金属组织及金相教案

大棒金属及金相资料第一部分：预备知识一、基本概念1、相：在给定的物质系统中，具有同一成分、同一原子聚集状态和性质的均匀连续组成部分，相与相之间有明显的界限。

2、相变：构成物质的原子（或分子）的聚合状态发生变化的过程称为相变。

3、同素异构体：由同一种元素组成的不同单质互为同素异构体，如：氧气与臭氧，金刚石与石墨等。

4、奥氏体：奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体，通常用A或γ表示。

奥氏体是高温稳定相，最大固溶度为2.11%。

5、铁素体：是碳在α-Fe中的间隙固溶体，用F或α表示。

最大固溶度为0.0218%。

碳在δ- Fe中的间隙固溶体，也称为铁素体或高温铁素体，用δ表示，最大固溶度为0.09%。

6、珠光体：珠光体是奥氏体正常冷却时得到的组织，是碳钢中最常见的常温组织，是铁素体与渗碳体的机械混合物，按其片层间距S分为：片状珠光体（S约为150~450nm）、索氏体（S约为80~150nm）和屈氏体（S约为30~80nm），三种组织在光学显微镜下差别很大，但在电镜下特征是一样的。

得到珠光体组织的热处理工艺叫正火或退火。

7、马氏体：奥氏体在冷却时，如果冷却速度超过某一临界速度时得到的组织，性能硬而脆，得到马氏体的热处理工艺叫淬火。

8、渗碳体：即Fe3C，性能硬而脆，HB约为800，塑性很差，延伸率接近为零。

9、贝氏体：钢经奥氏体化过冷到珠光体相变与马氏体相变之间的中温区时，将发生贝氏体转变，也叫中温转变。

贝氏体也是铁素体与渗碳体的机械混合物，但与珠光体不同的是，贝氏体不是片层状组织，其形态与形成温度密切相关。

较高温度下形成的叫上贝氏体，较低温度下形成的叫下贝氏体。

10、钢：是碳含量在0.0218%到2.11%之间的鉄碳合金。

按其碳含量分为：共析钢（碳含量ωc为0.77%）、亚共析钢（碳含量ωc为0.0218%~0.77%）、过共析钢（碳含量ωc为0.77%~2.11%）。

二、常见组织金相图谱铁素体光镜下珠光体电镜下珠光体光镜下索氏体电镜下索氏体光镜下屈氏体电镜下屈氏体上贝氏体下贝氏体针状马氏体（高碳）板条马氏体（低碳）第二部分：鉄碳相图图1 铁碳相图钢和铸铁是应用最广的金属材料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是它们的基本组成都是铁和碳两种元素。

因此，学习铁碳相图，掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。

通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。

化合物Fe3C称为渗碳体，是一种亚稳定的化合物，在一定条件下可以分解为Fe和C，C 原子聚集到一起就是石墨。

因此，铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨双重相图。

Fe-Fe3C相图主要用于钢，而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。

这里主要分析讨论Fe-Fe3C相图，Fe-石墨相图与此类似，只是右侧的单相是石墨而不是Fe3C。

纯铁纯铁的熔点1538℃，工业纯铁的显微组织见图2。

图2 工业纯铁的显微组织图3 奥氏体的显微组织碳溶解于α－Fe和δ－Fe中形成的固溶体称为铁素体，用α、δ或F表示, 由于δ－Fe是高温相，因此也称为高温铁素体。

铁素体的含碳量非常低（室温下含碳约为0.005%），所以其性能与纯铁相似：硬度(HB50～80)低，塑性高(延伸率δ为30%～50%)。

铁素体的显微组织与工业纯铁相同（图2）碳溶解于γ－Fe中形成的固溶体称为奥氏体，用γ或A表示，1148℃时最多可以溶解2.11%的碳，到727℃时含碳量降到0.8%。

奥氏体的硬度(HB170～220)较低，塑性高(延伸率δ为40%～50%)。

奥氏体的显微组织见图3。

渗碳体(Fe3C)渗碳体是铁和碳形成的化合物，含碳量为6.69%，具有复杂的晶体结构，一般认为熔点为1227℃。

渗碳体硬度极高（HB800），塑性几乎等于0，是硬脆相。

在一定条件下，渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳：Fe3C→3Fe + C(石墨)。

这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义。

Fe-Fe3C相图中的ES、PQ、GS三条特性线也是非常重要的，它们的含义简述如下：ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。

