钢铁材料微观结构与性能的关系.docx

钢铁材料微观结构与性能的关系摘要 钢铁材料是目前工业使用量最大的金属材料，材料中不同的内部微观结构可以造成不同的材料性能，通过改变其组织结构，可以获得材料不同的性能。因此，研究材料的结构与性能的关系就更加有意义。Fe-C合金中的微观结构有奥氏体，珠光体、马氏体、贝氏体等几种，本文就简单介绍了奥氏体、珠光体、马氏体的微观组织结构及其相应的性能。关键词 结构与性能，奥氏体，马氏体，贝氏体Abstract The steel material is the the largest metal current industrial use material, the different internal microstructure of material can result in the different material properties, and through changing their microstructure, we can obtain materials of different properties.Therefore, the research of the relationship between structure and performance of material is even more meaningful. microstructure of Fe-C alloy austenite mainly contains pearlite, martensite, bainite and so on. This article briefly describes the austenite, pearlite, martensite microstructure and its related properties.Key words structure and property, austenite, pearlite, martensite1 前言人类文明发展的历史从某种程度上说就是不断制造和使用新材料的历史。按材料特点来划分人类历史的发展阶段，可分为：石器时代、铁器时代、青铜器时代、钢铁时代和新材料时代。从中可以看出，金属材料在人类文明的发展史中起着重要作用。图1 随着金属材料应用的发展和研究工作的不断深入，人们注意到，材料的成分、工艺、组织结构、性能这四个基本要素对材料有着重要的影响，四个要素之间相互联系、互相影响，可以组成一个材料研究的四面体（如图1）。不同化学成分的材料，经过各种制备和加工工艺，获得不同的内部组织结构，可以在很大程度上决定材料的性能。然而，在许多情况下，出去经济性、可获得性、可靠性等方面的考虑，材料的选材范围十分有限。如何在材料成分基本固定的情况下，有效地提高性能成为材料科学与工程的一个重要研究方向。其中一个重要的方法就是改变材料内部的组织结构。在温度和压力等外部环境改变时，材料内部的原子排列方式、有序程度、局部化学成分等组织结构的变化，成为相变，相变过程直接影响材料的力学、物理学、化学性能。迄今为止，改变材料组织结构是改变金属材料性能的重要方法之一。以目前工业使用量最大的金属材料-钢铁为例，通过改变其组织结构，可以使强度提高或降低几倍。这样可以根据需要使钢铁材料变软以便于冷热加工成形，加工后进行热处理，可以安全长期使用。因此，研究材料组织和性能的关系就变得十分有意义了。Fe-C合金中的微观结构有奥氏体，珠光体、马氏体、贝氏体等，不同的结构就产生了相应的材料性能。本文就简单分析了Fe-C合金中的几种微观组织结构及其对材料性能所带来的影响。2 奥氏体微观结构及其特点2.1 奥氏体晶体结构 奥氏体是碳在面心立方结构的铁(-Fe)中形成的固溶体，以（或A）表示。奥氏体的组织形态与原始组织、加热速度、加热转变的程度有关。通常情况下为多边形的等轴晶粒（图2），晶粒内部往往存在孪晶。经过X射线衍射证明，奥氏体中碳原子位于-Fe的八面体间隙中，即面心立方点阵晶胞的中心或棱边的中心，如图3所示。 图2 图3 按照-Fe中所有八面体间隙都被碳原子填满来计算，奥氏体中的最大含碳量应为20%，但实际上由于碳原子进入间隙后会一起点阵畸变，使碳原子不能像图3所示那样填满每一个间隙，实际测得的奥氏体最大含碳量为2.11%（1148oC）。