碳钢的热处理及非平衡组织观察
实验二 碳钢非平衡显微组织观察
实验二碳钢非平衡显微组织观察一、实验目的1. 观察和研究碳钢经不同形式热处理后显微组织的特点。
2. 研究和了解铁碳合金（碳钢）在非平衡状态下的显微组织形貌。
3. 了解热处理工艺对钢组织和性能的影响。
二、概述铁碳合金经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。
但碳钢在不平衡状态，即在快冷条件下的显镜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图—C曲线来确定。
图2-1为共析碳钢的C曲线图。
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，可以看出过冷奥氏体各种转变产物的组织形态各不相同。
共析碳钢过冷奥氏体在不同温度转变的组织特征及性能如表2-1所示。
表2-1 共析碳钢（T8）过冷奥氏体在不同温度转变的组织及性能图2-1 共析碳钢的C 曲线三、钢的退火的正火组织亚共析成分的碳钢（如40、45钢等）一般采用完全退火，经退火后可得到接近于平衡状态的组织，其组织特征已在实验一中加以分析和观察。
过共析成分的碳素工具钢（如T10、T12钢等）一般采用球化退火，T12钢经球化退火后组织中的二次渗碳体及珠光体中的渗碳体都将变成颗粒状，如图2-2所示。
图中均匀而分散的细小粒状组织就是粒状渗碳体。
45钢经正火后的组织通常要比退火的细，珠光体的相对含量也比退火组织中的多，如图2-3所示，原因在于正火的冷却速度稍大于退火的冷却速度。
图2-2 T12钢球化退火组织 图2-3 45钢正火后的组织四、钢的淬火组织将45钢加热到760℃（即1c A 以上，但低于3c A ），然后在水中冷却，这种淬火称为亚温淬火。
根据Fe-Fe 3C 相图可知，在这个温度加热，部分铁素体尚未溶入奥氏体中，经淬火后将得到马氏体和铁素体组织。
在金相显微镜中观察到的是呈暗色针状马氏体基底上分布有白色块状铁素体，如图2-4所示。
45钢经正常淬火后将获得细针状马氏体，如图2-5所示。
机械工程材料实验指导书 1
机械工程材料实验指导书动力与机械学院材料工程系目录实验一铁碳合金平衡组织显微分析------------------------------3 实验二钢的非平衡组织观察----------------------------------------8实验一铁碳合金平衡组织显微分析一、实验目的1. 熟悉碳钢在平衡状态下的显微组织2. 熟悉白口铸铁的显微组织3. 了解铁碳合金组织的变化规律二、原理概述由铁——碳相图可知铁碳合金的基本相为铁素体、奥氏体和渗碳体，而在室温下仅能看到两个相：铁素体和渗碳体。
各种碳钢和白口铁的组织均由这两个相组成。
铁素体、渗碳体、珠光体和莱氏体的显微组织特征（1）铁素体（F）碳在α—F e中的间隙固溶体，用4%硝酸酒精溶液浸蚀后呈白色，亚共析钢中铁素体一般呈块状分布；当含碳量接近于共析成分时，替我素体则呈断续的网状分布于珠光体周围。
（2）渗碳体（Fe3C）铁与碳形成的一种间隙化合物，其碳含量为6.69%，质硬而脆，经4%硝酸酒精溶液浸蚀后呈亮白色。
若用苦味酸钠溶液浸蚀后呈暗黑色，而铁素体仍为白色，由此可区别铁素体与渗碳体。
按照成份和形成条件的不同，渗碳体可以呈现不同的形态；一次渗碳体（初生相）是直接由液体中析出的，故在白口铸铁中呈粗大的条片状，二次渗碳体（次生相）是从奥氏体中析出的，通常呈不连续薄片状存在于铁素体晶界处，数量很少。
（3）珠光体（P）铁素体和渗碳体的机械混合物，铁素体与渗碳体相互混合交替排列形成的层片状组织，在高倍下能看清珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体，当放大倍数较低时由于显微镜的鉴别能力小于渗碳体片厚度，这时珠光体中的渗碳体就只能看到是一条黑线，珠光体在较低放大倍数下片层不能分辨，呈黑色。
高碳工具钢（过共析钢）经球化退火处理后还可以获得球状珠光体。
