针状铁素体钢的性能和显微组织
实验四 淬火回火综合性实验
实验四综合性实验淬火、回火工艺对钢的显微组织和性能的影响一、实验目的1、了解淬火、回火工艺对钢的显微组织和性能的影响；2、熟悉热处理的基本操作规程。
二、实验说明淬火是将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间，随即浸入淬冷介质中快速冷却的金属热处理工艺。
常用的淬冷介质有盐水、水、矿物油、空气等。
淬火可以提高金属工件的硬度及耐磨性，因而广泛用于各种工、模、量具及要求表面耐磨的零件（如齿轮、轧辊、渗碳零件等）。
通过淬火与不同温度的回火配合，可以大幅度提高金属的强度、韧性及疲劳强度，并可获得这些性能之间的配合（综合机械性能）以满足不同的使用要求。
另外淬火还可使一些特殊性能的钢获得一定的物理化学性能，如淬火使永磁钢增强其铁磁性、不锈钢提高其耐蚀性等。
淬火工艺主要用于钢件。
常用的钢在加热到临界温度以上时，原有在室温下的组织将全部或大部转变为奥氏体。
随后将钢浸入水或油中快速冷却，奥氏体即转变为马氏体。
与钢中其他组织相比，马氏体硬度最高。
淬火时的快速冷却会使工件内部产生内应力，当其大到一定程度时工件便会发生扭曲变形甚至开裂。
为此必须选择合适的冷却方法。
根据冷却方法，淬火工艺分为单液淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火和贝氏体等温淬火4类。
回火是工件淬硬后加热到AC1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。
回火一般紧接着淬火进行，其目的是：(a)消除工件淬火时产生的残留应力，防止变形和开裂；(b)调整工件的硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求；(c)稳定组织与尺寸，保证精度；(d)改善和提高加工性能。
因此，回火是工件获得所需性能的最后一道重要工序。
按回火温度范围，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火。
（一）碳钢热处理工艺1、加热温度亚共析钢加热温度一般为Ac3+30-50℃，过共析钢加热温度一般为Ac 1＋30-50℃（淬火）。
淬火后回火温度有三种，即：低温回火（150-250℃）、中温回火（350-500℃）、高温回火（500-650℃）。
铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、贝氏体、魏氏组织、马氏体、莱氏体.
铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、贝氏体、魏氏组织、马氏体、莱氏体.钢铁由铁矿石提炼而成，来源丰富，价格低廉。
钢铁又称为铁碳合金，是铁（Fe）与碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、磷（P）、硫（S）以及其他少量元素（Cr、V等）所组成的合金。
通过调节钢铁中各种元素的含量和热处理工艺（四把火：淬火、退火、回火、正火），可以获得各种各样的金相组织，从而使钢铁具有不同的物理性能。
将钢材取样，经过打磨、抛光，最后用特定的腐蚀剂腐蚀显示后，在金相显微镜下观察到的组织称为钢铁的金相组织。
钢铁材料的秘密便隐藏在这些组织结构中。
在Fe-Fe3C系中，可配制多种成分不同的铁碳合金，他们在不同温度下的平衡组织各不相同，但由几个基本相（铁素体F、奥氏体A和渗碳体Fe3C）组成。
这些基本相以机械混合物的形式结合，形成了钢铁中丰富多彩的金相组织结构。
常见的金相组织有下列八种：1. 铁素体碳溶于α-Fe晶格间隙中形成的间隙固溶体称为铁素体，属bcc结构，呈等轴多边形晶粒分布，用符号F表示。
