实验三常见钢铁材料的显微组织观察

1、实验3常见钢铁材料的显微组织观察一、实验目的1、观察碳钢经不同热处理后的基本组织。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何火、T冋火、Sm火等的形态及特征。4、观察和分析常用假钢以及儿种合金钢（45、T12、20、GCY15、W18Cr4 lCrl8CrNi9Ti.9CrSi等）的显微组织。5、了解常用合金钢的成分、组织和性能的特.点，以及它们的主婆应用。二、概述（）碳钢热处理后的显微组织观察碳钢经退火、正火可得到平衡或接近平衡组织，经淬火得到的是卜平衡组织。因此，研 究热处理后的组织时，不仅耍参考铁碳相图，更主耍的是参考钢的等温转变曲线（C曲线）

2、。洪碳相图能说明慢冷时介金的结晶过程和室温卜的组织以及并相的相对含凤C曲线则 能说明一定成分的钢在不同冷却条件卜所得到的组织。C曲线适用等温冷却条件；而CCT 曲线（奥氏体连续冷却曲线）适用J：连续冷却条件。在一定的程度上用C曲线，也能够佔 计连续冷却时的组织变化。1、共析钢等温冷却时的显微组织共析钢过冷奥氏体在不同温度等温转变的组织及性能列于表3-1中。2、共析钢连续冷却时的显微组织为简便起见,不用CCT曲线，而用C曲线图3-1共析钢的C曲线得到的为屈氏休和马氏休当冷却速度增（图31）来进行分析。例如共析钢奥氏体，在 慢冷时（相当炉冷，见图3-1屮的vi）应得到 100%的珠光体；卅冷却速度

3、増人到V2时（相、 空冷），得到的是较细的珠光体，即索氏体或 屈氏休：当冷却速度増大到巾时（相当于油冷）, 人至v4时（相当水冷），很人的过冷度使奥氏体骤冷到马氏体转变开始点（Ms）后.瞬时转变成马氏体.氏中与C曲线鼻尖相切的冷却速度（*）称为淬火的临界冷却速度。表31共析钢过冷冥氏体在不同温度尊温转变的组织及性能t珠光体枣相$一i恋光<p珠-IE-躺L 一-JiH1iftEQ 徹子片 显电出 侏在看r 一贝氏体舉相变%?1q a- 一马氏休51相变1 Wilft氏体 正马氏O3、亚共析钢和过共析钢连续冷却时的显微组织亚共析钢的C曲线与共析钢相比,只是在其上部多了一条铁素体先析出线,如图

4、3-2 所示。图M2亚共析钢的C曲线当奥氏体缓慢冷却时（相当于炉冷， 如图3-2中V!）,转变产物接近平衡组织， 即珠光体和铁素体.随裤冷却速度的増人， 即v3>v,>V1时，奥氏体的过冷度逐渐増 R 人，析出的铁索体越來越少，而珠光体的 量逐渐增加,组织变得更细,此时析出的 少量铁素体多分布在晶界上。因此,V1的组织为铁素体十珠光体：V?的组织为铁素体十索氏体：V3的组织为铁 索休I屈氏休：当冷却速度为口时，析出很少磺的网状铁索休和屈氏休（存时可见到少駁 贝氏体），奥氏体则主耍转变为马氏体和屈氏体（如图3-4）：当冷却速度*超过临界冷却速 度时,钢全部转变为马氏体组织（如图3-7

5、. 3-8）过共析钢的转变与亚共析钢相似,不同Z处是后者先析出的是铁索体，而前者先析出的是渗碳体。4各组织的显微特征（1）索氏体（s）是铁素体与渗碳体的机械混介物。比片层比珠光体更细密，在高倍（700倍以上）显微放人时才能分辨（见图3-3）。图33索氏体图3* 屈氏体+马氏体（2）屈氏体（T）也是铁索体与渗碳体的机械混合物，片层比索氏体还细密，在一般 光学显微镜卜无法分辨，只能看到如墨菊状的黑色形态。为苴少吊析出时，沿晶界分布，M 黑色网状，包围着马氏体;当析出量较多时，呈大块黑色团状,只有在电子显微镜F才能分 辨其中的片层（见图3-4）。（3）贝氏体（B为奥氏体的中温转变产物，它也是铁索体与

