各类金相组织

贝氏体30年代初美国人E．C．Bain等发现低合金钢在中温等温下可获得一种高温转变及低温转变相异的组织后被人们称为贝氏体。该组织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，因此在钢铁材料中基体组织获得贝氏体是人们追求的目标。贝氏体等温淬火：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的淬火工艺，有时也叫等温淬火。一般保温时间为30～60min。贝氏体;贝茵体;bainite又称贝茵体。钢中相形态之一。钢过冷奥氏体的中温(350～550℃)转变产物，α-Fe和Fe3C的复相组织。贝氏体转变温度介于珠光体转变与马氏体转变之间。在贝氏体转变温度偏高区域转变产物叫上贝氏体(upbai-nite)，其外观形貌似羽毛状，也称羽毛状贝氏体。冲击韧性较差，生产上应力求避免。在贝氏体转变温度下端偏低温度区域转变产物叫下贝氏体。其冲击韧性较好。为提高韧性，生产上应通过热处理控制获得下贝氏体。奥氏体奥氏体英文名称：austenite晶体结构：面心立方（fcc）字母代号：A、γ定义：碳在γ－Fe中形成的间隙固溶体性能特点：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。珠光体pearlite珠光体是奥氏体(奥氏体是碳溶解在γ－Fe中的间隙固溶体)发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体。其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物，也称片状珠光体。用符号P表示，含碳量为ωc＝0.77％。在珠光体中铁素体占88%,渗碳体占12%,由于铁素体的数量大大多于渗碳体,所以铁素体层片要比渗碳体厚得多.在球化退火条件下,珠光体中的渗碳休也可呈粒状,这样的珠光体称为粒状珠光体.珠光体珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间,强韧性较好.其抗拉强度为750~900MPa,180~280HBS,伸长率为20~25%,冲击功为24~32J.力学性能介于铁素体与渗碳体之间,强度较高,硬度适中,塑性和韧性较好σb=770MPa,180HBS,δ=20%~35%,AKU=24~32J).珠光体经2-4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在不同放大倍数的显微镜下可以观察到不同特征的珠光体组织.当放大倍数较高时可以清晰地看到珠光体中平行排列分布的宽条铁素体和窄条渗碳体;当放大倍数较低时,珠光体中的渗碳体只能看到一条黑线;而当放大倍数继续降低或珠光体变细时,珠光体的层片状结构就不能分辨了,此时珠光体呈黑色的一团.图为光学显微镜200倍下薄壁铸件基体.经3%硝酸酒精溶液浸蚀.可见磷共晶体,片状石墨,珠光体及少量铁素体索氏体索氏体索氏体的定义及组织特征。索氏体，是在光学金相显微镜下放大600倍以上才能分辨片层的细珠光体(GB/T7232标准)。其实质是一种珠光体，是钢的高温转变产物，是片层的铁素体与渗碳体的双相混合组织，其层片间距较小（30～80nm），碳在铁素体中已无过饱和度，是一种平衡组织。马氏体马氏体(martensite)是黑色金属材料的一种组织名称。最先由德国冶金学家AdolfMartens(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）。中高碳钢中加速冷却通常能够获得这种组织。高的强度和硬度是钢中马氏体的主要特征之一。马氏体就是以人命命名的：对于学材料的人来说，“马氏体”的大名如雷贯耳，那么说到阿道夫·马滕斯又有几个人知道呢？其实马氏体的“马”指的就是他了。在铁碳组织中这样以人名命名的组织还有很多，今天我们就来说说这些名称和它们背后那些材料先贤的故事。马氏体Martensite，如前所述命名自AdolfMartens(1850-1914)。这位被称作马登斯或马滕斯的先生是一位德国的冶金学家。他早年作为一名工程师从事铁路桥梁的建设工作，并接触到了正在兴起的材料检验方法。于是他用自制的显微镜（！）观察铁的金相组织，并在1878年发表了《铁的显微镜研究》，阐述金属断口形态以及其抛光和酸浸后的金相组织。（这个工作我们现在做的好像也蛮多的。）他观察到生铁在冷却和结晶过程中的组织排列很有规则（大概其中就有马氏体），并预言显微镜研究必将成为最有用的分析方法之一（有远见）。他还曾经担任了柏林皇家大学附属机械工艺研究所所长，也就是柏林皇家材料试验所（StaatlicheMaterialprüfungsamt）的前身，他在那里建立了第一流的金相试验室。1895年国际材料试验学会成立，他担任了副主席一职。直到现在，在德国依然有一个声望颇高的奖项以他的名字命名。回火马氏体片装马氏体经低温回火（150-250摄氏度）后，得到回火马氏体。他具有针状特征。低温回火(150-250℃)所得到的组织是回火马氏体,其性能是:具有高的硬度(HRC58-64)和高的耐磨性,因内应力有所降低,故韧性有所提高.这种回火方法主要用于刃具,量具,拉丝模以及其它要求硬而耐磨的零件.