珠光体的形成机理

2013-03-01 14:28阅读：

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一、珠光体形成的热力学条件
奥氏体过冷到A₁点温度以下，将发生珠光体转变。发生这种转变需要一定过冷度，以提供相变时消耗的化学自由能。由于珠光体转变温度较高，Fe和C原子都能扩散较大的距离，珠光体又是在位错等微观缺陷较多的晶界成核，相变需要的自由能较小，所以在较小的过热度下即可发生相变。
二、片状珠光体的形成机理

S₀

合金元素含量 /％

图3-6合金元素对共析温度和共析碳含量的影响

当共析钢由奥氏体转变为珠光体时，是由0.77％C的均匀固溶体转变为含C很高（6.69％C）的渗碳体和含碳量很低（0.02％C）的铁素体的混合物。 （一）珠光体转变时的领先相
一般认为共析纲中珠光体形成时的领先相是渗碳体，其理由如下：
1、P中Fe₃C与从A中析出的先共析Fe₃C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；
2、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；
3、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。
合金元素对珠光体形成的领先相亦有一定的影响。
（二）珠光体的形成过程
1、片状珠光体的形成过程
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体的两相混合物，即
相组成： γ → （ α ＋ Fe₃C ）
碳含量： 0．77％ 0．02％ 6．69％
点阵结构面心立方体心立方复杂斜方
因此，珠光体的形成过程包含着两个同时进行的过程：其一是通过碳的扩散形成低碳铁素体和高碳渗碳体；其二是晶体点阵重构，由面心立方点阵的奥氏体转变为体心立方点阵的铁素体和复杂斜方点阵的渗碳体。
珠光体的形核：多数在奥氏体晶界上；
也可在晶体缺陷比较密集的区域形核。
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。

图3-8 片状珠光体的形成时C的扩散示意图

Cγ-α-c

Cγ-c

Cα-γ

Cγ

P

G

S

C含量 /％

P`

E`

E

G`

S`

α

Fe₃C

γ

B

C

S

A``

A

B`

b)

Cα-c

a)

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。
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。
2．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化退火而获得的。（适用于过共析钢）。
若将片状珠光体加热至略高于A₁点的温度，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。
（三）亚(过)共析钢的珠光体转变
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。
1、伪共析转变

图3-10 先共析相的析出温度范围

如果将亚共析钢或过共析钢(如合金工或Ⅱ)自A区以较快速度冷却下来，在先共析铁素体或先共析渗碳体来不及析出的情况下，奥氏体被过冷到了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A中的溶解度曲线，在此温度以下保温时，将自A中同时析出铁素体和渗碳体。在这种情况下，过冷A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A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”，E`SG’线以下的阴影区域称为“伪共析转变区”。由图可见，过冷A转变温度越低，其伪共析转变的成分范围就越大。
2．亚(过)共析钢先共析相的析出
先共析相的析出是与C在A中的扩散密切相关的。亚共析钢或过共析钢(如图3-10中合金I或Ⅱ)奥氏体化后冷却到先共析铁素体区(GSE’线以左区域)或先共析渗碳体区(ESG’线以右区域)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A碳含量和析出温度或冷却速度。碳含量越高(或越低)，冷却速度越大、析出温度越低，则析出的先共析铁素体(或先共析渗碳体)的量就越少。
魏氏组织：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。魏氏组织以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。

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