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1、金相组织识别铁碳相图 Fe和C能够形成Fe3C, Fe2C 和FeC等多种稳定化合 物。所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。由于化合物是硬脆相，后 面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳 合金含碳量不超过5），因此，通常所说的铁碳相图就 是Fe-Fe3C部分。 化合物Fe3C称为渗碳体(Cementite)，是一种 亚稳定的化合物，在一定条件下可以分解为Fe和C，C原 子聚集到一起就是石墨。因此，铁碳相图常表示为Fe- Fe3C和Fe-石墨双重相图。Fe-Fe3C相图主要用于钢，而 Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研
2、究和生产。这里主要分 析讨论Fe-Fe3C相图，Fe-石墨相图与此类似，只是右侧 的单相是石墨而不是Fe3C。 金相组织识别铁碳相图 铁碳相图 纯铁的同素异晶转变如下： 共析成分的Fe-C合金升温 转变成奥氏体之后,在不同冷却 条件下奥氏体所发生的相变。主 要有三种不同的相变过程：珠光 体转变、贝氏体转变、马氏体转 变。 金相组织识别铁碳相图 单相区5个 液相区(L)ABCD以上区域 固溶体区AHNA 奥氏体区()NJESGN 铁素体区()GPQ以左 渗碳体区(Fe3C)DFK直线 两相区7个 L+AHJBA L+BJECB L+ Fe3CDCFD +HNJH +GPSG + Fe3CESKF
3、CE + Fe3CPQLKSP 三相区3个 包晶线水平线HJB(L+) 共晶线水平线ECF(L+Fe3C) 共析线水平线PSK(+ Fe3C) 金相组织识别铁碳合金的基本相 碳溶解于Fe和Fe中形成的固溶 体称为铁素体(Ferrite)，用、或F表示, 由 于Fe是高温相，因此也称为高温铁素体 。铁素体的含碳量非常低（727时， Fe最大溶碳量仅为0.0218，室温下含碳仅 为0.005%），所以其性能与纯铁相似：硬 度(HB5080)低，塑性(延伸率为 30%50%)高。铁素体的显微组织与工业 纯铁相似。 铁素体 Ferrite 铁素体 金相组织识别铁碳合金的基本相 碳溶解于Fe中形成的固溶
4、体称为奥 氏体(Austenite)，用或A表示。具有面心立 方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳，碳 原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心 ， 1148时最多可以溶解2.11%的碳，到 727时含碳量降到0.77%。奥氏体的硬度 (HB170220)较低，塑性(延伸率为 40%50%)高。 奥氏体 Austenite 奥氏体的显微组 织及晶胞示意图 金相组织识别铁碳合金的基本相 渗碳体是铁和碳形成的金属化合物， 含碳量为6.67%（有些书上为6.69%），具 有复杂的斜方晶体结构，熔点为1227。 渗碳体硬度极高（HB800），塑性几乎等于 0，是硬脆相。在钢中，渗碳体以不同形态 和大小的晶
