碳钢的热处理及性能分析常用钢铁材料的组织观察
碳钢的热处理及组织性能分析实验
碳钢的热处理及组织性能分析实验一、实验目的1. 掌握钢的退火、正火、淬火、回火工艺。
2. 分析含碳量，加热温度、冷却速度、回火温度对碳钢性能的影响。
3.了解碳钢热处理后的基本组织。
二、实验原理1.热处理工艺通常由加热、保温、冷却三个阶段组成。
退火：将钢加热到一定温度，保温一段时间后缓慢冷却，如炉冷。
正火：将钢加热到某一临界温度以上，保温后在空气中冷却。
淬火：将钢加热到某一临界温度以上，保温后快速冷却，如淬入水或油里。
回火：将淬火后的钢再加热到A线以下某一温度后冷却。
12.热处理温度的选择亚共析钢：淬火、正火、退火的加热温度在Ac以上30~50℃。
3共析钢，过共析钢：淬火、退火的加热温度，在Ac1以上30~50℃；正火加热温度在Acm以上30~50℃。
亚共析钢和过共析钢的淬火，退火温度范围不同（见图1），这是由于如果亚共析钢的淬火温度过低，在Ac1以上30~50℃，这时钢的组织是铁素体和马氏体，使钢件上出现软点。
而过共析钢在两相区加热后淬火得到的组织是马氏体和渗碳体。
由于渗碳体本身硬度很高，不会影响钢的硬度；相反如果过共析钢加热到奥氏体单相区淬火，得到的组织是马氏体和大量的残余奥氏体，硬度反而要下降。
图1淬火加热温度范围过共析钢在退火时若加热到奥氏体单相区，冷却时将在晶介析出网状渗碳体，使钢的塑性，冲击韧性降低。
所以过共析钢退火加热温度不能过高。
过共析钢的正火主要是为了消除已经形成的网状渗碳体，只是加热到Acm 线以上才能使网状渗碳体全部溶入奥氏体，由于正火的冷却速度较快，网状渗碳体来不及析出而被消除。
回火温度是根据零件所要求的机械性能确定的，通常将回火分为低温、中温、高温回火：低温回火：（150~250℃）所得的组织为回火马氏体，硬度约为HRC60，目的是降低淬火后的应力，减少钢的脆性，但保持钢的高硬度，这种回火常用于切削刀具和量具。
中温回火；（350~500℃）所得组织为回火屈氏体，硬度约为HRC40，目的是获得高的弹性极限，同时有较好的韧性，主要用于中高碳钢弹簧的热处理。
碳钢热处理后组织观察
760C°淬火（水冷）
900C°淬火（水冷） 200C°回火 920C°淬火（水冷） 1100C°淬火（水冷）
组织 索氏体+铁素体 混合马氏体 屈氏体+马氏体 回火屈氏体
回火索氏体
马氏体+铁素体 索氏体+粒状渗碳体 隐晶马氏体+粒状渗碳体+残余奥 氏体 针状马氏体+粒状渗碳体+残余奥 氏体 板条马氏体
碳钢热处理后的组织 表2-1
编号 1 2 3 4
5
6 7 8
9
10 11
材料 45钢 45钢 45钢 45钢
45钢
45钢 T12 T12
T12
16Mn 1.3%C
热处理工艺 860C°正火（空冷） 860C°淬火（水冷） 860C°淬火（油冷） 860C°淬火（水冷） 400C°回火 860C°淬火（水冷） 600C°回火 760C°淬火（水冷）
竹叶、针状 马氏体
闪电状马氏体 残余奥氏体
材 料： 1.3%C
状 态： 1100 °C水淬
组 织： 竹叶、针状、闪电状马氏体+残余奥氏体 放大倍数： 400X 侵蚀剂：3-4%硝酸酒精溶液
二○○二年六月
再见
45钢正火400X
45钢860C°水淬 400X
45钢860C°油淬 400X
45钢860C°水淬400C°回火 400X
共析钢和过共析钢淬火前，通常是球
化退火组织，经正常加热淬火后，得到的 马氏体是细小的，在光学显微镜下分辨不 出来它的形态，故通常称为隐晶马氏体。 T12钢正常淬火组织为：隐晶马氏体和粒状 碳化物及少量残余奥氏体。
45钢水淬组织为：混合马氏体（板条马氏体+ 针状马氏体），其中以板条状马氏体为主。
碳钢的热处理操作、组织观察及硬度测定
淬火、回火是钢件的重要热处理工艺。所谓 淬火就是将钢件加热到Ac或Acl以上，保温后放 入放入各种不同的冷却介质中快速冷却，以获得 马氏体组织的热处理操作。 钢件，特别是高碳钢件经淬火后得到马氏体 组织时，材质硬而脆，并且工件内部存在很大的 内应力，如果直接进行磨削加工往往会出现龟裂； 一些精密的零件在使用过程中将会引起尺寸变化 而失去精度，甚至开裂。因此钢件淬火后必须立 即进行回火处理。
表6—1 碳钢的临界点
类 别 钢 号 临 界 点（℃）
Ac1
Ac3或Accm
Ar1
Ar3
