组织观察剖析

1、材料改性实验钢的热处理组织 本学期内容 1.1.钢的热处理组织钢的热处理组织 2. 2.原理及工艺的综合实验原理及工艺的综合实验 3.3.材料设计实验材料设计实验 4 4 离子注入改性离子注入改性 微弧氧化微弧氧化 磁控溅射磁控溅射 经过不同的热处理工艺 同种材料的钢物理性能和力学性能差异很大 过冷奥氏 体转变成 不同组织原因正确认识鉴别组织分析钢材性能制定选材原则制定热处理工艺热处理：加热保温冷却 热处理组织：非平衡组织改变材料的组织结构，从而达到改善性能的要求。改变材料的组织结构，从而达到改善性能的要求。热处理目的热处理目的根据碳化物分根据碳化物分 布不同主要有布不同主要有：珠光体型珠光体

2、型(P)(P)贝氏体型贝氏体型( (B)马氏体型马氏体型(M)(M)钢的非平衡组织 珠光体贝氏体马氏体1.1 珠光体一、珠光体型组织形态 我们将我们将A在冷却过程中转变为在冷却过程中转变为F与与Fe3C的层片状分布的共析组织称为珠光体的层片状分布的共析组织称为珠光体。 由于珠光体转变时需要组元间的相互扩散，全扩散型转变由于珠光体转变时需要组元间的相互扩散，全扩散型转变通过通过Fe、C原子的扩散和原子的扩散和A晶格的改组晶格的改组来实现。来实现。 所以不同的冷速和等温温度其两相的层片间距是不同的。所以不同的冷速和等温温度其两相的层片间距是不同的。 S 两相的层片间距两相的层片间距 T 过冷度过冷

3、度 S 随形成温度降低而减小，根据珠光体两相的层片间距分别称为随形成温度降低而减小，根据珠光体两相的层片间距分别称为: 粗片状珠光体粗片状珠光体细片状珠光体细片状珠光体索氏体索氏体屈氏体屈氏体表1-1 共析钢中珠光体层片间距对硬度的影响 组织组织 形成温度范围形成温度范围 大致层片间距大致层片间距m HRCm HRC 粗珠光体粗珠光体 Ac1700 0. .7 522 细珠光体细珠光体 700670 0. .60. .8 2227 索氏体索氏体 670600 0. .25 2533 屈氏体屈氏体 600550 0. .1 3334过冷奥氏体等温转变图（过冷奥氏体等温转变图（TTT图）图）由于其

4、曲线形状呈由于其曲线形状呈“C”字，又称为字，又称为C曲线。曲线。一般采用金相法、膨胀法、磁性法、电阻法、热分析法等。一般采用金相法、膨胀法、磁性法、电阻法、热分析法等。珠光体的转变过程珠光体的转变过程珠光体转变过程示意图珠光体转变过程示意图AFe3CAFe3C Fe3C AP珠光体珠光体索氏体索氏体屈氏体屈氏体 粒状贝氏体粒状贝氏体 上贝氏体上贝氏体 下贝氏体下贝氏体贝氏体贝氏体珠光体珠光体马氏体马氏体临界冷速临界冷速临界冷却速度（临界冷却速度（Vc） 为了钢件在淬火后得到完全马氏体组为了钢件在淬火后得到完全马氏体组织，应使奥氏体从淬火加热温度至织，应使奥氏体从淬火加热温度至Ms 点的点的冷

5、却过程中不发生分解。为此，钢件的冷却冷却过程中不发生分解。为此，钢件的冷却速度应大于某一临界值，此临界值称为临界速度应大于某一临界值，此临界值称为临界淬火速度或临界冷却速度，通常用淬火速度或临界冷却速度，通常用Vc 表示表示之，之， Vc是得到完全马氏体组织的最低冷却是得到完全马氏体组织的最低冷却速度。速度。片 状 珠 光 体片 状 珠 光 体索 氏 体索 氏 体屈 氏 体屈 氏 体二、屈氏体（屈氏体是淬火钢中的缺陷组织屈氏体是淬火钢中的缺陷组织） 1淬火钢中的屈氏体 钢淬火时若冷速不够，冷却曲线与钢淬火时若冷速不够，冷却曲线与C C曲线在屈氏体转变区相遇，便沿奥曲线在屈氏体转变区相遇，便沿奥

