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      鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、貝氏體、魏氏組織、馬氏體、萊氏體......一文識盡!

      現代材料可以分為四大類——金屬、高分子、陶瓷和復合材料。盡管目前高分子材料飛速發展,但金屬材料中的鋼鐵仍是目前工程技術中使用最廣泛、最重要的材料,那么到底是什么因素決定了鋼鐵材料的霸主地位呢?下面就詳細介紹8種常見金相組織的特點。

      鋼鐵由鐵礦石冶煉而成,來源豐富,價格低廉。鋼鐵又稱為鐵碳合金,是鐵(Fe)與碳(C)、硅(Si)、錳(Mn)、磷(P)、硫(S)以及其他少量元素(Cr、V等)所組成的合金。通過調節鋼鐵中各種元素的含量和熱處理工藝(主要的四把火:淬火、退火、回火、正火),可以獲得各種各樣的金相組織,從而使鋼鐵具有不同的物理性能。


      將鋼材取樣,經過打磨、拋光,最后用特定的腐蝕劑腐蝕顯示后,在金相顯微鏡下觀察到的組織稱為鋼鐵的金相組織。鋼鐵材料的秘密便隱藏在這些組織結構中。


      在Fe-Fe3C系中,可配制多種成分不同的鐵碳合金,他們在不同溫度下的平衡組織各不相同,但由幾個基本相(鐵素體F、奧氏體A和滲碳體Fe3C)組成。這些基本相以機械混合物的形式結合,形成了鋼鐵中豐富多彩的金相組織結構。


      常見的金相組織有下列八種:

      1、鐵素體

      碳溶于α-Fe晶格間隙中形成的間隙固溶體稱為鐵素體, 屬bcc結構,呈等軸多邊形晶粒分布,用符號F表示。其組織和性能與純鐵相似,具有良好的塑性和韌性,而強度與硬度較低(30-100 HB)。


      在合金鋼中,則是碳和合金元素在α-Fe中的固溶體。碳在α-Fe中的溶解量很低,在AC1溫度,碳的最大溶解量為0.0218%,但隨溫度下降的溶解度則降至0.0084%,因而在緩冷條件下鐵素體晶界處會出現三次滲碳體。隨鋼鐵中碳含量增加,鐵素體量相對減少,珠光體量增加,此時鐵素體則是網絡狀和月牙狀。


      2、奧氏體

      碳溶于γ-Fe晶格間隙中形成的間隙固溶體稱為奧氏體,具有面心立方結構,為高溫相,用符號A表示。


      奧氏體在1148℃有最大溶解度2.11%C,727℃時可固溶0.77%C;強度和硬度比鐵素體高,塑性和韌性良好,并且無磁性,具體力學性能與含碳量和晶粒大小有關,一般為170~220 HBS。


      TRIP鋼(變塑鋼)即是基于奧氏體塑性、柔韌性良好的基礎開發的鋼材,利用殘余奧氏體的應變誘發相變及相變誘發塑性提高了鋼板的塑性,并改善了鋼板的成形性能。碳素或合金結構鋼中的奧氏體在冷卻過程中轉變為其他相,只有在高碳鋼和滲碳鋼滲碳高溫淬火后,奧氏體才能殘留在馬氏體的間隙中存在,其金相組織由于不易受侵蝕而呈白色。




      3、滲碳體

      滲碳體是碳和鐵以一定比例化合成的金屬化合物,用分子式Fe3C表示,其含碳量為6.69%,在合金中形成(Fe,M)3C。滲碳體硬而脆,塑性和沖擊韌度幾乎為零,脆性很大,硬度為800HB。在鋼鐵中常呈網絡狀、半網狀、片狀、針片狀和粒狀分布。


