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1、1.4.3 1.4.3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变-珠光体转变珠光体转变 珠珠光光体体转转变变是是过过冷冷奥奥氏氏体体在在临临界界温温度度A1以以下下比比较较高高的的温温度度范范围围内内进进行行的的转转变变，共共析析碳碳钢钢约约在在A1500温度之间发生，又称高温转变。温度之间发生，又称高温转变。由由于于相相变变在在较较高高的的温温度度下下进进行行，铁铁、碳碳原原子子都都能进行扩散，所以珠光体转变是典型的扩散型相变。能进行扩散，所以珠光体转变是典型的扩散型相变。珠光体珠光体铁素体铁素体渗碳体渗碳体硬度低而塑性高硬度低而塑性高硬度高而脆性大硬度高而脆性大两者合理的匹配，可得到综合力学性能良
2、好的两者合理的匹配，可得到综合力学性能良好的P珠珠光光体体转转变变是是钢钢中中重重要要的的相相变变，同同时时在在热热处处理理实实践践中中也也极极为为重重要要，因因为为在在钢钢的的退退火火与与正正火火时时所所发发生的都是珠光体转变。生的都是珠光体转变。必必须须控控制制珠珠光光体体转转变变产产物物的的形形态态，以以保保证证所所得得组组织织具具有有所所需需要要的强度、韧塑性等。的强度、韧塑性等。要要求求退退火火或或正正火火所所得得组组织织能能满满足足最最终终热处理的需要。热处理的需要。退火与正火退火与正火最终热处理最终热处理预备热处理预备热处理为为了了解解决决上上述述一一系系列列问问题题，就就必必须
3、须对对珠珠光光体体转转变变过过程程、转转变变机机理理、转转变变动动力力学学、影影响响因因素素以以及及珠光体转变产物的性能等进行深入的研究。珠光体转变产物的性能等进行深入的研究。另另外外，为为使使奥奥氏氏体体能能够够过过冷冷到到低低温温，使使之之全全部部转转变变为为马马氏氏体体或或贝贝氏氏体体，就就必必须须要要保保证证奥奥氏氏体体在在冷冷却却过程中不发生珠光体转变。过程中不发生珠光体转变。材料名称：共析钢材料名称：共析钢浸蚀剂：浸蚀剂：4硝酸酒精溶液硝酸酒精溶液处理情况：处理情况：820加热保温后缓冷加热保温后缓冷片状珠光体片状珠光体渗渗碳碳体体呈呈片片状状，是是由由一一层层铁铁素素体体和和一一
4、层层渗渗碳碳体体层层紧密堆叠而成。层层紧密堆叠而成。珠光体团珠光体团在在一一个个原原奥奥氏氏体体晶晶粒粒内内可可形形成成3 35 5个珠光体团个珠光体团片层排列方向大致相同的区片层排列方向大致相同的区域，称为珠光体团或珠光体域，称为珠光体团或珠光体晶粒晶粒在每一个珠光体团中，铁素在每一个珠光体团中，铁素体和渗碳体片大体上维持相体和渗碳体片大体上维持相同取向的小区域，称为珠光同取向的小区域，称为珠光体领域体领域珠光体的片间距离珠光体的片间距离S0在片状珠光体中，一片铁素体和一片渗碳体的总厚在片状珠光体中，一片铁素体和一片渗碳体的总厚度或相邻两片渗碳体或铁素体中心之间的距离，称度或相邻两片渗碳体或
5、铁素体中心之间的距离，称为珠光体的片间距离，用为珠光体的片间距离，用S0表示。表示。S S0 0与珠光体的形成温度有关，与珠光体的形成温度有关，可用下面的经验公式表示：可用下面的经验公式表示：式中：式中：C=8.02C=8.0210104 4（K K）TT过冷度（过冷度（K K）珠珠光光体体型型相相变变为为扩扩散散型型相相变变，铁铁素素体体片片和和渗渗碳碳体体片的长大是受碳、铁原子的扩散控制的。片的长大是受碳、铁原子的扩散控制的。当珠光体的形成温度下降时当珠光体的形成温度下降时扩散系数减小扩散系数减小长大速度减小长大速度减小S减小减小T增加增加S与与T成反比成反比可见，可见，S S与与TT必然
