試驗三常見鋼鐵材料的顯微組織觀察

1、實驗3常見鋼鐵材料的顯微組織觀察一、實驗目的1、觀察碳鋼經不同熱處理后的基本組織。2、了解熱處理工藝對鋼組織和性能的影響。3、熟悉碳鋼幾種典型熱處理組織 一一M、T、S、M回火、T回火、S回火等 的形態(tài)及特征。4、觀察和分析常用碳鋼以及幾種合金鋼（45、T12、20、GCU5、 W18Cr4V、1CU8CrNi9Ti、9CrSi 等）的顯微組織。5、了解常用合金鋼的成分、組織和性能的特點，以及它們的主要應用。二、概述（一）碳鋼熱處理后的顯微組織觀察碳鋼經退火、正火可得到平衡或接近平衡組織，經淬火得到的是非平衡組織。 因此，研究熱處理后的組織時，不僅要參考鐵碳相圖，更主要的是參考鋼的等溫轉 變曲

2、線（C曲線。鐵碳相圖能說明慢冷時合金的結晶過程和室溫下的組織以及各相 的相對含量，C曲線則能說明一定成分的鋼在不同冷卻條件下所得到的組織。C曲線適用于等溫冷卻條件；而 CCT曲線（奧氏體連續(xù)冷卻曲線）適用于連續(xù)冷卻條 件。在一定的程度上用C曲線，也能夠估計連續(xù)冷卻時的組織變化。1、共析鋼等溫冷卻時的顯微組織共析鋼過冷奧氏體在不同溫度等溫轉變的組織及性能列于表3-1中。2、共析鋼連續(xù)冷卻時的顯微組織為簡便起見，不用CCT曲線，而用C曲線（圖3-1）來進行分析。例如共析鋼奧氏體，在慢冷時（相當于爐冷，見圖3-1中的v 1）應得到100%的珠光體；當冷卻速度增大到 v 2時（相當于空冷），得到的是較

3、細的珠光體，即索氏體或圖3-1共析鋼的C曲線,得到的為屈氏體和馬氏體；當冷卻速度增屈氏體；當冷卻速度增大到v3時（相當于油冷）,很大的過冷度使奧氏體驟冷到馬氏體轉變開始點（ Ms）后，瞬時大至v 4 時（相當于水冷）轉變成馬氏體。其中與C曲線鼻尖相切的冷卻速度（v k ）稱為淬火的臨界冷 卻速度。表3-1共析鋼過冷奧氏體在不同溫度等溫轉變的組織及性能3、亞共析鋼和過共析鋼連續(xù)冷卻時的顯微組織亞共析鋼的C曲線與共析鋼相比，只是在其上部多了一條鐵素體先析出線, 如圖3-2所示。當奧氏體緩慢冷卻時（相當于爐冷，,轉變產物接近平衡組織，如圖 3-2中v 1）即珠光體和鐵素體。隨著冷卻速度的增大，即v

4、3>v 2>v 1時，奧氏體的過冷度逐漸增大，析出的鐵素體越來越少，而珠光體的量逐漸增加，組織變得更細，此時析出的少量鐵素體多分布在品界上因此，v1的組織為鐵素體十珠光體；v 2的組織為鐵素體十索氏體；v 3的組織為鐵圖3-2亞共析鋼的C曲線素體十屈 氏體；當冷卻速度為v 4時，析出很少量的網狀鐵素體和屈氏體（有時可見到少量 貝氏體），奧氏體則主要轉變?yōu)轳R氏體和屈氏體（如圖3-4）;當冷卻速度v s超過臨界冷卻速度時，鋼全部轉變?yōu)轳R氏體組織（如圖 3-7、3-8）。過共析鋼的轉變與亞共析 鋼相似，不同之處是后者先析出的是鐵素體，而前者先析出的是滲碳體。4、各組織的顯微特征（1）索氏