根据奥氏体中的最大含碳量计算，大约23个-Fe晶胞中才含有一个C原子。 -Fe的点阵常数为3.64A，C原子的存在使奥氏体点阵常数增大。合金元素如Mn,Si,Cr,Ni等能够置换-Fe中的Fe原子而形成置换固溶体。置换原子的存在也会引起点阵常数的改变，使晶格产生畸变。点阵常数改变的大小和晶格畸变的程度取决于C原子的数量、合金元素原子半径发Fe原子半径的差异及它们的含量。2.2 奥氏体的性能 奥氏体是碳钢中的高温稳定相，当加入适量的合金元素时，可使奥氏体在室温成为稳定相。因此，奥氏体可以是钢在使用时的一种组织状态，在奥氏体状态使用的钢称为奥氏体钢。a. 力学性能 奥氏体的面心立方结构使其具有高的塑性和低的屈服强度，容易进行塑性变形加工成形，所以钢常常在奥氏体稳定存在的高温区域进行加工。在奥氏体中加入镍、锰等元素，可以得到室温下具有奥氏体组织的奥氏体钢。奥氏体的再结晶温度高，具有较好的热强性。b. 物理性能 奥氏体是顺磁性，利用这一性质可研究钢中与奥氏体相关的相变，奥氏体是无磁钢，可用于变压器、电磁铁等无磁结构材料。 奥氏体与其他组织相比，因为具有最密排的点阵结构，致密度高，因而比容最小。例如在含0.80%C的钢中，奥氏体、铁素体和马氏体的比容分别为1.2339910-4，1.270810-4，1.291510-4m3/kg。3 珠光体微观结构及其特点 珠光体是由共析铁素体和共析渗碳体有机结合的整合组织，铁素体及碳化物俩相是成比例的，有一定相对量。该铁素体和碳化物是从奥氏体中共析共生出来的，且俩相有一定位相关系。3.1 珠光体微观结构 a. 珠光体晶体学图4 珠光体是由共析铁素体和共析渗碳体有机结合的整合组织，其中铁素体的晶体结构为体心立方；渗碳体的晶体结构为复杂的斜方结构。投射电镜观察表明，在退火状态下，珠光体的铁素体中位错密度较小，渗碳体中位置密度更小。片状珠光体中铁素体与渗碳体片俩相交界处常有较高位错密度，如图4所示。 珠光体形成时，新相（铁素体和渗碳体）与母相（奥氏体）有着一定的晶体学位向关系，其关系为： 1 1 0/1 1 2,/ 在共析钢中，先共析铁素体与奥氏体的位向关系为： 1 1 1/1 1 0,/ 在一个珠光体团中，铁素体与渗碳体的晶体位向关系基本是固定的，俩相间存在一定位向关系，这种关系通常有俩类： 第一类 0 0 1cem/2 -1 -1, cem /, cem / 第二类 0 0 1cem/5 -2 -1, cem /（相差2036）, cem /（相差2036） 第一类位向关系，是珠光体晶核在奥氏体晶界上测出的；第二类位向关系，是珠光体晶核在纯奥氏体晶界上产生时测出的。 b. 珠光体的组织形态 共析成分的奥氏体过冷到A1稍下的温度将发生共析分解，形成珠光体组织。珠光体组织有片状珠光体和粒状珠光体俩种组织形态。片状珠光体典型形态是片状的（或层状的），如图5所示。片状珠光体的粗细可用片层间距来衡量，根据片层间距的大小可以进一步分为珠光体、索氏体和屈氏体。高温形成的珠光体比较粗，低温形成的比较细。粒状珠光体的渗碳体以颗粒状分布于铁素体基体上，如图6所示。按渗碳体颗粒的大小，分为粗粒状珠光体、粒状珠光体、细粒状珠光体和点状珠光体。 图5 图63.2 珠光体力学性能 a. 片状珠光体力学性能 片状珠光体主要与片层间距、珠光体团直径、珠光体中铁素体片的亚晶粒尺寸和原始奥氏体晶粒大小有密切关系。片状珠光体的片层间距对强度和塑性都有一定影响，珠光体的片层间距越小，强度越高，塑性越大。主要原因是铁素体和渗碳体片薄时，相界面增多，在外力作用下，抗塑性变形能力增大。而且由于铁素体、渗碳体片很薄，会使钢的塑性变形能力增大。珠光体团直径减小，表明单位体积内片排列方向增多，使局部发生大量塑性变形引起应力集中的可能性减小，因而既提高了强度又提高了塑性。 b. 粒状珠光体力学性能 粒状珠光体力学性能主要取决于渗碳体颗粒大小、数量、分布。渗碳体颗粒越小，分散越均匀，硬度和强度越高。在成分相同的情况下，粒状珠光体的硬度、强度比片状珠光体的低，但塑性韧性好，具有良好的综合力学性能。这是由于粒状珠光体比片状珠光体具有较少的相界面，铁素体中位错易于滑动，故使塑性变形抗力减小，另一方面，由于相界面少，界面上位错塞积就多，正应力大，易于开裂。这两方面的因素均使强度降低。另外就是，渗碳体呈颗粒状，没有尖角，不易产生应力集中，所以粒状珠光体的塑性好。