热处理课件 第三章 钢的珠光体转变
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热处理工艺学课件-第03章珠光体转变
珠光体的晶体结构
渗碳体呈短棒状或颗 粒状，其晶体结构为 复杂的正交结构。
渗碳体和铁素体间 以特定的晶体学关系 相间排列，形成层状 结构。
铁素体呈长条状，其 晶体结构为体心立方 结构。
珠光体的特性
珠光体组织具有较高的强度和硬 度，因此钢的强度和硬度主要取 决于珠光体组织的数量和形态。
珠光体的层状结构使其具有良好 的塑性和韧性，有利于钢的切削
04
珠光体转变的影响因素
合金元素的影响
合金元素对珠光体转变的影响主要体现在改变奥氏体的稳定性，从而影响珠光体的 形核和长大过程。
例如，一些合金元素（如铬、镍、锰等）能够提高奥氏体的稳定性，使珠光体转变 温度升高，转变孕育期延长。
另外一些合金元素（如钨、钼、钒等）则降低奥氏体的稳定性，使珠光体转变温度 降低，转变速度加快。
石油化工
在石油化工行业中，许多设备和管 道都需要能够承受高温和腐蚀的金 属材料，珠光体转变能够提高金属 材料的耐腐蚀性和强度。
珠光体转变在材料科学研究中的应用
相变动力学
计算材料学
珠光体转变是材料科学中的重要相变 过程，研究珠光体转变的相变动力学 有助于深入了解材料的性能和行为。
利用计算机模拟珠光体转变的过程， 可以预测材料的性能，为新材料的开 发提供指导。
在转变完成后，冷却速率对珠光体的形貌和晶体学取向也有影响。在缓 慢冷却条件下，珠光体容易形成片层较厚、晶体学取向较差的组织。
05
珠光体转变的研究进展
新型珠光体转变的研究
新型珠光体转变的发现
近年来，随着材料科学的发展，人们发现了新型珠光体转变，这 种转变具有不同于传统珠光体转变的特点和机理。
新型珠光体转变的特性
合金设计
钢的热处理-珠光体转变
§2 珠光体的转变机理
1. 珠光体的形核
珠光体的形核地点：奥氏 体晶界。 铁素体先形核还是渗碳 体先形核？
在共析钢和过共析钢中， 通常以渗碳体为领先相， 在亚共析钢中，则不排 除以铁素体为领先相的 可能性。
珠光体的形核长大示意图
问题：珠光体纵向长大还是横向长大？ 目前认为，初期纵向和横向都长大，后期按分枝长
奥氏体中未溶解的碳化物或其它夹杂物 质点（如脱氧产物）的存在，可以作为非 自发核心增加形核速率，从而加速珠光体 的转变，是C曲线左移。但对长大速度无明 显影响。
4. 塑性变形
奥氏体的塑性变形会促进珠光体转变， 而且变形度愈大，对珠光体转变的加速作 用愈强。
5. 奥氏体的成分
（1）碳含量的影响 亚共析钢中随着碳含量增加，转变速度减慢，
大小。
先析出相的典型形态
（1）仿晶界型 先共析相在母相晶界 上形核，并延晶界平 滑长大，最终可能形 成网状。
（2）魏氏组织型侧向片 状或针状
先析出相从母相晶界 开始，向一侧的晶内 发展，长成片状或针 状。
魏氏组织：晶界或晶 内形核，在晶内特定 晶面上形核，并延一 定位向长大成片状或 针状的组织－魏氏组 织。
与薄片状的渗碳体组成的相间混合物 （质量分数：渗碳体占12%，铁素体88%）。 珠光体团－若干具有相同位向的铁素体和渗碳
体组成的一个晶体群。
珠光体团的亚结构－在一个珠光体团内，不是 所有渗碳体片的位向都完全一致，而是由若 干位向差不大的亚结构组成。
铁素体和渗碳体的颜色和位向关系
铁素体和渗碳体的颜色： 铁素体和渗碳体都是灰白色。 如果放大倍数不高，渗碳体两边被腐蚀的相
需的浓度起伏就愈困难，因而形核率愈低。 在热处理时，奥氏体化温度愈高，保温时 间愈长，则奥氏体的成分愈均匀，故形成 珠光体的速度愈慢，使C曲线右移。 2. 奥氏体的晶粒度
3 珠光体转变1
未溶碳化物颗粒。
2、片状珠光体的低温球化 退火。
3、马氏体、贝氏体组织在
A1稍下高温回火所得到。
T10钢球化退火
第二节 珠光体转变机制
热力学条件
片状P的晶体学
1、珠光体转变的领先相：
随相变温度和A成分不同而异
一般认为是渗碳体。 因为: (1) 珠光体中渗碳体与从奥氏体中析出