（4）莱氏体（L'd）在室温下是由共晶Fe3C珠光体及二次渗碳体所组成的机械混合物。
含碳量为4.3%的共晶白口铁，在1148℃时形成由奥氏体和渗碳体组成的共晶体，其中奥氏体冷却时析出二次渗碳体，并在727℃以下分解为珠光体。
金相实验报告(成分组织观察分析)
金相综合实验报告实验名称: 碳钢成分-工艺-组织-性能综合分析实验专业: 材料科学与工程班级: 材料11（1）指导老师：席生岐高圆小组组长: 仇程希小组成员：齐慧媛李敏朱婧王艳姿闫士琪陈长龙黄忠鹤郭晓波丁江蒋经国庞小通林乐二〇一四年四月三日一、实验目的1.了解碳钢热处理工艺操作；2.学会使用洛氏硬度计测量材料的硬度性能值；3.利用数码显微镜获取金相组织图像，掌握热处理后钢的金相组织分析方法；4.探讨淬火温度、淬火冷却速度、回火温度对45和T12钢的组织和性能（硬度）的影响；5.巩固课堂教学所学相关专业知识，体会材料的成分—工艺—组织—性能之间关系。
二、实验内容1.进行45和T12钢试样退火、正火、淬火、回火热处理，工艺规范参考相关资料；2.用洛氏硬度计测定试样热处理试样前后的硬度；3.制备所给表中样品的金相试样，观察并获取其显微组织图像；4.对照金相图谱，分析探讨本次实验可能得到的典型组织：片状珠光体、片状马氏体、板条状马氏体、回火马氏体、回火托氏体、回火索氏体等的金相特征。
三、实验原理热处理是一种很重要的金属加工工艺方法。
热处理的主要目的是改变钢的性能，热处理工艺的特点是将钢加热到一定温度，经一定时间保温，然后以某种速度冷却下来，从而达到改变钢的性能的目的。
研究非平衡热处理组织，主要是根据过冷奥氏体等温转变曲线来确定。
热处理之所以能使钢的性能发生显著变化，主要是由于钢的内部组织结构发生了的一系列的变化。
采用不同的热处理工艺，将会使钢得到不同的组织结构，从而获得所需要的性能。
钢的热处理基本工艺方法可分为退火、正火、淬火和回火等。
(一)碳钢热处理工艺1.加热温度亚共析钢加热温度一般为Ac3+30-50℃，过共析钢加热温度一般为Ac 1＋30-50℃（淬火）或Acm+50-100℃（正火）。
淬火后回火温度有三种，即：低温回火（150-250℃）、中温回火（350-500℃）、高温回火（500-650℃）。
钢的热处理操作及非平衡组织观察实验报告
1.观察表1中样品的显微组织。
表1 Fe-C合金非平衡组织观察样品状态
序号
材料
热处理工艺
放大倍数
浸蚀剂
组织及特征
1
45
840℃油冷（或空冷+水冷）
100×
3%HNO3酒精
网状T+Mᄰ×
3%HNO3酒精
M+A
3
T12
900℃水冷+200℃回火
400×
3%HNO3酒精
粗大针状M+A
4
45
840℃水冷+600℃回火
400×
3%HNO3酒精
S
5
T12
850℃炉冷（球化）
400×
3%HNO3酒精
粒状F + Cem
2.测量热处理前后材料的硬度，并作对比，分析。
钢的热处理操作及非平衡组织观察
一实验目的
1.初步掌握热处理的基本操作（退火、正火、淬火、回火）；
2.了解碳钢热处理后的基本组织；
3.了解含碳量、加热温度、冷却速度、回火温度对碳钢力学性能的影响。
二实验设备、仪器及材料
1.箱式电炉及控温仪表；
2.冷却剂：水、油；
3.试样：20钢、45钢、T12钢
4.洛式硬度计。
钢的热处理及其对组织和性能的影响
钢的热处理及其对组织和性能的影响一、实验目的1．熟悉钢的几种基本热处理操作（退火、正火、淬火及回火）；2．研究加热温度、冷却速度及回火温度等主要因素对碳钢热处理后性能的影响；3．观察和研究碳素钢经不同形式热处理后显微组织的特点；4．了解材料硬度的测定方法，学会正确使用硬度计。
二、实验概述钢的热处理就是利用钢在固态范围内的加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要的物理、化学、机械和工艺性能的一种操作。
普通热处理的基本操作有退火、正火、淬火、回火等。
加热温度、保温时间和冷却方式是热处理最重要的三个基本工艺因素。
正确合理选择这三者的工艺规范，是热处理质量的基本保证。
