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【干貨】最強(qiáng)鐵碳相圖動(dòng)圖解析+精美金相圖

2022-06-23 11:49:13 作者：材料科學(xué)與工程來(lái)源：新材料在線、直觀學(xué)機(jī)械、材料人等分享至：

鐵碳合金是人類使用最為廣泛的金屬材料，不同成分的鐵碳合金，組織和性能也不相同。在研究和使用鋼鐵材料、制定其熱加工和熱處理工藝以及分析工藝廢品的原因時(shí)，都需要應(yīng)用鐵-碳相圖，可見鐵-碳相圖的重要性，下面小編帶大家從鐵-碳合金的典型組織、相圖剖析及平衡結(jié)晶過(guò)程三個(gè)方面一起看看那些年我們追過(guò)的鐵-碳相圖。

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鐵-碳合金典型組織

鐵素體（Ferrite）/（α-Fe）/（F）

組織：碳在α-Fe中的固溶體，體心立方晶格；

特性：碳在α-Fe中溶解度極小，室溫時(shí)僅為0.0008%，在727℃時(shí)達(dá)到最大溶解度0.0218%；性能：鐵素體的力學(xué)性能特點(diǎn)是塑性、韌性好，而強(qiáng)度、硬度低。

鐵素體的組織為多邊形晶粒，性能與純鐵相似。

鐵素體晶體結(jié)構(gòu)

鐵素體金相圖

奧氏體（Austenite）/（γ-Fe）/（A）

組織：碳溶于γ-Fe中的間隙固溶體，面心立方晶格；特性：碳在γ-Fe中的溶解度要比在α-Fe中大，在727℃時(shí)為0.77%，在1148℃時(shí)溶解度最大，可達(dá)2.11%；性能：具有一定的強(qiáng)度和硬度，塑性和韌性也好。

奧氏體組織為不規(guī)則多面體晶粒，晶界較直鋼材熱加工都在奧氏體區(qū)進(jìn)行。

奧氏體晶體結(jié)構(gòu)

奧氏體金相圖

滲碳體（Cementite）/（Fe3C）/（C）

組織：鐵和碳的化合物（Fe3C）；

特性：呈復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)的間隙化合物.含碳量為6.67%，F(xiàn)e3C是一種介穩(wěn)態(tài)相，在一定條件下會(huì)發(fā)生分解；性能：硬度很高、耐磨，但脆性很大，塑性幾乎為零。

滲碳體是鋼中的強(qiáng)化相，根據(jù)生成條件不同滲碳體有條狀、網(wǎng)狀、片狀、粒狀等形態(tài)。

滲碳體金晶體結(jié)構(gòu)

滲碳體金相圖

珠光體（Pearlite）/（P）

組織：由鐵素體+滲碳體組成的機(jī)械混合物；

特性：珠光體是過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，呈現(xiàn)珍珠般的光澤，根據(jù)轉(zhuǎn)變溫度不同珠光體分為：珠光體（P）、索氏體（S）和屈氏體（T），三者本質(zhì)并無(wú)差別，轉(zhuǎn)變溫度逐漸降低，尺寸P>S>T，；性能：力學(xué)性能介于鐵素體與滲碳體之間，強(qiáng)度較高，硬度適中，塑性和韌性較好；顯微組織為由鐵素體片與滲碳體片交替排列的片狀組織，高碳鋼經(jīng)球化退火后也可獲得球狀珠光體（也稱粒狀珠光體）。

片狀珠光體金相圖

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粒狀珠光體金相圖

萊氏體（Ledeburite）/（Ld/Ld’）

組織：萊氏體是奧氏體+滲碳體的機(jī)械混合物，727℃以下時(shí)，是珠光體+滲碳體機(jī)械混合物；特性：鑄鐵合金溶液含碳量在2.11%以上時(shí)，緩慢冷到1147℃便凝固出共晶萊氏體；1148℃~727℃之間的萊氏體稱為高溫萊氏體（Ld）；727℃以下的萊氏體稱為變態(tài)萊氏體或稱低溫萊氏體（Ld’），性能：萊氏體的力學(xué)性能與滲碳體相似，硬度很高，塑性極差，幾乎為零。

金相組織整體呈蜂窩狀，奧氏體分布在滲碳體的基體上。

萊氏體金相圖

貝氏體（Bainite）/（B）

組織：貝氏體是鐵素體+滲碳體的機(jī)械混合物，介于珠光體與馬氏體之間的一種組織；上貝氏體：形成于550~450℃，基體為鐵素體，條狀碳化物于鐵素體片邊緣析出，呈羽毛狀；下貝氏體：形成于300℃，呈細(xì)針片狀，針狀鐵素體上布有小片狀碳化物，片狀碳化物于鐵素體的長(zhǎng)軸大致是55~60度角；粒狀貝氏體：外形相當(dāng)于多邊形的鐵素體，鐵素體基體上布有顆粒狀碳化物（小島組織原為富碳奧氏體，冷卻時(shí)分解為鐵素體及碳化物，或轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或仍為富碳奧氏體顆粒）性能：上貝氏體的強(qiáng)度小于同一溫度形成的細(xì)片狀珠光體，脆性大；在低溫范圍內(nèi)，通過(guò)貝氏體轉(zhuǎn)變得到的下貝氏體具有非常好的綜合力學(xué)性能。

