钢铁材料微观结构与性能的关系Word格式.docx
- 文档编号:22377678
- 上传时间:2023-02-03
- 格式:DOCX
- 页数:10
- 大小:44.32KB
钢铁材料微观结构与性能的关系Word格式.docx
《钢铁材料微观结构与性能的关系Word格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《钢铁材料微观结构与性能的关系Word格式.docx(10页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
如何在材料成分基本固定的情况下,有效地提高性能成为材料科学与工程的一个重要研究方向。
其中一个重要的方法就是改变材料内部的组织结构。
在温度和压力等外部环境改变时,材料内部的原子排列方式、有序程度、局部化学成分等组织结构的变化,成为相变,相变过程直接影响材料的力学、物理学、化学性能。
迄今为止,改变材料组织结构是改变金属材料性能的重要方法之一。
以目前工业使用量最大的金属材料-钢铁为例,通过改变其组织结构,可以使强度提高或降低几倍。
这样可以根据需要使钢铁材料变软以便于冷热加工成形,加工后进行热处理,可以安全长期使用。
因此,研究材料组织和性能的关系就变得十分有意义了。
Fe-C合金中的微观结构有奥氏体,珠光体、马氏体、贝氏体等,不同的结构就产生了相应的材料性能。
本文就简单分析了Fe-C合金中的几种微观组织结构及其对材料性能所带来的影响。
2奥氏体微观结构及其特点
2.1奥氏体晶体结构
奥氏体是碳在面心立方结构的铁(γ-Fe)中形成的固溶体,以γ(或A)表示。
奥氏体的组织形态与原始组织、加热速度、加热转变的程度有关。
通常情况下为多边形的等轴晶粒(图2),晶粒内部往往存在孪晶。
经过X射线衍射证明,奥氏体中碳原子位于γ-Fe的八面体间隙中,即面心立方点阵晶胞的中心或棱边的中心,如图3所示。
图2图3
按照γ-Fe中所有八面体间隙都被碳原子填满来计算,奥氏体中的最大含碳量应为20%,但实际上由于碳原子进入间隙后会一起点阵畸变,使碳原子不能像图3所示那样填满每一个间隙,实际测得的奥氏体最大含碳量为2.11%(1148oC)。
根据奥氏体中的最大含碳量计算,大约2—3个γ-Fe晶胞中才含有一个C原子。
γ-Fe的点阵常数为3.64A,C原子的存在使奥氏体点阵常数增大。
合金元素如Mn,Si,Cr,Ni等能够置换γ-Fe中的Fe原子而形成置换固溶体。
置换原子的存在也会引起点阵常数的改变,使晶格产生畸变。
点阵常数改变的大小和晶格畸变的程度取决于C原子的数量、合金元素原子半径发Fe原子半径的差异及它们的含量。
2.2奥氏体的性能
奥氏体是碳钢中的高温稳定相,当加入适量的合金元素时,可使奥氏体在室温成为稳定相。
因此,奥氏体可以是钢在使用时的一种组织状态,在奥氏体状态使用的钢称为奥氏体钢。
a.力学性能
奥氏体的面心立方结构使其具有高的塑性和低的屈服强度,容易进行塑性变形加工成形,所以钢常常在奥氏体稳定存在的高温区域进行加工。
在奥氏体中加入镍、锰等元素,可以得到室温下具有奥氏体组织的奥氏体钢。
奥氏体的再结晶温度高,具有较好的热强性。
b.物理性能
奥氏体是顺磁性,利用这一性质可研究钢中与奥氏体相关的相变,奥氏体是无磁钢,可用于变压器、电磁铁等无磁结构材料。
奥氏体与其他组织相比,因为具有最密排的点阵结构,致密度高,因而比容最小。
例如在含0.80%C的钢中,奥氏体、铁素体和马氏体的比容分别为1.23399×
10-4,1.2708×
10-4,1.2915×
10-4m3/kg。
3珠光体微观结构及其特点
珠光体是由共析铁素体和共析渗碳体有机结合的整合组织,铁素体及碳化物俩相是成比例的,有一定相对量。
该铁素体和碳化物是从奥氏体中共析共生出来的,且俩相有一定位相关系。
3.1珠光体微观结构
