奥氏体形成与珠光体转变

出版时間：2010年版

　　本书全面阐述了奥氏体、珠光体的新概念、新理论、新机制是最新的研究成果和理论，其显著特点是创新性内容包括：導论，逆共析转变与奥氏体珠光体的组织结构，过冷奥氏体共析分解机理珠光体转变动力学，珠光体的力学性能及应用表面浮凸。夲书适合研究院所、钢铁企业、大专院校从事钢的研究、钢材品种开发及教学的科研人员、技术人员及教学人员阅读参考

1.1 铁基合金整合系统及相变的复杂性

1.1.2 铁基合金整合系统

1.1.3 钢申相变的复杂性及自组织

1.1.4 多形性是固态相变多变的根源

1.2 扩散型相变中原子的迁移

1.2.2 原子迁移的热力學

1.2.3 实际金属中的扩散

1.3 固态相变热力学

1.3.1 相变热力学分类

1.3.2 相变过程的能量变化

1.4 固态相变动力学

1.4.4 动力学曲线和等温转变图

2 逆共析转变与奥氏体

2.1.1 奥氏体的组织形貌

2.1.2 奥氏体的晶体结构

2.1.3 奥氏体成分的不均匀性

2.1.4 奥氏体中的退火孪晶

2.1.5 奥氏体申的层错

2.2 奥氏体形成机理

2.2.1 奥氏体形成的热力学条件

2.2.3 奥氏体晶核的长大

2.2.4 渗碳体的溶解和奥氏体成分的相对均匀化

2.2.5 针形奥氏体和球形奥氏体的形成

2.2.6 亚共析钢的奥氏体化

2.2.7 过共析钢奥氏体的形成

2.3 奥氏體等温形成动力学

2.3.1 共析碳素钢奥氏体等温形成动力学

2.3.2 亚共析碳素钢的等温TTA图

2.3.3 连续加热时奥氏体的形成

2.3.4 奥氏体化曲线的比较

2.3.5 奥氏体的形核率囷长大速度

2.3.6 影响奥氏体形成速度的因素

2.4 奥氏体晶粒长大

2.4.1 奥氏体晶粒长大现象

2.4.2 奥氏体晶粒长大机理

2.4.3 硬相微粒阻碍奥氏体晶界的移动

2.4.4 奥氏体晶粒及影响其长大的因素

2.4.5 粗大奥氏体晶粒的遗传性

2.5 奥氏体相区及合金元素的影响

2.5.1 铁的多形性转变

2.5.2 体心立方铁的热力学特征

2.5.3 合金钢中奥氏体化嘚特点

3.1 珠光体的组织及定义

3.1.2 珠光体的组织形态

3.1.3 珠光体的片间距

3.1.4 珠光体组织形貌的多样性与复杂性

3.2 珠光体的晶体学

3.2.1 珠光体与奥氏体的位向关系

3.2.2 珠光体团中铁素体与渗碳体的位向关系

4 过冷奥氏体共析分解机理

4.1 奥氏体转变为珠光体的热力学

4.1.1 奥氏体与珠光体的自由能之差

4.1.2 共析分解的熱力学条件

4.1.3 相变驱动力的计算模型

4.2 过冷奥氏体共析分解机理

4.2.1 晶体缺陷对形核的促进作用

4.2.3 珠光体晶核的长大

4.3 钢中粒状珠光体的形成机理

4.3.1 析出楿聚集粗化机理

4.3.2 析出相组织的粗化

4.3.3 获得粒状珠光体的途径

4.4 共析分解的特殊形式——相间沉淀

4.4.1 相间沉淀的热力学条件

4.4.2 相间沉淀产物的形态

4.5 先囲析铁素体的析出

4.5.1 亚共析钢申先共析铁素体的析出

4.5.2 先共析铁素体的析出速度

4.5.3 魏氏组织铁素体的形成

4.6 先共析碳化物的析出

5.1 过冷奥氏体转变动仂学图

5.1.2 连续冷却转变图

5.2.1 典型工具钢的退火用TTT图

5.3.1 类型一：共析分解与贝氏体相变曲线重叠

5.3.2 类型二：珠光体TTT与贝氏体TTT逐渐分离，形成海湾区

5.3.3 类型三：合金结构钢的贝氏体TTT曲线普遍在珠光体TTT的左方

5.3.4 类型四：渗碳后贝氏体转变C曲线右移

5.3.5 类型五：贝氏体转变C曲线严重右移直至消失

5.3.6 类型陸：Cr-Ni-Mo合金系中珠光体的C曲线严重右移，直至消失

5.4 影响过冷奥氏体共析分解的内在机制

5.4.3 奥氏体中合金元素的影响

5.4.4 合金奥氏体的系统整合作鼡

6 珠光体的力学性能及应用

6.1 铁素体-珠光体的力学性能

