共析钢（共析成分含0.77%碳的钢材）

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更新时间：2023-05-20
共析钢
共析成分含0.77%碳的钢材
共析钢是指具有共析成分含0.77%碳的碳素钢。钢由高温奥氏体区缓冷至727℃，生成多边形珠光体组织，其中铁素体和渗碳体呈片状平行排列。优质碳素结构钢和碳素工具钢都包含有这种组织。一般冷却速度大，珠光体片层间距减小，有利于强度和硬度提高。
基本信息
中文名
共析钢
外文名
eutectoid steel
类型
碳素钢
学科
冶金工程
领域
冶炼
性质
共析成分含0.77%碳
收起
简介
铁素体与奥氏体都具有良好的塑性。当铁碳合金中的碳不能全部溶入铁素体或奥氏体中时，剩余出来的碳将与铁形成化合物——碳化铁（fe3c）这种化合物的晶体组织叫渗碳体，它的硬度极高，塑性几乎为零。从反映钢的组织结构与钢的含碳量和钢的温度之间关系的铁碳平衡状态图上可见，当碳的含量正好等于0.77%时，即相当于合金中渗碳体（碳化铁）约占12%，铁素体约占88%时，该合金的相变是在恒温下实现的。
碳溶解在铁的晶格中形成固溶体，碳溶解到α-铁中的固溶体叫铁素体，溶解到γ-铁中的固溶体叫奥氏体。铁素体与奥氏体都具有良好的塑性。当铁碳合金中的碳不能全部溶入铁素体或奥氏体中时，剩余出来的碳将与铁形成化合物——碳化铁（Fe3C）这种化合物的晶体组织叫渗碳体，它的硬度极高，塑性几乎为零。
变形过程
共析钢可以理解为一种铁素体和渗碳体的复合材料.对于以珠光体为主要微观组织的高碳钢，片层结构不适合后续的冷加工或者应用于对性能要求比较高的构件，在使用前要求进行珠光体球化处理。
传统的高碳钢球化的方法是长时间的球化退火工艺控制比较困难，浪费大量能源；而且球化效果不理想，晶粒尺寸较大，达不到组织细化的要求。近年来发展了冷轧后退火工艺，是通过冷轧细化珠光体片层间距，在随后的退火过程中形成球化渗碳体，抑制铁素体长大、这一工艺优点是得到的组织具有高的强度和良好的塑性，缺点是冷轧的形变抗力比较大，对设备轧制能力要求较高。通过适当提高形变温度，研究了共析钢温变形过程中铁素体等轴化及渗碳体球化超细化的演变过程，以期得到在细小铁素体晶粒母相中均匀分布细小的渗碳体颗粒组织，在强韧化的同时有效地提高材料的加工硬化能力。
演变规律
随着应变量增加，珠光体发生变形，部分渗碳体片层发生弯折和溶断。由于片层取向不同，溶断的程度也不同。平行于试样端面，即垂直于压缩方向上片层溶断的程度比较小，溶断后的渗碳体片层的长度较长。工程应变30%时，组织中还是以比较完整的片层结构为主。在原来的珠光体团的晶界，特别是三叉晶界位置，出现少量细小的渗碳体颗粒。当形变量增加到50%时，得到三种不同的组织：其一是溶断的珠光体片层结构，此时片层的取向基本上垂直于压缩方向，片层间距明显缩小，平均为70nm左右；其二是棒状的渗碳体，取向同样平行于试样径向；还有部分渗碳体颗粒，并出现少量铁素体晶界。可以明显地看见渗碳体颗粒有两种形态：一种是粗大的不规则渗碳体颗粒，分布在铁素体晶界上，尺寸大约是150nm左右；另一种是形状比较规则的细小球化渗碳体，主要分布在铁素体基体上，其典型尺寸大约是50nm。大部分组织已经转化为不规则的粗大渗碳体颗粒和细小的球化渗碳体颗粒，铁素体晶界略为明显，片层组织基本消失。