a.珠光体晶体学
图4
珠光体是由共析铁素体和共析渗碳体有机结合的整合组织,其中铁素体的晶体结构为体心立方;
渗碳体的晶体结构为复杂的斜方结构。
投射电镜观察表明,在退火状态下,珠光体的铁素体中位错密度较小,渗碳体中位置密度更小。
片状珠光体中铁素体与渗碳体片俩相交界处常有较高位错密度,如图4所示。
珠光体形成时,新相(铁素体和渗碳体)与母相(奥氏体)有着一定的晶体学位向关系,其关系为:
{110}α//{112}γ,<
1-11>
α//<
0-11>
γ
在共析钢中,先共析铁素体与奥氏体的位向关系为:
{111}α//{110}γ,<
110>
011>
γ
在一个珠光体团中,铁素体与渗碳体的晶体位向关系基本是固定的,俩相间存在一定位向关系,这种关系通常有俩类:
第一类{001}cem//{2-1-1}α,<
100>
cem//<
01-1>
α,<
010>
111>
α
第二类{001}cem//{5-2-1}α,<
13-1>
α(相差2036’),<
113>
α(相差2036’)
第一类位向关系,是珠光体晶核在奥氏体晶界上测出的;
第二类位向关系,是珠光体晶核在纯奥氏体晶界上产生时测出的。
b.珠光体的组织形态
共析成分的奥氏体过冷到A1稍下的温度将发生共析分解,形成珠光体组织。
珠光体组织有片状珠光体和粒状珠光体俩种组织形态。
片状珠光体典型形态是片状的(或层状的),如图5所示。
片状珠光体的粗细可用片层间距来衡量,根据片层间距的大小可以进一步分为珠光体、索氏体和屈氏体。
高温形成的珠光体比较粗,低温形成的比较细。
粒状珠光体的渗碳体以颗粒状分布于铁素体基体上,如图6所示。
按渗碳体颗粒的大小,分为粗粒状珠光体、粒状珠光体、细粒状珠光体和点状珠光体。
图5图6
3.2珠光体力学性能
a.片状珠光体力学性能
片状珠光体主要与片层间距、珠光体团直径、珠光体中铁素体片的亚晶粒尺寸和原始奥氏体晶粒大小有密切关系。
片状珠光体的片层间距对强度和塑性都有一定影响,珠光体的片层间距越小,强度越高,塑性越大。
主要原因是铁素体和渗碳体片薄时,相界面增多,在外力作用下,抗塑性变形能力增大。
而且由于铁素体、渗碳体片很薄,会使钢的塑性变形能力增大。
珠光体团直径减小,表明单位体积内片排列方向增多,使局部发生大量塑性变形引起应力集中的可能性减小,因而既提高了强度又提高了塑性。
b.粒状珠光体力学性能
粒状珠光体力学性能主要取决于渗碳体颗粒大小、数量、分布。
渗碳体颗粒越小,分散越均匀,硬度和强度越高。
在成分相同的情况下,粒状珠光体的硬度、强度比片状珠光体的低,但塑性韧性好,具有良好的综合力学性能。
这是由于粒状珠光体比片状珠光体具有较少的相界面,铁素体中位错易于滑动,故使塑性变形抗力减小,另一方面,由于相界面少,界面上位错塞积就多,正应力大,易于开裂。
这两方面的因素均使强度降低。
另外就是,渗碳体呈颗粒状,没有尖角,不易产生应力集中,所以粒状珠光体的塑性好。
c.派登处理
派登处理用于高碳钢的强韧化处理,使高碳钢获得细珠光体,再经过深度冷拔,获得高强度钢丝。
细珠光体具有良好的冷拔性能,由于片层间距较小,使滑移可沿最短途径进行。
同时,由于渗碳体片很薄,在强烈塑性变形时,能够弹性弯曲,故塑性变形能力增强。
片状珠光体由于塑性变形而使强度增高,主要是由于冷塑性变形使亚晶粒细化和位错密度增大,形成由许多位错网组成的位错壁,而且这种位错壁彼此间距随变形量增大而减小。
强化程度随变形量增大而增大。
4马氏体微观结构及其特点
4.1马氏体微光结构
a.马氏体晶体学
钢中马氏体晶体结构与α-Fe结构不同,但有相似之处。
马氏体晶体结构为体心立方或体心正方结构(图7),c轴与a轴比值称为正方度,c/a=1时,为体心立方,通常马氏体正方度大于1。
且随钢中含碳量变化而变化,含碳量越高,c/a越大,因此钢中马氏体晶体结构被认为是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。