其组织和性能与纯铁相似，具有良好的塑性和韧性，而强度与硬度较低（30-100 HB）。
在合金钢中，则是碳和合金元素在α-Fe中的固溶体。
碳在α-Fe中的溶解量很低，在AC1温度，碳的最大溶解量为0.0218%，但随温度下降的溶解度则降至0.0084%，因而在缓冷条件下铁素体晶界处会出现三次渗碳体。
随钢铁中碳含量增加，铁素体量相对减少，珠光体量增加，此时铁素体则是网络状和月牙状。
2. 奥氏体碳溶于γ-Fe晶格间隙中形成的间隙固溶体称为奥氏体，具有面心立方结构，为高温相，用符号A表示。
奥氏体在1148℃有最大溶解度2.11%C，727℃时可固溶0.77%C；强度和硬度比铁素体高，塑性和韧性良好，并且无磁性，具体力学性能与含碳量和晶粒大小有关，一般为170~220 HBS、 =40~50%。
TRIP钢（变塑钢）即是基于奥氏体塑性、柔韧性良好的基础开发的钢材，利用残余奥氏体的应变诱发相变及相变诱发塑性提高了钢板的塑性，并改善了钢板的成形性能。
钢中的魏氏组织
Science &Technology Vision 科技视界0前言钢中的魏氏组织分两类:铁素体型魏氏组织和渗碳体型魏氏组织。
本文所研究的是亚共析钢(16Mn)中的魏氏组织,即铁素体型魏氏组织。
魏氏组织由Widmanstātter 最先在Fe-Ni 陨石中发现,是按一定几何形状分布的针状组织。
通常所说的魏氏组织钢中先共析的铁素体或渗碳体不仅沿奥氏体晶界析出,而且在奥氏体晶粒内部以一定的位向关系呈片状(在显微镜下呈针状态),而研究较多的是先共析片状铁素体即魏氏组织铁素体。
通常认为魏氏组织是一种过热组织,降低钢的机械性能,因此常用正火方法予以消除。
但后来的研究表明,魏氏组织并不是过热的标志。
姚枚、范莹隆等证实了它可分为交叉针状和平行针状两类,并发现形成以交叉针状铁素体为主的魏氏组织时,钢材的抗冷脆性好。
范莹隆等已研究了亚共析钢中魏氏组织铁素体的形貌,探讨其形成机制,以达到指导生产实践的目的。
本文就是在上述结论的基础上进一步证实了魏氏组织的F 形态可分为交叉和平行两种形状,连续观察磨光试样在形成魏氏组织时的浮凸,并通过浮凸与组织对应比较获得魏氏组织形成机制的有关组织。
1试验材料及方法本试验采用16Mn 钢,其化学成分见表1表1为获得两类魏氏组织,采用两种不同温度650℃和560℃盐浴等温(盐浴的配比为31%BaCl 2+48%CaCl 2+21%NaCl,其熔点为435℃)一定时间后用10%NaCl 盐水淬的方法,其奥氏体化为用管式高温炉加热到1100℃保温10分钟,试样加工成10*15*2mm。
腐蚀剂为4%硝酸酒精溶液。
2试验结果与分析2.1通过盐浴等温试验获得的组织650℃等温15s 试样中,沿奥氏体晶界出现白色的块状铁素体,而在晶粒内部有少部分的杂乱分布针状铁素体,其组织为块状F+交叉针状F+其它产物。
我们可把此块状F 看成也为交叉针状F,它们的分布是随机的;560℃等温15s 试样中,可看到沿奥氏体晶界向晶粒内部伸长的平行针状铁素体,在晶粒内部亦有平行块状铁素体的析出。
金属材料学
第一章合金化原理碳钢中的常存杂质1.锰（Mn ）和硅（Si ）炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中的。
Mn：可固溶，也可形成高熔点MnS（1600℃）夹杂物。
MnS在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆。
Si：可固溶，也可形成SiO2夹杂物。
Mn和Si是有益杂质，但夹杂物MnS、SiO2将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降。
