金相組織識別——鐵碳相圖

1、金相組織識別鐵碳相圖 Fe和C能夠形成Fe3C, Fe2C 和FeC等多種穩(wěn)定化合物。所以，F(xiàn)e-C相圖可以劃分成Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四個部分。由于化合物是硬脆相化合物是硬脆相，后面三部分相圖實際上沒有應(yīng)用價值（工業(yè)上使用的鐵碳合金含碳量不超過5），因此，通常所說的鐵碳相圖就鐵碳相圖就是是Fe-FeFe-Fe3 3C C部分部分。 化合物Fe3C稱為滲碳體滲碳體(Cementite)，是一種亞穩(wěn)定的化合物，在一定條件下可以分解為Fe和C，C原子聚集到一起就是石墨。因此，鐵碳相圖常表示為Fe-Fe3C和Fe-石墨雙重相圖。Fe-Fe3C相圖主要用于

2、鋼，而Fe-石墨相圖則主要用于鑄鐵的研究和生產(chǎn)。這里主要分析討論Fe-Fe3C相圖，F(xiàn)e-石墨相圖與此類似，只是右側(cè)的單相是石墨而不是Fe3C。金相組織識別鐵碳相圖鐵碳相圖純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變?nèi)缦拢?共析成分的Fe-C合金升溫轉(zhuǎn)變成奧氏體之后,在不同冷卻條件下奧氏體所發(fā)生的相變。主要有三種不同的相變過程：珠光珠光體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變、馬氏體轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變、馬氏體轉(zhuǎn)變變。 金相組織識別鐵碳相圖單相區(qū)單相區(qū)5個 液相區(qū)(L)ABCD以上區(qū)域 固溶體區(qū)AHNA 奧氏體區(qū)()NJESGN 鐵素體區(qū)()GPQ以左 滲碳體區(qū)(Fe3C)DFK直線 兩相區(qū)兩相區(qū)7個 L+AHJBAL+BJECBL+ Fe

3、3CDCFD+HNJH+GPSG+ Fe3CESKFCE+ Fe3CPQLKSP三相區(qū)三相區(qū)3個包晶線水平線HJB(L+)共晶線水平線ECF(L+Fe3C)共析線水平線PSK(+ Fe3C)金相組織識別鐵碳合金的基本相 碳溶解于Fe和Fe中形成的固溶體稱為鐵素體鐵素體(Ferrite)，用、或F表示, 由于Fe是高溫相，因此也稱為高溫鐵素體。鐵素體的含碳量非常低（727時， Fe最大溶碳量僅為0.0218，室溫下含碳僅為0.005%），所以其性能與純鐵相似：硬度(HB5080)低，塑性(延伸率為30%50%)高。鐵素體的顯微組織與工業(yè)純鐵相似。鐵素體鐵素體 Ferrite鐵素體金相組織識別鐵碳

4、合金的基本相 碳溶解于Fe中形成的固溶體稱為奧奧氏體氏體(Austenite)，用或A表示。具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的奧氏體可以溶解較多的碳，碳原子存在于面心立方晶格中正八面體的中心， 1148時最多可以溶解2.11%的碳，到727時含碳量降到0.77%。奧氏體的硬度(HB170220)較低，塑性(延伸率為40%50%)高。奧氏體奧氏體 Austenite奧氏體的顯微組織及晶胞示意圖金相組織識別鐵碳合金的基本相 滲碳體是鐵和碳形成的金屬化合物，含碳量為6.67%（有些書上為6.69%），具有復(fù)雜的斜方晶體結(jié)構(gòu)，熔點為1227。滲碳體硬度極高（HB800），塑性幾乎等于0，是硬脆相。在鋼中，滲碳體以

5、不同形態(tài)和大小的晶體出現(xiàn)在組織中，對鋼的力學(xué)性能影響很大。 在一定條件下（如高溫長期停留或緩慢冷卻），滲碳體可以分解而形成石墨狀的自由碳：Fe3C3Fe + C(石墨)。這一過程對于鑄鐵和石墨鋼具有重要意義。 滲碳體滲碳體 Fe3C滲碳體的晶胞示意圖金相組織識別珠光體在727時，奧氏體（0.77%C） 鐵素體(0.02%C)+滲碳體Fe3C(6.67%C)奧氏體過冷過冷到727以下在奧氏體晶界首先形成Fe3C晶核。Fe3C是高碳相必須依靠周圍的奧氏體不斷的供碳使它長大。隨Fe3C核的橫向長大在它兩側(cè)的奧氏體形成貧碳區(qū)。為鐵素體的形成創(chuàng)造了條件，在側(cè)面的貧碳區(qū)就形成鐵素體晶核。 貧碳區(qū)形成鐵素體

