1、材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用珠光体转变珠光体转变主讲：黄昊主讲：黄昊材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用1 1 珠光体的组织特征珠光体的组织特征 共析碳钢加热至奥氏体化后缓慢冷却，在稍低于A1温度时奥氏体将分解为铁素体与渗碳体的混合物，称为珠光体，其典型形态呈片状或层状，如图所示。片状珠光体是由一层铁素体与一层渗碳体交替紧密堆叠而成的。共析碳钢的片状珠光体组织共析碳钢的片状珠光体组织 钢中的珠光体转变是最具代表性的共析相变，在热处理实践中极为重要。研究珠光体转变的规律，不仅与为了
2、获得珠光体转变产物的退火和正火等热处理工艺有关，而且与为了避免产生珠光体转变产物的淬火和等温淬火等热处理工艺也有密切的联系。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 在片状珠光体组织中，一对铁素体片和渗碳体片的总厚度称为“珠光体片层间距”，以S0表示。片层方向大致相同的区域称为“珠光体团”或“珠光体晶粒”。在一个奥氏体晶粒内可以形成几个珠光体团。珠光体电镜图珠光体电镜图片状珠光体示意图片状珠光体示意图材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用随着珠光体转变温度下降，片状珠光体的片层间距S0将减小。
3、按照S0的大小，工业上常将奥氏体分解为呈片层状交替紧密堆叠的铁素体和渗碳体的组织分为：G 片状珠光体，其片状珠光体，其S0约为约为150450nm；A 索氏体，其索氏体，其S0约为约为80150nm；B 屈氏体，其屈氏体，其S0约为约为3080nm。屈氏体材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用珠光体材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用索氏体材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用屈氏体材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相
4、变变 原原 理理 与与 应应 用用P 珠光体的片层间距大小主要取决于珠光体的形成温度。在连续冷却条件下，冷却速度愈大，珠光体的形成温度愈低，即过冷度愈大，则片层间距就愈小。其原因是：由于形成温度降低，C原子的扩散能力下降，不易进行较大距离的迁移，因而只能形成片层间距较小的珠体。T12钢珠光体片层间距与过冷度的关系材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用P 在一定过冷度下，有一定的片层间距。随着过冷度增大，珠光体片层间距减小。碳钢中珠光体片层间距S0与过冷度T的关系可以用下面经验公式表示:材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变
5、变 原原 理理 与与 应应 用用 若过冷奥氏体在连续冷却过程中分解，珠光体是在一个温度范围内形成的，则在高温形成的珠光体较粗，低温形成的珠光体较细。这种珠光体组织的不均匀将导致机械性能的不均匀，从而影响钢的切削加工性能。因此，应采用一定温度的等温处理（等温正火或等温退火）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。试验证明，奥氏体晶粒大小对珠光体的片层间距没有明显影晌，但影响珠光体团的大小。随珠光体片层间距的减小，珠光体中渗碳体片的厚度减薄。而且，当珠光体的片层间距相同时，随钢中碳含量的降低，渗碳体片也将变薄。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理
6、 与与 应应 用用P 工业用钢中也可见到在铁素体基体上分布着粒状渗碳体的组织，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获得的。T12A钢的粒状珠光体组织钢的粒状珠光体组织 虽然珠光体有多种形态，但本质上都是铁素体与渗碳体的机械混合物。电镜观察表明，在退火状态下珠光体铁素体中的位错密度较低，渗碳体中的位错密度更低，而铁素体与渗碳体两相交界处的位错密度较高。在铁素体片中还有亚晶界，构成许多亚晶粒。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用P 珠光体形成时，新相（铁素体和渗碳体）与母相（奥氏体）之间存在一定的晶体学位向关系，使新相和