1.加热温度选择（1）退火加热温度一般亚共析钢加热至A C3＋(20～30)℃（完全退火）；共析钢和过共析钢加热至A C1＋(20～30)℃（球化退火），目的是得到球化体组织，降低硬度，改善高碳钢的切削性能，同时为最终热处理做好组织准备。
（2）正火加热温度一般亚共析钢加热至A C3＋(30～50)℃；过共析钢加热至A Cm＋(30～50)℃，即加热到奥氏体单相区。
退火和正火加热温度范围选择见图3-1。
图1 退火和正火的加热温度范围图2 淬火的加热温度范围（3）淬火加热温度一般亚共析钢加热至A C3＋(30～50)℃；共析钢和过共析钢则加热至A C1＋(30～50)℃，加热温度范围选择见图3-2。
淬火按加热温度可分为两种：加热温度高于A C3时的淬火为完全淬火；加热温度在A C1和A C3（亚共析钢）或A C1和A CCm（过共析钢）之间是不完全淬火。
在完全淬火时，钢的淬火组织主要是由马氏体组成；在不完全淬火时亚共析钢得到马氏体和铁素体组成的组织，过共析钢得到马氏体和渗碳体的组织。
亚共析钢用不完全淬火是不正常的，因为这样不能达到最高硬度。
而过共析钢采用不完全淬火则是正常的，这样可使钢获得最高的硬度和耐磨性。
在适宜的加热温度下，淬火后得到的马氏体呈细小的针状；若加热温度过高，其形成粗针状马氏体，使材料变脆甚至可能在钢中出现裂纹。
金相组织分析(碳钢的非平衡组织及常用金属材料显微组织观察)
实验三碳钢的非平衡组织及常用金属材料显微组织观察实验目的概述实验内容实验方法实验报告思考题一、实验目的1. 观察碳钢经不同热处理后的显微组织。
2. 熟悉碳钢几种典型热处理组织——M、T、S、M回火、T回火、S回火等组织的形态及特征。
3. 熟悉铸铁和几种常用合金钢、有色金属的显微组织。
4. 了解上述材料的组织特征、性能特点及其主要应用。
TOP二、概述1. 碳钢热处理后的显微组织碳钢经退火、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。
因此，研究热处理后的组织时，不仅要参考铁碳相图，而且更主要的是参考钢的等温转变曲线(C曲线)。
为了简便起见，用C曲线来分析共析钢过冷奥氏体在不同温度等温转变的组织及性能（见表3-1）。
在缓慢冷时(相当于炉冷，见图2-3中的V1)应得到100%的珠光体；当冷却速度增大到V2。
时(相当于空冷)，得到的是较细的珠光体，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；当冷却速度增大至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，瞬时转变成马氏体。
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。
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400～500X金相显微镜下可以观察到铁索体和渗碳体的片层状组织～20(HBl80～200)索氏体(S)600～650在800一]000X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25～35屈氏体(T)550～600用光学显微镜观察时呈黑色团状组织，只有在电子显徽镜(5000～15000X)下才能看出片层状35—40贝氏体型相变上贝氏体(B上)350～550在金相显微镜下呈暗灰色的羽毛状特征40—48下贝氏体(BT)230～350在金相显微镜下呈黑色针叶状特征48～58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(隐晶马氏体)，过热淬火时则呈粗大片状马氏体60～65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，当奥氏体缓慢冷却时(相当于炉冷，如图2-3中V1：)，转变产物接近平衡组织，即珠光体和铁素体。
实验四钢非平衡显微组织观察.
