钢的组织

1钢中的显微组织•1.1铁基固溶体•铁在加热和冷却过程中产生如下的多型性转变：•α-Feγ-Feδ-Fe•常见的金属结构有：•面心立方结构（表示为A1或fcc）如：γ-Fe，Al•体心立方结构（表示为A2或bcc）如：α-Fe•密排六方结构（表示为A3或hcp）如：Mg13944CA9123CA•图1.1面心立方结构•常见的的属于面心立方的金属有γ-Fe、Al、Cu、Ni,面心立方结构中有4个滑移面，3个滑移方向，可构成12个滑移系，所以面心立方金属有较高的塑性，这就是Al具有很好的塑性的原因。另外，热加工一般选择在奥氏体（面心立方）状态下进行，因为奥氏体塑性好，有利于塑性变形。•图1.2体心立方结构•常见的属于体心立方结构的金属是α-Fe，体心立方的非密排面也是滑移面，有48个滑移系。但是体心立方金属塑性不一定强于面心立方，因为非密排面滑移过程中所受阻力较大。•图1.3密排六方结构•常见的属于密排六方的金属有Mg、Zn，密排六方的滑移系仅有3个，由于滑移系太少，密排立方晶体的塑性不如面心立方和体心立方好。固溶体：溶质原子溶入金属结构，并且保持金属原有的结构不变，形成的物质称为固溶体。•铁素体（F）：C原子溶入α-Fe中形成的固溶体称为铁素体。根据固溶体的定义，铁素体仍保持着α-Fe的晶体结构，所以铁素体是体心立方结构。•奥氏体（A)：C原子溶入γ-Fe中形成的固溶体称为奥氏体。奥氏体是面心立方结构。•马氏体（M）：C原子在α-Fe中形成过饱和固溶体称为马氏体，马氏体是体心结构。亚共析成分的奥氏体通过先共析析出形成铁素体。这部分铁素体称为先共析铁素体随形成条件不同，先共析铁素体具有不同形态，如等轴形、沿晶形、纺形、锯齿形和针状等。铁素体还是珠光体组织的基体。在碳钢和低合金钢的热轧（正火）和退火组织中，铁素体是主要组成相；•铁素体的强度、硬度不高，但具有良好的塑性与韧性。1.2铁素体图1.4等轴块状铁素体图1.5针状铁素体b)PFPFM/AM/AM/AAF20mma)PFPFAF图1.6多边形铁素体奥氏体是一般钢在高温下的组织，其存在有一定的温度和成分范围。有些淬火钢能使部分奥氏体保留到室温，这种奥氏体称残留奥氏体。奥氏体是一种塑性很好，强度较低的固溶体，具有一定韧性。图1.7奥氏体组织1.3奥氏体马氏体最初是在钢（中、高碳钢）中发现的：将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（淬火），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。马氏体组织硬而脆，一般分为板条马氏体和片状马氏体。•板条状马氏体是低碳钢,马氏体时效钢，不锈钢等铁系合金形成的一种典型的马氏体组织，因其单元立体形状为板条状，故称板条状马氏体。片状马氏体则常见于高，中碳钢，每个马氏体晶体的厚度与径向尺寸相比很小其断面形状呈针片状，故称片状马氏体或针状马氏体。•一般当Wc0.3%时，钢在马氏体形态几乎全为板条马氏体;当Wc1.0%时，则几乎全为片状马氏体；当Wc=0.3%-1.0%时，为板条马氏体和片状马氏体的混合物1.4马氏体图1.8板条马氏体图1.9片状马氏体钢中马氏体最主要的特性之一是高强度和高硬度。马氏体的硬度主要决定于它的碳含量，合金元素的影响较小。随着碳含量的增加，马氏体的硬度急剧增高。引起马氏体高强度和高硬度的原因主要有以下几个方面：（1）马氏体点阵为碳所固溶强化；（2）马氏体转变过程中晶粒得到细化；（3）位错密度增加；（4）马氏体变形时有时会发生过饱和固溶的分解，析出新相，从而阻止位错移动。