金属材料及热处理 04 固态相变退火(碳钢篇)

屈氏体
也称极细珠光体，由奥氏体在低于珠光体形成温度分解而成 的铁素体和渗碳体的混合体。其层片比索氏体更细。片间距 小于0.10 μm 。强度、硬度高，其硬度和强度均高于索氏体， 塑性低（尤其是伴生着贝氏体转变，而混杂上贝氏体，韧性 急剧下降）。鉴别片间与片层要用电镜。
上贝氏体
上贝氏体为过饱和针状铁素体和渗碳体的混合物， 渗碳体在铁素体间。在光镜下呈羽毛状，在电镜下 为不连续棒状的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内 平行生长的铁素体条之间。强度、塑性和韧性差。
(4) 碳钢的分类 有多种分法： 以碳含量（以0.25%和0.60%为界）来分 —— 低碳钢、中碳钢、高碳钢 以质量（S、P含量）来分 ——普通碳素钢（ S%≤0.055%、P %≤0.045% ） ——优质碳素钢（ S%≤0.040%、P %≤0.040% ） ——高级优质碳素钢（ S%≤0.030%、P %≤0.035% ） 以用途来分
片状马氏体组织示意图
片状马氏体显微组织
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优质碳素结构钢 根据Mn的含量，分两种情况
——Mn处于0.35-0.80%时，以0.01%C作单位表征（C含量×10000） 例如：45，意味着“含0.45%C的优质碳素结构钢（ 0.35-0.80% Mn ）” ——Mn处于0.70-1.20%时，以0.01%C作单位表征（C含量×10000），再加Mn 例如：40Mn，意味着“含0.40%C的优质碳素结构钢（ 0.70-1.20% Mn ）”
奥氏体
奥氏体是碳和其他元素溶解在y-Fe中的 固溶体。奥氏体具有面心立方晶体，强 度和硬度较低，塑性好，一般在高温下 存在。
铁素体
铁素体是碳溶解于 a-Fe中的间隙固溶 体。铁素体具有体 心立方晶格，力学 性能特点是强度、 硬度低，塑性和韧 性良好。
渗碳体
渗碳体是铁和碳的化合物，具有复杂的晶体结 构。其力学性能特点是硬而脆，塑性和韧性极 低，伸长率和冲击韧度几乎为零。
A F+A
A+ Fe3C
钢铁热处理所涉及的相和组织。 A1（加热，Ac1，=A1+ΔT过热； 冷却，Ar1， =A1-ΔT 过冷） —— PSK, γ→ α + Fe3C A3（加热，Ac3；冷却，Ar3 ） ——GS,从γ脱溶出Fe3C Acm（加热，Accm；冷却，Arcm ） ——ES, 从γ脱溶出α
——碳素结构钢（ 工程结构、机械零件等 ） 综合性能好。以低、中碳钢为主； ——碳素工具钢（ 量、刃、模等工具 ） 硬度、耐磨性好。以高碳钢为主。
以组织来分 ——亚共析钢（F+P） ——共析钢（P） ——过共析钢（P+Fe3C）
(5) 碳钢牌号（国标） 分三种情况： 普通碳素结构钢
有三类 ——甲（A）类钢，保证性能，不保证成分，用时不需热处理 甲（A）+ 序号（序号高，C%高，强度高）：A0（钢筋） ——乙（B）类钢，保证成分，不保证性能，用时需热处理 乙（B）+ 序号（序号高，C%高，强度高） ——特（C）类钢，既要保证成分，又要保证性能，很少供货 特（C）+ 序号
珠光体
珠光体是铁索体和渗碳体相间的机械混合物，片层 状组织，片间距大于0.25μm ，渗碳体起强化作用， 因其显微组织有指纹状的珍珠光泽而得名。其性能 介于铁素体和渗碳体之间，强度、硬度低，塑性好， 鉴别片间与片层可用普通光镜。
索氏体
也称细珠光体，是奥氏体在低于珠光体形成温度分 解而成的铁素体和渗碳体的混合物。其层片比珠光 体细，片间距小于0.25μm而大于0.10 μm 。 强度、 硬度较高，塑性较好，鉴别片间与片层可用高倍 （800-1000X）光镜。
(2) 铁合金分类 0-6.69%的范围类以0.0218%C、 2.11%C （有时也定为2.14%C ）为界将铁 合金分为三大类 ： 纯铁（大约0-0.0218%C ） 碳钢（大约0.0218%-2.11%C ）
