关于金相组织的基本知识

1、. 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-FeC）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+，L+，L+Fe3C，+，+，+Fe3C，+Fe3C鉄碳相图中的特性点；A点 1538 （C） 0% 纯铁的熔点； B点 149

2、5 （C）0.53% 包晶转变时液态合金的成分；C点 1148 （C） 0.43% 共晶点； D点 1227 （C）6.69% 渗碳体的熔点；E点 1148 （C） 2.11% 碳在-Fe中的最大溶解度； G点 912 （C） 0% -Fe-Fe 转变温度；H点 1495 （C） 0.09% 碳在-Fe中的最大溶解度； J点 1495 （C） 包晶点；K点 727 （C） 6.69% 渗碳体的成分； M点 700 （C） 0%纯铁的磁性转变点；N点 1394 （C） 0% -Fe-Fe的转变温度； P点 727 （C） 0.0218% 碳在-Fe中的最大溶解度；S点 727 （C） 0.77%

3、 共析点； Q点 600 （C） 0.0057% 600时碳在-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+hj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

4、成的混合物，称为莱氏体，用Ld表示；反应式为：LdE+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：sp+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

5、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Fe3C，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Fe3C。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F

6、e-FeC系结晶的为铸铁；碳以FeC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C0.0218%；其合金溶液向固体转变时候，按匀晶转变结晶出固溶体，固溶体继续冷却开始发生固溶体的同素异构转变；奥氏体的晶核通常优先在相界上形成并长大，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C0.77%；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0.770.0218Fe-FeC，转变产物为珠光体；

7、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C0.0210.77%；合金碳的质量分数为0.4%在液体向固体转变按匀晶析出固溶体；冷却固体时发生包晶转变LB+HJ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

8、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C0.772.11%；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C4.30%；亚共晶白口铁C2.114.30%；过共晶白口铁C4.306.69%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，

9、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；0.250.6%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-Fe中的固溶体，在合金钢中则是碳和合金元素

10、固溶于-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-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-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

11、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188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8

12、00HV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

13、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150450nm5）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350550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

14、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5560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Fe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

15、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。这是板条马氏体和针状马氏体形态 针状马氏体（片状马氏体）特征在一个奥氏体晶粒内形成的第一片马氏体针较粗大，往往横贯整个奥氏体晶粒，将奥氏体晶粒加以分割，使以后形成的马氏体针大小受到限制，因此针状马氏体的大小不一，但分布有一定的规律，基本按近似60度角分布。而且针叶中有一中脊面，含碳量越高，越明显并在马氏体周围有残余奥氏体伴随；由于针状马氏体的形成在较低温度，故自回火现象很弱，在用相同试剂腐蚀时，其

16、比板条明亮。回火马氏体，是经低温回火的产物；特征仍具有马氏体针状特征，腐蚀后显示的颜色比淬火马氏体深；光镜下于下贝类似。 板条马氏体形貌 左图是板条马氏体形貌； 右图是片状马氏体形貌45钢马氏体形貌500倍 7）回火索氏体，用S表示；是经过高温回火的产物，由于回火温度较高，碳化物进一步聚集长大，其特征是：铁素体+细小颗粒状碳化物；在光镜下能分辨组织形态，又称调质组织，具有良好的强度和韧性的配合。这图是淬火高温回火索氏体组织形貌；电镜下索氏体形貌索氏体即细珠光体，片距较小，在高倍光镜下才能分辨出其特征；片间距为80150nm 8）回火屈氏体，用T表示；其是淬火钢经中温回火后的产物，特征是：马氏体

17、针状形态将逐步消失，但仍隐约可见（某些合金钢、特别含Cr等元素的钢，由于合金铁素体的再结晶温度较高，故仍保持明显的针状形态），回火时析出的碳化物细小，在光镜下难以分辨，只有在电子显微镜下可以看到碳化物颗粒。中温回火屈氏体（托氏体）形貌电镜下屈氏体形貌屈氏体片距很小，极细珠光体，光镜下无法看清片层状，只能看到黑团状，在电镜下可以分辨；间距为3080nm的珠光体粒贝氏体形态； 粒状贝氏体是近年来在一些中低碳合金钢中发现的一种贝氏体组织，形成于上贝氏体转变区上限温度范围内；其特征是在粗大的块状或针状铁素体内或晶界上分布着一些孤立的形态为粒状或长条状的小岛。粒貝形貌电镜粒貝形貌黑色下贝氏体形貌下贝氏体