的先共析渗碳体的晶体学位向相同； （2）珠光体中渗碳体与共析转变前产生 的渗碳体在组织上是连续的； （3）奥氏体中未溶解的渗碳体有促进珠 光体形成的作用；
(b) 奥氏体中的碳浓度差引起碳的远程扩散； （c）铁素体中的碳浓度差引起碳的扩散。
以上为片状P的形成机制：横向+纵向
2.粒状珠光体的形成过程
将片状P加热到略高于A1 温度保温，将使片状
珠光体球化，得到在A基体上分布着颗粒状渗
碳体的组织。这种使片状渗碳体球状化，获得
球状P的热处理过程称为球化退火。
珠光体：共析碳钢奥氏体化后缓慢冷却，奥氏体将分解为 铁素体和渗碳体层片相间的混合物。 典型组织：珠光体呈片状或层状，一个奥氏体晶粒内可以 形成几个片层方向大致相同的区域——珠光体团。
珠光体片层间距：S0，取决于？
随转变温度降低，珠光体层 片间距将减小，依次分为： 片状珠光体S0=150~450nm； 索氏体S0=80 ~ 150nm； 托氏体S0=30 ~ 80nm。 珠光体的片层间距取决于形 成温度，过冷度越大，片层 间距就越小，为什么？ S0=8.02103/∆T
组织形态：针状先共析相+珠光体 形成条件：含碳量和过冷度适当 性能特点：粗晶魏氏组织降低钢的强度、塑性和韧性等
20钢退火
第三章 珠光体转变2
片状珠光体的形成过程：
相组成：
碳含量： 点阵结构：
（
0.77% 面心立方
+
Fe3C ）
6.69% 复杂斜方
0.02% 体心立方
第三章 珠光体转变
片状珠光体形成
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。
图4 渗碳体为领先相，片状珠光体的形成过程示意图
粒状渗碳体球状化的主要原因
成分不均匀，存在高碳区和低碳区，直接在高碳区形成
渗碳体晶核。
对于未溶渗碳体，已非片状或网状。第二相颗粒在基体 中的溶解度与其曲率半径有关。粒子的半径愈小，在母相中 的溶解度越大。 获得粒状珠光体的关键：控制奥氏体化温度，在A1点以
下较高温度范围内缓冷。
第三章 珠光体转变
片状渗碳体断裂机制示意图
第三章 珠光体转变
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。
第三章 珠光体转变
在亚共析钢中，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。
第三章 珠光体转变
在亚共析钢中，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，
过冷奥氏体转变温度越低，其伪共析转变的成分范围越大。
第三章 珠光体转变
（b)亚（过）共析钢先共析相的析出
亚共析钢或过共析钢（如图5中合金Ⅰ或Ⅱ）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。
第三章珠光体转变
2、珠光体的形成机理 （1）形核
γ(0.77%C) → α(~0.02%C) + cem(6.67%C) (面心立方) （体心立方） （复杂单斜）
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。
c)表示由晶界长出的渗碳体片，伸向 晶粒内后形成了一个珠光体团。
其中a)和b)为离异共析组织。
3.2.3 粒状珠光体形成机制
1) 粒状珠光体的形成 特定条件是：奥氏体化温度 低，保温时间较短，即加热 转变未充分进行，此时奥氏 体中有许多未溶解的残留碳 化物或许多微小的高浓度C的 富集区，
其次是转变为珠光体的等温 温度要高，等温时间要足够 长，或冷却速度极慢，这样 可能使渗碳体成为颗粒（球） 状，即获得粒状珠光体。
对奥氏体施加等向压应力，有降低珠光体形成温度、 共析点移向低碳和减慢珠光体形成速度的作用。这与 等向压应力下原子迁移阻力增大，C、Fe原子扩散、晶 体点阵改组困难有关。
3、特殊形态的P
当钢中含有一定数量 的合金，形成碳化物 时形态多样。
片状--粒状--针状—纤 维状
3.1.2珠光体的晶体结构
1、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。