2．硫（S）和磷（P）S：S和Fe能形成FeS，并易发生热脆(裂)。
P：可固溶于α-铁，但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。
磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能。
S和P是有害杂质，但可以改善钢的切削加工性能。
3．氮（N）、氢（H）、氧（O）N：在α-铁中可溶解。
N可以与钒、钛、铌等形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化。
H：在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。
O：在钢中形成硅酸盐2MnO•SiO2、MnO•SiO2或复合氧化物MgO•Al2O3、MnO•Al2O3。
N、H、O是有害杂质。
碳钢的分类1．按钢中的碳含量1）按Fe-Fe3C相图分类亚共析钢0.0218%≤w c≤0.77% 共析钢w c=0.77% 过共析钢：0.77%＜w c≤2.11%2）按钢中碳含量的多少分类低碳钢：w c ≤0.25% 中碳钢：0.25%＜w c≤0.6% 高碳钢：w c＞0.6%2．按钢的质量（品质），碳钢可分为（1）普通碳素钢（2）优质碳素钢（3）高级优质碳素钢（4）特级优质碳素钢3．按钢的用途分类，碳钢可分为（1）碳素结构钢（2）优质碳素结构钢（3）碳素工具钢（4）一般工程用铸造碳素钢4．按钢冶炼时的脱氧程度分类，可分为（1）沸腾钢F （2）镇静钢Z （3）半镇静钢b （4）特殊镇静钢TZ碳钢的用途1-普通碳素结构钢（1）主要用于一般工程结构和普通零件（2）热轧后空冷是这类钢通常的供货状态。
（3）普通碳素结构钢的牌号表示方法由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、b、Z、TZ）等四个部分按顺序组成。
X60和X100钢显微组织与HIC性能的关系
X60和X100钢显微组织与HIC性能的关系卢宋乐;柳伟;王婷婷;张翼;王学敏;路民旭【摘要】采用NACE标准对X60和X100两种管线钢进行氢致开裂(HIC)试验,并通过金相显微镜和扫描电镜观察显微组织及夹杂物对两种管线钢氢致开裂性能的影响.结果表明,与X60钢相比,X100钢对HIC更为敏感,其裂纹数量远多于X60钢.X60钢在珠光体/铁素体界面上形成细裂纹,在铁的碳化物和Al-O-Ti夹杂物处形成粗裂纹.X100钢在贝氏体组织上形成细裂纹,在贝氏体组织和夹杂物的共同作用下形成粗裂纹.由于X100钢晶粒尺寸小,由夹杂物作为氢陷阱形成的粗裂纹宽度远小于X60钢中的.除了铁的碳化物和钙化的Al-O-Ti夹杂物,X100钢裂纹中出现更加复杂的Mn-Ca-Mg-Si-O-S多元素复合夹杂,钼元素的富集物对裂纹的扩展影响不显著.【期刊名称】《腐蚀与防护》【年(卷),期】2015(036)012【总页数】5页(P1132-1136)【关键词】X100管线钢;氢致开裂(HIC);显微组织;夹杂物【作者】卢宋乐;柳伟;王婷婷;张翼;王学敏;路民旭【作者单位】北京科技大学新材料技术研究院,北京100083;北京科技大学新材料技术研究院,北京100083;北京科技大学新材料技术研究院,北京100083;北京科技大学新材料技术研究院,北京100083;北京科技大学材料物理与化学系,北京100083;北京科技大学新材料技术研究院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TG172近年来随着石油工业的发展，采用的管线钢级别逐渐增大[1-3],但高强度管线钢具有更高的氢致开裂敏感性。
因此，管线钢的氢致开裂行为成为了石油管道破坏的研究重点。
