钢铁材料微观结构与性能的关系Word文件下载.docx

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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（γ-Fe）中形成的固溶体，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。

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，如图3所示。

图2 图3

按照γ-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2—3个γ-Fe晶胞中才含有一个C原子。

γ-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γ-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1.23399×

10-4，1.2708×

10-4，1.2915×

10-4m3/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

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。

图4

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：

｛110｝α//｛112｝γ,<

1-11>

α//<

0-11>

γ

在共析钢中，先共析铁素体与奥氏体的位向关系为：

｛111｝α//｛110｝γ,<

110>

011>

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｛001｝cem//｛2-1-1｝α,<

100>

cem//<

01-1>

α,<

010>

cem//<

111>

α

第二类｛001｝cem//｛5-2-1｝α,<

13-1>

α（相差2036’）,<

cem//<

113>

α（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6

3.2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α-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α-Fe中的过饱和固溶体。

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）γ，（225）γ，（259） 图7

γ.含碳量低时（小于0.6%），惯习面为低指数晶面（111）γ，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（γ-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。