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共析鋼
共析成分含0.77%碳的鋼材
共析鋼是指具有共析成分含0.77%碳的碳素鋼。鋼由高溫奧氏體區(qū)緩冷至727℃，生成多邊形珠光體組織，其中鐵素體和滲碳體呈片狀平行排列。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和碳素工具鋼都包含有這種組織。一般冷卻速度大，珠光體片層間距減小，有利于強(qiáng)度和硬度提高。
基本信息
| 中文名 | 共析鋼 |
| 外文名 | eutectoid steel |
| 類型 | 碳素鋼 |
| 學(xué)科 | 冶金工程 |
| 領(lǐng)域 | 冶煉 |
| 性質(zhì) | 共析成分含0.77%碳 |
收起
簡介
變形過程
共析鋼可以理解為一種鐵素體和滲碳體的復(fù)合材料.對于以珠光體為主要微觀組織的高碳鋼，片層結(jié)構(gòu)不適合后續(xù)的冷加工或者應(yīng)用于對性能要求比較高的構(gòu)件，在使用前要求進(jìn)行珠光體球化處理。
傳統(tǒng)的高碳鋼球化的方法是長時(shí)間的球化退火工藝控制比較困難，浪費(fèi)大量能源；而且球化效果不理想，晶粒尺寸較大，達(dá)不到組織細(xì)化的要求。近年來發(fā)展了冷軋后退火工藝，是通過冷軋細(xì)化珠光體片層間距，在隨后的退火過程中形成球化滲碳體，抑制鐵素體長大、這一工藝優(yōu)點(diǎn)是得到的組織具有高的強(qiáng)度和良好的塑性，缺點(diǎn)是冷軋的形變抗力比較大，對設(shè)備軋制能力要求較高。通過適當(dāng)提高形變溫度，研究了共析鋼溫變形過程中鐵素體等軸化及滲碳體球化超細(xì)化的演變過程，以期得到在細(xì)小鐵素體晶粒母相中均勻分布細(xì)小的滲碳體顆粒組織，在強(qiáng)韌化的同時(shí)有效地提高材料的加工硬化能力。
演變規(guī)律
隨著應(yīng)變量增加，珠光體發(fā)生變形，部分滲碳體片層發(fā)生彎折和溶斷。由于片層取向不同，溶斷的程度也不同。平行于試樣端面，即垂直于壓縮方向上片層溶斷的程度比較小，溶斷后的滲碳體片層的長度較長。工程應(yīng)變30%時(shí)，組織中還是以比較完整的片層結(jié)構(gòu)為主。在原來的珠光體團(tuán)的晶界，特別是三叉晶界位置，出現(xiàn)少量細(xì)小的滲碳體顆粒。當(dāng)形變量增加到50%時(shí)，得到三種不同的組織：其一是溶斷的珠光體片層結(jié)構(gòu)，此時(shí)片層的取向基本上垂直于壓縮方向，片層間距明顯縮小，平均為70nm左右；其二是棒狀的滲碳體，取向同樣平行于試樣徑向；還有部分滲碳體顆粒，并出現(xiàn)少量鐵素體晶界。可以明顯地看見滲碳體顆粒有兩種形態(tài)：一種是粗大的不規(guī)則滲碳體顆粒，分布在鐵素體晶界上，尺寸大約是150nm左右；另一種是形狀比較規(guī)則的細(xì)小球化滲碳體，主要分布在鐵素體基體上，其典型尺寸大約是50nm。大部分組織已經(jīng)轉(zhuǎn)化為不規(guī)則的粗大滲碳體顆粒和細(xì)小的球化滲碳體顆粒，鐵素體晶界略為明顯，片層組織基本消失。
形變過程中使?jié)B碳體片各處出現(xiàn)不同的曲率，根據(jù)Gihhs-Thompson方程，在不同曲率半徑的滲碳體附近，鐵素體內(nèi)平衡碳原子濃度有差異，這是導(dǎo)致滲碳體加速球化的重要原因。在組織發(fā)生大的形變后，珠光體片層嚴(yán)重變形和溶斷，組織中出現(xiàn)大量形狀復(fù)雜的滲碳體片層或者顆粒，滲碳體片層各處的曲率有很大差別，導(dǎo)致各處鐵素體中的平衡碳原子濃度差距增大。具有較大曲率半徑處的滲碳體附近鐵素體中平衡碳原子濃度低于小曲率半徑處的滲碳體附近鐵素體的平衡碳原子濃度，導(dǎo)致具有小曲率半徑處的滲碳體不斷分解，通過碳原子擴(kuò)散向大曲率半徑滲碳體位置沉積。與傳統(tǒng)的球化退火工藝相比較，溫變形使共析鋼球化動(dòng)力學(xué)明顯加快。