6、氏体晶界先分解成屈氏体，常呈黑色团状边缘或网状组织，易腐蚀，呈暗黑氏体晶界先分解成屈氏体，常呈黑色团状边缘或网状组织，易腐蚀，呈暗黑色色. . 2焊缝热影响区屈氏体 低碳、低合金钢修补焊件的热影响区，有时局部可见黑色网状屈氏体，低碳、低合金钢修补焊件的热影响区，有时局部可见黑色网状屈氏体，系碳弧气刨时局部增碳，在焊接冷速下造成的。系碳弧气刨时局部增碳，在焊接冷速下造成的。 3某些合金钢淬火欠热组织 如如GCr15GCr15钢淬火加热温度不足，部分碳化物未溶解，则未溶碳化物周围钢淬火加热温度不足，部分碳化物未溶解，则未溶碳化物周围碳量及合金化程度较低，奥氏体稳定性差。而碳化物溶解较充分的区域奥氏

7、碳量及合金化程度较低，奥氏体稳定性差。而碳化物溶解较充分的区域奥氏体含碳及合金含量较高，故而常见碳化物周围出现黑色屈氏体组织。体含碳及合金含量较高，故而常见碳化物周围出现黑色屈氏体组织。 4渗碳、碳氮共渗等化学热处理表层的黑色组织 如碳氮共渗时在碳氮化物周围，奥氏体合金化程度降低，及试样表面如碳氮共渗时在碳氮化物周围，奥氏体合金化程度降低，及试样表面氧化等原因，导致奥氏体稳定性降低，淬火后易产生黑色屈氏体组织。氧化等原因，导致奥氏体稳定性降低，淬火后易产生黑色屈氏体组织。屈氏体在淬火时出现的主要原因是屈氏体在淬火时出现的主要原因是: : 冷却速度不够，冷却速度不够，均匀成分的奥氏体冷速均匀成分

8、的奥氏体冷速不够时，会出现部分屈氏体组织；成分不均不够时，会出现部分屈氏体组织；成分不均匀的奥氏体，尤其在合金钢碳化物周围，含匀的奥氏体，尤其在合金钢碳化物周围，含碳量和合金化程度都低，其淬透性就低，也碳量和合金化程度都低，其淬透性就低，也易产生屈氏体组织。易产生屈氏体组织。 在同一冷速下，在同一冷速下，合金化程度高的区域淬合金化程度高的区域淬透性好，可得马氏体组织；而合金化程度低透性好，可得马氏体组织；而合金化程度低的区域淬透性差，就容易出现屈氏体组织。的区域淬透性差，就容易出现屈氏体组织。 1.2 贝氏体 钢中的贝氏体是过冷奥氏体在中温钢中的贝氏体是过冷奥氏体在中温区域分解所得的产物，它基

9、本上也是区域分解所得的产物，它基本上也是铁素体、渗碳体两相组织，其形态大铁素体、渗碳体两相组织，其形态大致可分为：致可分为：羽毛状上贝氏体羽毛状上贝氏体粒状贝氏体粒状贝氏体针状下贝氏体针状下贝氏体半扩散型转变半扩散型转变碳原子扩散，铁原子不扩散。碳原子扩散，铁原子不扩散。 一、上贝氏体上贝氏体形成温度范围为上贝氏体形成温度范围为550350，不同成分的材料转变温度略有差别。不同成分的材料转变温度略有差别。由电子图象清楚可见的基本特征是：条由电子图象清楚可见的基本特征是：条状铁素体大致平行排列，在铁素体条之状铁素体大致平行排列，在铁素体条之间分布着与铁素体针轴相平行的细条状间分布着与铁素体针轴相

10、平行的细条状渗碳体，由金属薄膜透射电镜图象可见渗碳体，由金属薄膜透射电镜图象可见铁素体条内有较高的位错密度。铁素体条内有较高的位错密度。光学金相显微组织特征为：光学金相显微组织特征为： 1 1 . 上贝氏体大都起源于奥氏体晶界（或以先自奥氏体中上贝氏体大都起源于奥氏体晶界（或以先自奥氏体中析出的晶界铁素体，渗碳体为核心而成长）。析出的晶界铁素体，渗碳体为核心而成长）。 2 2 . 在转变量不多时可以看到常呈羽毛状。在转变量不多时可以看到常呈羽毛状。 3 3 . 由于其精细组织为铁素体条间分布着短杆状碳化物，由于其精细组织为铁素体条间分布着短杆状碳化物，而其相间距一般又较与之相近温度转变产生的珠

