金相實(shí)驗(yàn)報(bào)告(成分組織觀察分析)

1、羅交通乂摩金相綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱:碳鋼成分-工藝-組織-性能綜合分析實(shí)驗(yàn) 專 業(yè):材料科學(xué)與工程班級(jí):材料11 (1)指導(dǎo)老師：席生岐 高圓小組組長(zhǎng):仇程希小組成員：齊慧媛 李敏 朱婧 王艷姿 閆士琪 陳長(zhǎng)龍 黃忠鶴 郭曉波 丁江蔣經(jīng)國(guó) 龐小通 林樂(lè)二一四年四月三日一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解碳鋼熱處理工藝操作；2. 學(xué)會(huì)使用洛氏硬度計(jì)測(cè)量材料的硬度性能值；3. 利用數(shù)碼顯微鏡獲取金相組織圖像，掌握熱處理后鋼的金相組織分析方法；4. 探討淬火溫度、淬火冷卻速度、回火溫度對(duì) 45和T12鋼的組織和性能（硬度） 的影響；5. 鞏固課堂教學(xué)所學(xué)相關(guān)專業(yè)知識(shí)， 體會(huì)材料的成分工藝組織性能之間關(guān) 系。二、實(shí)

2、驗(yàn)內(nèi)容1. 進(jìn)行45和T12鋼試樣退火、正火、淬火、回火熱處理，工藝規(guī)范參考相關(guān)資料；2. 用洛氏硬度計(jì)測(cè)定試樣熱處理試樣前后的硬度；3. 制備所給表中樣品的金相試樣，觀察并獲取其顯微組織圖像；4. 對(duì)照金相圖譜， 分析探討本次實(shí)驗(yàn)可能得到的典型組織： 片狀珠光體、 片狀馬 氏體、板條狀馬氏體、回火馬氏體、回火托氏體、回火索氏體等的金相特征。三、實(shí)驗(yàn)原理熱處理是一種很重要的金屬加工工藝方法。 熱處理的主要目的是改變鋼的性 能，熱處理工藝的特點(diǎn)是將鋼加熱到一定溫度， 經(jīng)一定時(shí)間保溫， 然后以某種速 度冷卻下來(lái)， 從而達(dá)到改變鋼的性能的目的。 研究非平衡熱處理組織， 主要是根 據(jù)過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變

3、曲線來(lái)確定。熱處理之所以能使鋼的性能發(fā)生顯著變化， 主要是由于鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā) 生了的一系列的變化。采用不同的熱處理工藝，將會(huì)使鋼得到不同的組織結(jié)構(gòu)， 從而獲得所需要的性能。鋼的熱處理基本工藝方法可分為退火、正火、淬火和回火等。（一）碳鋼熱處理工藝1. 加熱溫度亞共析鋼加熱溫度一般為 AC3+30-50C,過(guò)共析鋼加熱溫度一般為 Ac 1 +30-50C（淬火）或 Acm+50-100C（正火）。淬火后回火溫度有三種，即：低溫回火（150-250 C）、中溫回火（350-500C）、 高溫回火（500-650C）。實(shí)際生產(chǎn)中可根據(jù)鋼種及要求作適當(dāng)調(diào)整。2. 保溫時(shí)間 在實(shí)驗(yàn)室中，通常按工件有

4、效厚度，用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算加熱時(shí)間： t=a?D式中 t 加熱時(shí)間（ min）a 加熱系數(shù)（ min/mm）D- 工件有效厚度（ mm）淬火后回火保溫時(shí)間， 要保證工件熱透， 使組織充分轉(zhuǎn)變， 一般為13小時(shí)， 實(shí)驗(yàn)時(shí)，可酌情減少。3. 冷卻方式鋼退火采用隨爐冷卻到600-550 C以下再出爐空冷。正火采用空中冷卻。淬 火時(shí)常用水或鹽水冷卻，合金鋼常用油冷卻。（二）碳鋼熱處理后的組織1. 珠光體型組織過(guò)冷奧氏體在高溫區(qū)（Ar1至C曲線鼻尖）轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。隨著奧氏體在冷卻時(shí) 過(guò)冷度的增加， 依次得到珠光體、 索氏體、屈氏體。 他們都是鐵素體與滲碳體的 細(xì)密機(jī)械混合物， 但鐵素體與滲碳體的片層間距依

