工程材料学基本概念

奥氏体奥氏体（Austenite）也称为沃斯田铁或ɣ-Fe，是钢铁的一种显微组织，通常是ɣ-Fe中固溶少量碳的无磁性固溶体。奥氏体的名称是来自英国的冶金学家罗伯茨·奥斯汀（WilliamChandlerRoberts-Austen）。γ－Fe为面心立方晶体，其最大空隙为0.51×10－8cm（该空隙的数据可能有误，跟c原子不在同一数量级上），略小于碳原子半径，因而它的溶碳能力比α－Fe大，在1148℃时，γ－Fe最大溶碳量为2.11%，随着温度下降，溶碳能力逐渐减小，在727℃时其溶碳量为0.77%。奥氏体性能特点：奥氏体是一种塑性很好，强度较低的固溶体，具有一定韧性。不具有铁磁性。因此，分辨奥氏体不锈钢刀具(常见的18－8型不锈钢）的方法之一就是用磁铁来看刀具是否具有磁性。古代铁匠打铁时烧红的铁块即处于奥氏体状态。影响奥氏体转变速度的因素：1.加热温度随加热温度的提高,奥氏体化速度加快。2.加热速度加热速度越快，发生转变的温度越高，转变所需的时间越短。3.合金元素钴、镍等加快奥氏体化过程；铬、钼、钒等减慢奥氏体化过程；硅、铝、锰等不影响奥氏体化过程。由于合金元素的扩散速度比碳慢得多，所以合金钢的热处理加热温度一般较高，保温时间更长。4.原始组织原始组织中渗碳体为片状时奥氏体形成速度快，且渗碳体间距越小，转变速度越快，同时奥氏体晶粒中碳浓度梯度也大，所以长大速度更快。影响奥氏体晶粒长大的因素1.加热温度和保温时间随加热温度升高晶粒将逐渐长大。温度愈高，或在一定温度下，保温时间越长，奥氏体晶粒也越粗大。2.钢的成分奥氏体中碳含量增高，晶粒长大倾向增大。钢中加入钛、钒、铌、锆、铝等元素，有利于得到本质细晶粒钢，因为碳化物、氧化物和氮化物弥散分布在晶界上，能阻碍晶粒长大。锰和磷促进晶粒长大。3.合金元素C%的影响：C%高，C在奥氏体中的扩散速度以及Fe的自扩散速度均增加，奥氏体晶粒长大倾向增加，但C%超过一定量时，由于形成Fe3CⅡ，阻碍奥氏体晶粒长大;合金元素影响：强碳化物形成元素Ti、Zr、V、W、Nb等熔点较高，它们弥散分布在奥氏体中阻碍奥氏体晶粒长大；非碳化物形成元素Si、Ni等对奥氏体晶粒长大影响很小。γ-Fe：温度在912℃～1394℃的纯铁，晶格类型是面心立方α－Fe，γ-Fe，δ-Fe都是纯铁，只是晶格类型不同，这种现象称为同素异构。γ-Fe是面心立方晶格,而α-Fe是体心立方晶格,由于面心比体心排列紧密,所以由前者转化为后者时,体积要膨胀.纯铁在室温下是体心立方结构，称为α-Fe。将纯铁加热，当温度到达910℃时，由α-Fe转变为γ-Fe，γ-Fe是面心立方结构。继续升高温度，到达1390℃时，γ-Fe转变为δ-Fe，它的结构与α-Fe一样，是体心立方结构。纯铁随着温度增加，由一种结构转变为另一种结构，这种现象称为相变。面心立方结构除顶角上有原子外，在晶胞立方体六个面的中心处还有6个原子，故称为面心立方。体心立方结构八个原子处于立方体的角上，一个原子处于立方体的中心，角上八个原子与中心原子紧靠。奥氏体不锈钢，是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含Cr约18%、Ni8%~10%、C约0.1%时，具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢包括著名的18Cr-8Ni钢和在此基础上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素发展起来的高Cr-Ni系列钢。奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性和塑性，但强度较低，不可能通过相变使之强化，仅能通过冷加工进行强化，如加入S，Ca，Se，Te等元素，则具有良好的易切削性。铁素体铁素体(ferrite，缩写：FN，用F表示)即碳在α-Fe中的间隙固溶体，具有体心立方晶格。称为铁素体或α固溶体，用α或F表示，α常用在相图标注中，F在行文中常用。亚共析成分的奥氏体通过先共析析出形成铁素体。铁素体物理性质：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。由于α-Fe是体心立方晶格结构，它的晶格间隙很小，因而溶碳能力极差，在727℃时溶碳量最大，可达0.0218%,随着温度的下降溶碳量逐渐减小，在600℃时溶碳量约为0.0057%，在室温时溶碳量约为0.0008%。