18、电镜形貌CCT曲线是过冷奥氏体连续冷却转变曲线，是分析连续冷却过程中奥氏体转变过成及产物组织和性能的依据。TTT曲线又称C曲线，是共析钢过冷奥氏体等温转变曲线这两条曲线都反映了不同过冷度对奥氏体转变的影响，本质上相同，因而他们之间具有内在的联系，其转变过程和转变产物类型基本上也能相互对应，特别是在高温区转变。但由于冷却条件不同，也存在显著区别的。1） 连续冷却时，过冷奥氏体转变是在一个温度范围内完成的，故连续冷却得的组织不是很均匀的，往往得到的几种组织的混合物，即使得到同一类型的组织，由于先后转变的不同温度，其弥散度也不是相同的。2） 共析碳钢连续冷却时，只有珠光体转变，而无贝氏体转变；因为当

19、冷却速度缓慢时，过冷奥氏体将全部转变为珠光体；当冷却速度过快时，过冷奥氏体在中温区的停留时间，还没达到贝氏体转变所需的孕育期，即已降低到Ms点，开始转变为马氏体。3） 连续冷却转变曲线比等温转变曲线向右向下移动，说明转变温度较低，孕育期较长，也说明从等温冷却曲线上确定的临界冷却速度比连续冷却曲线上得到的临界冷却速度大。过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT曲线）许多热处理工艺是在连续冷却过程中完成的，如炉冷退火、空冷正火、水冷淬火等。在连续冷却过程中，过冷奥氏体同样能进行等温转变时所发生的几种转变，即：珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变等，而且各个转变的温度区也与等温转变时的大致相同。在连续冷却过

20、程中，不会出现新的在等温冷却转变时所没有的转变。但是，奥氏体的连续冷却转变不同于等温转变。因为，连续冷却过程要先后通过各个转变温度区，因此可能先后发生几种转变。而且，冷却速度不同，可能发生的转变也不同，各种转变的相对量也不同，因而得到的组织和性能也不同。所以，连续冷却转变就显得复杂一些，转变规律性也不像等温转变那样明显，形成的组织也不容易区分。过冷奥氏体等温转变的规律可以用C曲线来表示出来。同样地，连续冷却转变的规律也可以用另一种C曲线表示出来，这就是“连续冷却C曲线”，也叫作“热动力学曲线”。根据英文名称字头，又称为“CCT(Continuous Cooling Transformation

21、)曲线”。作用编辑它反映了在连续冷却条件下过冷奥氏体的转变规律，是分析转变产物组织与性能的依据，也是制订热处理工艺的重要参考资料。20 世纪50 年代以后，由于实验技术的发展，才开始精确地测量许多钢的连续冷却C曲线，直接用来解决连续冷却时的转变问题。1、 魏氏体组织的形成 其形成主要决定与含碳量，转变温度（冷却速度）和奥氏体晶粒大小。在等温冷却时，魏氏体组织具有一个上限温度，在此以上不能形成；含碳量越高，晶粒越细，其上限温度也愈低。在连续冷却时，魏氏体组织只能在一定的冷却速度下形成，过慢或过快都会阻止形成；因为过慢的冷却有利于铁原子的扩散而形成网状铁素体，过快的冷却则碳原子来不及充分扩散而阻止

22、魏氏体的形成；在中等晶粒时，只有在狭窄的含碳量范围（0.150.35%C）和很快的冷却速度（约大于140度/s）下，才会形成魏氏体组织；而在粗大晶粒时，在较宽的含碳范围和较快的冷却速度下，就可以形成魏氏体组织。 其常伴着奥氏体晶粒粗大而出现，使钢的力学性能尤其韧性和冲击韧性显著降低，同时使脆性转折温度升高。在高温较快冷却往往容易出现魏氏体组织，慢冷则不易出现。一般可通过细化晶粒的正火、退火以及锻造等工艺方法加以改善消除，比较严重的可以二次正火处理改善。在实际生产中，经过锻造、锻轧、焊接的低中碳钢件或工件热处理加热温度过高的过热，经空冷或一定的速度冷却和奥氏体晶粒较粗范围内容易形成魏氏体，是一种过热组织的特征。 魏氏体组织在亚共析钢中，由高温以较快的速度冷却时，先共析的铁素体或渗碳体从奥氏体晶界上沿着奥氏体的一定晶面向晶内生长，呈针状析出。在光学显微镜下可以观察到从奥氏体晶面上生长出来的铁素体或渗碳体近似平行，呈羽毛状或三角形，其间存在着珠光体的组织。 2、先共析相形态对性能的影响网状铁素体将降低钢的疲劳性能；魏氏体铁素体对钢的抗拉强度的影响不大，但使钢的塑性与冲击韧性显著降低；魏氏体组织还使脆性转变温度升高。因此比较重要的工件一般是不允许存在的。网状渗碳体是过共析钢缓冷后的常见组织，它使钢件变脆，在淬火或加工时容易开裂。消除魏氏体措施应从产生原因着手，控制加热温