热处理原理及工艺-珠光体转变与钢的退火和正火
70%等的时间。多组试样在不同等温温度下进行试验，将Байду номын сангаас温度下的转变
开始点和终了点都绘在温度—时间坐标系中，并将不同温度下的转变开始 点和转变终了点分别连接成曲线，就可以得到共析钢的过冷奥氏体等温转
变曲线 。
最上面一条水平虚线表示钢的临界点A1（723℃），即奥氏体与珠光体的 平衡温度。图中下方的一条水平线Ms（230℃）为马氏转变开始温度，Ms 以 下还有一条水平线Mf（–50℃）为马氏体转变终了温度。A1与Ms线之间有两 条C 曲线，左侧一条为过冷奥氏体转变开始线，右侧一条为过冷奥氏体转变 终了线。A1 线以上是奥氏体稳定区。Ms 线至Mf线之间的区域为马氏体转变 区，过冷奥氏体冷却至Ms线以下将发生马氏体转变。过冷奥氏体转变开始线 与转变终了线之间的区域为过冷奥氏体转变区，在该区域过冷奥氏体向珠光 体或贝氏体转变。在转变终了线右侧的区域为过冷奥氏体转变产物区。A1线 以下，Ms线以上以及纵坐标与过冷奥氏体转变开始线之间的区域为过冷奥氏
以共析钢为例，用若干组共析钢的小圆片试样，经 同样奥氏体化以后，每组试样各以一个恒定速度连 续冷却，每隔一段时间取出一个试样淬入水中，将 高温分解的状态保留到室温，然后进行金相测定， 求出每种转变的开始温度、开始时间和转变量。将 各个冷速下的数据综合绘在“温度—时间对数”的 坐标中，便得到共析钢的连续冷却C曲线 。
体区，过冷奥氏体在该区域内不发生转变，处于亚稳定状态。
在A1温度以下某一确定温度，过冷奥氏体转变开始线 与纵坐标之间的水平距离为过冷奥氏体在该温度下的孕育 期，孕育期的长短表示过冷奥氏体稳定性的高低。在A1以 下，随等温温度降低，孕育期缩短，过冷奥氏体转变速度
增大，在550℃左右共析钢的孕育期最短，转变速度最快。
3珠光体转变.
2、珠光体的组织形态
片状珠光体
珠光体形态
粒状珠光体
1）片状P的显微结构：
●由Fe3C片和F片互相交替排列组成的。 ●试样用4％硝酸酒精溶液浸蚀，显示P由片状Fe3C（暗色）和F （白色）组成。 ●试样经深浸蚀将F优先腐蚀掉， 再用扫描电镜观察，片状 Fe3C成浮凸像。
片状珠光体
（T8钢990℃炉冷）500×
2）粒状P的显微结构：
球化退火显微组织 （T10钢球化退火）580X
粒状珠光体 （T8钢球化退火） 550×
关于粒状珠光体的几个要点
●粒状珠光体:Fe3C以粒状分布于F基体上形成
的混合组织。
●采用球化处理工艺可以得到粒状珠光体组织。
● Fe3C的量由钢的C%决定 ，
● Fe3C的尺寸,形状由球化工艺决定。
其中: C =8.02×10 3(nm· K)；S0：珠光体的片间距(nm)； △T：过冷度，即珠光体转变温度与临界点A1之差。
S0 = C /△ T
亚共析钢显微组织（45钢，退火）×580 铁素体为浅蓝颜色，珠光体为多种颜色
过共析钢显微组织（T12钢，退火）×580
珠光体+白色网状渗碳体
片状珠光体分为三种：
一般所谓的珠光体(P)，是指光学 显微镜下能明显分辨出片层的珠光 体，此时片间距为150～450 nm， 当片间距为80～150 nm时，称为索 氏体(S)，片间距为30～80 nm时， 称为屈氏体(T)。
珠光体形貌像
光镜下形貌
电镜下形貌
索氏体形貌像
光镜形貌
电镜形貌
屈氏体形貌像
光镜形貌
电镜形貌
②淬火变形、开裂倾向小，疲劳强度（σ-1）高。 ③可切性能好，对刀具磨损小。
珠光体转变与钢的退火和正火
650℃温度范围内。在光学显微镜下可清晰分辨出铁素体和
渗碳体片层状组织形态；
（２）索氏体(S): 片间距约为150～80nm，形成于650～
600℃温度范围内。只有在800倍以上光学显微镜下观察才能
分辨出铁素体和渗碳体片层状组织形态；
（３）屈氏体(T): 片间距约为80～30nm，形成于600～
550℃温度范围内。在光学显微镜下已很难分辨出铁素体和