5、次減小， 組織的強(qiáng)度、 硬度遞 增。2. 貝氏體型組織過(guò)冷奧氏體在中溫區(qū)（C曲線鼻尖與馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)MS進(jìn)行等溫淬火轉(zhuǎn)變的 產(chǎn)物。貝氏體也是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物。（1）上貝氏體：是在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)稍下溫度等溫形成的。在光學(xué)顯微鏡下 可觀察到成束的鐵素體向奧氏體晶內(nèi)伸展，呈羽毛狀。（2）下貝氏體：是在馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)（Ms）稍上的溫度形成的。在光學(xué)顯微鏡 下呈灰黑色針狀或竹葉狀。 與上貝氏體相比， 下貝氏體不僅具有較高的硬度、 強(qiáng) 度、耐磨性，且有較高的韌性及塑性。3. 馬氏體組織過(guò)冷奧氏體在低溫區(qū)（Ms以下）轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。馬氏體是碳在鐵素體中的過(guò)飽和固溶體。馬氏體組織形態(tài)主要有兩種：（1）片狀馬氏

6、體：高碳馬氏體，主要在高碳鋼淬火組織中形成。在光學(xué)顯微鏡 下觀察呈針狀或竹葉狀。 馬氏體針的粗細(xì)程度取決于淬火加熱溫度。 例如 T10 鋼 在淬火加熱溫度較低時(shí)（如760C ）由于奧氏體中的碳濃度不均勻，在光學(xué)顯微 鏡下分辨不出它的形態(tài)，稱之為隱針馬氏體；淬火溫度稍高時(shí)（820C）可見到短針狀馬氏體；若淬火溫度提高到1000C,由于奧氏體晶粒粗大，從而獲得粗 大的馬氏體。片狀馬氏體性能較硬且脆。（2）板條馬氏體：又稱低碳馬氏體。主要在低碳鋼淬火組織中形成。在光學(xué)顯 微鏡下觀察呈一束束相互平行的細(xì)長(zhǎng)條狀。 一個(gè)奧氏體晶粒內(nèi)可由幾束不同取向 的馬氏體群， 且束與束之間有較大的位相差。 它不僅具有較

7、高的強(qiáng)度與硬度， 還 具有良好的韌性與塑性。淬火組織中總會(huì)有一定數(shù)量的殘余奧氏體，并且隨著鋼中含碳量的增加，淬 火溫度的提高， 殘余奧氏體的相對(duì)量也會(huì)增加， 殘余奧氏體不易受硝酸酒精的侵 蝕，在光學(xué)顯微鏡下呈白亮色， 無(wú)固定形態(tài)， 難以與馬氏體區(qū)分， 因此常常需回 火后才可分辨出馬氏體間的殘余奧氏體。4. 回火組織： 鋼淬火后一般都需要經(jīng)回火才能滿足性能要求。根據(jù)回火溫度的高低，回火 組織可分為以下幾類：（1）回火馬氏體：在150-250 C回火時(shí)形成的組織為回火馬氏體。 它是由極細(xì)小 的彌散的& -碳化物和a -Fe組成?；鼗瘃R氏體易于腐蝕，一般呈黑色，且保留 原淬火針狀馬氏體或淬火板條馬氏

8、體的形態(tài)， 在光學(xué)顯微鏡下難以辨出其中的碳 化物相。具有較高的強(qiáng)度及硬度， 且脆性較低。（2）回火屈氏體：在350-450 C回火時(shí)形成的組織為回火屈氏體。 它是由細(xì)片狀 或細(xì)粒狀滲碳體和鐵素體組成。 在光學(xué)顯微鏡下， 碳化物顆粒仍不易分辨， 但可 觀察到保持馬氏體形態(tài)的灰黑色組織， 且馬氏體形態(tài)的邊界不十分清晰。 它具有 較高的屈服強(qiáng)度、彈性極限和韌性。（3）回火索氏體：在550-650 C回火時(shí)形成的組織為回火索氏體。 它是由粒狀滲 碳體和鐵素體組成。 在較高倍數(shù)的光學(xué)顯微鏡下可以觀察到滲碳體的顆粒， 此時(shí) 馬氏體形態(tài)已消失，600 C以上回火時(shí)，組織中的鐵素體為等軸晶粒。 工業(yè)上稱之為調(diào)

9、質(zhì)處理?；鼗鹚魇象w具有優(yōu)良的綜合性能。（三）洛氏硬度的測(cè)量所謂硬度，是材料在一定條件下抵抗另一較硬材料壓入的能力。它不是金屬 材料獨(dú)立的力學(xué)性能，而是人為規(guī)定的在某一特定實(shí)驗(yàn)條件下的一種性能指標(biāo)。大量的試驗(yàn)結(jié)果表明，硬度實(shí)驗(yàn)所獲得的硬度值與材料的其他性能指標(biāo)有大致的 對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以用材料的硬度值來(lái)大致估計(jì)抗拉強(qiáng)度等性能指標(biāo)。由于硬度實(shí)驗(yàn)在測(cè)量過(guò)程中簡(jiǎn)單易行，所以它可以作為評(píng)定工藝性能的重要參考。洛氏硬度實(shí)驗(yàn)方法是1919年美國(guó)人（Rock-well） 提出的，是采用測(cè)量壓痕深度的方法來(lái)顯示材料的硬 度。洛氏硬度實(shí)驗(yàn)操作比較簡(jiǎn)單迅速，工作效率高， 適用于成批生產(chǎn)中的硬度檢測(cè)。由于使用的試驗(yàn)力較

