关于金相组织的基本知识

关于金相组织的基本知识首先金相人员进行试样组织分析时候，必须了解铁碳相图Fe-C（Fe-Fe₃C）的意义和特点，以及点、线、区的之间意义；大家可以参考资料铁碳相图的原理和知识基础。

图中ABCD为液相线，AHJECF为固相线；相图中有五个单相区，它们是：ABCD以上--液相区（用L符号表示）；AHNA--固溶体区（用θ表示）NJESGN—奥氏体区（用A或表示）GPQG—铁素体区（用F表示）DFKZ—渗碳体区（用Fe3C或Cm表示）相图中有七个两相区，分别是：L+γ，L+δ，L+Fe3C，γ+δ，γ+α，γ+Fe3C，α+Fe3C鉄碳相图中的特性点；A点 1538℃ｗ（C） 0% 纯铁的熔点； B点 1495℃ｗ（C）0.53% 包晶转变时液态合金的成分；C点 1148℃ｗ（C） 0.43% 共晶点； D点 1227℃ｗ（C）6.69% 渗碳体的熔点；E点 1148℃ｗ（C） 2.11% 碳在γ-Fe中的最大溶解度；G点 912℃ｗ（C） 0% α-Fe<=>γ-Fe 转变温度；H点 1495℃ｗ（C） 0.09% 碳在γ-Fe中的最大溶解度；J点 1495 ｗ（C）包晶点；K点 727 ℃ｗ（C） 6.69% 渗碳体的成分； M点 700 ｗ（C） 0%纯铁的磁性转变点；N点 1394 ℃ｗ（C） 0% γ-Fe<=>δ-Fe的转变温度； P点 727℃ｗ（C） 0.0218% 碳在α-Fe中的最大溶解度；S点 727℃ｗ（C） 0.77% 共析点； Q点 600℃ｗ（C） 0.0057% 600℃时碳在α-Fe中的溶解度；相图中还有两条磁性转变线：MO线（770℃）为铁素体的磁性转变线； 230℃虚线为渗碳体的磁性转变线。

Fe-Fe3C相图上有3条水平线，即HJB-包晶转变线；ECF-共晶转变线；PSK-共析转变线HJB-包晶线：在1495℃恒温下，碳的质量分数为0.53%的液相与碳的质量分数为0.09%的的δ铁素体发生包晶反应，形成碳的质量分数为0.17%的奥氏体，其反应式为：LB+δh<=>γj共晶转变线（ECF线）：发生在1148℃的恒温中，由碳的质量分数为4.3%的液相转变为碳的质量分数2.11%的奥氏体和渗碳体[w(C)=6.69%]所组成的混合物，称为莱氏体，用Ld表示；反应式为：Ld<=>γE+Fe3C。

在莱氏体中，渗碳体是连续分布的相，而奥氏体则呈颗粒状分布的在其上，由于渗碳体很脆，所以莱氏体的塑性很差的，无实用价值。

共析转变线（PSK）：发生在727℃恒温下，是由碳的质量分数为0.77%的奥氏体转变成碳的质量分数为0.0218%的铁素体和渗碳体所组成的混合物，称为珠光体，用P表示。

反应式为：γs<=>αp+Fe3C。

珠光体组织是片层状的，其中铁素体体积大约是渗碳体的8倍，所以在金相显微镜下观察，较厚的是铁素体，较薄的是渗碳体。

在铁碳相图中有三条重要的固态转变线；1，GS线：奥氏体中开始析出铁素体或铁素体全部溶入奥氏体的转变线，常称此温度为A3温度。

2，ES线：碳在奥氏体中的溶解度线，常称为Acm温度。

以低于此温度时候，奥氏体中仍将析出Fe3C，称为二次渗碳体，记作Fe3CⅡ，以区别从液体中经CD 线直接析出的一次渗碳体。

3，PQ线：碳在铁素体中的溶解度线，在727℃时，碳的质量分数在铁素体中的最大溶解度仅为0.0218%，随着温度的降低，铁素体中的溶碳量是逐渐减少的，在300℃下，溶碳量少于0.001%。

