低中碳钢和合金钢的结构差异

低碳结构钢的w(C）达0.25%，具有一定的强度、良好的塑性和韧性。加工性和焊接性良好，这类钢的用途较广泛，可用来制造建筑构件、一般机械结构零件和设备，也可用作渗碳用钢。这类钢的基体为铁素体及片状珠光体的混合组织，其组织如图2-21~图2-25所示。通过正火可以细化晶粒和改善组织（改善或消除带状组织），增加强度，如果处理温度过高，将出现魏氏组织，使钢的冲击韧度下降。这种钢可以进行淬火，淬火后的组织为板条状马氏体和羽毛状贝氏体，其组织如图2-26~图2-31所示。因碳含量低，淬火后硬度虽有提高，但远不及中碳结构钢。图2-32~图2-34为20钢淬火冷却速度不足时，除了会得到板条状马氏体和羽毛状贝氏体外，还会沿晶界形成托氏体或铁素体。

低碳合金渗碳钢是在上述碳素渗碳钢中加入合金元素形成的钢种，主要合金元素为Cr、Mn、Ni、B等，典型钢种如20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo等。这类钢经淬火后得到如图2-35~图2-40所示的板条状马氏体；当低于临界温度下淬火时，除了板条状马氏体外，还得到沿晶界分布的铁素体，其组织如图2-41所示，当淬火温度足够高，而淬火冷却速度不足时，则会析出托氏体和贝氏体。图2-42为20CrMnTi渗碳淬火后的心部组织为低碳马氏体及钛化物夹杂。图2-43为20CrMnMo经淬火得到的粒状贝氏体及托氏体。

中碳结构钢中w(C)=0.30%~0.50%，退火后具有铁素体及片状珠光体组织，组织如图2-44、图2-45所示，随着钢中碳含量的提高，片状珠光体数量增多，钢的硬度和强度也升高，而塑性及韧性随之下降。在热轧状态下，中碳结构钢具有足够的强度和塑性，因此它可以直接用来制作小的机械零件。这类钢一般经正火后使用，又可作调质处理，使钢的综合力学性能得到进一步提高，同时使钢的用途进一步扩大。正火后可得到细小晶粒的铁素体及索氏体，如图2-46~图2-49所示。图2-50~图2-52所示为45钢退火后的铁素体加片状珠光体组织。图2-53所示为45钢退火后裂纹附近的组织，其裂纹内充满氧化物，裂纹两侧分布有全脱碳铁素体层。45钢正火后的组织为铁素体加珠光体，有的还含有少量的魏氏铁素体组织，如图2-54~图2-56所示。由于45钢经淬油后冷却速度过慢，得到马氏体和沿晶界析出的铁素体或托氏体组织，其组织如图2-57~图2-59所示；淬水时由于冷却速度稍慢，也形成马氏体及少量沿晶界析出托氏体组织，如图2-60所示。淬火经高温回火后可得到均匀分布或保持马氏体位向分布的回火索氏体组织，可使机械零件承受较高的载荷，具有良好的韧性。当然调质钢也可在淬火后进行低温回火得到针状回火马氏体，如图2-61、图2-62所示。

合金调质钢是在中碳结构钢的基础上加入合金元素后形成的经调质处理的结构钢，其主要钢种包括40Cr、35CrMoA等，淬火后得到的是板条状马氏体和针状马氏体。经调质后的组织为回火索氏体，如图2-63b、图2-64b和图2-65所示，即在α相基体上分布着极细的颗粒状碳化物。实际上，现在调质钢的强化工艺已经不限于淬火+高温回火，还可采用正火、等温淬火、淬火+中温回火得到回火托氏体（图2-66），淬火+低温回火得到回火马氏体（图2-63a、图2-64a、图2-67和图2-68）等处理工艺。合金调质钢热处理不当会造成淬火过热组织，图2-69所示为5CrNiMo钢淬火过热的粗大组织，图2-70所示为5CrNiMo钢的淬火过热组织，晶界已发生熔化。

