钢铁材料微观结构与性能的关系

钢铁材料微观结构与性能的关系

摘要钢铁材料是目前工业使用量最大的金属材料，材料中不同的内部微观结构可以造成不同的材料性能，通过改变其组织结构，可以获得材料不同的性能。因此，研究材料的结构与性能的关系就更加有意义。Fe-C合金中的微观结构有奥氏体，珠光体、马氏体、贝氏体等几种，本文就简单介绍了奥氏体、珠光体、马氏体的微观组织结构及其相应的性能。

关键词结构与性能，奥氏体，马氏体，贝氏体

Abstract The steel material is the the largest metal current industrial use material, the different internal microstructure of material can result in the different material properties, and through changing their microstructure, we can obtain materials of different properties.Therefore, the research of the relationship between structure and performance of material is even more meaningful. microstructure of Fe-C alloy austenite mainly contains pearlite, martensite, bainite and so on. This article briefly describes the austenite, pearlite, martensite microstructure and its related properties.

Key words structure and property, austenite, pearlite, martensite

1 前言

人类文明发展的历史从某种程度上说就是不断制造和使用新材料的历史。按材料特点来划分人类历史的发展阶段，可分为：石器时代、铁器时代、青铜器时代、钢铁时代和新材料时代。从中可以看出，金属材料在人类文明的发展史中起着重要作用。

随着金属材料应用的发展和研究工作的不断深入，人们注意到，材料的成分、工艺、组织结构、性能这四个基本要素对材料有着重

要的影响，四个要素之间相互联系、互相影响，可以

组成一个材料研究的四面体（如图1）。不同化学成分

的材料，经过各种制备和加工工艺，获得不同的内部

组织结构，可以在很大程度上决定材料的性能。然而，

图1

在许多情况下，出去经济性、可获得性、可靠性等方面的考虑，

材料的选材范围十分有限。如何在材料成分基本固定的情况下，

有效地提高性能成为材料科学与工程的一个重要研究方向。其中一个重要的方法就是改变材料内部的组织结构。在温度和压力等外部环境改变时，材料内部的原子排列方式、有序程度、局部化学成分等组织结构的变化，成为相变，相变过程直接影响材料的力学、物理学、化学性能。迄今为止，改变材料组织结构是改变金属材料性能的重要方法之一。以目前工业使用量最大的金属材料-钢铁为例，通过改变其组织结构，可以使强度提高或降低几倍。这样可以根据需要使钢铁材

料变软以便于冷热加工成形，加工后进行热处理，可以安全长期使用。因此，研究材料组织和性能的关系就变得十分有意义了。Fe-C合金中的微观结构有奥氏体，珠光体、马氏体、贝氏体等，不同的结构就产生了相应的材料性能。本文就简单分析了Fe-C合金中的几种微观组织结构及其对材料性能所带来的影响。

2奥氏体微观结构及其特点

2.1 奥氏体晶体结构

奥氏体是碳在面心立方结构的铁(γ-Fe)中形成的固溶体，以γ（或A）表示。奥氏体的组织形态与原始组织、加热速度、加热转变的程度有关。通常情况下为多边形的等轴晶粒（图2），晶粒内部往往存在孪晶。经过X射线衍射证明，奥氏体中碳原子位于γ-Fe的八面体间隙中，即面心立方点阵晶胞的中心或棱边的中心，如图3所示。

图2 图3

按照γ-Fe中所有八面体间隙都被碳原子填满来计算，奥氏体中的最大含碳量应为20%，但实际上由于碳原子进入间隙后会一起点阵畸变，使碳原子不能像图3所示那样填满每一个间隙，实际测得的奥氏体最大含碳量为2.11%（1148o C）。根据奥氏体中的最大含碳量计算，大约2—3个γ-Fe晶胞中才含有一个C原子。

γ-Fe的点阵常数为3.64A，C原子的存在使奥氏体点阵常数增大。合金元素如Mn,Si,Cr,Ni等能够置换γ-Fe中的Fe原子而形成置换固溶体。置换原子的存在也会引起点阵常数的改变，使晶格产生畸变。点阵常数改变的大小和晶格畸变的程度取决于C原子的数量、合金元素原子半径发Fe原子半径的差异及它们的含量。

2.2 奥氏体的性能

奥氏体是碳钢中的高温稳定相，当加入适量的合金元素时，可使奥氏体在室温成为稳定相。因此，奥氏体可以是钢在使用时的一种组织状态，在奥氏体状态使用的钢称为奥氏体钢。

a.力学性能

奥氏体的面心立方结构使其具有高的塑性和低的屈服强度，容易进行塑性变形加工成形，所以钢常常在奥氏体稳定存在的高温区域进行加工。在奥氏体中加

入镍、锰等元素，可以得到室温下具有奥氏体组织的奥氏体钢。奥氏体的再结晶温度高，具有较好的热强性。

b.物理性能

奥氏体是顺磁性，利用这一性质可研究钢中与奥氏体相关的相变，奥氏体是无磁钢，可用于变压器、电磁铁等无磁结构材料。

奥氏体与其他组织相比，因为具有最密排的点阵结构，致密度高，因而比容最小。例如在含0.80%C的钢中，奥氏体、铁素体和马氏体的比容分别为

1.23399×10-4，1.2708×10-4，1.2915×10-4m3/kg。

3珠光体微观结构及其特点

珠光体是由共析铁素体和共析渗碳体有机结合的整合组织，铁素体及碳化物俩相是成比例的，有一定相对量。该铁素体和碳化物是从奥氏体中共析共生出来的，且俩相有一定位相关系。

3.1 珠光体微观结构

a. 珠光体晶体学

珠光体是由共析铁素体和共析渗碳体有机结

合的整合组织，其中铁素体的晶体结构为体心立

方；渗碳体的晶体结构为复杂的斜方结构。投射

电镜观察表明，在退火状态下，珠光体的铁素体

中位错密度较小，渗碳体中位置密度更小。片状

珠光体中铁素体与渗碳体片俩相交界处常有较高

图4

位错密度，如图4所示。

珠光体形成时，新相（铁素体和渗碳体）与母相（奥氏体）有着一定的晶体学位向关系，其关系为：

｛1 1 0｝α//｛1 1 2｝γ,<1 -1 1>α//<0 -1 1>γ

在共析钢中，先共析铁素体与奥氏体的位向关系为：

｛1 1 1｝α//｛1 1 0｝γ,<1 1 0>α//<0 1 1>γ

在一个珠光体团中，铁素体与渗碳体的晶体位向关系基本是固定的，俩相间存在一定位向关系，这种关系通常有俩类：

第一类｛0 0 1｝cem//｛2 -1 -1｝α,<1 0 0> cem //<0 1 -1>α, <0 1 0> cem //<1 1 1>α第二类｛0 0 1｝cem//｛5 -2 -1｝α,<1 0 0> cem //<1 3 -1>α（相差2036’）, <0 1 0>

//<1 1 3>α（相差2036’）

cem

第一类位向关系，是珠光体晶核在奥氏体晶界上测出的；第二类位向关系，是珠光体晶核在纯奥氏体晶界上产生时测出的。

b. 珠光体的组织形态

共析成分的奥氏体过冷到A1稍下的温度将发生共析分解，形成珠光体组织。