实验3 钢中带状组织、魏氏组织、游离渗碳体的组织观察与检验
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。
金相浅析及完整检验标准
金相浅析及完整检验标准金相金属或合金内部结构指金属或合金的化学成分以及各种成分在合金内部的物理状态和化学状态。
金相组织是反映金属金相的具体形态，如马氏体，奥氏体，铁素体，珠光体等等。
广义的金相组织是指两种或两种以上的物质在微观状态下的混合状态以及相互作用状况。
金相组织金属材料的内部结构，只有在显微镜下才能观察到。
在显微镜下看到的内部组织结构称为显微组织或金相组织。
钢材常见的金相组织有:铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体等金相显微镜金相显微镜是将光学显微镜技术、光电转换技术、计算机图像处理技术完美地结合在一起而开发研制成的高科技产品，可以在计算机上很方便地观察金相图像，从而对金相图谱进行分析，评级等以及对图片进行输出、打印。
众所周知，合金的成分、热处理工艺、冷热加工工艺直接影响金属材料的内部组织、结构的变化，从而使机件的机械性能发生变化。
因此用金相显微镜来观察检验分析金属内部的组织结构是工业生产中的一种重要手段。
金相显微镜主要由光学系统、照明系统、机械系统、附件装置(包括摄影或其它如显微硬度等装置)组成。
根据金属样品表面上不同组织组成物的光反射特征，用显微镜在可见光范围内对这些组织组成物进行光学研究并定性和定量描述。
它可显示500~0.2m尺度内的金属组织特征。
早在1841年，俄国人(п.п.Ансов)就在放大镜下研究了大马士革钢剑上的花纹。
至1863年,英国人(H.C.Sorby)把岩相学的方法，包括试样的制备、抛光和腐刻等技术移植到钢铁研究，发展了金相技术，后来还拍出一批低放大倍数的和其他组织的金相照片。
索比和他的同代人德国人(A.Martens)及法国人(F. Osmond)的科学实践，为现代光学金相显微术奠定了基础。
至20世纪初，光学金相显微术日臻完善，并普遍推广使用于金属和合金的微观分析，迄今仍然是金属学领域中的一项基本技术。
金相显微镜是用可见光作为照明源的一种显微镜可分为正立式和倒置式两种。
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
试验十-特殊性能钢的组织观察与检验
实验十-特殊性能钢的组织观察与检验实验十特殊性能钢的组织观察与检验（验证性）一、实验目的及要求1.观察耐磨钢、耐热钢、不锈钢的显微组织特点。
2.了解耐磨钢、耐热钢、不锈钢所具有的特殊性能与化学成分、组织之间的关系。
3.了解相关检验方法和标准检验技术。
二、实验原理特殊性能钢是指加入了大量合金元素，使钢具有了一些特殊的物理性能和化学性能的钢，根据它们的性能特点，可分为耐磨钢、不锈钢、耐热钢、磁钢等（一）耐磨钢传统耐磨钢为ZGMn13俗称高锰钢。
高锰钢是在过共析钢中增加锰的含量（约11%〜14%）使Mn/C之比接近10/1,再经过水淬后得到室温单一奥氏体组织的钢。
在承受载荷和严重摩擦作用下，使钢发生显著硬化。
载荷越大，硬化程度越高，耐磨性能好。
如在静载荷下使用，它的耐磨性反而不高，因此适合制作承受剧烈冲击和在严重摩擦条件下工作的零件。
1、铸态组织由于机加工困难，一般铸造成型。
