探究钢铁材料的霸主地位：来源丰富、价格低廉、性能多样

现代材料可分为金属、聚合物、陶瓷和复合材料四大类。尽管聚合物材料发展迅速，但金属材料中钢铁仍然是工程技术中应用最广泛、最重要的材料。那么钢铁材料的主导地位是由哪些因素决定的呢？下面就给大家详细介绍一下。

钢是从铁矿石中提炼出来的，铁矿石储量丰富，价格低廉。钢又称铁碳合金，是由铁（Fe）和碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、磷（P）、硫（S）以及其他少量元素（Cr、V等）组成的合金。通过调整钢中各种元素的含量和热处理工艺（淬火、退火、回火、正火四个步骤），可以获得各种金相组织，从而使钢具有不同的物理性能。钢试样经过研磨、抛光，最后用特定的腐蚀剂进行腐蚀，在金相显微镜下观察到的组织称为钢的金相组织。钢铁材料的秘密就隐藏在这些组织结构中。

在Fe-Fe3C体系中，可以制备出各种不同成分的铁碳合金，它们在不同温度下的平衡组织各有不同，但都是由几种基本相（铁素体F、奥氏体A和渗碳体Fe3C）所组成。这些基本相以机械混合物的形式组合在一起，在钢中形成丰富多彩的金相组织。常见的金相组织有以下八种：

1. 铁氧体

碳溶解在α-Fe晶格间隙中形成的间隙固溶体称为铁素体，属于体心立方结构，呈等轴多边形晶粒分布，用符号F表示。它的组织和性能与纯铁相似，塑性和韧性都很好，但强度和硬度较低（30～100HB）。在合金钢中，是碳与合金元素在α-Fe中的固溶体。碳在α-Fe中的溶解度很低，在AC1温度下，碳的最大溶解度为0.0218%，但随着温度的降低，溶解度下降到0.0084%。因此，在缓冷条件下，在铁素体晶界处会出现三级渗碳体。随着钢中碳含量的增加，铁素体量相对减少，珠光体量增加。此时铁素体呈网状、月牙状。

2.奥氏体

碳溶解在γ-Fe晶格的间隙中形成的间隙固溶体称为奥氏体，具有面心立方结构，属高温相，用符号A表示。奥氏体在1148℃时最大溶解度为2.11%C，在727℃时可溶解0.77%C；其强度和硬度均高于铁素体，塑性和韧性好，无磁性。具体力学性能与碳含量和晶粒大小有关，一般为170~220HBS，=40~50%。TRIP钢（相变塑性钢）就是利用奥氏体的良好塑性和柔韧性发展起来的钢，利用残余奥氏体的应变诱发相变和相变诱发塑性，提高钢板的塑性和钢板的成形性。碳素结构钢或合金结构钢中的奥氏体在冷却过程中转变成其它相，只有高碳钢、渗碳钢经高温渗碳淬火后，奥氏体才留在马氏体的间隙中，由于不易腐蚀，其金相组织呈白色。

3.渗碳体

渗碳体是由碳和铁按一定比例组成的金属化合物，用分子式Fe3C表示，含碳量为6.69%，在合金中形成（Fe,M）3C。渗碳体硬而脆，塑性和冲击韧性几乎为零，脆性较大，硬度可达800HB。在钢中常以网状、半网状、片状、针状、粒状等形式分布。

4. 珍珠岩

珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，用符号P表示。其力学性能介于铁素体和渗碳体之间，具有较高的强度、中等的硬度和一定的塑性。珠光体是钢的共析转变产物，其形态为铁素体和渗碳体像指纹一样相互交替，呈层状排列。根据碳化物的分布情况，可分为片状珠光体和球状珠光体两种类型。

（1）片层状珠光体：可分为粗片层、中片层、细片层三种。

（2）球状珠光体：经球化退火得到，渗碳体以球状体形式分布在铁素体基体中；渗碳体球状体的尺寸取决于球化退火工艺，特别是冷却速度。球状珠光体可分为粗球状、球状、细球状和点状四种类型。

5.贝氏体

贝氏体是钢中奥氏体在珠光体转变区以下、Ms点以上的中温区转变的产物。贝氏体是铁素体和渗碳体的机械混合物，是介于珠光体和马氏体之间的组织，用符号B表示。根据形成温度不同，分为粒状贝氏体、上贝氏体（B上）和下贝氏体（B下）。粒状贝氏体的强度较低，但韧性较好；下贝氏体既有较高的强度，又有较好的韧性；粒状贝氏体的韧性最差。贝氏体的形态多种多样，从形态特征看，贝氏体可分为羽毛状、针状和粒状三大类。

（1）上贝氏体：上贝氏体的特征是：条状铁素体大致平行排列，有与铁素体针轴平行的细条（或短棒）渗碳体分布其间，呈羽毛状。

（2）下贝氏体：呈细针状，具有一定的取向性。它比淬火马氏体更易受腐蚀，与回火马氏体很相似。在光学显微镜下很难区分，但在电子显微镜下却很容易区分。碳化物析出在针状铁素体中，其排列取向与铁素体片长轴成55～60度。下贝氏体不含孪生，位错较多。