上貝氏體金相圖

下貝氏體金相圖

粒狀貝氏體金相圖

魏氏組織（WidmannstattenStructure）

組織：固溶體發(fā)生分解時(shí)第二相沿母相的一定晶面析出的常呈三角形、正方形或十字形分布的晶型；鐵素體魏氏組織：在亞共析鋼中，當(dāng)奧氏體以快冷速度通過(guò)Ar3～Ar1溫度區(qū)時(shí)，鐵素體片插向奧氏體晶粒內(nèi)部，這些分布在原奧氏體晶粒內(nèi)部呈片狀先共析鐵素體被稱為鐵素體魏氏組織；滲碳體魏氏組織：在過(guò)共析鋼中，奧氏體晶粒度和冷卻條件合適時(shí)，滲碳體以針狀或扁片狀、條狀出現(xiàn)在奧氏體晶粒內(nèi)部，形成滲碳體魏氏組織。

性能：粗大的魏氏組織使鋼材的塑性、韌性下降，脆性增加。

魏氏組織金相圖

馬氏體（Martensite）/（M）

組織：碳在α-Fe中的過(guò)飽和固溶體稱為馬氏體，體心正方結(jié)構(gòu)；特征：馬氏體是過(guò)冷奧氏體快速冷卻，在Ms與Mf點(diǎn)之間的切變方式發(fā)生轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，分為板條狀馬氏體（低碳）和針狀馬氏體；性能：馬氏體有很高的強(qiáng)度和硬度，但塑性很差，幾乎為零，不能承受沖擊載荷。

板條狀馬氏體：又稱低碳馬氏體，在低、中碳鋼及不銹鋼中形成，由許多成群的、相互平行排列的板條所組成的板條束。空間形狀是扁條狀的，一個(gè)奧氏體晶粒可轉(zhuǎn)變成幾個(gè)板條束（通常3到5個(gè)）；針狀馬氏體：又稱片狀馬氏體或高碳馬氏體，片狀馬氏體常見于高、中碳鋼及高Ni的Fe-Ni合金中；當(dāng)最大尺寸的馬氏體片小到光學(xué)顯微鏡無(wú)法分辨時(shí)，便稱為隱晶馬氏體。在生產(chǎn)中正常淬火得到的馬氏體，一般都是隱晶馬氏體。

板條狀馬氏體金相圖

針狀馬氏體金相圖

淬火后形成的馬氏體經(jīng)過(guò)回火還可以形成三種特殊的金相組織：

回火馬氏體：指淬火時(shí)形成的片狀馬氏體（晶體結(jié)構(gòu)為體心四方）于回火第一階段發(fā)生分解—其中的碳以過(guò)渡碳化物的形式脫溶—所形成的、在固溶體基體（晶體結(jié)構(gòu)已變?yōu)轶w心立方）內(nèi)彌散分布著極其細(xì)小的過(guò)渡碳化物薄片（與基體的界面是共格界面）的復(fù)相組織；這種組織在金相（光學(xué)）顯微鏡下即使放大到最大倍率也分辨不出其內(nèi)部構(gòu)造，只看到其整體是黑針（黑針的外形與淬火時(shí)形成的片狀馬氏體（亦稱“α馬氏體”）的白針基本相同），這種黑針?lè)Q為“回火馬氏體”。

回火馬氏體金相圖

回火索氏體：淬火馬氏體經(jīng)高溫回火后的產(chǎn)物。其特征是：索氏體基體上布有細(xì)小顆粒狀碳化物，在光鏡下能分辨清楚。這種組織又稱調(diào)質(zhì)組織，它具有良好的強(qiáng)度和韌性的配合。鐵素體上的細(xì)顆粒狀碳化物越是細(xì)小，則其硬度和強(qiáng)度稍高，韌性則稍差些；反之，硬度及強(qiáng)度較低，而韌性則高些。

回火索氏體金相圖

回火屈氏體：淬火馬氏體經(jīng)中溫回火的產(chǎn)物，其特征是：馬氏體針狀形態(tài)將逐步消失，但仍隱約可見（含鉻合金鋼，其合金鐵素體的再結(jié)晶溫度較高，故仍保持著針狀形態(tài)），析出的碳化物細(xì)小，在光鏡下難以分辨清楚，只有電鏡下才可見到碳化物顆粒，極易受侵蝕而使組織變黑。如果回火溫度偏上限或保留時(shí)間稍長(zhǎng)，則使針葉呈白色；此時(shí)碳化物偏聚于針葉邊緣，這時(shí)鋼的硬度稍低，且強(qiáng)度下降。

回火屈氏體金相圖

鐵-碳相圖剖析

鐵-碳相圖

基于Fe-Fe3C相圖的Fe-C合金分類：

工業(yè)純鐵（Pure Iron）（含碳＜0.0218%）；

亞共析鋼（Hypo-EutectoidSteel）（含碳＜0.77%）；共析鋼（Eutectoid Steel）（含碳為0.77%）；

過(guò)共析鋼（Hyper-EutectoidSteel）（含碳＞0.77%）；亞共晶白鑄鐵（Hypo-EutecticWhite Cast Iron）（含碳＜4.3%）；共晶白鑄鐵（EutecticWhite Cast Iron）（含碳為4.3%）；過(guò)共晶白鑄鐵（Hyper-EutecticWhite Cast Iron）（含碳＞4.3%）。

三大反應(yīng)：

包晶反應(yīng)（PeritecticReactions）

其特征是首先晶出之初晶固溶體與周圍殘留液體間發(fā)生反應(yīng)，而生成第二種固溶體，將原來(lái)的初晶包起來(lái)；包晶反應(yīng)式：LB + δ → AJ。

共晶反應(yīng)（Eutectic Reactions）

是由一種液體同時(shí)析出兩種不同的固體；

共晶反應(yīng)式：LC →AE +Fe3C。

共析反應(yīng)（EutectoidReactions）

是由一種固體同時(shí)析出兩種不同的固體；

共析反應(yīng)式：AS →FP +Fe3C。

特征點(diǎn)匯總表