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鋼絲的基本組織結(jié)構(gòu)（奧氏體、鐵素體、滲碳體、珠光體、貝氏體、馬氏體、萊氏體）與使用性能
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時(shí)間：2014-05-17
鋼鐵材料有7種基本組織結(jié)構(gòu)：奧氏體、鐵素體和滲碳體、珠光體、貝氏體、馬氏體和萊氏體，其中奧氏體、鐵素體和滲碳體是基本相，珠光體、貝氏體、馬氏體和萊氏體是多相混合物。
鋼絲的組織結(jié)構(gòu)除指顯微組織、晶粒度外，還包括顯微組織缺陷。顯微組織缺陷指鋼絲實(shí)際晶格結(jié)構(gòu)與理想晶格結(jié)構(gòu)之間存在的差異，按冶金學(xué)理論，金屬材料的顯微組織缺陷可以分為：點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷。顯微組織結(jié)構(gòu)的各種缺陷可用相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)去定義和度量，也可以借助各種檢驗(yàn)方法去觀察和研究。鋼絲的性能完全取決于組織結(jié)構(gòu)，而組織結(jié)構(gòu)在很大程度上取決于熱處理和冷加工工藝，要生產(chǎn)出顧客滿意的鋼絲產(chǎn)品，必須搞清組織結(jié)構(gòu)與使用性能的關(guān)系，以及組織結(jié)構(gòu)與熱處理工藝的關(guān)系。
1?鋼絲的幾種基本組織形態(tài)
鋼鐵材料有7種基本組織結(jié)構(gòu)：奧氏體、鐵素體和滲碳體、珠光體、貝氏體、馬氏體和萊氏體，其中奧氏體、鐵素體和滲碳體是基本相，珠光體、貝氏體、馬氏體和萊氏體是多相混合物。鋼絲具有的各種組織結(jié)構(gòu)的表觀特性及性能特點(diǎn)描述如下：
奧氏體：觀察Mn13或奧氏體鋼1Cr18Ni9Ti的鋼絲金相組織可發(fā)現(xiàn)，奧氏體的晶界比較直，晶內(nèi)有孿晶或滑移線。淬火鋼中的殘余奧氏體分布在馬氏體的空隙處，顏色淺黃、發(fā)亮。
奧氏體鋼絲具有優(yōu)異的冷加工性能，在高低溫條件下均可保持良好的強(qiáng)韌性。一般來說奧氏體鋼的冷加工硬化速率遠(yuǎn)大于珠光體和索氏體鋼，經(jīng)大減面拉拔可以制備具有特殊性能的彈簧，高錳奧氏體鋼具有優(yōu)異的耐磨性能和減振性能，奧氏體不銹鋼具有良好的耐蝕性能和耐熱性能。固溶狀態(tài)的奧氏體鋼無磁，經(jīng)深冷加工有微弱的磁性。
鐵素體：鐵素體晶界圓滑，晶內(nèi)很少見孿晶或滑移線，顏色淺綠、發(fā)亮，深腐蝕后發(fā)暗。鋼中鐵素體以片狀、塊狀、針狀和網(wǎng)狀存在。純鐵素體組織具有良好的塑性和韌性，但強(qiáng)度和硬度都很低；冷加工硬化緩慢，可以承受較大減面率拉拔，但成品鋼絲抗拉強(qiáng)度很難超過1200MPa。常用鐵素體鋼絲有鐵素體不銹鋼絲（0Cr17）和鐵-鉻-鋁電熱合金絲（0Cr25Al5）等。
滲碳體：鋼中滲碳體以各種形態(tài)存在，外形和成分有很大差異。一次滲碳體多在樹枝晶間處析出，呈塊狀，角部不尖銳；共晶滲碳體呈骨骼狀，破碎后呈多角形塊狀；二次滲碳體多在晶界處或晶內(nèi)，可能是帶狀、網(wǎng)狀或針狀；共析滲碳體呈片狀，退火、回火后呈球狀或粒狀。在金相圖譜中滲碳體白亮，退火狀態(tài)呈珠光色。一次滲碳體和破碎的共晶滲碳體只有在萊氏體鋼絲，如9Cr18、Cr12、Cr12MoV和W18Cr4V中才能見到，只要熱加工工藝得當(dāng)，冷拉用盤條中的一次滲碳體塊度應(yīng)較小、無尖角，共晶碳化物應(yīng)破碎成小塊、角部要圓滑，否則根本無法拉拔，滲碳體帶輕度棱角的盤條，可以通過正火后球化退火+輕度（Q020%）拉拔+高溫再結(jié)晶退火的方法加以挽救。帶狀和網(wǎng)狀滲碳體也是拉絲用盤條中不應(yīng)出現(xiàn)的組織，這兩種組織提高鋼的脆性，不利于鋼絲加工成形，顯著降低成品鋼絲的切削性能和淬火均勻性，對(duì)網(wǎng)狀2.5級(jí)的盤條可用正火的方法改善網(wǎng)狀，一般來說鋼絲經(jīng)冷拉-退火兩次以上循環(huán)，網(wǎng)狀可降低0.5-1級(jí)。
