钢铁材料常见金相组织相图
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钢铁材料常见金相组织简介
在Fe-Fe3C系中,可配制多种成分不同的铁碳合金,他们在不同温度下的平衡组织各不相同,但由几个基本相(铁素体F、奥氏体A和渗碳体Fe3C)组成。
这些基本相以机械混合物的形式结合,形成了钢铁中丰富多彩的金相组织结构。
常见的金相组织有下列八种:
一、铁素体
铁素体(ferrite,缩写FN,用F表示),纯铁在912℃以下为具有体心立方晶格。
碳溶于α-Fe中的间隙固溶体称为铁素体,以符号F表示。
这部分铁素体称为先共析铁素体或组织上自由的铁素体。
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、纺锤形、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;铁素体的成分和组织对钢的工艺性能有重要影响,在某些场合下对钢的使用性能也有影响。
碳溶入δ-Fe中形成间隙固溶体,呈体心立方晶格结构,因存在的温度较高,故称高温铁素体或δ固溶体,用δ表示,在1394℃以上存在,在1495℃时溶碳量最大。
碳的质量分数为0.09%。
图1:铁素体
二、奥氏体
碳溶于γ-Fe晶格间隙中形成的间隙固溶体称为奥氏体,具有面心立方结构,为高温相,用符号A表示。
奥氏体在1148℃有最大溶解度2.11%C,727℃时可固溶0.77%C;强度和硬度比铁素体高,塑性和韧性良好,并且无磁性,具体力学性能与含碳量和晶粒大小有关,一般为170~220 HBS、=40~50%。
TRIP钢(变塑钢)即是基于奥氏体塑性、柔韧性良好的基础开发的钢材,利用残余奥氏体的应变诱发相变及相变诱发塑性提高了钢板的塑性,并改善了钢板的成形性能。
碳素或合金结构钢中的奥氏体在冷却过程中转变为其他相,只有在高碳钢和渗碳钢渗碳高温淬火后,奥氏体才能残留在马氏体的间隙中存在,其金相组织由于不易受侵蚀而呈白色。
三、渗碳体
渗碳体(cementite),指铁碳合金按亚稳定平衡系统凝固和冷却转变时析出的Fe3C型碳化物。
渗碳体的分子式为Fe3C ,它是一种具有复杂晶格结构的间隙化合物。
分为一次渗碳体(从液体相中析出)、二次渗碳体(从奥氏体中析出)和三次渗碳体(从铁素体中析出)。
图2:渗碳体
四、珠光体
珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物,用符号P表示。
其力学性能介于铁素体和渗碳体之间,强度较高,硬度适中,有一定的塑性。
珠光体是钢的共析转变产物,其形态是铁素体和渗碳体彼此相间形如指纹,呈层状排列。
按碳化物分布形态又可分为片状珠光体和粒状珠光体二种。
(1)片状珠光体:又可分为粗片状、中片状和细片状三种。
(2)粒状珠光体:经球化退火获得,渗碳体成球粒状分布在铁素体基体上;渗碳体球粒大小,取决于球化退火工艺,特别是冷却速度。
粒状珠光体可分为粗球状、球状、细球状和点状四种珠光体。
图3:片状珠光体
图4 :粒状珠光体
五、贝氏体
奥氏体钢等温淬火后的产物。
是将钢件奥氏体化,使之快冷到贝氏体转变温度区间(260~400℃)等温保持,使奥氏体转变为贝氏体。
贝氏体具有较高的强韧性配合。
在硬度相同的情况下贝氏体组织的耐磨性明显优于
马氏体,可以达到马氏体的1~3倍
(1)上贝氏体:上贝氏体特征是:条状铁素体大体平行排列,其间分布有与铁素体针轴平行的细条状(或细短杆状)渗碳体,呈羽毛状。
(2)下贝氏体:呈细针片状,有一定取向,较淬火马氏体易受侵蚀,极似回火马氏体,在光镜下极难区别,在电镜下极易区分;在针状铁素体内沉淀有碳化物,且其排列取向与铁素体片的长轴成55~60度,下贝氏体内不含孪晶,有较多的位错。
(3)粒状贝氏体:外形相当于多边形的铁素体,内有许多不规则小岛状的组织。
图5 :贝氏体
六、魏氏组织
不易锌火钢焊接热影响区中的过热区,由于奥氏体晶粒长得非常粗大,这种粗大的奥氏体在较快的冷却速度下会形成一种特殊的过热组织。
