钢的组织组成物.docx

第七章 钢在常温下常见的组织组成物7.1 珠光体7.1.1 片状珠光体图7.1 片状珠光体7.1.1.1形成工艺c=0.77%的奥氏体在近于平衡的缓慢冷却条件下形成片层珠光体；在较高奥氏体化温度下形成的均匀奥氏体于A1-550之间温度等温时也能形成片层珠光体。7.1.1.2形成机理渗碳体与铁素体交替形核与长大。珠光体形成片层状的原因是渗碳体以分枝形式长大的结果。7.1.1.3珠光体球团当奥氏体在A1点以下较高温度保温时，形核速度缓慢，而生长速度相对较大。珠光体最易沿奥氏体晶界，特别是三晶粒交界处形核，当过冷度大时，也可以在奥氏体晶粒内部形核。多个珠光体领域占据一个区域，从而形成了珠光体团。7.1.1.4索氏体和屈氏体（托氏体）在约A1-650形成片层厚的粗珠光体，其片间距为0.6-1.0m，简称珠光体。在650600形成的片层较薄的细珠光体，片间距约0.250.3m，称为索氏体(sorbite)。在600550形成的片层很薄的极细珠光体，片间距0.10.15m，称为屈氏体或托氏体(troosite)。索氏体和屈氏体称为伪共析体，都是奥氏体在较快速度冷却时得到的不平衡组织，其碳含量或多或少的偏离0.77%。7.1.2 粒状珠光体图7.2 粒状珠光体粒状珠光体是通过渗碳体球化形成的；另外，粒状珠光体也可通过淬火加回火得到。当奥氏体化温度较高，形成成分不太均匀的奥氏体时，尤其是原始组织为片状珠光体或者片状珠光体加网状二次渗碳体，加热温度略高于A1温度时，便得到奥氏体加未溶渗碳体的组织，随后缓慢冷却时已形成粒状珠光体。具体来说：A 当奥氏体化温度较高，形成成分不太均匀的奥氏体时，则在奥氏体内存在大量高碳区和低碳区，此时缓冷，则会形成大量的渗碳体晶核，渗碳体晶核的长大必然被铁素体所包围；B 当原始组织为片状珠光体或片状珠光体和网状体二次渗碳体时，温度加热到略高于A1，得到奥氏体加未溶渗碳体，此时的渗碳体已不是完整的片状或者网状，而是断断续续，这些渗碳体在保温时有球化的趋势（第二相颗粒的溶解度与曲率半径有关），随之冷却，则奥氏体向珠光体转化，这些颗粒状的渗碳体变成了附加晶核，从而形成了粒状珠光体。7.2 马氏体7.2.1板条马氏体板条状马氏体：低碳型马氏体在低/中碳钢，马氏体时效钢，不锈钢等铁合金中典型的组织。低碳钢的板条马氏体形成温度高，在形成后过饱和的的碳发生部分分解，称为自回火，在马氏体晶内部形成碳化物质点，导致形成立方马氏体。由于它的亚结构主要是由高密度的位错组成,所以又称位错马氏体。图7.3 板条马氏体（20CrMo，880油淬，180回火，基体为板条状马氏体）7.2.2片状马氏体（孪晶马氏体，针状马氏体）片状马氏体：高碳型马氏体高碳钢（wc0.6%），wNi=30%的不锈钢及一些有色金属和合金中，淬火时出现的典型马氏体组织。片状马氏体在电子显微镜下的特征是具有孪晶的亚结构，由于其亚结构主要为细小孪晶,所以又称为孪晶马氏体.高碳型片状马氏体的另外一个特点就是存在大量显微裂纹。图7.4 针状马氏体+残留奥氏体7.2.3隐晶马氏体和隐针马氏体越是后形成的马氏体片尺寸越小。马氏体周围往往存在残留奥氏体。片状马氏体的最大尺寸取决于原始奥氏体晶粒大小，奥氏体晶粒越大，则马氏体片越粗大。当最大尺寸的马氏体片细小到光学显微镜下不能分辨时，便称为“隐晶马氏体”。高碳钢在正常温度淬火时,细小的奥氏体晶粒和碳化物都能使其获得细针状马氏体组织,这种组织在光学显微镜下无法分辨称为隐针马氏体。此处存疑？