碳钢热处理后的显微组织观察

一、实验目的

①观察碳钢经不同热处理后的显微组织。

②了解热处理工艺对钢组织和性能的影响。

③熟悉碳钢几种典型热处理组织（M，T，S，M回火；S回火等）的形态及特征。

二、实验设备

XJB⁃1（4X）型小型台式金相显微镜，其结构如图6．1所示。

三、实验原理

碳钢经退火、正火可得到平衡或接近平衡的组织；经淬火得到的是不平衡组织。 因此，研究热处理后的组织时，不仅要参考铁碳相图，而且更主要的是参考C曲线（钢的等温转变曲线）。

铁碳相图能说明慢冷时合金的结晶过程和室温下的组织以及相的相对量，C曲线则能说明一定成分的钢在不同冷却条件下的结晶过程以及所得到的组织。

1．共析钢连续冷却时的显微组织

为了简便起见，不用CCT曲线（连续冷却转变曲线）而用C曲线来分析。 例如，共析钢奥氏体，在慢冷时（相当于炉冷，见图8．1中的V1），应得到100％珠光体。与由铁碳相图所得的分析结果一致；当冷却速度增大到V2时（相当于空冷），得到的是较细的珠光体，即索氏体或屈氏体；当冷却速度增大到V3时（相当于水冷），得到的是屈氏体和马氏体，当冷却速度增大至V4和V5时（相当于水冷），很大的过冷度使奥氏体骤冷到马氏体转变始点（M），瞬时转变成马氏体。其中与C曲线鼻尖相切的冷却速度（V4）称为淬火的临界冷却速度。

2．亚共析和过共析钢连续冷却时的显微组织

亚共析钢的C曲线与共析钢的C曲线相比，在珠光体转变开始前多一条铁素体析出线，如图8．2所示。

当钢缓慢冷却时（相当于炉冷，见图8．2中的V1），得到的组织为接近与平衡状态的铁素体加珠光体；随着冷却速度逐渐增加，由V1→V2→V3时，奥氏体的过冷程度增大，生成的过共析铁素体量减少，并主要沿晶界分布；同时珠光体量增多，含碳量下降，组变得更细。 因此，与V1，V2，V3对应的组织将为：铁素体＋珠光体、铁素体＋索素体、铁素体＋屈氏体。当冷却速度增大到V4时，只析出很少量的网状铁素体和屈氏体（有时可见很少量的贝氏体），奥氏体则是主要转变为马氏体。当冷却速度V6超过临界冷速时，钢全部转变为马氏体组织。

图8．1 共析钢的C曲线

图8．2 亚、过共析钢的C曲线

过共析钢的组织转变与亚共析钢相似，不同之处是后者先析出的是铁素体，而前者先析出的是渗碳体。 基本组织的金相特征如下：

（1）索氏体（S）

索氏体是铁素体与渗碳体的机械混合物。 其片层比珠光体更细密，在显微镜的高倍（700倍以上）放大时才能分辨。

（2）屈氏体（T）

屈氏体也是铁素体与渗碳体的机械混合物，片层比索氏体还细密，在一般光学显微镜下也无法分辨，只能看到如墨菊状的黑色形态。 当其少量析出时，沿晶界分布，成黑色网状；包围着马氏体；当析出量较多时，成大块黑色团状，只有在电子显微镜下才能分辨其中的片层。

（3）贝氏体（B）

贝氏体为奥氏体的中温转变产物，它也是铁素体与渗碳体的两相混合物。 在金相形态上，主要有两种形态：

①上贝氏体是由成束平行排列的条状铁素体和条间断续分布的渗碳体所组成的非层状组织。 当转变量不多时，在光学显微镜下为成束的铁素体条向奥氏体内伸展，具有羽毛状特征。在电镜下，铁素体以几度到十几度的小位向差相互平行，渗碳体则沿条的长轴方向排列成行，如图8．3所示。

