，消除因前一道工序造成的加工硬化，便于下道工序的切削加工，為淬火作好組織上的準(zhǔn)備；作為最終熱處理，獲得一定形態(tài)的珠光體，使結(jié)構(gòu)件具有良好的綜合力學(xué)性能；對于要求高硬度、高強(qiáng)度的構(gòu)件，則希望獲得馬氏體，為避免因工藝不當(dāng)使組織中出現(xiàn)珠光體，則必須研究珠光體的形成動(dòng)力學(xué)。第四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三一、珠光體的類型珠光體是過冷奧氏體在A1以下的共析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，是鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。通常根據(jù)滲碳體的形態(tài)不同，把珠光體分為：片狀珠光體；球狀珠光體；針狀珠光體其中片狀和粒狀珠光體是兩種常見的珠光體組織。第五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三材料名稱：共析鋼。浸蝕劑：4％硝酸酒精溶液。處理情況：820℃加熱保溫后緩冷。組織說明：片狀珠光體（鐵素體與滲碳體成層片狀相間排列）。片狀珠光體珠光體團(tuán)：珠光體長大初期所形成的球團(tuán)狀，分辨率不高時(shí)為黑色球狀物；珠光體領(lǐng)域：在每一個(gè)珠光體團(tuán)中片層排列方向大致相同的區(qū)域。第六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三材料名稱：共析鋼。浸蝕劑：4％硝酸酒精溶液。處理情況：780℃加熱保溫后，再在680℃保溫后緩冷。組織說明：球狀珠光體（滲碳體顆粒分布于鐵素體基體上）。球狀珠光體第七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三通常所說的珠光體是指在光學(xué)顯微鏡下能清楚分辨出片層狀態(tài)的一類珠光體，而當(dāng)片間距離小到一定程度后，光學(xué)顯微鏡就分辨不出片層的狀態(tài)了。根據(jù)片間距離的大小，通常把珠光體分為普通珠光體、索氏體和屈氏體

片狀珠光體分類（１）珠光體（P）:片間距約為450～150nm，形成于A1～650℃溫度范圍內(nèi)。在光學(xué)顯微鏡下可清晰分辨出鐵素體和滲碳體片層狀組織形態(tài)；（２）索氏體(S):片間距約為150～80nm，形成于650～600℃溫度范圍內(nèi)。只有在800倍以上光學(xué)顯微鏡下觀察才能分辨出鐵素體和滲碳體片層狀組織形態(tài)；（３）屈氏體(T):片間距約為80～30nm，形成于600～550℃溫度范圍內(nèi)。在光學(xué)顯微鏡下已很難分辨出鐵素體和滲碳體片層狀組織形態(tài)；第八頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三珠光體組織特征圖

(a)珠光體(b)索氏體(c)屈氏體第九頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三珠光體、索氏體、屈氏體之間無本質(zhì)區(qū)別，都是出鐵素體和滲碳體片層相間組織，其形成溫度也無嚴(yán)格界線，只是其片層厚薄和片間距不同。第十頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三

Marder提出珠光體片間距與過冷度（△T）的關(guān)系如下：S0=C/△T

或S0∝1/△T其中:C=8.02×103(nm·K)；S0：珠光體的片間距(nm)；珠光體片間距的經(jīng)驗(yàn)公式：

S0=（8.02/△T）×103nm

------△T：過冷度，即珠光體轉(zhuǎn)變溫度與臨界點(diǎn)A1之差。

-------T↓，△T↑，S0↓，與A晶粒大小無關(guān)。第十一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三珠光體型相變?yōu)閿U(kuò)散型相變，是受碳、鐵原子的擴(kuò)散控制的。當(dāng)珠光體的形成溫度下降時(shí)，ΔT增加，擴(kuò)散變得較為困難，從而層片間距必然減小（以縮短原子的擴(kuò)散距離），所以S與ΔT成反比關(guān)系。原子所需擴(kuò)散的距離就要增大，這使轉(zhuǎn)變發(fā)生困難；若S過小，則由于相界面面積增大，而使表面能增大，這時(shí)ΔGV不變，△GS增加，必然使相變驅(qū)動(dòng)力過小，而使相變不易進(jìn)行。可見，S與ΔT必然存在一定的定量關(guān)系。第十二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三二、珠光體的力學(xué)性能1.片狀珠光體：由于鐵素體的塑性變形受到阻礙，位錯(cuò)的移動(dòng)限于滲碳片之間的鐵素體中進(jìn)行，增加了變形抗力，使強(qiáng)度得到提高。滲碳體片越薄，抵抗塑性變形的能力越強(qiáng)，其硬度越高；厚的滲碳體不易變形，薄片滲碳體卻可以承受部分變形，故強(qiáng)度升高的同時(shí)，塑性也有所提高。第十三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三奧氏體晶界上珠光體團(tuán)示意圖奧氏體的晶粒尺寸主要影響珠光體團(tuán)的大小，A晶粒越小,P團(tuán)越細(xì)小。珠光體團(tuán)和領(lǐng)域的大小對珠光體的機(jī)械性能沒有明顯的影響，有決定影響的是珠光體的片層間距S.第十四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三

