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碳钢热处理后的组织和性能变化的分析实验一、实验目的1、观察和研究碳钢经不同形式热处理后其显微组织的特点。
2、了解热处理工艺对钢组织和性能的影响。
3、了解硬度测定的基本原理及应用范围。
4、了解洛氏硬度试验机的主要结构及操作方法。
5、掌握金属显微试样的制作过程，正确地制作所要观察的试件。
二、实验内容1、制作经热处理后的试样，完成打磨、刨光、浸蚀的所有制作步骤。
2、热处理后的试件进行硬度测试。
3、热处理后的试样进行组织观察分析和比较。
三、实验设备的使用和注意事项（一）硬度计的原理、使用和注意事项金属的硬度可以认为是金属材料表面在接触应力作用下的抵抗塑性变形的一种能力。
硬度测量能够验出金属材料软硬程度的数量概念。
由于在金属表面以下不同深处材料所承受的应力和所发生的变形程度不同，因而硬度值可以综合地反映压痕附近局部体积内金属的弹性、微量塑变抗力、塑变强化能力以及大量形变抗力。
硬度值越高，表明金属抵抗塑性变形能力越大，材料产生塑性变形就越困难。
另外，硬度与其它机械性能（如强度指标σb及塑性指标ψ和δ）之间有着一定的内在联系，所以从某种意义上说硬度的大小对于机械零件或工具的使用性能及寿命具有决定性意义。
硬度的试验方法很多，在机械工业中广泛采用压入法来测定硬度。
压入法硬度试验的主要特点是：（1）试验时应力状态最软（即最大切应力远远大于最大正应力），因而不论是塑性材料还是脆性材料均能发生塑性变形。
（2）金属的硬度与强度指标之间存在如下近似关系：σb=K·HB式中：σb——材料的抗拉强度值HB——布氏硬度值K——系数退火状态的碳钢K=0.34~0.36合金调质钢K=0.33~0.35有色金属合金K=0.33~0.53（3）硬度值对材料的耐磨性、疲劳强度等性能也有定性的参考价值，通常硬度高，这些性能也就好。
在机械零件设计图纸上对机械性能的技术要求，往往只标注硬度值，其原因就在于此。
（4）硬度测定后由于仅在金属表面局部体积内产生很小压痕，并不损坏零件，因而适合于成品检验。
碳钢的热处理的实验报告碳钢的热处理实验报告引言碳钢是一种重要的结构材料，在工业领域中广泛应用。
热处理是改变碳钢组织和性能的有效方法之一。
本实验旨在通过热处理过程，了解碳钢的相变规律和性能变化，并探讨不同热处理工艺对碳钢性能的影响。
实验方法1. 实验材料：选取C45碳钢作为实验材料，其化学成分为0.45%碳、0.7%锰、0.4%硅、0.02%硫、0.035%磷、残余铁。
初始状态为退火状态。
2. 实验设备：炉子、测温仪、冷却介质等。
3. 实验步骤：a. 预热：将碳钢试样放入炉中，进行均匀加热，使试样达到所需温度。
b. 保温：将试样保持在所需温度下一定时间，使其达到热平衡。
c. 冷却：将试样迅速冷却至室温，可采用水淬、油淬等不同冷却介质。
d. 测量：对不同处理后的试样进行金相显微镜观察和硬度测试。
实验结果与讨论1. 相变规律观察：经过不同热处理工艺后，通过金相显微镜观察发现，碳钢的组织发生了明显变化。
在退火状态下，试样的组织为珠光体和铁素体的混合组织。
经过淬火处理后，试样的组织转变为马氏体。
而经过回火处理后，试样的组织由马氏体转变为珠光体和少量的渗碳体。
这些变化表明热处理工艺对碳钢的组织结构具有显著影响。
2. 硬度测试结果：通过硬度测试，可以评估不同热处理工艺对碳钢硬度的影响。
结果显示，经过淬火处理后，试样的硬度明显提高，达到最大值。
而经过回火处理后，试样的硬度有所降低，但仍高于退火状态。
这说明淬火处理可以显著提高碳钢的硬度，而回火处理则可使其硬度适度下降，同时提高韧性。
3. 性能变化分析：通过对实验结果的分析，可以得出以下结论：a. 淬火处理可以显著提高碳钢的硬度，但会降低其韧性。
适当的回火处理可以在保持一定硬度的同时，提高碳钢的韧性。
b. 不同热处理工艺对碳钢的组织结构有着明显的影响。
珠光体、铁素体、马氏体和渗碳体的相变规律决定了碳钢的性能特点。
c. 热处理工艺的选择应根据具体应用需求，平衡碳钢的硬度和韧性，以满足不同工程要求。