碳 素 结 构 钢
20 30 40 45 50 60
735 732 724 724 725 727 730 730 730 730 730
855 813 790 780 760 766 770 － 800 820 830
（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成为马氏体，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，分部在马氏体之 间，无固定形态，淬火后来经回火， 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(150～ 250oC)后，马氏体分解，析出与母相共格的极细小的弥 散一碳化物。这种组织称为回火马氏体。由于有极细小的 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，如照片所示。在 电子显微镜下则可观察到细小的碳化物。 低碳板条状马氏体低温回火以后，马氏体中只发生碳 原子的偏聚，尚未析出碳化物。在光学和电子量微镜下观 察，低碳回火马氏体仍保持条状马氏体形态。中碳钢淬火 以后得到板条状马氏体和片状马氏体的混合组织，回火后 其中片状马氏体易受浸蚀，颜色变深。
金相组织分析(碳钢的非平衡组织及常用金属材料显微组织观察)
实验三碳钢的非平衡组织及常用金属材料显微组织观察实验目的概述实验内容实验方法实验报告思考题一、实验目的1. 观察碳钢经不同热处理后的显微组织。
2. 熟悉碳钢几种典型热处理组织——M、T、S、M回火、T回火、S回火等组织的形态及特征。
3. 熟悉铸铁和几种常用合金钢、有色金属的显微组织。
4. 了解上述材料的组织特征、性能特点及其主要应用。
TOP二、概述1. 碳钢热处理后的显微组织碳钢经退火、正火可得到平衡或接近平衡组织，经淬火得到的是不平衡组织。
因此，研究热处理后的组织时，不仅要参考铁碳相图，而且更主要的是参考钢的等温转变曲线(C曲线)。
为了简便起见，用C曲线来分析共析钢过冷奥氏体在不同温度等温转变的组织及性能（见表3-1）。
在缓慢冷时(相当于炉冷，见图2-3中的V1)应得到100%的珠光体；当冷却速度增大到V2。
时(相当于空冷)，得到的是较细的珠光体，即索氏体或屈氏体；当冷却速度增大到V3时(相当于油冷)，得到的为屈氏体和马氏体；当冷却速度增大至V4、V5，(相当于水冷)，很大的过冷度使奥氏体骤冷到马氏体转变开始点(Ms)后，瞬时转变成马氏体。
其中与C曲线鼻尖相切的冷却速度(V4)称为淬火的临界冷却速度。
转变类型组织名称形成温度范围／℃显微组织特征硬度(HRC)珠光体型相变珠光体(P)>650在400～500X金相显微镜下可以观察到铁索体和渗碳体的片层状组织～20(HBl80～200)索氏体(S)600～650在800一]000X以上的显微镜下才能分清片层状特征，在低倍下片层模糊不清25～35屈氏体(T)550～600用光学显微镜观察时呈黑色团状组织，只有在电子显徽镜(5000～15000X)下才能看出片层状35—40贝氏体型相变上贝氏体(B上)350～550在金相显微镜下呈暗灰色的羽毛状特征40—48下贝氏体(BT)230～350在金相显微镜下呈黑色针叶状特征48～58马氏体型相变马氏体(M)<230在正常淬火温度下呈细针状马氏体(隐晶马氏体)，过热淬火时则呈粗大片状马氏体60～65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，当奥氏体缓慢冷却时(相当于炉冷，如图2-3中V1：)，转变产物接近平衡组织，即珠光体和铁素体。
碳钢的热处理及性能分析【最新资料】
碳钢的热处理及性能分析时的具体加热温度主要取决于钢的含碳量，可根据相图确定（如图所示）。
对亚共析钢，其加热温度为℃，若加热温度不足（低于），则＋淬火后可得到细小的它直接影响到钢淬火后的组织以保证以减使淬火工作在过冷奥氏体最不稳定鼻不同的冷却介质在不同的温度范围内的实验二金相试样的制备与观察一、实验目的1.学习金相试样的制备方法。
二、实验设备、仪器及材料用品抛光机、各型号砂纸、抛光磨料、试样、浸蚀剂、吹风等。
三、实验步骤金相试样的制备包括取样、磨制、抛光、浸蚀四个步骤。
制备好的试样应能观察到真实组织、无磨痕、水迹。
