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 回火、T 回火、S 回火等的形态及特征。
4、观察和分析常用碳钢以及几种合金钢（45、T12、20、GCr15、W18Cr4V 、1Cr18CrNi9Ti 、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，以及它们的主要应用。
二、概述（一）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，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各相的相对含量，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）来进行分析。
例如共析钢奥氏体，在慢冷时（相当于炉冷，见图3-1中的v 1）应得到100％的珠光体；当冷却速度增大到v 2时（相当于空冷），得到的是较细的珠光体，即索氏体或图3-1 共析钢的C 曲线，得到的为屈氏体和马氏体；当冷却速度增屈氏体；当冷却速度增大到v 3时（相当于油冷），很大的过冷度使奥氏体骤冷到马氏体转变开始点（Ms ）后，瞬时大至v 4时（相当于水冷）转变成马氏体。
其中与C 曲线鼻尖相切的冷却速度（v k ）称为淬火的临界冷却速度。
表3-1 共析钢过冷奥氏体在不同温度等温转变的组织及性能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，如图3-2所示。
当奥氏体缓慢冷却时（相当于炉冷，，转变产物接近平衡组织，如图3-2中v 1）即珠光体和铁素体。
随着冷却速度的增大，即v 3＞v 2＞v 1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 2的组织为铁素体十索氏体；v 3的组织为铁图3-2 亚共析钢的C 曲线素体十屈氏体；当冷却速度为v 4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3-4）；当冷却速度v s 超过临界冷却速度时，钢全部转变为马氏体组织（如图3-7、3-8）。
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（见图3-3）。
图3-3 索氏体图3-4 屈氏体+马氏体（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3-4）。
（3）贝氏体（B ）为奥氏体的中温转变产物，它也是铁索体与渗碳体的两相混合物。
在显微形态上，主要有以下三种形态：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。
当转变量不多时，在光学显微镜下为成束的铁素体条向奥氏体晶内伸展，具有羽毛状特征。
在电镜下，铁素体以几度到十几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）。
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。
它的形成温度范围大致在上贝氏体转交温度区的上部，由铁素体和它所包围的小岛状组织所组成。
图3-5 上贝氏体+板条状马氏体+少量网状铁素体图3-6 下贝氏体（4）马氏体（M ）是碳在α-Fe 中的过饱和固溶体。
马氏体的形态按含碳量主要分两种，即板条状和针状(见图3-7、3-8所示。
图3-7 板条状马氏体图3-8 针状马氏体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同的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。
图3-7是20钢950℃加热保温后水淬的金相图谱。
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。
（5）残余奥氏体（A 残）是含碳量大于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3-9为针状马氏体以及大量的残余奥氏体。
图3-10为50钢油冷淬火（830℃加热），其组织为马氏体+少量残余奥氏体。
图3-9 针状马氏体+残余奥氏体图3-10 马氏体+粒状渗碳体+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（150~250℃）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3-11所示）。
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（350~500℃）组织。
回火屈氏体是铁索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一定的韧性。
图3-11 回火马氏体图3-12 回火屈氏体C ．回火索氏体是高温回火（500~650℃）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。
图3-13为保持马氏体位向分布的较粗回火索氏体。
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硬度下具有较高的塑性与韧性。
图3-13 回火索氏体（二）几种常用合金钢的显微组织合金钢根据合金元素含量的不同，可分为三种：合金元素总量＜5%的称为低合金钢；合金元素为5％~10％的称为中合金钢；合金元素＞10％的称为高合金钢。
一般合金结构钢、合金工具钢都是低合金钢。
由于合金元素的加入，使铁碳相图发生一些变化，但其平衡状态的显微组织与碳钢没有本质的区别。
低合金钢热处理后的显微组织与碳钢没有根本的不同，差别只在于合金元素加入后，使C 曲线右移（Co 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，都为回火索氏体。
GCrl5钢840℃油淬、低温回火后的显微组织，与T12钢780℃水淬、低温回火后的显微组织也基本一样，皆为回火马氏体和碳化物。
合金钢种类繁多，本讲义仅选择几种常用的典型钢号进行观察和分析。
1．合金结构钢A ．渗碳钢 20CrNi钢用于制造要求较高强度和韧性的零件。
也可进行渗碳处理制作齿轮。
其退火组织为铁素体＋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，用于制造曲轴、汽车后桥半轴等。
退火处理后为珠光体＋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3-16所示。
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。
图3-16 淬火马氏体图3-17 铁素体+珠光体图3-18 马氏体图3-19 回火马氏体+碳化物颗粒C ．轴承钢常用钢号为GCrl5。
经淬油后低温回火为回火马氏体和未溶解的碳化物颗粒，如图3-19所示。
图3-20 球化珠光体图3-21 回火托氏体+极少量铁素体颗粒D ．弹簧钢65Mn ，为含锰量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880℃淬火处理后经过480~520℃中温回火组织，基体为回火托氏体，其上有极少量铁素体颗粒。
2．合金工具钢A ．低合金工具钢以9CrSi 为例，840℃加热保温后油冷淬火后180℃低温回火，其组织为极细的回火针状马氏体和未溶的碳化物，如图3-22所示。
B ．高合金工具钢以Crl2MoV 为例，经1020℃加热保温后油冷淬火，180℃回火，其组织为回火马氏体和少量残余奥氏体，白色大块状为共晶碳化物，细小颗粒为二次碳化物。
如图3-23所示。
Crl2MoV 淬火后又经520℃保温1h ，回火4次，其组织为回火马氏体和少量残余奥氏体，白色大块状为共晶碳化物，细小颗粒为二次碳化物，如图3-24所示。
图3-22 回火马氏体+碳化物图3-23 隐针马氏体+碳化物+残留奥氏体图3-24 回火马氏体+少量残余奥氏+碳化物图3-25 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合金工具钢，例如W18Cr4V。
因为它含有大量合金元素，使铁碳相图中的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。
高速钢在铸造状态下与亚共晶白口铸铁的组织相似。