7、母相的原子在界面上能够较好地匹配，其中铁素体与奥氏体的位向关系为(110)/(112)；112 /110 P 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)；110/111这两种位向关系不同，说明珠光体中铁素体与先共析铁素体具有不同的转变特性。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用2.2.珠光体转变机制珠光体转变机制1珠光体转变时的领先相珠光体转变时的领先相2珠光体的形成过程珠光体的形成过程3亚（过）共析钢的珠光体转变亚（过）共析钢的珠光体转变材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与
8、与 应应 用用2.12.1珠光体转变时的领先相珠光体转变时的领先相 由于珠光体是由铁素体和渗碳体两相所组成的，因此就有领先相的问题。珠光体转变时的晶核究竟是铁素体还是渗碳体，很难通过实验直接验证，所以目前尚无定论。G 过冷度小时渗碳体是领先相，过冷度大时铁素体是领先相；A 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；B 在共析钢中两者为领先相的几率相同。许多研究证实，珠光体形成时的领先相随相变发生的温度和奥氏体成分的不同而异。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用共析钢中的领先相共析钢中的领先相G 珠光体中渗碳体与从奥氏体中析出的
9、先共析渗碳体的晶体学位向相同，而珠光体中铁素体与直接从奥氏体中析出的先共析铁素体的晶体学位向不同；A 珠光体中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；B 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形成无明显影响。一般认为共析钢中珠光体形成时的领先相是渗碳体，其理由如下：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用P合金元素改变A1点，若转变温度相同则过冷度就不同，从而改变相变驱动力的大小，并影响珠光体片层间距。而共析碳浓度的改变导致先共析铁素
10、体或先共析渗碳体的析出，并影响珠光体转变的领先相。合金元素对共析温度和共析碳含量的影响合金元素对共析温度和共析碳含量的影响材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用2.2 珠光体的形成过程珠光体的形成过程（1 1）片状珠光体的形成过程）片状珠光体的形成过程 奥氏体过冷到A1点以下将发生珠光体转变。由于珠光体转变温度较高，Fe原子和C原子都能长距离扩散，珠光体在晶界上形核，形核功较小，所以在较小的过冷度下就可以发生珠光体转变。当共析碳钢由奥氏体转变为珠光体时，将由均匀固溶体（奥氏体）转变为点阵结构与母相截然不同的碳含量很低的铁素体和碳含量很高的渗碳
11、体的两相混合物，即G 相组成：（+Fe3C）A 碳含量：0.77%0.02%6.69%B 点阵结构：面心立方 体心立方 复杂斜方材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用P 共析钢过冷奥氏体发生珠光体转变时，多半在奥氏体晶界上形核，也可在晶体缺陷比较密集的区域形核。这是由于这些部位有利于产生能量、成分和结构起伏，新相晶核易在这些高能量、接近渗碳体碳含量和类似渗碳体晶体点阵的区域产生。但当奥氏体中碳浓度很不均匀或有较多未溶渗碳体存在时，珠光体晶核也可在奥氏体晶
12、粒内产生.材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用以渗碳体为领先相，片状珠光体的形成过程示意图P 珠光体形成时，纵向长大是渗碳体片和铁素体片同时连续地向奥氏体中延伸，而横向长大是渗碳体片与铁素体片交替堆叠增多。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用珠光体转变过程珠光体转变过程 随珠光体形成温度降低，渗碳体片和铁素体片逐渐变薄缩短，同时两侧连续形成速度及其纵向长大速度都发生改变，珠光体群的轮廓也由块状逐渐变为扇形，继而为轮廓不光滑的团絮状，即由片状珠光体逐渐变为索氏体或屈氏体。材料科学与工程学院