5、体出现在组织中，对钢的力学性 能影响很大。 在一定条件下（如高温长期停留或缓慢 冷却），渗碳体可以分解而形成石墨状的自 由碳：Fe3C3Fe + C(石墨)。这一过程对 于铸铁和石墨钢具有重要意义。 渗碳体 Fe3C 渗碳体的晶胞示意图 金相组织识别珠光体 在727时， 奥氏体（0.77%C） 铁素体(0.02%C)+渗碳体Fe3C(6.67%C) 奥氏体过冷到727以下在奥氏体晶界首先 形成Fe3C晶核。Fe3C是高碳相必须依靠周围 的奥氏体不断的供碳使它长大。随Fe3C核的 横向长大在它两侧的奥氏体形成贫碳区。为 铁素体的形成创造了条件，在侧面的贫碳区 就形成铁素体晶核。 贫碳区形成铁素体
6、的晶核长大。因铁素体 是贫碳相随着它的长大必有一部分碳排出使 相邻的奥氏体中富碳，又为Fe3C形核创造了 条件。就在富碳区形成Fe3C核。如此反复形 成层片状分布的组织。且铁素体与Fe3C同时 向纵深长大形成珠光体组织。层片状分布大 致分别相同的区域称为珠光体团。显然这是 典型的扩散型相变。 珠光体 727 金相组织识别贝氏体 如果将共析钢过冷到550230之间并没有产生片 间距更细的珠光体，而是产生了另一种新组织称为贝氏体 (Bainite）。它也是由铁素体加碳化物组成，但碳化物是 非层片状分布的。这是因为珠光体转变是受碳在奥氏体中 的扩散控制，同时铁原子也要发生扩散。如果过冷度很大 ，转变
7、的温度达到相当的低，使铁原子无法发生扩散，同 时碳的扩散也受到影响，显然不可能发生珠光体转变了， 就会使转变的规律发生变化，产生贝氏体组织。 由于形成的温度不同使贝氏体的形貌有所不同，又 将贝氏体分成上贝氏体(Upper Bainite)与下贝氏体(Lower Bainite)。其形貌如图8、9所示。 金相组织识别贝氏体 上贝氏体在500350形成，从图中可见在光学显微镜下呈羽 毛状，电镜照片表明，它是由平行分布的铁素体片和分布在片间的断 续而细小的渗碳体片共同组成。 上贝氏体 金相组织识别贝氏体 下贝氏体在350230形成，从图11可见在光学显微镜呈 黑色针状，针的基体是铁素体，内部分布着细
8、小的碳化物。 下贝氏体 金相组织识别贝氏体 根据实验的结果，贝氏体相变有如下的规律： 贝氏体转变也是形核与长大的过程。因相变是由一 种成分的奥氏体分解出铁素体及碳化物两相组织，转变 必有碳的扩散，但铁原子与合金元素不发生扩散。且在 许多的钢种中存在转变的不完全性。 由于形成温度较低，碳原子扩散困难使得贝氏体中 的碳化物的尺寸比珠光体中的碳化物细小，铁素体中碳 的过饱和度增加。 贝氏体的组织形态主要决定于形成温度，还与奥氏体 中的含碳量有关。为了得到下贝氏体,奥氏体中的含碳量 需达到中碳以上。 贝氏体转变的基本规律 金相组织识别马氏体 当高温的奥氏体获得极大的过冷（对共析钢要过 冷到230以下）
9、造成碳无法扩散，碳化物无法从奥 氏体中析出，就形成一种非平衡的新组织。试验表明 ，虽然碳无法从奥氏体中扩散出来，但是奥氏体仍然 从原来Fe的FCC结构转变成Fe的BCC结构。因 为没有碳化物的析出，所以碳就过饱和的溶解在BCC 结构中将晶格拉长变成了BCT结构。钢中形成的这种 碳在Fe中过饱和的固溶体就被称为马氏体（ Martensite）。有两种典型的组织：板条马氏体与片 状马氏体。 金相组织识别马氏体 板条状马氏体 板条状马氏体光学显微镜下的特征是：束状组织，每一 束内有条，条与条间以小角度晶界分开，而束与束间有较大 的夹角。 金相组织识别马氏体 片层状马氏体 片层状马氏体光学显微镜下的特
10、征是：细针状或竹叶状 ，片与片之间以一定的夹角相交。一个重要的规律是：奥氏 体的晶粒越粗大，马氏体的片也越粗大。 金相组织识别马氏体 对马氏体的转变机理目前尚不完全清楚。但根据大量的试验结果可归纳 出以下的转变特征(相对于扩散性相变具有的一些特点)： 因为转变温度很低，相变驱动力大，使铁原子发生迁移，奥氏体由原来的FCC 结构变成BCC结构。Fe原子的移动时是以马氏体与母相的界面为固定的平面 ，每一个原子均相对于相邻的原子以相同的矢量移动，且移动的距离不超过 原子间距，移动后仍然保持原有的近邻关系。这种方式为切变。 因转变的温度很低，碳及合金元素均无法扩散，造成原奥氏体中的化学成分 与马氏体中