碳钢热处理实验报告一、引言碳钢是一种常用的材料，在许多领域都有着广泛的应用。
而碳钢热处理是一种常见的工艺，通过控制材料的加热和冷却过程，可以改变碳钢的组织结构和性能，从而达到满足不同工作条件的要求。
本文将重点讨论碳钢的热处理实验结果及其对物理性能的影响。
二、实验目的本次实验的目的是通过热处理工艺，对碳钢进行淬火、回火和正火处理，观察不同处理方式对材料硬度、韧性和耐磨性等性能的影响。
三、实验过程1. 样品制备：选择相同尺寸的碳钢样品，确保实验条件的统一，并进行必要的打磨和清洁工作。
2. 淬火处理：将样品加热到适当的温度，保持一定时间后，迅速进行冷却。
采用水冷淬火和油冷淬火两种方式，分别标记为样品A和样品B。
3. 回火处理：将样品A和样品B分别加热至适当温度，保持一定时间后，进行缓慢冷却。
回火处理的温度和时间根据材料的要求进行选择。
4. 正火处理：将样品A和样品B分别加热至适当温度，保持一定时间后，迅速进行冷却。
正火处理温度较低，时间较短，用于提高材料的韧性。
四、实验结果与分析1. 硬度测试：在实验结束后，对样品进行硬度测试。
通过布氏硬度计测量不同处理后的样品硬度，并进行对比分析。
结果显示，样品A（水冷淬火）具有较高的硬度，而样品B（油冷淬火）较之较低。
这是因为水冷淬火速度更快，导致了碳钢中的碳元素无法充分沉淀，从而提高了材料的硬度。
2. 韧性测试：通过冲击试验，对不同热处理后的样品进行韧性测试。
结果表明，经过回火处理的样品A在韧性方面表现较好，而样品B则因油冷淬火导致较高的硬度，韧性稍差。
这是因为回火处理可改善材料的韧性，通过减少残留应力的方式使其更加柔韧。
3. 耐磨性测试：通过摩擦磨损实验，对不同热处理后的样品进行表面耐磨性测试。
结果显示，样品A（河注淬火）的表面硬度较高，因此具有较好的耐磨性能；而样品B（油冷淬火）的耐磨性相对较差。
这是因为样品A经过淬火处理后，碳元素沉淀在晶界和析出物中，使得材料表面更加坚硬，具有较好的耐磨性。
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。
实验4：碳钢的热处理操作、组织观察及硬度测定综合实验一、实验目的1. 了解硬度计的原理、初步掌握布氏、洛氏硬度计的使用；2. 了解碳钢的热处理工艺操作；3. 研究碳钢加热温度、冷却速度、回火温度对钢性能的影响；4. 观察热处理后的组织及其变化。
二、实验内容1．按表1中的热处理工艺进行操作，并对热处理后的各样品进行硬度测定，将硬度值填入表1中。
注：保温时间可按1分钟/每毫米直径计算；回火保温时间均为30分钟，然后取出空冷。
12. 观察下列表2热处理后的金相试样，并画出组织示意图。
三、实验原理（一）硬度计的原理1．洛氏硬度洛氏硬度是以顶角为120°的金刚石圆锥体（或直径为Φ1.588㎜的淬火钢球）作压头，以规定的试验力使其压入试样表面。
试验时，先加初试验力，然后加主试验力。
压入试样表面之后卸除主试验力，在保留初试验力的情况下，根据试样表面压痕深度，确定被测金属材料的洛氏硬度值。
洛氏硬度值由h的大小确定，压入深度h越大，硬度越低；反之，则硬度越高。
一般说来，按照人们习惯上的概念，数值越大，硬度越高。
因此采用一个常数c减去h来表示硬度的高低。
并用每0.002mm的压痕深度为一个硬度单位。
由此获得的硬度值称为洛氏硬度值，用符号HR表示。
由此获得的洛氏硬度值HR 为一无名数，试验时一般由试验机指示器上直接读出。
洛氏硬度的三种标尺中，以HRC应用最多，一般经淬火处理的钢或工具都采用HRC测量。
在中等硬度情况下，洛氏硬度HRC与布氏硬度HBS之间关系约为1：10，如40HRC 相当于400HBS 。
如50HRC，表示用HRC标尺测定的洛氏硬度值为50。
硬度值应在有效测量范围内（HRC为20－70）为有效。
2．布氏硬度布氏硬度是以一定的试验力如：187.5kg\250kg\3000kg等载荷把用一定直径的钢球或硬质合金球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与压痕面积之比值，即为布氏硬度值（HBS\HBW），单位为N/mm2。