碳钢（大约0.0218%-0.77%C）以0.77%C为界分为三类： 亚共析钢（大约0.0218%-0.77%C） 共析钢（大约0.77%C） 过共析钢（大约0.77%-2.11%C ） 铸铁（大于2.14%C，小于6.69%C ） 铸铁（大约0.0218%-0.77%C）以0.77%C为界分为三类： 亚共晶铸铁（大约2.14%-4.02%C） 共晶铸铁（大约4.02%C） 过共晶铸铁（大约4.02%-6.69%C ） 纯铁 0.0008% 0.0218% 亚共析钢 碳钢 0.77% 共析钢 过共析钢 2.14% 铸铁 4.02% 共晶铸铁 亚共晶铸铁 过共晶铸铁 6.69%
2 过冷奥氏体的冷却转变
板条马氏体
含碳量低的奥氏体形成的马氏体，又称位错马氏体或低 碳马氏体，马氏体内含有大量分布不均匀的位错，形成胞状 亚结构。
板条马氏体组织示意图
板条马氏体显微组织
2 片状马氏体 过冷奥氏体的冷却转变
由于内部亚结构为大量孪晶，称之为孪晶马氏体，主要 形成于含碳量较高的钢中， 200℃以下的低温，又称为高碳 马氏体或低温马氏体。
(3) 钢中主要杂质及其影响 合金元素及其影响以后学合金钢的时候再介绍。 钢（尤其是碳钢）中主要的杂质（也是影响较大的杂质）有： Si —— 有益杂质（炼钢时以脱氧剂的形式引入）
溶入F，强化F。提高钢的强度，而且不下降塑性、韧性；
Mn ——有益杂质（炼钢时以脱氧剂的形式引入）
S ——有害杂质（炼钢时由矿物、矿石带入）
六、碳钢及钢的热处理
1、Fe-C相图与碳钢

A
H
L+ B J A+ L+A A E
A+ Fe3CⅡ
L D C A+ Fe3C Ld
A+ Fe3CⅡ+Ld Ld+ Fe3CⅠ
N
L+ Fe3CⅠ
FG FBiblioteka A+FS P
P
P+F
P+ Fe3CⅡ
K
F+ Fe3C Ld’
P+ Fe3CⅡ+Ld’ Ld’+ Fe3CⅠ
上贝氏体（光镜下）
上贝氏体（电镜下）
下贝氏体
下贝氏体为过饱和针状铁素体和渗碳体的混合物， 渗碳体在铁素体针内。在光镜下呈暗黑色竹叶状， 各片间有一定的夹角，立体形态为透镜状。在电镜 下为排列成行的细片状或粒状碳化物分布于针状铁 素体内。强度、塑性较好。
下贝氏体（光镜下）
下贝氏体（电镜下）
马氏体
马氏体是指碳在a-Fe中的过饱和固溶体。钢中马氏 体的硬度随碳含量的增加而提高。高碳马氏体硬度 高而脆，低碳马氏体则有较高的韧性。马氏体在奥 氏体转变产物中硬度最高。
碳素工具钢（均为优质、高级优质碳素钢）
——T+数字（以0.1%C作单位表征，C含量×1000），如为高级优质，再加A， 如Mn量处于0.35-0.60%时，再加Mn 例如：T10，意味着“含1.0%C的优质碳素工具钢” T10A ，意味着“含1.0%C的高级优质碳素工具钢” T8Mn，意味着“含0.8%C的优质碳素工具钢（ 0.35-0.60% Mn ）”
Q
Fe
F+ Fe3CⅢ
C%
Fe3C
(1) Fe-Fe3C相图与热处理有关的部分 在我们的研究和生产工作中，常涉及 到的，与固态相变相关的反应线： PSK（共析转变线） —— γ→ α + Fe3C GS（A中析出F或F溶入A的温度线） ——从γ脱溶出α ES （A中析出Fe3C或Fe3C溶入A的温度线） ——从γ脱溶出Fe3C PQ ——从α脱溶出Fe3C 钢铁热处理加热和保温温度的选择 主要基于Fe-Fe3C相图共析反应。 A1（加热，Ac1，=A1+ΔT过热； 冷却，Ar1， =A1-ΔT 过冷） —— PSK, γ→ α + Fe3C A3（加热，Ac3；冷却，Ar3 ） ——GS,从γ脱溶出Fe3C Acm（加热，Accm；冷却，Arcm ） ——ES, 从γ脱溶出α
溶入F，强化F，也可以与Fe3C 结合形成合金渗碳体（或其它化合物）；
形成Fe+FeS低熔点共晶组织，熔点（989 ℃ ）正好处于热加工的温度范 围，会造成热脆现象。 可以通过加Mn来消除S的有害影响（MnS的熔点高达1620 ℃）；
P ——有害杂质（炼钢时由矿物、矿石带入）
形成Fe3P脆性相。 熔炼降P。 易切削钢则要加P。 除此之外，还有O （有害） 、H（有害）、Al （有益） 、N （有Al时有益）等。