球狀珠光體中的滲碳體為球狀，其阻礙鐵素體變形的能力大為下降，比起片狀珠光體，它具有較低的強(qiáng)度以及較高的塑性。

2.球狀珠光體珠光體團(tuán)尺寸的減小，由Hall-Petch公式σS=σi+Kd-1/2知，強(qiáng)度將有所提高；晶粒的細(xì)小，使參與滑移的晶粒數(shù)增多，雖然每一晶粒的變形量減少，但總變形量增加，從而塑性亦有所提高。共析鋼和過共析鋼一般都要進(jìn)行球化退火，以得到球狀珠光的組織結(jié)構(gòu)。第十五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三三、珠光體的形成γ→α+Fe3C碳含量C%0.770.02186.69晶格類型面心立方體心立方復(fù)雜斜方珠光體的形成過程，包含著兩個(gè)同時(shí)進(jìn)行的過程：一個(gè)是碳的擴(kuò)散，以生成高碳的滲碳體和低碳的鐵素體；另一個(gè)是晶體點(diǎn)陣的重構(gòu)，由面心立方的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方點(diǎn)陣的鐵素體和復(fù)雜單斜點(diǎn)陣的滲碳體。第十六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三（1）形核

條件：同樣需要滿足系統(tǒng)內(nèi)的“結(jié)構(gòu)起伏、成分起伏和能量起伏”。

部位：晶核多半產(chǎn)生在奧氏體的晶界上（晶界的交叉點(diǎn)更有利于珠光體晶核形成），或其它晶體缺陷（如位錯(cuò)）比較密集的區(qū)域。這是由于在這些部位有利于產(chǎn)生能量、成分和結(jié)構(gòu)起伏，晶核就在這些高能量、接近滲碳體的含碳量和類似滲碳體晶體點(diǎn)陣的區(qū)域產(chǎn)生。但是，當(dāng)奧氏體中碳濃度很不均勻或者有較多未溶解的滲碳體存在時(shí)，珠光體的晶核也可以在奧氏體晶粒內(nèi)出現(xiàn)。1.片狀珠光體的形成機(jī)理第十七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三片狀珠光體形成過程示意圖第十八頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三片狀珠光體形成時(shí)C的擴(kuò)散示意圖第十九頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三珠光體形成時(shí)的領(lǐng)先相α相或Fe3C相，從熱力學(xué)上講，均可成為領(lǐng)先。

由于形成領(lǐng)先相的驅(qū)動(dòng)力較小，所以起始相往往與母相保持共格關(guān)系：{111}γ//{110}α//{011}Fe3C<110>γ//<111>α//<010>Fe3C從成分上講，由于鋼的含碳量較低產(chǎn)生低碳區(qū)更為有利，即有利于α為領(lǐng)先相從結(jié)構(gòu)上講，在較高溫度，特別在高碳鋼中，往往出現(xiàn)先共析Fe3C相，或存在未溶Fe3C微粒

一般認(rèn)為過共析鋼的領(lǐng)先相為Fe3C，而亞共析鋼的為F，共析鋼的并不排除F的可能性。第二十頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三若在奧氏體晶界上形成了一片滲碳體（領(lǐng)先相為片狀，主要是由于片狀的應(yīng)變能較低，片狀在形核過程中的相變阻力小）同時(shí)向縱橫方向生長由于橫向生長，使周圍碳原子在向滲碳體聚集的同時(shí)，產(chǎn)生貧碳區(qū)，當(dāng)其C%下降到該溫度下Cα/Fe3C濃度時(shí)，鐵素體即在Fe3C/γ相界面上形核并長成片狀；隨著F的橫向生長，又促使?jié)B碳體片的形核并生長如此不斷形核生長，從而形成鐵素體、滲碳體相相同的片層。第二十一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三