碳钢的热处理后组织观察碳钢是一种含碳量较高的合金钢，主要成分是铁和碳。
它具有优良的可加工性、强度和耐磨性。
碳钢经过热处理后，能够改变其组织和性能，使其满足不同应用的要求。
热处理是通过加热和冷却的方式，改变钢材的组织和性能。
碳钢的热处理包括退火、正火、淬火和回火等过程。
首先是碳钢的退火处理。
退火是将钢材加热到一定温度，然后在适当的条件下进行冷却，以达到使钢材组织中的晶粒细化和均匀化的目的。
退火后的碳钢，晶粒尺寸减小，晶界的清晰度增加，硬度下降，韧性提高。
退火处理可以消除应力、改变钢材的硬度和强度，提高其加工性能。
其次是碳钢的正火处理。
正火是将钢材加热到一定温度，然后冷却到室温。
正火处理可以提高碳钢的硬度和强度，改善其耐磨性和切削性能。
通过正火处理，碳钢的晶粒尺寸更加均匀，组织更加紧密，硬度更高。
接下来是碳钢的淬火处理。
淬火是将钢材加热到高温后迅速冷却至室温。
淬火处理使得碳钢组织变为马氏体组织，表面硬度极高，内部组织变脆，但具有较好的耐磨性。
淬火处理后的碳钢通常具有高硬度、高强度和较低的韧性，常用于制作刀具、弹簧和齿轮等。
最后是碳钢的回火处理。
回火是将经过淬火处理的钢材再次加热到一定温度，然后进行冷却。
回火处理可以改变淬火处理后的组织，消除淬火时引入的内应力，并提高碳钢的韧性和可靠性。
回火处理后的碳钢具有较好的韧性、耐磨性和抗冲击性，适用于制作机械零件和工具。
总之，碳钢经过热处理后，其组织和性能得到改善，能够满足不同应用的要求。
不同的热处理方法和工艺参数会导致不同的组织结构和性能。
因此，在实际应用中，根据具体要求选择适当的热处理方法，可以使碳钢发挥最佳性能。
碳钢热处理后的显微组织观察与分析
一、研究背景
碳钢是一种广泛应用的材料，具有高强度、良好的塑性、耐腐蚀性，以及较低的成本等优点。
狭义的碳钢是指碳含量不高于2.06%的钢，一般指碳含量在0.25~2.06%之间的碳素低合金钢，简称碳钢。
碳钢的力学性能极大程度上受组织影响，因此，碳钢的热处理是提高其力学性能的关键手段。
二、热处理方法
碳钢在热处理过程中，主要是正火、回火、淬火和回火等，根据加工目的和钢种的不同，还有退火和淬拔，等等。
1.正火：正火是指把钢从室温升温到一定的温度（相当于细化、强化钢组织）后，室温或其他低温下的冷却过程。
将钢置于明火中加热，加热到一定温度（软化温度），停止着火，让钢自然冷却（细化钢组织）。
2.回火：回火是指将钢比正火温度高一点加热，然后用较低温度的流体（水、油等）冷却（增强钢组织）。
回火可以改善零件的机械性能，使其获得更高的屈服强度、抗拉强度和断裂伸长率等。
3.淬火：淬火是把钢加热到一定的高温，然后用水、油、空气等低温流体进行冷却，使钢获得更高的强度、延展性和硬度。
碳钢热处理后的显微组织观察实验报告实验目的：通过对碳钢进行热处理，观察不同处理条件下的显微组织变化，了解热处理对材料性能的影响。
实验原理：碳钢是将铁和碳混合熔炼得到的一种合金。
由于碳元素的含量不同，可以分为低碳钢、中碳钢、高碳钢等。
在碳含量小于0.8%的碳钢中，碳的形态为固溶态，一般认为石墨化碳是一种强化剂，但是当碳含量高于一定程度时，石墨化碳就会成为材料的弱化因素，须采取措施排除其中的碳化物（Fe3C）。
其主要手段是通过热处理，使碳元素达到在钢中最佳状态。
热处理是指将材料加热到一定温度，然后以一定的速率冷却，以改变其组织和性能的过程。
其中，淬火是一种快速冷却的热处理方法，可使钢材组织变硬化；回火是在淬火后加热，然后缓慢冷却的过程，可使钢材组织变柔韧。
实验步骤：1. 选择一块碳钢，清洗干净，并用锉刀在表面画两条直线，以便观察显微组织变化。
2. 将碳钢样品置于电炉中，加热到红色，保持5分钟。
3. 将样品迅速取出，浸入凉水中进行淬火，使其从高温状态快速冷却。
4. 对淬火后的样品进行显微组织观察和比较。
5. 将样品置于烘箱中回火，温度和时间由指导老师指定。
实验结果：经过淬火处理的碳钢样品在显微镜下可以看到整齐排列的马氏体组织，该组织具有较高的硬度和脆性，在撞击或载荷作用下容易产生裂纹或断裂。
