固态相变 教学课件 作者 刘宗昌第3章共析分解与珠光体3.2珠光体转变机理1.ppt

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1、3.2共析分解机理本节要点：掌握共析分解理论要点、熟悉新理论。1）热力学条件：在A1以下，ΔG＝Gγ-Gp＜02）铁素体和渗碳体二者是共析共生，非线性相互作用，互为因果。铁素体和渗碳体同步出现，不存在领先相。3）珠光体的形核机制。4）珠光体转变以界面扩散为主。5）珠光体长大不是非共格的无序地进行界面推移。6）铁素体+渗碳体共析共生，共享台阶，协同竞争、扩散性长大。碳素钢中过冷奥氏体共析分解的反应式为：反应产物是珠光体P（F+碳化物）,是一个整体，是整合组织。1.珠光体形成的热力学过冷奥氏体在临界点A1以下，将要发生过冷奥氏体的共析分解。由于分解温度

2、较高，原子能够长程扩散（界面扩散），相变所需的自由能较小，在较小的过冷度下发生转变。奥氏体分解为珠光体是自发的过程钢中奥氏体共析分解为铁素体和渗碳体，通过实验测得共析钢奥氏体转变为珠光体的热焓，导出各个温度下的奥氏体与与珠光体的自由能之差，如图3-10所示。可见，自由能之差为负值时，过冷奥氏体分解为珠光体是自发的过程。奥氏体与珠光体的自由能之差与温度的关系相变驱动力约为200~700J/mol。Fe-C合金在A1以下各相自由能变化，图3-11，说明共析分解的可能性。2.珠光体形核机制2.1关于领先相的各种提法：1、一般认为渗碳体和铁素体均可成为相变的

3、领先相。2、过共析钢中通常以渗碳体为领先相，在亚共析钢中通常以铁素体为领先相。3、在共析钢中两相都可以成为领先相。4、过冷度小时，渗碳体是领先相；过冷度大时，铁素体是领先相。这些提法混乱，既缺乏理论依据也缺乏试验依据。2.2共析共生,不存在“领先相”按照自组织理论，远离平衡态，出现随机涨落，奥氏体中必然出现贫碳区和富碳区，加上随机出现的结构涨落、能量涨落，在贫碳区建构铁素体，而在富碳区建构渗碳体或碳化物，二者是共析共生，非线性相互作用，互为因果。铁素体和渗碳体同步出现（一分为二），组成一个珠光体的晶核。这种演化机制属于放大型的因果正反馈作用，它使微小

4、的随机涨落经过连续的相互作用逐级增强，而使原系统（奥氏体A）瓦解，建构新的稳定结构P(F+Fe3C)晶核。因此，珠光体共析分解是同步形成铁素体和渗碳体的整合机制（本质上是一分为二的化学反应）。珠光体（P）由铁素体和渗碳体两相(F+Fe3C)整合而成。2.3动力学证明两种钢的TTT图的“鼻温”为550℃左右。从动力学图上分析，可见在“鼻温”处，珠光体转变孕育期最短，均约为0.5秒。而且从图（b）可以看出，在T10钢的“鼻温”处，经过0.5秒的等温时间，共析分解反应就将完成。显然珠光体转变在极短时间内，于550℃保温0.5s即形成珠光体，完成（F+Fe3

5、C）的形核、长大，这一实验事实足以说明铁素体和渗碳体是共析共生的，没有“领先”和“随后”之分，即不存在领先相。T8和T10钢的等温转变动力学图。2.4试验观察证明T8钢550℃等温形成的一个珠光体晶核的观察T8，加热到900℃奥氏体化，迅速冷却到550℃的盐浴炉中等温9s，然后淬火到室温，在扫描电镜下，可以观察到微小的珠光体团在奥氏体晶界形成。3.珠光体的形核SEM35CrMo钢奥氏体晶界处形成珠光体晶核并长大共析碳素钢的珠光体在晶界形核（TEM，二次复型）3.1形核的试验观察图3－16SEM20MnCrMo钢的珠光体在晶界形核珠光体在原奥氏体晶界形

6、核并长大。珠光体晶核尺寸很小，约0.2μm。珠光体晶核由铁素体片和渗碳体片两相组成。细腻的观察形核3.2过冷奥氏体中的贫碳区和富碳区按照科学技术哲学的自组织理论，系统远离平衡态，必然出现随机涨落。过冷奥氏体在一定过冷度（ΔT）下，将出现贫碳区与富碳区的涨落。加上随机出现的结构涨落、能量涨落，一旦满足形核条件，则在贫碳区建构铁素体核坯的同时，在富碳区也建构渗碳体（或碳化物）的核坯，二者同时同步，共析共生，非线性相互作用，互为因果，共同建构一个珠光体的晶核(F+Fe3C)。按照固态相变的一般规律，奥氏体晶界上是珠光体优先形核的地点，因为奥氏体晶界能量高，

7、碳原子偏聚多，原子排列不规则，这些地方的能量涨落、浓度涨落、结构涨落是形核的有利条件。珠光体的晶核可以由一片铁素体和一片碳化物相间组成，也可能是几片铁素体和几片碳化物组成。只要大于其临界晶核尺寸，均可能长大为一个珠光体领域(称珠光体团)。珠光体形核示意图（a，b，c）和珠光体团TEM（d）晶界形核，共析共生。3.3珠光体临界晶核尺寸的推导和计算γ为母相奥氏体，P为珠光体晶核，γ的晶界能为σγ。界面能（σ核）为σγP，接触角为θ（图b实测θ=60°）。令t=cosθ，当界面张力平衡时，有：σγ=σγp·t珠光体晶核形成时引起的自由焓变化为：计算临界晶核

8、尺寸和形核功：计算表明，在700～650℃，临界晶核尺寸为150～70nm，相当于该温度下形成的细珠光体的片