因此铁素体从727℃冷却下来，也会析出三次渗碳体。

记作Fe3CⅢ。

铁碳合金的平衡结晶过程以及组织，通常按有无共晶转变来区分碳钢和铸铁，含碳量低于2.11%的为碳钢，大于2.11%的为铸铁；含碳量质量分数小于0.0218%的为工业纯铁；按Fe-Fe₃C系结晶的为铸铁；碳以Fe₃C形式存在，断口白亮色，称为白口铸铁。

根据组织特征，铁碳合金按含碳量分为七种类型：工业纯铁C＜0.0218%；其合金溶液向固体转变时候，按匀晶转变结晶出δ固溶体，δ固溶体继续冷却开始发生固溶体的同素异构转变δ→γ；奥氏体的晶核通常优先在δ相界上形成并长大，直到结束合金全部成单相奥氏体；如果继续冷却又发生同素异构转变γ→α则全部变成铁素体（析出）。

继续冷却时碳在铁素体中溶解度达到饱和。

最后将从铁素体中析出三次渗碳体。

共析钢C＝0.77%；合金按匀晶转变结晶出奥氏体，逐步凝固完成后全部转变为奥氏体；冷却到727℃时，在恒温下发生共析转变γ0.77→α0.0218＋Fe-Fe₃C，转变产物为珠光体；珠光体中渗碳体称为共析渗碳体，随后冷却过程中，从珠光体中的铁素体相中析出三次渗碳体，在缓冷条件下三次渗碳体从铁素体与渗碳体的相界面上形成，与共析渗碳体连接一起，在显微镜下难以分辨，数量很少对珠光体的组织和性能没有明显影响。

亚共析钢C＝0.021~0.77%；合金碳的质量分数为0.4%在液体向固体转变按匀晶析出δ固溶体；冷却固体时发生包晶转变L B+δH→γJ形成奥氏体。

由于钢中碳的质量分数大于0.17%，所以包晶转变终了后，仍有液相存在，这些剩余液相转变结晶成奥氏体，降温到固体时合金全部有碳质量分数为0.4%的奥氏体所组成；单相奥氏体冷却过程在晶界上开始析出铁素体，随着温度下降铁素体含量增加，其含碳量沿GP线变化，而剩余奥氏体的含碳量则沿GS线变化。

当钢在室温下的组织有先共析铁素体和珠光体所组成；过共析钢C＝0.77~2.11%；碳的质量分数为1.2%，按匀晶转变为单相奥氏体后，冷却到固体时，开始从奥氏体中析出二次渗碳体，形成渗碳体网，这种先共析的渗碳体多沿奥氏体晶界呈网状分布，数量较多时，还在晶内呈针状分布。

当温度到727℃时，奥氏体的含碳量降为0.77%，因而在恒温下发生共析转变。

最后得到的组织是网状二次渗碳体和珠光体。

共晶白口铁C＝4.30%；亚共晶白口铁C＝2.11~4.30%；过共晶白口铁C＝4.30~6.69%1、碳钢和低合金钢基本组织碳素钢是指碳外，仅含有少量的Mn、Si、S、P、O、N等元素，由于矿石及冶炼等原因进入钢内，这些元素对钢的性能有一定影响。

一般以含碳量划分，小于等于0.25%称低碳钢；0.25~0.6%的称中碳钢；大于0.6%的称高碳钢。

低合金钢是在碳素钢基础上，加入一些合金元素来弥补碳钢性能的不足，目的是提高钢的强度、韧性、塑性、耐磨性等各方面的性能要求。

它们大部分属于亚共析钢，随着处理工艺不同，会出现多种不同的组织，如铁素体、渗碳体、珠光体、魏氏体组织、奥氏体、马氏体、回火马氏体、回火屈氏体、回火索氏体、贝氏体等。

1）铁素体,用F表示；（Ferrite）命名自拉丁文的铁（Ferrum）；属体心立方结构，在碳钢中它是碳固溶于α-Fe中的固溶体，在合金钢中则是碳和合金元素固溶于α-Fe中的固溶体。

在光学显微镜下，其呈白亮色多边形，块状、月牙状和网络状等，强度和硬度低，塑性和韧性好。

一般硬度在100HB左右。

铁素体在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒，在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布，但当含碳量接近共析成分时，铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围。