6、存在一定的定量关系。必然存在一定的定量关系。另另一一方方面面，在在过过冷冷度度T一一定定的的情情况况下下，若若S S过过小小，则则由由于于铁铁素素体体和和渗渗碳碳体体的的相相界界面面的的面面积积增增大大，导导致致相相变变阻阻力力阻阻力力之之一一的的界界面面能能增增大大；而而体体系系的的自自由能差保持不变。由能差保持不变。结果是相变驱动力过小而相变不易进行结果是相变驱动力过小而相变不易进行。系统自由能变化系统自由能变化均匀形核：均匀形核：非均匀形核：非均匀形核：片状珠光体的分类片状珠光体的分类通通常常所所说说的的珠珠光光体体，是是指指在在光光学学显显微微镜镜下下能能清清楚楚分分辨辨出出片片层层状
7、状态态的的一一类类珠珠光光体体，而而当当片片间间距距离离小小到到一一定定程程度度后后，光光学学显显微微镜镜就就无无法法分分辨辨不不出出片片层层的的状状态态了了。根根据据片片间间距距离离的的大大小小，通通常常把把珠珠光光体体分分为为普普通通珠光体珠光体P、索氏体、索氏体S和屈和屈(托托)氏体氏体T。S：S0=0.250.08m，很难分辨出片层结构；，很难分辨出片层结构；P：S00.25m，能清晰分辨出片层结构；，能清晰分辨出片层结构；T：S00.08m，无法分辨片层结构。，无法分辨片层结构。在光学显微镜下在光学显微镜下珠光体转变珠光体转变珠光体转变珠光体转变-100010020030040050
8、06000110102103104105时间/s700800温度/AAPMsMf(a)珠光体 3800,150450nm(b)索氏体 8000,80150nm(c)屈氏体 8000 ,3080nm(a)光学显微镜下形貌 普通珠光体P(b)电子显微镜下形貌珠光体组织v索氏体 形成温度为650-600，片层较薄，800-1000倍光镜下可辨，用符号S表示。如图所示。(a)光学显微镜下形貌 400(b)电子显微镜下形貌索氏体组织托氏体（屈氏体）托氏体（屈氏体）形成温度为600-550，片层极薄，电镜下可辨，用符号T表示。(a)光学显微镜下形貌 (b)电子显微镜下形貌 屈氏体组织珠光休显微姐织（T8钢
9、退火）580 珠光体组织粗细颜色不同亚共析钢显微组织（亚共析钢显微组织（45钢，退火）钢，退火）580铁素体为浅兰颜色，珠光体为多种颜色铁素体为浅兰颜色，珠光体为多种颜色过共析钢显微组织（过共析钢显微组织（T12钢，退火）钢，退火）580珠光体珠光体+白色网状渗碳体白色网状渗碳体渗渗碳碳体体呈呈颗颗粒粒状状，均均匀匀地地分分布布在在铁铁素素体体基基体体上上的的组组织织，铁铁素素体体呈呈连连续分布。续分布。粒状珠光体粒状珠光体球化退火显微组织球化退火显微组织（T10钢，球化退火）钢，球化退火）580X 针状珠光体针状珠光体当当钢钢中中含含有有一一定定数数量量的的Cr，在在转转变变温温度度较较低低
10、时时，可可形形成成一一类类特特异异形形态态的的珠珠光光体体，其其组组织织外外形形呈呈黑黑色色针针状，整体呈冰花状。状，整体呈冰花状。2 2 珠光体转变产物的力学性能珠光体转变产物的力学性能碳钢碳钢亚共析碳钢亚共析碳钢共析碳钢共析碳钢过共析碳钢过共析碳钢片片P粒粒PP+FPP+K共析成分珠光体的力学性能共析成分珠光体的力学性能片状珠光体的力学性能片状珠光体的力学性能片层间距片层间距P团直径团直径F片的片的亚晶粒尺寸亚晶粒尺寸原始奥氏体原始奥氏体晶粒大小晶粒大小力学性能影响因素力学性能影响因素片状珠光体的性能主要取决于片状珠光体的性能主要取决于奥氏体化温度及珠光体的形成温度奥氏体化温度及珠光体的形
