鋼中珠光體轉(zhuǎn)變研究進(jìn)展

鋼中珠光體轉(zhuǎn)變研究進(jìn)展

在稱(chēng)量鋼（含碳量比為0.77%的鋼）的條件下，將其加熱到旭光體轉(zhuǎn)換的臨界冷卻速度以下（727）至約550的溫度范圍內(nèi)，等待等溫度后，保持相同的溫度，并隨這些溫度變化，以獲得珠光體的組織。珠光體轉(zhuǎn)變的典型反應(yīng)式為:奧氏體γ(fcc)→[鐵素體α(bcc)+滲碳體Fe3C(正交晶體結(jié)構(gòu))](1)它屬典型的擴(kuò)散型共析轉(zhuǎn)變。式(1)中奧氏體γ也稱(chēng)為母相。共析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物[α+Fe3C]稱(chēng)為珠光體。亞共析鋼(含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)<0.77%)和過(guò)共析鋼(含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)>0.77%)在發(fā)生(1)式珠光體轉(zhuǎn)變前先要析出先共析鐵素體和先共析滲碳體。珠光體轉(zhuǎn)變?cè)跓崽幚韺?shí)踐中相當(dāng)重要。一般碳鋼和合金鋼的退火與正火時(shí)發(fā)生的轉(zhuǎn)變都為珠光體轉(zhuǎn)變。相當(dāng)多的鋼制件的預(yù)備熱處理(如退火和正火)發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變。而且,有少量鋼制件的最終熱處理也發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變,如鋼琴的琴弦和一些彈簧鋼絲等。1組織形式鋼中珍珠光體1.1鋼中珠光體的晶體結(jié)構(gòu)鋼中珠光體一般為鐵素體α和滲碳體Fe3C的機(jī)械混合物,最為常見(jiàn)的組織形態(tài)為鐵素體薄層(片)與碳化物(包括滲碳體)薄層(片)交替重迭組成,常稱(chēng)為片層狀珠光體(圖1)。片狀珠光體中片層方向大致相同的區(qū)域稱(chēng)為珠光體團(tuán)或珠光體領(lǐng)域。圖2表示珠光體片層,珠光體領(lǐng)域和珠光體團(tuán)與原奧氏體晶粒的關(guān)系。珠光體團(tuán)(nodules)在原奧氏體晶界和晶界相交處形核可以減少相變所需的自由能。每個(gè)珠光體團(tuán)包含幾個(gè)與母相奧氏體晶粒保持特定位向關(guān)系的片狀珠光體領(lǐng)域(colony)(或稱(chēng)亞單元)。珠光體領(lǐng)域之間的位向差較小。鋼中珠光體領(lǐng)域中鐵素體和碳化物(滲碳體或合金滲碳體)呈薄片(lamella)交替組成。珠光體團(tuán)中相鄰兩片滲碳體(或鐵素體)中心之間的距離稱(chēng)為珠光體的片間距S。片間距的大小主要取決于轉(zhuǎn)變溫度T,低于A1(或TE)的溫度稱(chēng)過(guò)冷度ΔT。當(dāng)轉(zhuǎn)變溫度T降低,即ΔT增加,鐵的自擴(kuò)散和碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度減小,原子難以遷移較大的距離。片層狀珠光體生長(zhǎng)前沿碳的擴(kuò)散現(xiàn)象的示意圖如圖3。Marder等指出珠光體片間距S和轉(zhuǎn)變溫度T之間的關(guān)系如圖4,它們的關(guān)系式為:S=A/(TE-T)=A/△T(2)式中A為決定于Fe-C體系的熱力學(xué)常數(shù),TE為727℃。一般所稱(chēng)的片狀珠光體,是指在光學(xué)顯微鏡下能分辨片層結(jié)構(gòu)的珠光體,此時(shí)的S值約為150～450nm,也有稱(chēng)粗片狀珠光體的。如在光鏡下放大600倍以上尚能分辨片層的,S值介于80～150nm的珠光體稱(chēng)為索氏體。S值介于30～80nm的,在光學(xué)金相顯微鏡下已無(wú)法分辨片層狀的珠光體稱(chēng)為屈氏體。