11、的化学成分完全一致，这一特征称为无扩散性。 马氏体的形成的速度极快。只要有过冷度到马氏体开始转变的温度（Ms点） 会立即以高速形成相当数量的马氏体，在一般的钢中如果在Ms点以下的某一 温度延长时间，马氏体的数量不会增加。只有不断的降温，马氏体的数量才 可以不断的增加。一旦到了马氏体转变终了温度（Mf点）再降温马氏体的数 量也不再增加。这种特征称为变温形成瞬时长大。 根据变温形成瞬时长大特征可知，即使到了Mf点（一般在室温以下）也会有一 部分奥氏体不发生转变，而保留下来，称为残余奥氏体。此特征称为转变不完全性。 金相组织识别典型钢铁组织 铁素体 成分：C 0.03%, Si 0.33%, Mn
12、0.22%, P 0.014%, S 0.012% 热处理：950退火 金相组织识别典型钢铁组织 珠光体+铁素体 成分：C 0.44%, Si 0.19%, Mn 0.73%, P 0.022%, S 0.011% 热处理：930退火 金相组织识别典型钢铁组织 珠光体+网状渗碳体 成分：C 1.13%, Si 0.17%, Mn 0.45%, P 0.022%, S 0.009% 热处理：900退火 退火或者正火时，由于加热温度过高或者冷却过分 缓慢会造成先共析相沿奥氏体晶界析出。亚共析钢中的 先共析铁素体或过共析钢中的二次渗碳体析出后形成网 状组织。此乃网状渗碳体的形成原因 .知道了形成原因
13、 就不难解决问题了。即热处理时温度不能升的太高，冷 却速度不能过于缓慢。 在进行淬火时，亚共析钢中的网状组织会自行消除 ，而过共析钢中的网状组织则不能，必须进行一次正火 处理，即把过共析钢的温度加热到Accm温度以上30-50 度，网状组织也就是二次渗碳体会自动溶入奥氏体当中 。 金相组织识别典型钢铁组织 球状渗碳体 成分：C 1.13 %, Si 0.17%, Mn 0.45%, P 0.022%, S 0.009% 热处理：780退火1小时后徐冷 金相组织识别典型钢铁组织 屈氏体 成分：C 0.81%, Si 0.25%, Mn 0.36%, P 0.014%, S 0.009% 热处理：
14、850水淬后，350回火 金相组织识别典型钢铁组织 索氏体 成分：C 0.81%, Si 0.18%, Mn 0.33%, P 0.022%, S 0.014% 热处理：820水淬；580回火 金相组织识别典型钢铁组织 残留奥氏体 成分：C 1.13%, Si 0.17%, Mn 0.45%, P 0.022%, S 0.009% 热处理：1030油冷 金相组织识别典型钢铁组织 马氏体球状渗碳体 成分：C 1.13 %, Si 0.17%, Mn 0.45%, P 0.022%, S 0.009% 热处理：球化珠光体组织加热到800水冷，100回火 金相组织识别典型钢铁组织 屈氏体马氏体 成分：C 0.41%, Si 0.25%, Mn 0.73%, P 0.015%, S 0.011% 热处理：850油冷 金相组织识别典型钢铁组织 马氏体+铁素体 成分：C 0.33%, Si 0.17%, Mn 0.74%, P 0.027%, S 0.015% 热处理：从950炉冷到750后水淬 金相组织识别典型钢铁组织 魏氏组织 成分：C 0.33%, Si 0.17%, Mn 0.74%, P 0.027%, S 0.015% 热处理：从1280加热1小时后空冷