区焊接热影响中的过热区,由于奥氏体晶粒长得非常粗大,这种粗大的奥氏体在较快的冷却速度下会形成一种特殊的过热组织,其组织特征为在一个粗大的奥氏体晶粒内会形成许多平行的铁素体(渗碳体)针片,在铁素体针片之间的剩余奥氏体最后转变为珠光体,这种过热组织称为铁素体(渗碳体)魏氏组织。
简单说来,就是在奥氏体晶粒较粗大,冷却速度适宜时,钢中的先共析相以针片状形态与片状珠光体混合存
在的复相组织。
魏氏组织不仅晶粒粗大,而且由于大量铁素体针片形成的脆弱面,使金属的的柔韧性急速下降,这是不易淬火钢焊接接头变脆的一个主要原因。
图6 :铁素体魏氏组织图7 :渗碳体位置组织
七、马氏体
马氏体(martensite),另称麻田散铁(若母相元素为铁,则可称为麻田散铁),是黑色金属材料的一种组织名称,中高碳钢中加速冷却通常能够获得这种组织。
其为纯金属或合金从某一固相转变成另一固相时的产物;在转变过程中,原子不扩散,化学成分不改变,但晶格发生变化,同时新旧相间维持一定的位向关系并且具有切变共格的特征。
最先由德国冶金学家Adolf Martens(1850-1914)于19世纪90年代在一种硬矿物中发现。
马氏体的三维组织形态通常有片状(plate)或者板条状(lath),但是在金相观察中(二维)通常表现为针状(needle-shaped),这也是为什么在一些地方通常描述为针状的原因。
马氏体的晶体结构为体心四方结构(BCT)。
高的强度和硬度是钢中马氏体的主要特征之一。
板条状马氏体:又称低碳马氏体。
由于板条状马氏体形成的温度较高,在冷却过程中,必然发生自回火现象,在形成的马氏体内部析出碳化物,故它易受侵蚀发暗。
针状马氏体:又称片状马氏体或高碳马氏体,它的基本特征是:在一个奥氏体晶粒内形成的第一片马氏体片较粗大,往往贯穿整个晶粒,将奥氏体晶粒加以分割,使以后形成的马氏体大小受到限制,因此片状马氏体的大小不一,分布无规则。
(3)淬火后形成的马氏体经过回火还可以形成三种特殊的金相组织:
(i)回火马氏体:指淬火时形成的片状马氏体(晶体结构为体心四方)于回火第一阶段发生分解—其中的碳以过渡碳化物的形式脱溶—所形成的、在固溶体基体(晶体结构已变为体心立方)内弥散分布着极其细小的过渡
碳化物薄片(与基体的界面是共格界面)的复相组织;这种组织在金相(光学)显微镜下即使放大到最大倍率也分辨不出其内部构造,只看到其整体是黑针(黑针的外形与淬火时形成的片状马氏体(亦称“α马氏体”)的白针基本相同),这种黑针称为“回火马氏体”。
(ii)回火屈氏体:淬火马氏体经中温回火的产物,其特征是:马氏体针状形态将逐步消失,但仍隐约可见(含铬合金钢,其合金铁素体的再结晶温度较高,故仍保持着针状形态),析出的碳化物细小,在光镜下难以分辨清楚,只有电镜下才可见到碳化物颗粒,极易受侵蚀而使组织变黑。
如果回火温度偏上限或保留时间稍长,则使针叶呈白色;此时碳化物偏聚于针叶边缘,这时钢的硬度稍低,且强度下降。
(iii)回火索氏体:淬火马氏体经高温回火后的产物。
其特征是:索氏体基体上布有细小颗粒状碳化物,在光镜下能分辨清楚。
这种组织又称调质组织,它具有良好的强度和韧性的配合。
图8:针状马氏体图9:回火索氏体
八、莱氏体
莱氏体是钢铁材料基本组织结构中的一种,常温下为珠光体、渗碳体和共晶渗碳体的混合物。
由液态铁碳合金发生共晶转变形成的奥氏体和渗碳体所组成,其含碳量为ωc=4.3%。
是1882年阿道夫·莱德布尔发现的。
液态铁碳合金在1147℃左右会发生共晶转变,含碳量为4.3%的液态铁碳合金会转化为含碳量为2.11%的奥氏体和6.67%的渗碳体两种晶体的机械混合物,其比例大约是1:1。
L4.3%→Ld(γ2.11%+Fe3C)随着温度的降低,莱氏体中总碳含量组成不变,但其中的组分奥氏体和渗碳体的比例在发生改变。
当温度降到727℃以下时,莱氏体中的奥氏体成分会发生共析转变,生成铁素体和渗碳体层状分布的珠光体。
γ0.77%→P(α
0.0218%+Fe3C),所以727℃以下时,莱氏体分解生成铁素体和渗碳体层状分布的珠光体。
图10:莱氏体
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