10、小，因此壓痕較淺，對(duì)工作表面損傷很小，這樣可以 用于測(cè)定半成品或成品工作的硬度，試驗(yàn)中使用金剛 石錐和鋼球壓頭，配合不同試驗(yàn)力，可以測(cè)量較硬或較軟材料的硬度，適用范圍較廣。但它由于采用測(cè)深原理指示硬度值加之試驗(yàn)力 較小，壓入深度淺，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響因素較多， 準(zhǔn)確性較差，不適用于測(cè)定 組織粗大的不均勻的金屬。為了保護(hù)壓頭也不適用于測(cè)定表面有微氣孔、 淺表面 有缺陷的材料 測(cè)定硬度的操作步驟：1） 試驗(yàn)前根據(jù)所選定的標(biāo)尺確定所需的載荷，由試樣的材質(zhì)確定硬度計(jì)的保載 時(shí)間；2）試樣應(yīng)平整、穩(wěn)固的放在載物面上，使加力方向垂直于試樣面，如果試樣是 曲面應(yīng)確保壓頭作用力方向與試樣部位最高點(diǎn)作的水平線垂

11、直，并正確對(duì)中；3）初載（10kg）時(shí)，將長(zhǎng)針對(duì)BC線上，短針對(duì)至紅點(diǎn)。4）加主載（150kg），待保載時(shí)間結(jié)束后，讀取C標(biāo)尺所規(guī)定的讀數(shù)，小數(shù)點(diǎn)留 一位為估讀；5）逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)使載物臺(tái)下降，方可取走試樣，每次至少打三點(diǎn)讀取平均值, 若在5度以內(nèi)有效，若偏差超范圍，需繼續(xù)打硬度，直至數(shù)據(jù)穩(wěn)定。四、實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備45、T12鋼試樣，尺寸分別為？ 10 x 20mm ? 9 x 25mm砂紙、玻璃板、拋光機(jī)等金相制備設(shè)備一套，馬福電爐，洛氏硬度計(jì) （ 型號(hào)為HR-150A），淬火水槽、油槽各一只，鐵絲、鉗子。金相顯微鏡及數(shù)碼金相顯微鏡。五、實(shí)驗(yàn)步驟1. 實(shí)驗(yàn)前應(yīng)仔細(xì)閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 （包括洛氏硬度

12、計(jì)的原理、 構(gòu)造及其操作） ，明 確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?nèi)容、任務(wù)。2. 實(shí)驗(yàn)以組為單位進(jìn)行，每組 9-15人，每人完成表 3-1列內(nèi)容之一。3. 實(shí)驗(yàn)流程： 按組每人領(lǐng)取已編好號(hào)碼的試樣一塊，綁好細(xì)鐵絲環(huán)； 全組人員由老師講解洛氏硬度計(jì)的使用，觀看硬度測(cè)試示范，并按順序各人 測(cè)定試樣處理前硬度。 按表 3-1 中規(guī)定條件對(duì)試樣進(jìn)行相應(yīng)熱處理。試樣經(jīng)過(guò)處理后，必須用紗布抹去氧化皮，擦凈，然后在洛氏硬度計(jì)上 測(cè)硬度值。進(jìn)行回火操作的同學(xué)， 先對(duì)淬火的試樣測(cè)定淬火后的硬度值， 再按表 3-1 所指定的溫度回火，保溫一小時(shí)，回火后再測(cè)硬度值。每位同學(xué)把自己測(cè)出的硬度數(shù)據(jù)填入原始記錄表格中，幾下本次實(shí)驗(yàn)的 全部

13、數(shù)據(jù)。 制備金相分析試樣，分析組織特征。各人制備并觀察所處理樣品的金相顯微 組織，在原始記錄表中畫下組織特征示意圖。 組織觀察在普通顯微鏡上進(jìn)行， 并和附錄中相應(yīng)圖譜對(duì)照分析，在具有數(shù)據(jù)采集功能的數(shù)碼顯微鏡上采集圖 像，保存成電子文檔并打印輸出在相片打印紙上。 小組討論。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合課堂所學(xué)知識(shí)，圍繞材料的成分 -工藝-組織- 性能關(guān)系，進(jìn)行分析討論。這項(xiàng)任務(wù)在同學(xué)準(zhǔn)備好后，可以在專門安排的討 論課上進(jìn)行。六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1 、試樣淬火時(shí)，一定要用夾鉗夾緊，動(dòng)作要迅速，并在冷卻介質(zhì)中不斷攪動(dòng)；2、測(cè)硬度前，必須用砂輪或砂紙將試樣表面的氧化皮除去并磨光。每個(gè)試樣應(yīng)在不同的部位測(cè)定三次硬度，

