实验一碳钢及合金结构钢的显微组织观察

实验一 碳钢及合金结构钢的显微组织观察,The Observation of Microstructure of Constructional carbon steel and constructional alloy steel,一 实验目的 Experiment Objective,1 了解和熟悉几种常用碳素结构钢、合金结构钢的显微组织特点。 2 熟悉碳钢，常用合金结构钢热处理工艺及它们的主要应用。3 认识合金结构钢的组织缺陷。,二 概述 Summary,凡是用于制造各种机器零件和工程构件的钢,都称为结构钢。结构钢是工业中用途最广、用量最大的一类钢。按其是否含有合金元素，又分为碳素结构钢和合金结构钢两大类.碳素结构钢在性能上虽不及低合金钢，但容易冶炼，价格便宜，性能也能满足一般工程构件和机器零件的要求。所以在建筑构件、机械制造、桥梁等各方面，获得广泛应用。,合金结构钢按用途或热处理特点，可分为调质钢、渗碳钢、轴承钢、普通低合金钢、超高强度钢及特殊用途合金结构钢七大类钢。一般合金钢（除高强度钢，高锰钢外），都属于低合金钢，按其含碳量属亚共析钢,由于合金元素加入量小于5%。虽然使得铁碳相图发生了一些变化，但其平衡状态的显微组织与碳钢没有本质的区别，合金结构钢热处理后的显微组织与碳钢也没有根本的不同。,如40Cr钢和40#钢调质后的显微组织基本相同，都是回火索氏体。GCr15钢 840油淬再低温回火与T12钢760水淬后低温回火的显微组织都为回火马氏体、碳化物和残余奥氏体。差别只在于合金元素的加入后，提高了淬透性。另外，合金钢经过适当的热处理，合金元素的作用才能发挥出来。如细化奥氏体晶粒；可获得较细的淬火组织，从而提高韧性；提高回火抗力，产生二次硬化等。使合金结构钢的性能大大优于碳钢,常用合金元素在钢中存在的形式有两种，或溶解于碳钢中原有的相（铁素体、奥氏体、渗碳体）中；或形成碳钢中没有的新相（如合金碳化物）中。以何种方式存在于钢中，则主要取决于合金元素与碳亲和力的大小。,(1)调质钢 heat refined steel含碳量一般为0.250.5%。合金元素在调质钢中的作用主要有增加淬透性，防止第二类回火脆性，细化奥氏体晶粒，提高回火稳定性。调质钢一般用作各种负荷较大的齿轮和轴类零件，重要的螺栓等。基于调制钢的工作条件与基本性能要求，此类钢要具有良好的综合力学性能即具有较高的强度和塑性。热处理后的组织为回火索氏体。调质钢是由相对较高的碳量达到强度的，由高温回火达到塑性、韧性的。,(2)渗碳钢 carburizing steel含碳量为0.120.25%。渗碳钢又分为碳素渗碳钢和合金渗碳钢。许多机器零件，如齿轮、凸轮、活塞、销等，要求表面具有高硬度，而心部则要求具有足够的强度和韧性，所以选用含碳较低的材料，通过渗碳，经淬火和低温回火，使表面得到高的硬度和高的耐麽性。表面显微组织为回火马氏体均匀细小分布的粒状碳化物，而心部则保持足够的韧性。心部组织因钢种而异。一般为低碳马氏体或索氏体等。其特点是“表硬里韧”。,（3）弹簧钢 spring steel弹簧能在不产生永久变形的情况下吸收大量弹性功，从而通过弹性变形来吸收冲击能量，起到减缓冲击和避震的作用；同时还可以利用储存的能量使机件完成预定动作。因此弹簧是比较重要的机械零件之一。碳素弹簧钢含碳量一般为.之间。合金弹簧钢含碳量一般为.45.74。合金元素有Si、Mn、Cr、V、W等。碳素弹簧钢由65、70、75、80四个钢号，热处理后可得到高的强度，且具有适当的塑性和韧性。,由于碳素钢的淬透性较差，故只能用于制造小尺寸的弹簧或螺旋弹簧，热处理后的组织应为回火屈氏体。若弹簧直径稍大，则会淬不透，这就要使用合金弹簧钢，合金弹簧钢合金元素的作用是提高淬透性与回火稳定性，强化铁素体和细化晶粒。尺寸较大的弹簧热成型后，淬火加中温回火，回火后的显微组织为回火屈氏体。小尺寸弹簧冷拔成型，然后定型回火（去应力退火）。热处理的主要目的是得到尽可能高的屈强比（s/o1）,和尽可能大的疲劳极限(1).钢种的选择根据弹簧尺寸的大小,基本上应该由淬透性决定。若材料淬不透，其弹性极限（s）和疲劳强度（-1）都会大大降低。,(4)轴承钢 bearing steel轴承是转动的机械部件中不可缺少的一项重要零件，它在高速运转中，承受着高而集中的周期性交变载荷，接触应力通常可达150500Kg/m。