13、材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 当共析成分过冷奥氏体（平均碳浓度为C）在A1点稍下温度T1刚刚形成珠光体时，在三相（奥氏体、渗碳体、铁素体）共存情况下，奥氏体中的碳浓度是不均匀的，如图所示。即与铁素体相接触的奥氏体碳浓度C/较高，与渗碳体相接触的奥氏体碳浓度C/cem较低，因此在与铁素体和渗碳体相接触的奥氏体中产生碳浓度差（C/-C/cem），从而引起界面附近奥氏体中碳的扩散。片状珠光体形成时碳的扩散示意图片状珠光体形成时碳的扩散示意图材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 碳在奥氏体中扩散的结果，导
14、致铁素体前沿奥氏体的碳浓度C/降低，渗碳体前沿奥氏体的碳浓度C/cem增高，破坏了T1温度下奥氏体与铁素体及渗碳体界面碳浓度的平衡。为维持这一平衡，铁素体前沿的奥氏体必须析出铁素体，使其碳浓度增高恢复至平衡浓度C/；渗碳体前沿的奥氏体必须析出渗碳体，使其碳浓度降低恢复至平衡浓度C/cem。这样，珠光体便纵向长大，直至过冷奥氏体全部转变为珠光体为止。同时，由于奥氏体中碳浓度差（C-C/cem）和（C/-C）的存在，还将发生远离珠光体的奥氏体中的碳向与渗碳体相接触的奥氏体界面处的扩散，以及与铁素体相接触的奥氏体界面处的碳向远离珠光体的奥氏体中的扩散，如图所示。材料科学与工程学院材料科学与工程学院
15、固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 此外，已形成的珠光体，其中铁素体的碳浓度在奥氏体界面处为C/，在渗碳体界面处为C/cem，也形成碳的浓度差（C/-C/cem），所以在铁素体中也要产生碳的扩散。这些扩散都促使珠光体中的渗碳体和铁素体不断长大，即促进了过冷奥氏体向珠光体的转变。过冷奥氏体转变为珠光体时，晶体点阵重构是由部分Fe原子的自扩散完成的。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用（2 2）粒状珠光体的形成过程）粒状珠光体的形成过程 粒状珠光体是通过片状珠光体中渗碳体的球状化而获得的。若将片状珠光体加热至略高于A1点的温度
16、，则得到奥氏体加未完全溶解渗碳体的混合组织。此时，渗碳体已不保持完整片状，而是凹凸不平、厚薄不匀，部分已经断开。在此温度下保温将使片状渗碳体球状化。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用片状渗碳体球状化的原因：片状渗碳体球状化的原因：由于第二相颗粒在基体中的溶解度与其曲率半径有关，所以与非球状渗碳体尖角处（曲率半径较小部位）相接触的奥氏体具有较高的碳浓度，而与渗碳体平面处（曲率半径较大部位）相接触的奥氏体具有较低的碳浓度，在渗碳体界面附近的奥氏体中存在碳浓度差。因此，界面附近奥氏体中的C原子将从渗碳体的尖角处向渗碳体的平面处扩散。这种扩散的结
17、果，破坏了界面处的碳浓度平衡。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 为恢复界面碳浓度平衡，渗碳体的尖角处将溶解而使其曲率半径增大，而渗碳体的平面处将长大而使其曲率半径减小，以至逐渐成为各处曲率半径相近的颗粒状渗碳体，从而得到在奥氏体基体上分布着颗粒状渗碳体的组织。然后，缓慢冷却至A1点以下时，奥氏体将转变为珠光体。此时，领先相渗碳体不仅可以在奥氏体晶界上形核，而且也可以从已存在的颗粒状渗碳体上长出，但这时已不能长成片状，最后得到渗碳体呈颗粒状分布的粒状珠光体。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应
18、应 用用 另外，由于片状渗碳体中有位错存在，并可形成亚晶界或高位错密度区，在其与基体相接触处则形成凹坑，如图所示。在凹坑两侧的渗碳体与平面部分的渗碳体相比，具有较小的曲率半径。因此，与凹坑相接触的基体中具有较高碳浓度，将引起C在基体中的扩散，并以渗碳体的形式在附近平面渗碳体上析出。片状渗碳体断裂机制示意图材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 为维持界面平衡，凹坑两侧的渗碳体尖角将逐渐被溶解，而使曲率半径增大。这样又破坏了此处相界表面张力（cem/与cem/cem）的平衡。为了维持表面张力平衡，凹坑将因渗碳体继续溶解而加深。在渗碳体片的另一面
