服务热线：可调缩孔用合金材料的结晶过程详解
2018年09月27日
沧州五森管道有限公司
由于可调缩孔用合金是由多组元组成的，各组元的熔点不同，配置比例不同，结晶时的冷却速度不同， 终得到的结晶组织也不同。因此合金的结晶过程要比钝金属复杂的多。为了便于介绍，也首先介绍几个基本概念：
a、相平衡：指合金中参于结晶或相变过程的各相之间的相对重量和相的浓度处于相对稳定而达到的一种能量平衡。
b、相图：指一个以温度为纵坐标，以组元成分为横坐标，可调缩孔表明合金系中各个合金在不同温度下的组成、以及相与相之间平衡关系的图形。相图在金属加工和工程应用中是一个很重要的工具，从相图中可以查到合金的熔点和凝固点；根据相图可以确定合金热加工时的加热温度和热处理温度；相图表明了合金的成分及基本组织，由此可以预测合金的性能。
c、共晶反应：指在结晶过程中，可调缩孔从一成分固定的合金溶液中同时结晶出两种成分和结构皆不相同的固相的过程。共晶反应是一个恒温转变过程。
d、共析反应：指在冷却过程中，从一均匀一致的固相中同时析出两种化学成分和结构皆不相同的新固相的过程。共析反应也是一个恒温转变过程。
e、次生相：指从固相中析出的相结构有别于母相的小晶体。它是由于液态和固态情况下溶剂对溶质的溶解度不一样，可调缩孔而冷却速度又快，致使共晶反应进行不 造成的。一个组织中，如果次生相较多，会造成材料的弥散硬化现象。因为次生相和共析组织都是在温度较低的固相转变中得到的组织，此时原子扩散困难，故得到组织为细晶粒组织。
f、偏析：指由于合金中各组元的溶点不同，结晶的快慢也不同，从而形成晶内化学成分不均匀的现象。如果偏析发生在技晶上，则为枝晶偏析。前面已经讲过，钝金属的偏析一般是由杂质引起的，而合金则可能因各组元的熔点不同而造成，故相对于钝金属，合金 容易出现偏析现象。可调缩孔合金中的偏析会影响其机械性能和耐蚀性，故一般要通过热处理进行消除或改善。
下面 以铁碳合金相图为例介绍合金的结晶过程。
该相图中有两个组元，即铁（Fe）和渗碳体（Fe3C）。其中，Fe的性能表现为强度和硬度较低，而塑性和韧性较好；Fe3C为具有复杂晶格的间隙化合物，其性能表现为硬而脆。该相图中有四个基本相，即液相（L）、铁素体（）、奥氏体（r）和渗碳体（Fe3C），此外还有一个次生相即珠光体（P）。其中可调缩孔铁素体为碳在-Fe中的间隙固溶体，它具有体心立方晶格，溶碳量较少，室温溶碳量为0.008%，属常温组织；奥氏体（r）为碳在r-Fe中的间隙固溶体，具有面心立方晶格结构，溶碳量较大，属高温组织。奥氏体具有良好的塑性，故金属热变形加工多是在这种相状态下进行的；渗碳体（Fe3C）为金属键及化学键结合的化合物，性能如上介绍，属于常温组织；珠光体（P）为铁素体和渗碳体的两相机械混合物，它既具有良好的强度和硬度，又具有良好的塑性和韧性，可调缩孔属常温稳定组织。含碳量大于2.06%的合金组织以及高温下的-Fe组织在工程上已无太大的意义，故省略介绍。
相图中，A点为钝铁的熔点（1534℃），C点为奥氏体和渗碳体的共晶点（1147℃），D点为渗碳体的熔点（1600℃），S点为铁素体和渗碳体的共析点（723℃）。GS线为亚共析钢（含碳量小于0.8%的铁碳合金）加热时铁素体向奥氏体转变的终了温度线，或者冷却时奥氏体向铁素转变的开始温度线，可调缩孔通常称之为A3线。因为相变对过冷度和过热度的需要，通常将加热时的A3线叫做Ac3线，将冷却时的A3线叫做Ar3线；ES线为过共析钢（含碳量大于0.8%但小于2.06%的铁碳合金）加热时渗碳体向奥氏体转变的终了温度线，或冷却时奥氏体向渗碳体转变的开始温度线，通常称之为Acm线。同理，考虑过热度和过冷度的问题，将加热时的Acm线叫做Accm线，将冷却时的Acm线叫做Arcm线；PSK线为加热时珠光体向奥氏体转变的温度线，或冷却时奥氏体向珠光体转变的温度线，通常称之为A1线。同理，加热时的A1线叫做Ac1线，冷却时的A1线叫做Ar1线。
从相图中可以看出，可调缩孔亚共析钢的常温组织为（+P）。当其含碳量较小时，它的组织成分主要是铁素体和一些少量的珠光体，此时材料的塑性和韧性较好，强度和硬度较低。随着含碳量的增加，铁素体量减少，而珠光体量增加，此时材料的塑性和韧性降低，强度和硬度升高；当含碳量增加到0.8%时，得到的合金叫做共析钢。此时合金的常温组织全部为珠光体组织，材料的性能表现为强度、硬度、塑性和韧性均较好；继续增加含碳量，即合金中的含碳量大于0.8%时，得到的合金叫做过共析钢。过共析钢的常温组织中开始出现渗碳体，而且渗碳体随着含碳量的增加而增加，可调缩孔珠光体则随着含碳量的增加而减少。此时材料的性能表现为强度和硬度继续升高，而塑性和韧性则大幅度下降；当含碳量增加到2.06%时，合金的常温组织则是以渗碳体为网络骨架的组织，此时材料的强度、塑性和韧性均较差；含碳量超过2.06%时，此时的合金已成为铸铁。
现在 以工程上常用的20钢（平均含碳量为0.2%）为例，可调缩孔根据铁碳合金相图来看一下其结晶的过程。
20钢在点以上时为液体（L）。冷却至稍低于点的温度时开始从液相中结晶出-Fe。冷却至点温度以下时，发生包晶反应（由已结晶的固溶体和其周围尚未结晶的液体相互作用而生成一种新的固溶体的过程）生成奥氏体。继续冷却至点以下时，可调缩孔发生奥氏体向铁素体的转变。至点以下温度时，剩余的奥氏体通过共析反应转变成珠光体。故20钢常温得到的组织为铁素体+珠光体（+P）。
20钢作为铸件时，也有出现柱状组织、枝晶组织、气孔、缩松、偏析和非金属物夹杂等铸造缺陷的倾向。这一结论对其它合金也同样适用，它是一般铸件普遍具有的缺陷。通过改善铸造条件可消除或减少这些缺陷对钢材性能的影响，可调缩孔详见第九章中的介绍。20钢的偏析常常是由钢中的杂质元素磷（P）、砷（As）、锑（Sb）等造成，非金属物夹杂则常常是由杂质元素硫（S）、氧（O）等形成的非金属化合物造成。这些杂质在工程上常对其含量加以限制，一般硫（S）、磷（P）含量不应超过0.035%。20钢在铸造时除易出现上述缺陷外，还常出现其 有的粗大魏氏组织，即此时铁素体沿晶界分布并呈针状插入珠光体内。可调缩孔魏氏组织使20钢的塑性和韧性都大大下降。
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