一些形状复杂、综合力学性能要求较高的大型零件，由于在工艺上难以用锻造方法成形，在性能上又不能用力学性能低的铸铁制造，因而需采用各种钢材并以铸造方式成形，这类以铸造方式成形的钢叫铸钢。主要应用在重型机械、运输机械、国防工业等部门。如轧钢机机架、水压机横梁与气缸、机车车架、汽车与拖拉机齿轮拨叉等。其铸态及正火组织为铁素体及珠光体，如图2-71~图2-76所示。

图2-21a　100×

图2-21b　100×

图号：2-21 材料：低碳钢

处理工艺：退火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：块状铁素体（黄色）+片状珠光体。

图2-22a　400×

图2-22b　400×

图号：2-22 材料：低碳钢

处理工艺：退火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：铁素体（黄色）+片状珠光体。

图2-23a　100×

图2-23b　100×

图号：2-23 材料：低碳钢

处理工艺：退火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：铁素体（黄色）+珠光体。

图2-24a　100×

图2-24b　100×

图号：2-24 材料：20钢

处理工艺：退火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：铁素体（黄色）+珠光体。

图2-25a　500×

图2-25b　500×

图号：2-25 材料：20钢

处理工艺：退火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：铁素体（黄色）+珠光体。

图2-26a　500×

图2-26b　500×

图号：2-26 材料：低碳钢

处理工艺：淬火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：板条状马氏体（黄色）+羽毛状贝氏体（其他色）。

图2-27a　500×

图2-27b　500×

图号：2-27 材料：低碳钢

处理工艺：淬火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：板条状马氏体（黄色）+羽毛状贝氏体（其他色）。

图2-28a　500×

图2-28b　500×

图号：2-28 材料：低碳钢

处理工艺：淬火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：板条状马氏体（黄色）+羽毛状贝氏体。由于淬火温度高，马氏体及贝氏体组织较粗大。

图2-29a　500×

图2-29b　500×

图号：2-29 材料：低碳钢

处理工艺：淬火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：板条状马氏体（黄色板条）+羽毛状贝氏体（其他色）+少量铁素体（黄色块状）。

图2-30a　500×

图2-30b　500×

图号：2-30 材料：低碳钢

处理工艺：淬火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：羽毛状贝氏体+板条状马氏体（黄色）。

图2-31a　500×

图2-31b　800×

图号：2-31 材料：低碳钢

处理工艺：淬火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：大片羽毛状上贝氏体+板条状马氏体（黄色）。

图2-32a　500×

图2-32b　500×

图号：2-32 材料：20钢

处理工艺：920℃淬火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：板条状马氏体及由于冷却不足沿晶界形成的少量淬火托氏体（黑色）。

图2-33a　500×

图2-33b　500×

图号：2-33 材料：20钢

处理工艺：920℃淬火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：板条状马氏体（黄色）、羽毛状贝氏体及由于冷却不足沿晶界形成的淬火托氏体（黑色）。

图2-34a　500×

图2-34b　500×

图号：2-34 材料：20钢

处理工艺：淬火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：板条状马氏体+沿晶界分布的铁素体（黄色网状）。由于淬火冷却不足导致沿晶界析出铁素体。

图2-35a　500×

图2-35b　500×

图号：2-35 材料：20Cr

处理工艺：淬火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：板条状马氏体。

图2-36a　500×

图2-36b　500×

图号：2-36 材料：20Cr

处理工艺：淬火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：板条状马氏体。由于淬火温度高，马氏体针叶较长。

图2-37a　500×

图2-37b　500×

图号：2-37 材料：20Cr

处理工艺：淬火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：板条状马氏体。

图2-38a 500×

图2-38b 500×

图号：2-38 材料：20Cr

处理工艺：淬火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：低碳马氏体。

图2-39a　500×

图2-39b　500×

图号：2-39 材料：20Cr

处理工艺：淬火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：低碳马氏体+羽毛状上贝氏体。

图2-40a　500×

图2-40b　500×

图号：2-40 材料：20Cr

处理工艺：淬火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：低碳马氏体。

图2-41a　500×

图2-41b　500×

图号：2-41 材料：20Cr

处理工艺：淬火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：板条状马氏体+沿晶界分布的铁素体（黄色块状）。

