本期介绍部分中碳合金钢、弹簧钢的金相组织，与之对应的热处理工艺，加工性能、机械性能。
图1 500X
【资料图】
图号：图1
材料：30Cr
工艺情况：调质处理
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：保持马氏体位向的回火索氏体和极少量铁素体。基体硬度为31HRC。高强度螺栓采用中碳合金钢调质处理，可以获得良好的综合力学性能。
图2 500X
图号：图2
材料：30Cr
工艺情况：调质后再经760℃保温1.5h退火处理
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：均匀的珠光体及铁素体。原索氏体组织经退火达到平衡态，硬度及强度均必然下降。
图3 500X
图号：图3
材料：30Mn
工艺情况：880℃淬水，180℃回火
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：粗大的板条马氏体呈筐篮结构。硬度为44~45HRC。30Mn钢的强度与淬透性比相应的碳素钢高，淬火易形成板条状马氏体。
图4 500X
图号：图4
材料：30Mn
工艺情况：850℃淬水，200℃回火
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：针状马氏体和板条状马氏体。硬度47.5~48.5HRC。30Mn钢一般在正火状态下应用，它切削加工性良好，焊接性及冷变时的塑性尚好。
图5 500X
图6 500X
图号：图5、图6
材料：30SiMn
工艺情况;调质处理(920℃淬水，650℃回火)
浸蚀方法：图5，未浸蚀图6，4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：图5，抛光态下可见一些链状、环状白色相。
图6 500X
图6，同一试样浸蚀后白色相仍可见，基体组织为回火索氏体。
样品经定性、定量分析表明，硼含量达0.017%，超过标准规定的含量(一般含硼钢为0.002%~0.005%)，故推断白色链状相为硼化物共晶体。含有这种相的材料，极易脆断。
图7 500X
图号：图7
材料：30SiMn
工艺情况：860℃连续炉淬水，520℃连续炉回火
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：托氏体、索氏体和少量回火马氏体，组织细小。硬度465~475HV0.3。30SiMn钢是一种经济型调质钢。常以调质状态用于建筑中的预应力钢筋。本试样为组织控制正常的钢筋，经测试有较好强度及韧性。
图8 500X
图号：图8
材料：30CrMnSi
工艺情况：调质
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：高强度螺栓螺纹处纵切面组织形貌，保持马氏体位向的回火索氏体，近表面有贫碳现象，并出现极少量的铁素体。心部区域硬度294~296HV0.2。近表层区域硬度为250~275HV0.2。
30CrMnSi是国家标准推荐用于高强度螺栓的钢种，它有较好的综合性能，作为高强度螺栓表层组织要求既不能脱碳也不能增碳。
图9 500X
图号：图9
材料：30CrMnSi
工艺情况：淬水，230℃回火
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：回火马氏体，少量残余奥氏体和少量未溶铁素体。30CrMnSi钢是飞机制造业中使用最广泛的一种调质钢，在调质状态下具有较高的强度和足够的韧性。常以锻件状态用于制造各种机械加工件、饭金件和焊接件等。30CrMSi钢的淬透性并不高，油淬时可淬透Φ25mm直径。为了提高该钢的综合力学性能，减少零件的变形，Φ15mm或厚8mm以下零件可采用等温淬火。350℃以下等温淬火可获得贝氏体组织。
图10 500X
图号：图10
材料：30SiMnMoVA
工艺情况：860℃正火
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：珠光体、铁素体和贝氏体，具有较明显带状偏析。
30SiMnMoVA钢由于Si、Mn、Mo和V的综合强化作用，经调质后具有良好的性能，Mo、V具有细化晶粒和提高回火稳定性的作用，Mo同时也具有消除回火脆性的作用，Si和Mn可以提高钢的淬透性，并能溶于铁素体，增加铁素体的强度，但SiMn也容易产生分偏析，有时为了使调质处理的组织更加均匀，调质前可先进行正火处理，以便进一步提高调质组织的性能。