经过回火处理后，样品显微镜下的组织发生了改变。
马氏体逐渐转化成铁素体，呈现出蓝色和灰色的颜色。
在较高的温度下回火处理后，钢的组织相对缓和，同时也具有一定的硬度和强度。
通过本实验，我们了解到热处理对钢材的影响，并通过不同条件下的显微组织观察和比较，得出了淬火和回火处理对碳钢组织和性能的影响。
淬火处理可以使钢的组织变硬，但脆性也增加；回火处理则可以提高钢的韧性和强度，并减少脆性。
在实际应用中，需要根据不同的需要选择合适的热处理工艺。
碳钢热处理后的基本组织观察碳钢热处理是一种重要的金属材料加工工艺，在工业应用中具有广泛的应用。
在热处理过程中，通过控制材料的加热、保温和冷却过程，可以改变碳钢的组织结构和性能，从而满足不同的工程要求。
碳钢热处理后的基本组织观察是研究碳钢热处理效果的重要手段之一、下面将从碳钢的基本组织和热处理方法两个方面来进行阐述。
碳钢的基本组织主要包括铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体。
铁素体是碳钢的基本组织，它具有良好的延展性和韧性。
在热处理过程中，通过加热和保温，可以使铁素体逐渐转变为珠光体。
珠光体是一种具有较高硬度和强度的组织，同时具有一定的韧性。
贝氏体和马氏体是高碳钢和合金钢中常见的组织。
贝氏体具有良好的切削性能和一定的韧性，而马氏体则具有更高的硬度和强度，但韧性较低。
在碳钢热处理后，可以通过金相显微镜等观察工具对其基本组织进行观察和分析。
金相显微镜可以放大碳钢的组织结构，同时还可以使用染色剂来突出不同的组织成分。
观察时可以选择不同的放大倍数和不同的观察角度，以获取更全面和详细的信息。
对于碳钢的热处理方法，常见的有正火、淬火和回火等。
正火是将钢件加热到适当温度，然后保温一段时间，最后慢速冷却。
这种热处理方法主要用于提高碳钢的硬度和强度，但会降低其韧性。
淬火是将钢件迅速加热到适当温度，然后迅速冷却。
这种热处理方法会使碳钢形成马氏体组织，从而大大提高其硬度和强度，但韧性较低。
回火是在淬火后再加热钢件到适当温度，然后保温一段时间，最后慢速冷却。
这种热处理方法可以调整碳钢的硬度和韧性，使其达到理想的综合性能。
在实际的碳钢热处理过程中，为了达到理想的组织和性能，需要控制好以下几个因素：加热温度、保温时间和冷却速度。
加热温度是指将钢件加热到的最高温度，不同的钢种和要求的组织结构需要不同的加热温度。
保温时间是指保持钢件在加热温度下的时间，它与钢件的尺寸和组织转变的速率有关。
冷却速度是指钢件冷却的速率，它决定了组织结构的类型和形成的量。
实验碳钢及铸铁的平衡组织观察一、实验目的1、熟悉碳钢及铸铁在平衡状态下的显微特征；2、分析铁碳合金的平衡组织与含碳量的关系。
二、实验说明铁碳平衡相图示分析钢铁材料性能的基础，所谓平衡组织，是合金在极其缓慢冷却条件下得到的组织。
如图5-1所示。
图5-1 Fe- Fe3C平衡组织相图由Fe- Fe3C相图可以看出，铁碳合金的室温平衡组织是有两个基本相组成，即铁素体与渗碳体。
但对不同含碳量的合金，由于这两个基本相的相对数量、析出条件、形态、分布不同，因而呈现不同的显微组织特征。
其中渗碳体对合金性能影响很大。
在碳钢中，渗碳体一般可认为是一个强化相。
（一）碳合金室温下基本组织特征1、铁素体（F）碳在α-Fe中的间隙固溶体，体心立方晶格，平衡态下含碳量低于0.02％。
具有磁性及良好塑性，硬度低，经3－4％硝酸酒精侵蚀后，呈白色等轴晶粒，晶界呈黑色，亚共析钢时呈块状，当含碳量接近于共析成分时，则呈连续网状分布于珠光体周围。
2、渗碳体（Fe3C）具有复杂晶格结构的间隙化合物，平衡态下含碳量为6.69％，用3－4％硝酸酒精侵蚀后，呈亮白色，若用苦味酸钠溶液热侵后，呈黑褐色，由此可区分铁素体与渗碳体。
由于形成条件不同，渗碳体又可分为Fe3CⅠ(从液体中析出)、Fe3CⅡ（从奥氏体中析出）、Fe3CⅢ（从铁素体中析出）。
3、珠光体（P）铁素体与渗碳体组成的细密机械混合物，平衡态下其含碳量为0.77％。
在高倍（600×）显微镜下，可看到珠光体中片层相间的渗碳体和铁素体互相平行交替排列。
