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。下面就為大家詳細(xì)介紹。
鋼鐵由鐵礦石提煉而成,來源豐富,價(jià)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。
金相即金相學(xué),就是研究金屬或合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)的科學(xué)。不僅如此,它還研究當(dāng)外界條件或內(nèi)在因素改變時(shí),對(duì)金屬或合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。
所謂外部條件就是指溫度、加工變形、澆注情況等。所謂內(nèi)在因素主要指金屬或合金的化學(xué)成分。 金相組織是反映金屬金相的具體形態(tài),如馬氏體,奧氏體,鐵素體,珠光體等等。
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?cè)诓煌瑴囟认碌钠胶饨M織各不相同,但由幾個(gè)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:
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(hào)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(huì)出現(xiàn)三次滲碳體。
隨鋼鐵中碳含量增加,鐵素體量相對(duì)減少,珠光體量增加,此時(shí)鐵素體則是網(wǎng)絡(luò)狀和月牙狀。
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(hào)A表示。
奧氏體在1148℃有最大溶解度2.11%C,727℃時(shí)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)槠渌啵挥性诟咛间摵蜐B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。
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。
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(hào)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。
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(hào)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(zhǎng)軸成55~60度,下貝氏體內(nèi)不含孿晶,有較多的位錯(cuò)。
(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(shí),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(zhǎng)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。
(i)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;
(ii)部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,在光鏡下呈綜黃色;
(iii)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(shí)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(zhǎng)軸大致是55~60度角。
它是一種過熱組織,由彼此交叉約60°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(shí)因過熱而形成粗晶,冷卻時(shí)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(shí)滲碳體也會(huì)形成針狀自晶界向晶內(nèi)延伸而形成魏氏組織。
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(hào)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(shí)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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)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:
(i)回火馬氏體:指淬火時(shí)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(shí)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”。
(ii)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(shí)間稍長(zhǎng),則使針葉呈白色;此時(shí)碳化物偏聚于針葉邊緣,這時(shí)鋼的硬度稍低,且強(qiáng)度下降。
(iii)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。
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攝氏度時(shí),同時(shí)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(hào)Ld表示。
由于奧氏體在727℃時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w,故在室溫時(shí)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。