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(kāi)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。回火屈氏體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。回火索氏體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）。回火索氏體具有良好的綜合機(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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