钢铁显微组织

gangtie xianwei zuzhi
钢铁显微组织
microstructure of iron and steel

   在金相显微镜或电子显微镜下看到的钢和铸铁中由基本组成单元构成的聚合体。用金相显微镜观察时试样表面应磨平抛光，并用适宜的侵蚀剂稍加侵蚀。用电子显微镜观察时，需要进行更加复杂的试样准备工作。金相显微镜最高放大倍数可达2500倍，电子显微镜可放大几十万倍（见光学金相检验）。钢和铸铁都是在铁中加入碳和其他合金元素形成的合金,其中,含碳量为0.77％的钢称为共析钢；含碳量低于0.77％的钢称为亚共析钢；含碳量为0.77～2.11％的钢称为过共析钢；含碳量高于2.11％的称为铸铁。不同含碳量和合金成分的钢或铸铁，其显微组织各不相同。同一成分的钢或铸铁，经过不同的金属热处理后也具有不同的显微组织（图1 [铁碳合金平衡相图]javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>）。不同的显微组织具有不同的性能，因此钢铁可以通过热处理获得不同的性能。钢铁显微组织分析是研究钢铁和评定钢铁制品质量的重要手段。
   固态钢铁中的相  相是钢铁显微组织的基本组成单元。图2c[几种典型的金相组织  c上贝氏体（javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>上)，500]javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>上)，500" class=image>[倍羽毛状为上贝氏体，白色基体为马氏体16Mn钢 500℃等温，10％盐水淬火,2％硝酸酒精腐蚀]javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>中白亮的基体和白色的条状物便是两种不同的相。两种相之间有明显的分界面。同一种相的内部，化学成分、原子排列方式和各种性能基本一致。液态的钢或铸铁中只有一种相，即液相。固态钢铁中可能出现多种不同的相，大致可以把它们分为固溶体和化合物两大类。
   固溶体  碳或其他合金元素固溶于铁中形成的固态溶体。固态纯铁在不同的温度范围内有 3种不同的原子排列方式，分别称为javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/> 铁、javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>铁和javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>铁。碳或其他合金元素溶入javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/> 铁形成的固溶体称为铁素体；溶入 javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>铁形成的固溶体称为奥氏体；溶入 javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>铁形成的固溶体称为 javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>固溶体。与溶液相似，固溶体的溶解度也随温度的升降而增减。
   化合物  碳、铁或某些合金元素之间都可以形成化合物。钢铁中最常见的是碳与铁形成的化合物，分子式为Fe3C（含碳8.3％）,称为渗碳体。这种化合物硬度很高，但很脆。
   钢铁在加热或冷却时，其中的一些相会转变为另一些相，即发生相变。在缓慢加热或冷却条件下发生的相变是平衡相变,转变产物是稳定的组织,即平衡组织。快速加热、特别是快速冷却时则会发生不平衡相变，形成不稳定的组织，即不平衡组织。一旦原子有了足够的活动能力而且有足够时间完成某些运动，不平衡组织会重新转变为平衡组织。
   纯铁本身在加热和冷却时会发生液相与javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>铁、javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>铁与javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>铁、javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>铁与javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/> 铁 3种相互转变。钢和铸铁在加热和冷却时会发生更多种的相变。铁碳合金平衡相图[铁碳合金平衡相图]javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>能较全面地反映碳钢和铸铁发生平衡相变的情况。
   铁碳合金平衡相图  图1 [铁碳合金平衡相图]javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>中各条曲线表明含碳量不同的碳钢和铸铁发生各种平衡相变的温度。各曲线之间的区域称为相区。相区中所标符号L、javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>、A、F 和Fe3C，分别代表液相、javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>固溶体、奥氏体、铁素体和渗碳体。这些相区反映不同含碳量的碳钢和铸铁在不同温度下稳定存在的相。如含碳 0.4％的碳钢在810℃位于奥氏体相区,表明此时这种钢中稳定存在的相只是单一的奥氏体(A)。当这种钢由高温缓慢冷却时,大约在770℃开始发生平衡相变，出现铁素体（F）。冷到727℃时发生新的平衡相变，奥氏体全部消失,转变成铁素体和渗碳体(F＋Fe3C)。对这种钢来说，770℃是它的上临界点（用A3或Ajavascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>3代表）。727℃是它的下临界点(用A1或 Ajavascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>1代表)。金属热处理时常用的临界点如表[金属热处理常用的临界点]javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>。
   铁碳合金平衡相图[铁碳合金平衡相图]javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>中有ECF 和PSK两条水平线。在ECF 线所对应的温度(1148℃)下,发生由含碳4.3％的液相转变为含碳 2.11％的奥氏体和渗碳体的特殊相变（共晶反应），形成一种叫做莱氏体的组织（A和 Fe3C的共晶混合物）。在PSK 线对应的温度(727℃)下,发生由含碳0.77％的奥氏体转变为铁素体和渗碳体的特殊相变（共析反应），形成一种叫做珠光体的组织（F 和Fe3C的共析混合物）。铁碳合金平衡相图[铁碳合金平衡相图]javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>只反映碳钢和铸铁的平衡相变和平衡组织，不反映它们的不平衡相变和不平衡组织。
   钢铁中的平衡组织和不平衡组织  常见的有珠光体、贝氏体、马氏体和莱氏体。
