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。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片层状组织，当转变量不多时，在光学显微镜下可看到成束的铁素体在奥氏体晶界内伸展，具有羽毛状特性，如图7所示。

图5 45钢正常淬火组织 图6 45钢油淬组织 图7 上贝氏体组织特征

下贝氏体是在片状铁素体内部沉淀有碳化物的组织。由于易受浸蚀，所以在显微镜下呈黑色针状特征，如图8所示。

在观察上、下贝氏体组织时，应注意为显示贝氏体组织形态，试样的处理条件一般是在等温度下保持不长的时间后即在水中冷却，因此只形成部分贝氏体，显微组织中呈白亮色的基体部分为淬火马氏体组织。

含碳质量分数相当于过共析成分的奥氏体淬火后除得到针状马氏体外，还有较多的残余奥氏体。T12碳钢在正常温度淬火后将得到细小针状马氏体加部分未溶人奥氏体中的球形渗碳体和少量残余奥氏体，如图4．9所示。但是当把此钢加热到较高温度淬火时，显微镜组织中出现粗大针状马氏体，并在马氏体针之间看到亮白色的残余奥氏体，如图10所示。

图8 下贝氏体组织特征 图9 T12钢正常淬火组织 图10 T12钢1000

℃油淬组

织

3. 碳钢回火后的组织

淬火钢经不同温度回火后所得到的组织不同，通常按组织特征分为一下三种。

(1)回火马氏体。淬火钢经低温回火(150~250℃),马氏体内脱溶沉淀析出高度弥散的碳化物质点，这种组织成为回火马氏体。回火马氏体仍保持针状特征，但容易浸蚀，故颜色比淬火马氏体深些，是暗黑色的针状组织，如图11所示。回火马氏体具有高的强度和硬度，而韧性和塑性叫淬火马氏体有明显改善。

(2)回火托氏体。淬火钢经中温回火(350~500℃) 得到在铁素体基体中弥散分布着微小状渗碳体的组织，称为回火托氏体。回火托氏体中的铁素体仍然基本保持原来针状马氏体的形态，渗碳体则呈细小的颗粒状，在光学显微镜下不易分辨清楚，故呈暗黑色，如图12所示。回火托氏体有较好的强度、硬度、韧性和很好的弹性。

(3)回火索氏体。淬火钢高温回火(500~650℃)得到的组织称为回火索氏体，其特征是已经聚集长大了的渗碳体颗粒均匀分布在铁素体基体上。回火索氏体中的铁素体已不呈针状形态而呈等轴状，如图13所示。回火索氏体具有强度、韧性和塑性较好的综合机械性能。

图11 回火马氏体组织 图12 回火托氏体组织 图13 回火索氏体组织

三：实验内容 典型牌号碳钢经不同热处理后的状态如表1所示

四：实验方法指导

(1)领取一套金相试样，在金相显微镜下观察。观察时要根据Fe—Fe3C相图和钢的C曲线来分析确定不同热处理条下各种组织的形成原因。

(2)对于经过不同热处理后的组织，要采用对比的方式进行分析研究，例如，退火与正火、水淬与油淬、淬火马氏体与回火马氏体等。

(3)画出所观察到的、指定的几种典型显微组织形态特征，并注明组织名称、热处理条件及放大倍数等。

(4)在了解洛氏硬度计的构造及操作方法之后，测定45钢经不同热处理后的硬度，并记录所测得的硬度数据。

五：实验报告要求

(1)写出实验目的。

(2)运用铁碳相图及相应钢种的C曲线，根据具体的热处理条件分析所得组织及特征，并画出所观察试样的显微组织示意图。

(3)列出全部硬度测定数据，分析冷却方法及回火温度对碳钢性能(硬度)的影响，画出回火温度同硬度的关系曲线，并阐明硬度变化的原因。

六：思考题

(1)45钢淬火后硬度不足，如何用金相分析来判定是淬火加热温度不足还是令却速度不够？

(2)45钢调质处理得道的组织和T12球化退火得到的组织在本质、形态、性能和用途上有何差异？

(3)指出下列工件的淬火及回火温度，并说明回火后多获得的组织。

①45钢的小轴②60钢的弹簧③T12钢的锉刀