      4、珠光體

      由鐵素體和滲碳體組成的機械混合物稱為珠光體,用符號P表示。其力學性能介于鐵素體和滲碳體之間,強度較高,硬度適中,有一定的塑性。


      珠光體是鋼的共析轉變產物,其形態是鐵素體和滲碳體彼此相間形如指紋,呈層狀排列。按碳化物分布形態又可分為片狀珠光體和球狀珠光體二種。


      (1)片狀珠光體:又可分為粗片狀、中片狀和細片狀三種。


      (2)球狀珠光體:經球化退火獲得,滲碳體成球粒狀分布在鐵素體基體上;滲碳體球粒大小,取決于球化退火工藝,特別是冷卻速度。球狀珠光體可分為粗球狀、球狀、細球狀和點狀四種珠光體。



      5、貝氏體

      是鋼的奧氏體在珠光體轉變區以下,Ms點以上的中溫區轉變的產物。貝氏體是鐵素體和滲碳體的機械混合物,介于珠光體與馬氏體之間的一種組織,用符號B表示。


      根據形成溫度不同,分為粒狀貝氏體、上貝氏體(B上)和下貝氏體(B下)。


      粒狀貝氏體強度較低,但具有較好的韌性;下貝氏體既具有較高的強度,又具有良好的韌性;粒狀貝氏體的韌性最差。貝氏體形態多變,從形狀特征來看,可將貝氏體分為羽毛狀、針狀和粒狀三類。

      (1)上貝氏體:上貝氏體特征是:條狀鐵素體大體平行排列,其間分布有與鐵素體針軸平行的細條狀(或細短桿狀)滲碳體,呈羽毛狀。


      (2)下貝氏體:呈細針片狀,有一定取向,較淬火馬氏體易受侵蝕,極似回火馬氏體,在光鏡下極難區別,在電鏡下極易區分;在針狀鐵素體內沉淀有碳化物,且其排列取向與鐵素體片的長軸成55~60度角,下貝氏體內不含孿晶,有較多的位錯。


      (3)粒狀貝氏體:外形相當于多邊形的鐵素體,內有許多不規則小島狀的組織。當鋼的奧氏體冷至稍高于上貝氏體形成溫度時,析出鐵素體有一部分碳原子從鐵素體并通過鐵素體/奧氏體相界遷移到奧氏體內,使奧氏體不均勻富碳,從而使奧氏體向鐵素體的轉變被抑制。這些奧氏體區域一般型如孤島,呈粒狀或長條狀,分布在鐵素體基體上,在連續冷卻過程中,根據奧氏體的成分及冷卻條件,粒貝內的奧氏體可以發生如下幾種變化。


      1)全部或部分分解為鐵素體和碳化物。在電鏡下可見到彌散多向分布的粒狀、桿狀或小塊狀碳化物;
      2)部分轉變為馬氏體,在光鏡下呈綜黃色;
      3)仍保持富碳奧氏體。


      粒狀貝氏體中的鐵素體基體上布有顆粒狀碳化物(小島組織原為富碳奧氏體,冷卻時分解為鐵素體及碳化物,或轉變為馬氏體或仍為富碳奧氏體顆粒)。羽毛狀貝氏體,基體為鐵素體,條狀碳化物于鐵素體片邊緣析出。下貝氏體,針狀鐵素體上布有小片狀碳化物,片狀碳化物于鐵素體的長軸大致是55~60度角。


      6、魏氏組織

      它是一種過熱組織,由彼此交叉約60度角的鐵素體針片嵌入鋼鐵的基體而成。粗大的魏氏組織使鋼材的塑性、韌性下降,脆性增加。亞共析鋼加熱時因過熱而形成粗晶,冷卻時又快速析出,故鐵素體除沿奧氏體晶界成網狀析出外,還有一部分鐵素體從晶界向晶內按切變機制形成并排成針狀獨自析出,這種分布形態的組織稱為魏氏組織。過熱過共析鋼冷卻時滲碳體也會形成針狀自晶界向晶內延伸而形成魏氏組織。