5、體（s）是鐵素體與滲碳體的機械混合物。具片層比珠光體更細 密，在高倍（700倍以上）顯微放大時才能分辨（見圖 3-3）。圖3-3索氏體 圖3-4屈氏體+馬氏體（2）屈氏體（T ）也是鐵素體與滲碳體的機械混合物，片層比索氏體還細 密，在一般光學顯微鏡下無法分辨，只能看到如墨菊狀的黑色形態(tài)。當其少量析出 時，沿晶界分布，呈黑色網狀，包圍著馬氏體；當析出量較多時，呈大塊黑色團 狀，只有在電子顯微鏡下才能分辨其中的片層（見圖 3-4） o（3）貝氏體（B ）為奧氏體的中溫轉變產物，它也是鐵索體與滲碳體的兩相 混合物。在顯微形態(tài)上，主要有以下三種形態(tài)：A .上貝氏體是由成束平行排列的條狀鐵素體和條間斷續(xù)

6、分布的滲碳體所組成 的非層狀組織。當轉變量不多時，在光學顯微鏡下為成束的鐵素體條向奧氏體晶內 伸展，具有羽毛狀特征。在電鏡下，鐵素體以幾度到十幾度的小位向差相互平行， 滲碳體則沿條的長軸方向排列成行（如圖 3-5）。B .下貝氏體是在片狀鐵素體內部沉淀有碳化物的兩相混合物組織。它比淬火 馬氏體易受浸蝕，在顯微鏡下呈黑色針狀（見圖 3-6）。在電鏡下可以見到，在片 狀鐵素體基體中分布有很細的碳化物片,它們大致與鐵素體片的長軸成5560°的角度。C .粒狀貝氏體是最近十幾年才被確認的組織。在低、中碳合金鋼中，特別是 連續(xù)冷卻時（如正火、熱軋空冷或焊接熱影響區(qū)）往往容易出現，在等溫冷卻時也

7、 可能形成。它的形成溫度范圍大致在上貝氏體轉交溫度區(qū)的上部，由鐵素體和它所包圍的小島狀 組織所組成圖3-5上貝氏體+板條狀馬氏體+少量網狀鐵素體圖3-6下貝氏體（4）馬氏體（M ）是碳在/Fe中的過飽和固溶體。馬氏體的形態(tài)按含碳量 主要分兩種，即板條狀和針狀（見圖3-7、3-8所示。圖3-7板條狀馬氏體 圖3-8針狀馬氏體A .板條狀馬氏體一般為低碳鋼或低碳合金鋼的淬火組織。其組織形態(tài)是由尺 寸大致相同的細馬氏體條定向平行排列組成馬氏體束或馬氏體領域。在馬氏體束之 間位向差較大，一個奧氏體晶粒內可形成幾個不同的馬氏體領域。板條馬氏體具有 較低的硬度和較好的韌性。圖3-7是20鋼950c加熱保溫

8、后水淬的金相圖譜。B .針狀馬氏體是含碳量較高的鋼淬火后得到的組織。在光學顯微鏡下，它呈 竹葉狀或針狀，針與針之間成一定的角度。最先形成的馬氏體較粗大，往往橫穿整 個奧氏體晶粒，將奧氏體晶粒加以分割，使以后形成的馬氏體針的大小受到限制。 因此，針狀馬氏體的大小不一。同時有些馬氏體有一條中脊線，并在馬氏體周圍有殘留奧氏體。針狀馬氏 體的硬度高而韌性差。（5）殘余奧氏體（A殘）是含碳量大于0.5%的奧氏體淬火時被保留到室溫 不轉變的那部分奧氏體。它不易受硝酸酒精溶液的浸蝕，在顯微鏡下呈白亮色，分 布在馬氏體之間，無固定形態(tài)。如圖 3-9為針狀馬氏體以及大量的殘余奧氏體。圖 3-10為50鋼油冷淬火