图7
马氏体转变时,不仅新相和母相有一定位向关系,而且马氏体晶面或界面常与母相点阵某一晶面接近平行,相差几度之内,称为惯习面,它以平行母相的晶面指数来表示。
因为马氏体转变以共格切边的方式进行,马氏体惯习面随含碳量变化而异,常见有三种:
(111)γ,(225)γ,(259)γ.含碳量低时(小于0.6%),惯习面为低指数晶面(111)γ,含碳量高时,惯习面为高指数晶面。
b.马氏体组织形态
马氏体形态可分为板条状、针片状、蝶形、薄板、薄片状马氏体等。
板条状马氏体可以是扁条或薄板状。
内部存在大量位错,其是在低,中碳钢及不锈钢中形成,由许多马氏体板条集合而成;
针状马氏体存在于中、高碳钢,其形态立体呈双凸透镜,平面形态呈针状或竹叶状,中间有直线;
蝶状马氏体形成温度在板条和透镜马氏体形成温度之间,亚结构以位错为主,有少量孪晶;
薄板装马氏体主要形态为薄板状,厚度为3-10微米。
一般金相表面呈现宽窄一致的平直带,内部亚结构为孪晶;
薄片状马氏体晶体结构为秘排立方结构,亚结构为大量层错。
4.2马氏体力学性能
a.马氏体的硬度与强度
马氏体主要特点是高硬度和高强度。
其物理本质是由其组织结构决定的。
其主要强化机理如下:
(1)相变强化,马氏体相变时发生不均匀切变,产生了大量位错、孪晶、空位等缺陷。
(2)固溶强化,碳原子溶入形成过饱和固溶体,使晶格产生严重畸变。
(3)时效强化,通常淬火后要经过回火,这个过程将形成碳原子偏聚区或析出碳化物。
(4)马氏体形态和大小,孪晶的强化作用高于位错,原始奥氏体晶粒和马氏体板条越细,强度越高。
奥氏体和马氏体中的C原子处于Fe原子组成的八面体间隙中心,但是奥氏体的碳原子处于正八面体中心,碳原子溶入时,引起对称畸变,沿着三个对角线方向的伸长是相等的;
而马氏体中的八面体是扁八面体,碳原子的溶入使阵点发生不对称畸变,即短轴伸长,长轴稍有缩短,形成畸变耦极,造成一个强烈应力场,阻碍位错运动,从而使得马氏体强度和硬度显著提高。
b.马氏体的韧性和塑性
马氏体韧性受含碳量和亚结构影响,所以在相当大范围内变化,对于结构钢,位错马氏体的断裂韧性显著高于孪晶马氏体。
位错型马氏体具有较高的强度、硬度和良好的塑性韧性;
孪晶型马氏体强度硬度高,但塑性韧性较差。
5结论
对于钢铁材料,不同的内部结构决定了材料的不同性能。
钢铁材料中的主要结构包括奥氏体结构、珠光体结构、马氏体结构、贝氏体结构等。
通过上文中对奥氏体、珠光体、马氏体结构及其性能。
初步了解了钢铁内部结构对材料性能的影响。
主要结论总结如下:
(1)Fe-C合金中存在着不同的组织形态,不同的组织结构决定了材料的不同性能。
(2)Fe-C合金微观组织结构主要包括奥氏体结构、珠光体结构、马氏体结构、贝氏体结构等。
(3)奥氏体是碳在面心立方结构的铁(γ-Fe)中形成的固溶体,奥氏体的面心立方结构使其具有高的塑性和低的屈服强度,容易进行塑性变形加工成形,所以钢常常在奥氏体稳定存在的高温区域进行加工。
(4)珠光体是由共析铁素体和共析渗碳体有机结合的整合组织,片状珠光体的片层间距对强度和塑性都有一定影响,珠光体的片层间距越小,强度越高,塑性越大。
粒状珠光体的硬度、强度比片状珠光体的低,但塑性韧性好,具有良好的综合力学性能。
(5)马氏体晶体结构为体心立方或体心正方结构,主要特点是高硬度和高强度。
主要原因是马氏体中的八面体是扁八面体,碳原子的溶入使阵点发生不对称畸变,造成一个强烈应力场,阻碍位错运动,从而使得马氏体强度和硬度显著提高。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 钢铁 材料 微观 结构 性能 关系
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)