碳钢的热处理及非平衡组织观察

实验二碳钢的热处理及非平衡组织观察

一、实验目的

1. 了解退火、正火、淬火及回火等普通热处理的基本工艺与生产。

2. 认识碳钢典型的热处理组织，了解不同加热温度、不同冷却速度及不同回火温度对所得组织的影响。

二、实验内容

实验一中我们研究了铁碳合金的平衡组织，即缓冷后的组织。它完全符合铁碳状态图所得出的结果，而非平衡组织，通俗的理解就是在较快的冷速下所得到的组织，除退火外，正火、淬火或回火所得的组织都为不平衡组织。

1. 状态图可决定热处理的加热温度和可以进行哪一类热处理。但热处理后的产物尚需视冷却速度而定，这样就需要运用过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）来决定。而钢的回火后组织又必须结合钢的回火相变原理去理解。图1为共析钢由TTT曲线推测过冷奥氏体连续冷却所获转变产物。

A1为临界线（727℃），Ms为马氏体转变开始温度。以不同冷却速度进行冷却。根据冷却曲线和“C”曲线相交的位置可以判断出奥氏体转变产物是什么组织。

V k——表示转变为马氏体的最小冷速。

V1——相当于退火冷速（炉冷），产物为片状珠光体。

V2——相当于正火冷速（空冷），产物为索氏体，索氏体也是α+Fe3C的机械混合物，与珠光体不同的是其片状较细，在放大倍数较高的显微镜观察时可以分辨清楚（一般800～1000倍）

V3——相当于在油中冷却，产物为屈氏体+马氏体。屈氏体也是α+Fe3C的机械混合物只是片状更细，故要在更高放大倍数下才能分辨。普通金相显微镜分辨不清，呈黑色团块状。

V4——相当于在水中冷却（淬火），产物为马氏体+残余奥氏体。马氏体（M）是碳在α—Fe中的过饱和固溶体，其组织特征呈亮白色针状。针与针之间的夹角一般为60°或120°，针的粗细与原来γ的晶粒度有密切的关系。若选取热处理加热温度过高，则由于γ晶粒很粗大，淬火后的M针也粗大。这种情况下钢的韧性很低。正常淬火温度下，M针应很细，呈隐针状。钢在淬火后常保留某些未转变的奥氏体，称为残余奥氏体，它与一般的奥氏体没有什么区别。

下面是一些钢种热处理后的显微组织。

45钢退火处理（100×）：基体组织为珠光体及铁素体。铁素体沿奥氏体晶界呈网络状分布。片状珠光体的体积分数约占基体总体积分数的55%，由此可以推算出钢中W（C)为45%。同时，从网络状分布的铁素体可以看出，此钢退火温度不高；故其晶粒细小。这种钢在退火状态下强度是偏低的，为了充分发挥材料的潜力，通常于采用调质或正火处理。

45钢860℃加热保温后淬火（500×）。针状淬火马氏体，其针叶大小中等。

45钢860℃加热保温后淬火，600℃回火1h（500×）。基体组织为保持马氏体位向分布的回火索氏体，硬度为28HRC。45钢淬火后得到过饱和的a固溶体即淬火马氏体。它的强度及硬度很高(硬度可达58～60HRC左右)，而其韧性及塑性则明显下降。为了消除淬火时的内应力和组织应力，淬火的工件应及时进行回火处理，当回火温度达600℃时，马氏体则发生分解，析出极细的渗碳体颗粒，从而使基体分解为索氏体组织，此时工件的强度和硬度有所下降，而塑性及韧性则显著提高。因此，可获得良好的综合力学性能，以适应制造要求强度较高，塑性及韧性也好的机械零件。

20钢900℃加热后正火处理（100×），组织是白色基体为铁素体等轴晶，黑色块状为片状珠光体。此为正火后的正常组织。

20钢950℃加热保温后水淬（500×）。组织是低碳马氏体，又称板条状马氏体，硬度为46～47HRC。低碳钢淬火后可得到板条状马氏体组织，它的特征是:尺寸大致相同的条状马氏体定向平行排列，组成马氏体束或马氏体区域，在区域与区域之间位向差较大，一颗原始的奥氏体晶粒内可以形成几个不同取向的区域。20钢通过加热后淬火、回火等处理，可以改善其力学性能和可加工性，以充分利用它的潜在性能，来制造强度和韧性要求较高的零部件

2.钢淬火后必须回火，按工件不同的性能要求进行不同类型回火。根据加热温度的高低可分为低温回火、中温回火和高温回火。

（1）低温回火：回火温度在250℃以下，回火转变的产物为回火马氏体，它与淬火马氏体的形态相同，呈针状。但易受侵蚀，所以颜色发暗。

（2）中温回火：回火温度350℃～500℃，其组织为回火屈氏体。它也是α+Fe3C的机械混合物。回火屈氏体中的Fe3C微粒是分布在保留马氏体位向的α上。

（3）高温回火：回火温度500℃～650℃，其组织为回火索氏体，在高倍放大下可以看到析出的Fe3C粒子分布在α基体上。

下图为不同回火工艺处理后的典型显微组织

三、实验步骤

1. 认真观察下列实验室准备的碳钢非平衡组织的样品：

1）45钢850℃炉冷；

2）45钢850℃空冷；

3）45钢850℃油冷；

4）45钢850℃水冷；

5）45钢760℃水冷；

6）45钢850℃水冷+200℃回火；

7）45钢850℃水冷+400℃回火；

8）45钢850℃水冷+600℃回火；

9）T10钢：球化退火；

10）T12钢：780℃水冷；

11）T12钢：1200℃水冷，过热组织；

12）T12钢：1200℃水冷+200℃回火；

13）20钢：1200℃水冷；

14）65Mn钢：等温淬火，上贝氏体；

15）65Mn钢：等温淬火，下贝氏体。

16）902（船用钢板）：910℃空冷，粒状贝氏体

2. 了解冷却速度对钢组织的影响，过共析钢淬火温度的选择。

3. 观察不同回火温度下的显微组织，了解回火时组织变化规律。

4. 选择典型钢种，绘画金相组织6个，并详细注解。

四、实验仪器及材料

1. 金相显微镜若干台；

2. 上述钢种的金相样品和图片；

3. 淬火钢金相试样若干。

五、实验报告要求

1. 明确实验目的，简述实验内容；

2. 描绘上述钢种的典型组织，并作出注解和说明；

3. 结合连续冷却曲线，试分析45钢四种不同冷速得到的各种组织（在C曲线上画出四个冷速曲线）

4.实验的体会和建议。