9、（830c加熱），其組織為馬氏體+少量殘余奧氏體。圖3-9針狀馬氏體+殘余奧氏體圖3-10馬氏體+粒狀滲碳體+少量殘余奧氏體（6）鋼的回火組織與性能：A .回火馬氏體是低溫回火（150250C）組織，它仍保留了原馬氏體形態(tài)特 征。針狀馬氏體回火析出了極細的碳化物，容易受到浸蝕，在顯微鏡下呈黑色針 狀。低溫回火后馬氏體針變黑，而殘余奧氏體不變仍呈白亮色（如圖 3-11所 示）。低溫回火后可以部分消除淬火鋼的內應力，增加韌性，同時仍能保持鋼的高 硬度。B .回火屈氏體是中溫回火（350500C）組織?；鼗鹎象w是鐵索體與粒狀 滲碳體組成的極細混合物。鐵素體基體基本上保持了原馬氏體的形態(tài)（條狀或針

10、狀），第二相滲碳體則析出在其中，呈極細顆枝狀，用光學顯微鏡極難分辨（如圖 3-12所示）。中溫回火后有很好的彈性和一定的韌性。圖3-11回火馬氏體 圖3-12回火屈氏體C .回火索氏體是高溫回火（500650C）組織?；鼗鹚魇象w是鐵素體與較粗 的粒狀滲碳體所組成的機械混合物。碳鋼回火索氏體中的鐵素體已經通過再結晶，呈等軸細晶粒狀。圖3-13為保持馬氏體位向分布的較粗回火索氏體?；鼗鹚魇象w具有良好的綜合機械性能。應當指出，回火屈氏體、回火索氏體是淬火馬氏體回火時的產物，它們的滲碳體是顆粒狀的，且均勻地分布在鐵索體基體上；而淬火索氏體和淬火屈氏體是奧氏體過冷時直接形成的，其滲碳體是呈片狀?；鼗鸾M織

11、較淬火組織在相同硬度下具有較高的塑性與韌性。圖3-13回火索氏體（二）幾種常用合金鋼的顯微組織合金鋼根據合金元素含量的不同，可分為三種：合金元素總量5%的稱為低合金鋼；合金元素為5%10%的稱為中合金鋼；合金元素10%的稱為高合金 鋼。一般合金結構鋼、合金工具鋼都是低合金鋼。由于合金元素的加入，使鐵碳相 圖發(fā)生一些變化，但其平衡狀態(tài)的顯微組織與碳鋼沒有本質的區(qū)別。低合金鋼熱處 理后的顯微組織與碳鋼沒有根本的不同，差別只在于合金元素加入后，使 C曲線 右移（Co除外），即以較低的冷卻速度也可獲得馬氏體組織。例如， 40Cr鋼經調 質處理后的顯微組織和40鋼調質后的顯微組織基本相同，都為回火索氏體

12、。 GCrl5 鋼840c油淬、低溫回火后的顯微組織，與 T12鋼780c水淬、低溫回火后的顯微 組織也基本一樣，皆為回火馬氏體和碳化物。合金鋼種類繁多，本講義僅選擇幾種常用的典型鋼號進行觀察和分析。1 .合金結構鋼A .滲碳鋼20CrNi鋼用于制造要求較高強度和韌性的零件。也可進行滲碳處 理制作齒輪。其退火組織為鐵素體+珠光體，如圖 3-14所示。B .調質鋼40Cr是一種應用很廣泛的鋼鐘。它具有良好的綜合機械性能，用 于制造曲軸、汽車后橋半軸等。退火處理后為珠光體+網狀分布的鐵素體，晶粒細 小，見圖3-15;油冷淬火后其組織為中碳馬氏體，部分馬氏體成排分布，如圖 3- 16所示。圖3-14

