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实验五热处理工艺对碳钢的显微组织和性能的影响

一、实验目的

1、了解热处理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、基本原理

热处理是一种很重要的金属加工工艺方法。热处理的主要目的是改变钢的性能，热处理
工艺的特点是将钢加热到一定温度，经一定时间保温，然后以某种速度冷却下来，从而达到
改变钢的性能的目的。研究非平衡热处理组织，主要是根据过冷奥氏体等温转变曲线来确定。
热处理之所以能使钢的性能发生显著变化，主要是由于钢的内部组织结构发生了的一系
列的变化。采用不同的热处理工艺，将会使钢得到不同的组织结构，从而获得所需要的性能。
钢的热处理基本工艺方法可分为退火、正火、淬火和回火等。

（一）碳钢热处理工艺

1、加热温度

亚共析钢加热温度一般为+30-50℃，过共析钢加热温度一般为＋30-50℃（淬火）
Ac3Ac1
或Acm+50-100℃（正火）。
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℃）。实际生产中可根据钢种及要求作适当调整。
2、保温时间
在实验室中，通常按工件有效厚度，用下列经验公式计算加热时间：
t=a•D
式中t----加热时间（min）
a----加热系数（min/mm）
D---工件有效厚度（mm）
淬火后回火保温时间，要保证工件热透，使组织充分转变，一般为1~3小时，实验时，可
酌情减少。
3、冷却方式
钢退火采用随炉冷却到600-550℃以下再出炉空冷。正火采用空中冷却。淬火时常用水
或盐水冷却，合金钢常用油冷却。

（二）碳钢热处理后的组织

1、珠光体型组织
过冷奥氏体在高温区（至曲线鼻尖）转变的产物。随着奥氏体在冷却时过冷度的
Ar1C
增加，依次得到珠光体、索氏体、屈氏体。他们都是铁素体与渗碳体的细密机械混合物，但
铁素体与渗碳体的片层间距依次减小，组织的强度、硬度递增。

2、贝氏体型组织
过冷奥氏体在中温区（C曲线鼻尖与马氏体转变点M）进行等温淬火转变的产物。贝
s
氏体也是铁素体和渗碳体的机械混合物。
（1）上贝氏体：是在珠光体转变区稍下温度等温形成的。在光学显微镜下可观察到成
束的铁素体向奥氏体晶内伸展，呈羽毛状。
（2）下贝氏体：是在马氏体转变点(M)稍上的温度形成的。在光学显微镜下呈灰黑色
s
针状或竹叶状。与上贝氏体相比，下贝氏体不仅具有较高的硬度、强度、耐磨性，且有较高
的韧性及塑性。

3、马氏体组织
过冷奥氏体在低温区（Ms以下）转变的产物。马氏体是碳在铁素体中的过饱和固溶体。
马氏体组织形态主要有两种：
（1）片状马氏体：高碳马氏体，主要在高碳钢淬火组织中形成。在光学显微镜下观察呈
针状或竹叶状。马氏体针的粗细程度取决于淬火加热温度。例如T10钢在淬火加热温度较低
时（如760℃）由于奥氏体中的碳浓度不均匀，在光学显微镜下分辨不出它的形态，称之为
隐针马氏体；淬火温度稍高时（820℃）可见到短针状马氏体；若淬火温度提高到1000℃，
由于奥氏体晶粒粗大，从而获得粗大的马氏体。片状马氏体性能较硬且脆。
（2）板条马氏体：又称低碳马氏体。主要在低碳钢淬火组织中形成。在光学显微镜下观
察呈一束束相互平行的细长条状。一个奥氏体晶粒内可由几束不同取向的马氏体群，且束与
束之间有较大的位相差。它不仅具有较高的强度与硬度，还具有良好的韧性与塑性。
淬火组织中总会有一定数量的残余奥氏体，并且随着钢中含碳量的增加，淬火温度的提
高，残余奥氏体的相对量也会增加，残余奥氏体不易受硝酸酒精的侵蚀，在光学显微镜下呈
白亮色，无固定形态，难以与马氏体区分，因此常常需回火后才可分辨出马氏体间的残余奥
氏体。

4、回火组织：
钢淬火后一般都需要经回火才能满足性能要求。根据回火温度的高低，回火组织可分为
以下几类：
（1）回火马氏体：在150-250℃回火时形成的组织为回火马氏体。它是由极细小的弥散
的ε-碳化物和а-Fe组成。回火马氏体易于腐蚀，一般呈黑色，且保留原淬火针状马氏体
或淬火板条马氏体的形态，在光学显微镜下难以辨出其中的碳化物相。具有较高的强度及硬
度，且脆性较低。
（2）回火屈氏体：在350-450℃回火时形成的组织为回火屈氏体。它是由细片状或细粒
状渗碳体和铁素体组成。在光学显微镜下，碳化物颗粒仍不易分辨，但可观察到保持马氏体
形态的灰黑色组织，且马氏体形态的边界不十分清晰。它具有较高的屈服强度、弹性极限和
韧性。
（3）回火索氏体：在550-650℃回火时形成的组织为回火索氏体。它是由粒状渗碳体和
铁素体组成。在较高倍数的光学显微镜下可以观察到渗碳体的颗粒，此时马氏体形态已消失，
600℃以上回火时，组织中的铁素体为等轴晶粒。工业上称之为调质处理。回火索氏体具有
优良的综合性