回到钢的热处理基础,基础冶金

对这一主题的持续讨论将从铁-碳相图开始。

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一世在这篇文章和以后的文章中,我们将讨论钢的热处理的基础和背后的冶金原因。我们从铁碳相图开始。

While many investigators examined the microstructure effects of temperature and steel, it wasn’t until Chernov in 1868 established that there are critical temperatures at which transformations occur in steel [1], and these temperatures vary as the content of carbon is changed [2]. Sir William Chandler Roberts-Austen published his first Fe-C diagram in 1897 [3]. He continued to improve his diagram until he published his final improvement to the Fe-C diagram in 1899 [4]. This was further modified by Roozeboom [5] to incorporate thermodynamic considerations. This is considered to be the first true phase diagram for the Fe-C system since it complies with the Gibbs phase rule [6]. This is shown in Figure 1.

图1:由Roberts-Austen和Roozeboom公布的Fe-C相图[4],[5]。

虽然相位字段未完全准确标记,但它是接受的相图的近似近似(图2)。

图2现代Fe-C相图[7]

在最基本的形式下,Fe-C相图显示了平衡相作为温度和碳含量的函数。对于大多数热处理应用,重点是碳含量低于1.2%和温度低于1100°C。在整体相图的这一小部分中,存在两种相:奥氏体(稳定在727°C以上)和铁素体(稳定在912°C以下)。渗碳体、铁3.C,也是一个稳定相,但碳的平衡浓度约为6.7%。有三个混合相场:奥氏体(γ) +铁氧体(α);奥氏体+铁3.C;铁氧体+ Fe3.正是这些场对热处理很重要,它们的结合导致了热处理过程中形成的微观组织。

奥氏体(γ)是碳在铁中的固溶体,碳在铁中的最大溶解度为2.14%。在晶体学上,它是一个面心立方结构(图3)。在这种晶体结构中,每个铁原子占据一个立方体的角落和每个面的中心。碳原子会占据铁原子之间的空间,因为要小得多。这些空间称为间隙空间。奥氏体非磁性。

图3:奥氏体晶体结构。它属于面心立方结构。

铁素体(α)在912℃低于912℃的温度下的铁中碳的固体溶液。它是一个以身体为中心的立方结构,其中铁原子占据了立方体的中心,以及立方体的角落。同样,碳将占据空间。碳在铁素体中的最大溶解度为0.022%。铁氧体在912℃下转化为奥氏体。铁氧体磁性低于768°C。(图4)

图4:铁氧体晶体结构。它是一个体心立方结构。

渗碳石(或碳化铁)是一种非常坚硬且脆的金属间化合物。它是6.7%的碳和93.3%的重量百分比。由于其艰难而脆弱的性质,通常被认为是陶瓷。它具有晶体结构,其正极形成,并且是复杂的结构。(图5)

图5:铁碳化铁晶体结构,Fe3c [8]。铁原子以蓝色显示,碳原子以黑色显示。

根据含碳量钢可分为三类:

  • 含碳量约为0.78%的共晶钢;
  • 含有小于0.78%碳的低屈炼钢;和
  • 碳大于0.78%(高达约1.5-2%C)的过度化钢。

当从奥氏体化温度缓慢冷却时,这三种类型的钢中的每一个都具有不同的微观结构。

共析钢。在这些钢材中,在0.78%的碳含量下直接从奥氏体转化为铁氧体和727℃的铁氧体和渗碳石。取决于冷却速率,渗碳铝石可以以铁氧体基质(极其缓慢的冷却)的球体形式形成,或作为铁氧体和渗碳石的层状混合物。该铁素体和渗碳岩的这种层状混合物也称为珠光体。

珠光体是铁素体和渗碳物的交替层的层状结构。该微观结构最初是由Henry Clifton Sorby [9]和叫山岩的。他将其描述为“珍珠外观”。后来,这种微观结构是由Henry Howe [10]的名字珠光蜜。该结构如图6所示。

图6:珠光体的显微结构。组织由铁素体(白色)和渗碳体(黑色)交替层组成。

hypoofectoid钢。考虑相图奥氏体区域的亚共晶钢。它慢慢冷却,直到达到铁素体+奥氏体相场。铁素体将在原有奥氏体晶界处开始析出和生长。当钢进一步缓慢冷却时,它将穿过铁素体和渗碳体相界。此时,剩余的奥氏体将转变为珠光体和铁素体。组织由奥氏体晶界处的前共析铁素体和由铁素体和碳化铁组成的珠光体片层组织组成(图7)。

图7:慢冷亚共析钢的显微组织,在奥氏体晶界处形成先共析铁素体的显微组织,在晶粒内部出现珠光体。

过共析体钢。在过共晶钢中,当通过奥氏体场冷却时,会遇到奥氏体+渗碳体两相场。在原有奥氏体晶界处形成先共析渗碳体。当它穿过铁素体和渗碳体两相场时,残余奥氏体在原有奥氏体晶粒内部转变为铁素体和渗碳体(图8)。

图8:慢冷过共晶普通碳钢的显微组织。组织为奥氏体晶界渗碳体,晶内为珠光体。

图9显示了不同转换序列的示意图。

图9:两种钢的缓慢冷却顺序示意图:(a)亚共析钢和(b)过共析钢[11]。

在描述相图时,有几个温度不仅用于Fe-Fe3.C相图,但也用于实际热处理实践。这些临界温度及其定义如表1所示。

表1:Fe-Fe3C相图中的临界温度,以及钢中存在的非平衡组织的临界温度。

除了存在的相外,还有Fe-Fe中的相的混合物3.C相图,还有额外的非平衡阶段对热量来说是重要的。这些是马氏体和贝氏体。这些阶段中的每一个将在后面的文章中讨论。

结论

在本简要的文章中,提供了基本铁 - 碳相图的说明,详细了解微观结构如何发展。[12]该图是对钢的热处理的初步介绍。 

参考文献

  1. D. K. Chernov,“Lavrov和Kalakutskii对钢铁和钢大炮的论文的批判性评论,”Zapiski Russkogo Tekhnicheskogo Obshchchastva,p。399,1868。
  2. D. K. Chernov,大熊russkogo MetalluRgicheskogo Obshchchastva,卷。3-4第I部分,p。189,1916。
  3. W.罗伯茨-奥斯汀,机械研究所。Eng。, 1897年。
  4. W. C.罗伯茨-奥斯汀,机械研究所。Eng。, 1899年。
  5. B. Roozeboom, L. Physik。化学。, 1899年,第30卷,第385-413页。
  6. J. W.Gibbs,“关于异质物质的均衡”,康涅狄格艺术与科学院的交易,Vol。3,pp。108-248;343-524,1877-1878。
  7. W. D. D.调用,材料科学和工程:介绍,霍博肯,新泽:Wiley&Sons,2007。
  8. orci。[在线的]。可用:https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7495713。
  9. “钢铁的微观结构”,《钢铁学会》,第1卷,第255-288页,1887年5月。
  10. 《钢和铸铁的金相学》,纽约:麦格劳希尔出版社,1917。
  11. ASM国际,“钢铁热处理介绍”,钢热处理基本面和流程,VOL。4A,J. Dossett和G. E.托特登,EDS,俄亥俄州材料公园,哦:2013年ASM International,PP。3-25。
  12. “铁碳图的发展历史”,《金属科学与热处理》,第10卷,第2期。5、1968年第344-350页。