管线钢的显微组织会对钢材的氢致开裂敏感性产生很大影响[4-5]，除此之外钢材中的硬质相、非金属夹杂也可作为裂纹源而影响开裂行为[6-7]。
有一些学者针对高级别管线钢的显微组织和相关的力学性能做了研究，探讨了管线钢中常见的几种组织和析出物[8-9]。
碳素钢、低合金钢常见金相组织形态及硬度
碳素钢、低合金钢常见金相组织形态及硬度1．铁素体（F）—原系外来语（Ferrite）译名，台湾文献译为肥粒铁。
铁素体系碳溶于体心立方晶格的α-Fe中所形成的间隙固溶体［α-Fe（C）］。
以4％硝酸酒精溶液腐蚀，在光学显微镜下观察，铁素体呈明亮的等轴多边形。
由于各晶粒位向不同，受腐蚀程度略有差别，故稍显明暗不同。
铁素体在不同处理状态亦可呈块状、月牙状、网络状等形态，硬度在100HB左右。
2．渗碳体（θ相）—原系外来语（Cementite）译名，台湾文献译为雪明碳铁。
渗碳体系铁和碳的化合物，含碳量为 6.69％，分子式为Fe3C，在合金钢中，渗碳体中的Fe原子可以为其他合金元素原子所置换，形成合金渗碳体［（Fe，Me）3C］。
渗碳体是一种具有复杂晶格结构的间隙化合物。
渗碳体硬度很高（800~1000 HV），而塑性及冲击韧度几乎为零，脆性很大。
其显微组织形态很多，不受硝酸酒精试剂腐蚀（染色），在光学显微镜下呈白亮色，在碱性苦味酸钠腐蚀下，被染成黑色。
渗碳体是钢中的主要强化相，有片状、粒状、网络状、半网络状等形态，其形态与分布对钢的力学性能有很大影响。
3．珠光体（P）—原系外来语（Pearlite）译名，台湾文献译为波莱铁。
珠光体是铁碳合金相图中的共析转变产物（F+Fe3C），是铁素体和渗碳体的机械混合物，因具有这种组织的样品抛光蚀刻后有珠母贝的光泽而得名。
有片（层）状和球（粒）状等不同形态和分布方式。
珠光体用4％硝酸酒精溶液腐蚀，F和Fe3C交界处腐蚀较深，在直射光照射下变成黑色线条，可清晰看到层状，粒状等形态和分布情况。
4．奥氏体（A）—因这种组织的发现人Austen而得名，台湾文献译为沃斯田铁。
奥氏体系碳溶于面心立方晶格γ-Fe中所形成的固溶体［γ-Fe（c）］，常以符号A表示。
奥氏体中的碳也是存在于γ-Fe 晶体的间隙固溶体。
奥氏体存在于727~1495℃的温度区间，是一种高温相，不易腐蚀，呈白色，若先用4％硝酸酒精溶液腐蚀，再用10％过硫酸铵溶液腐蚀，则奥氏体可染成黑色。
下贝氏体和上贝氏体在组织和性能上有何区别
下贝氏体和上贝氏体在组织和性能上有何区别呢,上贝氏体－过饱和针状铁素体和渗碳体的混合物，渗碳体在铁素体针间。
过冷奥氏体在中温（约350~550℃）的相变产物，其典型形态是一束大致平行铁素体板条，并在各板条间分布着沿板条长轴方向排列的碳化物短棒或小片；典型上贝氏体呈羽毛状，晶界为对称轴，由于方位不同，羽毛可对称或不对称，铁素体羽毛可呈针状、点状、块状。
若是高碳高合金钢，看不清针状羽毛；中碳中合金钢，针状羽毛较清楚；低碳低合金钢，羽毛很清楚，针粗。
一般不穿晶，只在一个晶粒内。
上贝氏体的渗碳体是以片状分布在界面，很大程度上降低了材料的塑性和韧性。
下贝氏体－同上，但渗碳体在铁素体针内。
过冷奥氏体在350℃~Ms的转变产物。
其典型形态是双凸透镜状含过饱和碳的铁素体，并在其内分布着单方向排列的碳化物小薄片；在晶内呈针状，针叶不交叉，但可交接。
下贝氏体在性能上和马氏体接近，强度，硬度较高，其渗碳体以弥散的质点相分布在基体中，有很不错的强韧性，综合性能较好。
关于贝氏体：（1）上贝氏体为过冷奥氏体在550~400℃温区等温形成的一种组织，由铁素体和渗碳体组成，在光学显微镜下观察，呈羽毛状。
上贝氏体常沿奥氏体晶界形核，向晶内发展。
从电子显微照片上可以看到：在平行的铁素体条间有短棒状或串珠状渗碳体断续分布，其硬度为35~45HRC。