11、光体型组织而其相间距一般又较与之相近温度转变产生的珠光体型组织( (屈氏体屈氏体) )疏，所以试样浸蚀后色泽较视域中同存的屈氏体略疏，所以试样浸蚀后色泽较视域中同存的屈氏体略浅，且尤如极细密的梳子，缝隙中隐约漏出白色，此为上贝浅，且尤如极细密的梳子，缝隙中隐约漏出白色，此为上贝氏体一十分普遍的组织特征。氏体一十分普遍的组织特征。 4 4 . 随分解温度降低，形成的上贝氏体逐趋细密，试样浸随分解温度降低，形成的上贝氏体逐趋细密，试样浸蚀后羽毛状区域色泽加深。蚀后羽毛状区域色泽加深。A晶界晶界Fe3CFe3C上上BB上上转变过程示意图转变过程示意图上 贝 氏 体上 贝 氏 体上 贝 氏 体二、下贝

12、氏体上、下贝氏体的形成温度范围没有一个截然的区分，上、下贝氏体的形成温度范围没有一个截然的区分，如以如以0. .7碳钢为例，只能说低于碳钢为例，只能说低于350以下，以下贝以下，以下贝氏体为主，氏体为主，350以上以上贝氏体为主。以上以上贝氏体为主。由电子图象清楚可见的基本特征为：针片状铁素体内由电子图象清楚可见的基本特征为：针片状铁素体内沉淀有碳化物，一般与长轴成沉淀有碳化物，一般与长轴成5560度交角。金属薄度交角。金属薄膜透射电镜分析表明，下贝氏体铁素体内的亚结构也膜透射电镜分析表明，下贝氏体铁素体内的亚结构也为位错，位错密度高于上贝氏体。为位错，位错密度高于上贝氏体。其光学显微组织特征

13、为：其光学显微组织特征为：（ 1 ）试样经浸蚀后可见，下贝氏体呈黑色针片状，双面金相磨片研试样经浸蚀后可见，下贝氏体呈黑色针片状，双面金相磨片研究表明，其空间形态为片状组织，因铁素体片上有碳化物沉淀析出，究表明，其空间形态为片状组织，因铁素体片上有碳化物沉淀析出，故高倍物镜故高倍物镜( (如用油镜如用油镜) )观察时依稀可感其为两相组织。观察时依稀可感其为两相组织。（ 2 ）下贝氏体形成过程中，没有上贝氏体那种成排的相互激发成核）下贝氏体形成过程中，没有上贝氏体那种成排的相互激发成核的作用，因而表现出一束平行的片状较少，常呈单个片状。又因一片的作用，因而表现出一束平行的片状较少，常呈单个片状。

14、又因一片下贝氏体铁素体系由几个单位基元陆续形成、长大的，故常可见到下下贝氏体铁素体系由几个单位基元陆续形成、长大的，故常可见到下贝氏体针片相互交遇的情况。贝氏体针片相互交遇的情况。（ 3 ）亚共析钢下贝氏体也优先在奥氏体晶界上形成，但大量的下贝）亚共析钢下贝氏体也优先在奥氏体晶界上形成，但大量的下贝氏体继之于奥氏体晶内生成。氏体继之于奥氏体晶内生成。（ 4 ）转变完了的下贝氏体试样腐蚀后可见不同组织部位腐蚀性能相）转变完了的下贝氏体试样腐蚀后可见不同组织部位腐蚀性能相差很大，形态略相似于淬火中碳钢的组织。差很大，形态略相似于淬火中碳钢的组织。转变过程示意图转变过程示意图 碳化物碳化物 碳化物碳

15、化物 碳化物碳化物下下B2. 氏体的转变过程氏体的转变过程下 贝 氏 体下 贝 氏 体三、粒状贝氏体 粒状贝氏体是在贝氏体相变的高温区域内形成的。常见于低、中碳合金结粒状贝氏体是在贝氏体相变的高温区域内形成的。常见于低、中碳合金结构钢中，等温及一定冷速下均能形成。构钢中，等温及一定冷速下均能形成。粒状贝氏体的光学金相组织特征为：白色贝氏体铁素体基体上分布着很多粒状贝氏体的光学金相组织特征为：白色贝氏体铁素体基体上分布着很多颗粒状第二相（即电镜下观察到的颗粒状第二相（即电镜下观察到的“小岛小岛”），颗粒相分布无规律，外形），颗粒相分布无规律，外形一般不为圆球形，常呈任意粒状或条状，边缘稍直。一般

