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1、实验六 铁碳合金显微组织的观察及分析实验项目名称： 碳钢非平衡组织观察实验项目性质：普通实验所属课程名称：金属材料与热处理实验计划学时：2一、 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） 熟悉碳钢几种曲型热处理组织M、T、S、M回火、S回火等组织的形态及特征。二、实验内容和要求碳钢经退火、正火可得到平衡或接近平衡组织；经淬火得到的是不平衡组织。铁碳合金缓冷后的显微组织基本上与铁碳相图所预料的各种平衡组织相符合，但在快冷条件下的显微组织就不能用铁碳合金相图来加以分析，而应由过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）来确定。图1-1为共析碳钢的C曲线
2、图。图1-1 共析钢的C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所得到的组织。C曲线适用于等温冷却条件；而CCT曲线（奥氏体连续冷却曲线）适用于连续冷却条件。按照不同的冷却条件，过冷奥氏体将在不同的温度范围发生不同类型的转变。通过金相显微镜观察，可看出过冷奥氏体各种转变产物的组织形态各不相同。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1-1中。2共析钢连续冷却时的显微组织共析钢奥氏体，在慢冷时（相当于炉冷，见图1-1的v1）应得到100%珠光体；当冷却速度增大到v2时（相当于空冷），得到
3、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（相当于油冷），得到的为屈氏体和马氏体；当冷却速度增大到v4、v5（相当于水冷），很大的过冷度使奥氏体骤冷到马氏体转变开始点（Ms）后，瞬时转变马马氏体。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。3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，见图1-2所示。当奥氏体缓冷时（相当于炉冷，如图1-2的v1）转变产物接近平衡组织，即珠光体和铁素体。随着冷却速度的增大，即v3 v2 v1时，奥氏体的过冷度逐渐增大，析出的铁素体越来越少，而珠光体的量逐渐增加，组织变得
4、更细，此时析出的少量铁素体多分布在晶粒的边界上。图1-2 亚共析钢的C曲线表1-1转变类型组织名称形成温度范围/显微组织特征硬度（HRC）珠光体型相变珠光体（P）650在400500金相显微镜下可以观察到铁素体和渗碳体的片层状组织20(HB180200)索氏体（S）600650在8001000以上的显微镜下才能分清片层状特征，在低倍下片层模糊不清。2535屈氏体（T）550600用光学显微镜观察时呈黑色团状组织，只有在电子显微镜500015000下才能看出片层状。3540贝氏体型相变上贝氏体（B上）350550在金相显微镜下呈暗灰色的羽毛状特征4048上贝氏体（B下）230350在金相显微镜下
5、呈黑色针叶状特征。4858马氏体型相变马氏体（M）230在正常淬火温度下呈细针状马氏体，过热淬火时则呈粗大片状马氏体。60654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合物，其片层比珠光体更细密，在高倍（700倍以上）显微放大时才能分辨。（2）屈氏体（T） 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，呈黑色网状，包围着马氏体；当析出量较多时，呈大块黑色团状，只有在电子显微镜下才能分辨其中的片层（见图1-3）。（3）贝氏体（B） 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
6、物。在显微形态上，主要有三种形态；A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（见图1-4）。B下贝氏体是在片状铁素体内部沉淀有碳化物的两相混合物组织。它比淬火马氏体易受浸蚀，在显微镜下黑色针状（见图1-5）。在电镜下可以见到，在片状铁素体基体中分布有很细的碳化物片，它们大致与铁素体片的长轴成5560的角度。C粒状贝氏体是最近十几年才被确认的组织。在低、中碳合金钢中，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。它的温度范围大致在上贝氏体转变渐度区的上部，由铁素体和它所包围的小岛状组织所组成。（4）马氏体（M）是碳在F