19、也可发生上述溶解过程，如此不断进行，直至渗碳体片溶穿而断裂。而后，断裂的渗碳体片又按尖角处溶解、平面处析出长大方式而球状化。P 对组织为片状珠光体的钢进行对组织为片状珠光体的钢进行塑性变形塑性变形，将增大珠光体中铁素体，将增大珠光体中铁素体和渗碳体的位错密度和亚晶界数量，有促进渗碳体球状化的作用和渗碳体的位错密度和亚晶界数量，有促进渗碳体球状化的作用。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用各种退火加热温度范围各种退火加热温度范围P 使片状渗碳体球状化，使片状渗碳体球状化，获得球状珠光体的热处理工获得球状珠光体的热处理工艺称为艺称为球化退火。球
20、化退火。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用亚（过）共析钢的珠光体转变基本上与共析钢的珠光体转变相似，但需要考虑伪共析转变、先共析铁素体析出和先共析渗碳体析出等问题。2.3 亚（过）共析钢的珠光体转变亚（过）共析钢的珠光体转变（1）伪共析转变）伪共析转变Fe-Fe3C平衡状态图的左下部分示意图，图中平衡状态图的左下部分示意图，图中GSE线以上为奥氏体区，线以上为奥氏体区，GS线以左为线以左为先共析铁先共析铁素体区素体区，ES线以右为线以右为先共析渗碳体区先共析渗碳体区。亚共析钢自奥氏体区缓慢冷却时，将沿GS线析出先共析铁素体。随着铁素体的析
21、出，奥氏体的碳浓度逐渐向共析成分（S点）接近，最后具有共析成分的奥氏体在A1点以下转变为珠光体。过共析钢的情况与此类似，只不过析出的先共析相为渗碳体。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 如果将亚共析钢或过共析钢（如合金或）自奥氏体区以较快速度冷却时：在先共析铁素体或先共析渗碳体来不及析出的情况下，奥氏体被过冷到T1温度以下区域，由于GSG线和ESE线分别为铁素体和渗碳体在奥氏体中的溶解度曲线，在此温度以下保温时，将自奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用
22、在这种情况下，过冷奥氏体将全部转变为珠光体型组织，但合金的成分并非共析成分，并且其中铁素体和渗碳体的相对含量也与共析成分珠光体不同，随奥氏体的碳含量变化而变化。这种转变称为“伪共析转变”，其转变产物称为“伪共析组织”，ESG线以下的阴影区域称为“伪共析转变区”。由图可见，过冷奥氏体转变温度越低，其伪共析转变的成分范围就越大。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用(2)(2)亚（过）共析钢先共析相的析出亚（过）共析钢先共析相的析出 共析钢或过共析钢（如图中合金或）奥氏体化后冷却到先共析铁素体区或先共析渗碳体区时，将有先共析铁素体或先共析渗碳体析
23、出。析出的先共析相的量决定于奥氏体碳含量和析出温度或冷却速度。碳含量愈高（或愈低），冷却速度愈大、析出温度愈低，则析出的先共析铁素体（或先共析渗碳体）的量就愈少。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用在亚共析钢中，当奥氏体晶粒较细小，等温温度较高或冷却速度较慢时，Fe原子可以充分扩散，所形成的先共析铁素体一般呈等轴块状，如图(a)所示。当奥氏体晶粒较粗大，冷却速度较快时，先共析铁素体可能沿奥氏体晶界呈网状析出，如图(b)所示。当奥氏体成分均匀、晶粒粗大、冷却速度又比较适中时，先共析铁素体有可能呈片（针）状，沿一定晶面向奥氏体晶内析出，此时铁素
24、体与奥氏体有共格关系，如图(c)、(d)所示。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 在过共析钢中，先共析渗碳体的形态可以是粒状、网状或针（片）状。但过共析钢在奥氏体成分均匀、晶粒粗大的情况下，渗碳体一般呈网状或针（片）状渗碳体，此时将显著增大钢的脆性。因此，过共析钢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。为了消除已经形成的网状或针（片）状渗碳体，应当加热到Acm点以上，使渗碳体全部溶于奥氏体中，然后快速冷却，使先共析渗碳体来不及析出而发生伪共析转变，得到伪共析组织，然后再进行球化退火处理。材料科学与工程学院材料科学与工程学