6、的晶核長大。因鐵素體是貧碳相隨著它的長大必有一部分碳排出使相鄰的奧氏體中富碳，又為Fe3C形核創(chuàng)造了條件。就在富碳區(qū)形成Fe3C核。如此反復(fù)形成層片狀分布的組織。且鐵素體與Fe3C同時向縱深長大形成珠光體組織。層片狀分布大致分別相同的區(qū)域稱為珠光體團珠光體團。顯然這是典型的擴散型相變。 珠光體727金相組織識別貝氏體 如果將共析鋼過冷到550230之間并沒有產(chǎn)生片間距更細的珠光體，而是產(chǎn)生了另一種新組織稱為貝氏體貝氏體(Bainite）。它也是由鐵素體加碳化物組成，但碳化物是非層片狀分布的。這是因為珠光體轉(zhuǎn)變是受碳在奧氏體中的擴散控制，同時鐵原子也要發(fā)生擴散。如果過冷度很大，轉(zhuǎn)變的溫度達到相當(dāng)

7、的低，使鐵原子無法發(fā)生擴散，同時碳的擴散也受到影響，顯然不可能發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變了，就會使轉(zhuǎn)變的規(guī)律發(fā)生變化，產(chǎn)生貝氏體組織。 由于形成的溫度不同使貝氏體的形貌有所不同，又將貝氏體分成上貝氏體上貝氏體(Upper Bainite)與下貝氏體下貝氏體(Lower Bainite)。其形貌如圖8、9所示。金相組織識別貝氏體 上貝氏體在500350形成，從圖中可見在光學(xué)顯微鏡下呈羽毛狀，電鏡照片表明，它是由平行分布的鐵素體片和分布在片間的斷續(xù)而細小的滲碳體片共同組成。 上貝氏體金相組織識別貝氏體 下貝氏體在350230形成，從圖11可見在光學(xué)顯微鏡呈黑色針狀，針的基體是鐵素體，內(nèi)部分布著細小的碳化物。

8、下貝氏體金相組織識別貝氏體 根據(jù)實驗的結(jié)果，貝氏體相變有如下的規(guī)律規(guī)律： 貝氏體轉(zhuǎn)變也是形核與長大的過程。因相變是由一種成分的奧氏體分解出鐵素體及碳化物兩相組織，轉(zhuǎn)變必有碳的擴散，但鐵原子與合金元素不發(fā)生擴散。且在許多的鋼種中存在轉(zhuǎn)變的不完全性。 由于形成溫度較低，碳原子擴散困難使得貝氏體中的碳化物的尺寸比珠光體中的碳化物細小，鐵素體中碳的過飽和度增加。 貝氏體的組織形態(tài)主要決定于形成溫度，還與奧氏體中的含碳量有關(guān)。為了得到下貝氏體,奧氏體中的含碳量需達到中碳以上。貝氏體轉(zhuǎn)變的基本規(guī)律貝氏體轉(zhuǎn)變的基本規(guī)律金相組織識別馬氏體 當(dāng)高溫的奧氏體獲得極大的過冷（對共析鋼要過冷到230以下）造成碳無法擴

9、散，碳化物無法從奧氏體中析出，就形成一種非平衡的新組織。試驗表明，雖然碳無法從奧氏體中擴散出來，但是奧氏體仍然從原來Fe的FCC結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成Fe的BCC結(jié)構(gòu)。因為沒有碳化物的析出，所以碳就過飽和的溶解在BCC結(jié)構(gòu)中將晶格拉長變成了BCT結(jié)構(gòu)。鋼中形成的這種碳在Fe中過飽和的固溶體就被稱為馬氏體馬氏體（Martensite）。有兩種典型的組織：板條馬氏體與片狀馬氏體。金相組織識別馬氏體 板條狀馬氏體 板條狀馬氏體光學(xué)顯微鏡下的特征是：束狀組織，每一束內(nèi)有條，條與條間以小角度晶界分開，而束與束間有較大的夾角。 金相組織識別馬氏體 片層狀馬氏體 片層狀馬氏體光學(xué)顯微鏡下的特征是：細針狀或竹葉狀，片與片