珠光體：珠光體是由片狀鐵素體和滲碳體組成的混合物，其中滲碳體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，鐵素體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為88%，兩者密度相近，在金相圖譜中鐵素體呈寬條狀，滲碳體呈窄條狀。
片狀珠光體是由成分均勻的奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變來的，等溫轉(zhuǎn)變溫度，或連續(xù)冷卻速度直接影響到珠光體的片間距。同一牌號(hào)的鋼絲，在一定等溫區(qū)間，珠光體的片間距是相對(duì)恒定的。實(shí)驗(yàn)證明，奧氏體晶粒度雖然對(duì)珠光體晶團(tuán)的大小有決定性影響，但基本不影響珠光體片間距。
片狀珠光體經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚?，滲碳體變?yōu)榍驙罨蛄睿D(zhuǎn)化為粒狀珠光體。從奧氏體狀態(tài)冷卻時(shí)，是轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺钪楣怏w，還是粒狀珠光體，主要取決于奧氏體成分的均勻性。完全奧氏體化的成分均勻的奧氏體，冷卻后形成片狀珠光體；成分不均勻的奧氏體，冷卻后形成粒狀珠光體。在奧氏體臨界點(diǎn)（A1）附近反復(fù)冷卻-加熱，然后緩冷，或鋼絲冷拉后再退火，都是實(shí)現(xiàn)粒狀珠光體轉(zhuǎn)變的有效方法。
珠光體鋼絲的力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度Rm、伸長率A、斷面收縮率Z、硬度），可拉拔性（變形抗力、冷加工硬化速率、極限減面率Q），工藝性能（彎曲Nb、扭轉(zhuǎn)N?t、纏繞、頂鍛、沖壓）與顯微組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。一般來說，粒狀珠光體鋼絲的抗拉強(qiáng)度Rm和硬度要低于片狀珠光體鋼絲，伸長率A和斷面收縮率Z前者要高于后者；粒狀珠光體鋼絲的拉拔性能優(yōu)于片狀珠光體鋼絲，表現(xiàn)為拉拔力低、冷加工硬化慢、能承受的極限減面率大；工藝性能前者優(yōu)于后者。在粒狀珠光體范圍內(nèi)，隨著球化度提高（球化組織從1級(jí)升到3級(jí)），鋼絲抗拉強(qiáng)度和硬度下降，塑性和韌性上升，可拉拔性和工藝性能也越來越好，特別冷頂鍛和深沖性能顯著改善。在片狀珠光體范圍內(nèi)，珠光體晶團(tuán)和片間距對(duì)鋼絲性能起決定性的影響，珠光體晶團(tuán)的尺寸與奧氏體的晶粒度成正比；而片間距與奧氏體的晶粒度基本無關(guān)，主要取決于過冷度(冷卻速度)，可以說，在一定的轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)，片間距必定在一定的范圍內(nèi)。此外，碳和合金元素的含量對(duì)片間距也有一定的影響，隨著碳含量的增加，片間距逐漸減小，Co、尤其是Cr能顯著減小片間距，而Ni、Mn、Mo則使片間距加大。當(dāng)片間距小到索氏體范圍內(nèi)時(shí)，鋼絲的各項(xiàng)性能又有另一番變化。
貝氏體：貝氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍較寬，在較高溫度下(500-350℃)，奧氏體等溫轉(zhuǎn)變生成上貝氏體。在貝氏體區(qū)下部等溫轉(zhuǎn)變生成下貝氏體。下貝氏體晶粒呈針狀，兩端尖，針葉不交叉，但可以交接。晶內(nèi)滲碳體呈細(xì)針狀，與鐵素體長軸成55°-65°夾角，顏色分散度大，比馬氏體針顏色深。
