服務(wù)熱線：可調(diào)縮孔用合金材料的結(jié)晶過程詳解
2018年09月27日
滄州五森管道有限公司
由于可調(diào)縮孔用合金是由多組元組成的，各組元的熔點不同，配置比例不同，結(jié)晶時的冷卻速度不同， 終得到的結(jié)晶組織也不同。因此合金的結(jié)晶過程要比鈍金屬復(fù)雜的多。為了便于介紹，也首先介紹幾個基本概念：
a、相平衡：指合金中參于結(jié)晶或相變過程的各相之間的相對重量和相的濃度處于相對穩(wěn)定而達到的一種能量平衡。
b、相圖：指一個以溫度為縱坐標，以組元成分為橫坐標，可調(diào)縮孔表明合金系中各個合金在不同溫度下的組成、以及相與相之間平衡關(guān)系的圖形。相圖在金屬加工和工程應(yīng)用中是一個很重要的工具，從相圖中可以查到合金的熔點和凝固點；根據(jù)相圖可以確定合金熱加工時的加熱溫度和熱處理溫度；相圖表明了合金的成分及基本組織，由此可以預(yù)測合金的性能。
c、共晶反應(yīng)：指在結(jié)晶過程中，可調(diào)縮孔從一成分固定的合金溶液中同時結(jié)晶出兩種成分和結(jié)構(gòu)皆不相同的固相的過程。共晶反應(yīng)是一個恒溫轉(zhuǎn)變過程。
d、共析反應(yīng)：指在冷卻過程中，從一均勻一致的固相中同時析出兩種化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)皆不相同的新固相的過程。共析反應(yīng)也是一個恒溫轉(zhuǎn)變過程。
e、次生相：指從固相中析出的相結(jié)構(gòu)有別于母相的小晶體。它是由于液態(tài)和固態(tài)情況下溶劑對溶質(zhì)的溶解度不一樣，可調(diào)縮孔而冷卻速度又快，致使共晶反應(yīng)進行不 造成的。一個組織中，如果次生相較多，會造成材料的彌散硬化現(xiàn)象。因為次生相和共析組織都是在溫度較低的固相轉(zhuǎn)變中得到的組織，此時原子擴散困難，故得到組織為細晶粒組織。
f、偏析：指由于合金中各組元的溶點不同，結(jié)晶的快慢也不同，從而形成晶內(nèi)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。如果偏析發(fā)生在技晶上，則為枝晶偏析。前面已經(jīng)講過，鈍金屬的偏析一般是由雜質(zhì)引起的，而合金則可能因各組元的熔點不同而造成，故相對于鈍金屬，合金 容易出現(xiàn)偏析現(xiàn)象。可調(diào)縮孔合金中的偏析會影響其機械性能和耐蝕性，故一般要通過熱處理進行消除或改善。
下面 以鐵碳合金相圖為例介紹合金的結(jié)晶過程。
該相圖中有兩個組元，即鐵（Fe）和滲碳體（Fe3C）。其中，F(xiàn)e的性能表現(xiàn)為強度和硬度較低，而塑性和韌性較好；Fe3C為具有復(fù)雜晶格的間隙化合物，其性能表現(xiàn)為硬而脆。該相圖中有四個基本相，即液相（L）、鐵素體（）、奧氏體（r）和滲碳體（Fe3C），此外還有一個次生相即珠光體（P）。其中可調(diào)縮孔鐵素體為碳在-Fe中的間隙固溶體，它具有體心立方晶格，溶碳量較少，室溫溶碳量為0.008%，屬常溫組織；奧氏體（r）為碳在r-Fe中的間隙固溶體，具有面心立方晶格結(jié)構(gòu)，溶碳量較大，屬高溫組織。奧氏體具有良好的塑性，故金屬熱變形加工多是在這種相狀態(tài)下進行的；滲碳體（Fe3C）為金屬鍵及化學(xué)鍵結(jié)合的化合物，性能如上介紹，屬于常溫組織；珠光體（P）為鐵素體和滲碳體的兩相機械混合物，它既具有良好的強度和硬度，又具有良好的塑性和韌性，可調(diào)縮孔屬常溫穩(wěn)定組織。含碳量大于2.06%的合金組織以及高溫下的-Fe組織在工程上已無太大的意義，故省略介紹。
