基本介紹
- 中文名：鋼鐵顯微組織
- 闡述：鋼和鑄鐵中的聚合體
- 類別：相關辭彙
- 相關：金相顯微鏡
在金相顯微鏡或電子顯微鏡下看到的鋼和鑄鐵中由基本組成單元構成的聚合體。用金相顯微鏡觀察時試樣表面應磨平拋光，並用適宜的侵蝕劑稍加侵蝕。用電子顯微鏡觀察時，需要進行更加複雜的試樣準備工作。金相顯微鏡最高放大倍數可達2500倍，電子顯微鏡可放大幾十萬倍（見光學金相檢驗）。鋼和鑄鐵都是在鐵中加入碳和其他合金元素形成的合金,其中,含碳量為0.77%的鋼稱為共析鋼；含碳量低於0.77%的鋼稱為亞共析鋼；含碳量為0.77～2.11%的鋼稱為過共析鋼；含碳量高於2.11%的稱為鑄鐵。不同含碳量和合金成分的鋼或鑄鐵，其顯微組織各不相同。同一成分的鋼或鑄鐵，經過不同的金屬熱處理後也具有不同的顯微組織（圖1）。不同的顯微組織具有不同的性能，因此鋼鐵可以通過熱處理獲得不同的性能。鋼鐵顯微組織分析是研究鋼鐵和評定鋼鐵製品質量的重要手段。
固態鋼鐵中的相相是鋼鐵顯微組織的基本組成單元。圖2c中白亮的基體和白色的條狀物便是兩種不同的相。兩種相之間有明顯的分界面。同一種相的內部，化學成分、原子排列方式和各種性能基本一致。液態的鋼或鑄鐵中只有一種相，即液相。固態鋼鐵中可能出現多種不同的相，大致可以把它們分為固溶體和化合物兩大類。
固溶體碳或其他合金元素固溶於鐵中形成的固態溶體。固態純鐵在不同的溫度範圍內有 3種不同的原子排列方式，分別稱為α 鐵、γ鐵和δ鐵。碳或其他合金元素溶入α 鐵形成的固溶體稱為鐵素體；溶入 γ鐵形成的固溶體稱為奧氏體；溶入 δ鐵形成的固溶體稱為 δ固溶體。與溶液相似，固溶體的溶解度也隨溫度的升降而增減。
化合物碳、鐵或某些合金元素之間都可以形成化合物。鋼鐵中最常見的是碳與鐵形成的化合物，分子式為Fe3C（含碳6.67%）,稱為滲碳體。這種化合物硬度很高，但很脆。
鋼鐵在加熱或冷卻時，其中的一些相會轉變為另一些相，即發生相變。在緩慢加熱或冷卻條件下發生的相變是平衡相變,轉變產物是穩定的組織,即平衡組織。快速加熱、特別是快速冷卻時則會發生不平衡相變，形成不穩定的組織，即不平衡組織。一旦原子有了足夠的活動能力而且有足夠時間完成某些運動，不平衡組織會重新轉變為平衡組織。
純鐵本身在加熱和冷卻時會發生液相與δ鐵、δ鐵與γ鐵、γ鐵與α 鐵3種相互轉變。鋼和鑄鐵在加熱和冷卻時會發生更多種的相變。鐵碳合金平衡相圖能較全面地反映碳鋼和鑄鐵發生平衡相變的情況。
鐵碳合金平衡相圖圖1中各條曲線表明含碳量不同的碳鋼和鑄鐵發生各種平衡相變的溫度。各曲線之間的區域稱為相區。相區中所標符號L、δ、A、F 和Fe3C，分別代表液相、δ固溶體、奧氏體、鐵素體和滲碳體。這些相區反映不同含碳量的碳鋼和鑄鐵在不同溫度下穩定存在的相。如含碳 0.4%的碳鋼在810℃位於奧氏體相區,表明此時這種鋼中穩定存在的相只是單一的奧氏體(A)。當這種鋼由高溫緩慢冷卻時,大約在770℃開始發生平衡相變，出現鐵素體（F）。冷到727℃時發生新的平衡相變，奧氏體全部消失,轉變成鐵素體和滲碳體(F+Fe3C)。對這種鋼來說，770℃是它的上臨界點（用A3或Ac33代表）。727℃是它的下臨界點(用A1或 Ac31代表)。金屬熱處理時常用的臨界點如表。