在貝氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)（Bs-Bz），滲碳體擴(kuò)散緩慢，鐵素體的擴(kuò)散受阻，即使溫度降到Bs點(diǎn)以下，貝氏體轉(zhuǎn)變?nèi)詿o法完成，隨溫度下降，貝氏體數(shù)量逐漸增加，直到Bz點(diǎn)，過冷奧氏體往往也不能完全轉(zhuǎn)變，剩余未轉(zhuǎn)變奧氏體叫殘余奧氏體。對(duì)于大多數(shù)鋼來說，貝氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍大約是120℃，Bz點(diǎn)可能位于Ms點(diǎn)以上，也有可能位于Ms點(diǎn)以下，而且基本不受碳和合金元素含量的影響，多在315-375℃之間。
馬氏體：常見馬氏體組織有兩種類型。中低碳鋼淬火獲得板條狀馬氏體，板條狀馬氏體是由許多束尺寸大致相同，近似平行排列的細(xì)板條組成的組織，各束板條之間角度比較大；高碳鋼淬火獲得針狀馬氏體，針狀馬氏體呈竹葉或凸透鏡狀，針葉一般限制在原奧氏體晶粒之內(nèi)，針葉之間互成60°或120°角。
馬氏體轉(zhuǎn)變同樣是在一定溫度范圍內(nèi)（Ms-Mz）連續(xù)進(jìn)行的，當(dāng)溫度達(dá)到Ms點(diǎn)以下，立即有部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。板條狀馬氏體有很高的強(qiáng)度和硬度，較好的韌性，能承受一定程度的冷加工；針狀馬氏體又硬又脆，無塑性變形能力。馬氏體轉(zhuǎn)變速度極快，轉(zhuǎn)變時(shí)體積產(chǎn)生膨脹，在鋼絲內(nèi)部形成很大的內(nèi)應(yīng)力，所以淬火后的鋼絲需要及時(shí)回火，防止應(yīng)力開裂。
萊氏體：常溫下，萊氏體是珠光體、滲碳體和共晶滲碳體的混合物。在高溫下形成的共晶滲碳體呈魚骨狀或網(wǎng)狀分布在晶界處，經(jīng)熱加工破碎后，變成塊狀，沿軋制方向鏈狀分布，其塊度和形狀對(duì)冷加工性能有決定性的影響，熱加工變形程度不足、終鍛或終軋溫度偏高，往往造成共晶滲碳體塊度大，帶明顯的尖角，這樣的盤條根本無法冷拔。萊氏體鋼絲熱處理的目標(biāo)是，使經(jīng)冷拔逐步破碎的共晶滲碳體逐步球化。
2?鋼絲的使用性能
冷加工性能：鋼絲的可拉拔性能與顯微組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。以珠光體鋼絲為例，滲碳體幾乎沒有塑性變形能力，塑性變形全部在鐵素體中進(jìn)行，隨著冷拉減面率的增加，鐵素體片伸長變薄，內(nèi)部位錯(cuò)密度不均勻性增加，形成胞狀亞結(jié)構(gòu)（俗稱位錯(cuò)胞），逐步堆積在相界處，相界很快就變得模糊不清。粗片狀滲碳體無法變形，在拉應(yīng)力作用下只能破碎成鏈狀碎片或碎粒，破碎的滲碳體與位錯(cuò)胞纏結(jié)在一起，很快阻塞鐵素體中位錯(cuò)線的移動(dòng)，鋼絲就達(dá)到了拉拔極限。當(dāng)珠光體片層減薄到索氏體范圍時(shí)，滲碳體與鐵素體相界急劇加長，鋼絲抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步提高，同時(shí)可變形鐵素體更加分散，不均勻變形產(chǎn)生位錯(cuò)胞的幾率明顯減少，可變形深度加大，強(qiáng)化均勻性有所改善，鋼絲的可拉拔性能和工藝性能自然相應(yīng)提高。索氏體中滲碳體薄到一定程度后塑性和韌性也產(chǎn)生一定的變化，拉拔時(shí)可產(chǎn)生小角度的彎曲和扭轉(zhuǎn)，破碎阻塞作用明顯減小，對(duì)提高冷拉變形極限也做出一份貢獻(xiàn)。近期研究成果證明，當(dāng)滲碳體薄到一定程度后確實(shí)有一定的塑性。理論解釋是，滲碳體薄片能沿幾個(gè)位向滑移，并斷裂成碎片，同時(shí)也產(chǎn)生一些顯微裂紋。滲碳體碎片表面具有很高的自由能，變得很不穩(wěn)定，其中碳原子自發(fā)向鐵素體位錯(cuò)胞處擴(kuò)散，產(chǎn)生強(qiáng)制溶解現(xiàn)象，隨減面率增大，滲碳體最終變成微粒，彌散硬化效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)，鋼絲的抗拉強(qiáng)度可增大到5000MPa以上。同時(shí)拉拔產(chǎn)生的高溫使顯微裂紋實(shí)現(xiàn)自愈合，金相觀察也證實(shí)了這點(diǎn)，經(jīng)90%以上減面率拉拔的碳素彈簧鋼絲，組織沿拉拔方向完全纖維化，絕無顯微裂紋存在。
