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碳鋼熱處理后的組織

碳鋼熱處理后的晶體組織

一、概述

碳鋼經(jīng)退火、正火可得到平衡或接近平衡組織,經(jīng)淬火得到的是非平衡組織。因此,研究熱處理后的組織時(shí),不僅要參考鐵碳相圖,而且更主要的是參考鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線(C曲線)。

鐵碳相圖能說(shuō)明慢冷時(shí)合金的結(jié)晶過(guò)程和室溫下的組織以及相的相對(duì)量,C曲線則能說(shuō)明一定成分的鋼在不同冷卻條件下所得到的組織。C曲線適用于等溫冷卻條件;而CCT曲線(奧氏體連續(xù)冷卻曲線)適用于連續(xù)冷卻條件。在一定的程度上可用C曲線,也能夠估計(jì)連續(xù)冷卻時(shí)的組織變化。

1、共析鋼等溫冷卻時(shí)的顯微組織

共析鋼過(guò)冷奧氏體在不同溫度等溫轉(zhuǎn)變的組織及性能列于表1中。

 

2、共析鋼連續(xù)冷卻時(shí)的顯微組織

為了簡(jiǎn)便起見(jiàn),不用CCT曲線,而用C曲線(圖1)來(lái)分析。例如共析鋼奧氏體,在慢冷時(shí)(相當(dāng)于爐冷,見(jiàn)圖1中的υ1)應(yīng)得到100%的珠光體;當(dāng)冷卻速度增大到υ2時(shí)(相當(dāng)于空冷),得到的是較細(xì)的珠光體,即索氏體或屈氏體;當(dāng)冷卻速度增大到υ3時(shí)(相當(dāng)于油冷),得到的為屈氏體和馬氏體;當(dāng)冷卻速度增大至υ4、υ5(相當(dāng)于水冷),很大的過(guò)冷度使奧氏體驟冷到馬氏體轉(zhuǎn)變開始點(diǎn)(Ms)后,瞬時(shí)轉(zhuǎn)變成馬氏體,其中與C曲線鼻尖相切的冷卻速度(υ4)稱為淬火的臨界冷卻速度。

 


圖1 

   

          圖2

3、亞共析鋼和過(guò)共析鋼連續(xù)冷卻時(shí)的顯微組織

亞共析鋼的C曲線與共析鋼相比,只是在其上部多了一條鐵素體先析出線,如圖2所示。

當(dāng)奧氏體緩慢冷卻時(shí)(相當(dāng)于爐冷,如圖2中υ1),轉(zhuǎn)變產(chǎn)物接近平衡組織,即珠光體和鐵素體。隨著冷卻速度的增大,即υ3>υ2>υ1時(shí),奧氏體的過(guò)冷度逐漸增大,析出的鐵素體越來(lái)越少,而珠光體的量逐漸增加,組織變得更細(xì),此時(shí)析出的少量鐵素體多分布在晶粒的邊界上。

因此,v1的組織為鐵素體+珠光體;v2的組織為鐵素體+索氏體;v3的組織為鐵素體+屈氏體。

當(dāng)冷卻速度為v4時(shí),析出很少量的網(wǎng)狀鐵素體和屈氏體(有時(shí)可見(jiàn)到少量貝氏體),奧氏體則主要轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體和屈氏體(如圖3);當(dāng)冷卻速度v5超過(guò)臨界冷卻速度時(shí),鋼全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織(如圖6,圖7)。

過(guò)共析鋼的轉(zhuǎn)變與亞共析鋼相似,不同之處是后者先析出的是鐵素體,而前者先析出的是滲碳體。

4、各組織的顯微特征

(1)索氏體(s):是鐵素體與滲碳體的機(jī)械混合物。其片層比珠光體更細(xì)密,在高倍(700倍以上)顯微放大時(shí)才能分辨。

(2)托氏體(T) 也是鐵素體與滲碳體的機(jī)械混合物,片層比索氏體還細(xì)密,在一般光學(xué)顯微鏡下也無(wú)法分辨,只能看到如墨菊狀的黑色形態(tài)。當(dāng)其少量析出時(shí),沿晶界分布,呈黑色網(wǎng)狀,包圍著馬氏體;當(dāng)析出量較多時(shí),呈大塊黑色團(tuán)狀,只有在電子顯微鏡下才能分辨其中的片層(見(jiàn)圖3);

 

圖3   托氏體+馬氏體

圖4   上貝氏體+馬氏體

(3)貝氏體(B) 為奧氏體的中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物,它也是鐵素體與滲碳體的兩相混合物。在顯微形態(tài)上,主要有三種形態(tài):

A上貝氏體是由成束平行排列的條狀鐵素體和條間斷續(xù)分布的滲碳體所組成的非層狀組織。當(dāng)轉(zhuǎn)變量不多時(shí),在光學(xué)顯微鏡下為與束的鐵素體條向奧氏體晶內(nèi)伸展,具有羽毛狀特征。在電鏡下,鐵素體以幾度到十幾度的小位向差相互平行,滲碳體則沿條的長(zhǎng)軸方向排列成行,如圖4。