渗 碳 体 片 中 有 位 错 存 在 ， 并 可 形 成 亚 晶 界，在固溶体（奥氏体或铁素体，如为后 者）与渗碳体亚晶界接触处则形成凹坑， 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。 与 坑 壁 接 触 的 固 溶 体 具 有 较 高 的 溶 解 度 ， 将引起C在固溶体中的扩散，并以渗碳体的 形式在附近平面渗碳体上析出。 为了保持亚稳定平衡，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面表面张力 （γcem-a-γcem-cem）的平衡。 为 了 保 持 表 面 张 力 的 平 衡 ， 凹 坑 将 因 渗 碳体继续溶解而加深。在渗碳体片亚晶界 的另一面也发生上述溶解析出过程，如此 不断进行直到渗碳体片溶穿，一片成为两 截。
• 从成分上讲，由于钢的含碳量较低产生低碳区更为有利，即有利于α为
领先相
• 从结构上讲，在较高温度，特别在高碳钢中，往往出现先共析Fe3C相， 或存在未溶Fe3C微粒
• 一般认为过共析钢的领先相为Fe3C，而亚共析钢的为F，共析钢的并不
排除F的可能性。
•19
•若在奥氏体晶界上形成了一片渗碳体（领先相为 片状，主要是由于片状的应变能较低，片状在形 核过程中的相变阻力小） •同时向纵横方向生长
第三章 珠光体转变
粒状珠光体
3.1 珠光体的组织特征
片状珠光体 由一层铁素体与一层渗碳体交替紧密堆叠而成的。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。 若干大致平行的铁素体和渗碳体片组成一个“珠光体晶粒” 或“珠光体团”，在一个奥氏体晶粒内，可形成几个珠光体团 。
层片状珠光体示意图
3.1 珠光体的组织特征
根据片层间距大小的不同，可将珠光体分为三种。
3.1 珠光体的组织特征
珠光体——一般所谓的片状珠光体是指在光学显微镜下能明 显分辨出铁素体和渗碳体层片状组织形态的珠光体。它的片 间距大约为450~150nm，形成于A1~650℃温度范围内。
3.1 珠光体的组织特征
索氏体——如果形成温度较低，在650~600℃温度范围内形 成的珠光体，其片间距较小，约为150~80nm，只有在高倍 的光学显微镜下（放大800~1500倍时）才能分辨出铁素体和 渗碳体的片层形态。
3.3 珠光体动力学
（3）形核率I和长大速度G与转变时间的关系
当转变温度一定时，随转 变时间的延长，I 逐渐增大 ，而对G无明显的影响。
3.3 珠光体动力学
1、有孕育期，且随温度的 变化有极小值； 2、温度降低，转变速度增 加，对应鼻点温度时转变速度 最大； 3、转变时间增加，转变量 增加，当转变量超过50%后， 转变速度减慢。 因为在A→P时，对A产生压 应力抑制A →P的转变，压应 力下，C、Fe原子扩散和晶格 改组困难。
3.1 珠光体的组织特征
珠光体形成的过程中，新相铁素体和母相奥氏体的位向关系 110 // 112 ; 112 // 110
在亚共析钢中，先共析铁素体与奥氏体的位向关系
(111) //(110 ) ;[110 ] //[111]
第三章 珠光体转变
第三章 珠光体转变
热处理原理与工艺 第三章 珠光体转变
1
第三章 珠光体转变
导读
▪ 通过学习本章，重点掌握钢中珠光体的 概念，物理本质，组织结构特点，珠光 体转变的物理过程，分解动力学特征及 C曲线的影响因素。了解珠光体分解热力 学，形核长大机理等知识。
2
第三章 珠光体转变
第三章 珠光体转变
珠光体转变是过冷奥氏体在临界温度A1以下比较 高的温度范围内进行的转变，共析碳钢约在A1~500℃ 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……Pearlite
3
3.1 珠光体的组织特征
第三章 珠光体转变
3.1.1 珠光体的组织形态
第
一
珠光体是过冷奥氏体在A1以下的共析转变产物，
节 是铁素体和渗碳体组成的机械混合物(P)。
珠
形状分类：片状珠光体、粒状(球状)珠光体和针
光 体
状珠光体；片状和粒状最常见。
的 1、片状珠光体
组
织
渗碳体呈片状，是由一层铁素体和一层渗碳体层
镜下可辨，用符号S 表示。