粒狀珠光體中滲碳體呈球狀分布，相界變短，鋼絲變形抗力減小，同時(shí)鐵素體連成一體，由于變形的不均勻性，很容易在局部形成位錯(cuò)胞，在有的鐵素體變形還不充分時(shí)，局部已經(jīng)達(dá)到了變形極限，所以粒狀珠光體鋼絲抗拉強(qiáng)度低，冷加工硬化慢，但承受最大減面率遠(yuǎn)不如索氏體鋼絲，不同組織狀態(tài)的碳素鋼絲冷拉性能數(shù)據(jù)。
鐵素體鋼絲中沒有滲碳體的阻礙作用，變形抗力更小，冷加工硬化慢，可拉拔性能優(yōu)于珠光體鋼絲，但承受深冷加工變形能力不如索氏體鋼絲。
奧氏體鋼絲冷拉變形時(shí)可滑移面多，冷加工塑性良好，但變形抗力大、冷加工硬化快，部分奧氏體鋼絲冷拉時(shí)會(huì)產(chǎn)生形變馬氏體，進(jìn)一步加快冷加工硬化速度，所以盡管奧氏體鋼絲塑性好，但拉拔抗力大，如果拉絲模質(zhì)量不很好、表面處理不當(dāng)、或潤滑不良，極易造成鋼絲與模具的局部熔接，生產(chǎn)難度反而超過鐵素體和珠光體鋼絲。
萊氏體鋼絲塑性變形能力最差，但只要盤條生產(chǎn)工藝得當(dāng)，經(jīng)過球化處理，還是可以拉拔的，但冷拉減面率不宜過大（原料冷拉減面率不宜超過25%），要及時(shí)退火，防止出現(xiàn)滲碳體過度破碎，在鋼絲內(nèi)部形成退火無法修復(fù)的孔洞，失去拉拔塑性。
切削加工性能：切削性能一般用工件切削后的表面粗糙度和刀具壽命等來衡量，金屬材料在具有適中硬度（HB170-230）和一定脆性的條件下切削性能最好。為獲得理想切削性能，不同鋼種可采用不同熱處理工藝來得到適于切削加工的組織結(jié)構(gòu)。低碳鋼采用正火得到片狀珠光體組織，中碳鋼采用再結(jié)晶退火得到帶有少量片的粒狀珠光體（1-2級(jí)）組織，高碳鋼和合金鋼采用球化退火得到3-4級(jí)的粒狀珠光體組織。為提高切削的脆性，改善工件表面光潔度，推薦選用含硫或含硒的易切削鋼。
冷頂鍛性能：冷頂鍛指工件不經(jīng)機(jī)械加工，直接頂壓或鍛造成形，是一件高效、資源節(jié)約型加工方法。冷頂鍛變形量大，變形速率快，要求鋼絲的硬度適中（HRB70-98）。鋼絲太硬模具破損大，太軟的鋼絲切斷時(shí)易產(chǎn)生粘連；冷加工硬化要慢；承受極限變形能力要大（有時(shí)加工率大于90%）；變形盡可能均勻。根據(jù)前四條要求，在珠光體鋼中粒狀珠光體組織性能完全符合要求，3級(jí)粒狀珠光體組織最佳。改善變形均勻性的有效方法是加粗晶粒度，因?yàn)榫Ы缡亲璧K變形，造成變形不均的主要因素，晶粒適當(dāng)加粗，界晶減少，變形均勻性提高，同時(shí)冷加工硬化也減慢。對(duì)于低碳和低合金鉚螺鋼絲，如ML10、ML20和ML20CrMoA等，為防止硬度太軟，切斷時(shí)粘連，多選用球化退火后輕拉狀態(tài)交貨。
淬-回火性能：工具鋼絲和合金彈簧鋼絲制成零部件后，最終要進(jìn)行淬-回火才能使用，要保證淬-回火性能，關(guān)鍵是控制碳化物形態(tài)，細(xì)片狀滲碳體或細(xì)粒狀滲碳體鋼加熱時(shí)，滲碳體比較容易溶化奧氏體中，獲得均勻的奧氏體，是理想的淬-回火組織。中低碳鋼正火獲得細(xì)片狀珠光體，強(qiáng)度適中，塑性良好，所以淬-回火用中低碳鋼絲中間熱處理多選用正火。高碳鋼正火后強(qiáng)度偏高，不利于拉拔，實(shí)際生產(chǎn)中多采用球化退火+再結(jié)晶退火工藝，原料一般進(jìn)行球化退火，獲得細(xì)粒狀珠光體，中間熱處理選用再結(jié)晶退火，小規(guī)格鋼絲為防止?jié)B碳體球過度長大，隨著拉拔-熱處理循環(huán)次數(shù)增加，退火溫度應(yīng)逐步降低到650℃左右。降低退火溫度的另一目的是減輕脫碳趨勢(shì)。
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