B下貝氏體是在片狀鐵素體內(nèi)部沉淀有碳化物的兩相混合物組織。它比淬火馬氏體易受浸蝕,在顯微鏡下呈黑色針狀(如圖5)。在電鏡下可以見(jiàn)到,在片狀鐵素體基體中分布有很細(xì)的碳化物片,它們大致與鐵素體片的長(zhǎng)軸成55~60°的角度。

C、粒狀貝氏體是最近十幾年才被確認(rèn)的組織。在低、中碳合金鋼中,特別是連續(xù)冷卻時(shí)(如正火、熱軋空冷或焊接熱影響區(qū))往往容易出現(xiàn),在等溫冷卻時(shí)也可能形成。它的形成溫度范圍大致在上貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)的上部,由鐵素體和它所包圍的小島狀組織所組成。

(4)馬氏體(M):是碳在a-Fe中的過(guò)飽和固溶體。馬氏體的形態(tài)按含碳量主要分兩種,即板條狀和針狀(如圖6、圖7所示)

 

圖5   下貝氏體

    圖6   回火板條馬氏體

A板條狀馬氏體一般為低碳鋼或低碳合金鋼的淬火組織。其組織形態(tài)是由尺寸大致相同的細(xì)馬氏體條定向平行排列組成馬氏體束或馬氏體領(lǐng)域。在馬氏體束之間位向差較大,一個(gè)奧氏體晶粒內(nèi)可形成幾個(gè)不同的馬氏體領(lǐng)域。板條馬氏體具有較低的硬度和較好的韌性。

B、針狀馬氏體是碳量較高的鋼淬火后得到的組織。在光學(xué)顯微鏡下,它呈竹葉狀或針狀,針與針之間成一定的角度。最先形成的馬氏體較粗大,往往橫穿整個(gè)奧氏體晶粒,將奧氏體晶粒加以分割,使以后形成的馬氏體的大小受到限制。因此,針狀馬氏體的大小不一。同時(shí)有些馬氏體有一條中脊線,并在馬氏體周圍有殘留奧氏體。針狀馬氏體的硬度高而韌性差。

 

圖7   針狀馬氏體+殘余奧氏體

    圖8   馬氏體+粒狀滲碳體

(5)殘余奧氏體(A殘) 是含碳量大于0.5%的奧氏體淬火時(shí)被保留到室溫不轉(zhuǎn)變的那部分奧氏體。它不易受硝酸酒精溶液的浸蝕,在顯微鏡下呈白亮色,分布在馬氏體之間,無(wú)固定形態(tài)。在圖8表示含碳1.2%的碳鋼正常淬火(780℃加熱),其組織為馬氏體+粒狀滲碳體+少量殘余奧氏體。

(6)鋼的回火組織與性能

A、回火馬氏體。是低溫回火(150~250℃)組織。它保留了原馬氏體形態(tài)特征。針狀馬氏體回火析出了極細(xì)的碳化物,容易受到浸蝕,在顯微鏡下呈黑色針狀。體溫回火后馬氏體針變黑,而殘余奧氏體不變?nèi)猿拾琢辽5蜏鼗鼗鸷罂梢圆糠窒慊痄摰膬?nèi)應(yīng)力,增加韌性,同時(shí)仍能保持鋼的高硬度。

B、回火屈氏體。是中溫回火(350~500℃)組織?;鼗鹎象w是鐵素體與粒狀滲碳體組成的極細(xì)混合物。鐵素體基體基本上保持了原馬氏體的形態(tài)(條狀或針狀),第二相對(duì)滲碳體則析出在其中,呈極細(xì)顆粒狀,用光學(xué)顯微鏡極難分辨(如圖9所示)。中溫回火后有很好的彈性和一定的韌性。

圖9 回火托氏體

 圖10 回火索氏體

C、回火索氏體:是高溫回火(500~650℃)組織?;鼗鹚魇象w是鐵素體與較粗的粒狀滲碳體所組成的機(jī)械混合物。碳鋼回火索氏體中的鐵素體已經(jīng)通過(guò)再結(jié)晶,呈等軸細(xì)晶粒狀。經(jīng)充分回火的索氏體已沒(méi)有針的形態(tài)。在大于500倍的光鏡下,可以看到滲碳體微粒(如圖10所示)?;鼗鹚魇象w具有良好的綜合機(jī)械性能。

應(yīng)當(dāng)指出,回火屈氏體、回火索氏體是淬火馬氏體回火時(shí)的產(chǎn)物,它們的滲碳體是顆粒狀的,且均勻地分布在鐵素體基體上;而淬火索氏體和淬屈氏體是奧氏體過(guò)冷時(shí)直接形成的,其滲碳體是呈片狀。回火組織較淬火組織在相同硬度下具有較高的塑性與韌性。

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