服務熱線：可調縮孔用合金材料的結晶過程詳解
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，結晶時的冷卻速度不同， 終得到的結晶組織也不同。因此合金的結晶過程要比鈍金屬復雜的多。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系的圖形。相圖在金屬加工和工程應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，由此可以預測合金的性能。
c、共晶反應：指在結晶過程中，可調縮孔從一成分固定的合金溶液中同時結晶出兩種成分和結構皆不相同的固相的過程。共晶反應是一個恒溫轉變過程。
d、共析反應：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成分和結構皆不相同的新固相的過程。共析反應也是一個恒溫轉變過程。
e、次生相：指從固相中析出的相結構有別于母相的小晶體。它是由于液態和固態情況下溶劑對溶質的溶解度不一樣，可調縮孔而冷卻速度又快，致使共晶反應進行不 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象。因為次生相和共析組織都是在溫度較低的固相轉變中得到的組織，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，結晶的快慢也不同，從而形成晶內化學成分不均勻的現象。如果偏析發生在技晶上，則為枝晶偏析。前面已經講過，鈍金屬的偏析一般是由雜質引起的，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 容易出現偏析現象。可調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晶過程。
該相圖中有兩個組元，即鐵（Fe）和滲碳體（Fe3C）。其中，Fe的性能表現為強度和硬度較低，而塑性和韌性較好；Fe3C為具有復雜晶格的間隙化合物，其性能表現為硬而脆。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構，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下進行的；滲碳體（Fe3C）為金屬鍵及化學鍵結合的化合物，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，可調縮孔屬常溫穩定組織。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變的終了溫度線，或者冷卻時奧氏體向鐵素轉變的開始溫度線，可調縮孔通常稱之為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變的終了溫度線，或冷卻時奧氏體向滲碳體轉變的開始溫度線，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變的溫度線，或冷卻時奧氏體向珠光體轉變的溫度線，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，材料的性能表現為強度、硬度、塑性和韌性均較好；繼續增加含碳量，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滲碳體，而且滲碳體隨著含碳量的增加而增加，可調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為強度和硬度繼續升高，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絡骨架的組織，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。
現在 以工程上常用的20鋼（平均含碳量為0.2%）為例，可調縮孔根據鐵碳合金相圖來看一下其結晶的過程。
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晶出-Fe。冷卻至點溫度以下時，發生包晶反應（由已結晶的固溶體和其周圍尚未結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。繼續冷卻至點以下時，可調縮孔發生奧氏體向鐵素體的轉變。至點以下溫度時，剩余的奧氏體通過共析反應轉變成珠光體。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元素磷（P）、砷（As）、銻（Sb）等造成，非金屬物夾雜則常常是由雜質元素硫（S）、氧（O）等形成的非金屬化合物造成。這些雜質在工程上常對其含量加以限制，一般硫（S）、磷（P）含量不應超過0.035%。20鋼在鑄造時除易出現上述缺陷外，還常出現其 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。可調縮孔魏氏組織使20鋼的塑性和韌性都大大下降。
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