图11 500X
图号：图11
材料：30SiMnMoVA
工艺情况：890℃正火
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：珠光体、铁素体和贝氏体，带状偏析比之860℃正火，得到进一步的改善。图中间有一条灰色硫化夹杂物。
图12 500X
图号：图12
材料：30SiMnMoVA
工艺情况：920℃正火
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：大部分为贝氏体，其余为珠光体和少量铁素体。带状偏析基本消除，但组织比较粗大。
图13 500X
图号：图13
材料：30SiMnMoVA
工艺情况：890℃正火，880℃淬火，650℃回火
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：均匀的回火索氏体。由于正火和淬火的温度选择适当，消除了部分成分偏析，使显微组织更加均匀化。
由此看来，正火后再进行调质处理，才能获得良好的组织和性能。
图14 500X
图号：图14
材料：30SiMnMoVA
工艺情况：840℃正火，880℃淬火，650℃回火
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：回火索氏体。淬火温度适当，但正火温度偏低，存在黑色的偏析区。
图15 500X
图号：图15
材料：30SiMnMoVA
工艺情况：890℃正火，840℃淬火，650℃回火
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：回火索氏体和少量贝氏体。正火温度选择适当，但淬火加热温度偏低，成分没有均匀化，调质后仍然存在成分偏析的黑色区。
图16 500X
图17 500X
图18 500X
图号：图16~图18
材料：34CrNi3Mo
工艺情况：图16，退火态；图17，860℃淬油、180℃回火；图18，860℃淬油、600℃回火。
浸蚀方法：图16，苦味酸硝酸酒精溶液浸蚀；图17、图18，4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：图16，粒状珠光体，粒状碳化物分布不均匀。图17，回火马氏体。图18，保持马氏体位向的回火索氏体。34CrNi3Mo钢具有高强度、高韧性和高淬透性的优良调质钢。Φ150mm的零件油淬时可以完全淬透，常用来制造大截面、重载、受冲击的重要零件，如超高压筒体、转子轴等。
图19 500X
图号：图19
材料：35CrMo
工艺情况：860℃淬火，390℃回火
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：基体为回火托氏体，硬度为42 ~46HBC。
对35CrMo钢的油田用链条链板进行实物疲劳试验表明，经中温回火后其硬度为44HRC 时，其疲劳强度最高。当硬度为46HRC时，虽然其静态强度高，但塑性差，疲劳性能下降；反之，当硬度低于42HRC时，静态强度下降，塑性提高，其疲劳性能也下降。
图20 500X
图号：图20
材料：35CrMo
工艺情况：850℃淬火，580℃回火
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：索氏体、贝氏体和沿晶的铁索体。
35CrMo钢中的铬和钼具有提高淬透性和强度的作用，同时具有增加钢回火稳定性和消除回火脆性的作用。35CrMo钢的临界淬透直径在油中为Φ25mm，20℃水中为Φ42mm。因此零件尺寸较大时，其芯部不能完全淬透，而在晶界上析出铁素体和贝氏体等非马氏体组织，使调质后心部的综合性能比表面差。
图21 500X
图号：图21
材料：35CrMo
工艺情况：调质处理
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：索氏体、羽毛状的上贝氏体和沿晶界析出的少量铁素体。
工件淬火进入冷却介质时停留时间较长，或大截面心部淬不透，在晶界上析出块状铁素体，这种高温析出的块状铁素体含碳量较高，在以后的进一步冷却过程中，可析出过饱和的碳化物，使白亮的铁素体出现少量的碳化物颗粒。同时，冷却过程中形成贝氏体或继续析出铁素体，铁素体和贝氏体析出量越多，心部强度下降越明显。
图22 500X
图号：图22
材料：35CrMo
工艺情况：锻造后沙冷
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：珠光体和铁素体，铁素体沿晶界和惯析面析出，晶粒粗大，呈魏氏组织状态。
