碳钢热处理后的组织分析

碳钢可以通过退火和正火获得平衡或接近平衡组织，淬火获得非平衡组织。因此，在研究热处理组织时，不仅要参考铁碳相图，还要参考钢的等温变化曲线(C曲线)。

铁碳相图可以说明合金的结晶过程、室温下的组织和相对量，C在不同的冷却条件下，曲线可以些成分的钢的组织。C曲线适用于等温冷却条件；CCT曲线(奥氏体连续冷却曲线)适用于连续冷却条件。可在一定程度上使用C曲线，也可以估计连续冷却时的组织变化。

1.共析钢等温冷却时的显微组织

表1中列出了不同温度等温变化的组织和性能。

2.共析钢连续冷却时的显微组织

为了简单起见，不需要CCT曲线，而用C分析曲线(图1)。例如，分析钢奥氏体，慢冷时(相当于炉冷，见图1V1)应获得的珠光体；当冷却速度增加到V2时(相当于空冷)，获得较细的珠光体，即索氏体或屈氏体；当冷却速度增加到V3时(相当于油冷)，得到屈氏体和马氏体；当冷却速度增加到V4、V5(相当于水冷)，极大的过冷使奥氏体突然冷却到马氏体转化的开始点(Ms)之后，马氏体瞬间转化，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。

图1

3.亚共析钢和过共析钢连续冷却时的显微组织

亚共析钢的C与共析钢相比，曲线只在其上部多了一条铁素体，如图2所示。

图2

当奥氏体冷却缓慢(相当于炉冷，如图2所示V1)产品接近平衡组织，即珠光体和铁素体。随着冷却速度的增加，即V3>V2>V1时，奥氏体的过冷度逐渐增加，沉淀的铁素体越来越少，珠光体的数量逐渐增加，组织越来越薄。此时，沉淀的少量铁素体主要分布在晶粒的边界上。

因此，v组织为铁素体 珠光体;v组织为铁素体 索氏体;v组织为铁素体 屈氏体。

冷却速度为v4时，沉淀少量网状铁素体和屈氏体（有时可见少量贝氏体），奥氏体主要转化为马氏体和屈氏体；冷却速度v当超过临界冷却速度时，所有钢都转化为马氏体组织。

过分析钢的转化类似于亚分析钢。区别在于后者首先沉淀铁素体，而前者首先沉淀渗碳体。

4.各组织的显微特征

(1)索氏体(s)：它是铁素体和渗碳体的机械混合物。其片层比珠光体更细，只有在高倍(700倍以上)显微放大时才能区分。

(2)托氏体(T) 也是铁素体与渗碳体的机械混合物，片层比索氏体还细密，在一般光学显微镜下也无法分辨，只能看到如墨菊状的黑色形态。当其少量析出时，沿晶界分布，呈黑色网状，包围着马氏体;当析出量较多时，呈大块黑色团状，只有在电子显微镜下才能分辨其中的片层(见图3);

图3 托氏体 马氏体

(3)贝氏体(B)奥氏体中温转化产物，它也是铁素体和渗碳体的两相混合物。显微形态主要有三种形式：

A、上贝氏体是一种非层状组织，由成束平行排列的条状铁素体和条间断续续分布的渗碳体组成。当变化不大时，光学显微镜下的束状铁素体条向奥氏体晶体伸展，具有羽毛状特征。在电镜下，铁素体以几度到十度的小位向差平行，而渗碳体沿条的长轴排列，如图4。

图4 上贝氏体 马氏体

B、下贝氏体是一种两相混合物组织，在片状铁素体内沉淀碳化物。它比淬火马氏体更容易被侵蚀，在显微镜下呈黑色针状（如图5所示）。在电镜下可以看到，片状铁素体基体中有非常薄的碳化物片，大致与铁素体片的长轴形成55~60°的角度。

图5 下贝氏体

C、粒状贝氏体是近十年才确认的组织。在低碳合金钢中，特别是在连续冷却（如正火、热轧空冷或焊接热影响区）时，在等温冷却时也可能形成。其形成温度范围大致在上贝氏体转换温度区的上部，由铁素体和其周围的岛状组织组成。

(4)马氏体(M)：是碳在a-Fe过饱和固溶体固溶体。马氏体的形状主要分为板条和针状(如图6和图7所示)两种。

图6 马氏体回火板条

图7 针状马氏体 残余奥氏体

A、条状马氏体一般是低碳钢或低碳合金钢的淬火组织。其组织形式是由大致相同尺寸的细马氏体条平行排列而成的马氏体束或马氏体领域。马氏体束之间的位差很大，几个不同的马氏体领域可以在奥氏体晶粒中形成。板条马氏体硬度低，韧性好。

B、针状马氏体是碳含量高的钢淬火后获得的组织。在光学显微镜下，它呈竹叶或针状，针与针之间形成一定的角度。**个形成的马氏体较厚，通常穿过整个奥氏体晶粒，分割奥氏体晶粒，限制未来形成的马氏体尺寸。针状马氏体的大小不同。与此同时，一些马氏体有中脊线，并在马氏体周围残留奥氏体。针状马氏体硬度高，韧性差。

(5)奥氏体残留(A残留物)含碳量大于0.5%的奥氏体淬火时保留在室温不变的奥氏体。不易被硝酸酒精溶液侵蚀，显微镜下呈白色，分

图8 马氏体 粒状渗碳体

(6)钢的回火组织和性能

A、马氏体回火。℃)组织。它保留了原马氏体的形态特征。针状马氏体回火沉淀出极细的碳化物，容易被腐蚀，显微镜下呈黑色针状。体温回火后，马氏体针变黑，残留的奥氏体仍然是白色和明亮的。淬火钢的内应力可以在低温回火后部分消除，提高韧性，保持钢的高硬度。

B、屈氏体回火。℃)组织。回火屈氏体是由铁素体和粒状渗碳体组成的极细混合物。铁素体基体基本保持原马氏体的形状(条状或针状)，其中第二相对渗碳体沉淀，呈极细颗粒状。用光学显微镜很难区分(如图9所示)。中温回火后弹性好，韧性好。

图9 回火托氏体

C、回火索氏体:高温回火(500~6500℃)组织。回火索氏体是由铁素体和粗粒状渗碳体组成的机械混合物。碳钢回火索氏体中的铁素体已经再结晶，呈等轴细粒状。完全回火的索氏体没有针状。在500倍以上的光镜下，可见渗碳体颗粒(如图10所示)。回火索氏体具有良好的综合机械性能。

图10 回火索氏体

应指出，回火屈氏体和回火索氏体是淬火马氏体回火的产物，其渗碳体为颗粒状，均匀分布在铁素体基体上；淬火索氏体和淬火屈氏体直接在奥氏体过冷时形成，其渗碳体为片状。回火组织在相同硬度下的塑性和韧性高于淬火组织。