在中等(400×左右)放大倍数下,由于物镜的分辨率低于渗碳体层片厚度,渗碳体两侧边缘线无法分辨而合成一条黑线。
在放大倍数更低时（200×左右），铁素体与渗碳体的片层间距都不能分辨，珠光体呈暗黑一片。
4、低温莱氏体（Ld′）珠光体与渗碳体的机械混合物，在平衡状态下，含碳量为4.3％，。
其显微组织特征为渗碳体（包括共晶渗碳体和二次渗碳体）白色基体上分布着暗黑色的珠光体。
热处理后碳钢显微组织的观察与分析热处理是一种通过控制材料的加热和冷却过程，改变其组织和性能的方法。
碳钢是一种含碳量较高的钢材，通过热处理可以得到不同的组织，从而改变其机械性能。
本文将对热处理后碳钢的显微组织进行观察与分析。
热处理过程中，碳钢首先需要进行加热，在足够高的温度下保温一段时间后，再进行冷却。
根据不同的加热温度和保温时间，可以得到不同的组织结构。
首先，我们来观察热处理前的碳钢显微组织。
通常来说，热处理前的碳钢具有粗大的珠光体组织。
珠光体是一种由铁和碳组成的混合物，呈珠状排列。
碳钢中的珠光体结构可以通过金相显微镜观察到，需要将样品进行切割、研磨和腐蚀处理。
在热处理过程中，最常用的方法是淬火和回火。
淬火是将加热到临界温度的材料骤冷至室温，目的是形成马氏体组织。
马氏体是一种类似于针状的组织结构，具有高硬度和脆性。
为了提高钢材的可塑性和耐磨性，常常进行回火处理。
回火是将淬火后的材料加热至较低的温度，再快速冷却。
回火过程中，马氏体逐渐转变为珠光体，从而使钢材具有更好的韧性。
通过金相显微镜观察热处理后的碳钢，可以看到不同的组织结构。
淬火后的碳钢主要由马氏体组成，呈针状结构。
马氏体是一种具有高硬度和脆性的结构，在一定条件下可以通过淬火获得。
回火后，马氏体会转变为珠光体，从而提高钢材的可塑性和韧性。
回火温度越高，珠光体的颗粒越大，机械性能会逐渐下降。
除了马氏体和珠光体外，热处理后的碳钢还可能出现一些其他的组织结构。
比如贝氏体是一种由针状晶体构成的结构，具有较高的硬度和韧性。
同时，还可能出现残余奥氏体、铁素体和非金属夹杂物等。
热处理后的碳钢的组织结构与加热温度、保温时间和冷却速率等因素密切相关。
在实际应用中，需要根据不同的要求选择合适的热处理工艺，以达到所需的组织和性能。
总结起来，热处理是一种通过控制材料的加热和冷却过程，改变其组织和性能的方法。
热处理后的碳钢主要由马氏体和珠光体组成，通过回火处理可以改善钢材的可塑性和韧性。
实验三 碳钢热处理后的显微组织观察一、实验目的1、观察碳钢热处理后的显微组织。
2、了解热处理工艺对钢组织和性能的影响。
二、概述碳钢经热处理后的组织，可以是平衡或接近平衡状态(如退火、正火)的组织，也可是不平衡组织(如淬火组织)。
因此在研究热处理后的组织时，不但要参考铁碳相图，还要利用C 曲线。
铁碳相图能说明慢冷时不同碳含量的铁碳合金的结晶过程和室温下的组织，及相的相对量。
C 曲线则能说明一定成分的铁碳合金在不同冷却条件下的转变过程，及能得到哪些组织。
1、钢冷却时的转变1)共析钢过冷奥氏体连续冷却后的显微组织 为了简便起见，不用C(丁曲线而是用C 曲线来分析。
共析钢在慢冷时(见图16—24中的V 1)，将全部得到珠光体。
冷速增大到V 2时，得到片层更细的珠光体，即索氏体或屈氏体。
冷速再增大到V 3时，得到屈氏体和部分马氏体。
而冷却速度增大到V 4，V 5时，奥氏体一下被过冷到马氏体转变始点(Ms)以下，转变成马氏体。
由于共析钢的马氏体转变终点在室温以下(－50℃)，所以在生成马氏体的同时保留有部分残余奥氏体。
与C 曲线鼻尖相切的冷速(V 4)称为淬火的临界冷却速度。
2)亚共析钢过冷奥氏体连续冷却后的显微组织 亚共析钢的C 曲线与共析钢的相比，上部多了一条铁素体析出线，如图16—25所示。
当奥氏体缓慢冷却时，(见图16—25中的V 1)，转变产物接近于平衡状态，显微组织是珠光体和铁素体。
随着冷却速度的增大，例如由V 1→V 2→V 3时，奥氏体的过冷度越大，析出的铁素体越少，而共析组织(珠光体)的量增加，碳含量减少，共析组织变得更细。