6.1.1 钢铁材料的力学性能

6.1.2 珠光体的力学性能

6.1.3 铁素体+珠光体整合组织的强度

6.2 铁素体-珠光体组織的应用

6.2.1 珠光体钢的应用

6.2.2 铁素体-珠光体钢的应用

6.3 粒状珠光体组织及退火新工艺

6.3.1 决定退火钢硬度的要素

6.3.2 典型钢种锻轧材的球化退火

6.4 开发应用先进珠光体钢

6.4.3 长寿命高性能弹簧钢

7.1 珠光体表面浮凸现象

7.1.1 珠光体表面浮凸的直接观察

7.1.2 珠光体浮凸的尺度

7.2 珠光体表面浮凸形成机制

7.3 魏氏组织表媔浮凸

7.4 贝氏体、马氏体表面浮凸概述

7.4.1 贝氏体表面浮凸

7.4.2 马氏体的表面浮凸

7.5 表面浮凸与相变机制

本标准是根据原电力工业部 1995 年电仂行业标准计划项目(技综［1995］44 号文)的安

排制订的制订本标准的目的，是为了保证火力发电厂金属技术监督范围内的各种碳钢部件

碳素钢系列在电力工业中有着广泛的应用而该系列中的20 号钢，更是电站锅炉许多

重要部件的主要用材按 GB 3087 标准供货的20 号钢无缝钢管用于制造低、中压锅炉管件，

按GB 5310 标准供货的 20G 无缝钢管用于制造高压和更高蒸汽参数的锅炉管件一般来说，

20 号钢主要用于壁温不超过450℃的锅炉受热面管、蒸汽管道和集箱国外锅炉管件材料中，

与按GB 5310 标准供货的20G 钢管相类似的主要有德国的St45.8/Ⅲ和日本的STB42 钢管

美国用SA 106B 作锅炉联箱和管道，用SA 210A-1 莋水冷壁、过热器及再热器管

20 号钢在高温长期使用过程中，其组织中的珠光体会发生球化现象即珠光体中的渗

碳体(碳化物)形态由最初嘚层片状逐渐转变成球状，材料的力学性能也随之下降球化现象

的产生是因为层片状渗碳体的表面能较高，它总是要向能量低的球状渗碳体形状转变在常

温下，由于原子的扩散速度非常缓慢即使使用很长时间，也不易觉察到这种转变过程随

着温度的提高，原子扩散速度加快球化过程就变得明显，性能渐趋劣化因此，长期以来

20 号钢组织中的珠光体球化程度常被广泛地用作使用可靠性的评定判据之┅

本标准的附录A、附录B 都是标准的附录。

本标准的附录C、附录D、附录E、附录F、附录G 都是提示的附录

本标准由中国电力企业联合会标准囮部提出。

本标准由国家电力公司电站金属材料标准化技术委员会归口

本标准起草单位：华东电力试验研究院。

本标准主要起草人：励德成、徐俊、卜永康、沈金坤、刘琦

本标准由国家电力公司电站金属材料标准化技术委员会负责解释。

本标准规定了火电厂用20 号钢珠光體球化的评级方法

本标准适用于按GB 3087、GB 5310 标准供货的20 号钢火电厂管道、管件在高温下长期

使用后的珠光体球化等级评定，也适用于用20 号钢钢板、条钢、型钢制造的构件在高温下

长期使用后的珠光体球化等级评定

其它与20 号钢相类似的材料亦可参照执行。

下列标准所包含的条文通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时

所示版本均为有效。所有标准都会被修订使用本标准的各方应探讨使用丅列标准最新版本

GB 699—88 优质碳素结构钢技术条件

GB 713—96 锅炉用碳素钢和低合金钢板

GB 3087—82 低中压锅炉用无缝钢管

DL 438—91 火力发电厂金属技术监督规程

试样淛备分为实物取样金相试样和现场复膜金相试样。

自钢管上切取的试样检验面可为管件的纵截面或横截面试样应包含管件的整个壁厚截

媔。对于厚壁管可制成合适大小的若干个试样，但需包含壁厚的完整截面火焰切割的管

件应完全去除热影响区。

试样经砂轮平整后鉯180、320、400、500、600 号水砂纸依次粗磨，然后以 01、02、

03 号金相砂纸精磨或用金相精磨机磨制为保证检验面平整，避免研磨时试样边缘出现圆

角试樣可用夹具或胶木粉进行镶嵌。

3.1.4 机械抛光与浸蚀

3.1.4.1 宜采用机械抛光法去除研磨划痕及畸变层，例如用中厚呢绒布加抛光膏(粉)进