此图铁素体形态2）奥氏体，用A表示；在碳钢中，其是碳溶与γ-Fe中的间隙固溶体。

合金钢中奥氏体则是碳和合金元素固溶于γ-Fe中的固溶体；具有面心立方结构。

晶界较为平直，而且常有孪晶存在。

奥氏体是个高温相，在高温时才稳定存在；在室温是奥氏体将转变成其它组织；结构钢经淬火后会存在残余奥氏体，分布在马氏体针间隙中，或分布在下贝氏体针间隙中，不易侵蚀，在光学显微镜下呈白色。

在锻造、轧制时常要加热到奥氏体区，以提高塑性，易于加工变形；对高锰钢和奥氏体不锈钢而言，由于加入较多扩大奥氏体区元素导致其常温凝固组织即单相奥氏体。

其硬度较低，塑性、韧碳素钢是指碳外，仅含有少量的Mn、Si、S、P、O、N等元素奥氏体无磁性，在生活中分辨奥氏体不锈钢(如18－8型不锈钢）的方法之一就是用磁铁来看刀具是否具有磁性。

这个是奥氏体组织形貌3）渗碳体，用Fe3C表示；其是一种化合物，在碳钢中，渗碳体由铁和碳化合而成，分子式为Fe3C碳的质量分数为6.69%；在合金钢中，形成合金渗碳体，结构式为(Fe,M)3C;其性硬而脆，硬度在800HV以上；用体积分数（4+96）硝酸酒精侵蚀能清晰显示渗碳体组织，形态呈白色的片状或针状、粒状、网络状、半网络状等；一次渗碳体为块状，角不尖锐；共晶渗碳体呈骨骼状；二次渗碳体呈网状；共析渗碳体呈片状；低碳钢缓慢冷却到Ar1以下时，由铁素体中析出三次渗碳体，可沿晶析出或在铁素体内呈点粒状析出。

渗碳体形貌网状渗碳体和珠光体形貌4）珠光体，用P表示；是铁素体和渗碳体的机械混合物；分布有片状和球状；珠光体的粗细主要受珠光体的形成温度及冷却速度影响，奥氏体的过冷度越大，形成的片状珠光体就越细，硬度和强度也越高；4%硝酸酒精腐蚀后铁素体和渗碳体的交界处受到电化学作用产生凹洼，故在直射光照射下变成黑色线条，呈现层状；球状珠光体是钢在球化退火处理后得到组织。

其渗碳体呈球粒状，分布在铁素体的基体上。

颗粒大小取决于球化退火工艺，特别是冷却速度。

这是光学显微镜片状珠光体形貌电镜下珠光体形貌珠光体的片距较大，在一般光学显微镜可以分辨片层状特征；片间距约为150～450nm5）贝氏体，用B表示；其是钢的奥氏体在珠光体转变区以下MS点（马氏体转变开始温度）以上的中温区转变产物；基本上也是铁素体和渗碳体两相组织的机械混合物。

大致分为羽毛状，针状和粒状。

上贝是过冷奥氏体在中温（约350~550摄氏度）的相变产物，特征是条状铁素体平行排列呈羽毛状，在铁素体调间存在短杆状渗碳体；下贝是过冷奥氏体在350度~Ms转变产物。

特征是呈针片状，有一定取向，比淬火马氏体容易腐蚀，类似回火马氏体，在下贝针内有渗碳体存在，于针的长轴呈55`60度。

粒贝特征是外形是相当于多边形的铁素体，在其内存在不规则的小岛状组织；无碳化物贝氏体，板条状铁素体单相组成的组织，也称铁素体贝氏体，形成温度在贝氏体转变温度区的最上部。

从图像角度看，金相组织中贝氏体最漂亮，因为贝氏体组织有一种水墨丹青的韵味羽毛状上贝上贝形貌6）马氏体，用M表示；（Martensite），其是碳溶于αFe中的过饱和固溶体。

是过冷奥氏体作快速冷却，在Ms（马氏体转变开始）与Mf(马氏体转变终止）点之间以切变方式发生转变的产物；其分为板条马氏体和针状马氏体。

马氏体组织的硬度是钢组织中最高的，马氏体强化是钢的主要强化手段，淬火后的组织就是以马氏体为主。

板条马氏体定向排列，组成马氏体束，在束之间存在一定的位向，一颗原始的奥氏体晶粒内可以形成几个不同取向的马氏体束。