相圖中，A點為鈍鐵的熔點（1534℃），C點為奧氏體和滲碳體的共晶點（1147℃），D點為滲碳體的熔點（1600℃），S點為鐵素體和滲碳體的共析點（723℃）。GS線為亞共析鋼（含碳量小于0.8%的鐵碳合金）加熱時鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的終了溫度線，或者冷卻時奧氏體向鐵素轉(zhuǎn)變的開始溫度線，可調(diào)縮孔通常稱之為A3線。因為相變對過冷度和過熱度的需要，通常將加熱時的A3線叫做Ac3線，將冷卻時的A3線叫做Ar3線；ES線為過共析鋼（含碳量大于0.8%但小于2.06%的鐵碳合金）加熱時滲碳體向奧氏體轉(zhuǎn)變的終了溫度線，或冷卻時奧氏體向滲碳體轉(zhuǎn)變的開始溫度線，通常稱之為Acm線。同理，考慮過熱度和過冷度的問題，將加熱時的Acm線叫做Accm線，將冷卻時的Acm線叫做Arcm線；PSK線為加熱時珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度線，或冷卻時奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的溫度線，通常稱之為A1線。同理，加熱時的A1線叫做Ac1線，冷卻時的A1線叫做Ar1線。
從相圖中可以看出，可調(diào)縮孔亞共析鋼的常溫組織為（+P）。當其含碳量較小時，它的組織成分主要是鐵素體和一些少量的珠光體，此時材料的塑性和韌性較好，強度和硬度較低。隨著含碳量的增加，鐵素體量減少，而珠光體量增加，此時材料的塑性和韌性降低，強度和硬度升高；當含碳量增加到0.8%時，得到的合金叫做共析鋼。此時合金的常溫組織全部為珠光體組織，材料的性能表現(xiàn)為強度、硬度、塑性和韌性均較好；繼續(xù)增加含碳量，即合金中的含碳量大于0.8%時，得到的合金叫做過共析鋼。過共析鋼的常溫組織中開始出現(xiàn)滲碳體，而且滲碳體隨著含碳量的增加而增加，可調(diào)縮孔珠光體則隨著含碳量的增加而減少。此時材料的性能表現(xiàn)為強度和硬度繼續(xù)升高，而塑性和韌性則大幅度下降；當含碳量增加到2.06%時，合金的常溫組織則是以滲碳體為網(wǎng)絡(luò)骨架的組織，此時材料的強度、塑性和韌性均較差；含碳量超過2.06%時，此時的合金已成為鑄鐵。
現(xiàn)在 以工程上常用的20鋼（平均含碳量為0.2%）為例，可調(diào)縮孔根據(jù)鐵碳合金相圖來看一下其結(jié)晶的過程。
20鋼在點以上時為液體（L）。冷卻至稍低于點的溫度時開始從液相中結(jié)晶出-Fe。冷卻至點溫度以下時，發(fā)生包晶反應(yīng)（由已結(jié)晶的固溶體和其周圍尚未結(jié)晶的液體相互作用而生成一種新的固溶體的過程）生成奧氏體。繼續(xù)冷卻至點以下時，可調(diào)縮孔發(fā)生奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變。至點以下溫度時，剩余的奧氏體通過共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變成珠光體。故20鋼常溫得到的組織為鐵素體+珠光體（+P）。
20鋼作為鑄件時，也有出現(xiàn)柱狀組織、枝晶組織、氣孔、縮松、偏析和非金屬物夾雜等鑄造缺陷的傾向。這一結(jié)論對其它合金也同樣適用，它是一般鑄件普遍具有的缺陷。通過改善鑄造條件可消除或減少這些缺陷對鋼材性能的影響，可調(diào)縮孔詳見第九章中的介紹。20鋼的偏析常常是由鋼中的雜質(zhì)元素磷（P）、砷（As）、銻（Sb）等造成，非金屬物夾雜則常常是由雜質(zhì)元素硫（S）、氧（O）等形成的非金屬化合物造成。這些雜質(zhì)在工程上常對其含量加以限制，一般硫（S）、磷（P）含量不應(yīng)超過0.035%。20鋼在鑄造時除易出現(xiàn)上述缺陷外，還常出現(xiàn)其 有的粗大魏氏組織，即此時鐵素體沿晶界分布并呈針狀插入珠光體內(nèi)。可調(diào)縮孔魏氏組織使20鋼的塑性和韌性都大大下降。
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