常見固態(tài)相變組織

1、 實驗七 常見固態(tài)相變組織觀察（Phase Transformation of Solids）實驗學時：2 實驗類型：綜合前修課程名稱：材料科學導論適用專業(yè)：材料科學與工程一、 實驗目的 正確識別不同固態(tài)相變產(chǎn)生的組織的形貌，掌握其特點。 了解馬氏體相變的可逆性。二、 概述固態(tài)物質(zhì)部發(fā)生的組織結(jié)構(gòu)變化稱為固態(tài)相變。固態(tài)相變包括材料中相成分的變化、結(jié)構(gòu)的變化和有序度的變化，固態(tài)相變是材料熱處理的基礎。熱處理是利用材料在加熱和冷卻過程中發(fā)生的相變，改變部的組織與結(jié)構(gòu)，改善材料的性能，充分發(fā)揮材料的潛力。共析轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變、馬氏體轉(zhuǎn)變的組織形貌可以在光學顯微鏡下獲得。到目前為止，鋼仍然是應用最多的

2、工程材料。為了使鋼獲得所需要的組織性能，充分發(fā)揮鋼材的潛力，必須經(jīng)過熱處理。而大多數(shù)熱處理工藝都要首先將鋼加熱到臨界點溫度以上形成奧氏體，然后再以一定的方式進行冷卻。冷卻的過程中，過冷奧氏體在不同的溫度區(qū)間會發(fā)生不同的轉(zhuǎn)變。對于共析鋼，在A1500區(qū)間發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變（共析轉(zhuǎn)變）；在550Ms點區(qū)間發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變；在Ms點以下將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。本次實驗，以碳鋼、低合金鋼為例，介紹一些常見的固態(tài)相變的組織形貌。珠光體是鐵素體（）和滲碳體（Fe3C）的兩相混合物。常見的珠光體形貌有兩種：片狀和粒狀。圖（7-1）是亞共析鋼45鋼的室溫退火組織，由珠光體+先共析鐵素體組成。圖片中顏色暗黑的是珠光體區(qū)域。

3、圖（7-3）是過共析鋼T12的球化處理組織，由粒狀珠光體+顆粒狀二次滲碳體組成，可以對應比較圖（7-4）T12鋼的室溫退火組織，是由層片狀珠光體+網(wǎng)狀二次滲碳體組成。（7-1）45鋼830度退火 （7-2）65鋼退火（7-3）T12鋼球化 （7-4）T12鋼退火非共析鋼過冷奧氏體轉(zhuǎn)變時，由于存在先共析轉(zhuǎn)變，根據(jù)實際條件的影響，在組織形態(tài)上會獲得氏組織。圖（7-6）、（7-7）分別是20Cr、45鋼的過熱空冷后的室溫組織，先共析鐵素體呈現(xiàn)平行排列的“梳狀”形貌，稱為氏組織。圖（7-7）是T12鋼的過熱空冷組織，退火態(tài)下呈現(xiàn)網(wǎng)狀的二次滲碳體現(xiàn)在呈現(xiàn)細長針狀，成一定角度交錯分布。（7-5）20Cr鋼

4、1100度空冷 （7-6）45鋼1100度空冷（7-7）T12鋼-970風冷 （7-8）65鋼-860空冷（放置于鐵板上）由于冷卻條件的改變，一些轉(zhuǎn)變被抑制。圖（7-8）中的圖片，是65鋼的空冷組織，其先共析鐵素體幾乎消失迨盡，基本上是珠光體組織組成。這是發(fā)生了偽共析轉(zhuǎn)變的結(jié)果。此時的珠光體的成分已經(jīng)不再是0.77%C，而是低于0.77%C。可以對比圖（7-2），65鋼室溫退火組織分析。實際上，在圖（7-5）、（7-6）中的珠光體，由于先共析組織的數(shù)量被抑制，偽共析轉(zhuǎn)變的發(fā)生，其成分也低于0.77%C。而圖（7-7）中珠光體的情況恰好相反。貝氏體是由過飽和鐵素體和滲碳體兩相組成的混合物，鋼中貝

5、氏體組織最常見的基本形態(tài)是上貝氏體和下貝氏體。在光學顯微鏡下，上貝氏體呈羽毛狀，對于共析鋼其形成溫度約在550350之間；下貝氏體呈黑針狀，對于共析鋼，其形成溫度在350240之間。根據(jù)奧氏體的成分和轉(zhuǎn)變溫度的不同，還可以見到粒狀貝氏體、無碳貝氏體、柱狀貝氏體和反常貝氏體等形貌的貝氏體組織。下面的圖（7-9）至（7-12），以65Mn為例介紹下貝氏體、上貝氏體的形貌與出現(xiàn)轉(zhuǎn)變的溫度情況。圖（7-13）表明，45鋼在進行淬火冷卻過程中，當冷卻速度不足時，在組織中也會出現(xiàn)上貝氏體組織形貌。（7-9）65Mn 840度300度等溫400秒 （7-10）65Mn 840度350度等溫160秒（7-11

