工程材料学基本概念

奥氏体

奥氏体(Austenite)也称为沃斯田铁或?-Fe,就是钢铁的一种显微组织,通常就是?-Fe中固溶少量碳的无磁性固溶体。奥氏体的名称就是来自英国的冶金学家罗伯茨·奥斯汀(William Chandler Roberts-Austen)。

γ－Fe为面心立方晶体,其最大空隙为0、51×10－8cm(该空隙的数据可能有误,跟c原子不在同一数量级上),略小于碳原子半径,因而它的溶碳能力比α－Fe大,在1148℃时,γ－Fe 最大溶碳量为2、11%,随着温度下降,溶碳能力逐渐减小,在727℃时其溶碳量为0、77%。

奥氏体性能特点:

奥氏体就是一种塑性很好,强度较低的固溶体,具有一定韧性。不具有铁磁性。因此,分辨奥氏体不锈钢刀具(常见的18－8型不锈钢)的方法之一就就是用磁铁来瞧刀具就是否具有磁性。

古代铁匠打铁时烧红的铁块即处于奥氏体状态。

影响奥氏体转变速度的因素:

1、加热温度

随加热温度的提高, 奥氏体化速度加快。

2、加热速度

加热速度越快,发生转变的温度越高,转变所需的时间越短。

3、合金元素

钴、镍等加快奥氏体化过程;

铬、钼、钒等减慢奥氏体化过程;

硅、铝、锰等不影响奥氏体化过程。由于合金元素的扩散速度比碳慢得多,所以合金钢的热处理加热温度一般较高,保温时间更长。

4、原始组织

原始组织中渗碳体为片状时奥氏体形成速度快,且渗碳体间距越小,转变速度越快,同时奥氏体晶粒中碳浓度梯度也大,所以长大速度更快。

影响奥氏体晶粒长大的因素

1、加热温度与保温时间

随加热温度升高晶粒将逐渐长大。温度愈高,或在一定温度下,保温时间越长,奥氏体晶粒也越粗大。

2、钢的成分

奥氏体中碳含量增高,晶粒长大倾向增大。

钢中加入钛、钒、铌、锆、铝等元素,有利于得到本质细晶粒钢,因为碳化物、氧化物与氮化物弥散分布在晶界上,能阻碍晶粒长大。

锰与磷促进晶粒长大。

3、合金元素

C%的影响:C%高,C在奥氏体中的扩散速度以及Fe的自扩散速度均增加,奥氏体晶粒长大

倾向增加,但C%超过一定量时,由于形成Fe3CⅡ,阻碍奥氏体晶粒长大;

合金元素影响:强碳化物形成元素Ti、Zr、V、W、Nb等熔点较高,它们弥散分布在奥氏体中阻碍奥氏体晶粒长大;非碳化物形成元素Si、Ni等对奥氏体晶粒长大影响很小。

γ-Fe: 温度在912℃～1394℃的纯铁,晶格类型就是面心立方

α－Fe,γ-Fe,δ-Fe 都就是纯铁,只就是晶格类型不同,这种现象称为同素异构。

γ-Fe就是面心立方晶格,而α-Fe就是体心立方晶格,由于面心比体心排列紧密,所以由前者转化为后者时,体积要膨胀、纯铁在室温下就是体心立方结构,称为α-Fe。将纯铁加热,当温度到

达910℃时,由α-Fe转变为γ-Fe,γ-Fe就是面心立方结构。继续升高温度,到达1390℃时,γ-Fe

转变为δ-Fe,它的结构与α-Fe一样,就是体心立方结构。纯铁随着温度增加,由一种结构转变为另一种结构,这种现象称为相变。

面心立方结构除顶角上有原子外,在晶胞立方体六个面的中心处还有6个原子,故称为面心立方。

体心立方结构八个原子处于立方体的角上,一个原子处于立方体的中心,角上八个原子与中心原子紧靠。

奥氏体不锈钢,就是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含Cr约18%、Ni 8%~10%、C 约0、1%时,具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢包括著名的18Cr-8Ni钢与在此基础上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素发展起来的高Cr-Ni系列钢。奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性与塑性,但强度较低,不可能通过相变使之强化,仅能通过冷加工进行强化,如加入S,Ca,Se,Te等元素,则具有良好的易切削性。

铁素体

铁素体(ferrite,缩写:FN,用F表示)即碳在α-Fe中的间隙固溶体,具有体心立方晶格。称为铁素体或α固溶体,用α或F表示,α常用在相图标注中,F在行文中常用。亚共析成分的奥氏体通过先共析析出形成铁素体。

铁素体物理性质:

纯铁在912℃以下为具有体心立方晶格。碳溶于α-Fe中的间隙固溶体称为铁素体,以符号F

表示。由于α-Fe就是体心立方晶格结构,它的晶格间隙很小,因而溶碳能力极差,在727℃时溶碳量最大,可达0、0218%,随着温度的下降溶碳量逐渐减小,在600℃时溶碳量约为0、0057%,

在室温时溶碳量约为0、0008%。因此其性能几乎与纯铁相同,其机械性能如下:

抗拉强度180—280MN/平方米

屈服强度100—170MN/平方米

延伸率30--50%

断面收缩率70--80%

冲击韧性160—200J/平方厘米

硬度HB 50—80

由此可见,铁素体的强度、硬度不高,但具有良好的塑性与韧性。

铁素体的显微组织与纯铁相同,呈明亮的多边形晶粒组织,有时由于各晶粒位向不同,受腐蚀程度略有差异,因而稍显明暗不同。

铁素体在770℃以下具有铁磁性,在770℃以上则失去铁磁性。

(铁素体的居里点为770℃)

马氏体

马氏体由奥氏体急速冷却(淬火)形成,这种情况下奥氏体中固溶的碳原子没有时间扩散出晶胞。当奥氏体到达马氏体转变温度(Ms)时,马氏体转变开始产生,母相奥氏体组织开始不稳定。在Ms以下某温度保持不变时,少部分的奥氏体组织迅速转变,但不会继续。只有当温度进一步降低,更多的奥氏体才转变为马氏体。最后,温度到达马氏体转变结束温度Mf,马氏体转变结束。马氏体还可以在压力作用下形成,这种方法通常用在硬化陶瓷上(氧化钇、氧化锆)与特殊的钢种(高强度、高延展性的钢)。因此,马氏体转变可以通过热量与压力两种方法进行。

马氏体与奥氏体的不同在于,马氏体就是体心正方结构,奥氏体就是面心立方结构。奥氏体向马氏体转变仅需很少的能量,因为这种转变就是无扩散位移型的,仅仅就是迅速与微小的原子重排。马氏体的密度低于奥氏体,所以转变后体积会膨胀。相对于转变带来的体积改变,这种变化引起的切应力、拉应力更需要重视。

马氏体在Fe-C相图中没有出现,因为它不就是一种平衡组织。平衡组织的形成需要很慢的冷却速度与足够时间的扩散,而马氏体就是在非常快的冷却速度下形成的。由于化学反应(向平衡态转变)温度高时会加快,马氏体在加热情况下很容易分解。这个过程叫做回火。在某些合金中,加入合金元素会减少这种马氏体分解。比如,加入合金元素钨,形成碳化物强化机体。由于淬火过程难以控制,很多淬火工艺通过淬火后获得过量的马氏体,然后通过回火去减少马氏体含量,直到获得合适的组织,从而达到性能要求。马氏体太多将使钢变脆,马氏体太少会使钢变软。

性能

众所周知,马氏体就是强化钢件的重要手段,而且一般认为,马氏体就是一种硬而脆的组织,尤其就是高碳片状马氏体。要想提高淬火钢的塑性与韧性,必须用提高回火温度的方法,牺牲部分强度而换取韧性,就就是说强度与塑性很难兼得。但就是近年来的研究工作表明,这种观点只就是适用于片状马氏体,而板条状马氏体不就是这样,板条状马氏体不但具有很高的强度而且具有良好的塑性与韧性,同时还具有低的脆性转变温度,其缺口敏感性与过载敏感性都较低。

马氏体的硬度与强度

钢中马氏体机械性能的显著特点就是具有高硬度与高强度。马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳质量分数。马氏体的硬度随质量分数的增加而升高,当含碳质量分数达到0、6%时,淬火钢硬度接近最大值,含碳质量分数进一步增加,虽然马氏体的硬度会有所提高,但由于残余奥氏体数量增加,反而使钢的硬度有所下降。合金元素对钢的硬度关系不大,但可以提高其强度。

莱氏体

共析点eutectoidpoint:相图内代表共析成分与共析温度的点。共晶反应就是指在一定的温度下,一定成分的液体同时结晶出两种一定成分的固相的反应、例如含碳量为2、11%--6、69%的铁碳合金,在1148摄氏度的恒温下发生共晶反应,产物就是奥氏体(固态)与渗碳体(固态)的机械混合物,称为"莱氏体"、在合金相图上,发生这个反应在图上表现为一点,那个点就就是共晶点、