   珠光体(javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>)  铁素体和渗碳体两相呈片层状相间排列的组织（图2a[几种典型的金相组织  a片状珠光体(javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>)，]javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>)，" class=image>[600倍白亮基体为铁素体,白色条状物为渗碳体T8钢退火，4％ 硝酸酒精侵蚀]javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>），因在显微镜下显出珠母壳光泽，故名。珠光体有良好的综合力学性能，即强度与塑性有良好的配合。它的强度和硬度随片层间距的减小而增高。片层间距较小，在金相显微镜下已难于分辨片层间距的细珠光体，称为索氏体。片层间距更小，只有在电子显微镜下才能分辨出片层的极细珠光体，称为托氏体。奥氏体转变为索氏体的温度,比转变为珠光体时低,转变为托氏体的温度更低。对碳钢来说，只有含碳量为0.77％的共析钢，其显微组织才是单纯珠光体。含碳量较低的钢，显微组织中除珠光体外还会出现铁素体（图2b[几种典型的金相组织  b珠光体＋铁素体(javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>+javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>),240倍白色块]javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>+javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>),240倍白色块" class=image>[状为铁素体，其余为珠光体 45钢退火，4％硝酸酒精侵蚀]javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>）；含碳量较高的钢在显微组织中除珠光体外还会出现渗碳体。
   贝氏体(javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>)  也是铁素体和渗碳体两相混合组织，以美国人E.C.贝茵命名。贝氏体又分为上贝氏体和下贝氏体。上贝氏体中的渗碳体呈断续片状，分布于铁素体片之间(图2c[几种典型的金相组织 c上贝氏体(javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>上),500]javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>上),500" class=image>[倍羽毛状为上贝氏体,白色基体为马氏体16Mn钢500℃等温，10％盐水淬火,2％硝酸酒精腐蚀]javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>）。下贝氏体中的渗碳体以小片状分布于铁素体片内（图2d[几种典型的金相组织  d下贝氏体(B下),160倍黑色针状为下贝氏体，]javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>[白色基体为马氏体，白色粒状为碳化物T10钢，300℃等温淬火,4％硝酸酒精侵蚀]javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>）。生成上贝氏体的温度比托氏体还低，生成下贝氏体的温度则更低。下贝氏体具有比托氏体更好的综合力学性能。贝氏体属于不平衡组织。
   马氏体（javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>）  由奥氏体（图2e[几种典型的金相组织  e奥氏体(javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>),320倍基体为奥氏体（其上有长方块亲]javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>),320倍基体为奥氏体（其上有长方块亲" class=image>[晶及黑色滑移线）18-8不锈钢淬火，75％盐酸加25％硝酸侵蚀]javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>）转变而成的固溶体，以德国人A.马滕斯命名。其含碳量与奥氏体母体相同。由奥氏体生成马氏体的温度比下贝氏体还低。奥氏体开始转变为马氏体的温度称为上马氏体点,用javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>S代表。马氏体的形态一般为片状或板条状（图2f[几种典型的金相组织f片状马氏体+残余奥氏体(javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>+javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>),400倍黑色片状和针状物为马氏体，白色区]javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>+javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>),400倍黑色片状和针状物为马氏体，白色区" class=image>[域为残余奥氏体  Fe-8Al-2c磁钢淬火，4％硝酸侵蚀]javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>、g[几种典型的金相组织  g板条马氏体(javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>),160倍白色区]javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>),160倍白色区" class=image>[域为残余奥氏体，其余为马氏体15钢盐水淬火,4％硝酸侵蚀]javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>）。它是一种不平衡组织，有很高的强度和硬度，其含碳量越高，硬度越高。片状马氏体性脆，板条马氏体韧性较高。
   莱氏体(javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>)  短棒状珠光体均匀分布在渗碳体基体上的混合组织(图2h[几种典型的金相组织  h莱氏体(javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>)，]javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>)，" class=image>[160倍短棒状为珠光体,白金基体为渗碳体共晶白口铸铁，4％硝酸酒精侵蚀]javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>)以德国人A.莱德堡命名。它是白口铸铁中的常见组织，莱氏体硬度很高，但很脆。在铸铁中，碳还会以独立的石墨片或石墨球出现于显微组织中。
   奥氏体等温转变和连续冷却转变图  钢经加热形成奥氏体后，冷却到相变点以下的不同温度区间内等温保持时，过冷奥氏体发生相变，形成不同的相。如果在不同温度等温保持，记下开始相变和终止相变的时间，在以温度为纵坐标，以时间的对数值为横坐标的图上分别联成曲线，就绘成奥氏体等温转变图。这个图的曲线因钢的成分不同而不同，奥氏体化温度和钢的晶粒度对它也有影响。图3 [含碳0.77％的奥氏体等温转变图]javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>是含碳0.77％的共析钢的奥氏体等温转变图。这个曲线图表明了等温处理时，温度、时间和相变量三者之间的关系。
   实际上，钢铁热处理的冷却过程大多是连续进行的。因而，将加热到奥氏体状态的钢以各种不同速度冷却到室温（或室温以下），在冷却中途记取转变开始和终止（或一定转变量）时的温度和时间，就可得到相应的连续冷却转变图（图4 [含碳0.77％的奥氏体连续冷却转变图]javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>）。利用这个图就可以预测在不同淬冷介质（不同的冷却速度）中冷却时所获得的不同的相组成。
   参考书目
王健安编：《金属学与热处理》,机械工业出版社,北京，1980。
　　　　　　　　　　　　　　　　　侯增寿

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