14、取其平均值。退火、正火試樣測(cè)HEfi,其余測(cè)HRC 值。3、熱處理時(shí)應(yīng)注意：（1）取放試樣時(shí)，應(yīng)切斷電路電源；（2）爐門開關(guān)要快，以免爐溫下降和損壞爐膛的耐火材料與電阻絲的壽命；（3）取放試樣時(shí)，夾鉗應(yīng)擦干，不能沾有水或油；同時(shí)，操作者應(yīng)帶上手套, 以免灼傷。七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)材 質(zhì)學(xué)號(hào)熱處理工藝洛氏硬度HRC顯微組 織處理刖正火或淬 火后回火 后45鋼2110201001850 C正火016.50細(xì)珠光 體+鐵素 體211020101613.232110201002850 C淬火油冷020.90馬氏體+托氏體2110201003850 C淬火水冷059.83馬氏體+殘余奧 氏體2110201005

15、850 C淬火水冷+200C回火060.3068.30回火馬氏體2110201006850 C淬火水冷+400C回火057.9039.20回火托氏體2110201007850 C淬火水冷+600C回火063.1025.60回火索氏體2110201008760 C淬火水冷055.13、馬氏體+鐵素體巧2鋼2110201009900 C正火030.90細(xì)珠光 體+滲碳 體2110201010900 C淬火水冷073.20針狀馬 氏體+殘 余奧氏 體2110201011780 C淬火水冷066.50針狀馬 氏體+滲 碳體+殘 余奧氏 體2110201012780 r淬火水冷+200C回火060.67

16、65.00回火馬 氏體+滲 碳體2110201014780 r淬火油冷050.00針狀馬 氏體+托 氏體+滲 碳體+殘 余奧氏 體以上試樣所用腐蝕劑均為4%硝酸酒精。八、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析1. 45號(hào)鋼（45鋼含碳量為0.45%，屬于亞共析鋼）在不同熱處理工藝下的組織特征及性能：1）金相顯微組織（加熱到850 r ,保溫10分鐘，空冷,400 X）組織圖像分析：圖中淺色基體是鐵素體，深色的組織是珠光體，珠光體覆蓋區(qū)域較退火態(tài) 明顯增多，珠光體組織層間距減小，呈細(xì)層片狀。正火與完全退火相比，二 者加熱溫度與保溫時(shí)間相同的情況下，正火冷卻速度較快，轉(zhuǎn)變溫度較低， 發(fā)生偽共析轉(zhuǎn)變，因此獲得的珠光體較退火

17、態(tài)多（退火后組織：45%鐵素體+55%珠光體；正火后組織：30%鐵素體+70%珠光體）。此外，正火可以細(xì) 化晶粒，圖中下部區(qū)域細(xì)化效果比較明顯，由于處理時(shí)保溫時(shí)間較短，以上 部分晶粒還是比較粗大。性能：正火的細(xì)化晶粒作用可以提高材料的強(qiáng)度和塑韌性,所以45鋼在正火后力學(xué)性能有所改善。其次，經(jīng)退火和正火后 45鋼組織雖都是鐵素體與滲 碳體的混合物，但是正火組織彌散度大，故硬度，強(qiáng)度較高。經(jīng)硬度測(cè)試后 發(fā)現(xiàn)硬度卻有提升,HRC從0增加到15左右，相對(duì)于切削時(shí)退火態(tài)45鋼“粘刀” 現(xiàn)象，正火后大大改善它的加工性能。2）金相顯微組織（加熱到850 E ,保溫10分鐘，油冷,400 X）組織圖像分析:理

18、論上，將45鋼加熱到850C保溫會(huì)使碳鋼奧氏體化，在油中冷卻，冷卻 速度較快，將得到非平衡組織馬氏體，并且有托氏體沿晶界析出或觀察到貝 氏體和托氏體沿晶界析出。實(shí)驗(yàn)中可能由于樣品取出速度過(guò)慢，與空氣中冷 卻效果相似，導(dǎo)致最終得到的是組織托氏體和鐵素體。托氏體層片間距小， 只有在更高倍數(shù)下才能看清層片相間組織，400 X下看到深色一片。圖中幾乎很難分辨出板條狀馬氏體，淺色基體為鐵素體。性能：馬氏體是碳溶于a-Fe的過(guò)飽和的固溶體，是奧氏體通過(guò)無(wú)擴(kuò)散型 相變轉(zhuǎn)變成的亞穩(wěn)定相，是使鋼變硬、增強(qiáng)的一種淬火組織。托氏體是鐵素 體與珠光體的機(jī)械混合物，片層分布比珠光體細(xì)密的多，使鋼的強(qiáng)度及硬度 提高，薄層

