钢的金相组织与控制轧制.pdf

钢的金相组织与控制轧制第一节铁碳平衡图与钢的组织结构铁碳平衡相图钢是指以铁 (Ｆｅ )为基体与含量不大于２.０%的碳组成的合金不同成分的铁碳合金在不同的温度下有不同的组织状态，把在十分缓慢冷却速度得到的反映铁碳合金结构状态和温度成分之间关系的一种图解称为铁碳合金结构状态图或称为铁碳平衡图，图 5-1 铁碳平衡图第二节钢的金相组织与转变钢在加热和冷却时发生相转变的温度叫临界点或临界温度在实际加热和冷却时，钢的相变与平衡状态不一样，它并不是按照图4—1 所示的温度进行，而往往是在一定的过热或过冷情况下进行 这样就使得加热和冷却时的实际临界点不在同一温度上通常把加热时的临界点下标字母“c”，如 Ac1、 Ac3、Accm等，把冷却时的临界点下标字母“r”，如 Ar1、Ar3、Arcm等对钢而言常见的临界点有：A1——在平衡状态下，奥氏体、铁素体、渗碳体共存的温度，也就是一般所说的下临界点在铁碳合金状态图上为PSK 共析转变线A3——亚共析钢在平衡状态下，奥氏体和铁素体共存的最高温度，也就是一般所 说的上临界点在铁碳合金状态图上为GS 线Acm——过共析钢在平衡状态下，奥氏体和渗碳体共存的最高温度，也就是共析钢的上临界点，在铁碳合金状态图上为ES 线Ac1——钢加热时所有珠光体都转变为奥氏体的温度. Ac3——亚共析钢在平衡状态下,所有铁素体都转变为奥氏体的温度. Accm——过共析钢加热时,所有渗碳体都溶于奥氏体的温度。

Ar1——高温奥氏体化的钢冷却时，奥氏体转变为珠光体的温度Ar3——高温奥氏体化的亚共析钢冷却时铁素体开始析出的温度Arcm——高温奥氏体化的过共析钢冷却时，渗碳体开始析出的温度○ 1奥氏体（ A）碳在面心立方晶格铁中的固溶体叫奥氏体由于面心立方铁原子间的空隙较大，所以碳在其中的溶解度要比碳在体心立方铁中的溶解度大得多在1130℃时碳的溶解量最大（2.11%）；而在723℃时碳的溶解量只有0.77%奥氏体的强度、硬度并不高，但塑性、韧性都很好因此，热轧一般在奥氏体状态下进行○ 2铁素体（ α）碳在体心立方晶格铁中的固溶体叫铁素体由于体心立方铁原子间的空隙很小，所以碳在其中的溶解度极小，室温下只能溶解0.006%随着温度的升高碳的溶解量略有增加，在723℃时碳的溶解量最大（0.025%）铁素体质很软，强度低，延展性好○ 3渗碳体（ Fe3C）渗碳体是铁和碳的化合物，它的晶格形式为密排六方在缓慢冷却的钢中，几乎全部的碳都与铁结合成化合物，以Fe3C 形式存在其中铁原子数与碳原子数之比为3：1渗碳体的性质硬而脆碳在渗碳体中的溶解量为6.67%高碳钢含渗碳体比中碳钢和低碳钢多， 其硬度值也比中、 低碳钢大。

在钢中加入合金元素形成合金碳化物后，其硬度更高，有些在高温状态下也能保持高硬度○ 4珠光体（ Z）铁素体和渗碳体在723℃至室温时组成的机械混合物叫珠光体，因其显微组织有指纹状的珍珠光泽故得名从铁碳合金状态图上可以看到珠光体的含碳量为0.77%左右 渗碳体中碳与铁的相对含量大约为1/15，而珠光体中渗碳体与铁素体的相对量大约为1/8这样当钢的含碳量为0.1%时，在钢中就有12%的珠光体和88%的铁素体；当钢的含碳量为0.5%时，则有 60%的珠光体和40%的铁素体；当钢的含碳量为0.77%时，其组织是100%的珠光体珠光体的机械性能介于铁素体和渗碳体之间，强度、硬度适中、并不脆，这是因为珠光体中的渗碳体量比铁素体量少得多的缘故片层间距较小，在金相显微镜下已难于分辨片层间距的细珠光体，称为索氏体片层间距更小，只有在电子显微镜下才能分辨出片层的极细珠光体，称为托氏体奥氏体转变为索氏体的温度,比转变为珠光体时低,转变为托氏体的温度更低○ 5贝氏体（ B）贝氏体是由铁素体和碳化物结合而成的奥.氏体的分解产物 如果贝氏体是在温度范围的上部分形成的，它就呈现羽毛状；而如果贝氏体是在温度范围的下部分形成的，则呈针状。