实验四碳钢非平衡显微组织观察一、实验目的1. 观察和研究碳钢经不同形式热处理后显微组织的特点。
2. 了解热处理工艺对钢组织和性能的影响。
二、概述表4-1 共析碳钢（T8）过冷奥氏体在不同温度转变的组织及性能铁碳合金经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，但碳钢在不平衡状态，即在快冷条件下的显镜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图——C曲线来确定。
图4-1为共析碳钢的C曲线图。
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，可以看出过冷奥氏体各种转变产物的组织形态各不相同。
共析碳钢过冷奥氏体在不同温度转变的组织特征及性能如表2-1所示。
图4-1 共析碳钢的C曲线三、钢的退火的正火组织亚共析成分的碳钢（如40、45钢等）一般采用完全退火，经退火后可得到接近于平衡状态的组织，其组织特征已在实验一中加以分析和观察。
过共析成分的碳素工具钢（如T10、T12钢等）一般采用球化退火，T12钢经球化退火后组织中的二次渗碳体及珠光体中的渗碳体都将变成颗粒状，如图2-2所示。
图中均匀而分散的细小粒状组织就是粒状渗碳体。
45钢经正火后的组织通常要比退火的细，珠光体的相对含量也比退火组织中的多，如图2-3所示，原因在于正火的冷却速度稍大于退火的冷却速度。
图4-2 T12钢球化退火组织图4-3 45钢经正火后的组织四、钢的淬火组织将45钢加热到760℃（即以上，但低于），然后在水中冷却，这种淬火称为不完全淬火。
根据Fe-Fe3C相图可知，在这个温度加热，部分铁素体尚未溶入奥氏体中，经淬火后将得到马氏体和铁素体组织。
在金相显微镜中观察到的是呈暗色针状马氏体基底上分布有白色块状铁素体，如图4-4所示。
45钢经正常淬火后将获得细针状马氏体，如图4-5所示。
由于马氏体针非常细小，在显微镜中不易分清。
若将淬火温度提高到1000℃（过热淬火），由于奥氏体晶粒的粗化，经淬火后将得到粗大针状马氏体组织，如图4-6所示。
实验三 常见钢铁材料的显微组织观察
6
图 3-14 铁素体+珠光体
图 3-15 珠光体+网状分布的铁素体
18CrNiMo 具有较高强度、韧性和淬透性，适宜制作具有一定强韧性的汽车变速箱齿轮
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 3-17 所示；因该钢具有良
好的淬透件，淬火后已经完全渗透，基体全为低碳马氏体，如图 3-18 所示。
高速钢淬火组织：淬火加热温度一般为 1260~1280℃，高温加热的目的是使较多的碳
化物溶解于奥氏体中，淬火后马氏体中合金元素含量高，回火后钢的硬度高且耐磨性好。淬
火采用油冷或空冷，其显微组织为马氏体＋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于晶粒内的未溶碳化物，淬火后的硬度
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，针与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 奥氏体晶粒加以分割，使以后形成的马氏体针的大小受到限制。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，并在马氏体周围有残留奥氏体。针状马氏体的硬度高而 韧性差。
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，在显微镜下呈黑色针状（见图 3-6）。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 55~60°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。它的形
约为 HRC61~62，见图 3-26 所示。
高速钢淬火后需经三次回火，其组织为回火马氏体、少量残余奥氏体，大块白色颗粒
