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【昆明钢材】钢材的微观组织结构形成及对钢材性能的影响

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铁碳合金的形成是碳溶解在铁基体内部并形成一定的晶格结构,铁基体自身在不同的温度呈现不同的晶格类型,下面昆明钢材网小编进行简单介绍。

一般有三种铁基体晶格类型,即α-Fe, γ-Fe和δ-Fe。它们都是纯铁,只是晶格类型不同,这种现象称为同素异构。随着温度增加,纯铁可由一种结构转变为另一种结构,这种现象称为同素异构转变。α-Fe是温度在912℃以下的纯铁,晶格类型是体心立方结构;将纯铁加热,当温度到达912℃时,由α-Fe转变为γ-Fe,而γ-Fe是面心立方结构。由于面心比体心排列紧密,所以由前者转化为后者时,体积要膨胀。继续升高温度,到达1390℃时,γ-Fe转变为δ-Fe,它的结构与α-Fe一样,是体心立方结构。

碳溶解在不同的铁基体内,与铁结合形成铁碳合金固溶体,通常以三个基本相的微观结构存在:铁素体、渗碳体和奥氏体。但奥氏体一般仅存在于高温下,所以室温下铁碳合金平衡组织中一般只有两个相,即铁素体和渗碳体。

铁素体:碳在α-Fe中的固溶体(固溶体是指一定结晶构造位置上离子的互相置换,而不改变整个晶体的结构及对称性等,通常有替代式、间隙式和缺位式三种固溶体形式)称铁素体,用F或α表示,是体心立方间隙固溶体,见图2-7(a)。铁素体的溶碳能力很低,在727℃时最大为0.0218%,室温下仅为0.0008%,因此铁素体性能与纯铁相似。

渗碳体:即Fe3C,是铁碳合金亚稳定平衡系统凝固和冷却转变时析出的,含碳高达6.69%。Fe3C硬度高、强度低、脆性大,塑性几乎为零。体心立方结构,见图2-7(c)。根据其从不同状态的铁碳合金中析出分别有一次渗碳体,二次渗碳体(从奥氏体中析出),三次渗碳体。而Fe3C自身也是一个亚稳相,在一定条件下可发生分解:Fe3C→3Fe+C(石墨),该反应对铸铁有重要意义。由于碳在α-Fe中的溶解度很小,因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。

奥氏体:奥氏体是碳在面心立方结构的铁(γ-Fe)中形成的间隙固溶体,以γ(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。X射线衍射证明,奥氏体中碳原子位于γ-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。

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,容易进行塑性变形操作而加工成形,所以钢常常在奥氏体稳定存在的高温区域进行加工。一般奥氏体的形成过程是在高温下进行的,可分为4个阶段,即:奥氏体形核,奥氏体晶核长大,剩余渗碳体溶解,奥氏体成分相对均匀化,最后形成的稳定的奥氏体的微观组织形态。在奥氏体中加入镍、锰等元素,也可以得到室温下具有奥氏体组织的奥氏体钢,可见,加入合金元素后奥氏体的晶粒变细了,这是因为碳化物、氧化物和氮化物弥散分布在晶界上,能阻碍晶核长大。奥氏体通常在727~1500℃高温下才能稳定,热处理过程中,奥氏体的作用可以理解为溶剂的作用:通过加热使碳及合金元素溶入奥氏体,然后通过控制冷却速度和回火温度来控制组织和化合物(一般都是碳化物)的大小、数量、分布状态等因素,从而控制钢铁材料的性能,以适合不同的用途,而这些都需要通过加热到奥氏体状态,然后通过控制碳化物的析出来实现。不同温度下铁的结构不一样,碳在铁里面的溶解度不一样,温度低了,碳溶解得少了就要析出,成为渗碳体或铁素体,温度升高,渗碳体或铁素体又可转化为奥氏体。

此外碳钢的微观结构还有珠光体和莱氏体。它们不同于单相的铁素体、渗碳体和奥氏体,是两相或者多相混合物。

珠光体:显微组织为由铁素体与渗碳体片层相间的两相混合物。其综合力学性能比单独的铁素体或渗碳体都好,强度较高,硬度适中,塑性和韧性较好。

莱氏体:高温莱氏体是A与Fe3C两相混合物,室温莱氏体是珠光体与Fe3C的两相混合物,力学性能与渗碳体相似,硬度很高,塑性极差,几乎为零。

对于这些微观结构的介绍,是为了让大家对钢材的冶金工艺对钢材性能影响的本质有初步概念。更深刻的知识可查阅相关专业文献。

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