铸态组织应该为：奥氏体基体+少量珠光体型共析组织+ 大量分布在晶内和晶界上的碳化物。
(在高温时析出的碳化物在晶界呈网状或者局部呈块状；在较低温度析出的碳化物则在晶内呈针状、片状分布，或者以明显或不明显的渗碳体魏氏组织出现在在奥氏体基体上。
)碳化物较脆，一般不能直接使用。
2、热处理后的组织4般经过水韧处理。
水韧处理：将ZGMn13 铸件加热到高温(1000〜1100℃)保温一段时间，使铸态组织中的碳化物全部溶入基体奥氏体中，然后迅速淬水快冷使碳化物来不及从过饱和的奥氏体中析出，以获得均匀的单相奥氏体组织，这种处理称为水韧处理。
正常组织为过饱和的单相奥氏体，晶粒大小不均匀，也有少量均匀分布的粒状碳化物。
水韧处理后的碳化物有：未溶、析出、或过热碳化物。
3、铸造高锰钢的常见缺陷主要是分散分布的串状或串连成断续网状分布的显微疏松、气孔、非金属夹杂物及沿晶裂纹等。
4、铸造高锰钢的金相检验标准按照GB/T 13925-1992《铸造高锰钢金相》标准进行显微组织、碳化物、晶粒度和非金属夹杂物的评级。
实验3 钢中带状组织、魏氏组织、游离渗碳体的组织观察与检验
二、实验仪器及材料
1．实验仪器 XJG-05型卧式金相显微 镜，4XC型金相显微镜 2．试验材料 低碳钢带状组织试样、低 碳钢游离渗碳体试块、碳钢魏氏组织试 块
三、实验内容及步骤
1、分析低碳钢带状组织、魏氏组 织、游离渗碳体的形态、成因、危 害及消除办法； 2、画出钢的带状组织、魏氏组织 和游离渗碳体的组织形态； 3、根据标准判断试样的带状组织、 魏氏组织、游离渗碳体级别。
二是冷却速度较快。
如果奥氏体晶粒不是特别粗大，冷速比较快的时候也可能形成魏氏组织，但这 种魏氏组织不会有什么害处，有文献记载低级别魏氏组织能够增强材料的冲击 韧性。
2、魏氏组织的形成原因、危害及消除
魏氏体的危害：
在正火中不允许出现，由于其铁素体的形态有异于正常 的等轴状，在最终热处理会有增大变形的倾向。
10钢退火 500x
10钢退火 500x
3、游离渗碳体的形成原因、危害及消除
08钢退火 500x
4、参考标准：GB/T 13299-1991 钢的显微组织评定方法
实验三 钢中带状组织、魏氏组织、 游离渗碳体的组织观察与检验
一、实验目的及要求
1．掌握钢中带状组织组织的观察与检 验。 2．掌握钢中魏氏组织的观察与检验。 3．掌握钢中游离渗碳体的观察与检验。
消除的措施要从产生的原因上着手，一是控制热处理加 热温度，二是控制冷速。
3、游离渗碳体的形成原因、危害及消除
10钢退火 500x
3、游离渗碳体的形成原因、危害及消除
低碳钢在退火温度较高或者坯料热轧后缓慢冷却后在 晶粒内或者晶界上出现的颗粒状碳化物。一般认为：碳含量
≤0.15 低碳退火钢板中的游离渗碳体主要是珠光体转变产物，其中也会有三 次渗碳体的存在；而极低碳钢中的游离渗碳体就是三次渗碳体。
实验十三渗层的组织观察与检验
实验十三渗层的组织观察与检验实验十三渗层的组织观察与检验(验证性)一、实验目的及要求1．掌握渗碳层、碳氮共渗层、氮化层、渗硼层组织的检验和评级方法。
2．正确使用金相标准进行评级。
二、实验原理为了提高某些机械零件表面的耐磨性、抗蚀性以及抗疲劳性能，而心部仍具有良好的强度和韧性，工业上一般采用化学热处理来实现。
将零件与化学物质接触，在高温下使有关元素进入零件表面的过程称为化学热处理。