碳钢的热处理操作(预习实验报告,材控／材料)
碳钢的热处理操作、非平衡组织观察及硬度测定一、实验目的1、了解碳钢的热处理操作；2、研究加热温度、冷却速度、回火温度对碳钢性能的影响；3、观察热处理后钢的组织及其变化；4、了解硬度计的原理，初步掌握洛氏硬度计的使用。
二、综合实验项目概述1．钢的热处理热处理是将钢加热到一定温度，经过一定时间的保温，然后以一定速度冷却下来的操作，通过这样的工艺过程钢的组织和性能将发生改变。
通常加热、保温的目的是为了得到成分均匀的细小的奥氏体晶粒，亚共析碳钢的完全退火、正火、淬火的加热温度范围是A C3+30~50℃，过共析钢的球化退火及淬火加热温度是A C1+30~50℃，过共析钢的正火温度是AC cm+30~50℃，保温时间根据钢种，工件尺寸大小，炉子加热类型等由经验公式决定。
碳钢的过冷奥氏体在Ac1~550℃范围内发生珠光体转变，形成片状铁素体和渗碳体的机械混合物。
依据片层厚薄的不同有粗片状珠光体（P），细片状珠光体——索氏体（S）和极细片状珠光体——屈氏体（T）之分。
硬度随片距的减小（转变温度的降低）而升高。
碳钢的过冷奥氏体在550~350℃之间发生贝氏体转变，生成由平行铁素体条和条间短杆状渗碳体构成的上贝氏体（B上）。
在光学显微镜下呈黑色羽毛状特征。
过冷奥氏体在350℃~Ms之间等温得到黑色针状的下贝氏体（B下），它是由针状铁素体和其上规则分布的细小片状碳化物组成。
过冷奥氏体以超过临界速度的快冷至Ms以下温度，将发生马氏体转变，生成碳在α-Fe中的过饱和固溶体——马氏体。
常见的有板条马氏体（碳<0.2%）、针（片）状（碳>1.0%）马氏体以及由它们构成的混合组织（碳为0.2%~1.0%）。
随转变温度的降低钢的硬度升高。
普通热处理分为退火、正火、淬火和回火。
钢加热到一定温度保温后缓慢冷却（通常随炉冷却）至500℃以下空冷叫退火，得到接近平衡态的组织。
奥氏体化的钢在空气中冷却叫正火，得到先共析钢铁素体（或渗碳体）加伪珠光体。
钢的热处理原理 (2)
钢的热处理原理9-1概述一、热处理的作用热处理是将钢在固态下加热到预定温度，并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却下来的一种热加工工艺。
其目的是改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能。
通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。
热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省材料和能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命，做到一个顶几个、顶几十个。
恰当的热处理工艺可以消除铸、锻、焊等热加工工艺造成的各种缺陷，细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使钢的组织和性能更加均匀。
++热处理也是机器零件加工工艺过程中的重要工序。
此外，通过热处理还可以使工件表面具有抗磨损、耐腐蚀等特殊物理化学性能。
二、热处理和相图原则上只有在加热或冷却时发生溶解度显著变化或者发生类似纯铁的同素异构转变，即有固态相变发生的合金才能进行热处理。
纯金属、某些单相合金等不能用热处理强化，只能采用加工硬化的方法。
现以Fe- FeC相图为例进3一步说明钢的固态转变。
共析钢加热至Fe- FeC相3图PSK线（A线）以上全部转1 变为奥氏体；亚、过共析钢则必须加热到GS线（A线）和ES3 线（A线）以上才能获得单相cm 奥氏体。
钢从奥氏体状态缓慢冷却至A线以下，将发生共析转1 变，形成珠光体。
而在通过A3线或A线时，则分别从奥氏体cm中析出过剩相铁素体和渗碳体。
但是铁碳相图反映的是热力学上近于平衡时铁碳合金的组织状态与温度及合金成分之间的关系。
A线、A线和A13cm线是钢在缓慢加热和冷却过程中组织转变的临界点。