由于终锻温度较高，晶粒长大，锻后冷却较快产生魏氏组织，脆性增加。如果以这种过热组织直接淬火容易引起淬火开裂，同时调质后塑性指标不合格。所以一般在调质前先进行正火处理，以细化晶粒和消除过热组织。
图23 80X
图号：图23~图25
材料：35CrMo
工艺情况：形变热处理（锻造余热淬火），水淬，550℃回火
浸蚀方法：图23，未浸蚀图24、图25，4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：图23，淬火裂纹。刚直、闪电状的淬火裂纹向里延伸。
图24 100X
图25250X
图24、图25，裂纹大部分沿晶界裂开，裂纹两边没有氧化脱碳，显微组织为保持马氏体位向的回火索氏体和贝氏体。
形变热处理是利用锻造时的余热直接淬火，而不是锻后慢冷(或退火)再重新加热淬火。它一方面可以节约能源，另一方面可以提高钢的强韧性，但必须选择恰当的工艺方法。该试样由于终锻温度比较高，淬火冷却速度过快，产生淬火裂纹。因为高温时，钢的晶界强度较晶内低，所以当淬火应力较大时，容易从晶界开裂。
图26 500X
图27 800X
图号：图26、图27
材料：35CrMo(钢瓶用钢)
工艺情况：淬火
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：图26，浅色区为马氏体，黑色针状为下贝氏体以及羽毛状上贝氏体混合分布区。图27，组织分布同图26。进一步放大后除马氏体针叶外，上、下贝氏体明显、清晰。两图中菱形压痕的大小表明组织硬度差异，马氏体区510~530HV0.2；贝氏体区376~392HV0.2。
图28 500X
图号：图28
材料：35CrMo
工艺情况：锻造余热直接淬火
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：灰白色马氏体及黑色粗大的贝氏体和微量铁素体。
终锻温度较高、淬火前停留时间较长，奥氏体晶粒长大，同时淬火冷却缓慢，故淬火形成粗的贝氏体和沿晶析出的微量铁素体。组织粗大，钢的脆性增加。
图29 200X
图30 100X
图号：图29、图30
材料：38CrMoAl
工艺情况：热轧后退火
浸蚀方法：
图29，未浸蚀；图30，4%硝酸酒精溶液浸蚀。
组织说明：
图29，由表面向内呈45°方向的扩展裂纹，开口宽、尾端细、裂缝内有氧化物。
图30，同一试样浸蚀后可见裂纹两侧严重脱碳，为铁素体组织，基体组织为珠光体和铁素体。为锻造折叠，在随后热处理过程中再扩展，两侧有氧化脱碳。
图31 100X
图号：图31
材料：38CrMoAl
工艺情况：锻造后正火处理
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：
粒状贝氏体、黑色块状区域的珠光体以及白色小块状铁素体。晶粒度约为5~6 级。
38CrMoAlA 是一种渗氮用钢。渗氮层的综合性能，尤其脆性与原始组织的晶粒大小密切相关。因此，渗氮前一般均采用正火工艺细化晶粒，再调质处理。由于该试样锻造组织偏析明显，各区域的成分偏差致使各区域临界点不同，加热及冷却过程中必然发生不同的组织转变。
图32 500X
图号：图32
材料：40CrNi
工艺情况：退火态
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：
珠光体和铁素体。
40CrNi钢是常用的重要调质钢，由于合金元素铬和镍的联合添加，提高了钢的淬硬深度和强度，经高温回火后，具有良好的综合力学性能，常用来制作重要的轴、曲轴、齿轮、传动轴等机械构件。
图33 500X
图号：图33
材料：40CrNi
工艺情况：870℃正火
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：
珠光体和白色铁素体，其晶粒度为5级。
40CrNi钢的大型锻件，由于锻造温度比较高，一般晶粒都比较粗大。为了细化组织，调质前可作正火处理，正火温度一般为870~900℃。
40CNi钢存在白点敏感性，尺寸较大的锻件，锻后应注意缓慢冷却或进行去氢退火，可根据零件的尺寸而定。
图号：图34~图37
材料：40CrNi
工艺情况：图34，790℃淬油，180℃回火；图35，910℃淬油，180℃回火；图36，790℃淬油，550℃回火；图37，850℃淬油，550℃回火