11、成温度珠光体的珠光体的形成温度形成温度奥氏化奥氏化条件条件珠光体的珠光体的形成温度形成温度奥氏体的奥氏体的晶粒大小晶粒大小碳含量碳含量随随着着珠珠光光体体团团直直径径以以及及片片间间距距离离的的减减小小，珠光体的强度、硬度和塑性均升高。珠光体的强度、硬度和塑性均升高。规规律律由由于于铁铁素素体体与与渗渗碳碳体体片片薄薄时时，相相界界面面增增多多，阻阻碍碍位位错错运运动动。在在外外力力作作用用下下，抵抵抗抗塑塑性性变变形形的的能力增高，因而强度和硬度增大；能力增高，因而强度和硬度增大；珠珠光光体体团团直直径径减减小小，单单位位体体积积内内珠珠光光体体片片层层排排列列方方向向增增多多，每每一一有有
12、利利塑塑性性变变形形的的尺尺寸寸减减小小，都都将将使使局局部部发发生生大大量量塑塑性性变变形形所所引引起起的的应应力力集集中减少，因而既增高了强度又提高了塑性。中减少，因而既增高了强度又提高了塑性。原原因因工工业业上上，以以片片状状珠珠光光体体作作为为使使用用的的组组织织状状态态，比比较较重重要要的的是是“派派敦敦”（PatentingPatenting）处处理理的的绳绳用钢丝、琴钢丝和某些弹簧钢丝。用钢丝、琴钢丝和某些弹簧钢丝。所所谓谓派派敦敦处处理理，也也叫叫铅铅淬淬冷冷拔拔工工艺艺。就就是是将将高高碳碳钢钢奥奥氏氏体体化化后后，淬淬入入铅铅浴浴（600600650650）中中等等温温转转
13、变变，获获得得细细片片状状珠珠光光体体（索索氏氏体体）组组织织，然后再进行深度冷拔。然后再进行深度冷拔。这是目前工业上具有最高强度的组织形态之一这是目前工业上具有最高强度的组织形态之一。应应用用这这两两个个相相互互矛矛盾盾因因素素的的共共同同作作用用，使使表表征征冲冲击击韧韧性性的冷脆转变温度与片间距离的关系出现一个极小值的冷脆转变温度与片间距离的关系出现一个极小值.片间距离对冲击韧性的影响片间距离对冲击韧性的影响片间距离对冲击韧性的影响比较复杂片间距离对冲击韧性的影响比较复杂。片间距离的减小将片间距离的减小将使冲击性能变坏使冲击性能变坏而渗碳体变薄又有而渗碳体变薄又有利于改善冲击韧性利于改善
14、冲击韧性强度提高而强度提高而使冲击变坏使冲击变坏薄的渗碳体片可以弯曲和薄的渗碳体片可以弯曲和变形，使断裂成为韧性断变形，使断裂成为韧性断裂，从而改善冲击韧性裂，从而改善冲击韧性与片状珠光体相比，在成分相同的情况下，与片状珠光体相比，在成分相同的情况下，粒状珠光体的强度、硬度稍低，但塑性较好。粒状珠光体的强度、硬度稍低，但塑性较好。粒状珠光体的机械性能粒状珠光体的机械性能铁铁素素体体与与渗渗碳碳体体的的相相界界面面较较片片状状珠珠光光体体的的少少，对对位位错错运运动动的的阻阻力较小。力较小。铁铁素素体体呈呈连连续续分分布布，渗渗碳碳体体颗颗粒粒均均匀匀地地分分布布在在铁铁素素体体基基体体上上，位
15、位错错可可以以较较大大范范围围的的移移动动，因因此，塑性变形量较大此，塑性变形量较大。高高碳碳钢钢在在机机加加工工和和热热处处理理前前，常常要要求求先先经经球球化化退退火火处理得到粒状珠光体；处理得到粒状珠光体；中中低低碳碳钢钢在在机机械械加加工工前前，则则需需正正火火处处理理，得得到到更更多多的伪珠光体，以提高切削加工性能；的伪珠光体，以提高切削加工性能；低低碳碳钢钢在在深深冲冲等等冷冷加加工工前前，为为了了提提高高塑塑性性变变形形能能力力，常需进行球化退火。常需进行球化退火。此此外外，粒粒状状P的的可可切切削削性性好好，对对刀刀具具磨磨损损小小，冷冷挤挤压压成型性好，加热淬火时的变形、开裂倾向小成型性好，加热淬火时的变形、开裂倾向小。粒粒状状珠珠光光体体的的性性能能，主主要要取取决决于于碳碳化化物物颗颗粒粒的的大大小小、形形态态和和分分布布。一一般般来来说说，当当钢钢的的化化学学成成分分一一定定时时，碳碳化化物物颗颗粒粒越越细细小小，强强度度、硬硬度度越越高高；碳碳化化物物越越接接近等轴状，分布越均匀，塑韧性越好。近等轴状，分布越均匀，塑韧性越好。