形变过程中使渗碳体片各处出现不同的曲率，根据Gihhs-Thompson方程，在不同曲率半径的渗碳体附近，铁素体内平衡碳原子浓度有差异，这是导致渗碳体加速球化的重要原因。在组织发生大的形变后，珠光体片层严重变形和溶断，组织中出现大量形状复杂的渗碳体片层或者颗粒，渗碳体片层各处的曲率有很大差别，导致各处铁素体中的平衡碳原子浓度差距增大。具有较大曲率半径处的渗碳体附近铁素体中平衡碳原子浓度低于小曲率半径处的渗碳体附近铁素体的平衡碳原子浓度，导致具有小曲率半径处的渗碳体不断分解，通过碳原子扩散向大曲率半径渗碳体位置沉积。与传统的球化退火工艺相比较，温变形使共析钢球化动力学明显加快。
另一方面，形变使组织中引入大量空位或者位错等晶体学缺陷，形成碳原子扩散的高扩散率通道，有效加速小曲率半径处渗碳体溶解同时也促进了大曲率半径处渗碳体附近的沉积，使渗碳体颗粒不断趋于球形。铁素体基体中的晶界或亚晶界也可以成为促进碳原子扩散的因素，在这些位置的渗碳体颗粒具有更大的优势发生球化和长大。另外，溶解渗碳体的碳原子在铁素体中过饱和，当组织发生回复，位错密度下降时，重新在铁素体基体中析出，形成弥散细小的渗碳体颗粒并不断长大。由于珠光体片层的取向不同，形变时其应力状态不同，这将导致片层弯曲的程度有差异，所以不同取向片层的溶断和球化进程各不相同；但是随着形变量增大，最终都将球化。
渗碳体分解
在共析钢温变形及变形后的保温过程中，观察到伴随铁素体回复和再结晶同时，细小渗碳体颗粒在晶内的弥散析出，这只可能是渗碳体溶解再析出的结果。故采用热磁法进一步分析这一过程中渗碳体溶解和铁素体中碳过饱和的情况，这种方法对渗碳体的形状、尺寸以及微观应力的影响很小。
采用热磁法测定渗碳体溶解量的原理是通过测量钢中渗碳体居里点附近饱和磁化强度的变化幅度，而此变化幅度恰好反映该温度下渗碳体相的体积分数.因此渗碳体相的溶解程度与饱和磁化强度的下降程度成正比。对比原始状态和变形状态；下渗碳体居里点温度附近的饱和磁化强度的下降幅度，可知渗碳体的溶解度。
共析钢在温变形及冷变形过程中都发生了渗碳体的溶解，但是在温变形过程中受到热激活的影响，铁素体发生的回复或再结晶在一定程度上降低了位错密度，同时碳原子的扩散使过饱和的碳原子在铁素体晶内析出，形成细小的渗碳体颗粒，因此共析钢在700℃下形变80%时，渗碳体溶解量为D=6%，是此变形状态下溶解的渗碳体量与再次析出的渗碳体量之差。冷变形过程中缺乏热激活，位错、晶界和亚晶界的迁移能力受限制，使组织缺陷密度大大高于温变形组织，有可能提供更多碳原子溶解的位置；另外碳原子扩散受限制，使过饱和的碳原子很难发生再析出，表现为比温变形更高的溶解量。
备注
即在这种特定比例下的渗碳体和铁素体，在发生相变时，如果消失两者同时消失（加热时），如果出现则两者又同时出现，在这一点上这种组织与纯金属的相变类似。基于这个原因，人们就把这种由特定比例构成的两相组织当作一种组织来看待，并且命名为珠光体，这种钢就叫做共析钢。即含碳量正好是0.77%的钢就叫做共析钢，它的组织是珠光体。
1、共析钢温变形过程中，片层珠光体组织经历片层溶断到形成渗碳体颗粒的演变过程。与此同时，伴随铁素体回复再结晶，20nm左右细小渗碳体颗粒将在铁素体基体中析出，获得亚微米级铁素体晶粒与颗粒渗碳体弥散分布的复相组织。提高温度促进上述复合过程的进行，变形后保温提高两相弥散分布的均匀程度。
2、渗碳体居里点附近饱和磁化强度变化幅度的测量证实了共析钢温变形过程中渗碳体的溶解与铁素体中碳的过饱和以及随后的再析出。