現(xiàn)代材料可分為金屬、聚合物、陶瓷和復(fù)合材料四大類。盡管高分子材料發(fā)展迅速，但鋼鐵仍然是當(dāng)前工程技術(shù)中應(yīng)用最廣泛、最重要的材料。究竟是什么因素決定了鋼鐵材料的主導(dǎo)地位呢？下面我們就來詳細(xì)介紹一下。

鋼鐵是由鐵礦石提煉而成，來源豐富，價(jià)格低廉。鋼鐵又稱鐵碳合金，是由鐵（Fe）與碳（C）、硅（Si）、錳（Mn）、磷（P）、硫（S）以及其他微量元素（Cr、V等）組成的合金。通過調(diào)整鋼中各種元素的含量和熱處理工藝（淬火、退火、回火、正火四燒），可獲得各種金相組織，從而使鋼具有不同的物理性能。鋼經(jīng)過取樣、研磨、拋光，用特定的腐蝕劑腐蝕后，在金相顯微鏡下觀察到的組織稱為鋼的金相組織。鋼鐵材料的秘密就隱藏在這些組織中。

        在Fe-Fe3C體系中，可以制備出不同成分的鐵碳合金，它們的平衡組織在不同溫度下有所不同，但都是由幾種基本相（鐵素體F、奧氏體A和滲碳體Fe3C）所組成。這些基本相以機(jī)械混合物的形式組合在一起，在鋼中形成了豐富多彩的金相組織。常見的金相組織有以下八種：

一、鐵氧體

 碳溶解在α-Fe晶格間隙中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，屬于體心立方結(jié)構(gòu)，為等軸多邊形晶粒分布，用符號F表示。它的組織和性能與純鐵相似，具有良好的塑性和韌性，但強(qiáng)度和硬度較低（30～100HB）。在合金鋼中，是碳與合金元素在α-Fe中的固溶體。碳在α-Fe中的溶解度很低，在AC1溫度下，碳的最大溶解度為0.0218%，但隨著溫度的降低，溶解度減小到0.0084%。因此，在緩冷條件下，在鐵素體晶界處出現(xiàn)第三種滲碳體。隨著鋼中碳含量的增加，鐵素體數(shù)量減少，珠光體數(shù)量增多，此時(shí)鐵素體呈網(wǎng)狀和新月狀。

Ⅱ.奧氏體

 碳溶解于γ-Fe晶格間隙中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，具有面心立方結(jié)構(gòu)，屬高溫相，用符號A表示。奧氏體在1148℃時(shí)的最大溶解度為2.11% C，在727℃時(shí)固溶度為0.77% C。其強(qiáng)度和硬度比鐵素體高，塑性和韌性好，無磁性。其具體的力學(xué)性能與碳含量和晶粒大小有關(guān)，一般為170-220HBS，=40-50%。TRIP鋼是在奧氏體具有良好的塑性和柔韌性的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的鋼，利用殘余奧氏體的應(yīng)變誘發(fā)相變和相變誘發(fā)塑性，提高鋼板的塑性和鋼板的成形性。碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼中的奧氏體在冷卻過程中轉(zhuǎn)變成其它相，只有高碳鋼和滲碳鋼滲碳和高溫淬火后，奧氏體才殘留在馬氏體間隙中，由于不易被侵蝕，其金相組織呈白色。

Ⅲ.滲碳體

 滲碳體是碳和鐵按一定比例合成的金屬化合物，分子式Fe3C，表示其含碳量為6.69%，合金中形成（Fe，M）3C。滲碳體硬而脆，塑性和沖擊韌性幾乎為零，脆性很大，硬度可達(dá)800HB。在鋼鐵中，分布通常為網(wǎng)狀、半網(wǎng)狀、片狀、針片狀、粒狀。