•钢中的贝氏体一般是由铁素体和碳化物组成的非层片状组织。按照组织形态的不同，贝氏体一般分为上贝氏体、下贝氏体、粒状贝氏体。•在贝氏体转变温度范围内（对于共析碳钢大约为550～220℃），在接近珠光体转变温度（550℃稍下）的较高温度区域内形成的贝氏体是上贝氏体。•在贝氏体转变温度范围内，在靠近马氏体转变温度（对于共析钢为220℃稍上）的较低温度区域内形成下贝氏体。1.5贝氏体•上贝氏体，金相组织呈羽毛状，脆性，硬度较高，一般要避免产生上贝氏体。•上贝氏体多呈羽毛状特征，光镜下分辨不清楚铁素体与渗碳体两相，渗碳体分布在铁素体条之间，碳含量低时，碳化物沿条间呈不连续的粒状或链珠状分布，碳含量高时，碳化物呈杆状甚至连续状分布。电镜下:条状铁素体大致平行，铁素体条间分布与铁素体轴相平行的细条状渗碳体，铁素体条内有较高的位错密度，为一束大致平行的自奥氏体晶界长入奥氏体晶内的铁素体。图1.10上贝氏体•典型的下贝氏体是由含碳过饱和的片状铁素体和其内部沉淀的碳化物组成的机械混合物。下贝氏体的空间形态呈双凸透镜状，与试样磨面相交呈片状或针状；•下贝氏体具有优良的强韧性，硬度和耐磨性也很高，缺口敏感性和脆性转变温度较低，是一种理想的淬火组织，具有很高的实用价值。因此，以获得这种组织为目的的等温淬火工艺，在生产中得到了广泛的应用。图1.11下贝氏体•粒状贝氏体一般是在低、中碳合金钢中存在,它是稍高于其典型上贝氏体形成温度下形成的。图1.12粒状贝氏体2铁碳相图•铁碳相图表示稳定系（Fe-C系）或亚稳系（Fe-Fe3C系）在不同碳含量、温度状态下所呈现的相之间的平衡，它提供了钢铁材料在铸造、热加工和热处理时的重要依据。•铁碳相图是典型二元合金相图的综合表现形式。它以合金的化学成分为横坐标,以温度为纵坐标,表示不同化学成分的合金,在不同温度下合金的显微组织状态对合金性能影响的变化规律。•此图为简化的Fe-Fe3C相图，去掉了高温阶段（1538℃）发生的包晶反应，因为铁合金在轧制和热处理过程中一般不涉及该反应。铁碳相图的物理意义•记忆铁碳相图,可将它分解为三个基本的二元合金相图􀀁即二元包晶相图、二元共晶相图和二元共析相图􀀁,然后弄清相图中五个基本相及其位置、重要的特征点（S、E、C、F）和特征线的物理意义,那么铁碳合金中任一成分的合金,在确定的温度下处于何种相状态或组织状态,它在温度变化时,可能发生哪些相变,便能一目了然了。根据Fe-Fe3C相图中获得的不同组织特征，将铁碳合金按含碳量划分为7种类型。•①工业纯铁，ω(c)＜0.0218%•②共析钢，ω(c)=0.77%•③亚共析钢，0.0218%＜ω(c)＜0.77%•④过共析钢，0.77%＜ω(c)＜2.11%•⑤共晶白口铸铁，ω(c)=4.3%•⑥亚共晶白口铸铁，2.11%＜ω(c)＜4.3%•⑦过共晶白口铸铁，4.3%＜ω(c)＜6.69%•图（1）工业纯铁的显微组织300ו工业纯铁的室温组织为铁素体（F）•图（2）共析钢的显微组织（片状珠光体）•共析钢在温度727℃，发生共析反应A→F+Fe3C,转变结束后奥氏体全部转变为珠光体，它是铁素体与渗碳体的层片交替重叠的机械混合物。珠光体的片层间距随冷却速度增大而减小，珠光体层片越细，其强度越高，韧性和塑性也好。如果片状珠光体经球化退火处理，共析渗碳体可呈球状分布在铁素体的基体上，称为球状体素体。球状体素体的强度比层片状珠光体低，但塑性、韧性比其好。