上贝氏体的铁素体内含有一定程度的过饱和碳量，具有体心立方点阵，与奥氏体保持严格的晶格学位向关系，过去认为是西山关系，进一步研究证明为K-S关系，其惯习面为（111）A。
在磨光的试样表面呈现浮凸。
上贝氏体机械性能低劣，使用价值不大。
（2）下贝氏体下贝氏体为过冷奥氏体于400~200℃温区形成的一种组织。
其组织形态与上贝氏体明显不同，类似于片状马氏体的回火组织。
在光学显微镜下呈黑色片状（针状或竹叶状），互成一定角度。
在电子显微镜下观察或X射线结构分析：这种组织乃是由过饱和α固溶体与其长轴成50~60o角度分布的碳化物质点形成。
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。
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控轧低C-Mn-Mo-Nb针状铁素体钢的性能和显微组织付俊岩、东涛等摘要：本文专门讨论了低C-Mn-Mo-Nb针状铁素体钢的组织形态及其结构的特征，并阐明了主要控轧工艺因素对钢的组织和性能的影响。
关键词：针状铁素体，组织，性能1前言微合金化和控制轧制技术的发展为生产高强度、高韧性、良好可焊性和成形性的结构钢提供了极其广阔的发展领域。
七十年代初，为适应高寒地带大口径石油天然气输送管线工程对材料高强度、低温韧性、可焊性等综合性能不断增长的要求，在Mn-Nb系HSLA钢的基础上，降碳（≤0.06%C）提锰（>1.6%Mn）加钼(0.15~0.54%Mo)，发展了X-70级低 C-Mn-Mo-Nb系针状铁素体钢(AF)[1][2]。
这种针状铁素体钢控轧状态的屈服强度可达470-530MPa，夏氏V型缺口冲击平台能可达165J，50%剪切断口的脆性转折温度（FATT）可低于-60℃以下[3]。
针状铁素体钢比常规铁素体珠光体钢优越的另一个主要特点，是在制管成型过程中有较大的加工硬化特性，可抵消包申格效应引起强度的损失，这对高强度厚壁大口径管线用U-O-E和螺旋焊管的制造是很重要的[1~4]。
X-70低C-Mn-Mo-Nb钢的最佳性能是通过合金成分的合理设计和最佳控轧工艺参量的选择，利用轧制过程中的晶粒细化、相变和位错强化、固溶强化、沉淀强化、亚晶强化等机制，按预期要求的方向发展而获得的。
关于合金元素的作用及控制轧制工艺提高钢材强韧性的机制，已有许多文章报导[3~7]。
在本文作者的另一项工作中[8]，也进行了系统的研究，确认采用Ⅱ型控轧低C-Mn-Mo-Nb钢可得到理想的强韧性配合，σs≥550MPa，vTrs<-100℃，而且性能对加工条件不敏感。
本文以研制X-70壁厚小于12.7mm，高韧性螺旋焊管线用热轧带钢为目标，就控轧低C-Mn-Mo-Nb针状铁素体钢性能和显微组织结构进行了研究，以探讨性能-组织-工艺之间的内在关系。
2 试验准备试验用钢化学成分见表1。
用100KW中频感应电炉非真空冶炼。
试验的准备和加工条件见图1。
试验轧机ф300，轧制速度45米/分。
表1、试验用钢化学成分（%）钢号 C Si Mn P S Mo 钢1# 0.05 0.18 1.87 <0.0050.008 0.18钢2# 0.05 0.15 1.60 <0.0050.008 0.42钢3# 0.05 0.15 1.61 <0.0050.007 0.37Nb Al N Ti Ceq ※ Pcm ※※0.05 — — —0.396 0.1165 0.05 0.07 0.005 — 0.40 0.1585 0.11 0.08 0.005 0.005 0.39 0.1551[注] ※ 碳当量155Cu Ni V Mo Cr b Mn C Ceq ++++++= ※※焊接裂纹敏感指数 B Ni Mo V Si Cr Cu Mn C Pcm 56015103020++++++++=图1、轧制工艺条件示意图制度A 为普通轧制，其加热温度和开轧温度较高，终轧温度980℃处于奥氏体再结晶温度以上[7][9]。