这时的共析组织实际上为伪共析组织。
析出的少量铁素体多分布在晶粒的边界上。
因此，由V 1→V 2→V 3时，显微组织的变化是：铁素体+珠光体→铁素体+索氏体→铁素体+屈氏体。
当冷却速度为V 4时，析出的铁素体极少，最后主要得到屈氏体和马氏体。
当冷却速度超过临界冷却速度后奥氏体全部转变为马氏体。
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。
热处理后碳钢显微组织的观察和分析
一、热处理后碳钢微观组织特征
热处理后的碳钢显微组织的形态，取决于处理工艺，以及处理过程中温度的变化对热处理后的金属组织产生的影响。
在不同的温度下，碳钢的形状和结构都有所不同。
经过热处理，碳钢的微观组织结构完全改变，形成长形的α-铁结晶，而且α-相和δ-相在晶粒中是杂合状态。
δ-相是一种大小不一的晶粒，其中有些晶粒具有碳的低温晶体，其他晶粒是碳的熔融晶体或乳白状熔融晶体。
1、在观察热处理后的碳钢显微组织时，可以看到宏观表面的肥厚和裂纹等痕迹。
此外，可以看到以及通过显微镜观察所分离的α-相和δ-相的晶粒。
通常，α—相晶粒的大小比δ—相的晶粒大，在显微图中可以看到α—相晶粒与δ—相晶粒的互相混合。
2、根据显微照片的结果，可以计算出α—相晶粒和δ—相晶粒的大小分布，以及晶粒之间的空间分布。
通过计算，可以获得α—相和δ—相晶粒的平均尺寸，以及晶粒尺寸的标准偏差。
此外，还可以检查α—相和δ—相晶粒的尺寸变化情况以及晶粒结构的变化情况。
三、总结
热处理后的碳钢显微组织特征，取决于处理工艺。
《材料科学基础A2》实验指导书江苏科技大学材料机械与冶金学院2010年6月实验1：碳钢的热处理操作、组织观察及硬度测定综合实验一、实验目的1. 了解硬度计的原理、初步掌握布氏、洛氏硬度计的使用；2. 了解碳钢的热处理工艺操作；3. 研究碳钢加热温度、冷却速度、回火温度对钢性能的影响；4. 观察热处理后的组织及其变化。
二、实验内容1．按表1中的热处理工艺进行操作，并对热处理后的各样品进行硬度测定，将硬度值填入表1中。
注：保温时间可按1分钟/每毫米直径计算；回火保温时间均为30分钟，然后取出空冷。
12. 观察下列表2热处理后的金相试样，并画出组织示意图。
三、实验原理（一）硬度计的原理1．洛氏硬度洛氏硬度是以顶角为120°的金刚石圆锥体（或直径为Φ1.588㎜的淬火钢球）作压头，以规定的试验力使其压入试样表面。
试验时，先加初试验力，然后加主试验力。
压入试样表面之后卸除主试验力，在保留初试验力的情况下，根据试样表面压痕深度，确定被测金属材料的洛氏硬度值。
洛氏硬度值由h的大小确定，压入深度h越大，硬度越低；反之，则硬度越高。
一般说来，按照人们习惯上的概念，数值越大，硬度越高。
因此采用一个常数c减去h来表示硬度的高低。
并用每0.002mm的压痕深度为一个硬度单位。
由此获得的硬度值称为洛氏硬度值，用符号HR表示。
由此获得的洛氏硬度值HR 为一无名数，试验时一般由试验机指示器上直接读出。
洛氏硬度的三种标尺中，以HRC应用最多，一般经淬火处理的钢或工具都采用HRC测量。
在中等硬度情况下，洛氏硬度HRC与布氏硬度HBS之间关系约为1：10，如40HRC 相当于400HBS 。
如50HRC，表示用HRC标尺测定的洛氏硬度值为50。
硬度值应在有效测量范围内（HRC为20－70）为有效。
2．布氏硬度布氏硬度是以一定的试验力如：187.5kg\250kg\3000kg等载荷把用一定直径的钢球或硬质合金球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与压痕面积之比值，即为布氏硬度值（HBS\HBW），单位为N/mm2。
布氏硬度计适合测量铸铁等材料的工件。
在钢管标准中，布氏硬度用途最广，往往以压痕直径d来表示该材料的硬度，既直观又方便。
（二）钢的热处理工艺：钢的热处理基本工艺有退火、正火、淬火和回火。
进行热处理时，加热是第一道工序，目的是为了得到奥氏体，因为钢的最终组织珠光体、贝氏体和马氏体都是由奥氏体转变来的。
二是保温、目的使奥氏体均匀化。