1.2片的深刻性—珠光體的退化(1)球狀珠光體:珠光體保持在足夠高的溫度,片層狀組織將轉(zhuǎn)變成更有利的能量狀態(tài)的組織結(jié)構(gòu),減小界面/體積比率,滲碳體將以球狀形式存在于鐵素體基體上。球狀珠光體要通過(guò)一定的球化熱處理才能獲得,以達(dá)到軟化和韌性改進(jìn)的要求。片狀滲碳體在A1以下溫度發(fā)生球化的示意圖示于圖5。滲碳體片內(nèi)的晶體缺陷等有利于片的斷裂,出現(xiàn)部分溝槽的曲面。在曲面處的曲率半徑較小的滲碳體部位,與之接觸的鐵素體中碳濃度較高,這部分碳向與平面滲碳體相鄰的碳濃度較低的鐵素體區(qū)域擴(kuò)散,改變了相應(yīng)區(qū)域的碳濃度平衡。為了保持平衡,曲率半徑較小的滲碳體部位要溶解一些,增高其周?chē)F素體中的碳濃度;平面滲碳體部位相應(yīng)長(zhǎng)起一點(diǎn),降低與之相鄰處鐵素體中的碳濃度;如此重復(fù)上述的碳擴(kuò)散。這種碳的擴(kuò)散過(guò)程,促使?jié)B碳體片溶穿,尖角處的溶解和平面凸出,逐漸球化成球狀或顆粒狀。依據(jù)球狀滲碳體的大小,均勻程度,可分粗粒狀、粒狀、細(xì)粒狀和點(diǎn)狀珠光體幾種。(2)分離共析轉(zhuǎn)變:在共析溫度以下的冷速足夠緩慢,滲碳體有時(shí)相對(duì)于鐵素體出現(xiàn)不協(xié)同生長(zhǎng)。以分離析出形式直接由共析成分的奧氏體轉(zhuǎn)變成超細(xì)的球狀滲碳體顆粒分布于細(xì)晶粒鐵素體基體上。這種類(lèi)型轉(zhuǎn)變稱(chēng)分離共析轉(zhuǎn)變DET(divorcedeutectoidtransformation)。2珠光體形成機(jī)制和組織2.1相界面中的碳的擴(kuò)散珠光體轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力是奧氏體γ與珠光體P之間的體積自由能差,轉(zhuǎn)變的阻力為珠光體/奧氏體之間的界面能和應(yīng)變能。發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變,整個(gè)體系的自由能改變?chǔ)<0。圖6表示Fe-C系合金的奧氏體、鐵素體和滲碳體三個(gè)相在T1和T2(T2<T1)溫度時(shí)吉布斯自由能-成分曲線圖。其中a)為T(mén)1(即A1)時(shí)三個(gè)相的自由能同處于一條公切線上,說(shuō)明該溫度上珠光體(αp+Fe3C)和奧氏體γs的體積自由能相等,即三相處于平衡狀態(tài)。b)為溫度下降至T2時(shí),奧氏體、鐵素體和滲碳體三個(gè)相的自由能曲線。相應(yīng)作三個(gè)相自由能曲線的公切線,可以找到在T2時(shí)相應(yīng)的γ、α、和Fe3C相界面處的平衡成分。設(shè)在奧氏體γ1和γ2交界面上出現(xiàn)片層狀珠光體領(lǐng)域,并向γ2中生長(zhǎng),如圖3示,在α相生長(zhǎng)前沿的成分為Cαγ,在α相生長(zhǎng)前沿的奧氏體的成分為Cγα;在片層式Fe3C生長(zhǎng)前沿的奧氏體中碳的濃度為Cγc,Fe3C與α界面上的碳濃度為Cαc。因?yàn)镃γα>Cγc,生長(zhǎng)前沿的奧氏體中發(fā)生碳的擴(kuò)散,Cγα降低,Cγc增加,將使α和Fe3C長(zhǎng)大一點(diǎn),使鐵素體α前沿奧氏體中碳濃度提高一點(diǎn),同時(shí)使?jié)B碳體前沿奧氏體中碳濃度降低一點(diǎn),達(dá)到新的平衡;新的平衡又促使碳重復(fù)發(fā)生上述擴(kuò)散。另外,在珠光體生長(zhǎng)前沿鐵素體中碳的擴(kuò)散(見(jiàn)圖3)也促使珠光體不斷長(zhǎng)大,如此反復(fù)進(jìn)行的擴(kuò)散,破壞了相界面處的C原子的平衡,促使珠光體向奧氏體γ2的長(zhǎng)大(圖3),直至奧氏體的消失。這樣,共析成分合金原來(lái)在奧氏體γ上的Z點(diǎn)處的自由能和成分為Cαc的鐵素體與滲碳體公切線上y點(diǎn)自由能之間的差值即為該溫度T2下的奧氏體與珠光體間體積自由能的差值。