奥氏体的最大溶碳量是在1148℃时，可以溶解2.11%的碳。

而在727℃时，溶碳量仅为0.77%，因此含碳量大于0.77%的合金，从1148℃冷到727℃的过程中，将自奥氏体中析出渗碳体，这种渗碳体称为二次渗碳体(Fe3C II)。

PQ线是碳在铁素体中的溶解度曲线。

727℃时铁素体中溶解的碳最多(0.0218%)，而在200℃仅可以溶解7×10-7%。

所以铁碳合金由727℃冷却到室温的过程中，铁素体中会有渗碳体析出，这种渗碳体称为三次渗碳体(Fe3C III)。

由于三次渗碳体沿铁素体晶界析出，因此对于工业纯铁和低碳钢影响较大；但是对于含碳量较高的铁碳合金，三次渗碳体（含量太少）可以忽略不计。

GS线是冷却过程中，奥氏体向铁素体转变的开始线；或者说是加热过程中，铁素体向奥氏体转变的终了线（具有同素异晶转变的纯金属，其固溶体也具有同素异晶转变，但其转变温度有变化）。

根据Fe-Fe3C相图，共析钢从液态冷却到室温要发生三次组织转变：匀晶转变L→γ（奥氏体），共析转变γ→(α+Fe3C)（珠光体P）,α中析出三次渗碳体(Fe3C III)。

室温下共析钢的组织组成全部为珠光体（可以忽略Fe3C III）。

图4是共析钢室温组织（珠光体）的金相照片。

图4 共析钢的室温组织(P)含碳0.45%的亚共析钢是应用十分广泛的一种钢，通常称为45号钢。

室温下45钢的组织为：铁素体α+珠光体P（α+Fe3C）。

45钢的实际室温组织照片见图5。

所有亚共析钢的室温组织都是由铁素体和珠光体组成，区别仅在于相对量的差别：含碳量越高（越接近0.77%C），珠光体的量越多、铁素体的量越少。

图6和图7分别是20钢(0.20%C)和60钢(0.60%C)的组织照片，可以明显看出铁素体与珠光体的相对量随含碳量的变化。

图5 45钢的室温组织图6 20钢的室温组织图7 60钢的室温组织过共析钢在液态到室温的冷却过程中，当温度到达ES线以下时，过饱和的固溶体γ中析出渗碳体（二次渗碳体Fe3C II），奥氏体γ的成分变到共析点S(0.77%C)；共析转变γ0.77→(α+Fe3C)，形成珠光体P。

因此，过共析钢的室温组织为珠光体P(α+Fe3C)+ Fe3C II。

实际1.2%C （T12）钢的室温组织照片见图8。

对于过共析钢，随着含碳量增高，钢中Fe3C II的量增大。

由于大量的Fe3C II会形成网状结构，造成钢的脆性急剧增高，所以实际生产中使用的钢含碳量一般都低于1.5%；另外，含有网状Fe3C II的钢不能直接使用，需要经过锻造（压碎Fe3C II 网）或相应的热处理后才能使用。

图8 1.2%C过共析钢的室温组织图9 1.4%C过共析钢的室温组织对于亚共析钢，随着含碳量的增加，珠光体的相对量提高，钢的强度、硬度增高，塑性、韧性下降。

对于过共析钢，随着含碳量的增加，二次渗碳体数量增加，并且形成网状结构，不仅造成钢的塑性、韧性下降，同时也使强度下降；只有硬度增高。

含碳量对钢的性能的具体影响见图10。

图10 含碳量对热轧钢力学性能的影响碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、磷(P)、硫(S)通常被称为钢铁材料的五大元素。

