哈工大《材料科学基础Ⅱ》(相变)3

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1、耿耿 林林哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学基础材料科学基础（材料相变原理）（材料相变原理）第第3章章 珠光体转变珠光体转变钢经过奥氏体化后，缓慢冷却或钢经过奥氏体化后，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。用状态，而是

2、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。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。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

3、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。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、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。珠光体的机械性能和影响因素、钢中的相间沉淀。第第3章章 珠光体转变珠光体转变珠光体的典型组织特征是由一层铁素体和一珠光体的典型

4、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。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一对铁素体和渗碳体片的总厚度称为珠光体片层间距（片层间距（S0）。片层方向大致相图的区域称为片层方向大致相图的区域称为珠光体团珠光体团。3.1 珠光体的组织形态珠光体的组织形态珠光体的组织形态特征：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：根据片层间距的不同，可将珠光体分为三种：珠光体珠光体：S0=450-150nm，形成温度为，形成温度为A1650，普通光学显微镜可以分辨。，普通光学显微镜可以分辨。索氏体索氏体：S0=150-80nm

5、，形成温度为，形成温度为650600，高倍光学显微镜可以分辨。，高倍光学显微镜可以分辨。屈氏体屈氏体：S0=80-30nm，形成温度为，形成温度为600550，电子显微镜可以分辨。，电子显微镜可以分辨。第第3章章 珠光体转变珠光体转变在珠光体转变过程中，所形成的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光体中，铁素体与渗碳体之间存在一定的晶体学位向关系。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珠光体的组织形态特征：珠光体的组织形态特征：铁素体基体

6、上分布着粒状渗碳体铁素体基体上分布着粒状渗碳体的组织为的组织为粒状珠光体粒状珠光体。这种组织。这种组织一般是通过球化退火或淬火后高一般是通过球化退火或淬火后高温回火得到的。温回火得到的。粒状珠光体组织粒状珠光体组织粒状珠光体组织粒状珠光体组织第第3章章 珠光体转变珠光体转变3.1 珠光体的组织形态珠光体的组织形态珠光体的片层间距：珠光体的片层间距：珠光体的片层间距用珠光体的片层间距用S0表示，它是用来衡量珠光体组表示，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。于珠光体形成时的过冷

7、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：越小，存在如下经验关系： S0 = ( 8.02/T )103 (nm)式中过冷度式中过冷度T的单位为的单位为K。第第3章章 珠光体转变珠光体转变3.2 珠光体的形成过程珠光体的形成过程珠光体转变的动力是体系珠光体转变的动力是体系自由能的下降，其大小取自由能的下降，其大小取决于转变温度。过冷度越决于转变温度。过冷度越大，转变驱动力越大。大，转变驱动力越大。珠光体转变温度较高，原珠光体转变温度较高，原子扩散能力较强，在较小子扩散能力较强，在较小的过冷度时就

8、可以发生珠的过冷度时就可以发生珠光体转变。光体转变。一、珠光体形成的热力学条件一、珠光体形成的热力学条件 GPT1T第第3章章 珠光体转变珠光体转变3.2 珠光体的形成过程珠光体的形成过程二、片状珠光体形成过程二、片状珠光体形成过程铁素体铁素体0.02%C体心立方体心立方6.69%C复杂晶格复杂晶格渗碳体渗碳体奥氏体奥氏体0.77%C面心立方面心立方珠光体的形成也是通过形核长大完成的。珠光体的形成也是通过形核长大完成的。形核形核：形核部位是奥氏体晶界或奥氏体与其它相（渗碳体，铁素体）：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。的相界面。领先相领先相可以是铁素体，也可以是渗

9、碳体。可以是铁素体，也可以是渗碳体。长大长大：横向长大很好理解：形成一片渗碳体后，两侧奥氏体中碳浓：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。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，珠光体转变温度较高，铁原子和碳原子都可以铁原子和碳原子都可以发生扩散，属于扩散型发生扩散，属于扩散型相变。相变。第第3章章 珠光体转变珠光体转变3.2 珠光体的形成过程珠光体的形成过程二、片状珠光体形

10、成过程二、片状珠光体形成过程纵向长大可以由碳纵向长大可以由碳扩散过程来解释。扩散过程来解释。碳在奥氏体中的扩碳在奥氏体中的扩散速度决定了珠光散速度决定了珠光体的纵向长大速度。体的纵向长大速度。晶格的重构是由铁晶格的重构是由铁原子的自扩散完成原子的自扩散完成的。的。片状珠光体形成时碳扩散示意图片状珠光体形成时碳扩散示意图第第3章章 珠光体转变珠光体转变3.2 珠光体的形成过程珠光体的形成过程三、粒状珠光体形成过程三、粒状珠光体形成过程珠光体的球化过程：珠光体的球化过程：将片状珠光体加热到稍高于将片状珠光体加热到稍高于A1温度以上，使奥氏体温度以上，使奥氏体中存在大量未溶解的残余渗碳体和富碳区。片

11、状渗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。体上的粒状珠光体。第第3章章 珠光体转变珠光体转变3.3 珠光体转变动力学珠光体转变动力学一、珠光体的形核率和长大速率一、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：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