鋼鐵顯微組織

鋼鐵顯微組織用金相顯微鏡觀察時試樣表面應磨平拋光，並用適宜的侵蝕劑稍加侵蝕。用電子顯微鏡觀察時，需要進行更加複雜的試樣準備工作。金相顯微鏡最高放大倍數可達2500倍，電子顯微鏡可放大幾十萬倍（見光學金相檢驗）。鋼和鑄鐵都是在鐵中加入碳和其他合金元素形成的合金，其中，含碳量為0.77%的鋼稱為共析鋼；含碳量低於0.77%的鋼稱為亞共析鋼；含碳量為0.77～2.11%的鋼稱為過共析鋼；含碳量高於2.11%的稱為鑄鐵。不同含碳量和合金成分的鋼或鑄鐵，其顯微組織各不相同。同一成分的鋼或鑄鐵，經過不同的金屬熱處理后也具有不同的顯微組織（圖1）。不同的顯微組織具有不同的性能，因此鋼鐵可以通過熱處理獲得不同的性能。鋼鐵顯微組織分析是研究鋼鐵和評定鋼鐵製品質量的重要手段。

固態鋼鐵中的相相是鋼鐵顯微組織的基本組成單元。圖2c中白亮的基體和白色的條狀物便是兩種不同的相。兩種相之間有明顯的分界面。同一種相的內部，化學成分、原子排列方式和各種性能基本一致。液態的鋼或鑄鐵中只有一種相，即液相。固態鋼鐵中可能出現多種不同的相，大致可以把它們分為固溶體和化合物兩大類。

固溶體碳或其他合金元素固溶於鐵中形成的固態溶體。固態純鐵在不同的溫度範圍內有 3種不同的原子排列方式，分別稱為α 鐵、γ鐵和δ鐵。碳或其他合金元素溶入α 鐵形成的固溶體稱為鐵素體；溶入 γ鐵形成的固溶體稱為奧氏體；溶入 δ鐵形成的固溶體稱為 δ固溶體。與溶液相似，固溶體的溶解度也隨溫度的升降而增減。

化合物碳、鐵或某些合金元素之間都可以形成化合物。鋼鐵中最常見的是碳與鐵形成的化合物，分子式為Fe3C（含碳6.67%）,稱為滲碳體。這種化合物硬度很高，但很脆。

鋼鐵在加熱或冷卻時，其中的一些相會轉變為另一些相，即發生相變。在緩慢加熱或冷卻條件下發生的相變是平衡相變，轉變產物是穩定的組織，即平衡組織。快速加熱、特別是快速冷卻時則會發生不平衡相變，形成不穩定的組織，即不平衡組織。一旦原子有了足夠的活動能力而且有足夠時間完成某些運動，不平衡組織會重新轉變為平衡組織。

純鐵本身在加熱和冷卻時會發生液相與δ鐵、δ鐵與γ鐵、γ鐵與α 鐵3種相互轉變。鋼和鑄鐵在加熱和冷卻時會發生更多種的相變。鐵碳合金平衡相圖能較全面地反映碳鋼和鑄鐵發生平衡相變的情況。

鐵碳合金平衡相圖圖1中各條曲線表明含碳量不同的碳鋼和鑄鐵發生各種平衡相變的溫度。各曲線之間的區域稱為相區。相區中所標符號L、δ、A、F 和Fe3C，分別代表液相、δ固溶體、奧氏體、鐵素體和滲碳體。這些相區反映不同含碳量的碳鋼和鑄鐵在不同溫度下穩定存在的相。如含碳 0.4%的碳鋼在810℃位於奧氏體相區，表明此時這種鋼中穩定存在的相只是單一的奧氏體(A)。當這種鋼由高溫緩慢冷卻時，大約在770℃開始發生平衡相變，出現鐵素體（F）。冷到727℃時發生新的平衡相變，奧氏體全部消失，轉變成鐵素體和滲碳體(F+Fe3C)。對這種鋼來說，770℃是它的上臨界點（用A3或Ac33代表）。727℃是它的下臨界點(用A1或 Ac31代表)。金屬熱處理時常用的臨界點如表。