实际上，钢进行热处理时其组织转变并不按铁碳相图上所示的平衡温、Ac、Ac；而把冷却时的实际临界温度标以字13cm度进行，通常都有不同程度的滞后现象。
即实际转变温度要偏离平衡的临界温度。
加热或冷母“r”，如Ar、Ar、Ar等。
却速度越快，则滞后现象越严重。
图9-3表示钢加热和冷却速度对碳钢临界温度的影响。
铁碳合金显微组织的观察及分析 实验指导书
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。
材料科学实验-非平衡组织观察分析实验小报告
非平衡组织观察分析实验小报告
实验目的：
1. 了解钢的热处理工艺：退火、正火、淬火、回火；
2. 了解加热温度、冷却速度、回火温度等主要因素对热处理后组织的影响；
3. 观察分析碳钢热处理后的显微组织。
实验内容：
观察分析碳钢热处理后的显微组织，并采集图像、添加标尺。
实验结果：
45钢860°C气冷索氏体+铁素体
组织特征：细小黑色片层状索氏体和白色的铁素体镶嵌分布
45钢860°C油淬马氏体+屈氏体
组织特征：针状马氏体晶粒呈块状，晶界处夹杂黑色的片层状屈氏体45钢860°C水淬马氏体
组织特征：马氏体呈黑色针状
45钢860°C水淬+600°C回火回火索氏体
组织特征：片层的白色铁素体与渗碳体（被腐蚀呈黑色）的双相混合组织T12钢760°C球化退火马氏体+二次渗碳体+残余奥氏体
组织特征：黑色针状马氏体上均匀分布的球状白色碳化物的组织
T12钢780°C水淬+200°C回火球化体
组织特征：层片状珠光体上均匀镶嵌球状的白色渗碳体T12钢1100°C水淬马氏体+残余奥氏体
组织特征：黑色羽毛状。
碳钢热处理后的显微组织观察与分析
碳钢热处理后的显微组织观察与分析实验目的实验说明实验内容实验方法指导实验报告要求思考题一：实验目的(1)观察和研究碳钢经不同形式热处理后显微组织的特点。
(2)了解热处理工艺对碳钢硬度的影响。
二：实验说明碳钢经热处理后的组织可以是接近平衡状态(如退火、正火)的组织，也可以是不平衡组织(如淬火组织)。
因此在研究热处理后的组织时，不但要用铁碳相图，还要用钢的C曲线来分析。
图1为共析碳钢的C曲线，图2为45钢连续冷却的CCT曲线。
图1 共析碳钢的c曲线图2 45钢的CCT曲线C曲线能说明在不同冷却条件下过冷奥氏体在不同温度范围内发生不同类型的转变过程及能得到哪些组织。
1．碳钢的退火和正火组织亚共析碳钢(如40、45钢等)一般采用完全退火，经退火后可得接近于平衡状态的组织，其组织形态特征已在实验l中加以分析和观察(图3)过共析碳素工具钢(如T10、T12钢等)则采用球化退火，T12钢经球化退火后，组织中的二次渗碳体和珠光体中的渗碳体都呈球状(或粒状)，图中均匀分散的细小粒状组织就是粒状渗碳体。
2．钢的淬火组织含碳质量分数相当于亚共析成分的奥氏体淬火后得到马氏体。
马氏体组织为板条状或针状，20钢经淬火后将得到板条状马氏体。
在光学显微镜下，其形态呈现为一束束相互平行的细条状马氏体群。
在一个奥氏体晶粒内可有几束不同取向的马氏体群，每束条与条之间以小角度晶界分开，束与束之间具有较大的位向差，如图4所示。
图3 T12 钢球化退火组织图4 低碳马氏体组织45钢经正常淬火后将得到细针状马氏体和板条状马氏体的混合组织，如图5所示。
由于马氏体针非常细小，故在显微镜下不易分清。
45钢加热至860℃后油淬，得到的组织将是马氏体和部分托氏体(或混有少量的上贝氏体)，如图6所示。
碳质量分数相当于共析成分的奥氏体等温淬火后得到贝氏体，如T8钢在550~350℃及350℃~ Ms温度范围内等温淬火，过冷奥氏体将分别转变为上贝氏体和下贝氏体。
碳钢的热处理及非平衡组织观察
碳钢的热处理及非平衡组织观察碳钢是指含有0.02%至2.11%碳的铁碳合金，是最常见的钢材之一、热处理是通过加热和冷却等工艺来改变材料的物理和力学性能的过程。
在碳钢的热处理中，常见的工艺包括退火、正火、淬火和回火等，各个工艺对应的非平衡组织观察也有所不同。
首先是退火工艺。
退火是将钢材加热到一定温度，然后缓慢冷却的过程。
通过退火处理，碳钢中的过饱和固溶体会形成晶粒，同时还能消除应力和负的显微组织。
在退火过程中，可以观察到一些非平衡组织。