因此其性能几乎和纯铁相同，其机械性能如下：抗拉强度180—280MN/平方米屈服强度100—170MN/平方米延伸率30--50%断面收缩率70--80%冲击韧性160—200J/平方厘米硬度HB50—80由此可见，铁素体的强度、硬度不高，但具有良好的塑性与韧性。铁素体的显微组织与纯铁相同，呈明亮的多边形晶粒组织，有时由于各晶粒位向不同，受腐蚀程度略有差异，因而稍显明暗不同。铁素体在770℃以下具有铁磁性，在770℃以上则失去铁磁性。（铁素体的居里点为770℃）马氏体马氏体由奥氏体急速冷却（淬火）形成，这种情况下奥氏体中固溶的碳原子没有时间扩散出晶胞。当奥氏体到达马氏体转变温度（Ms）时，马氏体转变开始产生，母相奥氏体组织开始不稳定。在Ms以下某温度保持不变时，少部分的奥氏体组织迅速转变，但不会继续。只有当温度进一步降低，更多的奥氏体才转变为马氏体。最后，温度到达马氏体转变结束温度Mf，马氏体转变结束。马氏体还可以在压力作用下形成，这种方法通常用在硬化陶瓷上（氧化钇、氧化锆）和特殊的钢种（高强度、高延展性的钢）。因此，马氏体转变可以通过热量和压力两种方法进行。马氏体和奥氏体的不同在于，马氏体是体心正方结构，奥氏体是面心立方结构。奥氏体向马氏体转变仅需很少的能量，因为这种转变是无扩散位移型的，仅仅是迅速和微小的原子重排。马氏体的密度低于奥氏体，所以转变后体积会膨胀。相对于转变带来的体积改变，这种变化引起的切应力、拉应力更需要重视。马氏体在Fe-C相图中没有出现，因为它不是一种平衡组织。平衡组织的形成需要很慢的冷却速度和足够时间的扩散，而马氏体是在非常快的冷却速度下形成的。由于化学反应（向平衡态转变）温度高时会加快，马氏体在加热情况下很容易分解。这个过程叫做回火。在某些合金中，加入合金元素会减少这种马氏体分解。比如，加入合金元素钨，形成碳化物强化机体。由于淬火过程难以控制，很多淬火工艺通过淬火后获得过量的马氏体，然后通过回火去减少马氏体含量，直到获得合适的组织，从而达到性能要求。马氏体太多将使钢变脆，马氏体太少会使钢变软。性能众所周知，马氏体是强化钢件的重要手段，而且一般认为，马氏体是一种硬而脆的组织，尤其是高碳片状马氏体。要想提高淬火钢的塑性和韧性，必须用提高回火温度的方法，牺牲部分强度而换取韧性，就是说强度和塑性很难兼得。但是近年来的研究工作表明，这种观点只是适用于片状马氏体，而板条状马氏体不是这样，板条状马氏体不但具有很高的强度而且具有良好的塑性和韧性，同时还具有低的脆性转变温度，其缺口敏感性和过载敏感性都较低。马氏体的硬度和强度钢中马氏体机械性能的显著特点是具有高硬度和高强度。马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳质量分数。马氏体的硬度随质量分数的增加而升高，当含碳质量分数达到0.6%时，淬火钢硬度接近最大值，含碳质量分数进一步增加，虽然马氏体的硬度会有所提高，但由于残余奥氏体数量增加，反而使钢的硬度有所下降。合金元素对钢的硬度关系不大，但可以提高其强度。莱氏体共析点eutectoidpoint:相图内代表共析成分和共析温度的点。共晶反应是指在一定的温度下,一定成分的液体同时结晶出两种一定成分的固相的反应.例如含碳量为2.11%--6.69%的铁碳合金,在1148摄氏度的恒温下发生共晶反应,产物是奥氏体(固态)和渗碳体(固态)的机械混合物,称为莱氏体.在合金相图上,发生这个反应在图上表现为一点,那个点就是共晶点.共析反应就是指在一定的温度下,一定成分的固相同时析出两种一定成分的固相的反应.铁碳合金相图从某种意义上讲，铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。中文名铁碳合金相图作用研究碳钢和铸铁成分等之间关系实际是Fe-Fe3C相图简述也是制定各种热加工工艺的依据铁碳合金编辑铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe3C。铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体，Fe—Fe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。由于α-Fe和γ-Fe晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。