过冷奥氏体的珠光体转变（一）

过冷奥氏体的珠光体转变
      共析钢（C:0.77%）加热至奥氏体化后，过冷奥氏体在较小的冷却速度下，将在C曲线“鼻子”以上区域发生珠光体转变，获得珠光体组织。珠光体转变的典型反应式为

奥氏体γ[fcc]—[铁素体α[bcc]+渗碳体Fe3C（正交点阵）]…………………………………………………（1）

      珠光体转变属于典型的扩散型共析转变。式（1）中奥氏体γ也称为母相。共析转变产物（α+Fe3C）称为珠光体。
      共析钢（C<0.77wt%）和过共析钢（C>0.77wt%）在发生式（1）式珠光体转变前分别要析出先共析铁素体或先共析渗碳体。一般碳钢和合金钢的退火与正火时发生的转变都为珠光体转变。相当多的钢制件的预备热处理（如退火和正火）均发生珠光体转变；有少量钢制件的最终热处理也发生珠光体转变，如钢琴用的琴弦和一些弹簧钢丝等。
      1、钢中珠光体的组织形态
      珠光体的组织形态可分为两类——片状珠光体和球粒状珠光体
      （1）片状珠光体
      钢种的珠光体一般为铁素体（α）和渗碳体（Fe3C）的机械混合物，最为常见的组织形态为铁素体薄层（片）与碳化物（包括渗碳体）薄层（片）交替重叠组成，即为片状珠光体（间图1）。片状珠光体中片层方向大致相同的区域称为珠光体团或珠光体领域。图2表示珠光体片层、珠光体领域和珠光体团与原奥氏体晶粒的关系。珠光体团在原奥氏体晶界和晶界相交处形核可以减少相变所需的自由能。每个珠光体团包含几个与母相奥氏体晶粒保持特定位向关系的片状珠光体领域称亚单元。珠光体领域之间的位向差较小。珠光体领域中铁素体和碳化物（渗碳体或合金渗碳体）呈薄片交替组成。

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图1 共析钢典型片层状珠光体组织

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图2 珠光体团、珠光体领域和珠光体片层与原奥氏体晶粒的相互关系

      珠光体团中相邻两片渗碳体（或铁素体）中心之间的距离称为珠光体的片间距S，片间距的大小主要取决于转变温度T，低于A1的温度称为过冷度ΔT。当转变温度T降低，即ΔT增加，铁的自扩散和碳在奥氏体中的扩散速度减小，原子难以作较大距离的迁移。Marder等指出珠光体片间距S和转变温度T之间的关系为

S=A/(T1-T)=A/ΔT……………………………………………………………………………（2）

      式中：A—取决于Fe-C体系的热力学常数；T1—727℃
      一般按片间距大小将片状珠光体分为（片状）珠光体、索氏体和托氏体3种。（片状）珠光体的片间距较大，在一般光学显微镜下可分辨出片层特征。索氏体即细珠光体片间距较小，在高倍光学显微镜下材可能分辨片层特征。托氏体的片间距很小，在光学显微镜下只能看到黑团状外形，在高倍电子显微镜可看出片层特征。这3种珠光体组织之间无严格的界限及本质的区别，但形成温度及硬度不同。所以，珠光体、索氏体和托氏体的形成均为珠光体型转变产物，其差别仅是片层间距大小不一。
      （2）球粒状珠光体
      球粒状珠光体的力学性能，主要取决于珠光体片间距。片间距愈小，相界面愈多，塑性变形的抗力愈大，因而强度与硬度愈高。强度和硬度基本上随片间距的减小而升高。塑性开始也随片间距的减小而升高，但达到一定数量（如0.1μm）以下却略有降低。故索氏体的综合力学性能最好。
      球粒状珠光体的力学性能则取决于渗碳体颗粒的粗细和分布状况。渗碳体颗粒越细，相界面愈多，塑性变形的抗力愈大，强度及硬度愈高。渗碳体颗粒较大并且分布愈均匀，塑性愈高。当含碳量相同时，球粒状珠光体比片状珠光体的相界面少，故其强度、硬度较低，但塑性较高。球状珠光体常用作高碳工具钢切削加工前的原始组织，这种组织不仅提高了切削加工性能，而且可减少工件淬火变形与开裂。此外，球粒状珠光体也可为中、低碳钢冷挤压的原始组织。
      如果珠光体组织不均匀（片间距大小或颗粒粗细不等）时，钢件各区域的塑性变形抗力亦不同。在外力作用下，抗力较小的区域将产生较大变形，造成应力集中而提早断裂，使钢件的强度及塑性降低，切削加工性能下降。所以，最好采用等温退火以保证得到均匀的珠光体组织。

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