B 制度均属于Ⅱ型控轧，终轧温度800℃，但冷却方式不同。
B 1为轧后空冷。
B 2为轧后水淬2秒冷至620℃左右空冷，称做中间淬火处理。
B 3为模拟热连轧带钢实际生产过程层流冷却及随后卷取的生产条件，在轧后加速冷却后，随即装入580℃等温炉中保持1~4小时，出炉空冷，称之模拟卷取处理。
C 制度的终轧温度为730℃，低于Ar 3相变点，为（γ+α）两相区控轧的模拟卷取处理。
从钢板取纵向试样做拉伸试验，取横向夏比V 型缺口冲击试样，在20~-100℃ 不同温度下进行冲击试验，以检验钢的综合力学性能。
应用光学显微镜，扫描电镜、透射电镜（复型和金属薄膜）对钢的显微组织进行观察和结构分析。
X射线衍射仪测定钢中残余奥氏体量。
3 结果和讨论3．1 力学性能图2为各试验钢号在不同控轧工艺状态下的力学性能。
由图可见，低Mo的钢1#除在A、B1制度下的屈服强度低于API 5L X70级管线钢的标准[2]（最低屈服强度为483MPa）外，均有较好的强韧性。
在Ⅱ型控轧模拟卷取的状态下（B3），-40℃的横向夏比V型缺口冲击韧性有所改善，具有最好的强韧配合：σs≥588MPa，δs=20%，Cv-40℃≥80J，vT40J<-100℃。
而高Mo的钢2#和钢3#，在Ⅱ型控轧自然冷却的状态下（B1）就可获得较好的强韧配合：σs>550MPa，δ≥23%，Cv-40℃=130J，vT40J<-100℃。
按标准要求有较大的余量。
图2 试验钢种在不同轧制工艺条件下的力学性能3．2 显微组织应用光学显微镜，扫描电镜和透射电镜及X射线衍射仪对各试验钢号在不同控轧工艺状态下显微组织进行了观察和结构分析。
(1) 组织的组成组织观察表明，各试验钢号在不同控轧工艺条件下的组织组成均为针状铁素体（AF）、多边形铁素体（PF）和少量的贝氏体（B）、马氏体或马氏体-奥氏体（M-A）岛状第二相及细小弥散的Nb（CN）析出相的混合组织。
根据合金含量和控轧工艺条件的不同，各组成物相对体积分量是不同的。
典型数值为30~70%针状铁素体，5~10%的贝氏体、马氏体和残余奥氏体，其余为多边形铁素体。
例如，在Ⅱ型控轧自然冷却（B1）状态下，钢1#为以多边形铁素体为主的混合组织，见图3-1和图3-3。
而高Mo的钢2#则是以针状铁素体为主的混合组织，见图3-2。
图3-3、图3-6为钢1在B1、B2、B3、C制度下的扫描电镜显微组织相。
组织观察表明，随着轧后冷却速度加快，中间淬火（图3-4）和模拟卷取（图3-5）试样的组织由多边形铁素体转变为针状铁素体为主的混合组织。
而（γ+α）两相区轧制的试样（图3-6），虽仍以针状铁素体为主，但多边形铁素体数量明显增多了。
图3-2 钢2# B 1制度 ×800金相组织图3-1 钢1# B 1制度 ×800金相组织图3-4 钢1# B 2制度×320 扫描电镜组织相图3-3 钢1# B 1制度×1250扫描电镜组织相图3-6 钢1# C 制度×320 扫描电镜组织相图3-5 钢1# B 3制度×320扫描电镜组织相 图3 钢1#和钢2#在不同控轧工艺状态下的光学和扫描电镜组织（2） 针状铁素体形态及其亚结构金属薄膜透射电镜观察和选区电子衍射分析表明，针状铁素体是由低取向差所分离出来的近似平行的板条铁素体所组成，板条之间为小角晶界，其形态细而长，长宽比1/4~1/8，有类似于低碳板条马氏体的形貌，如图4所示。
经测定针状铁素体的板条平均宽度随冷却速度的提高而减小，在中间淬火状态（B 2）下，其平均板条宽度为0.5微米。
针状铁素体内有较高的位错密度（1010~1011厘米-2），位错呈缠结或网格组态（见图4-2）。
这种缠结或存在节点的位错网格组态有利于使位错稳定而保持较高的位错密度。
