鋼鐵材料常見金相組織簡介

在Fe-Fe3C系中，可配制多種成分不同的鐵碳合金，他們在不同溫度下的平衡組織各不相同，但由幾個基本相（鐵素體F、奧氏體A和滲碳體Fe3C）組成。這些基本相以機械混合物的形式結合，形成了鋼鐵中豐富多彩的金相組織結構。常見的金相組織有下列八種：

一、鐵素體

鐵素體（ferrite，縮寫FN，用F表示），純鐵在912℃以下為具有體心立方晶格。碳溶于α-Fe中的間隙固溶體稱為鐵素體，以符號F表示。這部分鐵素體稱為先共析鐵素體或組織上自由的鐵素體。隨形成條件不同，先共析鐵素體具有不同形態，如等軸形、沿晶形、紡錘形、鋸齒形和針狀等。鐵素體還是珠光體組織的基體。在碳鋼和低合金鋼的熱軋（正火）和退火組織中，鐵素體是主要組成相；鐵素體的成分和組織對鋼的工藝性能有重要影響，在某些場合下對鋼的使用性能也有影響。

碳溶入δ-Fe中形成間隙固溶體，呈體心立方晶格結構，因存在的溫度較高，故稱高溫鐵素體或δ固溶體，用δ表示，在1394℃以上存在，在1495℃時溶碳量*大。碳的質量分數為0.09%。

圖1：鐵素體

二、奧氏體

碳溶于γ-Fe晶格間隙中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，具有面心立方結構，為高溫相，用符號A表示。奧氏體在1148℃有*大溶解度2.11%C，727℃時可固溶0.77%C；強度和硬度比鐵素體高，塑性和韌性良好，并且無磁性，具體力學性能與含碳量和晶粒大小有關，一般為170~220 HBS、 =40~50%。TRIP鋼（變塑鋼）即是基于奧氏體塑性、柔韌性良好的基礎開發的鋼材，利用殘余奧氏體的應變誘發相變及相變誘發塑性提高了鋼板的塑性，并改善了鋼板的成形性能。碳素或合金結構鋼中的奧氏體在冷卻過程中轉變為其他相，只有在高碳鋼和滲碳鋼滲碳高溫淬火后，奧氏體才能殘留在馬氏體的間隙中存在，其金相組織由于不易受侵蝕而呈白色。

三、滲碳體

滲碳體（cementite），指鐵碳合金按亞穩定平衡系統凝固和冷卻轉變時析出的Fe3C型碳化物。滲碳體的分子式為 Fe3C ，它是一種具有復雜晶格結構的間隙化合物。分為一次滲碳體（從液體相中析出）、二次滲碳體（從奧氏體中析出）和三次滲碳體（從鐵素體中析出）。

圖2：滲碳體

四、珠光體

珠光體是由鐵素體和滲碳體組成的機械混合物，用符號P表示。其力學性能介于鐵素體和滲碳體之間，強度較高，硬度適中，有一定的塑性。珠光體是鋼的共析轉變產物，其形態是鐵素體和滲碳體彼此相間形如指紋，呈層狀排列。按碳化物分布形態又可分為片狀珠光體和粒狀珠光體二種。

（1）片狀珠光體：又可分為粗片狀、中片狀和細片狀三種。

（2）粒狀珠光體：經球化退火獲得，滲碳體成球粒狀分布在鐵素體基體上；滲碳體球粒大小，取決于球化退火工藝，特別是冷卻速度。粒狀珠光體可分為粗球狀、球狀、細球狀和點狀四種珠光體。       

圖3：片狀珠光體 

圖4 ：粒狀珠光體

五、貝氏體

奧氏體鋼等溫淬火后的產物。是將鋼件奧氏體化，使之快冷到貝氏體轉變溫度區間（260～400℃）等溫保持，使奧氏體轉變為貝氏體。貝氏體具有較高的強韌性配合。在硬度相同的情況下貝氏體組織的耐磨性明顯優于馬氏體，可以達到馬氏體的1~3倍

（1）上貝氏體：上貝氏體特征是：條狀鐵素體大體平行排列，其間分布有與鐵素體針軸平行的細條狀（或細短桿狀）滲碳體，呈羽毛狀。

（2）下貝氏體：呈細針片狀，有一定取向，較淬火馬氏體易受侵蝕，極似回火馬氏體，在光鏡下極難區別，在電鏡下極易區分；在針狀鐵素體內沉淀有碳化物，且其排列取向與鐵素體片的長軸成55~60度，下貝氏體內不含孿晶，有較多的位錯。