1,铁素体铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体,用符号F(或α)表示,体心立方晶格;虽然BCC的间隙总体积较大,但单个间隙体积较小,所以它的溶碳量很小,最多只有0.0218%(727℃时),室温时几乎为0,因此铁素体的性能与纯铁相似,硬度低而塑性高,并有铁磁性.δ=30%~50%,AKU=128~160Jσb=180~280MPa,50~80HBS.铁素体的显微组织与纯铁相同,用4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒,在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布,但当含碳量接近共析成分时,铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围.2,奥氏体奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体,用符号A(或γ)表示,面心立方晶格;虽然FCC的间隙总体积较小,但单个间隙体积较大,所以它的溶碳量较大,最多有2.11%(1148℃时),727℃时为0.77%.在一般情况下,奥氏体是一种高温组织,稳定存在的温度范围为727~1394℃,故奥氏体的硬度低,塑性较高,通常在对钢铁材料进行热变形加工,如锻造,热轧等时,都应将其加热成奥氏体状态,所谓趁热打铁正是这个意思.σb=400MPa,170~220HBS,δ=40%~50%.另外奥氏体还有一个重要的性能,就是它具有顺磁性,可用于要求不受磁场的零件或部件.奥氏体的组织与铁素体相似,但晶界较为平直,且常有孪晶存在.3,渗碳体渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物,用化学分子式Fe3C表示.它的碳质量分数Wc=6.69%,熔点为1227℃,质硬而脆,耐腐蚀.用4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈白色,如果用4%苦味酸溶液浸蚀,渗碳体呈暗黑色.渗碳体是钢中的强化相,根据生成条件不同渗碳体有条状,网状,片状,粒状等形态,它们的大小,数量,分布对铁碳合金性能有很大影响.总结:在铁碳合金中一共有三个相,即铁素体,奥氏体和渗碳体.但奥氏体一般仅存在于高温下,所以室温下所有的铁碳合金中只有两个相,就是铁素体和渗碳体.由于铁素体中的含碳量非常少,所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中.这一点是十分重要的.铁和碳可以形成一系列化合物,如Fe3C,Fe2C,FeC等,有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分,通常称其为Fe-Fe3C相图,此时相图的组元为Fe和Fe3C.由于实际使用的铁碳合金其含碳量多在5%以下,因此成分轴从0~6.69%.所谓的铁碳合金相图实际上就是Fe—Fe3C相图.2相图分析编辑Fe—Fe3C相图看起来比较复杂,但它仍然是由一些基本相图组成的,我们可以将Fe—Fe3C相图分成上下两个部分来分析.共晶转变在1148℃,4.3%C的液相发生共晶转变:Lc(AE+Fe3C),转变的产物称为莱氏体,用符号Ld表示.存在于1148℃~727℃之间的莱氏体称为高温莱氏体,用符号Ld表示,组织由奥氏体和渗碳体组成;存在于727℃以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏体,用符号Ldˊ表示,组织由渗碳体和珠光体组成.低温莱氏体是由珠光体,Fe3CⅡ和共晶Fe3C组成的机械混合物.经4%硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下观察,其中珠光体呈黑色颗粒状或短棒状分布在Fe3C基体上,Fe3CⅡ和共晶Fe3C交织在一起,一般无法分辨.共析转变在727℃,0.77%的奥氏体发生共析转变:AS(F+Fe3C),转变的产物称为珠光体.共析转变与共晶转变的区别是转变物是固体而非液体.特征点相图中应该掌握的特征点有:A,D,E,C,G(A3点),S(A1点),它们的含义一定要搞清楚.根据相图分析如下点：相图中重要的点(14个)：1.