众所周知，板条铁素体的尺寸、位错密度及其结构形式是决定着钢强韧性的重要因素，故可以认为细小针状铁素体的高密度位错亚结构及其良好的位错组态是构成针状铁素体钢比多边形铁素体钢有较高强韧性的内在因素，同时高密度的位错亚结构又为第2相Nb （CN ）的沉淀形核提供了必要的位置条件。
关于以相变强化控轧钢在较低的转变温度下产生的针状产物，在文献中命名是不一致的，如有低碳贝氏体，粒状贝氏体，块状铁素体或针状铁素体等名称[10][11]。
就针状铁素体和低碳贝氏体的转变机制和组织特征来看，确有许多共同之处。
但针状铁素体的一个重要特点，是其伴生的碳化物形态远不如贝氏体组织那么规整，而且数量很小，以致难以鉴别出渗碳体的存在。
因此，用光学金相显微镜观察，针状铁素体组织是杂乱无章的，难以辨认。
其另一个特点，是针状铁素体不象贝氏体组织那样，存在明显的原始奥氏体晶界网络。
因此，就避免了大角晶界所存在的沉淀物或夹杂偏析造成的脆性，从本质上赋予针状铁素体钢比贝氏体钢有较高的冲击断裂功和较低的脆性转变温度[1][2]。
原始奥氏体晶界的存在与否，这也是区别针状铁素体和贝氏体的一个重要方法。
文献[1][12][13]指出，针状铁素体是在控轧后连续过程中，在稍高于贝氏体转变温度区间的温度下，以切变和扩散的混合方式转变而成的非等轴铁素体相。
因此，可把针状铁素体钢看做是在很低碳含量下的低碳贝氏体钢的延伸[14]。
从广义上讲，针状铁素体应属于贝氏体范畴[11][12]。
（3）多边形铁素体组织观察表明，在针状铁素体基体中，多边形铁素体（包括亚晶粒在内）常以几个连在一起或形成一个等轴铁素体群夹杂于针状铁素体周围，晶粒尺寸细小，平均粒径<3微米。
见图5。
多边形铁素体的数量和晶粒尺寸随合金总量及控轧工艺规范（变形量、终轧温度、冷却速度、卷取温度）不同而异。
透射电镜观察表明，多边形铁素体内的位错密度很低。
但在（γ+α）两相区轧制时，变形的多边形铁素体中位错密度明显增高（图5-2），这就是为图4-2 钢1# B 2制度×36000图4-1 钢1# B 2制度×10000 图4 薄膜透射电镜针状铁素体的电子衍衬相什么钢1#在C 制度下，虽比B 3制度有较多的多边形铁素体，其拉伸强度不降低的原故。
（见图2）图5-1 钢1# B 2制度 ×8000 Ⅱ型控轧的AF 和PF 的混合组织图5-2 钢1# C 制度 ×22000 二相区轧制变形的AF 和PF 的混合组织 图5 针状铁素体和多边形铁素体混合组织的透射电镜衍衬相（4） 岛状富碳相扫描电镜和透射电镜的观察及选区电子探针和电子衍射分析表明，在控轧低C-Mn-Mo-Nb 针状铁素体钢的铁素体晶粒之间夹杂分布着一些细小的外形不规则的岛状富碳相，其体积分量约5-10%，见图6。
岛状富碳相的数量多少与总合金含量及控轧工艺促进分离型相变有关[11][16]。
这种岛状富碳相，最早是Biss 和Crydeman [15]在低碳贝氏体钢中发现的，并把钢中存在的岛状单相马氏体、奥氏体或马氏体-奥氏体混合相命名为M-A 相。
以后在控轧低C-Mn-Mo-Nb 针状铁素体钢中[4][17][18]及其他低合金贝氏体钢中[9][20][21]也证实普遍都存在着这种岛状M-A 相。
M-A 相的存在无疑是奥氏体富碳的结果。
本试验应用扫描电镜电子探针对岛状第2相进行微区分析。
鉴于以往扫描电镜用的金相试样是用含碳的化学试剂腐蚀的，势必在试样表面覆盖一层碳，给电子探针微区分析定碳带来困难。
为此，本试验采用机械抛光试样，在离子轰击装置中进行离子剥离，以刻蚀出组织形貌，然后在扫描电镜下进行观察和探针微区分图6-2 钢1# C 制度×22000 透射电镜衍衬相 图6-1 钢2# B 1制度×625 扫描电镜组织相 图6 岛状富碳相的扫描电镜和透射电镜组织相析碳。