鋼鐵中金相組織結(jié)構(gòu)：鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、貝氏體、魏氏組織，一文識盡！
目前，金相技術(shù)仍是材料科學(xué)與工程領(lǐng)域最廣泛應(yīng)用、易行有效的研究檢驗(yàn)方法，金相檢驗(yàn)則是各國和ISO國際材料檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的重要物理檢驗(yàn)項(xiàng)目類別。
現(xiàn)代材料可以分為四大類——金屬、高分子、陶瓷和復(fù)合材料。盡管目前高分子材料飛速發(fā)展，但金屬材料中的鋼鐵仍是目前工程技術(shù)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。下面就為金粉們詳細(xì)介紹吧。 鋼鐵材料性能的多樣性與其組織結(jié)構(gòu)多樣性密不可分。奧氏體、鐵素體、珠光體、馬氏體、貝氏體以及各種第二相等構(gòu)成了鋼鐵材料復(fù)雜多變、繽紛多姿的組織世界。
鋼鐵由鐵礦石提煉而成，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(diào)節(jié)鋼鐵中各種元素的含量和熱處理工藝(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(jīng)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(jié)構(gòu)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(jī)械混合物的形式結(jié)合，形成了鋼鐵中豐富多彩的金相組織結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)，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(qiáng)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(xiàn)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(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)，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(qiáng)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(xué)性能與含碳量和晶粒大小有關(guān)，一般為170~220 HBS、 =40~50%。
TRIP鋼(變塑鋼)即是基于奧氏體塑性、柔韌性良好的基礎(chǔ)開發(fā)的鋼材，利用殘余奧氏體的應(yīng)變誘發(fā)相變及相變誘發(fā)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(jié)構(gòu)鋼中的奧氏體在冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌?，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(wǎng)絡(luò)狀、半網(wǎng)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(jī)械混合物稱為珠光體，用符號P表示。其力學(xué)性能介于鐵素體和滲碳體之間，強(qiáng)度較高，硬度適中，有一定的塑性。
珠光體是鋼的共析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，其形態(tài)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(tài)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(xì)片狀三種。
(2)球狀珠光體：經(jīng)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(xì)球狀和點(diǎn)狀四種珠光體。
5. 貝氏體
是鋼的奧氏體在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)以下，Ms點(diǎn)以上的中溫區(qū)轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。貝氏體是鐵素體和滲碳體的機(jī)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(jù)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(qiáng)度較低，但具有較好的韌性;下貝氏體既具有較高的強(qiáng)度，又具有良好的韌性;粒狀貝氏體的韌性最差。貝氏體形態(tài)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(xì)條狀(或細(xì)短桿狀)滲碳體，呈羽毛狀。
(2)下貝氏體：呈細(xì)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(qū)別，在電鏡下極易區(qū)分;在針狀鐵素體內(nèi)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(nèi)不含孿晶，有較多的位錯。
(3)粒狀貝氏體：外形相當(dāng)于多邊形的鐵素體，內(nèi)有許多不規(guī)則小島狀的組織。當(dāng)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(nèi)，使奧氏體不均勻富碳，從而使奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變被抑制。這些奧氏體區(qū)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(xù)冷卻過程中，根據(jù)奧氏體的成分及冷卻條件，粒貝內(nèi)的奧氏體可以發(fā)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(zhuǎn)變?yōu)轳R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(zhuǎn)變?yōu)轳R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(wǎng)狀析出外，還有一部分鐵素體從晶界向晶內(nèi)按切變機(jī)制形成并排成針狀獨(dú)自析出，這種分布形態(tài)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(nèi)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(qiáng)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(diǎn)之間的切變方式發(fā)生轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。
這時碳(和合金元素)來不及擴(kuò)散只是由γ-Fe的晶格(面心)轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe的晶格(體心)，即碳在γ-Fe中的固溶體(奧氏體)轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚讦?Fe中的固溶體，故馬氏體轉(zhuǎn)變是“無擴(kuò)散”的根據(jù)馬氏體金相形態(tài)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(xì)馬氏體條定向平行排列，組成馬氏體束或馬氏體領(lǐng)域;在領(lǐng)域與領(lǐng)域之間位向差大，一顆原始奧氏體晶粒內(nèi)可以形成幾個不同取向的領(lǐng)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(fā)生自回火現(xiàn)象，在形成的馬氏體內(nèi)部析出碳化物，故它易受侵蝕發(fā)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(nèi)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(guī)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(jīng)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(jié)構(gòu)為體心四方)于回火第一階段發(fā)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(jié)構(gòu)已變?yōu)轶w心立方)內(nèi)彌散分布著極其細(xì)小的過渡碳化物薄片(與基體的界面是共格界面)的復(fù)相組織;
這種組織在金相(光學(xué))顯微鏡下即使放大到最大倍率也分辨不出其內(nèi)部構(gòu)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(jīng)中溫回火的產(chǎn)物，其特征是：馬氏體針狀形態(tài)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(jié)晶溫度較高，故仍保持著針狀形態(tài))，析出的碳化物細(xì)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(qiáng)度下降。
3)回火索氏體：淬火馬氏體經(jīng)高溫回火后的產(chǎn)物。其特征是：索氏體基體上布有細(xì)小顆粒狀碳化物，在光鏡下能分辨清楚。這種組織又稱調(diào)質(zhì)組織，它具有良好的強(qiáng)度和韌性的配合。鐵素體上的細(xì)顆粒狀碳化物越是細(xì)小，則其硬度和強(qiáng)度稍高，韌性則稍差些;反之，硬度及強(qiáng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)(含碳量)為4.3%的液態(tài)鐵碳合金，在1480℃時，同時從液體中結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物稱為萊氏體，用符號Ld表示。
由于奧氏體在727℃時轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，故在室溫時萊氏體由珠光體和滲碳體組成。為區(qū)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。
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