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珠光体转变

珠光体转变

过冷奥氏体在Ar1温度同时析出铁素体和渗碳体或合金碳化物两相构成珠光体组织的扩散型一级相变，称为珠光体转变。

简介
过冷奥氏体在Ar1温度同时析出铁素体和渗碳体或合金碳化物两相构成珠光体组织的扩散型一级相变，称为珠光体转变。
P92钢在等温退火时，会发生珠光体转变，形成珠光体组织，珠光体形成包括形核和长大两个过程，属于扩散性相变。P92钢在退火时，因未溶碳化物存在，成分也不均匀，具有促进珠光体形核及长大的作用，碳化物颗粒可作为形核的非自发核心，因而使转变速度加快。
奥氏体化温度不同，奥氏体品粒大小不同，则过冷奥氏体的稳定性不一样。细小的奥氏体晶粒，单位体积内的界面积大，珠光体形核位置多，也将促进珠光体转变。
P92钢的合金元素提高过冷奥氏体的稳定性，使c一曲线向右移，阻碍过冷奥氏体的共析分解。对P92钢而言，阻碍作用远远大于促进作用，故珠光体转变极大地被抑制。同时，合金元素使P92钢中珠光体的形貌发生变化，得到的珠光体并非典型的层片状组织，这种珠光体称为类珠光体。
珠光体的组织结构及力学性能
珠光体的晶体结构
珠光体从本质上讲，实际上就是铁素体与渗碳体的机械混合物。通过电镜观察退火状态下的珠光体可知，铁素体中的位错密度较低，而渗碳体中的位错密度就更低了，只有铁素体与渗碳体两相交界处的位错密度较高。另外，在铁素体片中还有亚晶界，构成许多亚晶粒。
珠光体的形态及力学性能
按渗碳体的形态，珠光体分为片状珠光体和粒状珠光体两类。
(1)片状珠光体 由片层相问的铁素体和渗碳体片组成。片状珠光体是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，一对铁素体和渗碳体片的总厚度称为珠光体片层问距，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品粒或珠光体团。在一个奥氏体晶粒内，可形成几个珠光体团。
(1)片状珠光体 由片层相问的铁素体和渗碳体片组成。片状珠光体是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，一对铁素体和渗碳体片的总厚度称为珠光体片层问距，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品粒或珠光体团。在一个奥氏体晶粒内，可形成几个珠光体团。
现以共析钢为例，根据片状珠光体片间距大小，可将片状珠光体分为以下三种。
1)珠光体：一般所谓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。它的片层间距为150～ 450nm，形成温度在A1～650℃范围内。
2)索氏体：在650～600℃温度范围内形成的珠光体，由于其片层间距较小，为150～80nm，只有在800 ～ 1500倍的高倍光学显微镜下才能分辨出铁素体和渗碳体的片层形态，这种细片状的珠光体称为索氏体。
3)托氏体：在600～550℃温度范刚内形成的珠光体，其片层间距极细，为80～30nm，在光学显微镜下根本无法分辨其层片状特征，只有在电子显微镜下才能分辨出铁素体和渗碳体的片层形态，这种极细的珠光体称为托氏体。
片状珠光体的力学性能主要取决于片间距和珠光体团的直径。珠光体的片层越细，则珠光体中铁素体和渗碳体的相界面越多，其塑性变形抗力就越大，其强度、硬度也就越高。
(2)粒状珠光体钢件经过球化退火或淬火后再进行中、高温回火，可得到铁素体基体上分布着粒状渗碳体的组织，称为粒状珠光体或球状珠光体。
粒状珠光体的力学性能主要取决于渗碳体颗粒的大小、形态及分布。一般来说，当钢的成分一定时，渗碳体颗粒越细、相界面越多，钢的强度及硬度就会越高；碳化物越接近等轴状、分布越均匀，钢的韧性就会越好。在成分相同的条件下，粒状珠光体比片状珠光体的硬度稍低，但塑性较好。
珠光体形成的热力学条件
奥氏体过冷到A1温度以下，将发生珠光体转变。发生这种转变需要一定的过度，以提供相变时消耗的吉布斯自由能。由于珠光体转变温度较高，铁和碳原子都能扩散较大的距离，并且珠光体在位错等微观缺陷较多的晶界处形核，相变需要的吉布斯自由能较小，所以在较小的过冷度下即可发生相变。
右图《铁素体、奥氏体及渗碳体在A1点以下的吉布斯自由能状态图》所示为铁碳合金中铁素体(F)、奥氏体(A)及渗碳体(Fe3C)在A1点以下的吉布斯自由能状态图。
根据各相吉布斯自由能水平和系统总的吉布斯自由能变化分析，可以得出在A1温度以下，奥氏体转变成铁素体+渗碳体是系统总的吉布斯自由能最低的状态。在相变过程中，奥氏体也有可能转变为铁素体+高碳浓度的奥氏体或过饱和的铁素体作为过渡状态。
珠光体转变的应用知识
利用转变规律控制珠光体的片间距
珠光体的片间距是一片铁素体厚度与一片Fe3C厚度的总和，是影响珠光体强度和硬度重要参数。根据上述的珠光体转变过程可以知道，珠光体的转变受碳的扩散控制。当转变温度降低时，碳扩散困难，同时使铁素体周围的富碳区及Fe3C的贫碳区尺寸均减小，因此形成的晶核也细小。另外，由于碳扩散慢使珠光体长大的速度变慢，因此铁素体与Fe3C片的厚度也减小，即片间距减小。
工业上，片状珠光体作为组织使用，比较重要的是“派敦”(Patenting)处理的绳用钢丝、琴钢丝和某些弹簧钢丝。所谓派敦处理(也叫铅淬冷拔工艺)，就是将高碳钢奥氏体化后，淬入铅浴(温度为600～650℃)中进行索氏体化，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。
一般认为索氏体之所以具有良好的拉拔性能，是由于层间距离较小，沿最短途径滑移的可能性增加。同时，渗碳体片很薄，在进行较强烈的塑性变形时能够弯曲，使塑性变形能，增强。塑性变形可使亚晶粒细化，形成许多由位错构成的位错壁，并且随着塑性变形的增大，这种位错壁之间的距离减小，同时强化程度增大。
利用转变规律控制珠光体的形态
在硬度相同的条件下，粒状珠光体比片状珠光体具有拉伸性能。因此，许多重要的机器零件都要通过热处理获得碳化物呈颗粒状的回火索氏体组织。同时，粒状珠光体还具有较好的可加工性能、冷成形性能及淬火工艺性能。
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。粒状珠光体硬度、强度稍低的原因是：铁素体与渗碳体的相界面较片状珠光体的少，对位错动力的阻力较小。粒状珠光体的塑性较好是因为铁素体呈连续分布，渗碳体颗粒均匀地分布在铁素体基体上，位错可以较大范围地移动，塑性变形量较大。
粒状珠光体的可加工性好，对刀具磨损小，冷挤压成形性好，加热淬火时的变形、开裂倾向小。因此，高碳钢在机加工和热处理前，常要求先经球化退火处理得到粒状珠光体，而中、低碳钢在机加工前，则需正火处理，得到更多的伪珠光体，以提高可加工性能。低碳钢在深冲等冷加工前，为了提高塑性变形能力，也常需进行球化退火。
在相同的抗拉强度下，粒状珠光体比片状珠光体的疲劳极限有所提高，所以可以通过热处理改变钢中珠光体中的碳化物形状、粗细和分布，控制钢的强度和硬度。
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