轴承钢主要用于制造滚动轴承，但在量具，模具，低合金刀具等方面也广泛应用。含碳量为0。951。10%。加入合金元素Cr、Mn、Si、V、Mo等。Cr能提高淬透性，减少过热敏感性 ，并使碳化物细化。,热处理工艺为球化退火、淬火加低温回火。球化退火的目的是获得粒状珠光体，方便切削加工，并为淬火做组织上的准备。而淬火加低温回火后，可获得较好的接触疲劳强度，耐磨性和弹性极限。例GCr15钢应用最广泛，它的含碳量较低，却具有高强度、高弹性极限和高的硬度及耐麽性，以及良好的接触疲劳强度和淬透性；,同时还具有一定的韧性和抗腐蚀能力，热处理工艺简便，淬火后回火的显微组织为极细的回火马氏体（80%）与分布均匀的细粒碳化物（510%）及少量的残余奥氏体（510%）。轴承钢对冶金质量要求高。当前我国生产轴承钢几乎全部采用真空脱气，真空熔炼，电渣重溶，将气体及夹杂物控制到最低限。轴承钢缺陷组织：液析、带状、非金属夹杂等。,(5)普通低合金钢（低合金高强度钢） low alloy steel（high-strength low alloy steel 此类钢含碳量0.120.18%，主要用于各种工程和机械结构，如桥梁、船舶、石油、民建等方面，是在普通碳素钢基础上加入少量合金元素（不大于35%）构成。国标中按屈服强度级别分为300Mpa650Mpa六个级别。,（6）超高强度钢 Ultra-high strength steel 此类钢的强度极限超过1400MP。同时兼具有适当韧性的钢，主要用于航天、火箭、导弹的结构材料。按成分和使用性能的不同，可分为低合金中碳马氏体型，中合金中碳二次硬化型，中合金低碳马氏体型，高合金超低碳马氏体型和沉淀硬化超高强度不锈钢五类。,低合金中碳马氏体型，是以调质结构钢为基础发展起来的。含碳量0。300。45%，合金元素5%左右（如35Cr2Mn2MoV，40CrNiMo），最终热处理工艺为淬火+低温回火，显微组织为回火马氏体（即在高密度马氏体的基体上分布着弥散析出的碳化物。）或等温淬火为下贝氏体组织。使用温度不超过200，它的主要缺点是耐腐蚀性和抗氧化性差。,中合金中碳二次硬化型，是从5CrNiMo热模钢基础上发展起来的。（40Cr5MoSiV），热处理工艺1000淬火580二次回火。显微组织为回火马氏体+弥散分布的碳化物。这些弥散分布的碳化物产生强烈的二次硬化。热处理后残余应力小，具有高的室温强度。在300500仍能保持较高的强度和热疲老性能，缺点是易脱碳，焊接性能较差。,中合金低碳马氏体型，含碳量一般小于0。25%，合金元素总含量大于5%，典型钢种有20SiMn2MoV，25Si2Mn2CrNiMoV热处理工艺900油淬，250回火，最终组织为低碳回火马氏体。此类钢具有较高的强度，又有较好的塑性，韧性。淬火时形成的低碳马氏体，综合了固溶强化效应，位错强化效应和晶界强化效应，由于低碳，Ms点温度较高。自回火以及淬火后的回火，细小碳化物在马氏体中析出，产生强化作用，对材料强度的贡献很显著。,高合金低碳马氏体型，此类钢是时效硬化型钢。合金成分以Fe-Ni为主，主要钢种有（Ni18Co9Mo5TiAl，Ni25Ti2AlNb）此类钢的典型热处理工艺为815固溶+480时效36小时。显微组织为低碳马氏体。低碳马氏体在时效过程中沉淀析出几种金属间化合物（如Ni3Mo，Fe2Ti，Fe2Mo等沉淀相），因而保证了高强度，高韧性及很好的抗应力腐蚀等一系列合金钢的优越性能。这些优点使得此类钢用于许多特定场合。,三 实验内容 Experiment Contents1. 通过显微镜组织观察，分析下列样品由什么显微组织组成？A 低合金高强度钢 16Mn 热轧正火 索氏体+铁素体 16Mn 热轧+退火组织 珠光体+铁素体B 渗碳钢 20CrMnTi 渗碳组织 20CrMnTi 渗碳+淬火+低温回火组织 回火马氏体组织 18Cr2Ni4V 渗碳组织,C 调质钢 40Cr 正火组织 索氏体+铁素体 40Cr 淬火组织 马氏体 40Cr 淬火+低温回火组织 回火马氏体 40Cr 淬火+高温回火组织 回火索氏体 42CrMo 等温淬火组织 下贝氏体 D 弹簧钢 65Mn 淬火+中温回火组织 回火屈氏体 60Si2 淬火组织