哈工大《材料科学基础Ⅱ》(相变)3.pptVIP

耿 林 哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院 材料科学基础 （材料相变原理） 第3章 珠光体转变 钢经过奥氏体化后，缓慢冷却或A1以下的在较高温度等温，将发生珠光体转变。珠光体转变可以根据Fe-C相图进行分析，转变产物（珠光体）是平衡组织，具有较低的强度和较高的塑性，因此一般不是最终使用状态，而是可以作为预先热处理，为后续加工提供合适的组织状态。 通过优化冷却条件，可以得到组织非常细小的珠光体组织，具备合适的强度和塑性配合，也可直接在工程中使用，如钢轨、火车轮、车轴等。因此，研究珠光体转变的目的之一是为获得需要的珠光体组织而指定合适的珠光体转变工艺提供理论根据。 因为珠光体转变由孕育期，所以快速冷却可以避免珠光体转变，使奥氏体在更低的温度发生其它相变，得到强度更高的组织状态，因此研究珠光体转变的另一个目的就是为避免珠光体转变而指定合适的奥氏体冷却工艺参数提供理论指导。 本章主要内容包括：珠光体组织形态特点、珠光体转变过程和转变速度、珠光体的机械性能和影响因素、钢中的相间沉淀。 第3章 珠光体转变 珠光体的典型组织特征是由一层铁素体和一层渗碳体交替平行堆叠而形成的双相组织。 一对铁素体和渗碳体片的总厚度称为珠光体片层间距（S0）。 片层方向大致相图的区域称为珠光体团。 3.1 珠光体的组织形态 珠光体的组织形态特征： 根据片层间距的不同，可将珠光体分为三种： 珠光体：S0=450-150nm，形成温度为A1－650℃，普通光学显微镜可以分辨。 索氏体：S0=150-80nm，形成温度为650－600℃，高倍光学显微镜可以分辨。 屈氏体：S0=80-30nm，形成温度为600－550℃，电子显微镜可以分辨。 第3章 珠光体转变 在珠光体转变过程中，所形成的珠光体中的铁素体与母相奥氏体具有一定的晶体学位向关系。珠光体中，铁素体与渗碳体之间存在一定的晶体学位向关系。 3.1 珠光体的组织形态 珠光体的组织形态特征： 铁素体基体上分布着粒状渗碳体的组织为粒状珠光体。这种组织一般是通过球化退火或淬火后高温回火得到的。 粒状珠光体组织 粒状珠光体组织 第3章 珠光体转变 3.1 珠光体的组织形态 珠光体的片层间距： 珠光体的片层间距用S0表示，它是用来衡量珠光体组织粗细的一个重要指标。珠光体的片层间距主要取决于珠光体形成时的过冷度，而与奥氏体晶粒度无关。过冷度越大，珠光体形成温度越低，珠光体片层间距越小，存在如下经验关系： S0 = ( 8.02/?T )×103 (nm) 式中过冷度?T的单位为K。 第3章 珠光体转变 3.2 珠光体的形成过程 珠光体转变的动力是体系自由能的下降，其大小取决于转变温度。过冷度越大，转变驱动力越大。 珠光体转变温度较高，原子扩散能力较强，在较小的过冷度时就可以发生珠光体转变。 一、珠光体形成的热力学条件 △ Gγ→P T1 △T 第3章 珠光体转变 3.2 珠光体的形成过程 二、片状珠光体形成过程 铁素体 0.02%C 体心立方 6.69%C 复杂晶格 渗碳体 ＋ 奥氏体 0.77%C 面心立方 珠光体的形成也是通过形核长大完成的。 形核：形核部位是奥氏体晶界或奥氏体与其它相（渗碳体，铁素体）的相界面。领先相可以是铁素体，也可以是渗碳体。 长大：横向长大很好理解：形成一片渗碳体后，两侧奥氏体中碳浓度下降，促进了铁素体形核，并平行于渗碳体片生长，结果又导致渗碳体片的形核与长大，最后得到片层相间的平行的珠光体团。 珠光体转变温度较高，铁原子和碳原子都可以发生扩散，属于扩散型相变。 第3章 珠光体转变 3.2 珠光体的形成过程 二、片状珠光体形成过程 纵向长大可以由碳扩散过程来解释。 碳在奥氏体中的扩散速度决定了珠光体的纵向长大速度。 晶格的重构是由铁原子的自扩散完成的。 片状珠光体形成时碳扩散示意图 第3章 珠光体转变 3.2 珠光体的形成过程 三、粒状珠光体形成过程 珠光体的球化过程： 将片状珠光体加热到稍高于A1温度以上，使奥氏体中存在大量未溶解的残余渗碳体和富碳区。片状渗碳体溶解过程中碎化，形成颗粒状。在随后的冷却过程中，未溶渗碳体作为形核质点，促进渗碳体的形核和长大，最终得到粒状渗碳体分布在铁素体基体上的粒状珠光体。 第3章 珠光体转变 3.3 珠光体转变动力学 一、珠光体的形核率和长大速率 珠光体的形核率和长大速率与形成温度的关系： 随转变温度降低（过冷度增大），奥氏体与珠光体的自由能差增大，转变动力增大，形核率增大。 随转变温度降低，原子活动能力减弱，形核率减小。 随转变温度降低，原子扩散速度减慢，晶核长大速度降低。 随转变温度降低，奥氏体中碳浓度增大，碳扩散速度提高，晶核长大速度提高。 珠光体的形核率和长大速度与转变温度的关系曲线均具有极大值。 第3章 珠光体转变