材料工程基础讲稿4.ppt
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1、,第三章 珠光体转变 31 P转变的形态和晶体学 1P形态 共析成分的A过冷到A1以下时,将分解为F和 Fe3C的混合物P。 P团:P片层方向大致相同的区域。 在一个A晶粒内,可以形成几个P团。 P的片层间距S:P团中相邻两片渗碳 体(或F)中心之间的距离。片层 间距的大小主要决定于P的形成温度。 原因:形成温度C扩散速度, 碳原子难以作较大距离的迁移,只能形 成片层间距较小的P;P转变时,新的F 和渗碳体的界面的形成将使界面能增加。片 层间距愈小,增加的界面能愈多,这部分界 面能由A与P的自由焓差来提供,过冷度驱动力。,碳钢中P的片间距与过冷度的关系可用下列经验公式表达: 式中 C8.021
2、04( K),S0珠光体片层间距( ),T 过冷度(K)。 片状珠光体光学显微镜下能分辨出片层间距的P,该间距为 150450nm;片间距在80150nm的称为索氏体S,这样尺寸的片 间距光学显微镜已难以分辨;在更低温度下形成的片间距为30 80nm的称为屈氏体T。 渗碳体以颗粒状存在于F基体上时称为球状(粒状)P。,2珠光体的晶体学,1片状珠光体形成机制 1)领先相 P的转变是通过形核长大完成的。由于P是由两个相 组成的,因此存在领先相的问题。 不论那一相领先,当有未溶的渗碳体存在时,将促进P 形成,而先共析F的存在对P的形成速度没有明显影响。 2)片状珠光体形成机制 共析成分的A发生P转变
3、时,可用下式表示: Fe3C 0.77C 0.0218C 6.67C 需C的扩散 fcc bcc 正交点阵 点阵重构 P转变时的形核一般是在A晶界上,原因是晶界处可以 提供形核所需的能量、结构、成分起伏,同时晶界上的缺 陷使原子易于扩散。,32 珠光体形成机制,设共析钢A向P转变时的领先相为渗碳体。 在A晶界上形成一薄片状渗碳体晶核,因为薄片状晶核的 应变能小,且表面积大易于接受的碳原子。薄片状渗碳体 晶核形成后,向前和两侧 长大。渗碳体长大时, 将从周围A中吸收碳原子 而使周围出现贫碳区。 贫碳区的形成为F的形核 提供了成分条件,而F核 又最易在渗碳体两侧的A晶界形成。在渗碳体两侧形成F核
4、后,已形成的渗碳体片不能再向两侧长大,而只能向纵深 发展。新形成的F除了随渗碳体片向纵深发展外,也将向 侧面长大。,珠光体形成时碳的扩散规律 P形成过程中,一直处于三相共存的情况。设转变温度为T,则 界面两侧各相的碳含量可由铁碳相图得出。与F接壤的A的碳含量 为 而与渗碳体接壤的A的碳含量为 在A中形成了碳的浓度梯度,引 起了碳的扩散。扩散破坏了相 界面上的平衡浓度,使得与F接壤 的A中的碳含量,与渗碳体接壤 的A中的碳含量。为了恢复平衡, 与F接壤的A将析出碳含量低的F而 使A的碳含量增加,与渗碳体接壤的A将析出碳含量高的渗碳体而使 A的碳含量下降。其结果就是渗碳体与F均随着碳原子的扩散,同
5、时 往A晶粒纵深长大而形成片状P。,在远离P的A(碳浓度为C)中的碳向与渗碳体接壤的A(碳浓 度为 )的扩散, 与F接壤的A(碳浓度为 ) 中的碳向远离P的A(C)中扩散。 此外,在已形成的P中,与A接 壤的F的碳浓度为 而与渗碳 体接壤的F的碳浓度为 , 且 ,故在F内部也有 碳的扩散。 这些都将促进P中的F和渗碳体向A晶粒内长大。 可以看出,片状P团的形成是渗碳体和F横向沿A晶界或沿已形成 的P的团界交替形核和纵向长大的结果。过冷A转变为P时,晶体点 阵的改组是通过铁原子的自扩散完成的。,实验还证实珠光体形成还可以分枝机制进行。即珠光体的片层 形态是由渗碳体分枝形式长大所形成(也可看成是铁
6、素体分枝长 大)。即在渗碳体晶核形成以后,在向前长大的过程中,不断分 枝,而铁素体则协调地在渗碳体枝间形成。,3)球状珠光体形成机制 共析成分的过冷A在A1以下片状P。但在A化温度较低,保温 时间较短,加热转变未充分进行时,A中有许多未溶的残留碳化物 或许多微小的高碳富集区;同时转变为P的等温温度高,等温时间 足够长,或者冷却速度极慢时,就有可能获得球状P。 渗碳体的球化是一个自发过程,在加热过程中片状渗碳体有可能 自发的发生破裂和球化。由胶态平衡理论: 式中 CR小粒子在固溶体中的溶解度,C大粒子在固溶体中 的溶解度,B常数,表面能,R小粒子的半径。 第二相质点的溶解度与质点的曲率半径有关,
7、曲率半径愈小,其 溶解度愈高,片状渗碳体的尖角处的溶解度高于平面处的溶解度。,这就使得周围的F与渗碳体尖角接壤处的碳浓度大于与平面接壤 处的碳浓度,在F内形成碳的浓度梯度,引起了碳的扩散。扩散的 结果破坏了界面上碳浓度的平衡,渗碳体尖角处将进一步溶解,渗 碳体平面将向外长大,如此不断进行,最后形成了各处曲率半径相 近的球状渗碳体。 (p65)片状渗碳体的断裂还与渗碳体片内的晶体缺陷有 关。渗碳体片内存在亚晶界,亚晶界是高能区,A1 附近不稳定,也可以通过尖角溶解,平面堆积的形 式破断,并逐渐球化。在A1以下片状渗碳体的球化 就是通过渗碳体片的破裂,断开而逐渐球化的。 片状P被加热的A1以上时,
8、在A形成过程中,尚未转变的片状渗碳 体也会按上述机构溶断球化。 此外,球状P也可以通过淬火加高温回火获得。,33 亚(过)共析钢的珠光体转变 由Fe-Fe3C状态图可知,GSG和ESE线将Fe-Fe3C状态图划分 为四个区域,GSE区为单相的A区,GSE为伪共析转变区,GSE 为先共析F析出区,ESG为先共析Fe3C析出区。 1伪共析转变 将共析点附近的铁碳合金自A区以 较快的速度冷却,在先共析产物来不 及析出的情况下,A被过冷到GSE线 以下,将从A直接析出F和Fe3C的混合 物。分解机制和分解产物与P转变完 全相同,但其中的Fe3C和F的量则与P 不同,随A中C%而变,C% Fe3C量愈多
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