C, Si, Mn对钢铁材料是有益的，称为合金元素；P和S则是有害元素，称为杂质元素。

C对钢的组织和性能的影响前面已进行了讨论，下面对其余四种元素的影响作简单介绍。

锰在碳钢中是作为脱氧、去硫的元素加入的，一般碳钢的含锰量为0.25% ~ 0.8%。

钢中的锰一部分形成MnS和MnO夹杂物，其余的锰溶入铁素体和渗碳体中。

锰溶入铁素体可以起到固溶强化的作用，从而提高钢的强度，但是也会降低钢的塑性。

硅在碳钢中的含量小于0.50%，硅具有较强的脱氧作用。

硅溶入铁素体可以提高钢的强度，且塑性、韧性降低不明显。

但是，硅的含量大于0.8%时，钢的塑性、韧性显著下降。

硫是钢中有害的杂质元素（硫可以提高钢对切削性能，所以在易切削钢中硫是作为合金元素加入的），它是炼钢过程中难以除尽的杂质。

硫的有害作用主要是增大钢的热脆性，引起铸件产生热裂纹。

因此, 工业上规定优质钢中的硫不得超过0.04%。

钢中的磷来源于炼钢原料。

磷对钢的有害作用表现在提高钢的冷脆性，明显降低钢的塑性和韧性。

因此，优质碳素钢含磷量不能大于0.04%。

第三部分：TTT曲线过冷奥氏体等温转变曲线可综合反映过冷奥氏体在不同过冷度下的等温转变过程：转变开始和转变终了时间、转变产物的类型以及转变量与时间、温度之间的关系等。

因其形状通常像英文字母“C”，故俗称其为C曲线，亦称为TTT 曲线，如图11。

图11 共析钢的TTT曲线C曲线中转变开始线与纵轴的距离为孕育期，标志着不同过冷度下过冷奥氏体的稳定性，其中以550℃左右共析钢的孕育期最短，过冷奥氏体稳定性最低，称为C 曲线的“鼻尖”。

图中最上面一条水平虚线表示钢的临界点A1(723℃)，即奥氏体与珠光体的平衡温度。

图中下方的一条水平线M s(230℃)为马氏转变开始温度，M s以下还有一条水平线M f(-50℃)为马氏体转变终了温度。

A1与M s线之间有两条C 曲线，左侧一条为过冷奥氏体转变开始线，右侧一条为过冷奥氏体转变终了线。

A1线以上是奥氏体稳定区。

M s 线至M f线之间的区域为马氏体转变区，过冷奥氏体冷却至M s线以下将发生马氏体转变。

过冷奥氏体转变开始线与转变终了线之间的区域为过冷奥氏体转变区，在该区域过冷奥氏体向珠光体或贝氏体转变。

在转变终了线右侧的区域为过冷奥氏体转变产物区。

A1线以下，M s 线以上以及纵坐标与过冷奥氏体转变开始线之间的区域为过冷奥氏体区，过冷奥氏体在该区域内不发生转变，处于亚稳定状态。

在A1温度以下某一确定温度，过冷奥氏体转变开始线与纵坐标之间的水平距离为过冷奥氏体在该温度下的孕育期，孕育期的长短表示过冷奥氏体稳定性的高低。

在A1以下，随等温温度降低，孕育期缩短，过冷奥氏体转变速度增大，在550℃左右共析钢的孕育期最短，转变速度最快。

此后，随等温温度下降，孕育期又不断增加，转变速度减慢。

过冷奥氏体转变终了线与纵坐标之间的水平距离则表示在不同温度下转变完成所需要的总时间。

转变所需的总时间随等温温度的变化规律也和孕育期的变化规律相似。

合金元素对钢的影响1、合金元素对过冷奥氏体等温转变的影响合金元素（除Co外）溶入奥氏体后，均使奥氏体等温转变图位置右移，减小了钢的马氏体临界冷却速度，增大了钢的淬透性，如图所示。

必须指出，加入的合金元素，只有完全溶于奥氏体时，才能提高淬透性。

如果未完全溶解，则反倒为奥氏体分解时新相的成核准备了结晶核心，使分解速度加快，反而降低钢的淬透性。

2、合金元素对过冷奥氏体向马氏体转变的影响除Co、Al外，大多数固溶于马氏体中的合金元素都使马氏体转变温度M S和M f点下降，使合金钢淬火后残余奥氏体量较非合金钢多，使钢的硬度、尺寸稳定性下降。