②下贝氏体是在片状铁素体内部沉淀有炭化物的两相混合物组织。 它与淬火马氏体易受浸蚀，在显微镜下呈黑色针状，如图8．4所示。 在电镜下可以观察到，在片状铁素体机体中分布有很细的炭化物片，它大致与铁素体片的长轴成55°～60°。

图8．3 上贝氏体

图8．4 下贝氏体

（4）马氏体（M）

马氏体是碳在αFe中的过饱和固溶体。 马氏体的形态按含碳量主要分为两种，即板条状和针状，如图8．5和图8．6所示。

图8．5 板条状马氏体

图8．6 针状马氏体

①板条状马氏体一般为低碳钢或低碳合金钢的淬火组织。 其组织形态是：由尺寸大致相同的细马氏体平行排列，组成马氏体束或马氏体区，各束或区之间位间差较大，一个奥氏体晶粒内可有几个马氏体束或区。 板条状马氏体的韧性较好。

②针状马氏体是含碳量较高的钢淬火后得到的组织。 在光学显微镜下，它呈竹叶状或针状，针与针之间成一定角度。 最先形成的马氏体较粗大，往往横穿整个奥氏体晶粒，将其分割，使以后形成的马氏体针的大小受到限制。 因此，马氏体针的大小不一，并使针间残留有奥氏体。 针状马氏体的硬度较高，韧性较差。

（5）残余奥氏体（A残）

残余奥氏体是含碳量大于0．5％的奥氏体淬火时被保留到室温不转变的那部分奥氏体。它不易受硝酸酒精溶液的浸蚀，在显微镜下呈白亮色，分布在马氏体之间，无固定形态。 未经回火时，残余奥氏体与马氏体很难区分，都呈白亮色；只有马氏体回火变暗后，残余奥氏体才能被辨认。

（6）回火马氏体

马氏体经低温回火（150～250℃）所得到的组织为回火马氏体。 它仍具有原马氏体形态特征。 针状马氏体因由极细的炭化物析出，容易受浸蚀，在显微镜下为黑针状。

（7）回火屈氏体

马氏体经中温回火（350～500℃）所得到的组织为回火屈氏体。 它是铁素体与粒状渗碳体组成的极细混合物。 铁素体基体基本上保持原马氏体的形态（条粒或针状），第二相渗碳体则析出在其中，呈极细颗粒状，用光学显微镜极难分辨，只有在电镜下才可观察到。

（8）回火索氏体

马氏体经高温回火（500～650℃）所得到的组织为回火索氏体。 它的金相特征是铁素体上分布着粒状渗碳体。 此时，铁素体已经在结晶，呈等轴细晶粒状。

回火屈氏体和回火索氏体是淬火马氏体的回火产物，它的渗碳体呈粒状且均匀分布在铁素体基体上。 而屈氏体和索氏体是奥氏体过冷时直接形成的，它的渗碳体呈片状。 因此，回火组织同直接冷却组织相比，在相同的硬度下具有较好的塑性及韧性。

四、实验步骤

①调节金相显微镜。

②观察表8．1所列的显微镜组织。

表8．1 实验要求观察的样品

③描述出所观察样品的显微组织示意图，并注明材料、热处理工艺、放大倍数、组织名称、浸蚀剂等。

五、注意事项

①样品是经过制备得到的，不能用手直接触摸需要观察的表面，更不能在显微镜上用力摩擦。

②为了让同学们方便观察，每台显微镜旁边放置了相应的图片，不能与其他桌上的交换，否则易造成混乱。

六、思考题

①45钢淬火后硬度不足，如果根据组织来分析其原因是淬火加热不足，还是冷却速度不够？

②45钢860℃加热淬火得到的组织和T12钢1100℃加热淬火得到的组织在形态和性能上有什么差别？

③指出下列工件的正常淬火温度，并说明回火后所获得的组织：

a．45钢的小轴；b．60钢的弹簧；c．T12钢的锉刀。