（3）粒状贝氏体：外观相当于多边形铁素体，内部有许多不规则的岛状组织。当钢的奥氏体冷却到稍高于上贝氏体形成温度时，析出的铁素体中的一部分碳原子通过铁素体/奥氏体相界从铁素体迁移到奥氏体中，使奥氏体不均匀地富碳，从而抑制了奥氏体向铁素体的转变。这些奥氏体区一般呈孤立岛状、粒状或长条状，分布在铁素体基体上。在连续冷却过程中，根据奥氏体的成分和冷却条件的不同，粒状贝氏体中的奥氏体可发生下列变化。

（i）全部或部分分解为铁素体和碳化物。在电子显微镜下可见弥散分布在多方向的粒状、棒状或小块状碳化物；

（二）部分转变为马氏体，在光学显微镜下呈现黄色；

（iii）富碳奥氏体残留。

粒状贝氏体在铁素体基体上有粒状碳化物（岛状组织原为富碳奥氏体，冷却时分解为铁素体和碳化物，或转变为马氏体，或残留富碳奥氏体颗粒）。羽毛状贝氏体以铁素体为基体，在铁素体片边处析出条状碳化物。下贝氏体在针状铁素体上有细小片状碳化物，片状碳化物与铁素体长轴方向约成55～60度角。

6. 魏氏组织

魏氏组织是一种过热组织，它是由相互交叉在60°左右的铁素体针状物组成，嵌在钢的基体中。粗大的魏氏组织使钢的塑性和韧性降低，脆性增大。亚共析钢在加热时，由于过热而形成粗大晶粒，冷却时它们很快析出。因此，除了铁素体沿奥氏体晶界呈网状析出外，还有一部分铁素体按剪切机制从晶界向晶粒方向形成，呈针状析出。这种分布形式的组织称为魏氏组织。过热的过共析钢在冷却时，渗碳体也会形成由晶界向晶粒延伸的针状物，形成魏氏组织。

7. 马氏体

碳在α-Fe中的过饱和固溶体称为马氏体。马氏体的强度和硬度较高，但塑性较差，几乎为零，用符号M表示，不能承受冲击载荷。马氏体是过冷奥氏体快速冷却的产物，Ms和Mf点之间为剪切模式。此时碳（及合金元素）来不及扩散，只从γ-Fe晶格（面心）向α-Fe晶格（体心）转变，即碳在γ-Fe（奥氏体）中的固溶体转变为碳在α-Fe中的固溶体，因此马氏体转变是“无扩散”的。根据马氏体的金相形态，可分为板条马氏体（低碳）和针状马氏体。

（1）板条马氏体：又称低碳马氏体。大小大致相同的细小马氏体条带取向、平行排列，形成马氏体束或马氏体域。域间取向差别较大，在一个原始奥氏体晶粒内可形成若干个取向不同的域。由于板条马氏体形成温度较高，在冷却过程中不可避免地会发生自回火，形成的马氏体内部会析出碳化物，因此容易受到腐蚀和变暗。

（2）针状马氏体：又称片状马氏体或高碳马氏体。其基本特征是：奥氏体晶粒内最先形成的马氏体片较大，往往贯穿整个晶粒，将奥氏体晶粒分割，使后来形成的马氏体尺寸受到限制。因此，片状马氏体大小不一，分布不规则。针状马氏体沿一定的方向形成，马氏体针内有棱面，含碳量越高越明显，马氏体越尖锐。同时，马氏体间有白色的残余奥氏体。

（3）淬火后形成的马氏体，经回火后还可以形成三种特殊的金相组织：

（一）回火马氏体：指淬火时生成的层状马氏体（具有体心四方晶体结构），在回火第一阶段分解——其中的碳以过渡碳化物形式溶解——形成一种复合相组织，其中极细小的过渡碳化物片状物（与基体具有共格界面）弥散分布在固溶体基体（具有体心立方晶体结构）中。此组织即使在金相（光学）显微镜下放大到最大倍数，也不能分辨其内部组织，只能整体看到黑色针状物（黑色针状物的外观与淬火生成的层状马氏体（也称“α马氏体”）的白色针状物基本相同）。此黑色针状物称为“回火马氏体”。

（二）回火屈氏体：淬火马氏体经中温回火后的产物。其特点是：马氏体的针状形状将逐渐消失，但仍隐约可见（铬合金钢，合金铁素体的再结晶温度较高，故仍保持针状形状），析出的碳化物细小，在光学显微镜下难以清晰分辨，只有在电子显微镜下才能看到碳化物颗粒。极易被腐蚀，组织发黑。若回火温度超过上限或停留时间稍长，针状就会呈现白色；此时碳化物会集中在针状边缘，钢的硬度会稍低，强度会下降。

（三）回火马氏体：淬火马氏体经高温回火后的产物。其特点是：马氏体基体上分布有细小颗粒状碳化物，在光学显微镜下可清晰分辨。这种组织又称调质组织，具有良好的强度与韧性的结合。铁素体上的细颗粒碳化物越细，其硬度和强度越高，但韧性越低；反之，其硬度和强度越低，但韧性越高。

8. 莱迪石

铁碳合金中的共晶混合物，即碳质量分数（碳含量）为4.3%的液态铁碳合金，在1480摄氏度时，从液相中同时结晶出的奥氏体和渗碳体的机械混合物称为莱氏体，用符号Ld表示。由于奥氏体在727℃时转变为珠光体，所以莱氏体在室温下由珠光体和渗碳体组成。为区别起见，高于727℃的莱氏体称为高温莱氏体（Ld），低于727℃的莱氏体称为低温莱氏体（L'd）。莱氏体的性质与渗碳体相似，硬度高，塑性差。