例如，在较高温度下（通常在固溶体区域内），钢材中的过饱和固溶体形成的亚结构可以通过电子显微镜进行观察。
此外，通过退火处理，钢材中的非均匀位错分布和析出相等也可以被观察到。
其次是正火工艺。
正火是将钢材加热到一定温度，然后用适当速度冷却的过程。
正火处理在提高材料硬度和强度方面非常有效。
在正火过程中，可以观察到非平衡组织的形成。
例如，在冷却速率较高的情况下，钢材中会形成马氏体，在金相显微镜下可以观察到马氏体的形貌和分布。
此外，正火处理还可以导致一些晶体缺陷的形成，如晶界偏析、位错堆积等，这些缺陷可以通过电子显微镜和X射线衍射来观察。
然后是淬火工艺。
淬火是将钢材加热至临界温度以上，然后迅速冷却的过程。
淬火处理可以获得高硬度和高强度的钢材。
在淬火过程中，可以观察到许多非平衡组织。
例如，在冷却速率非常快的情况下，钢材中的奥氏体会发生相变，形成马氏体。
在金相显微镜下，可以观察到马氏体的形貌和分布，并通过衍射技术来分析其结构。
最后是回火工艺。
回火是将淬火后的钢材再次加热至较低温度，然后适当冷却的过程。
回火处理可以改善淬火后的钢材的韧性和稳定性。
在回火过程中，可以观察到一些非平衡组织的形成和变化。
例如，在回火温度较高的情况下，马氏体会开始分解，形成回火马氏体和残留奥氏体。
通过金相显微镜和衍射技术，可以观察到这些非平衡组织的形貌和分布，并进一步分析其对材料性能的影响。
综上所述，碳钢的热处理对材料的物理和力学性能具有显著的影响。
金属材料的显微组织观察
有色金属：铜合金
黄铜为Cu-Zn合金，常用的黄铜为α单相黄铜和α+β两相黄铜。
α相
β相
α+β两相黄铜：含锌量为 39%～45%的黄铜为α+β两相 黄铜，典型牌号有H62（即 四六黄铜）。在室温下β相 较α相硬得多，因而可用于 承受较大载荷的零件。α+β 两相黄铜可在600℃以上进 行热加工。α+β两相黄铜显 微组织：α为亮白色的固溶 体，β是CuZn为基的有序固 溶体
有色金属：铝合金
有色金属：铝合金
属二元铝-硅合金，又名硅铝明体α相
（α+Si）共晶体
未变质处理
已变质处理
图14-1 ZL102合金为未变质的显微组织
图14-2 ZL102合金为变质的显微组织
Al-Si合金变质前后的铸态组织
有色金属：铜合金
相图下部自左至右分别有αβγδεη 六个单相区，这六个相都是固相， 其中α向η相是固溶体，βγδε都是 金属化合物。液相和固相，固相 和固相之间是两相区，合金在这 些区域是两相共存。液相区的下 界限相当于不同成分合金的凝固 点，或者熔点，可以看出，液相 区的下界限从左到右逐渐降低， 也就是说，合金的含锌量越多， 合金的凝固点越低。此外，液相 区下面存在着几个液相和固相共 存的区域，也就是说，合金的凝 固不是恒温进行，结晶过程是在 一个温度范围内进行的，固—液 两相共存区域的垂直距离越大， 合金结晶的温度范围越大，这种 合金在结晶石的流动性就差一些。
45
碳钢热处理组织
钢 调 质 处 理
调质处理后，组织为均匀细小的保持马氏体位向的回火索氏体。45钢调质后的组织形 态首先取决于淬火组织（当然淬前原始组织也有影响）。因加热不足而残留在马氏体 组织中的块状铁素体，或因冷却不足而在马氏体晶界区形成的网状铁素体，均会保留 到高温回火后的索氏体组织中。同时，淬火马氏体的粗细直接影响索氏体的粗细。
碳钢的热处理
奥氏体的形成过程
（三）奥氏体晶粒大小及其控制 1.奥氏体晶粒大小
一般根据标准晶粒度等级图确定钢的 奥氏体晶粒大小。标准晶粒度等级分为8 级，1～4级为粗晶粒度，5～8级为细晶粒 度。
五、影响奥氏体形成速度的因素
1、加热温度的影响
加热温度是影响奥氏体形成速度的主要因素。加
热温度越高，转变孕育期和完成转变的时间越
§5.2 钢在冷却时的组织转变
碳钢热处理时的冷却速度一般较大，大多 都偏离了平衡状态（除退火外），所以热 处理后的组织为非平衡组织。碳钢非平衡 组织和按铁碳相图结晶得到的平衡组织相 比差别很大。所以不能再用铁碳相图加以 分析，而应使用C曲线来确定。
共析钢过冷A的等温转变曲线图
2.过冷奥氏体的等温转变产物组织和性能
概 述
热处理：将钢在固态下加热到预定
的温度，保温一定的时间，然后以预