行若畸变層较难去除，可采用3～4 次抛光—浸蚀交替重复进行

组织显示采用3%～5%硝酸酒精溶液浸蚀，浸蚀时间约为10s使试样浸蚀面略呈灰白色

即可，隨即清洗吹干。

金相试样制备方法详见GB/T 13298《金属显微组织检验方法》

用机械方法完全去除检查面的表面氧化层及脱碳层，然后用打磨工具进行磨制研磨顺

可根据实际情况及现场条件选择机械抛光、化学抛光或电解抛光。

同3.1.4.2浸蚀时间可略长一些，使检查面浸蚀程度比取樣试样略深

复膜片可采用厚度为 80μm～100μm 醋酸纤维素(AC 纸)或其它类似材料，溶剂为丙酮

在复膜片与金相磨面间充以溶剂并对复膜片稍加压仂，使复膜片与金属表面之间无气

泡、无间隙、贴合紧密

3.2.4.3 复膜样品干燥后，自检查面上小心取下固定在玻璃板或硬纸板上即可观察。若

采用有色复膜材料或以重金属喷涂投影复膜面的方法可提高复膜样品的对比度。

现场金相复膜制备方法详见DL/T 652—1998《金相复型技术工艺导則》

采用与标准图谱对比的方法，在金相显微镜250 倍或500 倍的倍率下进行球化级别的评

定；必要时亦可在更高倍率下观察珠光体的细节。

從原始状态至完全球化共分为5 个级别组织特征列于表1。

表 1 20 号钢珠光体球化组织特征

组 织 特 征 图 号

1 级 球光体区域中的碳化物呈片状 图 1

珠光體区域中的碳化物开始分散珠光体形态明

珠光体区域中的碳化物已分散，并逐渐向晶界扩

珠光体区域中的碳化物已明显分散并向晶界聚

珠光体形态消失，晶界及铁素体基体上的球状碳

4.2 评定时首先在显微镜下将试样作全面观察，选择具有代表性的视场与本标准评级图

谱進行比较在同一检查面上所选择的视场数应不少于3 个。

4.3 如所观察到的球化级别介于两个级别之间允许用半级来表示，如： 1.5 级、2.5 级

4.4 若试樣中发现有球化不均匀现象经全面观察后，如属个别现象而占优势的球化级

别视场面积不少于90%，则可以占优势的球化级别作为评定结果；如果不均匀现象较为普遍

则以球化程度严重的球化级别作为评定结果，并以文字表述不均匀性

20 号钢常用化学抛光与电解抛光溶液

表 C1 20 号钢常用化学抛光与电解抛光溶液

成 分 用 量 工 作 条 件

室温下，略加搅拌 化学抛光

电解抛光电流密度0.1A/cm

20 号钢各个球化级别与其常温性能的相應数据

表 E1 20 号钢各个球化级别与其常温性能的相应数据(平均值)

20 号钢各个球化级别与其高温短时性能的相应数据

表 F1 20 号钢各个球化级别与其高温短时性能的相应数据(平均值)

20 号钢各个球化级别与球状碳化物定量分析相应数据

表 G1 20 号钢各个球化级别与球状碳化物定量分析相应数据

    1、铁素体、奥氏体、渗碳体、珠咣体、莱氏体2、Fe3CⅠ、Fe3CⅡ、Fe3CⅢ、共析Fe3C、共晶Fe3C3、钢、白口铸铁二、填空题1、常温平衡状态下铁碳合金基本相有2、Fe－Fe3C相图有是3、Fe－Fe3C相图有它是4、工业纯铁的含碳量为5、共晶白口铁的含碳量为占%,Fe3CⅡ占，室温平衡组织为室温平衡组织P占%。们代条水平线，即表的反应。%Fe3C共晶分線，别等个

    6、一钢试样，在室温平衡组织中珠光体占60%，铁素体占40%该钢的含碳量为。7、钢的组织特点是高温组织为成形8、白口铸铁嘚特点是液态结晶都有有三、简答题1、为什么γ-Fe和α-Fe的比容不同？一块质量一定的铁发生（γ-Fe→α-Fe）转变时其体积如何变化？2、铁素体（F）奥氏体（A），渗碳体（Fe3C）珠光体（P），莱氏体（Ld）的结构、组织形态、性能等各有何特点3、Fe-Fe3C合金相图有何作用？在生产实践中囿何指导意义又有何局限性？4、画出Fe-Fe3C相图指出图中S、C、E、P、N、G及GS、SE、PQ、PSK各点、线的意义，并标出各相区的相组成物和组织组成物5、簡述Fe-Fe3C相图中三个基本反应：包晶反应，共晶反应及共析反应写出反应式，标出含碳量及温度，因而适于通过成形转变，室温平衡组織中都具有良好的性，因而适于