1.取样取样的部位和磨面应根据检验目的选取具有代表性的部位。
例如，检验表面脱碳层的厚度应取横向截面、观察纵裂纹就要取纵向截面。
试样的截取方法很多，例如用手锯、机床截取、线切割等，但必须注意的是在取样过程中要防止试样受热或变形而引起的组织变化，破坏了其组织的真实性。
为防止受热可在截取过程中用冷却液冷却试样。
金相试样的尺寸要便于手握持和易于磨制，常用的试样尺寸为：Φ12×10或12×12×10，如果不是观察表面组织，可以倒角便于磨制。
根据需要，例如观察表面渗碳层的厚度，为防止在磨制过程中发生倒角，应采用镶嵌法，把试样镶嵌在热塑性塑料或热固性塑料中。
我们所用试样为车削好的Φ10×20的45钢试样。
2.磨制这是最关键的步骤，磨制质量的好坏直接决定了试样的好坏。
①粗磨将试样在砂轮上或用粗砂纸之成平面。
磨制时使试样受力均匀，压力不要太大。
②精磨粗磨好的试样用清水冲干后，依次用01、02、03、04号金相砂纸把磨面磨光。
磨制时应把砂纸放在玻璃板或平整的桌面上，左手按住砂纸，右手握住试样，用力均匀、平稳，沿一个方向反复进行，直到旧的磨痕被去掉，不要来回磨制。
注意：在调换更细一号砂纸时，应将试样上的磨屑和砂粒清除干净，并转动90º角，使新、旧磨痕垂直。
3.抛光抛光的目的是去除磨面上细的磨痕和变形层，以获得光滑的镜面。
实验三 常见钢铁材料的显微组织观察
6
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。
高速钢淬火组织：淬火加热温度一般为 1260~1280℃，高温加热的目的是使较多的碳
化物溶解于奥氏体中，淬火后马氏体中合金元素含量高，回火后钢的硬度高且耐磨性好。淬
火采用油冷或空冷，其显微组织为马氏体＋未溶碳化物＋残余奥氏体。马氏体呈隐针状，其
针形很难显示出来，但可看出明显的奥氏晶界及分布于晶粒内的未溶碳化物，淬火后的硬度
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。
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
约为 HRC61~62，见图 3-26 所示。
高速钢淬火后需经三次回火，其组织为回火马氏体、少量残余奥氏体，大块白色颗粒
碳钢的热处理后组织观察
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
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。
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常用碳钢 热处理工艺示意图
退火
正火
淬火
碳钢淬火后 回火示意图
1. 退火
退火是将金属制件加热到高于或低于这种金 属的临界温度，经保温一定时间，随后在炉中或 埋入导热性较差的介质中缓慢冷却，以获得接近 平衡状态组织的一种热处理工艺。
退火的目的： a. 降低硬度，以利于切削加工； b. 细化晶粒，改善组织，提高机械性能； c. 消除内应力，为下一道热处理作好准备； d. 提高金属材料的塑性、韧性，便于进行冷
常用热加工工艺方法特点
工
热过程
艺
及其特点
成形 特点
组织 特点
性能或 应用
在熔化设备中熔化金
铸 造
属炉料（熔点以上约 短时间保温静置， 在铸型中较为缓
100℃），使满足化 使金属熔体中气体、 慢地冷却凝固，
学成分要求的金属液
夹杂物上浮
获得铸件
液态 凝固 成形
体具有流动性
非平衡结晶，一般 为粗大的柱状晶。 冷却速度越大，晶
度的变化
接头区域一 般为性能薄
弱区
热 处 理
在加热设备中使工件 达到规定温定，使工 件可能发生内部组织
的变化
工件于加热炉内在 规定温度下保温规 定时间，使工件热 透，或使内部发生
组织转变
以不同方式或速 度冷却，使工件 获得所需要的组
织和性能
非成 形加
工
同种材料经过不同 的热处理可得到不
同的组织
根据不同的 使用要求选 用不同的热 处理的方法
工业纯铁 共析钢
亚共析钢 过共析钢
2. 铸铁的室温平衡组织
铸铁由于含碳量高，碳的存在形态发生了变化。 在钢中碳是以化合态的 Fe3C（渗碳体）存在，而在 铸铁中碳不仅以化合态的 Fe3C存在，同时出现了 游 离态的石墨 。铸铁的组织可以认为是在铁素体或珠 光体，或铁素体＋珠光体的基体上分布着不同形态 的石墨。根据石墨形态的不同，常用铸铁可分为：