7、e的过饱和固溶体。以马氏体的形态按含碳量主要分两种，即板条状和针状（见图1-6、1-7）。A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联系贩细马氏体条定向平行排列组成马氏体束或马氏体领域。在马氏体束之间位向差较大，一个奥氏体晶粒内可形成几个不同的马氏体领域。板条马氏体具有较低的硬度和较好的韧性。B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，针和针之间成一定的角度。最先形成的马氏体较粗大，往往横穿整个奥氏体晶粒，将奥氏体加以分割，使以后形成的马氏体片的大小受到限制。因此，针状马氏体的大小不一。同时有些马氏体有一条中脊线，并在马氏体周
8、围有残留奥氏体。针状马氏体的硬度高而韧性差。（5）残余奥氏体（A残）是含碳量大小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。如图1-8表示为含碳1.3%的碳钢加热到1000淬火后，约有15%30%的残余奥氏体。如图1-9表示为含碳1.2%的碳钢正常淬火（780加热），组织为马氏体+粒状渗碳体+少量残余奥氏体。图1-4 上贝氏体+马氏体图1-3 屈氏体+马氏体图1-5 下贝氏体图1-6 回火板条状马氏体图1-7 针状马氏体图1-8 粗大的针状马氏体+大量残余奥氏体图1-9 马氏体+粒状渗碳体+少量残奥氏体
9、图1-10 回火马氏体（黑色）+残余奥氏体（白色）（6）钢的回火组织与性能A回火马氏体。是低温回火（150250）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，在显微镜下呈黑色针状。低温回火后马氏体针变黑，而残余奥氏体不变仍呈白亮色（如图1-10）。低温回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硬度。B回火屈氏体。是中温回火（350500）线织。回火屈氏体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，呈极细颗粒状，用光学显微镜极难分辨（如图1-11）。中温回火后有很好的
10、弹性和一定的韧性。C回火索氏体：是高温回火（500650）组织。回火索氏体是铁素体与较粗的粒状渗碳体所组成的机械混合物。碳钢回火索氏体中的铁素体已经通过再结晶，呈等轴细晶粒状。经充分回火的索氏体已没有针的形态。在大于500倍的光镜下，可以看到渗碳体微粒（如图1-12）。回火索氏体具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回火时的产物，它们的渗碳体是颗粒状的，且均匀地分布在铁素体基体上；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硬度下具有较高的塑性与韧性。图1-11 回火屈氏体图1-12 回火索氏体三、 实验主要仪器设备
11、和材料（1） 金相显微镜（2） 金相图谱及放大的金相图片（3） 经各种不同热处理的金相试样四、实验方法、步骤及结果测试（1）观察表1-2所列试样的显微组织表1-2 实验要求观察的样品序号材料含碳量热处理工艺浸蚀剂显微组织特征145钢0.45%860炉冷（退火）3%硝酸酒精P+F（白色块状）245钢0.45%860空冷（正火）3%硝酸酒精S+F（白色块状）345钢0.45%770淬水（淬火）3%硝酸酒精M细小+F（部分白色块状）445钢0.45%860淬水（淬火）3%硝酸酒精M细小545钢0.45%860淬油（淬火）3%硝酸酒精M细小+T（沿晶界分布的黑色网）645钢0.45%1000淬水（淬火
12、）3%硝酸酒精M粗针+残余奥氏体(亮白色块状)745钢0.45%860淬水200回火3%硝酸酒精回火M845钢0.45%860淬水400回火3%硝酸酒精回火T945钢0.45%860淬水600回火3%硝酸酒精回火S10T12钢1.2%760球化退火3%硝酸酒精P球状（F+细粒状Fe3C）11T12钢1.2%760淬水（淬火）3%硝酸酒精M细针+Fe3C(白色粒状)12T12钢1.2%1000淬水（淬火）3%硝酸酒精M粗针+残余奥氏体(亮白色块状)(2)描绘出所观察样品的显微组织示意图，并注明材料、处理工艺、放大倍数、组织名称及浸蚀剂等。五、实验报告要求（1）写出实验目的；（2）画出所观察样品的显微组织示意图；（3）说明所观察样品的组织；六、思考题比较并讨论直接冷却得到的M、T、S和淬火、回火得到的M回火、T回火、S回火的组织形态和性能差异。
