碳钢的热处理及非平衡组织观察

1、实验二 碳钢的热处理及非平衡组织观察一、实验目的1. 了解退火、正火、淬火及回火等普通热处理的基本工艺与生 产。2. 认识碳钢典型的热处理组织，了解不同加热温度、不同冷却 速度及不同回火温度对所得组织的影响。二、实验内容实验一中我们研究了铁碳合金的平衡组织，即缓冷后的组织。它 完全符合铁碳状态图所得出的结果，而非平衡组织，通俗的理解就是 在较快的冷速下所得到的组织，除退火外，正火、淬火或回火所得的 组织都为不平衡组织。1. 状态图可决定热处理的加热温度和可以进行哪一类热处理。 但热处理后的产物尚需视冷却速度而定，这样就需要运用过冷奥氏体 等温转变曲线（C曲线）来决定。而钢的回火后组织又必须结合

2、钢的 回火相变原理去理解。图1为共析钢由TTT曲线推测过冷奥氏体连 续冷却所获转变产物。Ai为临界线（727 C）, Ms为马氏体转变开始温度。以不同冷却 速度进行冷却。根据冷却曲线和“ C”曲线相交的位置可以判断出奥 氏体转变产物是什么组织。Vk表示转变为马氏体的最小冷速V1相当于退火冷速（炉冷），产物为片状珠光体。V2相当于正火冷速（空冷），产物为索氏体，索氏体也是a +Fe3C的机械混合物，与珠光体不同的是其片状较细，在放大倍数较 高的显微镜观察时可以分辨清楚（一般8001000倍）V3相当于在油中冷却，产物为屈氏体+马氏体。屈氏体也是 a +Fe3C的机械混合物只是片状更细，故要在更高

3、放大倍数下才能分 辨。普通金相显微镜分辨不清，呈黑色团块状。V4相当于在水中冷却（淬火），产物为马氏体+残余奥氏体。 马氏体（M ）是碳在a Fe中的过饱和固溶体，其组织特征呈亮白色 针状。针与针之间的夹角一般为60。或120。，针的粗细与原来丫的 晶粒度有密切的关系。若选取热处理加热温度过高，则由于丫晶粒很 粗大，淬火后的M针也粗大。这种情况下钢的韧性很低。正常淬火温 度下，M针应很细，呈隐针状。钢在淬火后常保留某些未转变的奥氏 体，称为残余奥氏体，它与一般的奥氏体没有什么区别。下面是一些钢种热处理后的显微组织。45钢退火处理（100X）：基体组织为珠光体及铁素体。铁素体沿 奥氏体晶界呈网络

4、状分布。片状珠光体的体积分数约占基体总体积分 数的55%，由此可以推算出钢中 W （ C）为45%。同时，从网络状分 布的铁素体可以看出，此钢退火温度不高；故其晶粒细小。这种钢在 退火状态下强度是偏低的，为了充分发挥材料的潜力，通常于采用调 质或正火处理。45钢860 C加热保温后淬火（500X）。针状淬火马氏体，其针叶 大小中等。45钢860 C加热保温后淬火，600 C回火1h （ 500X）。基体组织 为保持马氏体位向分布的回火索氏体，硬度为28HRC。45钢淬火后得 到过饱和的a固溶体即淬火马氏体。它的强度及硬度很高（硬度可达 5860HRC左右）,而其韧性及塑性则明显下降。为了消除淬

5、火时的 内应力和组织应力，淬火的工件应及时进行回火处理，当回火温度达 600 °C时，马氏体则发生分解，析出极细的渗碳体颗粒，从而使基体 分解为索氏体组织，此时工件的强度和硬度有所下降，而塑性及韧性 则显著提高。因此，可获得良好的综合力学性能，以适应制造要求强 度较高，塑性及韧性也好的机械零件。20钢900 C加热后正火处理（100X），组织是白色基体为铁素体 等轴晶，黑色块状为片状珠光体。此为正火后的正常组织。20钢950 C加热保温后水淬（500X）。组织是低碳马氏体，又称 板条状马氏体，硬度为4647HRC。低碳钢淬火后可得到板条状马氏 体组织，它的特征是：尺寸大致相同的条状马

6、氏体定向平行排列，组 成马氏体束或马氏体区域，在区域与区域之间位向差较大，一颗原始 的奥氏体晶粒内可以形成几个不同取向的区域。20钢通过加热后淬 火、回火等处理，可以改善其力学性能和可加工性，以充分利用它的 潜在性能，来制造强度和韧性要求较高的零部件2. 钢淬火后必须回火，按工件不同的性能要求进行不同类型回 火。根据加热温度的高低可分为低温回火、中温回火和高温回火。(1) 低温回火：回火温度在250 C以下，回火转变的产物为回 火马氏体，它与淬火马氏体的形态相同，呈针状。但易受侵蚀，所以 颜色发暗。(2) 中温回火：回火温度350 C500 C ,其组织为回火屈氏体。 它也是a +Fe3C的机

7、械混合物。回火屈氏体中的Fe3C微粒是分布在 保留马氏体位向的a上。(3) 高温回火：回火温度500 C650 C ,其组织为回火索氏体, 在高倍放大下可以看到析出的Fe3C粒子分布在a基体上。下图为不同回火工艺处理后的典型显微组织三、实验步骤1. 认真观察下列实验室准备的碳钢非平衡组织的样品：1) 45钢850 C炉冷；2) 45钢850 C空冷；3) 45钢850 C油冷；(c) Ml火盅氐体4) 45钢850 C水冷；5) 45钢760 C水冷；6) 45钢850 C水冷+200 C回火；7) 45钢850 C水冷+400 C回火；8) 45钢850 C水冷+600 C回火；9) T10

8、 钢：球化退火；10) T12 钢：780 C 水冷；11 ) T12钢：1200 C水冷，过热组织；12) T12 钢：1200 °C 水冷 +200 C 回火；13) 20 钢：1200 C 水冷；14) 65Mn 钢 ： 等温淬火， 上贝氏体；15) 65Mn 钢 ： 等温淬火， 下贝氏体。16) 902(船用钢板)： 910C 空冷， 粒状贝氏体2. 了解冷却速度对钢组织的影响， 过共析钢淬火温度的选择。3. 观察不同回火温度下的显微组织，了解回火时组织变化规律。4. 选择典型钢种， 绘画金相组织 6个， 并详细注解。四、实验仪器及材料1. 金相显微镜若干台；2. 上述钢种的金相样品和图片；3. 淬 火 钢 金