19、狀的滲碳體片更易與鐵素體一起受力變形，所以塑韌性也得到提3）金相顯微組織（加熱到850r ,保溫10分鐘,水冷,400 X）組織圖像分析：圖中深色的組織為板條狀馬氏體和片狀馬氏體的混合組織，附帶一些片 層致密的托氏體，淺色基體為殘余奧氏體。水冷淬火冷卻速度很快，一般不 穿過(guò)C曲線區(qū)域，直接降溫到 Ms以下，馬氏體形核長(zhǎng)大瞬時(shí)性很強(qiáng)，所以 形成大量的馬氏體，但是馬氏體轉(zhuǎn)變有不徹底性，過(guò)冷奧氏體被割裂后變形 困難，故最終奧氏體有殘留。所以理論上形成馬氏體和殘余奧氏體。實(shí)驗(yàn)水冷前在空氣中滯留的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致生成部分的托氏體，從而影 響淬火質(zhì)量。由于托氏體的量少，沿晶界分布，所以從顯微鏡下觀察得到的

20、組織中有的區(qū)域全部為馬氏體，有的區(qū)域?yàn)轳R氏體和托氏體的混合組織。性能：由洛氏硬度計(jì)測(cè)量的硬度取三次后的平均值為59.83HRC和空冷和油冷相比較，其硬度值明顯升高，說(shuō)明經(jīng)水冷淬火后碳鋼的硬度及強(qiáng)度增 強(qiáng)。此外，板條馬氏體的亞結(jié)構(gòu)是高密度位錯(cuò)，其含碳量低，形成溫度較高 可以自回火，晶格正方度（c/a ）小，內(nèi)應(yīng)力也小，沒(méi)有顯微裂紋，因此具 有較高塑性和韌度，綜合性能較好。但是想要具有更好的韌性，最好還要進(jìn) 行不同溫度的回火。4）金相顯微組織（加熱到850E ,保溫10分鐘,水冷,200 C回火1h，400x）組織圖像分析：圖中明顯可見板條狀馬氏體（過(guò)飽和a固溶體）基體上分布有極細(xì)小片 狀的&碳化

21、物。由于有碳化物析出使回火馬氏體極易浸蝕，所以在光學(xué)顯微 鏡下，顏色比淬火馬氏體深。馬氏體經(jīng)低溫回火200C后，得到回火馬氏體, 它仍保持淬火后的形態(tài)，只是過(guò)飽和度降低。鋼淬火后的組織是馬氏體及少量殘余奧氏體，它們都是不穩(wěn)定的組織， 都有向穩(wěn)定的組織（鐵素體和滲碳體兩相混合物）轉(zhuǎn)變的傾向。但是淬火鋼 在100C以下回火時(shí)，原子活動(dòng)能力較弱，鋼的組織基本不發(fā)生變化。隨著 回火溫度升高到200r，原子活動(dòng)能力加強(qiáng)，馬氏體和殘余奧氏體分解，組 織轉(zhuǎn)變便以較快的速度進(jìn)行。由于組織的變化，鋼的性能也發(fā)生相應(yīng)的變化。性能：200r回火后鋼具有高的硬度（HRC58-64和高的耐磨性，因內(nèi)應(yīng) 力有所降低，故韌

22、性有所提高。這種回火方法主要用于刃具，量具，拉絲模 以及其它要求硬而耐磨的零件。組織圖像分析：圖中馬氏體中心出現(xiàn)貧碳，而呈白色，馬氏體中析出的碳化物向針葉邊 緣集聚，成極細(xì)顆粒狀，在光學(xué)顯微鏡下不能分辨而成黑色。白色鐵素體片 條狀說(shuō)明仍保持馬氏體位向。黑色的碳化物，只有在電子顯微鏡下才能分辨 滲碳體質(zhì)點(diǎn)，并可看出回火托氏體仍然保持有針狀馬氏體位向。理論上，隨著回火溫度的升高，碳化物開始與a固溶體脫溶，并逐步 轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的滲碳體，到達(dá) 350C左右，馬氏體中的碳含量已基本下降到鐵素體的平衡成分，內(nèi)應(yīng)力大量消除，所以形成了在保持馬氏體形態(tài)的鐵素體 基體上分布著細(xì)粒狀滲碳體的回火托氏體。性能：回火托