共析反应就就是指在一定的温度下,一定成分的固相同时析出两种一定成分的固相的反应、

铁碳合金相图

从某种意义上讲,铁碳合金相图就是研究铁碳合金的工具,就是研究碳钢与铸铁成分、温度、组织与性能之间关系的理论基础,也就是制定各种热加工工艺的依据。

中文名

铁碳合金相图

作用

研究碳钢与铸铁成分等之间关系

实际

就是Fe-Fe3C相图

简述

也就是制定各种热加工工艺的依据

铁碳合金编辑

铁碳合金相图实际上就是Fe-Fe3C相图,铁碳合金的基本组元也应该就是纯铁与Fe3C。铁存在着同素异晶转变,即在固态下有不同的结构。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体,Fe—Fe3C相图上的固溶体都就是间隙固溶体。由于α-Fe与γ-Fe晶格中的孔隙特点不同,因而两者的溶碳能力也不同。

1,铁素体

铁素体就是碳在α-Fe中的间隙固溶体,用符号"F"(或α)表示,体心立方晶格;

虽然BCC的间隙总体积较大,但单个间隙体积较小,所以它的溶碳量很小,最多只有0、0218%(727℃时),室温时几乎为0,因此铁素体的性能与纯铁相似,硬度低而塑性高,并有铁磁性、

δ=30%~50%,AKU=128~160J σb=180~280MPa,50~80HBS、

铁素体的显微组织与纯铁相同,用4%硝酸酒精溶液浸蚀后,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、

2,奥氏体

奥氏体就是碳在γ-Fe中的间隙固溶体,用符号"A"(或γ)表示,面心立方晶格;

虽然FCC的间隙总体积较小,但单个间隙体积较大,所以它的溶碳量较大,最多有2、11%(1148℃时),727℃时为0、77%、

在一般情况下, 奥氏体就是一种高温组织,稳定存在的温度范围为

727~1394℃,故奥氏体的硬度低,塑性较高,通常在对钢铁材料进行热变形加工,如锻造,热轧等时,都应将其加热成奥氏体状态,所谓"趁热打铁"正就是这个意思、σb=400MPa,170~220HBS,δ=40%~50%、

另外奥氏体还有一个重要的性能,就就是它具有顺磁性,可用于要求不受磁场的零件或部件、

奥氏体的组织与铁素体相似,但晶界较为平直,且常有孪晶存在、

3,渗碳体

渗碳体就是铁与碳形成的具有复杂结构的金属化合物,用化学分子式"Fe3C"表示、它的碳质量分数Wc=6、69%,熔点为1227℃,

质硬而脆,耐腐蚀、用4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈白色,如果用4%苦味酸溶液浸蚀,渗碳体呈暗黑色、

渗碳体就是钢中的强化相,根据生成条件不同渗碳体有条状,网状,片状,粒状等形态,它们的大小,数量,分布对铁碳合金性能有很大影响、

总结:

在铁碳合金中一共有三个相,即铁素体,奥氏体与渗碳体、但奥氏体一般仅存在于高温下,所以室温下所有的铁碳合金中只有两个相,就就是铁素体与渗碳体、由于铁素体中的含碳量非常少,所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中、这一点就是十分重要的、

铁与碳可以形成一系列化合物,如Fe3C,Fe2C,FeC等,有实用意义并被深入研究的只就是Fe-Fe3C部分,通常称其为 Fe-Fe3C相图, 此时相图的组元为Fe 与Fe3C、

由于实际使用的铁碳合金其含碳量多在5%以下,因此成分轴从0~6、69%、所谓的铁碳合金相图实际上就就是Fe—Fe3C相图、

相图分析编辑

Fe—Fe3C相图瞧起来比较复杂,但它仍然就是由一些基本相图组成的,我们可以将Fe—Fe3C相图分成上下两个部分来分析、

共晶转变

在1148℃,4、3%C的液相发生共晶转变:

Lc (AE+Fe3C),

转变的产物称为莱氏体,用符号Ld表示、

存在于1148℃~727℃之间的莱氏体称为高温莱氏体,用符号Ld表示,组织由奥氏体与渗碳体组成;存在于727℃以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏体,用符号Ldˊ表示,组织由渗碳体与珠光体组成、

低温莱氏体就是由珠光体,Fe3CⅡ与共晶Fe3C组成的机械混合物、经4%硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下观察,其中珠光体呈黑色颗粒状或短棒状分布在Fe3C基体上,Fe3CⅡ与共晶Fe3C交织在一起,一般无法分辨、

共析转变

在727℃,0、77%的奥氏体发生共析转变:

AS (F+Fe3C),转变的产物称为珠光体、

共析转变与共晶转变的区别就是转变物就是固体而非液体、

特征点

相图中应该掌握的特征点有:A,D,E,C,G(A3点),S(A1点),它们的含义一定要搞清楚、根据相图分析如下点:

相图中重要的点(14个):

1、组元的熔点: A (0, 1538) 铁的熔点;D (6、69, 1227) Fe3C的熔点

2、同素异构转变点:N(0, 1394)δ-Fe γ-Fe;G(0, 912)γ-Fe α-Fe相图

3、碳在铁中最大溶解度点:

P(0、0218,727),碳在α-Fe 中的最大溶解度

E(2、11,1148),碳在γ-Fe 中的最大溶解度

H (0、09,1495),碳在δ-Fe中的最大溶解度

Q(0、0008,RT),室温下碳在α-Fe 中的溶解度

三相共存点:

S(共析点,0、77,727),(A+F +Fe3C)

C(共晶点,4、3,1148),( A+L +Fe3C)

J(包晶点,0、17,1495)( δ+ A+L )

其它点

B(0、53,1495),发生包晶反应时液相的成分

F(6、69,1148 ) , 渗碳体

K (6、69,727 ) , 渗碳体

特性线

相图中的一些线应该掌握的线有:ECF线,PSK线(A1线),GS线(A3线),ES线(ACM线)

水平线ECF为共晶反应线、

碳质量分数在2、11%～6、69%之间的铁碳合金, 在平衡结晶过程中均发生共晶反应、

水平线PSK为共析反应线

碳质量分数为0、0218%～6、69%的铁碳合金, 在平衡结晶过程中均发生共析反应、PSK线亦称A1线、

GS线就是合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线, 通常称A3线、

ES线就是碳在A中的固溶线, 通常叫做Acm线、由于在1148℃时A中溶碳量最大可达2、11%, 而在727℃时仅为0、77%, 因此碳质量分数大于0、77%的铁碳合金自1148℃冷至727℃的过程中, 将从A中析出Fe3C、析出的渗碳体称为二次渗碳体(Fe3CII)、 Acm线亦为从A中开始析出Fe3CII的临界温度线、PQ线就是碳在F中固溶线、在727℃时F中溶碳量最大可达0、0218%, 室温时仅为0、0008%, 因此碳质量分数大于0、0008%的铁碳合金自727℃冷至室温的过程中, 将从F中析出Fe3C、析出的渗碳体称为三次渗碳体(Fe3CIII)、PQ

线亦为从F中开始析出Fe3CIII的临界温度线、Fe3CIII数量极少,往往予以忽略、

相图相区

1、单相区(4个+1个): L,δ,A,F ,(+ Fe3C)

2、两相区(7个):L + δ,L + Fe3C,L + A, δ+ A ,A + F ,A + Fe3C ,F +

Fe3C、

碳量影响编辑

1.含碳量对铁碳合金平衡组织的影响

按杠杆定律计算,可总结出含碳量与铁碳合金室温时的组织组成物与相组成物间的定量关系

2.含碳量对机械性能的影响

渗碳体含量越多,分布越均匀,材料的硬度与强度越高,塑性与韧性越低;但当渗碳体分布在晶界或作为基体存在时,则材料的塑性与韧性大为下降,且强度也随之降低。

3.含碳量对工艺性能的影响

对切削加工性来说,一般认为中碳钢的塑性比较适中,硬度在HB200左右,切削加工性能最好。含碳量过高或过低,都会降低其切削加工性能。

对可锻性而言,低碳钢比高碳钢好。由于钢加热呈单相奥氏体状态时,塑性好、强度低,便于塑性变形,所以一般锻造都就是在奥氏体状态下进行。锻造时必须根据铁碳相图确定合适的温度,始轧与始锻温度不能过高,以免产生过烧;始轧与温度也不能过低,以免产生裂纹。

对铸造性来说,铸铁的流动性比钢好,易于铸造,特别就是靠近共晶成分的铸铁,其结晶温度低,流动性也好,更具有良好的铸造性能。从相图的角度来讲,凝固温度区间越大,越容易形成分散缩孔与偏析,铸造性能越差。

一般而言,含碳量越低,钢的焊接性能越好,所以低碳钢比高碳钢更容易焊接。

4晶界

晶界就是结构相同而取向不同晶粒之间的界面。在晶界面上,原子排列从一个取向过渡到另一个取向,故晶界处原子排列处于过渡状态。晶粒与晶粒之间的接触界面叫做晶界。

无机非金属材料就是由微细粉料烧结而成的。在烧结时,众多的的微细颗粒形成大量的结晶中心。当它们发育成晶粒并逐渐长大到相遇时就形成晶界。

晶界上原子排列较晶粒内疏松,因而晶界易受腐蚀(热侵蚀、化学腐蚀)后,很易显露出来;