16、不为圆球形，常呈任意粒状或条状，边缘稍直。电子金相表明其组织为贝氏体铁素体基体上分布着许多电子金相表明其组织为贝氏体铁素体基体上分布着许多“小岛小岛”。研究证。研究证明，这种岛状的第二相原先是富碳的奥氏体，随后视其合金成分与冷却条明，这种岛状的第二相原先是富碳的奥氏体，随后视其合金成分与冷却条件不同，可以分解为铁素体和渗碳体，可以转变为马氏体，也可以在室温件不同，可以分解为铁素体和渗碳体，可以转变为马氏体，也可以在室温下仍保持为奥氏体。而一般情况下，此小岛于冷却过程中继而形成马氏体、下仍保持为奥氏体。而一般情况下，此小岛于冷却过程中继而形成马氏体、奥氏体相为最常见奥氏体相为最常见。铁素体小岛（

17、富碳奥氏体）铁素体小岛（富碳奥氏体）F+Fe3C富碳富碳 AM粒 状 贝 氏 体粒 状 贝 氏 体马氏体马氏体：C在在Fe中的过饱和固溶体，用中的过饱和固溶体，用M表示。表示。（）晶体结构（）晶体结构体心正方体心正方无扩散型转变无扩散型转变仅发生仅发生Fe的晶格改组的晶格改组（面心立方（面心立方体心正方）体心正方） 1.3 马氏体转变（低于马氏体转变（低于Ms点点) 马氏体的组织结构和性能马氏体的组织结构和性能马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构用用ca的比值反映的比值反映马氏体的正方度马氏体的正方度 马氏体马氏体形态取决于形态取决于A中的含碳量中的含碳量。（）马氏体（）马氏体组织形态组织形态板条

18、板条M（低碳（低碳M）与与片状片状M（高碳（高碳M）。WC 1.0%：片状：片状M0.2 WC 1.0：板条：板条M片状片状M WC 0.2 % ：板条：板条M主要有两种形态：主要有两种形态：1.3 马氏体 一、低碳马氏体一、低碳马氏体 ( 板条马氏体板条马氏体 0.2C ) 其光学组织特征为其光学组织特征为： 1在原始奥氏体晶粒内，形成若干条束马氏体在原始奥氏体晶粒内，形成若干条束马氏体“群群”（领域），每个马氏体（领域），每个马氏体“群群”内，马氏体条束大致平行，马内，马氏体条束大致平行，马氏体氏体“群群”间以较大角度相交。间以较大角度相交。 2结构分析表明，低碳马氏体的惯习面为结构分析表

19、明，低碳马氏体的惯习面为(111)(111)，因而，因而组织中常见到组织中常见到“筐篮结构筐篮结构”（如筐篮那样的平行条中呈三角（如筐篮那样的平行条中呈三角形花样）图象。形花样）图象。 3各个马氏体群，或群内的马氏体块，由若干马氏体条各个马氏体群，或群内的马氏体块，由若干马氏体条组成，由于取向不同，故试样浸蚀出现不同的浸蚀反差。组成，由于取向不同，故试样浸蚀出现不同的浸蚀反差。 4由于低碳马氏体的由于低碳马氏体的Ms点较高，一般认为当点较高，一般认为当Ms350400时，在淬火冷速稍慢（而仍可淬成马氏体）的场合，便时，在淬火冷速稍慢（而仍可淬成马氏体）的场合，便可见到低碳马氏体中的可见到低碳马

20、氏体中的“自回火自回火”现象。自回火的马氏体在现象。自回火的马氏体在光镜下显得颜色较深暗。光镜下显得颜色较深暗。板 条 马 氏 体板 条 马 氏 体二、高碳马氏体二、高碳马氏体 其光学金相组织特征为：其光学金相组织特征为： 1高碳马氏体呈单个片状，边缘轮廓清晰，相邻的片一高碳马氏体呈单个片状，边缘轮廓清晰，相邻的片一 般互不平行，多向分布于母相奥氏体中。般互不平行，多向分布于母相奥氏体中。 2马氏体片大小不一，先形成的片，往往跨越奥氏体晶马氏体片大小不一，先形成的片，往往跨越奥氏体晶粒，致分割奥氏体，从而限制随后形成的马氏体片的大小。粒，致分割奥氏体，从而限制随后形成的马氏体片的大小。 3马氏

