基本介紹
- 中文名：珠光體轉變
- 外文名：Pearlite transformation
- 形態：片狀、粒狀
- 結構：鐵素體及滲碳體的機械混合物
簡介,珠光體的組織結構及力學性能,珠光體的晶體結構,珠光體的形態及力學性能,珠光體形成的熱力學條件,珠光體轉變的套用知識,利用轉變規律控制珠光體的片間距,利用轉變規律控制珠光體的形態,
簡介
過冷奧氏體在Ar1溫度同時析出鐵素體和滲碳體或合金碳化物兩相構成珠光體組織的擴散型一級相變，稱為珠光體轉變。
P92鋼在等溫退火時，會發生珠光體轉變，形成珠光體組織，珠光體形成包括形核和長大兩個過程，屬於擴散性相變。P92鋼在退火時，因未溶碳化物存在，成分也不均勻，具有促進珠光體形核及長大的作用，碳化物顆粒可作為形核的非自發核心，因而使轉變速度加快。
奧氏體化溫度不同，奧氏體品粒大小不同，則過冷奧氏體的穩定性不一樣。細小的奧氏體晶粒，單位體積內的界面積大，珠光體形核位置多，也將促進珠光體轉變。
P92鋼的合金元素提高過冷奧氏體的穩定性，使c一曲線向右移，阻礙過冷奧氏體的共析分解。對P92鋼而言，阻礙作用遠遠大於促進作用，故珠光體轉變極大地被抑制。同時，合金元素使P92鋼中珠光體的形貌發生變化，得到的珠光體並非典型的層片狀組織，這種珠光體稱為類珠光體。
珠光體的組織結構及力學性能
珠光體的晶體結構
珠光體從本質上講，實際上就是鐵素體與滲碳體的機械混合物。通過電鏡觀察退火狀態下的珠光體可知，鐵素體中的位錯密度較低，而滲碳體中的位錯密度就更低了，只有鐵素體與滲碳體兩相交界處的位錯密度較高。另外，在鐵素體片中還有亞晶界，構成許多亞晶粒。
珠光體的形態及力學性能
按滲碳體的形態，珠光體分為片狀珠光體和粒狀珠光體兩類。
(1)片狀珠光體 由片層相問的鐵素體和滲碳體片組成。片狀珠光體是由一層鐵素體與一層滲碳體交替緊密堆疊而成的。在片狀珠光體組織中，一對鐵素體和滲碳體片的總厚度稱為珠光體片層問距，以s0表示。若干大致平行的鐵素體和滲碳體片組成一個珠光體品粒或珠光體團。在一個奧氏體晶粒內，可形成幾個珠光體團。
現以共析鋼為例，根據片狀珠光體片間距大小，可將片狀珠光體分為以下三種。
1)珠光體：一般所謂珠光體是指在光學顯微鏡下能明顯分辨出鐵素體和滲碳體層片狀組織形態的珠光體。它的片層間距為150～ 450nm，形成溫度在A1～650℃範圍內。
2)索氏體：在650～600℃溫度範圍內形成的珠光體，由於其片層間距較小，為150～80nm，只有在800 ～ 1500倍的高倍光學顯微鏡下才能分辨出鐵素體和滲碳體的片層形態，這種細片狀的珠光體稱為索氏體。
3)托氏體：在600～550℃溫度范剛內形成的珠光體，其片層間距極細，為80～30nm，在光學顯微鏡下根本無法分辨其層片狀特徵，只有在電子顯微鏡下才能分辨出鐵素體和滲碳體的片層形態，這種極細的珠光體稱為托氏體。
片狀珠光體的力學性能主要取決於片間距和珠光體團的直徑。珠光體的片層越細，則珠光體中鐵素體和滲碳體的相界面越多，其塑性變形抗力就越大，其強度、硬度也就越高。
(2)粒狀珠光體鋼件經過球化退火或淬火後再進行中、高溫回火，可得到鐵素體基體上分布著粒狀滲碳體的組織，稱為粒狀珠光體或球狀珠光體。