6、）65Mn 840度400度等溫25秒 （7-12）65Mn 840度500度等溫14秒（7-13）45鋼830度油淬鋼中馬氏體的組織形態(tài)主要有兩種類型，一種是板條狀馬氏體，一種是片狀馬氏體。板條狀馬氏體主要出現(xiàn)在低碳鋼淬火的組織中，所以又稱低碳馬氏體；如圖（7-14）。片狀馬氏體主要出現(xiàn)在高碳鋼淬火組織中，又稱高碳馬氏體，如圖（7-15）。典型的板條狀馬氏體的是由許多成群的平行馬氏體板條組成的。由于板條馬氏體中有高密度的位錯，所以板條馬氏體又稱為位錯馬氏體。片狀馬氏體的形貌呈針片狀或竹葉狀。故又稱針狀馬氏體或竹葉狀馬氏體。其立體形態(tài)是凸透鏡片狀，所以又稱透鏡馬氏體。在一個原奧氏體晶粒中，首先

7、形成一片貫穿整個晶粒的馬氏體片，以后形成的馬氏體片尺寸受到了限制，越是后形成的馬氏體片越小。馬氏體片之間互不平行。粗片狀馬氏體中常能見到有明顯的中脊，由于片狀馬氏體中存在孿晶亞結(jié)構(gòu)，所以又稱片狀馬氏體位孿晶馬氏體。（7-14）20鋼980度鹽水淬火 （7-15）T13鋼1100度水淬高碳鋼淬火時，容易在馬氏體組織中形成顯微裂紋。這是由于馬氏體的比體積大于奧氏體，并且含碳量越高差別越大；馬氏體片形成的速度又很大，在馬氏體形成時，馬氏體片互相撞擊或沖擊奧氏體晶界而引起相當大的應力造成顯微裂紋。為了避免粗大馬氏體的出現(xiàn)，要嚴格控制高碳鋼的淬火加熱溫度，避免出現(xiàn)粗大的奧氏體組織。對于某些可以隨溫度的升

8、降而消長的馬氏體稱為熱彈性馬氏體。其基本理論、概念以課堂教師講述為基礎；結(jié)合課外閱讀加深了解。其記憶效應通過實際樣品的演示可以直觀地了解。多型性轉(zhuǎn)變即同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的金相組織，我們用工業(yè)純鐵來說明。工業(yè)純鐵在912以上時是面心立方結(jié)構(gòu)，金相組織中可以見到含有孿晶結(jié)構(gòu)的等軸晶粒，如圖（7-16）；在912發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，912以下后，組織為體心立方結(jié)構(gòu)，等軸晶粒中見不到孿晶形貌，如圖（7-17）。在轉(zhuǎn)變前后沒有成分變化，是所有相變中最簡單的一種。（7-16）工業(yè)純鐵高溫金相（970） （7-17）工業(yè)純鐵室溫退火組織最后，需要說明的一點是：上述許多組織形貌中的部分晶粒粗大的顯微組織，僅僅是為了理

9、論研究才會出現(xiàn)，在實際生產(chǎn)過程中屬于疵病組織，應當采取相應的工藝技術(shù)避免出現(xiàn)。切記！三、 實驗材料和設備金相顯微鏡，相應的典型金相樣品，記憶合金演示樣品。四、 實驗容和步驟 觀察馬氏體、貝氏體的典型樣品。 使用顯微鏡觀察下列樣品：序號材料熱處理組織1.65Mn840加熱500度等溫14秒馬氏體+屈氏體（網(wǎng)狀分布，黑色，條、塊狀）2.65Mn840加熱400度等溫25秒馬氏體+屈氏體+上貝氏體（黑色羽毛狀）3.65Mn840加熱350度等溫160秒馬氏體+上貝氏體+下貝氏體（黑色針狀）4.65Mn840加熱300度等溫400秒馬氏體+下貝氏體（黑色針狀）5.45鋼840加熱，油冷馬氏體+屈氏體+

10、貝氏體6.45鋼退火處理珠光體+鐵素體7.45鋼風冷，或放置于金屬板上空冷氏組織8.20鋼風冷，或放置于金屬板上空冷氏組織9.20Cr（1100）過熱淬火板條馬氏體10.T12（1100）過熱淬火片狀馬氏體+奧氏體（殘余）11.65鋼退火處理珠光體+鐵素體12.65鋼840加熱，放置于鐵板上空冷珠光體+鐵素體（網(wǎng)狀分布，極少量）13.T12鋼970加熱，出爐風冷珠光體+二次滲碳體（針狀交錯分布）14.T12鋼退火處理珠光體+二次滲碳體（網(wǎng)狀分布）15.T12鋼球化處理珠光體（粒狀）+二次滲碳體（顆粒狀）16.工業(yè)純鐵高溫金相（970）奧氏體晶粒（有孿晶）17.工業(yè)純鐵室溫退火組織鐵素體晶粒 觀看形狀記憶合金樣品的記憶效應演示（根據(jù)情況增減部分）五、 本次實驗的總結(jié)記錄 記錄、分析典型固態(tài)相變的組織形貌氏組織（ ） 片狀馬氏體 上貝氏體 下貝氏體工業(yè)純鐵的高溫奧氏體金相組織 工業(yè)純鐵的室溫鐵素體金相組織 T12鋼的球化組織 回答下列問題：