由于晶界上结构疏松,在多晶体中,晶界就是原子(离子)快速扩散的通道,并容易引起杂质原子(离子)偏聚,同时也使晶界处熔点低于晶粒;晶界上原子排列混乱,存在着许多空位、位错与键

变形等缺陷,使之处于应力畸变状态。

5位错

位错又可称为差排(英语:dislocation),在材料科学中,指晶体材料的一种内部微观缺陷,即原子的局部不规则排列(晶体学缺陷)。从几何角度瞧,位错属于一种线缺陷,可视为晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线,其存在对材料的物理性能,尤其就是力学性能,具有极大的影响。“位错”这一概念最早由意大利数学家与物理学家维托·伏尔特拉(Vito Volterra)于1905年提出。

魏氏体铁素体

魏氏体铁素体:Widmanstätten Ferrite 在钢的过冷转变中还存在一种常见的组织即魏氏体铁素体,其在较低的过冷度下形成。由于铁素体板条快速向原奥氏体晶粒内部生长且在某一方向上速度特别大,因而其在形态上就是平行的尖角状,并且在铁素体板条间可以有残留奥氏体、马氏体与珠光体相。一般认为,一次魏氏体铁素体直接从原奥氏体晶界伸入奥氏体晶粒内;二次魏氏体铁素体在晶界铁素体上形成。一次板条魏氏体铁素体也可直接在晶内夹杂物处形成。二次板条魏氏体铁素体也可在已经形成的晶内铁素体上形成。

贝氏体

奥氏体钢等温淬火后的产物。就是将钢件奥氏体化,使之快冷到贝氏体转变温度区间(260～400℃)等温保持,使奥氏体转变为贝氏体。贝氏体具有较高的强韧性配合。在硬度相同的情况下贝氏体组织的耐磨性明显优于马氏体,可以达到马氏体的1~3倍。

贝氏体(bainite)又称贝茵体。钢中相形态之一。钢过冷奥氏体的中温(Ms～550℃)转变产物,α-Fe与Fe3C 的复相组织。用符号B表示。贝氏体转变温度介于珠光体转变与马氏体转变之间。在贝氏体转变温度偏高区域转变产物叫上贝氏体(up bai-nite)(350℃～550℃),其外观形貌似羽毛状,也称羽毛状贝氏体。冲击韧性较差,生产上应力求避免。在贝氏体转变温度下端偏低温度区域转变产物叫下贝氏体(Ms～350℃)。其冲击韧性较好。为提高韧性,生产上应通过热处理控制获得下贝氏体。上贝氏体由许多从奥氏体晶界向晶内平行生长的条状铁素体与在相邻铁素体条间存在的断续的,短杆状的渗碳体组成。下贝氏体由含碳过饱与的片状铁素体与其内部析出的微细的碳化物组成。

6淬火

钢的淬火就是将钢加热到临界温度Ac3(亚共析钢)或Ac1(过共析钢)以上温度,保温一段时间,使之全部或部分奥氏体化,然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下(或Ms附近等温)进行马氏体(或贝氏体)转变的热处理工艺。通常也将铝合金、铜合金、钛合金、钢化玻璃等材料的固溶处理或带有快速冷却过程的热处理工艺称为淬火。包括加热、保温、冷却3个阶段。

淬火的目的就是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变,得到马氏体或贝氏体组织,然后配合以不同温度的回火,以大幅提高钢的刚性、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等,从而满足各种机械零件与工具的不同使用要求。也可以通过淬火满足某些特种钢材的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。

7退火

将工件加热到适当温度,根据材料与工件尺寸采用不同的保温时间,然后进行缓慢冷却(冷却速度最慢),目的就是使金属内部组织达到或接近平衡状态,获得良好的工艺性能与使用性能,或者为进一步淬火作组织准备、

8正火

将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却,正火的效果同退火相似,只就是得到的组织更细,常用于改善材料的切削性能,也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。

9回火

为了降低钢件的脆性,将淬火后的钢件在高于室温而低于710℃的某一适当温度进行长时间的保温,再进行冷却,这种工艺称为回火。

淬火

工件加热奥氏体化后以适当方式冷却获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。最常见的有水冷淬火、油冷淬火、空冷淬火等。

退火、正火、淬火[1]、回火就是整体热处理中的“四把火”,其中的淬火与回火关系密切,常常配合使用,缺一不可。

气冷淬火