包括渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等。
因为这些工艺都是使零件的表面一定深度内的组织与结构有所改变。
金相检验就是对改变了的表层组织进行检查，以便按照相关的技术条件进行评定，以保证表面处理后的零件质量。
（一）钢的渗碳层的组织检验1、渗碳后缓冷状态的组织低碳钢渗碳后表层含碳量一般在0.8-1.0%相当于过共析钢。
所以渗碳缓冷的组织由三部分组成。
第一层：过共析层，组织为片状珠光体及网状渗碳体。
第二层：共析层，组织为片状珠光体。
第三层：亚共析层，组织为片状珠光体及铁素体，铁素体数量愈来愈多至心部。
缓冷条件下，最外层出现网状渗碳体属正常现象，但淬火后应被消除掉，若存在将使零件表面增加脆性，对应用不利，淬火后不希望存在。
2、渗碳层深度的测定方法有:剥层化学分析法、断口法、金相法、显微硬度法。
任讲其中两种方法：（1）金相法：试样在缓冷状态下进行。
①从试样表面测到过渡层之后为渗层深度，即过共析层+共析层+过渡层。
标准规定过共析层+共析层之和不得小于总渗碳层深度的40-70%，保证过渡不能太陡，有一定的坡度。
②过共析层+共析层+?过渡层之和为渗层深度。
优点和断口法有效硬化层相近。
③等温淬火法，如18Cr2Ni4W属马氏体钢，850℃加热后在280℃等温，数分钟后水冷，含碳量＞0.3%的区域形成M，而近于0.3%的区域MS点高形成回火马氏体，试样浸蚀形成白色区域和黑区的界线。
（2）显微硬度法（淬火、回火件）：显微硬度法，用9.8N负荷，以试样边缘起测量显微硬度值的分布梯度。
碳钢热处理后组织观察
3、碳钢的淬火组织
碳钢淬火后可得到马氏体（M）组织。马 氏体是碳在α- Fe中的过饱和固溶体。马氏体的 形态按碳含量的不同可形成两种，即板条状马氏 体和针状马氏体。 低碳钢淬火后的板条状马氏体。板条状马氏 体是由许多尺寸大致相同的细马氏体条平行排列 组成的马氏体，各束之间位向不同，且位向差较 大，一个奥氏体晶粒内可有几个马氏体束。板条 马氏体不仅具有较高的强度，同时还具有良好的 塑性和韧性。
4.碳钢淬火后的回火组织 淬火钢通常为马氏体和少量残余奥氏体组 织，经回火转变后，能够获得不同的组织。 低温回火获得回火马氏体，它是由含碳过 饱和的α固溶体及母相保持共格关系的ε 碳化物 组成。回火马氏体仍保留着原来马氏体的针片 状或板条状形态，但由于在过饱和α固溶体上 分布着大量高度弥散的细小的ε 碳化物，使回 火马氏体较淬火马氏体容易腐蚀，故在光学显 微镜下，仍保持着原淬火状态的马氏体特征、 仅颜色较暗而呈暗黑色。回火马氏体性能基本 与淬火马氏体相同，但脆性较低。
2、共析钢过冷奥氏体的冷却 转变组织
V1（相当于随炉缓冷）时， 奥氏体转变成珠光体。 V2（相当于空冷），得到的 较细的是珠光体，即索氏体。
V4（相当于水冷Βιβλιοθήκη 时，得到的是马氏 体和残余奥氏体组 织。
V4
Vc V3（相当于油冷）时，得 到的是屈氏体和马氏体。
共析钢C曲线
2、碳钢的退火和正火
碳钢经退火（完全退火）后得到 接近平衡状态的组织。碳钢经球化退 火得到球状珠光体组织。 碳钢正火可得到索氏体组织。索 氏体是铁素体和渗碳体的机械混合物， 其片层间距比珠光体小，45钢在正火 条件下获得的组织为：索氏体+铁素体。
1、热处理加热温度－退火和正火
1200℃
扩散退火
实验三钢的平衡组织观察.