硬度随着转变温度的降低而增加这是由于在低温下形成的贝氏体中的碳化物分布比较致密贝氏体的显微组织通常比珠光体要硬，且韧性较好下贝氏体具有比托氏体更好的综合力学性能 . 生成上贝氏体的温度比托氏体还低，生成下贝氏体的温度则更低○ 6共析钢、亚共析钢、过共析钢铁碳合金状态图上的S 点，就是铁素体与渗碳体的共析点当C 含量为 0.77%的铁碳合金缓慢冷却至723℃时，奥氏体转变成铁素体与渗碳体的机械混合物——珠光体这种钢叫做共析钢 S 点左边（含碳量小于0.77%）的钢叫做亚共析钢，其组织由铁素体和珠光体构成 S 点右边至 E 点之前的钢，由珠光体和渗碳体组成，叫做过共析钢○ 7奥氏体的初始晶粒度、本质晶粒度和实际晶粒度奥氏体晶粒的大小对钢材的力学性能有显著的影响一般用晶粒度表示晶粒的大小因此，测定奥氏体的晶粒度通常作为鉴定钢材质量的指标之一在研究钢中奥氏体晶粒度变化时，应该分清下列三个不同的概念：1）初始晶粒度，是指转变刚刚完成时的奥氏体晶粒大小，它取决于形核率及长大速度二者受转变温度（或过热度）的影响2）本质晶粒度，是指初始奥氏体晶粒形成后继续升温并保温一段时间所得的晶粒大小这时晶粒小、界面多、总表面能高的初始奥氏体晶粒长大，以减小表面能。

钢的本质晶粒度说明钢的奥氏体晶粒长大的倾向，倾向大者为本质粗晶粒，小者为本质细晶粒长大的倾向和快慢与钢种有关按本质晶粒的大小，可将钢分为本质粗晶粒钢和本质细晶粒钢所谓本质细晶粒钢，是指钢加热到规定的温度（930～950℃）时，奥氏体晶粒不剧烈长大的钢反之，就是本质粗晶粒钢3）实际晶粒度，是指钢在具体的热处理或热加工条件下，得到的实际奥氏体晶粒大小实际奥氏体晶粒大小对钢的性能有直接影响○8钢加热时的组织转变亚共析钢加热到温度高于临界点Ac1（PSK 线）后，珠光体转变成为奥氏体，即形成铁素体 +奥氏体组织温度继续升高，则铁素体逐渐溶于奥氏体内，而当温度达到临界点Ac3（GS 线）时，则钢的组织将完全是奥氏体共析钢加热时，当温度达到临界点Ac1（PSK 线）时，即完成珠光体向奥氏体的全部转变过共析钢加热时，将发生与亚共析钢相似的转变，只是其过剩相不是铁素体，而是渗碳体，而且当温度达到临界点Accm（SE线）时，渗碳体将全部溶解于奥氏体加热温度与加热速度对珠光体转变成为奥氏体是有影响的加热温度越高，由珠光体转变成奥氏体及其成分均匀化的总时间越短，或者说转变速度越快；加热速度越快， 珠光体向奥氏体开始转变的温度越高。

○ 9钢在缓慢冷却时的组织转变当加热温度至奥氏体状态的钢缓慢冷却时，从图4—1 铁碳合金状态图中可以看出，其组织转变的特点是：亚共析钢冷却至Ar3后，将先从奥氏体中析出铁素体，这时钢的组织为奥氏体和铁素体两相并存当继续冷却至Ar1时，则奥氏体开始转变为珠光体，在此温度以下钢的组织为珠光体和铁素体过共析钢冷至Arcm时，从奥氏体中先析出渗碳体，这时钢的组织为奥氏体 和渗碳体两相共存继续冷却至Ar1时，则奥氏体开始逐渐转变为珠光体，常温下的过共析钢具有珠光体和渗碳体两相组织只有共析钢的奥氏体在Ar1点开始转变成珠光体，常温下的共析钢为珠光体单相组织○10 C 曲线与钢在快速冷却时的组织变化C 曲线就是使加热至奥氏体区的钢过冷至Ar1以下，在不同温度和时间下等温转变得到的各种结构组织的曲线，因为其形状象拉丁字母“C” ， 故常称为C 曲线（也有的叫S曲线），又称过冷奥氏体等温转变动力曲线（图5-2）铁碳合金状态图是钢于缓慢冷却状态下的组织，即所谓平衡状态组织但在实际生产中钢的冷却速度可能很快，这时钢的组织、 性能与缓慢冷却的有所不同快速冷却使临界点降低， 奥氏体进行分解的温度越低，所获得的组织就越细。

冷却速度不同得到的组织也不同（可参考 C 曲线）图 5-2 共析成分的碳素结构钢的C曲线。