2.2顯微非共析材料的晶粒共析鋼珠光體形核于奧氏體晶界上(圖7a)。為了降低形核能壘,該核心與原先的奧氏體晶粒γ1具有一定的位向關(guān)系。如首先形成的相是滲碳體Fe3C,它與γ1形成半共格、可動(dòng)性低的界面(圖7(a)(i))。正交晶系滲碳體Fe3C與γ1之間的位向關(guān)系接近于:(100)Fe3C//(11ˉ1)γ?(01ˉ0)Fe3C//(110)γ?(001)Fe3C//(11ˉ2)γ(100)Fe3C//(11ˉ1)γ?(01ˉ0)Fe3C//(110)γ?(001)Fe3C//(11ˉ2)γ。它與另一奧氏體晶粒γ2形成非共格的可動(dòng)性的界面。同時(shí),在滲碳體周?chē)霈F(xiàn)貧碳,增加鐵素體析出的驅(qū)動(dòng)力,從而形成鐵素體F核心(圖7(a)(ii)和(iii)),F與γ1也保持位向關(guān)系,為kurdjumov-Sachs關(guān)系,這過(guò)程重復(fù)進(jìn)行使珠光體領(lǐng)域沿奧氏體晶界向兩邊擴(kuò)展。它能向γ2長(zhǎng)大是由于非共格面的移動(dòng)而進(jìn)行。圖7(a)(iv)表示形成新片的分枝機(jī)制。鐵素體F長(zhǎng)大排斥出來(lái)的碳在奧氏體中擴(kuò)散至滲碳體的前沿(圖3)。如果是鐵素體F首先形核,它與奧氏體γ1的位向關(guān)系是kurdjumov-Sachs關(guān)系:{110}F//{111}γ,<111>F//<110>γ其余情況與上述相類(lèi)似。至于究竟哪個(gè)相先在奧氏體晶界上形核則與晶界的結(jié)構(gòu)和成分有關(guān)。還要指明的是,在滲碳體片和鐵素體片之間的交界面是半共格的,在珠光體向奧氏體母相生長(zhǎng)時(shí)不會(huì)發(fā)生片層的粗化。圖7b)表示在奧氏體晶界上存在先共析相時(shí)珠光體形核和向非共格一邊長(zhǎng)大的情況。圖示為存在先共析滲碳體的過(guò)共析鋼的情況,這先共析滲碳體與γ1晶粒傾向于近于Bagaryatski位向關(guān)系:Fe3C//[01ˉ1]γ?Fe3C//[11ˉ1ˉ]γ?(001)Fe3C//(211)γFe3C//[01ˉ1]γ?Fe3C//[11ˉ1ˉ]γ?(001)Fe3C//(211)γ。當(dāng)共析溫度達(dá)到時(shí),在其可動(dòng)的非共格界面邊首先形成鐵素體核心,它與先共析滲碳體具有不同的位向關(guān)系。對(duì)亞共析鋼,在奧氏體晶界上存在鐵素體。它與γ1晶粒傾向于近于Kurdjumov-Sachs關(guān)系。當(dāng)達(dá)到共析溫度時(shí),其上形成珠光體領(lǐng)域。圖7(c)表示長(zhǎng)成的一個(gè)珠光體領(lǐng)域。一般是由形核起始點(diǎn)長(zhǎng)成的球徑體。近年來(lái),國(guó)內(nèi)有的高校教材上已引用這種觀點(diǎn)。2.3在偏離平衡條件下，對(duì)鋼的珍珠光體變化進(jìn)行了區(qū)域分析亞(過(guò))共析鋼在平衡冷卻條件下發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變見(jiàn)前面章節(jié)。偏離平衡條件下的轉(zhuǎn)變闡述如下。(1)偽共析珠光體的制備圖8畫(huà)出的是Fe-Fe3C狀態(tài)圖的左下角,延長(zhǎng)ES線至E′點(diǎn),延長(zhǎng)GS線至G′點(diǎn),這樣可得到四個(gè)區(qū)域:GSE以上區(qū)域?yàn)閱蜗鄪W氏體γ區(qū),E′SG′為偽共析轉(zhuǎn)變區(qū),GSE′和ESG′分別為先共析鐵素體α區(qū)和先共析Fe3C區(qū)。如將離開(kāi)共析成分不是太大的亞共析鋼Ⅰ或過(guò)共析鋼Ⅱ以較快速度冷卻至T1溫度,分別析出先共析鐵素體或先共析Fe3C,待余下的奧氏體成分落入E′SG′內(nèi),開(kāi)始同時(shí)析出鐵素體和滲碳體Fe3C。當(dāng)以更快速度冷卻至E′S或SG′線以下,則同時(shí)析出鐵素體和Fe3C。