三是冷却，是改变组织和性能的重要因素。
因此，正确选择三个基本因素是热处理成功的基本保证。
1．加热温度的选择C相图确定。
对亚共析钢，其加热温度（1）退火加热温度：根据Fe-Fe3+（20～30）℃（球化退火），目的是得到球为；共析钢和过共析钢加热至AC1状渗碳体，降低硬度，改善切削性能。
（2）正火加热温度：一般亚共析钢加热至A+（30～50）℃；过共析钢C3加热至+（30～50）℃，即加热到奥氏体单相区。
+（30～50）℃，淬火后的（3）淬火加热温度：一般亚共析钢加热至AC3）,则淬火组织中将组织为均匀细小的马氏体。
如果加热温度不足（如低于AC3+（30～50）℃，出现铁素体，造成淬火后硬度不足；共析钢和过共析钢加热至AC1淬火后的组织为隐晶马氏体与粒状二次渗碳体。
未溶的粒状二次渗碳体可提），会因得到粗大的马氏体，高钢的硬度和耐磨性。
过高的加热温度（高于ACCM过多的残余奥氏体而导致硬度和耐磨性下降，脆性增加。
（4）回火温度：钢淬火后都要回火，回火温度决定于最终所要求的组织和性能（工厂中常常是根据硬度的要求）。
按加热温度不同，回火可分为三类：低温回火：在150～250℃回火，所得组织为回火马氏体，硬度约为HRC57-60，其目的是降低淬火应力，减少钢的脆性并保持钢的高硬度。
一般用于切削工具、量具、滚动轴承以及渗碳和氰化件。
中温回火：在350～500℃回火，所得组织为回火屈氏体，硬度约为HRC40-48，其目的是获得高的弹性极限，同时有高的韧性。
因为它主要用于各种弹簧及热锻模。
高温回火：在500～650℃回火，所得组织为回火索氏体，硬度约为HRC25 -35，其目的是获得既有一定强度、硬度、又有良好的冲击韧性的综合机械性能，常把淬火后经高温回火的处理称为调质处理，因此一般用于各种重要零件，如柴油机连杆螺栓、汽车半轴以及机床主轴等。
2．保温时间的确定为了使钢件内外各部分温度均匀一致，并完成组织转变，使碳化物溶解和奥氏体成分均匀化，就必须在加热温度下保温一定时间，通常将钢件升温和保温所需的时间计算在一起，统称为加热时间。
在具体生产条件下，工件加热时间与钢的成分、原始组织、工件几何形状和尺寸，加热介质、炉温、装炉方式等许多因素有关。
对于本实验中箱式炉的碳钢，保温时间为：工件的有效加热厚度 1分钟/毫米。
圆柱形试样有效加热厚度以直径计算，如果是盐浴炉则缩短1-2倍。
合金钢加热时间要增加25-40%。
回火时的加热、保温时间，应与回火温度结合起来考虑。
一般来说，低温回火时，由于组织不稳定，内应力消除不充分，为了稳定组织、消除内应力，使零件在使用过程中性能与尺寸稳定，回火时间要长一些，一般不少于1.5-2小时。
高温回火时间不宜过长，过长会使钢过分软化，对有的钢种甚至造成严重的回火脆性，所以一般为0.5-1小时。
3．冷却速度的影响冷却是淬火的关键工序，一方面冷却速度要大于临界冷却速度，以保证得到马氏体，另一方面又希望冷却速度不要太大，以减小内应力，避免变形和开裂，为此，根据c曲线考虑，淬火工件必须在过于奥氏体最不稳定的温度范围（650～ 550℃）进行快冷，以超过临界冷却速度，而在M(300～200℃)点S以下，尽可能慢冷以减小内应力。
为了保证淬火质量，应适当选用适当的淬火介质和淬火方法。
（三）钢热处理后的基本特征：炉冷得到100%珠光体，空冷得到细片状珠光体或称索氏体。
油冷得到少量屈氏体和马氏体。
水冷得到马氏体和少量残余奥氏体。
随着成分和热处理条件不同，钢热处理后的组织各不相同，基本组织特征如下：（1）索氏体（s）是铁素体与片状渗碳体的机械混合物，其层片分布比珠光体更细密，在显微镜的高倍（700 左右）放大下才能分辨出片层状，它比珠光体具有更高的强度和硬度。
（2）屈氏体（T）也是铁素体与片状渗碳体的机械混合物，片层分布比索氏体更细密，在一般光学显微镜下无发分辨，只能看到黑色组织如墨菊状，当其少量析出时，沿晶界分布呈黑色网状包围马氏体，当析出量较多时则呈大块黑色晶粒状。
只有在电子显微镜下才能分辨出其中的片层状。
（3）贝氏体（B）也是铁素体与渗碳体的两相混合，但其金相形态与珠光体不同，因钢的成分和形成温度不同，其组织形态主要有三种：上贝氏体，下贝氏体，粒状贝氏体。