钢淬火后的组织是马氏体及少量残余奥氏体,它们都是不稳定的组织,都有向稳定的组织(铁素体和渗碳体两相混合物)转变的倾向.但在室温下,原子活动能力很差,这种转变速度极慢.随着回火温度的升高,原子活动能力加强,组织转变便以较快的速度进行.由于组织的变化,钢的性能也发生相应的变化.按回火温度的不同,回火时淬火钢的组织转变可分为四个阶段.1.80-200℃马氏体分解,当钢加热到约80℃时,其内部原子活动能力有所增加,马氏体中的过饱和碳开始逐步以碳化物的形式析出,马氏体中碳的过饱和程度不断降低,同时,晶格畸变程度也减弱,内应力有所降低.这种出过饱和程度较低的马氏体和极细的碳化物所组成的组织,称为回火马氏体.2.200-300℃残余奥氏体分解,当钢加热温度超过200℃时,马氏体继续分解,同时,残余奥氏体也开始分解,转变为下贝氏体或回火马氏体,到300℃时,残余奥氏体的分解基本结束.3.300-400℃渗碳体的形成,钢在回火的这一阶段,从过饱和固溶体中析出的碳化物转变为颗粒状的渗碳体(Fe3C).当温度达到400℃时,α固溶体中过饱和的碳已基本完全析出,α-Fe晶格恢复正常,由过饱和固溶体转变为铁素体.钢的内应力基本清除.4.400℃以上渗碳体的聚集长大,在第三阶段结束时,钢内形成了细粒状渗碳体均匀分布在铁素体基体上的两相混合物,随着回火温度的升高,渗碳体颗粒不断聚集而长大.根据混合物中渗碳体颗粒大小,可将回火组织分为二种:400-500℃内形成的组织,渗碳体颗粒很细小,称为回火屈氏体.温度升高到500-600℃时,得到细小的粒状渗碳体和铁素体的机械混合物,称为回火索氏体.屈氏体英文名称：troostite通过奥氏体等温转变所得到的由铁素体与渗碳体组成的极弥散的混合物。是一种最细的珠光体类型组织，其组织比索氏体组织还细。钢经淬火后在300~450℃回火所得到的屈氏体称为回火屈氏体。铁素体铁素体(ferrite，缩写：FN)即α-Fe和以它为基础的固溶体，具有体心立方点阵。亚共析成分的奥氏体通过先共析析出形成铁素体。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。纯铁在912℃以下为具有体心立方晶格（注1）的α-Fe。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％，在室温时溶碳量几乎等于零。因此其性能几乎和纯铁相同，其数值如下：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。注1：体心立方晶格的晶胞是一个立方体，在体心立方晶胞的每个角上和晶胞中心都排列一个原子。可见，体心立方晶胞每个角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，每个晶胞实际上只占有1/8个原子。而中心的原子却为该晶胞所独有。所以，体心立方晶胞中原子数为8*1/8+1=2个。碳原子存在于四面、八面体间隙。渗碳体cementite分子式：Fe3C铁和碳形成的化合物。钢中的碳化铁（Fe3C）相。具有正交晶体结构，其晶格为复杂的正交晶格，硬度很高HBW＝800，塑性、韧性几乎为零，脆性很大，延伸率接近于零。渗碳体的含碳量为ωc＝6.69％，熔点1227℃。热力学稳定性不高，在一定条件下，会发生分解，形成石墨。在230℃以下，具有一定的磁性。渗碳体内经常固溶有其他元素。在碳钢中，一部分铁为锰所置换；在合金钢中铁为铬、钨、钼等元素所置换，形成合金渗碳体。在铁碳合金中有不同形态的渗碳体，渗碳体在钢和铸铁中一般呈片状、球状或网状。其数量、形态与分布对铁碳合金的性能有直接影响，可作为铁碳合金的重要强化相。固溶体所谓固溶体是指溶质原子溶入金属溶剂的晶格中所组成的合金相。两组元在液态下互溶，固态也相互溶解，且形成均匀一致的物质。形成固溶体时，含量大者为溶剂，含量少者为溶质；溶剂的晶格即为固溶体的晶格。●固溶体的分类按溶质原子在晶格中的位置不同可分为置换固溶体和间隙固溶体。1、置换固溶体溶质原子占据溶剂晶格中的结点位置而形成的固溶体称置换固溶体。当溶剂和溶质原子直径相差不大，一般在15％以内时，易于形成置换固溶体。铜镍二元合金即形成置换固溶体，镍原子可在铜晶格的任意位置替代铜原子。2、间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称间隙固溶体。间隙固溶体的溶剂是直径较大的过渡族金属，而溶质是直径很小的碳、氢等非金属元素。其形成条件是溶质原子与溶剂原子直径之比必须小于0.59。如铁碳合金中，铁和碳所形成的固溶体――铁素体和奥氏体，皆为间隙固溶体。另外，按溶质元素在固溶体中的溶解度，可分为有限固溶体和无限固溶体。但只有置换固溶体有可能成为无限固溶体。●固溶体的性能当溶质元素含量很少时，固溶体性能与溶剂金属性能基本相同。但随溶质元素含量的增多，会使金属的强度和硬度升高，而塑性和韧性有所下降，这种现象称为固溶强化。置换固溶体和间隙固溶体都会产生固溶强化现象。适当控制溶质含量，可明显提高强度和硬度，同时仍能保证足够高的塑性和韧性，所以说固溶体一般具有较好的综合力学性能。因此要求有综合力学性能的结构材料，几乎都以固溶体作为基本相。这就是固溶强化成为一种重要强化方法，在工业生产中得以广泛应用的原因。