（3）粒狀貝氏體：外形相當于多邊形的鐵素體，內有許多不規則小島狀的組織。

圖5 ：貝氏體

六、 魏氏組織

不易鋅火鋼焊接熱影響區中的過熱區，由于奧氏體晶粒長得非常粗大，這種粗大的奧氏體在較快的冷卻速度下會形成一種特殊的過熱組織。區焊接熱影響中的過熱區，由于奧氏體晶粒長得非常粗大，這種粗大的奧氏體在較快的冷卻速度下會形成一種特殊的過熱組織，其組織特征為在一個粗大的奧氏體晶粒內會形成許多平行的鐵素體(滲碳體)針片，在鐵素體針片之間的剩余奧氏體*后轉變為珠光體，這種過熱組織稱為鐵素體(滲碳體)魏氏組織。 

簡單說來，就是在奧氏體晶粒較粗大，冷卻速度適宜時，鋼中的先共析相以針片狀形態與片狀珠光體混合存在的復相組織。  魏氏組織不僅晶粒粗大，而且由于大量鐵素體針片形成的脆弱面，使金屬的的柔韌性急速下降，這是不易淬火鋼焊接接頭變脆的一個主要原因。

  圖6 ：鐵素體魏氏組織     圖7 ：滲碳體位置組織

七、馬氏體

馬氏體（martensite），另稱麻田散鐵（若母相元素為鐵，則可稱為麻田散鐵），是黑色金屬材料的一種組織名稱，中高碳鋼中加速冷卻通常能夠獲得這種組織。其為純金屬或合金從某一固相轉變成另一固相時的產物；在轉變過程中，原子不擴散，化學成分不改變，但晶格發生變化，同時新舊相間維持一定的位向關系并且具有切變共格的特征。*先由德國冶金學家 Adolf Martens(1850-1914)于19世紀90年代在一種硬礦物中發現。馬氏體的三維組織形態通常有片狀（plate）或者板條狀（lath），但是在金相觀察中（二維）通常表現為針狀（needle-shaped），這也是為什么在一些地方通常描述為針狀的原因。馬氏體的晶體結構為體心四方結構（BCT）。高的強度和硬度是鋼中馬氏體的主要特征之一。

板條狀馬氏體：又稱低碳馬氏體。由于板條狀馬氏體形成的溫度較高，在冷卻過程中，必然發生自回火現象，在形成的馬氏體內部析出碳化物，故它易受侵蝕發暗。

針狀馬氏體：又稱片狀馬氏體或高碳馬氏體，它的基本特征是：在一個奧氏體晶粒內形成的**片馬氏體片較粗大，往往貫穿整個晶粒，將奧氏體晶粒加以分割，使以后形成的馬氏體大小受到限制，因此片狀馬氏體的大小不一，分布無規則。

（3）淬火后形成的馬氏體經過回火還可以形成三種特殊的金相組織：

（i）回火馬氏體：指淬火時形成的片狀馬氏體（晶體結構為體心四方）于回火**階段發生分解—其中的碳以過渡碳化物的形式脫溶—所形成的、在固溶體基體（晶體結構已變為體心立方）內彌散分布著極其細小的過渡碳化物薄片（與基體的界面是共格界面）的復相組織；這種組織在金相（光學）顯微鏡下即使放大到*大倍率也分辨不出其內部構造，只看到其整體是黑針（黑針的外形與淬火時形成的片狀馬氏體（亦稱“α馬氏體”）的白針基本相同），這種黑針稱為“回火馬氏體”。

（ii）回火屈氏體：淬火馬氏體經中溫回火的產物，其特征是：馬氏體針狀形態將逐步消失，但仍隱約可見（含鉻合金鋼，其合金鐵素體的再結晶溫度較高，故仍保持著針狀形態），析出的碳化物細小，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間稍長，則使針葉呈白色；此時碳化物偏聚于針葉邊緣，這時鋼的硬度稍低，且強度下降。

（iii）回火索氏體：淬火馬氏體經高溫回火后的產物。其特征是：索氏體基體上布有細小顆粒狀碳化物，在光鏡下能分辨清楚。這種組織又稱調質組織，它具有良好的強度和韌性的配合。

圖8：針狀馬氏體

圖9：回火索氏體

八、萊氏體

萊氏體是鋼鐵材料基本組織結構中的一種，常溫下為珠光體、滲碳體和共晶滲碳體的混合物。由液態鐵碳合金發生共晶轉變形成的奧氏體和滲碳體所組成，其含碳量為ωc=4.3%。是1882年阿道夫·萊德布爾發現的。

液態鐵碳合金在1147℃左右會發生共晶轉變，含碳量為4.3%的液態鐵碳合金會轉化為含碳量為2.11%的 奧氏體和6.67%的滲碳體兩種晶體的機械混合物，其比例大約是1：1。L4.3%→Ld(γ2.11%+Fe3C）隨著溫度的降低，萊氏體中總碳含量組成不變，但其中的組分奧氏體和滲碳體的比例在發生改變。當溫度降到727℃以下時，萊氏體中的奧氏體成分會發生 共析轉變，生成 鐵素體和滲碳體層狀分布的 珠光體。γ0.77%→P(α0.0218%+Fe3C)，所以727℃以下時，萊氏體分解生成 鐵素體和滲碳體層狀分布的 珠光體。

圖10：萊氏體