鋼鐵材料微觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上鋼鐵材料微觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系摘要 鋼鐵材料是目前工業(yè)使用量最大的金屬材料，材料中不同的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)可以造成不同的材料性能，通過改變其組織結(jié)構(gòu)，可以獲得材料不同的性能。因此，研究材料的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系就更加有意義。Fe-C合金中的微觀結(jié)構(gòu)有奧氏體，珠光體、馬氏體、貝氏體等幾種，本文就簡(jiǎn)單介紹了奧氏體、珠光體、馬氏體的微觀組織結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的性能。關(guān)鍵詞 結(jié)構(gòu)與性能，奧氏體，馬氏體，貝氏體Abstract The steel material is the the largest metal current industrial use material, the diff

2、erent 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. mic

3、rostructure 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 前言人類文明發(fā)展的歷史從某種程度上說就是不斷制造和使用新材料的

4、歷史。按材料特點(diǎn)來劃分人類歷史的發(fā)展階段，可分為：石器時(shí)代、鐵器時(shí)代、青銅器時(shí)代、鋼鐵時(shí)代和新材料時(shí)代。從中可以看出，金屬材料在人類文明的發(fā)展史中起著重要作用。圖1 隨著金屬材料應(yīng)用的發(fā)展和研究工作的不斷深入，人們注意到，材料的成分、工藝、組織結(jié)構(gòu)、性能這四個(gè)基本要素對(duì)材料有著重要的影響，四個(gè)要素之間相互聯(lián)系、互相影響，可以組成一個(gè)材料研究的四面體（如圖1）。不同化學(xué)成分的材料，經(jīng)過各種制備和加工工藝，獲得不同的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，可以在很大程度上決定材料的性能。然而，在許多情況下，出去經(jīng)濟(jì)性、可獲得性、可靠性等方面的考慮，材料的選材范圍十分有限。如何在材料成分基本固定的情況下，有效地提高性能成為材

5、料科學(xué)與工程的一個(gè)重要研究方向。其中一個(gè)重要的方法就是改變材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)。在溫度和壓力等外部環(huán)境改變時(shí)，材料內(nèi)部的原子排列方式、有序程度、局部化學(xué)成分等組織結(jié)構(gòu)的變化，成為相變，相變過程直接影響材料的力學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)性能。迄今為止，改變材料組織結(jié)構(gòu)是改變金屬材料性能的重要方法之一。以目前工業(yè)使用量最大的金屬材料-鋼鐵為例，通過改變其組織結(jié)構(gòu)，可以使強(qiáng)度提高或降低幾倍。這樣可以根據(jù)需要使鋼鐵材料變軟以便于冷熱加工成形，加工后進(jìn)行熱處理，可以安全長(zhǎng)期使用。因此，研究材料組織和性能的關(guān)系就變得十分有意義了。Fe-C合金中的微觀結(jié)構(gòu)有奧氏體，珠光體、馬氏體、貝氏體等，不同的結(jié)構(gòu)就產(chǎn)生了相應(yīng)的材料

6、性能。本文就簡(jiǎn)單分析了Fe-C合金中的幾種微觀組織結(jié)構(gòu)及其對(duì)材料性能所帶來的影響。2 奧氏體微觀結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)2.1 奧氏體晶體結(jié)構(gòu) 奧氏體是碳在面心立方結(jié)構(gòu)的鐵(-Fe)中形成的固溶體，以（或A）表示。奧氏體的組織形態(tài)與原始組織、加熱速度、加熱轉(zhuǎn)變的程度有關(guān)。通常情況下為多邊形的等軸晶粒（圖2），晶粒內(nèi)部往往存在孿晶。經(jīng)過X射線衍射證明，奧氏體中碳原子位于-Fe的八面體間隙中，即面心立方點(diǎn)陣晶胞的中心或棱邊的中心，如圖3所示。 圖2 圖3 按照-Fe中所有八面體間隙都被碳原子填滿來計(jì)算，奧氏體中的最大含碳量應(yīng)為20%，但實(shí)際上由于碳原子進(jìn)入間隙后會(huì)一起點(diǎn)陣畸變，使碳原子不能像圖3所示那樣填滿每