定的方式冷却，以获得需要的组织结 构与性能的一种热加工工艺。
概 述
热处理的过程：任何热处
理都要经过加热、保温和冷 却三个过程，它可以用热处 理工艺曲线表示。 因此，加热温度，保温时 间，冷却速度就成为热处理 工艺的三大要素。
短。
2、原始组织的影响
钢的原始组织越细，则奥氏体的形成速度越快。
碳钢热处理后的组织(金相分析)
碳钢热处理后的组织(金相分析)碳钢热处理后的组织（金相分析）发布时间：2009-5-30 13:46:34 关闭该页一、概述碳钢经退火、正火可得到平衡或接近平衡组织，经淬火得到的是非平衡组织。
因此，研究热处理后的组织时，不仅要参考铁碳相图，而且更主要的是参考钢的等温转变曲线（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。
在一定的程度上可用C曲线，也能够估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1中。
2、共析钢连续冷却时的显微组织为了简便起见，不用CCT曲线，而用C曲线（图1）来分析。
例如共析钢奥氏体，在慢冷时体。
当冷却速度为v4时，析出很少量的网状铁素体和屈氏体（有时可见到少量贝氏体），奥氏体则主要转变为马氏体和屈氏体（如图3）；当冷却速度v5超过临界冷却速度时，钢全部转变为马氏体组织（如图6，图7）。
过共析钢的转变与亚共析钢相似，不同之处是后者先析出的是铁素体，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）托氏体（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3）；图3 托氏体＋马氏体图4 上贝氏体＋马氏体（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。
钢在加热时的转变
钢在冷却时的转变冷却是热处理的最后一个工序，也是最关键的工序，它决定了钢热处理后的组织和性能。
同一种钢，加热温度和保温 时间相同，冷却方法不同，热处理后的性能截然不同。
这是因为过冷奥氏体在冷却过程中转变成了不同的产物。
那么奥氏 体在冷却时转变成什么产物？有什么规律呢？这就是本次课的主要内容。
碳钢热处理时的冷却速度一般较大，大多都偏离了平衡状态（除退火外） ，所以热处理后的组织为非平衡组织。
碳钢 非平衡组织和按铁碳相图结晶得到的平衡组织相比差别很大。
所以不能再用铁碳相图加以分析，而应使用 C 曲线来确定。
一、 共析钢等温转变 C 曲线先介绍几个概念。
等温冷却和连续冷却；过冷奥氏体：处于 A1以下热力学不稳定的奥氏体，而奥氏体在 A1以上是稳定的，不会发生转变。
所以等温转变 C 曲线讲的就是过冷奥氏体在等温冷却条件下的转变规律。
（一） 、等温 C 曲线的测定（略）（二） 、等温 C 曲线的结构坐标轴、线、区的含义；孕育期的问题，引出 C 曲线的“NOSE”，共析钢过冷奥氏体最不稳定的温度是550℃，也就是说其“NOSE”出现在 550℃。
C 曲线的“NOSE”对钢的热处理影响很大，应注意。
（三） 、转变产物按照不同的冷却条件，过冷奥氏体在不同的温度范围内等温时将转变成不同的产物。
1、 珠光体类型转变在 A1--550℃之间等温时，过冷奥氏体转变成珠光体类型组织（即都是由 F 和 Fe3C 组成 ） ，而且等温温度越低， 组织中 F 和 Fe3C 的层片间距越小，组织越细，力学性能越高。
这些组织分别称为珠光体、索氏体和屈氏体，用符号 P、 S、T 表示。
其中 S 只有在1000倍的显微镜下才能分辨出其层片状形态；而 T 则只有在更高倍的电子显微镜下才能分辨 出其层片状形态。
这个转变是一个扩散型相变，需要完成铁的晶格改组和碳原子的重新分布。
2、 贝氏体转变在550℃--Ms 之间等温时，过冷奥氏体发生贝氏体转变。
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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。