图7.5 隐晶马氏体和隐针马氏体GCr15 850淬火后回火处理，为正常的的GCr15淬火、回火组织：回火马氏体，未溶碳化物颗粒及参与奥氏体，其组织特征为有黑区和白区之分，黑区是以板条马氏体为主的隐晶马氏体；白区是以孪晶马氏体为主的隐针马氏体。7.2.5马氏体的形成倾向奥氏体向马氏体转变时，是形成板条马氏体还是片状马氏体，主要取决于马氏体的转变温度（Ms和Mf点）。而马氏体转变温度又主要取决于奥氏体的化学成分，即碳和合金元素的含量，其中碳含量的影响最为剧烈。奥氏体中的碳含量越大，则MS和Mf点越低；除Co,Al外，所有合金元素都降低MS和Mf点，但效果不如碳明显。一般认为，板条状马氏体大都在200以上形成，片状马氏体主要在200以下形成。含碳量在0.2-1.0%的奥氏体，在马氏体区上部先形成板条马氏体，然后在马氏体区下部形成片状马氏体。含碳量越高，Ms点越低，形成板条马氏体量越少，而片状马氏体越多。某些合金元素能加剧形成孪晶马氏体的倾向。 一般当Wc1.0%时,则几乎全为片状马氏体; 当Wc=0.3%-1.0%时,为板条马氏体和片状马氏体的混合物,随含碳量的升高,淬火钢中板条马氏体的量下降,片状马氏体的量上升.7.3 贝氏体定义：钢在珠光体转变温度以下，马氏体转变温度以上的温度范围内，过冷奥氏体将发生贝氏体转变，又称为中温转变。贝氏体中的铁素体形成时，奥氏体向铁素体的晶格改组是通过切变方式进行的。贝氏体特别是下贝氏体通常具有优良的综合机械性能。7.3.1 上贝氏体通常含碳量高于0.4%的碳素钢中，在贝氏体较高温度范围内（350-600）形成的贝氏体叫上贝氏体。过饱和针状铁素体和渗碳体的混合物，渗碳体在铁素体针间。过冷奥氏体在中温（约350550）的相变产物，其典型形态是一束大致平行位向差为68铁素体板条，并在各板条间分布着沿板条长轴方向排列的碳化物短棒或小片；典型上贝氏体呈羽毛状，晶界为对称轴，由于方位不同，羽毛可对称或不对称，铁素体羽毛可呈针状、点状、块状。若是高碳高合金钢，看不清针状羽毛；中碳中合金钢，针状羽毛较清楚；低碳低合金钢，羽毛很清楚，针粗。转变时先在晶界处形成上贝氏体，往晶内长大，不穿晶。中高碳钢上贝氏体在光学显微镜下的典型特征呈羽毛状。在电镜下，上贝氏体由许多从奥氏体晶界向晶内平行声场的板条状铁素体和在相邻铁素体条间的不连续的，短杆状的渗碳体所组成图7.6 上贝氏体7.3.2 下贝氏体通常含碳量高于0.4%的碳素钢中，较低温度范围内（Ms-350）形成的贝氏体叫下贝氏体。过饱和针状铁素体和渗碳体的混合物，但渗碳体在铁素体针内。过冷奥氏体在350ms的转变产物。其典型形态是双凸透镜状含过饱和碳的铁素体，并在其内分布着单方向排列的碳化物小薄片；在晶内呈针状，针叶不交叉，但可交接。与回火马氏体不同，马氏体有层次之分，下贝氏体则颜色一致，下贝氏体的碳化物质点比回火马氏体粗，易受侵蚀变黑，回火马氏体颜色较浅，不易受侵蚀。高碳高合金钢的碳化物分散度比低碳低合金钢高，针叶比低碳低合金钢细。下贝氏体在光学显微镜下观察呈黑色针状。它可以在奥氏体晶界上形成，但大量的是在奥氏体晶粒内沿某些晶面单独地或成堆地长成针叶状。图7.7 下贝氏体7.3.3 粒状贝氏体粒状贝氏体。大块状或条状的铁素体内分布着众多小岛的复相组织。过冷奥氏体在贝氏体转变温度区的最上部的转变产物。刚形成时是由条状铁素体合并而成的块状铁素体和小岛状富碳奥氏体组成，富碳奥氏体在随后的冷却过程中，可能全部保留成为残余奥氏体；也可能部分或全部分解为铁素体和渗碳体的混合物（珠光体或贝氏体）；最可能部分转变为马氏体，部分保留下来而形成两相混合物，称为m-a组织。在一些低碳钢和低碳/中碳合金钢中还发现一种粒状贝氏体。