25、院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 工业上将具有片（针）状铁素体或渗碳体加珠光体的组织称为魏氏组织，前者称为魏氏组织铁素体，后者称为魏氏组织渗碳体。魏氏组织及经常与其伴生的粗大晶粒组织会使钢的机械性能，尤其是塑性和冲击性能显著降低，并使钢的脆性转折温度升高。在这种情况下，必须消除魏氏组织以及粗大晶粒组织。常用方法是采用细化晶粒的正火、退火以及锻造等等。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用4影响珠光体转变动力学的因素影响珠光体转变动力学的因素3 珠光体转变动力学珠光体转变动力学1珠光体的形核率珠光体的形核率I和长大速度和
26、长大速度G2珠光体转变动力学图珠光体转变动力学图3先共折相的长大动力学先共折相的长大动力学材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用珠光体转变也是形核和长大过程，转变速度也取决于形核率和长大速度，珠光体转变也是形核和长大过程，转变速度也取决于形核率和长大速度，因此，珠光体等温转变动力学也符合因此，珠光体等温转变动力学也符合Johnson-Mehl方程或方程或Avrami方程。方程。在均匀形核条件下，珠光体的形核率I与转变温度T之间有如下关系 可见，随转变温度T降低，原子扩散能力减弱，因Q基本不变，使形核率I 减小；另一方面，随转变温度T降低，过冷
27、度增大，奥氏体与珠光体的自由能差增大，即相变驱动力Gv增大，使临界形核功W减小,使形核率I增大。其综合作用的结果，导致珠光体的形核率I对转变温度T有极大值。3.1珠光体的形核率珠光体的形核率I和长大速度和长大速度G（1 1）形核率）形核率I I与转变温度与转变温度T T的关系的关系材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用（2）长大速度）长大速度G与转变温度与转变温度T的关系的关系 转变温度较高时，珠光体团一般长大成等轴类球形，各个方向上的长大速度G基本相等，可由下式表示式中，式中，S0为珠光体的片层间距；为珠光体的片层间距；Dc为为C在奥氏体中
28、的扩散系数；在奥氏体中的扩散系数；K为常为常数（包含浓度梯度数（包含浓度梯度C/C/cem的影响）。的影响）。由于S0反比于过冷度T，而K正比于T，所以式可改写为材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 可见，随转变温度T降低，过冷度T增大，使靠近珠光体的奥氏体中的碳浓度差（C/C/cem）增大，加速了C原子的扩散速度，而且珠光体的片层间距S0减小，使C原子的扩散距离缩短，这些因素都促使长大速度G增大；另一方面，随转变温度T降低，C原子的扩散系数Dc减小，使长大速度G减小。综合上述因素的影响，珠光体团的长大速度G对转变温度T也有极大值。材料科学
29、与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用P 两者都具有极大值特征，其极大值约在550左右。共析钢的形核率和晶体长大速度与转变温度的关系共析钢的形核率和晶体长大速度与转变温度的关系材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用（3）形核率）形核率I和长大速度和长大速度G与转变时间的关系与转变时间的关系P 当转变温度一定时，珠光体的形核率I与转变时间的关系如图所示，随转变时间延长，形核率I逐渐增大。而等温保持时间对珠光体的长大速度G则无明显的影响。共析钢珠光体形核率与转变时间的关系图共析钢珠光体形核率与转变时间的
30、关系图材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用3.2珠光体转变动力学图珠光体转变动力学图P 综合不同温度下珠光体的形核率和长大速度与时间的关系，共析钢的珠光体等温转变动力学曲线如图中实线所示。虚线表示贝氏体转变动力学曲线以及马氏体相变开始温度（后述）。共析钢的珠光体等温转变动力学曲线共析钢的珠光体等温转变动力学曲线材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用P 由图中实线可知：各温度下珠光体等温转变开始前都有一段孕育期，随等温温度降低，孕育期逐渐缩短，至某一温度时，孕育期最短，而后随温度降低，孕育期