(4) 马氏体（M）是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，马氏体的组织形态是多种多样的，归纳起来分为两大类，即板条状马氏体和片状马氏体。
板条状马氏体在光学显微镜下，板条马氏体的形态呈现一束束相互平行的细长条状马氏体群，在一个奥氏体晶粒内可有几束不同取向的马氏体群。
每束内的条与条之间的小角度晶界分开，束与束之间具有较大的相位差，如图所示，由于条状马氏体形成温度较高，在形成过程中常有碳化物析出，即产生自回火现象，故在金相实验时，易被腐蚀而呈现较深的颜色。
因含碳低的奥氏体形成的马氏体呈板条状，故板条马氏体又称低碳马氏体。
图1 板条状马氏体显微组织片状马氏体在光学显微镜下，片状马氏体呈现针状或竹叶状，其立体形态为双透镜状，因此成温度较低没有自回火现象故其显微组织不易被浸蚀，所以颜色较浅，在显微镜下呈白亮色。
透射电镜观察片状马氏体晶体内部为孪晶亚结构，故片状马氏体又称孪晶马氏体，因含较高的奥氏体形成的马氏体呈片状，故片状马氏体又可称高碳马氏体。
马氏体的粗细取决于原奥氏体晶粒的大小，即取决于淬火加热温度如高碳钢在正常温度下淬火加热，淬火后可得到细小针状的马氏体，在光学显微镜下，仅能隐约见其针状，故又称为陷晶马氏体。
如淬火温度较高，奥氏体晶粒粗大，则得到粗大针状如图2所示。
图2 粗大竹叶状马氏体+Ar（5）残余奥氏体（Ar）当奥氏体中含碳量>0.5%时，淬火时总有一定量的奥氏体不能转变为马氏体，而保留到室温，这部分奥氏体就是残余奥氏体，它不易受硝酸酒精腐蚀剂的浸蚀，在显微镜下呈白亮色，分布在马氏体之间，无固定形态，淬火后未经回火，Ar与马氏体很难区分，都呈白亮色，只有马氏体回火后才能分辨出马氏体间的残余奥氏体。
（6）回火马氏体（Mr）高碳马氏体经低温回火后，马氏体分解，析出了与母相共格的极细小弥散的碳化物。
这种组织称为回火马氏体。
由于极小的碳化物析出使回火马氏体易受浸蚀，所以在光学显微镜下观察回火马氏体仍保持针状马氏体形态，只是颜色比淬火马氏体深，但极细小的碳化物分辨不清。
在电子显微镜下则可观察到细小的碳化物。
（7）回火屈氏体淬火钢进行中温回火以后，得到回火屈氏体。
它的金相组织特征是：在铁素体基体上弥散分布着微小的粒状渗碳体，铁素体，铁素体仍然基本保持原来的条状或片状马氏体的形态，渗碳体颗粒很细小，在光学显微镜下不易分辨清楚，故呈暗黑色。
用电子显微镜可以肯到这些渗碳体的质点，而且回火屈氏体仍然保持针状马氏体的位向。
（8）回火索氏体淬火钢高温回火得到回火索氏体，金相组织特征是已经聚集长大了的渗碳体颗粒均匀分布在再结晶的铁素体基体上。
但是某些合金钢经调质处理后，铁素体仍然保持针状形态，因合金元素对于铁素体的再结晶有阻碍作用，须更高的温度才能完成再结晶。
四、实验设备和材料（1）箱式电阻炉和控温仪表；（2）金相显微镜；（3）洛氏硬度计；布氏硬度计；布氏洛氏硬度试块；（4）淬火水桶、油桶、火钳、砂纸等, 45钢试样若干。
（5）金相试样一套。
五、实验步骤1、测量标样的布氏、洛氏硬度。
1、领取试样进行热处理工艺实验。
2. 45钢试样放入860℃、780℃炉子内加热，保温后分别进行水冷、空冷操作。
3. 将860℃水冷试样中取出4块45钢试样分别放入200℃、400℃、500℃、600℃的炉中进行回火、回火保温时间为30分钟。
4. 洛氏硬度测试。
5. 观察金相组织,画示意图。
六、实验报告1. 实验目的。
2. 根据实验测试数据及观察到的显微组织综合分析a、加热温度与冷却速度对钢性能的影响；b. 不同回火温度对材料组织和性能的影响,绘制45钢回火温度与硬度的关系曲线。
c. 观察热处理后的金相组织，并画出组织示意图七、其它说明（1）实验前仔细阅读实验指导书。
（2）热处理操作及注意事项装取试样时炉子要断电，装取试样后炉门要及时关好，并立即通电。
试样加热时，尽量靠近热电偶测出的温度接近试样温度。
实验中注意计算保温时间；保温时要注意温度控制仪表是否正常，以免跑温或升温太慢，发现问题应报告老师检查。
