实验二碳钢非平衡显微组织观察.doc

实验二 碳钢非平衡显微组织观察

一、实验目的
1. 观察和研究碳钢经不同形式热处理后显微组织的特点。
2. 研究和了解铁碳合金（碳钢）在非平衡状态下的显微组织形貌。
3. 了解热处理工艺对钢组织和性能的影响。

二、概述
铁碳合金经缓冷后的显微组织基本上与铁碳相图所预料的各种平衡组织相符合。但碳钢在不平衡状态，即在快冷条件下的显镜组织就不能用铁碳合金相图来加以分析，而应由过冷奥氏体等温转变曲线图—C曲线来确定。图2-1为共析碳钢的C曲线图。
按照不同的冷却条件，过冷奥氏体将在不同的温度范围发生不同类型的转变。通过金相显微镜观察，可以看出过冷奥氏体各种转变产物的组织形态各不相同。共析碳钢过冷奥氏体在不同温度转变的组织特征及性能如表2-1所示。
表2-1 共析碳钢（T8）过冷奥氏体在不同温度转变的组织及性能
转变
类型
组织名称
形成温度范围
（℃）
金相显微组织特征
硬度（HRC）
珠
光
体
型
相
变
珠光体
（P）
A1~650
在400~500倍金相显微镜下可观察到铁素体和渗碳体的片层状组织。
5~20
索氏体
（S）
650~600
在800~1000倍以上的显微镜下才能分清片层状特征，在低倍下片层模糊不清。
20~30
托氏体
（T）
600~550
用光学显微镜观察时呈黑色团状组织，只有在电子显微镜（5000~15000×）下才能看出片层组织。
30~40
贝氏体
型相变
上贝氏体
（B上）
550~350
在金相显微镜下呈暗灰色的羽毛状。
40~48
下贝氏体
（B下）
350~220
在金相显微镜下呈黑色针叶状。
48~58
马氏体
型相变
马氏体
（M）
<230
呈细针状马氏体（隐晶马氏体），或板条状马氏体
60~65

图2-1 共析碳钢的C曲线

三、钢的退火的正火组织
亚共析成分的碳钢（如40、45钢等）一般采用完全退火，经退火后可得到接近于平衡状态的组织，其组织特征已在实验一中加以分析和观察。过共析成分的碳素工具钢（如T10、T12钢等）一般采用球化退火，T12钢经球化退火后组织中的二次渗碳体及珠光体中的渗碳体都将变成颗粒状，如图2-2所示。图中均匀而分散的细小粒状组织就是粒状渗碳体。
45钢经正火后的组织通常要比退火的细，珠光体的相对含量也比退火组织中的多，如图2-3所示，原因在于正火的冷却速度稍大于退火的冷却速度。

图2-2 T12钢球化退火组织 图2-3 45钢正火后的组织
四、钢的淬火组织
将45钢加热到760℃（即以上，但低于），然后在水中冷却，这种淬火称为亚温淬火。根据Fe-Fe3C相图可知，在这个温度加热，部分铁素体尚未溶入奥氏体中，经淬火后将得到马氏体和铁素体组织。在金相显微镜中观察到的是呈暗色针状马氏体基底上分布有白色块状铁素体，如图2-4所示。
45钢经正常淬火后将获得细针状马氏体，如图2-5所示。由于马氏体针非常细小，在显微镜中不易分清。若将45钢加热到正常淬火温度，然后在油中冷却，则由于冷却速度不足（<K），得到的组织将是马氏体和部分托氏体（或混有少量贝氏体）。图2-6为45钢经加热到800℃保温后油冷的显微组织，亮白色为马氏体，呈黑色块状分布于晶界处的为托氏体。T12钢在正常温度淬火后的显微组织如图2-7所示，除了细小的马氏体外尚有部分未溶入奥氏体中的渗碳体（呈亮白颗粒）。