31、反而增长。一般在550时孕育期最短，转变速度最快，此处即为TTT曲线的“鼻尖”温度。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用3.33.3先共折相的长大动力学先共折相的长大动力学 在亚共析钢中，先共析铁素体在奥氏体晶界上的长大方向有两个，一是沿奥氏体晶界长大（长度方向），二是向奥氏体晶内长大（厚度方向）。其厚度与转变时间呈抛物线关系，即式中，式中，S为铁素体片的半厚度；为铁素体片的半厚度；t为铁素体长大时间；为铁素体长大时间；为系数。为系数。先共析铁素体的转变动力学曲线也呈“C”字形，通常位于珠光体转变动力学曲线的左上方。并且随着钢中碳含量的增高
32、，先共析铁素体的析出线移向右下方。对于过共析钢，若奥氏体化温度在Acm点以上，则在等温转变过程中于珠光体转变动力学曲线的左上方有一条先共析渗碳体析出线。这条先共析渗碳体析出线，随钢中碳含量的增高，逐渐移向左上方。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用3.43.4影响珠光体转变动力学的因素影响珠光体转变动力学的因素凡是影响珠光体形核率和长大速度的因素，都影响珠光体转变动力学。凡是影响珠光体形核率和长大速度的因素，都影响珠光体转变动力学。G 碳含量的影响碳含量的影响 对于亚共析钢，随着奥氏体中碳含量的增高，析出先共析铁素体的孕育期增长，析出速度减
33、慢。同时，珠光体转变的孕育期亦随之增长，转变速度减慢。这是因为，在相同转变条件下，随着奥氏体中碳含量的增高，铁素体的形核率减少，铁素体长大时所需扩散离去的碳原子的量增大，因而使铁素体析出速度减慢。（1 1）化学成分的影响）化学成分的影响材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 对于过共析钢，在完全奥氏体化情况下，随着钢中碳含量的增高，先共析渗碳体析出的孕育期缩短，析出速度增大。珠光体转变的孕育期亦随之缩短，转变速度增大。相对来说，共析钢的过冷奥氏体最稳定。如果不完全奥氏体化（加热温度在A1和Acm之间），加热组织为不均匀奥氏体加残余碳化物，则具
34、有促进珠光体形核和晶体长大的作用，使珠光体转变时的孕育期缩短，转变速度加快。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用A合金元素的影响合金元素的影响 在钢中的合金元素充分固溶于奥氏体中的情况下，除了Co以外，其他所有的常用合金元素皆使钢的TTT曲线右移，珠光体转变孕育期增长，即推迟珠光体转变的进行；除了Ni、Mn以外，其他所有的常用合金元素皆使珠光体转变的“鼻尖”温度移向高温。合金元素的影响机制合金元素的影响机制 合金元素自扩散的影响如前所述，珠光体形成时要求碳在铁素体和渗碳体之间进行扩散和再分配。若钢中含有合金元素时，是否也要在铁素体和渗碳体之
35、间发生扩散和再分配？材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用一种观点认为：含有合金元素的奥氏体，在珠光体转变初期形成的碳化物均是渗碳体，不涉及合金元素的扩散和再分配，只是在转变后期才通过合金元素的扩散使渗碳体转变为合金渗碳体甚至特殊碳化物。所以，合金元素对珠光体转变的影响不是直接的，而是间接的，即由于改变了碳在奥氏体中的扩散速度以及相变临界点而引起的。另一种观点认为：合金奥氏体转变为珠光体时，一开始就形成合金元素含量较高的合金渗碳体或特殊碳化物，即合金元素通过扩散进行了再分配，珠光体转变受合金元素的扩散所控制。因为合金元素的扩散速度低，所以使珠
36、光体的转变速度降低。一般认为，当转变温度较高以及合金元素含量较高时，转变一开始就可能形成特殊碳化物及合金渗碳体。即合金元素在转变一开始时就通过扩散进行了再分配，而合金元素的扩散系数远远小于碳的扩散系数，因此使珠光体的转变速度大大减慢。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 合金元素对碳扩散的影响大多数合金元素的存在降低了碳在奥氏体中的扩散速度，使珠光体的转变速度下降。而Co则相反，提高碳在奥氏体中的扩散速度，使珠光体的转变加速。合金元素对转变的影响合金元素的加入改变了转变的速度，例如Co提高的转变速度，从而加速珠光体的转变。材料科学与工程学院