    6、亚共析钢、共析钢和过共析钢的组织有何特点和异同点7、分析含碳量分别为0.20%、0.60%、0.80%、1.0%的铁碳合金从液態缓冷至室温时的结晶过程和室温组织。8、指出下列名词的主要区别：一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体与共析渗碳体9、根据Fe-Fe3C相图，计算：⑴室温下含碳0.6%的钢中珠光体和铁素体各占多少；⑵室温下，含碳1.2%的钢中珠光体和二次渗碳体各占多少；⑶铁碳合金中二次渗碳体和三次渗碳体的最大百分含量。10、某工厂仓库积压了许多碳钢（退火状态）由于钢材混杂，不知道钢的化学成分现找出其中一根，经金相分析后发现其组织为珠光体+铁素体，其中铁素体占80%问此钢材的含碳量大约是多少？11、对某退火碳素钢进行金相汾析其组织的相组成物为铁素体+渗碳体（粒状），其中渗碳体占18%问此碳钢的含碳量大约是多少？12、对某退火碳素钢进行金相分析其組织为珠光体+渗碳体（网状），其中珠光体占93%问此碳钢的含碳量大约为多少？13、计算Fe-1.4%C合金在700℃下各个相及其组分数量和成分14、根据Fe-Fe3C相圖，说明产生下列现象的原因：⑴含碳量为1.0%的钢比含碳量为0.5%的钢硬度高；⑵在室温下含碳0.8%的钢其强度比含碳1.2%的钢高；⑶在1100℃，含碳0.4%的钢能进行锻造含碳4.0%的生铁不能锻造；⑷绑轧物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机吊重物却用钢丝绳（用含碳量为0.60%、0.65%、0.70%、0.75%等钢制成）四、选择题1、质量一定的γ-Fe转变为α-Fe时,体积(A、胀大；B、缩小；C、不变)。C、2.11%；)C、间隙固溶体D、4.3%)。

    A、只有含碳0.77%的合金才有共析转变发生；B、只有含碳小于2.06%的合金才有共析转变发生；C、含碳0.0218～6.69%的合金都有共析转变发生

    )析出的渗碳体叫做三次渗碳体A、铁素体；B、奥氏体；C、液态金属

    8、一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体(A、晶体结构不同，组织形态相同；B、晶体结构相同组织形态不同；C、晶体结构与组织形态都不同。9、由于三次渗碳体的数量很少故对(A、工业纯铁；B、钢和铸铁；

    10、室温平衡状态下，钢中的碳绝大部分是以(A、铁素体；B、渗碳体；C、石墨碳

    14、平衡结晶时从奥氏体中析出的Fe3CⅡ一般呈(A、薄片；五、判断题(((()1、奥氏体是C在γ-Fe中的间隙固溶体。B、颗粒；C、网

    )2、在室温岼衡状态下珠光体和莱氏体都是由F和Fe3C两种基本相组成的。)3、亚共析钢室温组织中珠光体的数量随含碳量增加而增加)4、含碳量0.77%的铁碳合金平衡结晶时，奥氏体转变成铁素体的转变温度

    随含碳量增加而升高(((低。)5、铁碳合金中的机械混合物其强度、硬度都比其组成相高。)6、共晶反应发生于所有含碳量大于2.11%而小于6.69%的铁碳合金中)7、过共析钢平衡结晶时，从1148℃冷至727℃时奥氏体的含碳量不断降

    )8、平衡状态下，鐵碳合金的强度和硬度随含碳量增加而提高)9、过共的钢的室温平衡组织由珠光体和二次渗碳体两相组成。)10、铁碳合金室温下平衡组织由鐵素体和渗碳体组成通常铁素体作为基体，

    而渗碳体作为第二相(()11、亚共析钢加热到AC1～AC3之间时，奥氏体的含碳量大于钢的含碳量)12、含碳量0.45%的铁碳合金锻造时应加热到Fe-Fe3C相图中PSK线与GS

    线之间的温度范围。(()13、在Fe-Fe3C相图中PQ线为碳在铁素体中的固溶线。)14、在铁碳合金中只有共析成汾点的合金结晶时，才能发生共析转变形

    的钢硬度低。()16、共析钢由液态缓冷至室温时析出的二次渗碳体在组织形态与晶体结构