鐵碳合金平衡相圖中有ECF 和PSK兩條水平線。在ECF 線所對應的溫度(1148℃)下,發生由含碳4.3%的液相轉變為含碳 2.11%的奧氏體和滲碳體的特殊相變（共晶反應），形成一種叫做萊氏體的組織（A和 Fe3C的共晶混合物）。在PSK 線對應的溫度(727℃)下,發生由含碳0.77%的奧氏體轉變為鐵素體和滲碳體的特殊相變（共析反應），形成一種叫做珠光體的組織（F 和Fe3C的共析混合物）。鐵碳合金平衡相圖只反映碳鋼和鑄鐵的平衡相變和平衡組織，不反映它們的不平衡相變和不平衡組織。
鋼鐵中的平衡組織和不平衡組織常見的有珠光體、貝氏體、馬氏體和萊氏體。
珠光體(P)鐵素體和滲碳體兩相呈片層狀相間排列的組織（圖2a），因在顯微鏡下顯出珠母殼光澤，故名。珠光體有良好的綜合力學性能，即強度與塑性有良好的配合。它的強度和硬度隨片層間距的減小而增高。片層間距較小，在金相顯微鏡下已難於分辨片層間距的細珠光體，稱為索氏體。片層間距更小，只有在電子顯微鏡下才能分辨出片層的極細珠光體，稱為托氏體。奧氏體轉變為索氏體的溫度,比轉變為珠光體時低,轉變為托氏體的溫度更低。對碳鋼來說，只有含碳量為0.77%的共析鋼，其顯微組織才是單純珠光體。含碳量較低的鋼，顯微組織中除珠光體外還會出現鐵素體（圖2b）；含碳量較高的鋼在顯微組織中除珠光體外還會出現滲碳體。
貝氏體(B)也是鐵素體和滲碳體兩相混合組織，以美國人E.C.貝茵命名。貝氏體又分為上貝氏體和下貝氏體。上貝氏體中的滲碳體呈斷續片狀，分布於鐵素體片之間(圖2c）。下貝氏體中的滲碳體以小片狀分布於鐵素體片內（圖2d）。生成上貝氏體的溫度比托氏體還低，生成下貝氏體的溫度則更低。下貝氏體具有比托氏體更好的綜合力學性能。貝氏體屬於不平衡組織。
馬氏體(Μ)由奧氏體（圖2e）轉變而成的固溶體，以德國人A.馬滕斯命名。其含碳量與奧氏體母體相同。由奧氏體生成馬氏體的溫度比下貝氏體還低。奧氏體開始轉變為馬氏體的溫度稱為上馬氏體點,用ΜS代表。馬氏體的形態一般為片狀或板條狀（圖2f、g）。它是一種不平衡組織，有很高的強度和硬度，其含碳量越高，硬度越高。片狀馬氏體性脆，板條馬氏體韌性較高。
萊氏體(Ldd)短棒狀珠光體均勻分布在滲碳體基體上的混合組織(圖2h)以德國人A.萊德堡命名。它是白口鑄鐵中的常見組織，萊氏體硬度很高，但很脆。在鑄鐵中，碳還會以獨立的石墨片或石墨球出現於顯微組織中。
奧氏體等溫轉變和連續冷卻轉變圖鋼經加熱形成奧氏體後，冷卻到相變點以下的不同溫度區間內等溫保持時，過冷奧氏體發生相變，形成不同的相。如果在不同溫度等溫保持，記下開始相變和終止相變的時間，在以溫度為縱坐標，以時間的對數值為橫坐標的圖上分別聯成曲線，就繪成奧氏體等溫轉變圖。這個圖的曲線因鋼的成分不同而不同，奧氏體化溫度和鋼的晶粒度對它也有影響。圖3是含碳0.77%的共析鋼的奧氏體等溫轉變圖。這個曲線圖表明了等溫處理時，溫度、時間和相變數三者之間的關係。
實際上，鋼鐵熱處理的冷卻過程大多是連續進行的。因而，將加熱到奧氏體狀態的鋼以各種不同速度冷卻到室溫（或室溫以下），在冷卻中途記取轉變開始和終止（或一定轉變數）時的溫度和時間，就可得到相應的連續冷卻轉變圖（圖4）。利用這個圖就可以預測在不同淬冷介質（不同的冷卻速度）中冷卻時所獲得的不同的相組成。
參考書目
王健安編：《金屬學與熱處理》,機械工業出版社,北京，1980。