37、材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 合金元素对相变临界点的影响加入合金元素将改变相变临界点，在转变温度相同时将改变过冷度。例如，Ni和Mn降低A1点，减小过冷度，使珠光体转变速度降低。Co提高A1点，增大过冷度，使珠光体转变速度加快。合金元素对/界面移动的拖曳作用在含Mn、Mo的铁碳合金的先共析铁素体析出过程中，在/界面聚集了Mn和Mo的原子，起到了阻止界面移动的拖曳作用，从而降低了先共析铁素体的长大速度。这种作用也可以降低珠光体的形成速度。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用（2）加热温度和保温时间的
38、影响）加热温度和保温时间的影响 加热温度和保温时间主要是通过改变奥氏体的成分和组织状态来影响珠光体转变的。若奥氏体成分不均匀，则有利于在高碳区形成渗碳体，在低碳区形成铁素体，并加速碳在奥氏体中的扩散，促进先共析相和珠光体的形成。钢中存在的未溶渗碳体，既可以作为先共析渗碳体的非均匀晶核，也可以作为珠光体领先相的晶核，因而也加速珠光体转变。所以，提高加热温度或延长保温时间，相当于增加奥氏体中碳和合金元素的含量，都使珠光体转变的孕育期增长，转变速度降低。另一方面，随着温度升高和保温时间延长，奥氏体的成分愈加均匀，奥氏体晶粒也愈加粗大。这些都导致珠光体的形核位置减少，降低形核率和长大速度，从而推迟珠光
39、体转变。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 奥氏体晶粒细小，单位体积内的晶界面积增大，珠光体的形核部位增多，将促进珠光体的形成。同理，细小的奥氏体晶粒也将促进先共析铁素体和先共析渗碳体的析出。对奥氏体施加拉应力或进行塑性变形，将造成晶体点阵畸变和位错密度增高，有利于C和Fe原子的扩散及晶体点阵重构，所以促进珠光体的形核和晶体长大，加速珠光体的转变。奥氏体塑性变形的温度越低，珠光体转变速度就越大。对奥氏体施加等向压应力，将使原子迁移阻力增大，C和Fe原子的扩散及晶体点阵重构困难，将降低珠光体的形成温度，减慢珠光体的形成速度。（3）奥氏体晶粒
40、度的影响）奥氏体晶粒度的影响（4 4）应力和塑性变形的影响）应力和塑性变形的影响材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用4 珠光体转变产物的机械性能1珠光体的机械性能珠光体的机械性能2铁素体加珠光体的机械性能铁素体加珠光体的机械性能3形变珠光体的机械性能形变珠光体的机械性能材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 共析碳钢（单一片状珠光体）的机械性能与珠光体的片层间距、珠光体团直径、珠光体中铁素体亚晶粒尺寸以及原奥氏体晶粒大小有密切的关系。珠光体的片层间距主要取决于珠光体的形成温度，随形成温度降
41、低而减小。而珠光体团直径不仅与形成温度有关，还与奥氏体晶粒大小有关，随形成温度降低以及奥氏体晶粒细化而减小。所以共析钢珠光体的机械性能主要取决于奥氏体化温度和珠光体形成温度。随珠光体的片层间距以及珠光体团直径减小，珠光体的强度、硬度以及塑性均提高。随着珠光体形成温度的变化，珠光体片层间距的变化远大于珠光体团直径的变化，因此片层间距的影响更为重要。4.1珠光体的机械性能珠光体的机械性能材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用珠光体的强度、硬度和塑性升高的原因是：珠光体的片层间距减小时，铁素体片与渗碳体片都变薄，相界面增多，在外力作用下，抗塑性变形
42、能力增大。而且由于铁素体和渗碳体片很薄，在外力作用下可以滑移而产生塑性变形，也可以产生弯曲，使钢的塑性变形能力增大。珠光体团直径的减小，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而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 如果钢中的珠光体是在连续冷却过程中形成的，珠光体的片层间距大小不等，高温形成的大，低温形成的小，则使抗塑性变形的能力不均匀。珠光体片层间距较大的区域，抗塑性变形能力较小，在外力作用下，往往首先在这些区域产生过量变形，出现应力集中而破裂，使钢的强度和塑性都降低。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用