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：图34，回火马氏体和极少量铁素体；图35，回火马氏体；图36，回火索氏体和极少量铁素体；图37，回火索氏体。
40CrNi钢Ac1为731℃，Ac3为769℃，正常的淬火温度应为840~850℃。
图34，淬火温度为790℃，奥氏体化温度过低，成分没有完全均匀化，组织不均匀，并有少量的未溶铁素体，为淬火欠热组织。
图35，淬火温度为910℃，温度偏高，马氏体针叶粗化，为淬火过热组织。
图36，为欠热淬火的调质组织，由于淬火温度偏低，调质后其强度也偏低。
图37，为调质处理温度适中，正常的调质组织。
图号：图38~图40
材料：40CrNiMo
工艺情况：
图38，退火态
图39，890℃正火
图40，850℃淬油,650℃回火
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：
图38，粒状珠光体、粒状贝,氏体和铁素体，残留锻态分布形貌。为不完全的退火组织。
图39，珠光体和铁素体，部分为粒状珠光体，片状珠光体区域呈现枝晶状偏析。
图40，均匀的回火索氏体组织。为正常调质组织。
40CrNiMo钢为中碳含铬、镍、钼合金元素的优良高强度调质钢，经调质处理后具有良好强韧度，常用来制造大型锻件，如汽轮机的齿轮、转子，内燃机的连杆等。
图号：图41~图43
材料：40CrNiMo
工艺情况：图41，790℃淬油，180℃回火；图42，850℃淬油，180℃回火；图43，910℃淬油，180℃回火
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：图41，马氏体和极少量未溶，铁素体，为欠热淬火组织。图42，中等针状马氏体。图43，马氏体，马氏体针叶粗大。40CrNiMo钢的 Ac1为732℃，Ac3为774℃，由于铬和钼是碳化物的强烈形成元素，淬火加热时必须有较高的温度，才能使碳化物完成溶解促使合金元素的均匀化。图41，淬火温度偏低，合金均匀化不充分，为欠热淬火组织。图42，淬火温度适当，为正常的淬火组织。图43，淬火温度过高，马氏体针叶开始粗大，为过热组织。
图44 100X
图号：图44
材料：ZG30CrNiMo
工艺情况：铸态
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：
基体显微组织为呈魏氏组织状态的珠光体和铁素体，晶界上有白色的大块状铁素体和黑色的托氏体析出。铸态的晶粒十分粗大，晶粒度小于1级。铸造组织状态的材料，一般塑性和韧性指标很差。同时铸态组织的组织应力、收缩应力也很大，容易在加工和使用过程中产生裂纹，故呈铸态组织的材料，一般都不能直接进行加工和使用。
图45 500X
图号：图45
材料：ZG30CrNiMo
工艺情况：890℃正火
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：
基体组织为粒状贝氏体、黑色的珠光体和(白色)铁素体。
由于铸态组织晶粒十分粗大，脆性增加，同时铸件的内应力也很大，容易产生冷裂纹，所以铸件浇铸后，必须进行退火或正火处理。通过退火或正火处理，不但可以消除铸件的内应力和消除粗大铸态组织，同时也可以改善钢的组织成分的均匀性，对低合金结构钢来说，也可以为以后调质处理创造良好的预备组织。
含钼的中碳合金钢，在正火快冷的条件下容易形成粒状贝氏体组织。
图46 500X
图号：图46
材料：ZG30CrNiMo
工艺情况：910℃正火，880℃淬火，550℃回火
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：
回火索氏体和少量贝氏体。ZG30CrNiMo钢含有一定量的铬、镍、钼等合金元素。合金元素铬、镍、钼具有提高钢的淬透性和强度的作用,铬、钼具有提高钢的耐回火能力，同时钼具有消除钢的回火脆性的作用。因此ZG30CrNiMo铸钢，一般是以调质状态使用，调质前先进行正火或退火处理，以消除铸态组织和内应力，并为调质处理创造良好的预备组织。调质后使钢获得均匀的回火索氏体组织，从而使铸件获得良好的综合力学性能。
图47 500X
图号：图47
材料：ZG30CrNiMo
工艺情况：900℃正火，880℃淬火，550℃回火
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：
回火索氏体、贝氏体和铁素体的混合组织。
ZG30CrNiMo铸钢虽然含有一定量的铬、镍、钼合金元素，能显著地提高钢的淬透能力，但其合金元素含量不是很高，当铸件壁较厚时，淬火时心部冷却速度下降，奥氏体容易产生分解，从晶界上首先析出铁素体和贝氏体，随着冷却速度的下降，析出的铁素体和贝氏体的量增加，其强度也有所下降。