7、一個(gè)間隙，實(shí)際測(cè)得的奧氏體最大含碳量為2.11%（1148oC）。根據(jù)奧氏體中的最大含碳量計(jì)算，大約23個(gè)-Fe晶胞中才含有一個(gè)C原子。 -Fe的點(diǎn)陣常數(shù)為3.64A，C原子的存在使奧氏體點(diǎn)陣常數(shù)增大。合金元素如Mn,Si,Cr,Ni等能夠置換-Fe中的Fe原子而形成置換固溶體。置換原子的存在也會(huì)引起點(diǎn)陣常數(shù)的改變，使晶格產(chǎn)生畸變。點(diǎn)陣常數(shù)改變的大小和晶格畸變的程度取決于C原子的數(shù)量、合金元素原子半徑發(fā)Fe原子半徑的差異及它們的含量。2.2 奧氏體的性能 奧氏體是碳鋼中的高溫穩(wěn)定相，當(dāng)加入適量的合金元素時(shí)，可使奧氏體在室溫成為穩(wěn)定相。因此，奧氏體可以是鋼在使用時(shí)的一種組織狀態(tài)，在奧氏體狀態(tài)使用

8、的鋼稱為奧氏體鋼。a. 力學(xué)性能 奧氏體的面心立方結(jié)構(gòu)使其具有高的塑性和低的屈服強(qiáng)度，容易進(jìn)行塑性變形加工成形，所以鋼常常在奧氏體穩(wěn)定存在的高溫區(qū)域進(jìn)行加工。在奧氏體中加入鎳、錳等元素，可以得到室溫下具有奧氏體組織的奧氏體鋼。奧氏體的再結(jié)晶溫度高，具有較好的熱強(qiáng)性。b. 物理性能 奧氏體是順磁性，利用這一性質(zhì)可研究鋼中與奧氏體相關(guān)的相變，奧氏體是無磁鋼，可用于變壓器、電磁鐵等無磁結(jié)構(gòu)材料。 奧氏體與其他組織相比，因?yàn)榫哂凶蠲芘诺狞c(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，致密度高，因而比容最小。例如在含0.80%C的鋼中，奧氏體、鐵素體和馬氏體的比容分別為1.23399×10-4，1.2708×10-4，1

9、.2915×10-4m3/kg。3 珠光體微觀結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn) 珠光體是由共析鐵素體和共析滲碳體有機(jī)結(jié)合的整合組織，鐵素體及碳化物倆相是成比例的，有一定相對(duì)量。該鐵素體和碳化物是從奧氏體中共析共生出來的，且倆相有一定位相關(guān)系。3.1 珠光體微觀結(jié)構(gòu) a. 珠光體晶體學(xué)圖4 珠光體是由共析鐵素體和共析滲碳體有機(jī)結(jié)合的整合組織，其中鐵素體的晶體結(jié)構(gòu)為體心立方；滲碳體的晶體結(jié)構(gòu)為復(fù)雜的斜方結(jié)構(gòu)。投射電鏡觀察表明，在退火狀態(tài)下，珠光體的鐵素體中位錯(cuò)密度較小，滲碳體中位置密度更小。片狀珠光體中鐵素體與滲碳體片倆相交界處常有較高位錯(cuò)密度，如圖4所示。 珠光體形成時(shí)，新相（鐵素體和滲碳體）與母相（奧氏

10、體）有著一定的晶體學(xué)位向關(guān)系，其關(guān)系為： 1 1 0/1 1 2,<1 -1 1>/<0 -1 1> 在共析鋼中，先共析鐵素體與奧氏體的位向關(guān)系為： 1 1 1/1 1 0,<1 1 0>/<0 1 1> 在一個(gè)珠光體團(tuán)中，鐵素體與滲碳體的晶體位向關(guān)系基本是固定的，倆相間存在一定位向關(guān)系，這種關(guān)系通常有倆類： 第一類 0 0 1cem/2 -1 -1,<1 0 0> cem /<0 1 -1>, <0 1 0> cem /<1 1 1> 第二類 0 0 1cem/5 -2 -1,<1 0 0&

11、gt; cem /<1 3 -1>（相差2036）, <0 1 0> cem /<1 1 3>（相差2036） 第一類位向關(guān)系，是珠光體晶核在奧氏體晶界上測(cè)出的；第二類位向關(guān)系，是珠光體晶核在純奧氏體晶界上產(chǎn)生時(shí)測(cè)出的。 b. 珠光體的組織形態(tài) 共析成分的奧氏體過冷到A1稍下的溫度將發(fā)生共析分解，形成珠光體組織。珠光體組織有片狀珠光體和粒狀珠光體倆種組織形態(tài)。片狀珠光體典型形態(tài)是片狀的（或?qū)訝畹模鐖D5所示。片狀珠光體的粗細(xì)可用片層間距來衡量，根據(jù)片層間距的大小可以進(jìn)一步分為珠光體、索氏體和屈氏體。高溫形成的珠光體比較粗，低溫形成的比較細(xì)。粒狀珠光體的滲碳