13、鐵素體+珠光體圖3-15珠光體+網狀分布的鐵素體18CrNiMo具有較高強度、韌性和淬透性，適宜制作具有一定強韌性的汽車變速箱齒輪以及軸類，原材料組織鐵素體以及珠光體，呈枝晶狀分布，如圖3-17所示；因該鋼具有良好的淬透件，淬火后已經完全滲透，基體全為低碳馬氏體，如圖 3-18所示。圖3-16淬火馬氏體 圖3-17鐵素體+珠光體圖3-18馬氏體 圖3-19回火馬氏體+碳化物顆粒C .軸承鋼常用鋼號為GCrl5。經淬油后低溫回火為回火馬氏體和未溶解的碳 化物顆粒，如圖3-19所示。圖3-20球化珠光體 圖3-21回火托氏體+極少量鐵素體顆粒D .彈簧鋼65Mn ,為含鈕量較高的優(yōu)質碳素結構鋼，6

14、5Mn冷拉退火后為球 化珠光體，見圖3-20;圖3-21是880c淬火處理后經過480520c中溫回火組織， 基體為回火托氏體，具上有極少量鐵素體顆粒。2 .合金工具鋼A .低合金工具鋼 以9CrSi為例，840c加熱保溫后油冷淬火后180c低溫回 火，其組織為極細的回火針狀馬氏體和未溶的碳化物，如圖 3-22所示。B .高合金工具鋼 以Crl2MoV為例，經1020c加熱保溫后油冷淬火，180c 回火，其組織為回火馬氏體和少量殘余奧氏體，白色大塊狀為共晶碳化物，細小顆 粒為二次碳化物。如圖3-23所示。Crl2MoV淬火后又經520c保溫1h ,回火4次，其組織為回火馬氏體和少量 殘余奧氏體

15、，白色大塊狀為共晶碳化物，細小顆粒為二次碳化物，如圖3-24所示。圖3-22回火馬氏體+碳化物圖3-23隱針馬氏體+碳化物+殘留奧氏體圖3-24回火馬氏體+少量殘余奧氏+碳化物圖3-25萊氏體+屈氏體以及殘留奧 氏體C .高速鋼 高速鋼是一種常用的高合金工具鋼，例如 W18Cr4Vo因為它含有大量合金元素，使鐵碳相圖中的E點大大左移，雖然只含有0.7%0.8%的碳，仍可獲得萊氏體組織，所以又稱為萊氏體鋼。高速鋼在鑄造狀態(tài)下與亞共晶白口鑄鐵的組織相似。其中萊氏體由合金碳化物、馬氏體屈氏體以及殘留奧氏體組成。如圖 3-25所示。顯然高速鋼在鑄態(tài)下的組織存在嚴重的成分和組織不均勻性，從而影響其性能，

16、為此隨后必須經過鍛造和軋制，破碎萊氏體網絡.促使其碳化物均勻分布。圖3-26馬氏體十未溶碳化物十殘余奧氏體高速鋼淬火組織：淬火加熱溫度一般為 12601280C,高溫加熱的目的是使較 多的碳化物溶解于奧氏體中，淬火后馬氏體中合金元素含量高，回火后鋼的硬度高 且耐磨性好。淬火采用油冷或空冷，其顯微組織為馬氏體+未溶碳化物+殘余奧氏 體。馬氏體呈隱針狀，其針形很難顯示出來，但可看出明顯的奧氏晶界及分布于晶 粒內的未溶碳化物，淬火后的硬度約為 HRC6162,見圖3-26所示。高速鋼淬火后需經三次回火，具組織為回火馬氏體、少量殘余奧氏體，大塊白 色顆粒為共晶碳化物。回火后硬度為 HRC6566,見圖

17、3-27所示。3.不銹鋼不銹鋼是在大氣、海水及其浸蝕性介質條件下能穩(wěn)定工作的鋼種，大都屬于高 合金鋼。例如應用較廣的比1CU8Ni9,其含碳量較低，因為碳不利于耐蝕性；高 的含銘量是保證耐蝕性的主要元素；鍥除了進一步提高耐蝕能力以外，主要是為了獲得奧氏體組織。這種鋼在室溫下的平衡組織是奧氏體十鐵素體十 (Cr、Fe 23C 6這種組織是產 生晶間腐蝕的原因。為了提高耐蝕性以及其它性能，必須進行固溶處理。將鋼加熱到10501150C,使碳化物等全部溶解，然后水冷，室溫下即可獲得單一的奧氏體組織，如圖3-28所示。圖3-27回火馬氏體+碳化物+殘余奧氏體 圖3-28奧氏體（內有李晶）三、實驗內容1