c. 派登处理 派登处理用于高碳钢的强韧化处理，使高碳钢获得细珠光体，再经过深度冷拔，获得高强度钢丝。细珠光体具有良好的冷拔性能，由于片层间距较小，使滑移可沿最短途径进行。同时，由于渗碳体片很薄，在强烈塑性变形时，能够弹性弯曲，故塑性变形能力增强。片状珠光体由于塑性变形而使强度增高，主要是由于冷塑性变形使亚晶粒细化和位错密度增大，形成由许多位错网组成的位错壁，而且这种位错壁彼此间距随变形量增大而减小。强化程度随变形量增大而增大。4 马氏体微观结构及其特点4.1 马氏体微光结构 a. 马氏体晶体学钢中马氏体晶体结构与-Fe结构不同，但有相似之处。马氏体晶体结构为体心立方或体心正方结构（图7），c轴与a轴比值称为正方度，c/a=1时，为体心立方，通常马氏体正方度大于1。且随钢中含碳量变化而变化，含碳量越高，c/a越大，因此钢中马氏体晶体结构被认为是碳在-Fe中的过饱和固溶体。图7马氏体转变时，不仅新相和母相有一定位向关系，而且马氏体晶面或界面常与母相点阵某一晶面接近平行，相差几度之内，称为惯习面，它以平行母相的晶面指数来表示。因为马氏体转变以共格切边的方式进行，马氏体惯习面随含碳量变化而异，常见有三种：（111），（225），（259）.含碳量低时（小于0.6%），惯习面为低指数晶面（111），含碳量高时，惯习面为高指数晶面。 b. 马氏体组织形态马氏体形态可分为板条状、针片状、蝶形、薄板、薄片状马氏体等。板条状马氏体可以是扁条或薄板状。内部存在大量位错，其是在低，中碳钢及不锈钢中形成，由许多马氏体板条集合而成；针状马氏体存在于中、高碳钢，其形态立体呈双凸透镜，平面形态呈针状或竹叶状，中间有直线；蝶状马氏体形成温度在板条和透镜马氏体形成温度之间，亚结构以位错为主，有少量孪晶；薄板装马氏体主要形态为薄板状，厚度为3-10微米。一般金相表面呈现宽窄一致的平直带，内部亚结构为孪晶；薄片状马氏体晶体结构为秘排立方结构，亚结构为大量层错。4.2 马氏体力学性能 a. 马氏体的硬度与强度 马氏体主要特点是高硬度和高强度。其物理本质是由其组织结构决定的。其主要强化机理如下：（1）相变强化，马氏体相变时发生不均匀切变，产生了大量位错、孪晶、空位等缺陷。（2）固溶强化，碳原子溶入形成过饱和固溶体，使晶格产生严重畸变。（3）时效强化，通常淬火后要经过回火，这个过程将形成碳原子偏聚区或析出碳化物。（4）马氏体形态和大小，孪晶的强化作用高于位错，原始奥氏体晶粒和马氏体板条越细，强度越高。奥氏体和马氏体中的C原子处于Fe原子组成的八面体间隙中心，但是奥氏体的碳原子处于正八面体中心，碳原子溶入时，引起对称畸变，沿着三个对角线方向的伸长是相等的；而马氏体中的八面体是扁八面体，碳原子的溶入使阵点发生不对称畸变，即短轴伸长，长轴稍有缩短，形成畸变耦极，造成一个强烈应力场，阻碍位错运动，从而使得马氏体强度和硬度显著提高。 b. 马氏体的韧性和塑性 马氏体韧性受含碳量和亚结构影响，所以在相当大范围内变化，对于结构钢，位错马氏体的断裂韧性显著高于孪晶马氏体。位错型马氏体具有较高的强度、硬度和良好的塑性韧性；孪晶型马氏体强度硬度高，但塑性韧性较差。5 结论对于钢铁材料，不同的内部结构决定了材料的不同性能。钢铁材料中的主要结构包括奥氏体结构、珠光体结构、马氏体结构、贝氏体结构等。通过上文中对奥氏体、珠光体、马氏体结构及其性能。初步了解了钢铁内部结构对材料性能的影响。主要结论总结如下： （1）Fe-C合金中存在着不同的组织形态，不同的组织结构决定了材料的不同性能。 （2）Fe-C合金微观组织结构主要包括奥氏体结构、珠光体结构、马氏体结构、贝氏体结构等。 （3）奥氏体是碳在面心立方结构的铁(-Fe)中形成的固溶体，奥氏体的面心立方结构使其具有高的塑性和低的屈服强度，容易进行塑性变形加工成形，所以钢常常在奥氏体稳定存在的高温区域进行加工。 （4）珠光体是由共析铁素体和共析渗碳体有机结合的整合组织，片状珠光体的片层间距对强度和塑性都有一定影响，珠光体的片层间距越小，强度越高，塑性越大。粒状珠光体的硬度、强度比片状珠光体的低，但塑性韧性好，具有良好的综合力学性能。（5）马氏体晶体结构为体心立方或体心正方结构，主要特点是高硬度和高强度。主要原因是马氏体中的八面体是扁八面体，碳原子的溶入使阵点发生不对称畸变，造成一个强烈应力场，阻碍位错运动，从而使得马氏体强度和硬度显著提高。