6、渗碳体的两相混介物。 在显微形态上，主要有以卜三种形态：A. 上贝氏体是由成束平行排列的条状铁索体和条间断续分布的渗碳体所组成的|：层状 组织。当转变最不多时，在光学显微镜卜为成束的铁素体条向奥氏体胡内伸展，貝有羽毛状 特征。在电镜卜，铁索体以几度到I儿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3-5）oB. HW氏体是在片状铁索体内部沉淀令碳化物的两相混合物组织。它比淬火马氏体易 受浸蚀，在显微镜卜呈黑色针状（见图36）。在电镜下可以见到，在片状铁素体基体中分 布冇很细的碳化物片，它们人致与铁素体片的长轴成5560。的角度。粒状贝氏体是般近十儿年才被确认的组织。在低、屮碳合

7、金钢中，特别是连续冷却 时（如正火、热轧空冷或焊接热影响区）往往容易出现，在等温冷却时也可能形成。它的形35成温度范国人致在上贝氏体转交温度区的上部，由铁素体和它所包用的小岛状组织所组成图35上贝氏体+板条状马氏体+少fit网状铁素体图36 下贝氏体#（4）马氏体（M）是碳在aFe屮的过饱和固溶体。马氏体的形态按含礦駁主耍分两种.即板条状和针状（见图37、38所示）。图37板条状马氏体图38针状马氏体A. 板条状卩氏体-般为低碳钢或低碳介金钢的淬火组织。真组织形态是由尺寸人致相 同的细4氏体条定向'卜行排列组成竹氏体束或马氏体领域。在马氏体束Z间位向差较人，一 个奥氏体晶粒内可形成儿个

8、不同的马氏体领域。板条马氏体几何较低的硕度和较好的韧性。 图3-7是20钢950°C加热保温后水淬的金相图谱。B. 针状马氏体是含碳最较岛的钢淬火后得到的组织。在光学显微镜卜，它呈竹叶状或 针状，针与针之间成-定的角度。最先形成的马氏体校粗人，往往横穿整个奥氏体晶粒，将 奥氏体品粒加以分割，使以后形成的马氏体针的人小受到限制。因此，针状9氏体的人小不 一。同时仃些马氏体仃一条中脊线，并在马氏体周II柏残留奥氏体。针状马氏体的駛度高而 韧性差。（5）残余奥氏体（An）是倉碳吊人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。它不易受硝酸酒椿溶液的浸蚀，在显微镜卜呈白亮色，分布

9、在马氏体Z间， 无固定形态。如图3-9为针状马氏体以及大量的残余奥氏体。图3-10为50钢汕冷淬火（830°C加热）.比组织为9氏体+少杲残余奥氏体。图39针状马氏体+残余奥氏体图310马氏体+粒状港碳体+少量残余奥氏体（6）钢的回火组织与性能：A. 回火马氏体是低温回火（153250*0）组织,它仍保留了原马氏体形态特征针状 马氏体回火析出了极细的碳化物，容易受到浸蚀，在显微镜卜呈黑色针状。低温回火后马氏 体针变黑，而残余奥氏体不变仍呈门亮色（如图311所示）。低温冋火后可以部分消除淬火 钢的内应力，增加韧性，同时仍能保持钢的高破度。B. 回火屈氏体是屮温回火（350500

10、6;C）组织。回火屈氏体是铁索体与粒状渗碳体组 成的极细混介物。铁素体基体基本上保持了原马氏体的形态（条状或针状），第二相渗碳体 则析出在其中,呈极细颗枝状,用光学显微镜极难分辨（如图3-12所示）。中温回火后有很 好的弹性和-定的韧性。图311回火马氏体图312回火屈氏体C. 冋火索氏体是高温冋火（5OOF5O°C）组织。冋火索氏体是铁素体与较粗的粒状渗图313回火索氏体碳体所组成的机械混合物。碳钢冋火索氏体中 的铁索体已经通过再结品，呈等轴细晶粒状。 图3-13为保持马氏体位向分布的较粗冋火索 氏体。回火索氏体其有良好的综合机械性能。应当指出，回火屈氏体、回火索氏体是淬 火马氏体

11、冋火时的产物，它们的渗碳体是颗粒 状的，且均匀地分布在饮索体基体上；而淬火 索氏体和淬火屈氏体是奥氏体过冷时直接形 成的，其渗碳体是呈片状。回火组织较淬火组 织在相同I®度卜71仃较高的型性与韧性。-）几种常用合金钢的显微组织介金钢根据介金尤素會乗的不同，可分为三种：介金元素总灵5%的称为低介金钢； 合金尤索为5%10%的称为中合金钢：合金元索10%的称为高合金钢。-般介金结构钢、介金工具钢都是低介金钢。山介金元素的加入，使铁礦相图发生一 吐变化，但具平衡状态的显微组织与碳钢没仃本质的区别。低介金钢热处理厉的显微组织与 碳钢没有根本的不同,差别只在于合金九素加入后，使C曲线右移（Co