10、之間以一定的夾角相交。一個重要的規(guī)律是：奧氏體的晶粒越粗大，馬氏體的片也越粗大。金相組織識別馬氏體 對馬氏體的轉(zhuǎn)變機理目前尚不完全清楚。但根據(jù)大量的試驗結(jié)果可歸納出以下的轉(zhuǎn)變特征(相對于擴散性相變具有的一些特點)：因為轉(zhuǎn)變溫度很低，相變驅(qū)動力大，使鐵原子發(fā)生遷移，奧氏體由原來的FCC結(jié)構(gòu)變成BCC結(jié)構(gòu)。Fe原子的移動時是以馬氏體與母相的界面為固定的平面，每一個原子均相對于相鄰的原子以相同的矢量移動，且移動的距離不超過原子間距，移動后仍然保持原有的近鄰關(guān)系。這種方式為切變切變。 因轉(zhuǎn)變的溫度很低，碳及合金元素均無法擴散，造成原奧氏體中的化學(xué)成分與馬氏體中的化學(xué)成分完全一致，這一特征稱為無擴散性無

11、擴散性。 馬氏體的形成的速度極快。只要有過冷度到馬氏體開始轉(zhuǎn)變的溫度（Ms點）會立即以高速形成相當(dāng)數(shù)量的馬氏體，在一般的鋼中如果在Ms點以下的某一溫度延長時間，馬氏體的數(shù)量不會增加。只有不斷的降溫，馬氏體的數(shù)量才可以不斷的增加。一旦到了馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度（Mf點）再降溫馬氏體的數(shù)量也不再增加。這種特征稱為變溫形成瞬時長大。 根據(jù)變溫形成瞬時長大特征可知，即使到了Mf點（一般在室溫以下）也會有一部分奧氏體不發(fā)生轉(zhuǎn)變，而保留下來，稱為殘余奧氏體。此特征稱為轉(zhuǎn)變不完全性。金相組織識別典型鋼鐵組織 鐵素體鐵素體成分：C 0.03%, Si 0.33%, Mn 0.22%, P 0.014%, S 0.

12、012%熱處理：950退火金相組織識別典型鋼鐵組織 珠光體珠光體+ +鐵素體鐵素體成分：C 0.44%, Si 0.19%, Mn 0.73%, P 0.022%, S 0.011%熱處理：930退火金相組織識別典型鋼鐵組織 珠光體珠光體+ +網(wǎng)狀滲碳體網(wǎng)狀滲碳體成分：C 1.13%, Si 0.17%, Mn 0.45%, P 0.022%, S 0.009%熱處理：900退火 退火或者正火時，由于加熱溫度過高或者冷卻過分緩慢會造成先共析相沿奧氏體晶界析出。亞共析鋼中的先共析鐵素體或過共析鋼中的二次滲碳體析出后形成網(wǎng)狀組織。此乃網(wǎng)狀滲碳體的形成原因 .知道了形成原因就不難解決問題了。即熱處理

13、時溫度不能升的太高，冷卻速度不能過于緩慢。 在進行淬火時，亞共析鋼中的網(wǎng)狀組織會自行消除，而過共析鋼中的網(wǎng)狀組織則不能，必須進行一次正火處理，即把過共析鋼的溫度加熱到Accm溫度以上30-50度，網(wǎng)狀組織也就是二次滲碳體會自動溶入奧氏體當(dāng)中。金相組織識別典型鋼鐵組織 球狀滲碳體球狀滲碳體成分：C 1.13 %, Si 0.17%, Mn 0.45%, P 0.022%, S 0.009%熱處理：780退火1小時后徐冷金相組織識別典型鋼鐵組織 屈氏體屈氏體成分：C 0.81%, Si 0.25%, Mn 0.36%, P 0.014%, S 0.009%熱處理：850水淬后，350回火 金相組織

14、識別典型鋼鐵組織 索氏體索氏體成分：C 0.81%, Si 0.18%, Mn 0.33%, P 0.022%, S 0.014%熱處理：820水淬；580回火 金相組織識別典型鋼鐵組織 殘留奧氏體殘留奧氏體成分：C 1.13%, Si 0.17%, Mn 0.45%, P 0.022%, S 0.009%熱處理：1030油冷 金相組織識別典型鋼鐵組織 馬氏體球狀滲碳體馬氏體球狀滲碳體成分：C 1.13 %, Si 0.17%, Mn 0.45%, P 0.022%, S 0.009%熱處理：球化珠光體組織加熱到800水冷，100回火金相組織識別典型鋼鐵組織 屈氏體馬氏體屈氏體馬氏體成分：C 0.41%, Si 0.25%,