另一方面，形變使組織中引入大量空位或者位錯(cuò)等晶體學(xué)缺陷，形成碳原子擴(kuò)散的高擴(kuò)散率通道，有效加速小曲率半徑處滲碳體溶解同時(shí)也促進(jìn)了大曲率半徑處滲碳體附近的沉積，使?jié)B碳體顆粒不斷趨于球形。鐵素體基體中的晶界或亞晶界也可以成為促進(jìn)碳原子擴(kuò)散的因素，在這些位置的滲碳體顆粒具有更大的優(yōu)勢發(fā)生球化和長大。另外，溶解滲碳體的碳原子在鐵素體中過飽和，當(dāng)組織發(fā)生回復(fù)，位錯(cuò)密度下降時(shí)，重新在鐵素體基體中析出，形成彌散細(xì)小的滲碳體顆粒并不斷長大。由于珠光體片層的取向不同，形變時(shí)其應(yīng)力狀態(tài)不同，這將導(dǎo)致片層彎曲的程度有差異，所以不同取向片層的溶斷和球化進(jìn)程各不相同；但是隨著形變量增大，最終都將球化。
滲碳體分解
在共析鋼溫變形及變形后的保溫過程中，觀察到伴隨鐵素體回復(fù)和再結(jié)晶同時(shí)，細(xì)小滲碳體顆粒在晶內(nèi)的彌散析出，這只可能是滲碳體溶解再析出的結(jié)果。故采用熱磁法進(jìn)一步分析這一過程中滲碳體溶解和鐵素體中碳過飽和的情況，這種方法對滲碳體的形狀、尺寸以及微觀應(yīng)力的影響很小。
采用熱磁法測定滲碳體溶解量的原理是通過測量鋼中滲碳體居里點(diǎn)附近飽和磁化強(qiáng)度的變化幅度，而此變化幅度恰好反映該溫度下滲碳體相的體積分?jǐn)?shù).因此滲碳體相的溶解程度與飽和磁化強(qiáng)度的下降程度成正比。對比原始狀態(tài)和變形狀態(tài)；下滲碳體居里點(diǎn)溫度附近的飽和磁化強(qiáng)度的下降幅度，可知滲碳體的溶解度。
共析鋼在溫變形及冷變形過程中都發(fā)生了滲碳體的溶解，但是在溫變形過程中受到熱激活的影響，鐵素體發(fā)生的回復(fù)或再結(jié)晶在一定程度上降低了位錯(cuò)密度，同時(shí)碳原子的擴(kuò)散使過飽和的碳原子在鐵素體晶內(nèi)析出，形成細(xì)小的滲碳體顆粒，因此共析鋼在700℃下形變80%時(shí)，滲碳體溶解量為D=6%，是此變形狀態(tài)下溶解的滲碳體量與再次析出的滲碳體量之差。冷變形過程中缺乏熱激活，位錯(cuò)、晶界和亞晶界的遷移能力受限制，使組織缺陷密度大大高于溫變形組織，有可能提供更多碳原子溶解的位置；另外碳原子擴(kuò)散受限制，使過飽和的碳原子很難發(fā)生再析出，表現(xiàn)為比溫變形更高的溶解量。
備注
即在這種特定比例下的滲碳體和鐵素體，在發(fā)生相變時(shí)，如果消失兩者同時(shí)消失（加熱時(shí)），如果出現(xiàn)則兩者又同時(shí)出現(xiàn)，在這一點(diǎn)上這種組織與純金屬的相變類似。基于這個(gè)原因，人們就把這種由特定比例構(gòu)成的兩相組織當(dāng)作一種組織來看待，并且命名為珠光體，這種鋼就叫做共析鋼。即含碳量正好是0.77%的鋼就叫做共析鋼，它的組織是珠光體。
1、共析鋼溫變形過程中，片層珠光體組織經(jīng)歷片層溶斷到形成滲碳體顆粒的演變過程。與此同時(shí)，伴隨鐵素體回復(fù)再結(jié)晶，20nm左右細(xì)小滲碳體顆粒將在鐵素體基體中析出，獲得亞微米級鐵素體晶粒與顆粒滲碳體彌散分布的復(fù)相組織。提高溫度促進(jìn)上述復(fù)合過程的進(jìn)行，變形后保溫提高兩相彌散分布的均勻程度。
2、滲碳體居里點(diǎn)附近飽和磁化強(qiáng)度變化幅度的測量證實(shí)了共析鋼溫變形過程中滲碳體的溶解與鐵素體中碳的過飽和以及隨后的再析出。
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