图2-42a　800×

图2-42b　800×

图号：2-42 材料：20CrMnTi

处理工艺：渗碳淬火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：渗碳淬火后的心部组织，低碳马氏体+钛化物夹杂（橘黄色块状）。

图2-43a　400×

图2-43b　400×

图号：2-43 材料：20CrMnMo

处理工艺：淬火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：粒状贝氏体+托氏体（咖啡色）。

图2-44a　200×

图2-44b　500×

图号：2-44 材料：40钢

处理工艺：退火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：铁素体（黄色）+珠光体。

图2-45a　500×

图2-45b　500×

图号：2-45 材料：35钢

处理工艺：退火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：铁素体（黄色）+片状珠光体。

图2-46a　100×

图2-46b　100×

图号：2-46 材料：45钢

处理工艺：正火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：铁素体（黄色）+珠光体。

图2-47a　500×

图2-47b　500×

图号：2-47 材料：45钢

处理工艺：正火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：铁素体（黄色）+珠光体。晶粒大小分布比较均匀。

图2-48a　500×

图2-48b　500×

图号：2-48 材料：45钢(www.xing528.com)

处理工艺：正火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：铁素体（黄色）+片状珠光体+个别球状夹杂物。

图2-49a　400×

图2-49b　800×

图号：2-49 材料：45钢

处理工艺：正火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：网状铁素体（黄色）+片状珠光体。晶粒大小分布不均匀。

图2-50a　400×

图2-50b　800×

图号：2-50 材料：45钢

处理工艺：退火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：铁素体+片状珠光体。

图2-51a　500×

图2-51b　500×

图号：2-51 材料：45钢

处理工艺：退火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：网状铁素体（黄色）+珠光体。

图2-52a　200×

图2-52b　800×

图号：2-52 材料：45钢

处理工艺：退火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：铁素体（黄色）+珠光体+条状硫化物夹杂（深灰色）。

图2-53a　100×

图2-53b　200×

图号：2-53 材料：45钢

处理工艺：退火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：铁素体+珠光体。裂纹内充满氧化物，裂纹两侧分布有全脱碳铁素体层。原材料裂纹，由于高温时和空气接触，使裂纹两侧明显脱碳。

图2-54a　100×

图2-54b　400×

图号：2-54 材料：45钢

处理工艺：正火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：铁素体（白色网状）+珠光体。有少量针状铁素体呈魏氏组织形态。

图2-55a　500×

图2-55b　500×

图号：2-55 材料：45钢

处理工艺：正火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：铁素体+片状珠光体。少量铁素体呈针状魏氏组织形态。

图2-56a　500×

图2-56b　500×

图号：2-56 材料：45钢

处理工艺：正火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：铁素体（橘黄色）+片状珠光体。少量铁素体呈针状魏氏组织形态。

图2-57a　500×

图2-57b　1000×

图号：2-57 材料：45钢

处理工艺：850℃淬油 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：马氏体+块状铁素体（黄色块状）。由于实际淬火温度低，在两相区加热淬火，因此仍有较多铁素体保留在基体内。

图2-58a　500×

图2-58b　1000×

图号：2-58 材料：45钢

处理工艺：850℃淬油 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：马氏体+沿晶界析出的托氏体（黑色）及铁素体（黄色块状）。由于冷却速度慢，故在晶界处析出的托氏体及铁素体组织。

图2-59a　500×

图2-59b　500×

图号：2-59 材料：45钢

处理工艺：850℃淬油 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：马氏体+沿晶界析出的托氏体（黑色）及铁素体（黄色网状）。由于冷却速度过慢，故在晶界处析出托氏体及铁素体组织。

图2-60a　500×

图2-60b　500×

图号：2-60 材料：45钢

处理工艺：850℃淬水 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：马氏体+沿晶界析出的淬火托氏体（黑色）。由于冷却速度稍慢，故在晶界处析出极少量托氏体。