粒狀珠光體的力學性能主要取決於滲碳體顆粒的大小、形態及分布。一般來說，當鋼的成分一定時，滲碳體顆粒越細、相界面越多，鋼的強度及硬度就會越高；碳化物越接近等軸狀、分布越均勻，鋼的韌性就會越好。在成分相同的條件下，粒狀珠光體比片狀珠光體的硬度稍低，但塑性較好。
珠光體形成的熱力學條件
奧氏體過冷到A1溫度以下，將發生珠光體轉變。發生這種轉變需要一定的過度，以提供相變時消耗的吉布斯自由能。由於珠光體轉變溫度較高，鐵和碳原子都能擴散較大的距離，並且珠光體在位錯等微觀缺陷較多的晶界處形核，相變需要的吉布斯自由能較小，所以在較小的過冷度下即可發生相變。
鐵素體、奧氏體及滲碳體在A1點以下的吉布斯自由能狀態圖
鐵素體、奧氏體及滲碳體在A1點以下的吉布斯自由能狀態圖右圖為鐵碳合金中鐵素體(F)、奧氏體(A)及滲碳體(Fe3C)在A1點以下的吉布斯自由能狀態圖。
根據各相吉布斯自由能水平和系統總的吉布斯自由能變化分析，可以得出在A1溫度以下，奧氏體轉變成鐵素體+滲碳體是系統總的吉布斯自由能最低的狀態。在相變過程中，奧氏體也有可能轉變為鐵素體+高碳濃度的奧氏體或過飽和的鐵素體作為過渡狀態。
珠光體轉變的套用知識
利用轉變規律控制珠光體的片間距
珠光體的片間距是一片鐵素體厚度與一片Fe3C厚度的總和，是影響珠光體強度和硬度重要參數。根據上述的珠光體轉變過程可以知道，珠光體的轉變受碳的擴散控制。當轉變溫度降低時，碳擴散困難，同時使鐵素體周圍的富碳區及Fe3C的貧碳區尺寸均減小，因此形成的晶核也細小。另外，由於碳擴散慢使珠光體長大的速度變慢，因此鐵素體與Fe3C片的厚度也減小，即片間距減小。
工業上，片狀珠光體作為組織使用，比較重要的是“派敦”(Patenting)處理的繩用鋼絲、琴鋼絲和某些彈簧鋼絲。所謂派敦處理(也叫鉛淬冷拔工藝)，就是將高碳鋼奧氏體化後，淬入鉛浴(溫度為600～650℃)中進行索氏體化，然後再進行深度冷拔。這是目前工業上具有最高強度的組織形態之一。
一般認為索氏體之所以具有良好的拉拔性能，是由於層間距離較小，沿最短途徑滑移的可能性增加。同時，滲碳體片很薄，在進行較強烈的塑性變形時能夠彎曲，使塑性變形能，增強。塑性變形可使亞晶粒細化，形成許多由位錯構成的位錯壁，並且隨著塑性變形的增大，這種位錯壁之間的距離減小，同時強化程度增大。
利用轉變規律控制珠光體的形態
在硬度相同的條件下，粒狀珠光體比片狀珠光體具有拉伸性能。因此，許多重要的機器零件都要通過熱處理獲得碳化物呈顆粒狀的回火索氏體組織。同時，粒狀珠光體還具有較好的可加工性能、冷成形性能及淬火工藝性能。
與片狀珠光體相比，在成分相同的情況下，粒狀珠光體的強度、硬度稍低，但塑性較好。粒狀珠光體硬度、強度稍低的原因是：鐵素體與滲碳體的相界面較片狀珠光體的少，對位錯動力的阻力較小。粒狀珠光體的塑性較好是因為鐵素體呈連續分布，滲碳體顆粒均勻地分布在鐵素體基體上，位錯可以較大範圍地移動，塑性變形量較大。
粒狀珠光體的可加工性好，對刀具磨損小，冷擠壓成形性好，加熱淬火時的變形、開裂傾向小。因此，高碳鋼在機加工和熱處理前，常要求先經球化退火處理得到粒狀珠光體，而中、低碳鋼在機加工前，則需正火處理，得到更多的偽珠光體，以提高可加工性能。低碳鋼在深沖等冷加工前，為了提高塑性變形能力，也常需進行球化退火。
在相同的抗拉強度下，粒狀珠光體比片狀珠光體的疲勞極限有所提高，所以可以通過熱處理改變鋼中珠光體中的碳化物形狀、粗細和分布，控制鋼的強度和硬度。