23、氏體硬度一般為HRC3545本次實(shí)驗(yàn)測(cè)得HRC勺為39。回 火托氏體彈性極限、屈服極限高，具有足夠的的塑性和韌性，可以用作合金 彈簧鋼。6）金相顯微組織（加熱到850E ,保溫10分鐘,水冷,600C回火1h ,400x）組織圖像分析：圖中多邊形鐵素體基體上分布著顆粒狀滲碳體。碳鋼調(diào)質(zhì)后回火索氏體中的鐵素體已成等軸狀，一般已沒(méi)有針狀形態(tài)?；鼗鹚魇象w的組織特征是由 等軸狀鐵素體和細(xì)粒狀碳化物構(gòu)成。復(fù)相組織，馬氏體片的痕跡已消失，滲 碳體的外形已較清晰，在光學(xué)金相顯微鏡下放大500600倍以上才能分辨出 來(lái)，其為鐵素體基體內(nèi)分布著碳化物（包括滲碳體）球粒的復(fù)合組織。它也 是馬氏體的一種回火組織，是

24、鐵素體與粒狀碳化物的混合物。此時(shí)的鐵素體 已基本無(wú)碳的過(guò)飽和度，碳化物也為穩(wěn)定型碳化物。常溫下是一種平衡組織。性能：回火后硬度一般為 220330HBS這種工藝也稱為“調(diào)質(zhì)處理”。 調(diào)質(zhì)后鋼具有良好的韌性和塑性，同時(shí)具有較高的強(qiáng)度和硬度，因此具有良 好的綜合力學(xué)性能。高溫回火主要用于各種重要的結(jié)構(gòu)零件，如螺栓、連桿、 齒輪及軸類等。組織圖像分析：圖中深色組織為馬氏體，淺色組織為鐵素體?？梢娖涫覝亟M織為F+M（鐵 素體+馬氏體）。由于在奧氏體與鐵素體的兩相區(qū)保溫加熱，加熱溫度不足， 試樣不能得到全部的奧氏體，冷卻后得到不完全淬火組織，即馬氏體中摻雜 有鐵素體。性能：熱處理后測(cè)得硬度 HRC為55

25、.13，比正常淬火的試樣硬度小，馬 氏體含碳量較低，引起強(qiáng)度、硬度不足或局部軟化，其中摻雜的鐵素體硬度 較低，但是鐵素體的存在增加了它的塑韌性。此種非完全淬火的試樣可以重 新淬火來(lái)予以補(bǔ)救。2. T12鋼（過(guò)共析鋼，含碳量1.2%）在不同熱處理工藝下的組織特征及性能:1）金相顯微組織（加熱到900C ,保溫8分鐘,空冷,400 X）組織圖像分析：圖中多邊形的珠光體排列緊密，晶界上有少量黑色滲碳體使晶界變粗很 容易區(qū)分，珠光體的層片狀結(jié)構(gòu)清晰可見。900C已經(jīng)使T12鋼完全奧氏體 化，空冷速度比較慢，但較退火快，所以稍微偏離平衡組織，得到偽共析組 織，珠光體含量也偏多。晶粒部分得到細(xì)化。性能：同

26、45鋼一樣正火可以細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度和硬度。T12鋼含碳量較多，硬度（30.9 ）顯然高于45號(hào)鋼正火后的硬度（16.5 ）。但塑韌性不如 45鋼，有所降低。鋼的正火可以改善切削加工性能，為球化退火做組織準(zhǔn)備， 同時(shí)正火也是一些型材或大型復(fù)雜的鑄鋼件的最終熱處理。2）金相顯微組織（加熱到900r ,保溫8分鐘,水冷,400 X）組織圖像分析:圖中可見粗大針狀馬氏體均布，還有少數(shù)夾雜物，可能為殘留奧氏體或 未溶滲碳體,晶粒比較細(xì)小。這是因?yàn)門12鋼加熱到900C完成了奧氏體轉(zhuǎn)變, 獲得了晶粒細(xì)小的奧氏體，當(dāng)冷卻速度大于鋼的臨界冷卻速度，鋼中奧氏體 在冷卻過(guò)程中就會(huì)轉(zhuǎn)變成低溫亞穩(wěn)相的馬氏體。性能：

27、過(guò)共析鋼淬火溫度一般為 Ac1溫度以上3050C，但是過(guò)共析鋼 的淬火為不完全淬火，淬火后得到馬氏體基體上分布滲碳體的組織。這種組 織狀態(tài)具有高硬度和高耐磨性。熱處理前樣品硬度HRC為0,而淬火后達(dá)到了 732鋼中馬氏體是鐵基固溶體組織中最硬的相，故鋼件淬火可以獲得高 硬度、高強(qiáng)度。但是，馬氏體的脆性很大，加之淬火后鋼件內(nèi)部有較大的淬 火內(nèi)應(yīng)力，因而不宜直接應(yīng)用，必須進(jìn)行回火。3）金相顯微組織（加熱到780r ,保溫8分鐘,水冷,400 X）組織圖像分析：400x顯微鏡下觀察可以看出針狀馬氏體常呈現(xiàn)兩端薄，中間厚的凸透鏡狀，針與針之間常常保持一定的交角。馬氏體基體上分布有顆粒狀的滲碳體。 由鐵

