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钢中常见组织之珠光体的转变动力学

2016/07/04 15:23
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  珠光体转变的动力学特点:

  转变开始之前有一个孕育期;温度一定时候,转变速度随时间延长有一极大值;随转变温度的降低,P转变的孕育期有一极小值,此时转变最快;合金元素的影响显著。

  珠光体转变的动力学研究:

  形核率由三方面因素所决定:

  一是体积自由能即相变驱动力△G*;

  二是原子迁移的激活能Q;

  三是过冷度的大小ΔT。

  

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  形核率N和转变时间的关系:

  当转变温度一定时,珠光体转变的形核与等温时间有一定的关系,随着转变时间的延长形核逐渐增加,当达到一定程度后就急剧下降到零,即所谓的位置饱和。

  长大速度G与转变时间的关系:

  研究表明等温保持时间对珠光体的长大速度无明显的影响。

  影响珠光体转变动力学的因素

  

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  碳浓度离共析成分越远,则奥氏体向珠光体的转变越快;

  相较于合金元素,碳含量对珠光体转变的影响是较小的。

  2)合金元素的影响

  ① 合金元素对珠光体转变影响的规律

  除Co和大于2.5%的Al以外,所有常用合金元素皆使珠光体的鼻子右移,先共析铁素体的鼻子右移。

  除Ni以外,所有的常用合金元素皆使这两个鼻子移向高温区。

  

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  在常用的合金元素中,按推迟珠光体转变的效果大小排列,其顺序为:

  Mo > Mn > W > Ni > Si

  另外,强碳化物形成元素V、Ti、Zr、Nb、Ta等在钢中形成难溶的碳化物。如果这些元素在加热时能够溶入奥氏体中,则增大过冷奥氏体的稳定性。但是,即使加热到很高温度,这类碳化物仍然几乎不能完全溶入奥氏体中。因此,当钢中加入强烈形成碳化物元素,奥氏体温度又不很高时,不仅不能增大甚至会降低过冷奥氏体的稳定性 。

  硼元素B很特别:一般认为,钢中加入微量的B,就可以显著降低亚共析钢中先析出铁素体的速度,同时对珠光体的形成也有抑制作用。随着钢中碳含量的增高,B增大过奥氏体稳定性的作用逐渐减小。

  钢加入微量的B能够降低先共析铁素体和珠光体转变速度的原因:

  主要是由于B的原子半径的相对大小既不适于形成间隙固溶体,又不适于形成置换固溶体,因而具有富集于晶界的强烈倾向。B吸附在奥氏体晶界上,降低了晶界的能量,从而降低了先共析铁素体和珠光体的成核率。

  合金元素对珠光体转变产生影响的原因

  合金元素对珠光体转变产生影响的原因,至今仍未彻底搞清楚,归纳起来可以从以下几个方面考虑。

  A) 合金元素自扩散的影响

  合金奥氏体的共析分解,除了碳的扩散之外,合金元素也需要进行扩散再分配。

  由于合金元素具有较低的扩散速度,其扩散系数比C在奥氏体中扩散系数低3~5个数量级,因而增大了过冷奥氏体转变为珠光体的孕育期、降低了形成速度。

  B) 合金元素对碳原子扩散的影响

  合金元素对珠光体转变的影响,还可以通过降低C在奥氏体中的扩散系数而起作用。除Co和小于3%的Ni以外,所有合金元素都提高碳在奥氏体中的扩散激活能,从而降低C在A中的扩散系数。

  合金元素降低C的扩散系数,将增大珠光体转变的孕育期,从而降低转变速度。

  C) 合金元素对铁原子扩散的影响

  合金元素的加入,还可以影响Fe原子的扩散,通过影响γ→α的同素异构转变进程来影响珠光体转变。

  例如,Ni、Mn、Cr等的加入,都提高了Fe的自扩散激活能,从而降低了Fe原子在奥氏体中的扩散系数,进而影响晶体结构的重建而降低珠光体转变的速度。

  D) 合金元素改变共析点的位置

  合金元素的加入,将改变共析点的位置,从而影响临界转变温度而影响珠光体的转变。

  它主要通过影响体系的自由能和转变的过冷度对珠光体转变产生不同的影响。

  

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  E) 合金元素对γ/α相界面的拖曳作用

  合金元素的加入,将对γ/α相界面产生拖曳作用,从而降低γ/α相界面的移动速度,进而降低珠光体的形成速度。

  例如,强碳化物形成元素V、Ti、Zr、Nb、Ta等在钢中形成难溶的碳化物。即使加热到很高温度,这类碳化物仍然不能完全溶入奥氏体中。

  因此,当钢中加入强烈形成碳化物元素,奥氏体温度又不很高时,这些弥散分布的难溶碳化物质点,将对γ/α相界面的迁移产生阻碍作用,从而降低珠光体的形成速度。

  3)奥氏体成分均匀性和过剩相溶解情况的影响

  钢件在实际加热条件下,奥氏体常常处于不太均匀的状态,有时还可能有少量渗碳体微粒残存。

  

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  4)奥氏体晶粒度的影响

  由于钢的化学成分、脱氧剂等的不同,在相同的加热条件下,所获得的奥氏体晶粒度也不尽相同。

  

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  同理,细小的奥氏体晶粒,也将促进先共析铁素体和渗碳体的析出。

 

  外界影响因素

  ⑴ 加热温度和保温时间的影响

  钢的加热温度和保温时间,直接影响钢的奥氏体化均匀性和晶粒大小。

  

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  ⑵ 应力和塑性变形的影响

  在奥氏体状态下承受拉应力或进行塑性变形,有加速珠光体转变的作用。压应力作用相反。

  

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