其形成温度一般在上贝氏体形成温度以上和奥氏体转变为贝氏体最高温度以下的温度范围内。其组织特征是大块状或针状铁素体内分布着一些颗粒状小岛。这些小岛在高温下原是富碳奥氏体区，在冷却过程中由于冷却条件和奥氏体稳定性不同，可以分解为铁素体和碳化物，形成珠光体，转变为马氏体，也可以残留奥氏体的形式保留下来。图7.8 粒状贝氏体7.3.4 无碳化物贝氏体板条状铁素体单相组成的组织，也称为铁素体贝氏体。形成温度在贝氏体转变温度区的最上部。板条铁素体之间为富碳奥氏体，富碳奥氏体在随后的冷却过程中也有类似上面的转变。无碳化物贝氏体一般出现在低碳钢中，在硅、铝含量高的钢中也容易形成。此处存疑？7.4 回火马氏体高碳钢在350以下回火时，马氏体分解后形成的低碳相和弥散碳化物组成的复相组织称为回火马氏体。这种组织较淬火马氏体容易腐蚀，故在光学显微镜下呈黑色针状组织。图7.9 回火马氏体及对应的电镜图片7.5 回火屈氏体（回火托氏体）当回火温度升高到400以后，淬火马氏体完全分解，但相仍保持针状外形，先前形成的-碳化物和-碳化物此时已完全消失，全部转变为细粒状-碳化物，即渗碳体。这种由针状相和无共格关系的细粒状渗碳体组成的机械混合物叫做回火屈氏体。图7.9 回火马氏体及对应的电镜图片7.6 回火索氏体当回火温度超过600时，相发生再结晶过程，使相晶粒长大，马氏体针状形态消失，形成多边形的铁素体。此时渗碳体也聚集成较大的颗粒。淬火钢在500-600回火得到的这种多边形的铁素体和粗粒状渗碳体的机械混合物叫做回火索氏体。图7.10 保持马氏体位向的回火索氏体35钢加热到850淬水，500回火图7.11 20钢的回火索氏体 马氏体位向更加模糊，右图为对应的电镜图片7.7 魏氏组织定义：在实际生产中，碳含量小于0.6%亚共析钢或大于1.2%的过共析钢在铸造/热轧/锻造后的空冷，或者当加热温度过高并以较快速度冷却时，先共析铁素体或先共析渗碳体从奥氏体晶界沿奥氏体一定晶面往晶内生长并呈针片状析出。在光学显微镜下可以观察到从奥氏体晶界生长出来的近于平行的或其他规则排列的针状铁素体或渗碳体加珠光体组织，这种组织称为魏氏体组织。前者称为铁素体魏氏体组织，后者称为渗碳体魏氏体组织。魏氏体组织的形成：魏氏体组织中的铁素体是按切变结构形成的，与贝氏体中铁素体形成机理相似。由于冷却速度较快，铁素体只能沿奥氏体某一晶面以切变共格的形式长大，形成针状铁素体。这种铁素体可以从奥氏体中直接析出，也可以沿奥氏体晶界首先析出网状铁素体，然后再从网状铁素体平行的向晶内生长。当魏氏体组织中的铁素体形成时，铁素体中的碳扩散到两侧母相奥氏体中，从而使铁素体针之间的奥氏体浓度不断增加，最终转变为珠光体组织。按贝氏体转变机构形成的魏氏组织，其铁素体实际上就是无碳贝氏体。魏氏体组织的形成与钢中含碳量，奥氏体晶粒大小及冷却速度（转变温度）有关。只有在较快冷却速度和一定碳的质量分数范围内才能形成魏氏组织。魏氏组织是一种过热缺陷组织。图7.12 铁素体魏氏体组织35钢940正火。黑色为细片状珠光体，白色为铁素体。铁素体大部分沿奥氏体晶界析出，部分在奥氏体晶粒内成条或针状析出，呈魏氏组织状态。35钢Ac1为724，Ac3为802，正常正火温度应为840-890。由于正火温度过高，使奥氏体晶粒长大至34级，正火后出现魏氏组织。使零件的脆性增加。为了改善此种组织状态，可以在正常的正火温度重新正火，给予消除。7.8 网状渗碳体图7.13 白色为铁素体、晶界处为网状渗碳体、局部晶界存在珠光体7.9 脱碳组织图7.14铸态合金的脱碳层7.10 疑问1）隐晶马氏体和隐针马氏体2）无碳化物贝氏体