28、碳相圖知，780E下T12鋼處于奧氏體與滲碳體兩相區(qū)，在這個(gè)溫度并 沒(méi)有完全奧氏體化，滲碳體也未溶解完全，淬火（水冷）條件下，奧氏體在 極大過(guò)冷度的情況下快速冷卻，鐵，碳原子失去擴(kuò)散能力，隨后析出的滲碳 體會(huì)依附未溶的顆粒繼續(xù)長(zhǎng)大成明顯的顆粒聚集體，同時(shí)奧氏體晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榛兌群芨叩鸟R氏體，這時(shí)形成的馬氏體組織含碳量就是1.2%。性能：由于馬氏體晶格畸變嚴(yán)重，含碳量較高，所以韌性很低，硬度很 高（這一點(diǎn)由用洛氏硬度計(jì)測(cè)得的硬度值高達(dá)HRC65以上可見），但顆粒狀的滲碳體也增加了它的耐磨性。故想要提高鋼的塑韌性，就需要在隨后進(jìn)行 回火處理，這必然會(huì)導(dǎo)致犧牲部分強(qiáng)度。因而可以說(shuō)強(qiáng)度與韌性很難兼得。4

29、）金相顯微組織（加熱到780C ,保溫8分鐘,水冷,200 C回火1h ,400x）組織圖像分析：圖中組織有回火馬氏體，還保持有針狀形態(tài)，碳化物析出在集體上，殘余 奧氏體還有殘留，并未分解完全。這是因?yàn)榧訜岬?780度后由鐵碳相圖估計(jì) 組織為奧氏體和二次滲碳體，此時(shí)進(jìn)行水冷淬火，由碳鋼的C曲線知發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，組織應(yīng)為針狀馬氏體+粒狀滲碳體+少量殘余奧氏體，因?yàn)轳R氏體 本身硬度較高，而且粒狀滲碳體分布于馬氏體基體上，所以淬火后硬度大幅 度提高。淬火后又經(jīng)過(guò)了一個(gè)小時(shí)的 200回火，由于200度屬于低溫回火 且200屬于臨界溫度，它不會(huì)改變組織，只是將殘余奧氏體分解，馬氏體 含碳量降低，滲碳體穩(wěn)

30、定，還是分布于基體上。性能：按照常理來(lái)說(shuō)回火后減小了內(nèi)應(yīng)力，降低了脆性，硬度應(yīng)該稍有 降低，耐磨性和強(qiáng)度良好。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)硬度不降反而略有升高，現(xiàn)提供 如下可能的解釋：1. 由于回火溫度較低，回火的第三，第四階段沒(méi)有發(fā)生，馬氏體分解形 成的亞穩(wěn)&碳化物未發(fā)生進(jìn)一步轉(zhuǎn)化， 此種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的碳化物可能硬度較高。2. 盡管回火溫度較低，但是由于位于臨界溫度且回火時(shí)間較長(zhǎng)，殘余奧氏體還是有可能發(fā)生轉(zhuǎn)變的，成為回火馬氏體，即產(chǎn)生了 “二次淬火”現(xiàn)象5）金相顯微組織（加熱到780C ,保溫8分鐘,油冷,400 X）組織圖像分析：圖中深色基體為針狀馬氏體，托氏體和碳化物的混合物，亮白色為殘余 奧氏體。將T1

31、2鋼加熱到780E （高于Ac1但小于Accm）,此時(shí)使組織轉(zhuǎn)化為 一部分奧氏體和鐵碳化合物（不完全淬火，碳化物會(huì)保留下來(lái)），經(jīng)過(guò)保溫后， 油中淬火處理。油冷冷速慢，小于臨界冷速，所以會(huì)有部分托氏體形成。性能：材料的組織與鋼的碳含量有關(guān)，T12鋼屬于高碳鋼，其主要是高 硬度和耐磨性，常用作碳素工具鋼。但是因?yàn)樗型惺象w，明顯硬度低于 冷水淬火。其組織中的碳化物是淬火后殘留的，碳化物具有很高的硬度，這 能夠提高T12鋼的耐磨性和硬度，因此淬火時(shí)溫度未高于Acm而是將他保留了下來(lái)。但由于殘留碳化物呈針狀連續(xù)分布且淬火后應(yīng)力很大，增大了材 料的脆性，因此生產(chǎn)中還會(huì)作進(jìn)一步的低溫回火處理，以使碳化物