铁碳合金的平衡组织观察试验一、实验目的1.了解金相试样的制备过程及金相显微镜的构造和使用方法。
2.进一步熟悉Fe－Fe3C相图，了解不同成分的合金在平衡状态下的显微组织特征。
3.了解碳的质量分数对铁碳合金显微组织的影响，从而加深理解成分、组织与性能之间的相互关系。
二、实验试样材料铁碳合金的平衡状态金相试样一套（表1）。
1.组织特征显微组织特征是指晶粒、相、组织的形状、大小、数量和分布。
对于纯金属来说，指的是晶粒的形态、大小和分布，对于合金来说还要研究相和组织特征。
铁碳合金的平衡组织是研究和分析钢铁材料的基础，所谓平衡状态的显微组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下（如退火状态即接近平衡状态）所得到的组织。
铁碳合金的平衡组织主要指碳钢和白口铸铁组织。
所有碳钢和白口铸铁的室C）这两个基本相所组织。
但由于含碳量温组织均由铁素体（F）和渗碳体（Fe3C）相对数量、析出条件以及分布情况均有所不同，铁素体（F）和渗碳体（Fe2不同，因为呈现各种不同的组织形态。
在金相显微镜下平衡组织一般有下面几种基本组成物。
（1）铁素体（F）——是碳α—Fe中的固溶体。
铁素体为体心立方晶格、具有磁性及良好塑性，硬度低。
用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的等轴晶粒，亚共折钢中铁素体呈块状分布，当含碳量接近于共折成分时，铁素体则呈现断续的网状分布于珠光体周围。
图1 铁素体（2）渗碳体（FeC）——是铁与碳形成的一种化合物，其碳含量为6.69%，3质硬而脆。
耐腐蚀性强，经4%硝酸酒清溶液浸蚀后，渗碳体呈亮白色，若用苦味酸钢深液浸蚀。
则渗碳体能被染成暗黑色或棕红色，而铁素体仍为白色。
由此可区别铁素体与渗碳体。
按照成分和形成条件的不同，渗碳体可以呈现不同的形态。
一次渗碳体（初生相）是直接由液体中析出的，故在白口铸铁中呈粗大的条片状：二次渗碳体（次生相）是从奥氏体中析出物，往往呈网络状沿奥氏体晶界分布；共晶渗碳体是由液体在发生共晶反应时得到的，呈层片状结构，与铁素体共同构成珠光体。
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10钢退火 500x
10钢退火 500x
3、游离渗碳体的形成原因、危害及消除
08钢退火 500x
4、参考标准：GB/T 13299-1991 钢的显微组织评定方法
实验三 钢中带状组织、魏氏组织、 游离渗碳体的组织观察与检验
一、实验目的及要求
1．掌握钢中带状组织组织的观察与检 验。 2．掌握钢中魏氏组织的观察与检验。 3．掌握钢中游离渗碳体的观察与检验。
28MnCr钢轧制状态 100X
Q345钢轧制状态 100X45钢正火状 Nhomakorabea 100X
40Cr钢正火状态 100X
05钢退火状态 500X
10钢轧后退火状态 500X
a）
由成分偏析引起。碳素钢带状组织的存在多数是由成分偏析引起。
b）由热加工温度不当引起。
1、带状组织的形成原因、危害及消除
一般来说：带状组织使钢有明显的各向异性，在垂直于轧 制方向（即垂直于带状组织方向）的伸长率δ、断面收缩 率ψ及冲击韧度αk降低。带状组织对钢的屈服点σs和抗拉 强度σb影响不大。
消除的措施要从产生的原因上着手，一是控制热处理加 热温度，二是控制冷速。
3、游离渗碳体的形成原因、危害及消除
10钢退火 500x
3、游离渗碳体的形成原因、危害及消除
低碳钢在退火温度较高或者坯料热轧后缓慢冷却后在 晶粒内或者晶界上出现的颗粒状碳化物。一般认为：碳含量