43、在成分相同的条件下，与片状珠光体相比，粒状珠光体的强度、硬度稍低，而塑性较高，其主要原因是：粒状珠光体中铁素体与渗碳体的相界面较片状珠光体少，强度和硬度稍低；而铁素体呈连续分布，渗碳体呈粒状分散在铁素体基体上，对位错运动的阻碍作用较小，使塑性提高。粒状珠光体的切削性好，对刀具的磨损小，冷挤压时的成形性也好，加热淬火时的变形和开裂的倾向性小，所以，高碳钢在机械加工和热处理前常常要求获得粒状珠光体组织。中碳和低碳钢的冷挤压成形加工也要求具有粒状碳化物的原始组织。粒状珠光体的性能还取决于碳化物颗粒的形态、大小和分布。一般来说，当钢的成分一定时，碳化物颗粒愈细小，硬度和强度就愈高；碳化物颗粒愈接近等轴
44、状，分布愈均匀，韧性愈好。在相同抗拉强度下，粒状珠光体比片状珠光体的疲劳强度有所提高。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 亚共析钢经珠光体转变后得到的转变产物取决于钢中的碳含量、奥氏体化温度及冷却速度。在钢的成分一定时，随冷却速度增大，先共析铁素体量减少，珠光体量增多。在完全奥氏体化情况下，随钢中碳含量增高，先共析铁素体量减少，而珠光体量增多，珠光体对钢的强度和韧性的作用增大。4.24.2铁素体加珠光体的机械性能铁素体加珠光体的机械性能材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 屈服强度主要
45、取决于铁素体晶粒尺寸大小，随珠光体量增加，它对强度的影响减小。越接近共析成分，珠光体对强度的影响就越大，珠光体片层间距的作用就愈明显。当珠光体的片层间距相同时，随珠光体量增加，各种强化机制对屈服强度的贡献如图所示。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用4.3形变珠光体的机械性能形变珠光体的机械性能 珠光体组织在工业上的重要应用之一是“派敦”（Patenting）处理的绳用钢丝、琴钢丝和某些弹簧钢丝。所谓派敦处理，就是使高碳钢获得细珠光体（索氏体）组织，再经过深度冷拔而获得高强度钢丝。索氏体组织由于片层间距较小，滑移可沿最短途径进行，因而具有良
46、好的冷拔性能。同时由于渗碳体片很薄，在强烈塑性变形时能够弯曲，故塑性变形能力增强。冷塑性变形可使亚晶粒细化，形成由许多由位错网组成的位错壁，而且随变形量增大这种位错壁之间的距离减小，同时强化程度增大。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 对珠光体组织进行塑性变形加工，可以大幅度提高钢的强度，并且细片状珠光体具有较高的塑性变形强化效果。如图所示，冷塑性变形使片状珠光体强化，主要是由于塑性变形引起的位错密度增大（图中A区）和亚晶粒细化（图中B区）所贡献的。600形成的片状珠光体的抗拉强度与冷拔变形量的关系形成的片状珠光体的抗拉强度与冷拔变形量的
47、关系A区：位错密度增高的贡献；区：位错密度增高的贡献；B区：亚晶粒细化的贡献；区：亚晶粒细化的贡献；C区：残存的相变位错的贡献区：残存的相变位错的贡献材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 铬钢的强度高于锰钢，这是因为铬钢的共析温度较高，过冷度增大，从而使片状珠光体的片层间距减小。同时，铬钢的亚晶粒细化引起的强化作用也大于锰钢。此外，由于含铬奥氏体的转变温度较低，相变后在铁素体中出现相变位错，也可引起一定的强化作用（图中C区）。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 碳素钢生产成本最低，但其金相组织是较粗大的珠光体，因此其强度和韧性并不是最理想的；合金钢轨钢是利用锰、铬、钼、钒等元素来提高其强度，改善其韧性，可以获得细化珠光体组织，比碳素钢轨钢综合力学性能要好，但其焊接性能不如碳素钢轨钢，而且生产成本也高；热处理钢轨钢主要是通过热处理获得细微珠光体组织，到目前为止世界各国普遍认为这是综合性能最好的钢轨，但其热处理设备投资较大。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用