 四、珠光體

 珠光體是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，用符號P表示。其力學(xué)性能介于鐵素體和滲碳體之間，具有較高的強(qiáng)度、中等的硬度和一定的塑性。珠光體是鋼中共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，其形態(tài)是鐵素體和滲碳體像指紋一樣呈層狀排列。根據(jù)碳化物的分布方式，可分為片狀珠光體和球狀珠光體兩種。

 a.片狀珍珠巖：分粗片狀、中片狀、細(xì)片狀三種。

b.球狀珠光體：經(jīng)球化退火得到，滲碳體呈球狀分布在鐵素體基體上。滲碳體球狀體的尺寸取決于球化退火工藝，特別是冷卻速度。球狀珠光體可分為粗球狀、球狀、細(xì)球狀和點(diǎn)狀四種類型。

五、貝氏體

貝氏體是奧氏體在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)以下、MS點(diǎn)以上中溫區(qū)轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。貝氏體是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合體，是介于珠光體和馬氏體之間的組織，用符號B表示。根據(jù)形成溫度不同，可分為粒狀貝氏體、上貝氏體（上B）和下貝氏體（下B）。粒狀貝氏體的強(qiáng)度較低，但韌性較好；下貝氏體既有較高的強(qiáng)度，又有較好的韌性；粒狀貝氏體的韌性最差。貝氏體形態(tài)多變，根據(jù)其形狀特征，貝氏體可分為羽毛狀、針狀和粒狀三種類型。

a.上貝氏體：

上貝氏體的特點(diǎn)是條狀鐵素體平行排列，內(nèi)有與鐵素體針軸平行的細(xì)條（或短棒）滲碳體，羽毛狀。

b.下貝氏體：

細(xì)小的針片狀，有一定的取向性，比淬火馬氏體更易受侵蝕，與回火馬氏體十分相似，在光學(xué)顯微鏡下很難區(qū)分，在電子顯微鏡下很容易區(qū)分。碳化物析出在針狀鐵素體中，其取向方向與鐵素體片長軸成55-60度角，下貝氏體不含孿生，有較多的位錯(cuò)。

c.粒狀貝氏體：

鐵素體形狀為多邊形，內(nèi)含許多不規(guī)則的島狀組織。當(dāng)鋼的奧氏體冷卻到略高于上貝氏體形成溫度時(shí)，析出的鐵素體中的一些碳原子通過鐵素體/奧氏體相界從鐵素體遷移到奧氏體中，使奧氏體不均勻地富碳，從而抑制了奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變。這些奧氏體區(qū)域一般呈島狀、粒狀或條帶狀分布在鐵素體基體上。在連續(xù)冷卻過程中，根據(jù)奧氏體的成分和冷卻條件，晶粒中的奧氏體可發(fā)生以下變化。

（i）全部或部分分解為鐵素體和碳化物。在電子顯微鏡下可見彌散多向分布的粒狀、棒狀或小塊狀碳化物。

(ii) 部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，在光學(xué)顯微鏡下呈完全黃色。

（iii）仍然保留富碳的奧氏體。

粒狀碳化物分布在粒狀貝氏體（島狀組織原為富碳奧氏體，冷卻時(shí)分解為鐵素體和碳化物，或轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或殘留富碳奧氏體顆粒）的鐵素體基體上。羽毛狀貝氏體，鐵素體基體，條狀碳化物析出在鐵素體片狀邊緣。下貝氏體，針狀鐵素體中含有細(xì)小的片狀碳化物，片狀碳化物在鐵素體的長軸上大致呈55～60度夾角。 

VI. WEISHER 組織

魏氏組織是一種過熱組織，它是由相互交叉約60度并嵌于鋼基體中的鐵素體針狀物組成。粗大的魏氏組織使鋼的塑性和韌性降低，脆性增大。亞共析鋼因過熱而形成粗大晶粒，冷卻時(shí)又迅速析出，因此，除了沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出外，還有一部分鐵素體按照剪切機(jī)制從晶界向晶粒方向形成，并單獨(dú)析成針狀，這種分布的組織稱為魏氏組織。過熱過共析鋼在冷卻時(shí)，滲碳體也從晶界向晶粒延伸，形成魏氏組織。