12、除外）,即以较低 的冷却速度也可获得马氏体组织。例如，40Cr钢经调质处理后的显微组织和40钢调质后的 显微组织基本相同，都为冋火索氏体。GCrl5钢840匸油淬、低温冋火后的显微组织，与T12 钢780C水淬、低温回火后的显澈组织也基本样，皆为回火马氏体和碳化物。合金钢种类繁多，木讲义仅选择儿种常用的典吃钢号进行观察和分析。1. 合金结构钢A. 渗碳钢20CrNi钢用J：制造耍求较高强度和韧性的零件。也可进行渗碳处理制作 齿轮。具退火组织为铁素体+珠光体，如图3-14所示。B. 调质钢40Cr是一种应用很广泛的钢钟。它具有良好的综合机械性能，用J：制造曲 轴、汽乍后桥半轴等。退火处理后为珠光

13、体+网状分布的铁素体，晶粒细小，见图3-15： 油冷淬火后其组织为中碳马氏体，部分马氏体成排分布，如图316所小;图314铁素体+珠光体图315珠光体+网状分布的铁素体lSCrNiNIo AYf较高强度、韧性和淬透性.适宜制作具仃一定强韧性的汽乍变速箱齿轮以及轴类,原材料组织铁素体以及珠光体，呈枝晶状分布,如图37所示：因该钢具有良好的淬透件，淬火后匕经完全渗透，基体全为低碳马氏体，如图318所示。图316淬火马氏体图317铁素体+珠光体图318马氏体图319回火马氏体+碳化物颗粒C. 轴承钢 常用钢号为GCrl5o经淬油后低温回火为凹火马氏体和耒溶解的碳化物颗 粒，如图319所示。图320球

14、化珠光体图321回火托氏体+极少量铁素体颗粒D. 弹费钢65、In为倉猛届较高的优质碳素结构钢，65Mn冷拉退火后为球化珠光体, 见图3-20：图3-21是880C淬火处理后经过48052(TC中温冋火纽织，基体为冋火托氏体, 其上仃极少彊铁索体颗粒。2. 合金工具钢A. 低合金工具钢以9CrSi为例，840°C加热保温后油冷淬火后180°C低温回火，其 组织为极细的何火针状马氏体和未溶的碳化物，如图3-22所示。B高介金U!钢 以Crl2MoV为例，经1020°C加热保温后汕冷淬火，180°C回火， 氏纽织为冋火9氏体和少灵残余奥氏体，门色人块状为共晶

15、碳化物，细小颗粒为二次碳化物。如图3-23所示。Crl2MoV淬火后又经520°C保温lh回火4次，其组织为回火马氏体和少届残余奥氏体.白色大块状为共晶碳化物.细小颗粒为二次碳化物.如图324所示。图322回火马氏体+碳化物图323陰针马氏体+碳化物+残留奥氏体图32J回火马氏体+少量残余奥氏+碳化物图325莱氏体+屈氏体以及残留奥氏体C. 高速钢 高速钢是一种常用的高介金匸貝钢，例如W18Cr4,因为它含有人晟介 金元素,便铁碳相图中的E点大大左移,虽然只含有0.7%0.8%的碳,仍可获得莱氏体组 织，所以又称为莱氏体钢。高速钢在铸造状态卜与亚共AAAH铸铁的组织相似。其中莱氏体宙

16、介金碳化物、9氏体 屈氏体以及残留奥氏体组成。如图325所示。 靠然筒速钢在铸态卜的组织心在严晅的成分和 组织不均匀性，从而影响其性能，为此随后必 须经过锻造和轧制，破碎莱氏体网络.促使具碳化物均匀分布。图3.26马氏体十未溶碳化物十残余奥氏体高速钢淬火组织：淬火加热温度一般为126012809,商温加热的忖的足使较多的碳 化物溶解奥氏体中，淬火后马氏体中合金尤索含吊沿j，回火后钢的駛度高H耐磨性好。淬 火采用油冷或空冷，梵显微组织为马氏体+未溶碳化物+残余奥氏体。马氏体呈隐针状，其 针形很难显示出来，但可看出明显的奥氏晶界及分布品粒内的未溶碳化物，淬火后的碘度 约为HRC61-62,见图3-