≤0.15 低碳退火钢板中的游离渗碳体主要是珠光体转变产物，其中也会有三 次渗碳体的存在；而极低碳钢中的游离渗碳体就是三次渗碳体。
游离渗碳体有 A 、B 、C三种类别。A系列均匀分布，严重 时趋于网状； B 系列呈点状或者细小粒状，严重时趋于链状； C系列系列呈点状或者细小粒状，有变形方向取向。 游离渗碳体呈带状或者聚集分布时影响冲压性能，易开裂报废。 游离渗碳体的消除一般可以通过扩散退火消除。
3、游离渗碳体的形成原因、危害及消除
二、实验仪器及材料
1．实验仪器 XJG-05型卧式金相显微 镜，4XC型金相显微镜 2．试验材料 低碳钢带状组织试样、低 碳钢游离渗碳体试块、碳钢魏氏组织试 块
三、实验内容及步骤
1、分析低碳钢带状组织、魏氏组 织、游离渗碳体的形态、成因、危 害及消除办法； 2、画出钢的带状组织、魏氏组织 和游离渗碳体的组织形态； 3、根据标准判断试样的带状组织、 魏氏组织、游离渗碳体级别。
WF的基本形态特征有三种： a）沿原奥氏体晶界上形核并优先长大的晶界析出相，即沿晶界析出的网状铁素 体。 b） 由奥氏体晶界向晶内生长的针状铁素体魏氏组织，可分为一次魏氏铁素体针 片和二次铁素体针片。 c） 等轴的块状铁素体。 针状铁素体魏氏内往往有两种精细结构：一种是针内含有若干小块状亚晶，其取 向有几度之差。另一种是针内有几条平行的亚针，亚针间的取向近乎平行。
2、魏氏组织的形成原因、危害及消除
T12钢锻后正火 100x
45钢正火
100x
2、魏氏组织的形成原因、危害及消除
亚共析钢（a）和过共析钢（b）的过冷奥氏体等温转变曲线
2、魏氏组织的形成原因、危害及消除
在光学显微镜下，先共析的铁素体或者渗碳体近似平 行，呈羽毛或三角状，其间存在着珠光体组织，称为魏氏 组织。生产中的魏氏组织大多为铁素体魏氏组织。魏氏组 织常在焊接件、锻造后淬火及热处理中出现。
二是冷却速度较快。
如果奥氏体晶粒不是特别粗大，冷速比较快的时候也可能形成魏氏组织，但这 种魏氏组织不会有什么害处，有文献记载低级别魏氏组织能够增强材料的冲击 韧性。
2、魏氏组织的形成原因、危害及消除
魏氏体的危害：
在正火中不允许出现，由于其铁素体的形态有异于正常 的等轴状，在最终热处理会有增大变形的倾向。
2、魏氏组织的形成原因、危害及消除
碳钢锻后空冷魏氏组织 a）：45钢铁素体魏氏组织，100×；b）：T12钢渗碳体魏氏组织，500×
2、魏氏组织的形成原因、危害及消除
魏氏组织形成一般有两个原因: 一是热处理温度较高，导致奥氏体晶粒粗大；
如果奥氏体晶粒异常粗大，即使不大的冷速也可能形成魏氏组织，这种组 织的塑性和韧性比较差，并且大部分魏氏组织的产生是由于此；
1、带状组织的形成原因、危害及消除
28MnCr钢轧制状态
1、带状组织的形成原因、危害及消除
Cr12钢轧后淬火回火状态100x
1、带状组织的形成原因、危害及消除
消除方法： 铸造过程中控制钢水过热度、电磁搅拌等方式从坯料源头减 轻或避免带状组织； 锻造过程中控制始锻和终锻温度、扎后冷却速度和方式来减 少或避免带状组织； 锻后的带状组织可以用高温扩散退火后正火+回火的方法消除 或减轻。但是，锻件氧化严重，氧化皮较厚，热处理成本较高。
第三章 钢中带状组织、魏氏组织、 游离渗碳体的组织观察与检验
中碳钢退火后的珠光体 ＋铁素体组织
1、带状组织的形成原因、危害及消除
16Mn钢轧制状态
1、带状组织的形成原因、危害及消除
在实际的轧材中，与轧制方向平行的截面上往往会出现 带状的铁素体和珠光体。这种组织在合金钢中最常见。铁 素体和珠光体成带状出现的组织叫带状组织，也叫纤维组 织。带状组织的成因各不相同,但主要有以下2 种原因。