21、体片周围伴随有白色残留奥氏体。马氏体片周围伴随有白色残留奥氏体。 4有些材料马氏体有一条中脊面，并呈闪电状锯齿形分有些材料马氏体有一条中脊面，并呈闪电状锯齿形分布。布。 一般在含碳共析成分（一般在含碳共析成分（0.77%C）左右的钢，淬火）左右的钢，淬火后可得到片状马氏体组织。后可得到片状马氏体组织。A片状片状M片 状 马 氏 体片 状 马 氏 体三、其它形态马氏体 Fe-Ni合金中合金中,马氏体在某一温度形成断面呈蝴蝶桩，蝶状马氏体马氏体在某一温度形成断面呈蝴蝶桩，蝶状马氏体Fe-Ni-C合金中，立体图形为薄片状马氏体合金中，立体图形为薄片状马氏体蝶状马氏体蝶状马氏体薄片状马氏体薄片状马氏体

22、四、工业用淬火马氏体组织 生产工艺下的组织与观察到的粗大组织的区别生产工艺下的组织与观察到的粗大组织的区别， 1 15MnVB、15SiMn3Mo等低碳合金钢等低碳合金钢 2. 中碳结构钢中碳结构钢45钢钢、40Cr 3. T7、T8、T10等高碳工具钢等高碳工具钢 4. 轴承钢轴承钢GCr15等 5. 高速钢高速钢(W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等)1低碳0.25的低碳合金钢 2中碳结构钢45钢、40Cr等淬火组织 3高碳工具钢淬火组织4.轴承钢GCr15.等的淬火组织 4.轴承钢GCr15.等的淬火组织 5高速钢(W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等)淬火组织 1.4 钢的回火组织

23、钢的回火组织一、钢的回火组织一、钢的回火组织 钢中含碳钢中含碳( (及其它合金及其它合金) )量不同，淬火后的组织量不同，淬火后的组织形态不同，而回火时其组织结构变化也略有差异，形态不同，而回火时其组织结构变化也略有差异，但大致规律是相同的。但大致规律是相同的。其光学金相组织特征为其光学金相组织特征为:经经200回火后得到的回火后得到的“回火马氏体回火马氏体”组织在组织在同样浸蚀条件下色泽要显著的比淬火马氏体同样浸蚀条件下色泽要显著的比淬火马氏体深，仍保持原来的马氏体针状外形轮廓，但深，仍保持原来的马氏体针状外形轮廓，但不如淬火态清晰。不如淬火态清晰。高碳高碳:-Fe2-3C,-Fe2C,低碳

24、低碳M：C原子偏聚原子偏聚经经400回火所得的组织为回火所得的组织为“回火屈氏体回火屈氏体”。由相应的。由相应的电镜图象可知，此时已有较多的碳化物析出，部分聚电镜图象可知，此时已有较多的碳化物析出，部分聚集，故光学金相特征为原马氏体针形已不清晰，浸蚀集，故光学金相特征为原马氏体针形已不清晰，浸蚀后色泽较回火马氏体组织浅。但仍可见原马氏体后色泽较回火马氏体组织浅。但仍可见原马氏体“方方位位”痕迹。痕迹。 -Fe3C析出，析出，AR残余奥氏体分解成回火马氏体或下贝氏体残余奥氏体分解成回火马氏体或下贝氏体经经600回火的回火的“回火索氏体回火索氏体” 则因碳化物聚集、粗则因碳化物聚集、粗化，因而于光学金相组织中原马氏体方位已消失，高化，因而于光学金相组织中原马氏体方位已消失，高倍观察时碳化物粒子部分可辨，色泽较前者更浅。倍观察时碳化物粒子部分可辨，色泽较前者更浅。 淬火加高温回火的热处理称作调质处理，简称调质淬火加高温回火的热处理称作调质处理，简称调质.广泛用于各种结构件如轴、广泛用于各种结构件如轴、齿轮等热处理。也可作为齿轮等热处理。也可作为要求较高精密件、量具等要求较高精密件、量具等预备热