32、呈點(diǎn)狀顆 粒分布在馬氏體上。九、實(shí)驗(yàn)總結(jié)本次實(shí)驗(yàn)在前三次實(shí)驗(yàn)金相顯微鏡觀察，試樣制備的基礎(chǔ)上提升難度，對(duì)45鋼和T12鋼進(jìn)行各種熱處理。以材料和工藝的不同對(duì)小組成員進(jìn)行分工，每個(gè)人 都親自進(jìn)行熱處理，硬度測(cè)試，樣品制備和顯微觀察，能在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，運(yùn) 用專業(yè)知識(shí)分析和解決問(wèn)題，這是實(shí)驗(yàn)的最大收獲。根據(jù)對(duì)不同熱處理工藝下試樣的硬度測(cè)試結(jié)果和組織圖片分析，我們得出以下結(jié)論：-同一熱處理工藝，含碳量高的鋼硬度大，耐磨性提高，塑韌性下降。但 是不同工藝下對(duì)低碳鋼和高碳鋼對(duì)比硬度就難分高低，得具體分析。從某種程度上來(lái)說(shuō)，既可以降低硬度，也可以提高硬度。總之，熱處理工藝可以通過(guò)得到不 平衡組織來(lái)改善材料

33、的力學(xué)性能。-回火可以消除內(nèi)應(yīng)力，減小碳的不均勻分布行為，提高塑韌性，降低脆 性同時(shí)也使硬度有些許下降。不同回火溫度下組織與性能都有差別， 我們發(fā)現(xiàn)低 溫回火對(duì)組織改變不大，硬度非但不降還有所上升，可能是因?yàn)闅堄鄪W氏體轉(zhuǎn)變 為馬氏體或碳化物析出的原因。中溫回火馬氏體中的碳含量已基本下降到鐵素體 的平衡成分，內(nèi)應(yīng)力大量消除，得到的回火托氏體彈性極限、屈服極限高，具有 足夠的的塑性和韌性，可以用作合金彈簧鋼。高溫回火得到的回火索氏體硬度較 淬火后有大幅降低，可見調(diào)質(zhì)后鋼具有良好的韌性和塑性， 同時(shí)具有較高的強(qiáng)度 和硬度，因此具有良好的綜合力學(xué)性能。高溫回火主要用于各種重要的結(jié)構(gòu)零件， 如螺栓、連桿

34、、齒輪及軸類等。-正火后材料的晶粒細(xì)化，組織致密，硬度也較退火態(tài)有所提高，改善了 切削性能。淬火分油淬和水淬，水淬冷卻速度快，完全得到馬氏體，硬度和強(qiáng)度 都達(dá)到最大值，油淬速度較慢，會(huì)得到像托氏體這樣塑韌性較好的組織， 可以降 低硬度，減小脆性。但是由于淬火后組織應(yīng)力大，有嚴(yán)重脆性，一般要回火才能 應(yīng)用。丄 加熱溫度的影響也是顯著的，除了回火溫度控制外，加熱溫度對(duì)淬火也 會(huì)有很大影響，就會(huì)出現(xiàn)完全淬火和不完全淬火（利用高碳鋼在兩相區(qū)加熱保溫 的不完全淬火能得到更好地性能指標(biāo)，廣為利用），過(guò)熱過(guò)燒，加熱不足現(xiàn)象。 材料在加熱不足時(shí)進(jìn)行淬火，明顯降低材料的性能，過(guò)熱有可能使晶粒粗大，過(guò) 燒使晶界氧

35、化和熔化，這些處理不當(dāng)?shù)墓に嚩伎赡軙?huì)帶來(lái)缺陷組織， 降低材料使 用性能。十、分析與討論1、為什么馬氏體轉(zhuǎn)變必須在比較大的過(guò)冷度下才能發(fā)生呢?答：鋼中的馬氏體（M被認(rèn)為是鑲嵌在丫相中的a相，轉(zhuǎn)變將引起形狀和 體積的變化， 從而產(chǎn)生很高的應(yīng)變能 （由切邊產(chǎn)生的應(yīng)變能與由體積變化產(chǎn)生的 應(yīng)變能之和）。只有相變驅(qū)動(dòng)力大的足以克服因高應(yīng)變能所能造成的相變阻力， 新相才有生長(zhǎng)的機(jī)會(huì)。必不可少的過(guò)冷（TO-Ms）和過(guò)熱（As-TO）隨不同的合金 系而不同， 對(duì)于某些合金系還隨成分的不同而改變。 由于切變產(chǎn)生的應(yīng)變能取決 于母相強(qiáng)度，因而也取決于晶粒尺寸大小，即Ms也取決于晶粒尺寸大小。在馬氏 體轉(zhuǎn)變中， 除少數(shù)合金發(fā)生等溫轉(zhuǎn)變外大部分合金是降溫轉(zhuǎn)變。 即當(dāng)被過(guò)冷到 Ms 以下的溫度時(shí)， 在每一個(gè)溫度下的轉(zhuǎn)變量是一定的， 為使轉(zhuǎn)變繼續(xù)進(jìn)行， 必須不 斷降低