12、體以顆粒狀分布于鐵素體基體上，如圖6所示。按滲碳體顆粒的大小，分為粗粒狀珠光體、粒狀珠光體、細(xì)粒狀珠光體和點(diǎn)狀珠光體。 圖5 圖63.2 珠光體力學(xué)性能 a. 片狀珠光體力學(xué)性能 片狀珠光體主要與片層間距、珠光體團(tuán)直徑、珠光體中鐵素體片的亞晶粒尺寸和原始奧氏體晶粒大小有密切關(guān)系。片狀珠光體的片層間距對(duì)強(qiáng)度和塑性都有一定影響，珠光體的片層間距越小，強(qiáng)度越高，塑性越大。主要原因是鐵素體和滲碳體片薄時(shí)，相界面增多，在外力作用下，抗塑性變形能力增大。而且由于鐵素體、滲碳體片很薄，會(huì)使鋼的塑性變形能力增大。珠光體團(tuán)直徑減小，表明單位體積內(nèi)片排列方向增多，使局部發(fā)生大量塑性變形引起應(yīng)力集中的可能性減小，因

13、而既提高了強(qiáng)度又提高了塑性。 b. 粒狀珠光體力學(xué)性能 粒狀珠光體力學(xué)性能主要取決于滲碳體顆粒大小、數(shù)量、分布。滲碳體顆粒越小，分散越均勻，硬度和強(qiáng)度越高。在成分相同的情況下，粒狀珠光體的硬度、強(qiáng)度比片狀珠光體的低，但塑性韌性好，具有良好的綜合力學(xué)性能。這是由于粒狀珠光體比片狀珠光體具有較少的相界面，鐵素體中位錯(cuò)易于滑動(dòng)，故使塑性變形抗力減小，另一方面，由于相界面少，界面上位錯(cuò)塞積就多，正應(yīng)力大，易于開裂。這兩方面的因素均使強(qiáng)度降低。另外就是，滲碳體呈顆粒狀，沒有尖角，不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，所以粒狀珠光體的塑性好。c. 派登處理 派登處理用于高碳鋼的強(qiáng)韌化處理，使高碳鋼獲得細(xì)珠光體，再經(jīng)過深度冷拔

14、，獲得高強(qiáng)度鋼絲。細(xì)珠光體具有良好的冷拔性能，由于片層間距較小，使滑移可沿最短途徑進(jìn)行。同時(shí)，由于滲碳體片很薄，在強(qiáng)烈塑性變形時(shí)，能夠彈性彎曲，故塑性變形能力增強(qiáng)。片狀珠光體由于塑性變形而使強(qiáng)度增高，主要是由于冷塑性變形使亞晶粒細(xì)化和位錯(cuò)密度增大，形成由許多位錯(cuò)網(wǎng)組成的位錯(cuò)壁，而且這種位錯(cuò)壁彼此間距隨變形量增大而減小。強(qiáng)化程度隨變形量增大而增大。4 馬氏體微觀結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)4.1 馬氏體微光結(jié)構(gòu) a. 馬氏體晶體學(xué)鋼中馬氏體晶體結(jié)構(gòu)與-Fe結(jié)構(gòu)不同，但有相似之處。馬氏體晶體結(jié)構(gòu)為體心立方或體心正方結(jié)構(gòu)（圖7），c軸與a軸比值稱為正方度，c/a=1時(shí)，為體心立方，通常馬氏體正方度大于1。且隨鋼中含

15、碳量變化而變化，含碳量越高，c/a越大，因此鋼中馬氏體晶體結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是碳在-Fe中的過飽和固溶體。圖7馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，不僅新相和母相有一定位向關(guān)系，而且馬氏體晶面或界面常與母相點(diǎn)陣某一晶面接近平行，相差幾度之內(nèi)，稱為慣習(xí)面，它以平行母相的晶面指數(shù)來表示。因?yàn)轳R氏體轉(zhuǎn)變以共格切邊的方式進(jìn)行，馬氏體慣習(xí)面隨含碳量變化而異，常見有三種：（111），（225），（259）.含碳量低時(shí)（小于0.6%），慣習(xí)面為低指數(shù)晶面（111），含碳量高時(shí)，慣習(xí)面為高指數(shù)晶面。 b. 馬氏體組織形態(tài)馬氏體形態(tài)可分為板條狀、針片狀、蝶形、薄板、薄片狀馬氏體等。板條狀馬氏體可以是扁條或薄板狀。內(nèi)部存在大量位錯(cuò)，其是在低，中