      7、馬氏體

      碳在α-Fe中的過飽和固溶體稱為馬氏體。馬氏體有很高的強度和硬度,但塑性很差,幾乎為零,用符號M表示,不能承受沖擊載荷。馬氏體是過冷奧氏體快速冷卻,在Ms與Mf點之間的切變方式發生轉變的產物。


      這時碳(和合金元素)來不及擴散只是由γ-Fe的晶格(面心)轉變為α-Fe的晶格(體心),即碳在γ-Fe中的固溶體(奧氏體)轉變為碳在α-Fe中的固溶體,故馬氏體轉變是“無擴散”的根據馬氏體金相形態特征,可分為板條狀馬氏體(低碳)和針狀馬氏體。


      (1)板條狀馬氏體:又稱低碳馬氏體。尺寸大致相同的細馬氏體條定向平行排列,組成馬氏體束或馬氏體領域;在領域與領域之間位向差大,一顆原始奧氏體晶粒內可以形成幾個不同取向的領域。


      由于板條狀馬氏體形成的溫度較高,在冷卻過程中,必然發生自回火現象,在形成的馬氏體內部析出碳化物,故它易受侵蝕發暗。

      (2)針狀馬氏體:又稱片狀馬氏體或高碳馬氏體,它的基本特征是:在一個奧氏體晶粒內形成的第一片馬氏體片較粗大,往往貫穿整個晶粒,將奧氏體晶粒加以分割,使以后形成的馬氏體大小受到限制,因此片狀馬氏體的大小不一,分布無規則。


      針狀馬氏體按一定方位形成。在馬氏體針葉中有一中脊面,碳量越高,越明顯,且馬氏體也越尖,同時在馬氏體間伴有白色殘留奧氏體。


      (3)淬火后形成的馬氏體經過回火還可以形成三種特殊的金相組織:

      1)回火馬氏體:指淬火時形成的片狀馬氏體(晶體結構為體心四方)于回火第一階段發生分解—其中的碳以過渡碳化物的形式脫溶—所形成的、在固溶體基體(晶體結構已變為體心立方)內彌散分布著極其細小的過渡碳化物薄片(與基體的界面是共格界面)的復相組織;


      這種組織在金相(光學)顯微鏡下即使放大到最大倍率也分辨不出其內部構造,只看到其整體是黑針(黑針的外形與淬火時形成的片狀馬氏體(亦稱“α馬氏體”)的白針基本相同),這種黑針稱為“回火馬氏體”。


      2)回火屈氏體:淬火馬氏體經中溫回火的產物,其特征是:馬氏體針狀形態將逐步消失,但仍隱約可見(含鉻合金鋼,其合金鐵素體的再結晶溫度較高,故仍保持著針狀形態),析出的碳化物細小,在光鏡下難以分辨清楚,只有電鏡下才可見到碳化物顆粒,極易受侵蝕而使組織變黑。


      如果回火溫度偏上限或保留時間稍長,則使針葉呈白色;此時碳化物偏聚于針葉邊緣,這時鋼的硬度稍低,且強度下降。


      3)回火索氏體:淬火馬氏體經高溫回火后的產物。其特征是:索氏體基體上布有細小顆粒狀碳化物,在光鏡下能分辨清楚。這種組織又稱調質組織,它具有良好的強度和韌性的配合。鐵素體上的細顆粒狀碳化物越是細小,則其硬度和強度稍高,韌性則稍差些;反之,硬度及強度較低,而韌性則高些。


      8、萊氏體

      鐵碳合金中的共晶混合物,即碳的質量分數(含碳量)為4.3%的液態鐵碳合金,在1480℃時,同時從液體中結晶出奧氏體和滲碳體的機械混合物稱為萊氏體,用符號Ld表示。


      由于奧氏體在727℃時轉變為珠光體,故在室溫時萊氏體由珠光體和滲碳體組成。為區別起見將727℃以上的萊氏體稱為高溫萊氏體(Ld),727℃以下的萊氏體稱為低溫萊氏體(L'd)。萊氏體的性能與滲碳體相似,硬度很高塑性差。

      (來源:材料人)



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