碳钢的热处理及非平衡组织观察
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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。
V
V
P
均匀A
细A
P
V
1
(炉冷)
V
2
(空冷)
S
3
(油冷)T+M+A’M+A’4(水冷)A1MSMf时间650℃600℃550℃V
k
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。
Ｖk ——表示转变为马氏体的最小冷速。
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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。
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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
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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;
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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。