16、碳鋼及不銹鋼中形成，由許多馬氏體板條集合而成；針狀馬氏體存在于中、高碳鋼，其形態(tài)立體呈雙凸透鏡，平面形態(tài)呈針狀或竹葉狀，中間有直線；蝶狀馬氏體形成溫度在板條和透鏡馬氏體形成溫度之間，亞結(jié)構(gòu)以位錯(cuò)為主，有少量孿晶；薄板裝馬氏體主要形態(tài)為薄板狀，厚度為3-10微米。一般金相表面呈現(xiàn)寬窄一致的平直帶，內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)為孿晶；薄片狀馬氏體晶體結(jié)構(gòu)為秘排立方結(jié)構(gòu)，亞結(jié)構(gòu)為大量層錯(cuò)。4.2 馬氏體力學(xué)性能 a. 馬氏體的硬度與強(qiáng)度 馬氏體主要特點(diǎn)是高硬度和高強(qiáng)度。其物理本質(zhì)是由其組織結(jié)構(gòu)決定的。其主要強(qiáng)化機(jī)理如下：（1）相變強(qiáng)化，馬氏體相變時(shí)發(fā)生不均勻切變，產(chǎn)生了大量位錯(cuò)、孿晶、空位等缺陷。（2）固溶強(qiáng)化，碳原

17、子溶入形成過飽和固溶體，使晶格產(chǎn)生嚴(yán)重畸變。（3）時(shí)效強(qiáng)化，通常淬火后要經(jīng)過回火，這個(gè)過程將形成碳原子偏聚區(qū)或析出碳化物。（4）馬氏體形態(tài)和大小，孿晶的強(qiáng)化作用高于位錯(cuò)，原始奧氏體晶粒和馬氏體板條越細(xì)，強(qiáng)度越高。奧氏體和馬氏體中的C原子處于Fe原子組成的八面體間隙中心，但是奧氏體的碳原子處于正八面體中心，碳原子溶入時(shí)，引起對(duì)稱畸變，沿著三個(gè)對(duì)角線方向的伸長(zhǎng)是相等的；而馬氏體中的八面體是扁八面體，碳原子的溶入使陣點(diǎn)發(fā)生不對(duì)稱畸變，即短軸伸長(zhǎng)，長(zhǎng)軸稍有縮短，形成畸變耦極，造成一個(gè)強(qiáng)烈應(yīng)力場(chǎng)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而使得馬氏體強(qiáng)度和硬度顯著提高。 b. 馬氏體的韌性和塑性 馬氏體韌性受含碳量和亞結(jié)構(gòu)影響，

18、所以在相當(dāng)大范圍內(nèi)變化，對(duì)于結(jié)構(gòu)鋼，位錯(cuò)馬氏體的斷裂韌性顯著高于孿晶馬氏體。位錯(cuò)型馬氏體具有較高的強(qiáng)度、硬度和良好的塑性韌性；孿晶型馬氏體強(qiáng)度硬度高，但塑性韌性較差。5 結(jié)論對(duì)于鋼鐵材料，不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了材料的不同性能。鋼鐵材料中的主要結(jié)構(gòu)包括奧氏體結(jié)構(gòu)、珠光體結(jié)構(gòu)、馬氏體結(jié)構(gòu)、貝氏體結(jié)構(gòu)等。通過上文中對(duì)奧氏體、珠光體、馬氏體結(jié)構(gòu)及其性能。初步了解了鋼鐵內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)材料性能的影響。主要結(jié)論總結(jié)如下： （1）Fe-C合金中存在著不同的組織形態(tài)，不同的組織結(jié)構(gòu)決定了材料的不同性能。 （2）Fe-C合金微觀組織結(jié)構(gòu)主要包括奧氏體結(jié)構(gòu)、珠光體結(jié)構(gòu)、馬氏體結(jié)構(gòu)、貝氏體結(jié)構(gòu)等。 （3）奧氏體是碳在面心立方結(jié)構(gòu)的鐵(-Fe)中形成的固溶體，奧氏體的