五、Fe-C合金基本组织
1. 铁素体 F 2. 渗碳体 Fe3C 3. 珠光体 P（ F+ Fe3C ）
六、钢铁的组织和性能
1. 碳钢的室温平衡组织
碳钢的室温平衡组织由铁素体、渗碳 体和珠光体三种基本组织组成。随碳钢含 碳量的不同，基本组织的含量也相应发生 变化。碳钢按室温组织的不同根据含碳量 可分为三类。
铸锭宏观组织示意图
焊接接头宏观组织 示意图
七、热处理的概念及常用工艺
热处理是将金属在固态下通过加热、保温 和冷却过程，改变其内部组织，从而获得所需 性能的一种工艺方法。它的特点是：只改变金 属材料内部组织结构，获得所需性能，尽量避 免改变零件的形状。同样的材料经过不同的热 处理方法，可以得到不同的内部组织，因此， 热处理工艺可以最大限度地发挥材料的潜力。
铸铁具有优良的减震性、耐磨性、铸造性能和切 削加工性能，而且生产成本低廉，因而在工业生产中 得到广泛的应用。
六、热加工工艺对碳钢组织的影响
在材料加工工程中存在着如下关系： 设备 → 工艺 ↘ ↑↓ 组织→性能→应用
原材料 → 成分 ↗ 这个关系在实际生产过程中，表现为设备、工艺条 件等的不同决定了热过程的非平衡程度的不同，使得金 属结晶和转变过程不同，最终使金属材料的组织呈现多 样性，即使同一种金属材料的组织也可呈现不同的形态。 可见，正是非平衡过程的多样性，使得工程材料得到不 同的组织，具备不同的性能，从而满足各种使用要求。 此外，相同的金属组织，晶粒越细小、分布越均匀，其 力学性能越高。
灰 铸 铁 — 石墨以片状存在 可锻铸铁 — 石墨以团絮状存在 球墨铸铁 — 石墨以球状或近似球状存在
可锻铸铁（铁素体基体）
灰铸铁（珠光体基体）
球墨铸铁 （铁素体＋珠光体基体）
3. 铸铁与碳钢的性能比较
铸铁与碳钢比较（在同一种基体下），由于铸 铁中石墨的强度和伸长率都极低 （σb<20Mpa ，δ→0 ）,而且 石墨的存在对基体起割裂 作用，所以，铸铁的力学性能（抗拉强度、塑性、韧 性）较差，不如碳钢，尤以灰铸铁（片状石墨）最差， 球墨铸铁因球状石墨的割裂作用最轻，具有较好的力 学性能。
项目 含碳量 室温平衡组织
种类
（% ）
备
注
亚共析钢
＜0.77
铁素体＋珠光体 随含碳量的增加，组织中珠 光体的量增多。
共 析 钢 ＝0.77 全部是珠光体
过共析钢
＞0.77
珠光体＋渗碳体
渗碳体分布于珠光体晶粒的 周围（即晶界），在金相显 微镜下观察呈网状结构，故 又称网状渗碳体。含碳量越 高，渗碳体层越厚。
受力复杂的 形状简单件
在空气或保护气氛中 焊 高能量加热，使构件 接 连接区域快速熔化，
护气 氛保护下快速冷 却凝固，形成焊 缝，焊缝以及附 近母材冷却速度
很不均匀
不可 拆卸 的连 接成
形
非平衡结晶特点更 为明显，使得焊缝 组织的柱状晶的特 点更为明显，同时 焊缝附近母材金属 组织也发生不同程
粒越细小
受力不大的 形状复杂件
锻 造
在加热设备中加热工 件，使其具有良好的 塑性，并降低变形抗
力
在始锻和终锻温度 范围内对工件施以 冲击力或压力，使 其发生塑性变形， 并改善内部组织
在终锻温度以下 冷却，得到锻件
固态 塑性 变形 成形
使俦锭原来粗大的 晶粒细化，并沿变 形方向呈现方向性 的特点，减小甚至 消除铸锭内部缺陷
实验五 碳钢的热处理及性能分析 实验六 常用钢铁材料的组织观察
清华大学基础工业训练中心 金属工艺学教研室
一、金属的概念
二、金属材料的力学性能
三、金属的结晶和组织
1. 金属的结晶过程 2. 金属的组织 （1）室温平衡组织 （2）非平衡组织
四、钢铁的分类和异同
钢和铸铁所含的主要合金元素都是铁 和碳，所以也称钢和铸铁为Fe-C 合金，它 们的不同点在于含碳量，钢的含碳量小于 2.11% ，铸铁的含碳量大于2.11% 。
c. 不占用设备；生产率高。
3. 淬火
冲压或冷拉拔加工。 退火的缺点：占用设备；生产率低。
2. 正火
正火 是将金属制件加热到高于或低于这种金属 的临界温度，经保温一定时间，随后在空气中冷 却，以获得更细组织的一种热处理工艺。
正火的作用与退火相似，与退火不同之处是：
a. 正火是在空气中冷却，冷却速度快，所获 得的组织更细。
b. 正火后的强度、硬度较退火后的稍高，而 塑性、韧性则稍低。