图48 100X
图号：图48
材料：ZG30CrMoNiRe
工艺情况：铸造后经淬火、回火处理
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：
灰黑色区域为回火马氏体及少量贝氏体，白色区域为隐针马氏体及少量残余奥氏体，黑色小块状及多角状为铸造疏松，大部分沿晶界分布。组织呈枝晶状偏析。存在沿晶界分布疏松的铸钢件，在随后淬火处理中极易发生沿晶开裂。
图49 400X
图号：图49
材料：ZG30CrMoNiRe
工艺情况：铸造后经淬火、回火处理
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：
图80为图79进一步放大的组织形貌。
白色基体为隐针马氏体及少量残余奥氏体，其上分布灰色回火马氏体以及黑色针状下贝氏体。基体硬度为644~672HV0.2。
由于铸后直接淬火，因此组织均匀性差。
本钢种由于含有稀土元素，可起到脱硫、脱氧、去氢的作用，还能使非金属夹杂物趋向球化。同时又有镍的加入，使冲击韧度，尤其低温冲击韧度提高，常作为冲击部件用钢。
图号：图50~图53
材料：ZG35Mo
工艺情况：铸造后退火
浸蚀方法：
图50，50%盐酸水溶液浸蚀图51、图52，未浸蚀图53，4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：图50，防喷器工件局部用氧乙炔切割后低倍形貌。在壁厚差较大处(铸造热节)有裂纹，见图中箭头所指，裂纹两侧有脱碳现象。
图51，裂纹处截面形貌。裂纹断续分布，部分呈疏松状。
图52，为图51的局部放大图，裂纹断续沿晶更明显。图53，裂纹附近组织为珠光体和铁素体，裂纹尾端圆浑。裂纹头部脱碳而尾部不完全与外表连通，故无明显脱碳现象。综合以上分析，该裂纹属铸造热裂纹。热裂纹大多出现在铸件的热节处，铸件浇注及冷却时，热节附近的薄壁处先凝固，热节处最后缓慢冷却凝固。当冷却到凝固线附近时，晶内熔点高，先凝固；晶界熔点低，还处于液膜状态，如果铸件冷却收缩阻力足够大时，液膜破裂，产生裂纹，所以铸造热裂纹的特点是沿晶裂纹。由于产生于高温，裂纹两边常常可以看到棕黑色的氧化物，裂纹两边脱碳。防喷器浇铸后退火，所以表层裂纹两边脱碳更加明显。
图54 100X
图号：图54
材料：34CrMoA(钢锭)
工艺情况：55t钢锭浇铸
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：黑色珠光体基体上分布着白色铁素体，铁素体呈块状及针状析出分布。
由于铸钢冶炼温度高，浇注后冷却时除形成粗大晶粒外，极易沿一定晶面析出针状分布的先共析铁素体即魏氏组织。针状铁素体有时呈羽毛状或三角形状。
图55 500X
图号：图55
材料：65Mn
工艺情况：球化退火
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：球状珠光体，属良好球化退火组织。铁素体基体硬度低，塑性变形能力强，而球粒状碳化物应力集中系数低，变形阻力小，所以处理成球状珠光体，有利于钢在以后的冷变形加工。65Mn钢是常用的弹簧钢，它的强度高，淬透性好，脱碳倾向小，切削加工性能较好，价格相对低廉，所以65Mn钢的用途广泛。主要产品为钢丝、钢带，用以制造各种截面比较小的扁、圆弹簧和弹簧片等。但65Mn钢有过热敏感性，易产生淬火裂纹，并具有回火脆性，这在热处理时应加以注意。
图56 500X
图号：图56
材料：65Mn
工艺情况：830℃淬火(油冷)
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：针状马氏体和极少量的残余奥氏体，其马氏体针叶长度按JB/T 9211《中
碳钢与中碳合金结构钢马氏体等级》标准评定，约为4级，属正常的淬火组织。
65Mn钢由于添加Mn，提高了钢的淬透性和强度，并能扩大γ相区，使Ac3点下降，为765℃，正常的淬火温度为800~840℃。正常温度淬火后可以获得中等长度的针状马氏体。65Mn钢的Ms点为 270℃，淬火后先形成的马氏体受自身回火的作用，颜色为灰色，后形成的马氏体自身回火不明显，颜色较淡。
65Mn钢有过热敏感性，晶粒容易长大，因此，对热处理要求特别严格。
来源：每天学点热处理
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