图2-4 45钢亚温淬火组织 图2-5 45钢正常淬火组织

图2-6 45钢800℃油冷的显微组织 图2-7 T12钢淬火后的显微组织

五、淬火后的回火组织
钢经淬火后所得到的马氏体和残余奥氏体均为不稳定组织，它们具有向稳定的铁素体和渗碳体的两相混合物组织转变的倾向。通过回火将钢加热，提高原子活动能力，可促进这个转变过程的进行。
淬火钢经不同温度回火后所得到的组织不同，通常按组织特征分为以下三种：
1. 回火马氏体
淬火钢经低温回火（150~250℃），由于马氏体分解，奥氏体所受的压力下降, Ms 上升，残余奥氏体分解为e碳化物和过饱和铁素体，即回火马氏体M回。回火马氏体仍保持针片状特征，但容易受浸蚀，故颜色要比淬火马氏体深些，是暗黑色的针状组织，如图2-8所示。

图2-8 45钢低温回火组织（M回）
2. 回火托氏体
淬火钢经中温回火（350~500℃）得到在针状铁素体基体中弥散分布着微小粒状渗碳体的组织，称为回火托氏体，用T回表示。回火托氏体中的铁素体仍然基本保持原来针状马氏体的形态，渗碳体则呈细小的颗粒状，在光学显微镜下不易分辨清楚，故呈暗黑色，如图2-9(a)所示。用电子显微镜可以看到这些渗碳体质点，并可以看出回火托氏体仍保持有针状马氏体的位向，如图2-9(b)所示。

（a）金相照片 （b）电镜照片
图2-9 45钢4000C回火组织
3. 回火索氏体
淬火钢高温回火（500~650℃）得到的组织称为回火索氏体。400℃以上回火时，Fe3C开始聚集长大。450℃以上铁素体发生多边形化，由针片状变为多边形。这种在多边形铁素体基体上分布着颗粒状Fe3C的组织称回火索氏体，用S回表示。其特征是已经聚集长大了的渗碳体颗粒均匀分布在铁素体基体上，如图2-10(a)所示。用电子显微镜可以看出回火索氏体中的铁素体已不呈针状形态而成等轴状，如图2-10(b)所示。

（a）金相照片 （b）电镜照片
图2-10 45钢6000C回火组织

六、实验方法指导
1. 实验内容及步骤
1) 每组在指定的金相显微镜下进行观察样品。观察时根据Fe-Fe3C相图和奥氏体等温转变图来分析确定各种组织的形成原因。
2) 画出所观察到的几种典型的显微组织形态特征，并注明组织名称、热处理条件及放大倍数等。
3) 本实验所研究的45钢及T12钢的热处理工艺、显微组织、浸蚀剂及放大倍数列于表2-2。
表2-2 45钢和T12钢不同热处理后的显微组织
编号
热处理工艺
显微组织特征
放大倍数
45钢：
1
2
3
4
5
6
7
8
T12钢
9
10

退火：860℃炉冷
正火：860℃空冷
淬火：760℃水淬
860℃水淬
860℃油淬
860℃水淬和200℃回火
860℃水淬和400℃回火
860℃水淬和600℃回火

退火：760℃球化
淬火：780℃水淬

珠光体+铁素体（呈亮白色块状）
细珠光体+铁素体（块状）
针状马氏体+部分铁素体（白块状）
细针马氏体+残余奥氏体（亮白色）
细针马氏体+托氏体（暗黑色块状）
细针状回火马氏体（针呈暗黑色）
针状铁素体+不规则粒状渗碳体
等轴状铁素体+粒状渗碳体

铁素体+球状渗碳体（细粒状）
细针马氏体+粒状渗碳体（亮白色）

400×
400×
400×
400×
400×
400×
400×
400×
400×
400×
400×

2. 实验设备及材料
1) 金相显微镜；
2) 金相图谱及放大金相图片；
3) 各种经不同热处理的显微样品。
3. 注意事项
1) 对各类不同热处理工艺的组织，观察时可采用对比的方式进行分析研究，例如正常淬火与不正常淬火，水淬与油淬，淬火马氏体与回火马氏体等。
2) 对各种不同温度回火后的组织，可采用高倍放大进行观察，必要时参考有关金相图谱。
4. 实验报告要求
1) 明确本次实验目的。
2) 画出几种典型的显微组织图。
3) 分析样品3与4，3与5，4与5，4与6的异同处，并说明原因。