18、、觀察下表所列試樣的顯微組織。序號材料處理工藝浸蝕劑3%硝酸酒退火精溶液片層結構未顯示。F占42.7%, P為57.3%。P+Fe3CH。黑白相間的層片狀基體為 P,晶界上白色網絡為Fe 3C Ho T12為過共析鋼，共析反應退火同上前，Fe 3C R首先沿A晶界呈網絡狀析出。隨溫度下降到共析溫度，發(fā)生共析反應，剩余 A全部轉變?yōu)槠瑺頟。網狀Fe 3C H可采用正火處理清除。板條M。尺寸大致相同的條狀 M ,定向平行排歹I，呈現黑白差的M束。束與束之間位向差較大，一個A晶內可形成幾個不同取向的 M束。淬火同上板條M之所以呈現黑白差，是因為低碳鋼的Ms點高，先形成的M受自回火程度重，呈黑色，后形

19、成的M自回火輕而呈白色。 顯微組織特征F+P。白色晶粒為F ,黑色塊 狀為片狀P。P的中碳M。M成板條和針狀混合分布。板條 M較860多。針狀M的針葉兩端較為圓鈍。45鋼的Ms鋼C水淬行回火的M呈白色，因而形成襯度。球化退火球XP P。是F基體上分布顆粒狀Fe 3C。白色為F同上基體，白色小顆粒為Fe 3C。部分Fe 3c顆粒較粗大?；鼗餗及細顆粒碳化物+A殘。M分黑區(qū)和白區(qū)，是軸承淬水后的特有組 織。白區(qū)在A晶界處呈網狀分布。淬火加熱時，碳化物在 A晶界常規(guī)處首先溶解，使之含碳量比品內多，Ms較低，淬火低溫回火些，Ms點較高，淬火時獲得板條 M為主的隱晶M ,易回火及浸蝕呈黑色 白色細顆粒為

20、加熱時未溶合金碳化物。淬火及回火固溶處理分布的硫化物夾雜。正常滲碳的平衡組織。最表層為過共析層，黑滲碳3%硝酸酒鋼后退精溶液火白色F逐漸增多，P相應減少，一直到20鋼原始組織。淬火同上M回火+碳化物，極細的黑色針狀為低溫回火含碳量逐步下降，一直到心部， 其組織特征，色基體為P,白色網絡為Fe 3CH;次表層為共析層，全部為黑色片 狀P;第三層為亞共析過度層，王水黑色點狀為碳化物，有的試樣存在黑色成條狀同上M+碳化物+A殘。黑色基體為回火 M+Ar,白色大塊顆粒為共晶碳化物，細小 顆粒為二次碳化物。白色晶粒為A晶粒，部分晶粒呈孚晶，基體上同上淬火后獲彳#以李晶M為主的隱針M體，不易自回火和浸蝕而

21、呈白色；A晶內 的碳化物溶解少同上較高，先形成的M產生自回火，呈黑色，未自11+低溫回火M ,白色顆粒為未溶解的合金碳化物。9CrSi鋼，Si能強化F,阻礙淬火M 的分解和碳化物的聚集，經250300c回火，其硬度仍有HRC60,因而被廣泛用 來制造工具和模具。2、描繪出所觀察樣品的顯微組織示意圖，并注明材料、處理工藝、放大倍 數、組織名稱及浸蝕劑。四、實驗方法1、實驗材料及設備A .金相顯微鏡B .金相圖譜及放大的金相圖片 C .經各種不同熱處理的金相試樣 D .合金 鋼金相樣品一套F .合金鋼金相圖冊2、實驗步驟(1)每個同學輪流對每個試祥進行觀察。(2)將所觀察到的對各種不同溫度回火后的金相組