鐵碳合金平衡相圖中有ECF 和PSK兩條水平線。在ECF 線所對應的溫度(1148℃)下，發生由含碳4.3%的液相轉變為含碳 2.11%的奧氏體和滲碳體的特殊相變（共晶反應），形成一種叫做萊氏體的組織（A和 Fe3C的共晶混合物）。在PSK 線對應的溫度(727℃)下，發生由含碳0.77%的奧氏體轉變為鐵素體和滲碳體的特殊相變（共析反應），形成一種叫做珠光體的組織（F 和Fe3C的共析混合物）。鐵碳合金平衡相圖只反映碳鋼和鑄鐵的平衡相變和平衡組織，不反映它們的不平衡相變和不平衡組織。

鋼鐵中的平衡組織和不平衡組織常見的有珠光體、貝氏體、馬氏體和萊氏體。

珠光體(P)鐵素體和滲碳體兩相呈片層狀相間排列的組織（圖2a），因在顯微鏡下顯出珠母殼光澤，故名。珠光體有良好的綜合力學性能，即強度與塑性有良好的配合。它的強度和硬度隨片層間距的減小而增高。片層間距較小，在金相顯微鏡下已難於分辨片層間距的細珠光體，稱為索氏體。片層間距更小，只有在電子顯微鏡下才能分辨出片層的極細珠光體，稱為托氏體。奧氏體轉變為索氏體的溫度，比轉變為珠光體時低，轉變為托氏體的溫度更低。對碳鋼來說，只有含碳量為0.77%的共析鋼，其顯微組織才是單純珠光體。含碳量較低的鋼，顯微組織中除珠光體外還會出現鐵素體（圖2b）；含碳量較高的鋼在顯微組織中除珠光體外還會出現滲碳體。

貝氏體(B)也是鐵素體和滲碳體兩相混合組織，以美國人E.C.貝茵命名。貝氏體又分為上貝氏體和下貝氏體。上貝氏體中的滲碳體呈斷續片狀，分佈於鐵素體片之間(圖2c）。下貝氏體中的滲碳體以小片狀分佈於鐵素體片內（圖2d）。生成上貝氏體的溫度比托氏體還低，生成下貝氏體的溫度則更低。下貝氏體具有比托氏體更好的綜合力學性能。貝氏體屬於不平衡組織。

馬氏體(Μ)由奧氏體（圖2e）轉變而成的固溶體，以德國人A.馬滕斯命名。其含碳量與奧氏體母體相同。由奧氏體生成馬氏體的溫度比下貝氏體還低。奧氏體開始轉變為馬氏體的溫度稱為上馬氏體點，用ΜS代表。馬氏體的形態一般為片狀或板條狀（圖2f、g）。它是一種不平衡組織，有很高的強度和硬度，其含碳量越高，硬度越高。片狀馬氏體性脆，板條馬氏體韌性較高。

萊氏體(Ldd)短棒狀珠光體均勻分佈在滲碳體基體上的混合組織(圖2h)以德國人A.萊德堡命名。它是白口鑄鐵中的常見組織，萊氏體硬度很高，但很脆。在鑄鐵中，碳還會以獨立的石墨片或石墨球出現於顯微組織中。

奧氏體等溫轉變和連續冷卻轉變圖鋼經加熱形成奧氏體后，冷卻到相變點以下的不同溫度區間內等溫保持時，過冷奧氏體發生相變，形成不同的相。如果在不同溫度等溫保持，記下開始相變和終止相變的時間，在以溫度為縱坐標，以時間的對數值為橫坐標的圖上分別聯成曲線，就繪成奧氏體等溫轉變圖。這個圖的曲線因鋼的成分不同而不同，奧氏體化溫度和鋼的晶粒度對它也有影響。圖3是含碳0.77%的共析鋼的奧氏體等溫轉變圖。這個曲線圖表明了等溫處理時，溫度、時間和相變數三者之間的關係。

實際上，鋼鐵熱處理的冷卻過程大多是連續進行的。因而，將加熱到奧氏體狀態的鋼以各種不同速度冷卻到室溫（或室溫以下），在冷卻中途記取轉變開始和終止（或一定轉變數）時的溫度和時間，就可得到相應的連續冷卻轉變圖（圖4）。利用這個圖就可以預測在不同淬冷介質（不同的冷卻速度）中冷卻時所獲得的不同的相組成。

參考書目

王健安編：《金屬學與熱處理》,機械工業出版社，北京，1980。