图2-61a　400×

图2-61b　800×

图号：2-61 材料：45钢

处理工艺：860℃淬火+200℃回火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：回火针状马氏体。

图2-62a　500×

图2-62b　800×

图号：2-62 材料：45钢

处理工艺：860℃淬火+200℃回火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：回火针状马氏体。

图2-63a　800×

图2-63b　800×

图号：2-63 材料：35CrMoA

处理工艺：图2-63a：860℃淬火+200℃回火；图2-63b：860℃淬火+560℃回火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：图2-63a为回火马氏体；图2-63b为回火索氏体。

图2-64a　1000×

图2-64b　1000×

图号：2-64 材料：35CrMoA

处理工艺：图2-64a：860℃淬火+200℃回火；图2-64b：860℃淬火+600℃回火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：图2-64a为回火马氏体；图2-64b为回火索氏体。

图2-65a　500×

图2-65b　800×

图号：2-65 材料：40Cr

处理工艺：860℃淬火+600℃回火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：回火索氏体。

图2-66a　500×

图2-66b　800×

图号：2-66 材料：40Cr

处理工艺：860℃淬火+400℃回火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：回火托氏体。

图2-67a　500×

图2-67b　800×

图号：2-67 材料：40Cr

处理工艺：860℃淬火+200℃回火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：回火马氏体。

图2-68a　500×

图2-68b　1000×

图号：2-68 材料：40Cr

处理工艺：860℃淬火+200℃回火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：回火马氏体。

图2-69a　500×

图2-69b　500×

图号：2-69 材料：5CrNiMo

处理工艺：淬火+回火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：仍保留马氏体位向的回火索氏体。由于淬火温度过高，组织特别粗大。

图2-70a　500×

图2-70b　500×

图号：2-70 材料：5CrNiMo

处理工艺：淬火+回火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：仍保留马氏体位向的回火索氏体。由于淬火温度过高，组织特别粗大，且晶界已熔化，表明已过烧。

图2-71a 表面脱碳区 100×

图2-71b 未脱碳区组织 100×

图号：2-71 材料：ZG45

处理工艺：正火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：铁素体（黄色）+珠光体。由于材料在高温氧化性气氛中长时间加热，以致表面发生氧化脱碳，形成明显的氧化脱碳层，并且网状铁素体晶粒粗大，少量呈针状魏氏组织形态。

图2-72a 脱碳区组织 100×

图2-72b 未脱碳区组织 100×

图号：2-72 材料：ZG45

处理工艺：正火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：铁素体（黄色）+珠光体。由于材料在高温氧化性气氛中长时间加热，以致表面发生严重氧化脱碳，形成较厚的氧化脱碳层，并且网状铁素体晶粒粗大，少量呈针状魏氏组织形态。

图2-73a　500×

图2-73b　500×

图号：2-73 材料：ZG45

处理工艺：正火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：网状及针状铁素体（黄色）+珠光体。由于正火温度高，晶粒较粗大，少量铁素体呈魏氏组织形态。

图2-74a　100×

图2-74b　200×

图号：2-74 材料：ZG55

处理工艺：铸造 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：块状及针状铁素体（黄色）+珠光体。由于浇注温度高，使得铸态组织较粗大，少量铁素体呈魏氏组织形态。在铁素体基体上有较多氧化物夹杂。

图2-75a　100×

图2-75b　200×

图号：2-75 材料：ZG55

处理工艺：铸造 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：块状及针状铁素体（黄色）+珠光体。由于浇注温度高，使得铸态组织较粗大，少量铁素体呈魏氏组织形态。在铁素体基体上有较多氧化物夹杂。

图2-76a　100×

图2-76b　200×

图号：2-76 材料：ZG55

处理工艺：铸造 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液

组织说明：大块状及针状铁素体（黄色）+珠光体。由于浇注温度高，使得铸态组织较粗大，少量铁素体呈魏氏组织形态。在铁素体基体上有较多氧化物夹杂。