珠光體的橫向生長：由于其兩側(cè)滲碳體片的形成而終止，滲碳體的橫向生長亦然，故珠光體片的橫向生長很快停止；而縱向生長繼續(xù)，直到與另一方向長來的珠光體相遇為止。這就形成了層片狀的珠光體。隨著溫度的降低，碳原子的擴(kuò)散能力下降，從而形成的鐵素體、滲碳體片逐漸變薄，片層間距縮短。由片狀P→S→T。動(dòng)畫第二十二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三2.粒狀珠光體的形成機(jī)理滲碳體片中有位錯(cuò)存在，并可形成亞晶界，在固溶體（奧氏體或鐵素體，如為后者）與滲碳體亞晶界接觸處則形成凹坑，如圖所示。在凹坑兩側(cè)的滲碳體與平面部分的滲碳體相比，具有較小的曲率半徑。與坑壁接觸的固溶體具有較高的溶解度，將引起C在固溶體中的擴(kuò)散，并以滲碳體的形式在附近平面滲碳體上析出。為了保持亞穩(wěn)定平衡，凹坑兩側(cè)的滲碳體尖角將逐漸被溶解，而使曲率半徑增大。這樣又破壞了此處相界面表面張力（γcem-a-γcem-cem）的平衡。為了保持表面張力的平衡，凹坑將因滲碳體繼續(xù)溶解而加深。在滲碳體片亞晶界的另一面也發(fā)生上述溶解析出過程，如此不斷進(jìn)行直到滲碳體片溶穿，一片成為兩截。第二十三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三片狀滲碳體破斷、球化過程示意圖動(dòng)畫第二十四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三3.亞（過）共析鋼中的珠光體相變偽共析轉(zhuǎn)變先共析鐵素體析出先共析滲碳體的形成Fe-Fe3C相圖中GS、ES線的延長線SG‘、SE’具有一定的意義：GSG‘、ESE’線把相圖分成四個(gè)區(qū)：GSE以上為A區(qū)、GSE‘以左為先共析F析出區(qū)、ESG‘以右為先共析Fe3C析出區(qū)、E'SG'以下為偽共析P析出區(qū)。第二十五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三（1）亞共析鋼中的先共析鐵素體

奧氏體晶界上形成的晶核，一側(cè)為共格，另一側(cè)為非共格形成溫度較高，非共格晶界易遷移，向奧氏體晶粒一側(cè)長成球冠狀若原奧氏體含碳量較高，析出的鐵素體量較少，則鐵素體易長成網(wǎng)狀；若原奧氏體含碳量較低，析出的鐵素體量較多，且單位體積排出的碳原子較少，非共格界面更易遷移，鐵素體長入奧氏體呈塊狀分布。第二十六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三

形成溫度較低，鐵原子不易作長距離遷移，使非共格晶界不易遷移，鐵素體的長大，主要依靠共格晶界遷移。共格界面與母相往往有一定的位向關(guān)系，且為減小應(yīng)變能，鐵素體呈條狀沿奧氏體某一晶面向晶粒內(nèi)生長。鐵素體彼此平行，或互成60°，90°。形成魏氏組織（片狀鐵素體）。第二十七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三

魏氏鐵素體第二十八頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三（2）過共析鋼中的滲碳體●粒狀滲碳體

●網(wǎng)狀滲碳體

●針狀滲碳體第二十九頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三魏氏滲碳體第三十頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三毛坯生產(chǎn)預(yù)備熱處理機(jī)械加工最終熱處理機(jī)械精加工預(yù)備熱處理:退火;正火最終熱處理:淬火;回火一般零件生產(chǎn)的工藝路線:四、鋼的退火與正火第三十一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三1.鋼的退火（1）定義:將零件加熱到適當(dāng)溫度，經(jīng)過保溫后以適當(dāng)速度冷卻，以降低硬度、改善組織、提高加工性的一種熱處理工藝。（2）目的:消除應(yīng)力;降低硬度;細(xì)化晶粒;均勻成分;為最終熱處理作好組織準(zhǔn)備。（3）特點(diǎn):加熱溫度在Ac1以上緩冷得到珠光體的組織第三十二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三（4）種類退火重結(jié)晶退火低溫退火完全退火擴(kuò)散退火球化退火再結(jié)晶退火去應(yīng)力退火普通退火等溫退火普通球化退火等溫球化退火第三十三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三（5）工藝參數(shù):溫度(°C)名稱Ac3

+30～50完全退火Ac1+30～50球化退火500～600去應(yīng)力退火Ac3

+150～250擴(kuò)散退火第三十四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三第三十五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三完全退火是將亞共析鋼加熱到Ac3以上，保溫一定時(shí)間，使組織完全奧氏體化后緩慢冷卻，以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。不完全退火不完全退火是將鋼加熱到Ac1~Ac3(亞共析鋼)或Ac1~Accm(過共析鋼)之間，保溫后緩慢冷卻，以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。第三十六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三球化退火是不完全退火的一種，通常的加熱溫度是Ac1以上20~30℃,使片狀滲碳體轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙罨蛄?。主要用于過共析的碳鋼及合金工具鋼。近年來球化退火應(yīng)用于亞共析鋼也取得成功。擴(kuò)散退火是指將鋼加熱到Ac3或Accm以上150~300℃，長時(shí)間保溫，然后隨爐緩慢冷卻的熱處理工藝。實(shí)質(zhì)是使鋼中的各元素在奧氏體中進(jìn)行充分?jǐn)U散，達(dá)到成分均勻化。第三十七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三