也就是說(shuō),非共析成分的奧氏體在冷卻過(guò)程中進(jìn)入E′SG′區(qū)后,將直接分解為鐵素體和滲碳體Fe3C的混合物。分解機(jī)制和產(chǎn)物與上述珠光體轉(zhuǎn)變完全相同,只是兩相的相對(duì)數(shù)量與共析成分的珠光體不同,其中奧氏體的含碳量愈高,分解后獲得的Fe3C愈多。這一轉(zhuǎn)變稱(chēng)為偽共析轉(zhuǎn)變,產(chǎn)物為偽共析珠光體。注意,偏離平衡條件下,先共析相的相對(duì)量均低于平衡條件下析出的量;偽共析珠光體中片層狀F或Fe3C的相對(duì)量與平衡條件下的相對(duì)量不同。(2)金相組織的鐵素體亞共析鋼在圖8的GSE′區(qū)域。先共析α析出,其形態(tài)有網(wǎng)狀、塊狀(或等軸狀)和片狀(魏氏組織鐵素體)三種。通過(guò)兩種完全不同的轉(zhuǎn)變機(jī)制形成,相應(yīng)示意說(shuō)明于圖9中。先共析鐵素體大都在奧氏體晶界上形核,晶核與一側(cè)的奧氏體晶粒γ1存在K-S關(guān)系,之間形成可動(dòng)性低的半共格界面,與另一側(cè)奧氏體晶粒γ2無(wú)位向關(guān)系,之間形成可動(dòng)性的非共格界面。當(dāng)然,也會(huì)形成與γ2成半共格界面和與γ1成非共格界面的α晶粒。當(dāng)原奧氏體晶界上全部形成鐵素體α(即網(wǎng)狀鐵素體)后,奧氏體的碳濃度進(jìn)入E′SG′區(qū)則發(fā)生偽共析轉(zhuǎn)變(圖9a)。當(dāng)鋼的含碳量較低,原奧氏體晶界上形成的鐵素體α核的非共格界面向與α無(wú)位向關(guān)系的奧氏體晶粒長(zhǎng)大成球冠狀或塊狀(也有稱(chēng)等軸狀的),待余下的奧氏體成分進(jìn)入E′SG′區(qū)后,經(jīng)偽共析轉(zhuǎn)變得到塊狀鐵素體α+偽共析珠光體組織(圖9b)。當(dāng)轉(zhuǎn)變溫度較低時(shí),鐵原子作較長(zhǎng)距離擴(kuò)散變得困難,這時(shí)非共格界面不能遷移,半共格界面的遷移起主要作用。在原奧氏體晶界上形成的鐵素體α核心通過(guò)半共格界面向與其具有位向關(guān)系的奧氏體晶粒內(nèi)長(zhǎng)大。為減少?gòu)椥阅?α呈條片狀沿奧氏體某一晶面(慣習(xí)面為{111}γ)生長(zhǎng),獲得彼此平行或交互成60°、90°的魏氏組織鐵素體(圖9c)。有時(shí)可能析出溫度較高,最先析出的鐵素體呈網(wǎng)狀,隨后隨溫度下降,再有網(wǎng)狀鐵素體上向一側(cè)以片狀鐵素體向奧氏體晶粒內(nèi)長(zhǎng)大(圖9d)。有報(bào)導(dǎo),魏氏組織鐵素體引起的浮突效應(yīng)成“Λ”形,與呈“N”形的浮突的馬氏體轉(zhuǎn)變不同。先共析鐵素體的這幾種形態(tài),首先決定于鋼的含碳量,見(jiàn)圖10。當(dāng)>0.4%C時(shí)主要形成網(wǎng)狀鐵素體GBA;<0.2%C時(shí)主要形成塊狀鐵素體M;介于0.2%～0.4%C時(shí)主要形成魏氏組織鐵素體W。N區(qū)域?yàn)閭喂参鰠^(qū)。當(dāng)成分一定時(shí),鐵素體形態(tài)決定于轉(zhuǎn)變溫度(等溫溫度或連續(xù)冷卻時(shí)的冷卻速度)。注意,魏氏組織鐵素體只能在一定范圍的冷速下形成,冷速過(guò)慢或過(guò)快都會(huì)抑制它(圖10),在粗晶粒鋼中存在的區(qū)域較寬些。(3)顯微組織照片對(duì)過(guò)共析鋼在ESG′區(qū)域,先共析滲碳體Fe3C析出,其形態(tài)有網(wǎng)狀和片狀(魏氏組織滲碳體)兩種。析出機(jī)制和以上敘述的相類(lèi)似。圖11(d)為魏氏組織滲碳體的顯微組織照片。它與奧氏體之間具有Pitsch位向關(guān)系:(100)C//(55ˉ4)γ,(010)C//(110)γ?(001)C//(2ˉ25)γ(100)C//(55ˉ4)γ,(010)C//(110)γ?(001)C//(2ˉ25)γ。圖上原奧氏體晶界上存在網(wǎng)狀滲碳體。過(guò)共析鋼中出現(xiàn)網(wǎng)狀和魏氏組織滲碳體情況可見(jiàn)圖10