图（2）’球状珠光体•图（3）亚共析钢的室温组织亚合金钢的室温组织由先共析铁素体和珠光体组成（F+P）•图(4)过共析钢室温组织•（a）硝酸酒精浸蚀，白色网状相为二次渗碳体，暗黑色为珠光体（b）苦味酸钠浸蚀，黑色为二次渗碳体，浅白色为珠光体•过共析钢室温组织为网状二次渗碳体和珠光体•图（5）共晶白口铸铁的室温组织•（白色基体是共晶渗碳体，黑色部分是由共晶奥氏体转变而来的珠光体）•共晶合金在1148℃发生共晶转变：L→A+Fe3C•图（6）亚共晶白口铸铁在室温下的组织•（深黑色的树枝状组成体是珠光体，其余为变态莱氏体）•树枝状的大块黑色组成体是由先共晶奥氏体转变的珠光体，其余部分为变态莱氏体。•图(7)过共晶白口铸铁冷却到室温后的组织•（白色条片是一次渗碳体，其余为变态莱氏体）•过共晶白口铸铁的室温组织为一次渗碳体和变态莱氏体，其中一次渗碳体不是以树枝状方式生长，而是以条状形态生长3钢的热处理•钢的热处理是指采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却以获得预期的组织结构与性能的工艺，它与钢的合金化是两种相辅相成的改善钢铁材料性能的方法。常用热处理工艺有：退火、正火、淬火、回火以及表面化学热处理。3.1C曲线•C曲线（过冷奥氏体等温转变动力学曲线）是表示不同温度下过冷奥氏体转变量与转变时间关系的曲线。•要了解钢经过热处理后的组织转变，必须掌握C曲线的相关知识。以及C曲线与铁碳相图之间的区别。•铁碳相图上没有表现出时间因素的影响。它所表达的内容,是在温度变化极其缓慢、时间趋于无限长时的组织转变结果。所以,它表示的是一种平衡状态,因此铁碳相图又称作铁碳平衡状态图。相图中的各个相均为平衡相,仅与化学成分和温度有关。•所以说铁碳相图描述的是理想状态下的组织，实际生产实践中要根据C曲线确定室温组织。􀀁C曲线是以时间为横坐标、以温度为纵坐标而制出的实验曲线。该曲线表示某确定成分的铁碳合金在加热到单相奥氏体组织状态后,冷却速度不同时更确切地说是以不同的冷却速度冷却至某确定温度下时,过冷奥氏体将需用多长时间、转变为何种组织状态。应该注意,钢的曲线是钢的固有特性的表现,仅与钢的化学成分有关。每一种确定成分的钢都有它自己的曲线,不同成分的钢则有不同的曲线。图3.1共析钢等温转变曲线图3.2X70钢连续冷却转变曲线C曲线左边一条曲线表示反应开始线，右边一条为反应终了线。鼻尖温度以上区域为珠光体转变区，鼻尖温度以下为贝氏体转变区。根据共析钢的等温转变曲线，可知共析钢要淬火形成马氏体组织其冷却速度必须大于临界冷却速度Vk，所以共析钢要淬火得到马氏体组织必须进行水冷。采用炉冷或空冷后的组织为珠光体组织，采用油冷所得到的组织为贝氏体和马氏体。图3.3共析钢的等温转变曲线等温转变图反映了过冷奥氏体等温转变的规律，是制定等温热处理工艺的依据。然而，实际生产中的热处理大多数采用连续冷却的方式，虽然此时也可以利用等温转变图来分析过冷奥氏体的转变过程，但这种分析只是粗略的，有时甚至会得出错误的结果，因此建立连续冷却转变图是十分必要的。图3.4共析钢连续冷却转变曲线共析钢连续冷却转变曲线只有高温区的的珠光体转变和低温区的马氏体转变，而无中温区的贝氏体转变。图中的横线是转变中止线，冷却曲线与此线相交时，转变并未完成，但过冷奥氏体已不再分解，剩余部分将在冷至Ms点以下后发生马氏体转变。冷却速度大于Vk,过冷奥氏体不发生珠光体转变，全部冷至Ms点以下发生马氏体转变，室温得到马氏体加残余奥氏体组织。冷速小于Vk1,过冷奥氏体全部分解成珠光体，不发生马氏体转变，室温下得到单一的珠光体组织。冷速介于Vk和Vk1,过冷奥氏体先发生珠光体转变，生成一部分珠光体，然后再发生马氏体转变，生成马氏体。