Ⅶ.馬氏體

碳在α-Fe中的過飽和固溶體稱為馬氏體。馬氏體具有較高的強(qiáng)度和硬度，但塑性較差，幾乎為零。不能承受沖擊載荷，用符號M表示。馬氏體是過冷奧氏體快速冷卻，在MS和Mf點(diǎn)之間發(fā)生剪切方式轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。此時(shí)碳（及合金元素）來不及擴(kuò)散，只能從γ-Fe的晶格（面心）向α-Fe的晶格（體心）擴(kuò)散，即碳在γ-Fe中的固溶體（奧氏體）轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚讦?Fe中的固溶體。因此，馬氏體轉(zhuǎn)變是根據(jù)馬氏體的金相特征，可分為板條馬氏體（低碳）和針狀馬氏體。

a.板條馬氏體：

又稱低碳馬氏體。大小大致相同的細(xì)小馬氏體條帶平行排列，形成馬氏體束或馬氏體域。域與域之間的取向差別很大，在一個(gè)原始奧氏體晶粒內(nèi)可形成若干個(gè)取向不同的域。由于板條馬氏體形成溫度較高，冷卻過程中不可避免地會出現(xiàn)自回火現(xiàn)象，形成的馬氏體中會析出碳化物，因此易受侵蝕而變暗。

 b.針狀馬氏體：

又稱片狀馬氏體或高碳馬氏體，其基本特征是：奧氏體晶粒內(nèi)最先形成的馬氏體片較大，往往遍布整個(gè)晶粒，將奧氏體晶粒分割，使后來形成的馬氏體尺寸受到限制，所以片狀馬氏體尺寸不等，分布不規(guī)則。針狀馬氏體沿一定方向形成，馬氏體針內(nèi)有中間棱，含碳量越高，馬氏體越明顯。同時(shí)，馬氏體間有白色的殘余奧氏體。

 c.淬火后形成的馬氏體經(jīng)回火后還可形成三種特殊的金相組織：

（一）回火馬氏體：

淬火時(shí)形成的片狀馬氏體（晶體結(jié)構(gòu)為四方體心）在回火第一階段分解，其中碳以過渡碳化物形式脫溶，固溶體基體（其晶體結(jié)構(gòu)已變?yōu)轶w心立方體）中彌散分布著極細(xì)小的過渡碳化物片（與基體的界面為共格界面）的復(fù)合相組織。這種組織在金相（光學(xué)）顯微鏡下即使在最大倍數(shù)下也不能分辨其內(nèi)部組織，只能看到其整體組織為黑色針狀（黑色針狀與淬火時(shí)形成的白色針狀基本相同），這種黑色針狀物稱為“回火馬氏體”。

（二）回火屈氏體：

淬火馬氏體經(jīng)中溫回火后的產(chǎn)物，其特點(diǎn)是馬氏體針狀體逐漸消失，但仍隱約可見（含鉻合金鋼，其合金鐵素體再結(jié)晶溫度較高，故仍保留針狀體），析出的碳化物細(xì)小，在光學(xué)顯微鏡下不易分辨，在電子顯微鏡下才可見碳化物顆粒，極易受侵蝕而組織發(fā)黑。若回火溫度較高或保留時(shí)間較長，則針狀體會呈白色，此時(shí)碳化物會集中在針狀體的邊緣，鋼的硬度會稍低，強(qiáng)度會下降。

（三）回火索氏體：

淬火馬氏體經(jīng)高溫回火后的產(chǎn)物。其特點(diǎn)是：索氏體基體上分布有細(xì)小顆粒狀碳化物，在光學(xué)顯微鏡下可清晰分辨。這種組織又稱條件組織，具有良好的強(qiáng)度與韌性的結(jié)合。鐵素體上的細(xì)小碳化物越細(xì)，則硬度和強(qiáng)度越高，韌性越差；反之，則硬度和強(qiáng)度越低，韌性越高。

Ⅷ.萊氏體

鐵碳合金中的共晶混合物，即碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（碳含量）為4.3%的液態(tài)鐵碳合金，當(dāng)奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物在1480℃時(shí)從液體中同時(shí)結(jié)晶出來時(shí)，就稱為萊氏體。由于奧氏體在727℃時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，所以萊氏體在室溫下由珠光體和滲碳體組成。為了區(qū)別，727℃以上的萊氏體稱為高溫萊氏體（L d），727℃以下的萊氏體稱為低溫萊氏體（L'd）。萊氏體的性質(zhì)與滲碳體相似，硬度高，塑性差。