17、26所爪。高速钢淬火后需经三次回火，扛组织为回火9氏体、少乗残余奥氏体，人块门色颗粒 为共晶碳化物。I叫火后唤度为HRC6546.见图3-27所示。3. 不锈钢不锈钢是在人气、海水及其浸蚀性介质条件卜能稳定工作的钢种，人都属r高介金钢。例如应用较广的比!Crl8Ni9,其倉碳吊较低，因为碳不利耐蚀性：高的倉铅彊是保证耐9蚀性的主耍元素：探除了进一步提高耐蚀能力以外，主耍是为了获得奥氏体组织。这种钢在 室温卜的平衡组织是奥氏体十佚索体十（Cr、Fe）23C6o这种组织是产生品间腐蚀的原因。为 了提高耐蚀性以及其它性能，必须进行固溶处理。将钢加热到10501150C,使碳化物等全部溶解,然后水冷,

18、室温下即可获得单一的奥氏体组织,如图328所示。图327回火马氏体+碳化物+残余奥氏体图328奥氏体（内有李晶三、实验内容1、观察卜表所列试样的显微组织。序 号材料处理 工艺浸蚀剂显微组织特征145退火3%硝酸酒精溶液F+P。白色晶粒为F.黑色块状为片状P。P的 片层结构未显示。F占42.7%, P为573%。2T12退火同上P+FejCiio黑白相间的层片状基体为P,晶界上 白色网络为Fe3Cuo T12为过共析钢，共析反臧 前,FejCiit先沿A晶界呈网络状析出。随温度 卜降到共析温度，发生共析反应，剩余A全部 转变为片状Po网状Fe心可采用正火处理清除。320淬火同上板条M。尺寸人致相

19、同的条状M,定向平行排 列，呈现黑白差的M束。束与束之间位向差较 人，一个A晶内可形成几个不同取向的M束。板条M Z所以呈现黑白差，是因为低碳钢的 Ms点高，先形成的M受自何火程度币;,呈黑色， 后形成的M自回火轻而呈白色。11445钢860C水淬同上中碳M成板条和针状混介分布。板条M较 多。针状M的针叶两端较为圆钝。45钢的Ms 较高，先形成的M产生口回火，呈黑色，未口 行回火的M呈白色，因而形成衬度.5T12球化退火同上球状P。是F基体上分布颗粒状Fe3Co白色为F 基体，门色小颗粒为Fe3Co部分FesC颗粒较粗 大。6GCrl5常规淬火低温回火同上回火M及细颗粒碳化物+A残。M分黑区和

20、白 区，是轴承淬水后的特冇组织。1区在A晶界 处呈网状分布。淬火加热时，碳化物在A胡界 处首先溶解,使之含碳量比晶内多,Ms较低, 淬火后获得以弯晶M为主的隐针M体，不易自 回火和浸蚀而呈白色；A晶内的碳化物溶解少 些，Ms点校高，淬火时获得板条M为主的隐晶 M.易冋火及浸蚀呈黑色。白色细颗粒为加热时 未溶合金碳化物。7W18Cr4V淬火及回火同上M十碳化物+A残黑色花体为回火M+A1-,门色 人块颗粒为共甜碳化物，细小颗粒为二次碳化 物。8lCrl8CrNi9Ti固溶处理王水白色晶粒为A晶粒,部分晶粒呈李晶，基体上 黑色点状为碳化物，何的试样存在黑色成条状 分布的硫化物夹杂。920钢渗碳后退

21、火3%硝酸酒粘:溶液正常渗碳的平衡组织。最表层为过共析层，黑 色棊体为P,白色网络为Fe3Cn：次农层为共析 层，全部为黑色片状P:第三层为亚共析过度层， 含碳量逐步下降,一直到心部，其组织特征, 口色F逐渐增多，P相应减少，一I到20钢原 始组织。109CrSi淬火同上M |叫火+碳化物，极细的黑色针状为低温冋火+低温冋火M，门色颗粒为未溶解的介金碳化物。9CrSi钢, S1能强化F,阻碍淬火M的分解和碳化物的聚 集，经250300°C回火，其碾度仍仃HRC60, 因而被广泛用來制造工具和模具。2、描绘出所观察样品的显微组织示恿图，并注明材料、处理工艺、放人倍数、组织X称及浸蚀剂。四、实验方法1、实验材料及设备A. 金相显澈镜B. 金相图谱及放人的金相图片C. 经各种不同热处理的金相试样D. 介金钢金相样品一套F.合金钢金相图册2、实验步骤（1）每个同学轮流对每个试祥进行观