珠 光 体 的 组 织 特 征 光镜形貌
电镜形貌
13
第三章 珠光体转变
▪ ⑶ 托氏体
▪ 形成温度为600-550℃，片层极薄，电镜下可辨，
第 一
用符号T 表示。
节
珠
光
体
的
组
织
特
光镜形貌
电镜形貌
征
热处理原理与工艺 第三章 珠光体转变
1
第三章 珠光体转变
导读
▪ 通过学习本章，重点掌握钢中珠光体的 概念，物理本质，组织结构特点，珠光 体转变的物理过程，分解动力学特征及 C曲线的影响因素。了解珠光体分解热力 学，形核长大机理等知识。
2
第三章 珠光体转变
第三章 珠光体转变
珠光体转变是过冷奥氏体在临界温度A1以下比较 高的温度范围内进行的转变，共析碳钢约在A1~500℃ 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……Pearlite
3
3.1 珠光体的组织特征
第三章 珠光体转变
3.1.1 珠光体的组织形态
第
一
珠光体是过冷奥氏体在A1以下的共析转变产物，
节 是铁素体和渗碳体组成的机械混合物(P)。
珠
形状分类：片状珠光体、粒状(球状)珠光体和针
光 体
状珠光体；片状和粒状最常见。
的 1、片状珠光体
组
织
渗碳体呈片状，是由一层铁素体和一层渗碳体层
镜下可辨，用符号S 表示。
珠 光 体 的 组 织 特 征 光镜形貌
电镜形貌
13
第三章 珠光体转变
▪ ⑶ 托氏体
▪ 形成温度为600-550℃，片层极薄，电镜下可辨，
第 一
用符号T 表示。
节
珠
光
体
的
组
织
特
光镜形貌
电镜形貌
征
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二、珠光体的机械性能
图3-5 共析碳素钢的珠光体形成温度 对片层间距和团直径的影响
图3-6 共析碳素钢珠光体团的直径和 片层间距对断裂强度的影响
图3-7 共析碳素钢珠光体团的直径和 片层间距对断面收缩率的影响
珠光体团直径和片层间距越小，强度、硬度越高， 塑性也越好。
图3-8 共析碳素钢不同组织的应力-应变图
第三章 钢的珠光体转变
§3-1 珠光体的组织形态与性能特点
一、珠光体的组织形态 γ → P (α + Fe3C)
面心立方 体心立方 复杂斜方 0.77%C 0.0218%C 6.69%C 根据在铁素体基体上分布的渗碳体形状，珠光体 可分为片状珠光体和粒状珠光体。
图3-1 共析碳钢(0.8%C,0.76%Mn)的C曲线
(1) 珠光体：在A1~650℃范围内形成，层片较粗， 片层间距平均大于0.3μm，在放大400倍以上的光学 显微镜下便可分辨出层片；
(2) 索氏体：在650~600℃范围内形成，层片比 较细，片层间距平均为0.1~0.3μm，在大于1000倍的 光学显微镜下可分辨出层片；
(3) 屈氏体：在600~550℃范围内形成，层片很 细，片层间距平均小于0.1μm，即使在高倍光学显微 镜下也无法分辨出片层，只有在电子显微镜下才能 分辨开层片。
1-片状珠光体 2-粒状珠光体
在退火状态下，对于相同含碳量的钢料，粒状珠 光体的强度、硬度比片状珠光体低，塑性、切削加工 性和淬火工艺性等比片状珠光体好。
§3-2 珠光体转变的机理
γ → P (α + Fe3C) 面心立方 体心立方 复杂斜方 0.77%C 0.0218%C 6.69%C
一、珠光体的形核
图3-9 片状珠光体形核与长大过程示意图
二、珠光体晶核的长大 1. 协作长大 (1) 纵向长大
图3-10 片状珠光体形成时碳原子扩散示意图
(2) 横向长大 2. 分枝长大
(a)
(b)
图3-11 珠光体中渗碳体片的分枝长大
(a) 金相照片 (b) 示意图
三、亚(或过)共析钢的珠光体转变
图3-12 铁碳准平衡示意图
图3-2 粒状珠光体
典型组织形态为：在铁素体基体上分布着颗粒状 渗碳体的组织。
图3-3 片状珠光体
典型组织形态为：厚片状铁素体与薄片状渗碳体 交替排列的片层状组织。
图3-4 片状珠光体的片层间距和珠光体团的示意图 a) 珠光体的片层间距；b) 珠光体团
根据片层间距的大小，可将片状珠光体细分为 以下三类：