低碳低合金结构钢金相组织、热处理工艺及性能解析

本期介绍低碳低合金结构钢的金相组织、相应的热处理工艺，以及在此组织状态下相应的加工和力学性能。

图 1 100X

图号：图1

材质：16Mn

工艺条件：热轧、回火

蚀刻方法：4%硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

均匀细小的白色铁素体晶粒和黑色珠光体。

锰是我国丰富的资源之一，价格相对较低，锰在钢中性能优越，锰钢在我国合金钢牌号系列中应用十分广泛。

16Mn钢具有足够的刚度、强度和韧性，经济实用，该钢多以轧制钢板和型材形式供应市场。

该图中钢材由于采用了适当的回火工艺，晶粒分布均匀、细小，能充分发挥钢材的潜力，也有利于冲压成型。

图 2 400X

图号：图2

材质：16Mn

工艺条件：热轧退火

蚀刻方法：4%硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

白色基体为铁素体和块状片层珠光体，略呈带状分布趋势。

16Mn钢中锰含量为1.20%~1.60%，它主要溶解在铁素体基体中，从而在钢中起固溶强化作用，有利于钢获得良好的力学性能。

16Mn钢主要用于桥梁、建筑、汽车、压力容器和船舶。

图 3 200X

图号：图3

材质：16Mn

工艺条件：910℃正火

蚀刻方法：4%硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

锻件在正火状态下的组织为白色铁素体和黑色片状珠光体，且分布比较均匀。

16Mn钢是一种低碳结构钢，所含合金元素较少，但其强度（特别是屈服强度）却比含碳量相同的普通碳钢高得多，同时还具有良好的焊接性和耐腐蚀性，被广泛用作石油化工、汽车、桥梁、建筑等行业的结构材料。用16Mn钢制造某些压力容器，可减小钢板的壁厚，简化制造工序。

16Mn钢一般在热轧退火状态或正火状态下使用。焊接后无需进行热处理。

图 4 500X

图号：图4

材质：16Mn

工艺条件：910℃淬火，600℃回火

蚀刻方法：4%硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

屈氏体和羽毛状上贝氏体以及少量沿晶界分布的铁素体。

锰有降低Ar1和提高钢的淬硬性的作用，使组织均匀，从而提高钢的力学性能。但锰也有增加钢的过热敏感性和回火脆性倾向的作用，因此应严格控制淬火加热温度，避免在回火脆性区缓慢冷却。

16Mn钢还可用作-40℃的低温钢，用作低温钢时，淬火+回火处理比正火+回火处理具有更好的低温性能。

图 5 500X

图号：图5、图6

材质：20CrMo

工艺条件：780℃保温6小时，降温至700℃保温6小时，冷却至550℃以下出炉

蚀刻方法：4%硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

图5：碳化物颗粒均匀分布在铁素体基体上，大部分碳化物呈球形，少部分呈

形状分为点状、短线状，属正常球化退火组织，硬度不大于80HRB。

图 6 500X

图6：基体组织形貌与图5相同，但表面存在严重的氧化和脱碳现象（图中上方），破坏了表层金属的连续性，将导致冷挤压成形工艺无法进行。

表面氧化的原因是球化退火时炉内保护气氛不当，或雨天退火，料筒内存在大量水分，或原料表面氧化脱碳等。

20GrMo钢球化退火的目的与各种碳素工具钢、合金工具钢和滚动轴承钢的球化退火目的不同：它既不是为了改善切削性能，也不是为了为最终淬火准备组织，而是为了顺利地进行冷变形成形。由于20CrMo钢中同时含有铬和钼合金元素，材料在冷成形过程中易产生冷加工硬化，变形抗力较大。因此，冷成形难度比低碳碳钢、20Cr钢、40Cr钢等要大得多，对球化退火组织的要求也较高。

当组织为高塑性铁素体，碳化物呈球状均匀分布时，碳化物对基体的应力集中作用弱，变形抗力减小，此时可获得最佳的冷挤压、冷冲压成形效果。20CrMo钢球化退火时，碳的扩散距离较大，球化较难。与其他球化退火工艺相比，等温球化退火具有效果好、生产周期短的优点。

等温球化加热温度一般在Ac1以上(25~35℃)，保温一定时间(视零件大小及装炉量而定)后随炉冷却到Ac1以下(20~30℃)，再保温一定时间后随炉冷却到550℃以下方可出炉。20CrMo钢的Ac1为743℃，故加热温度为770~780℃，等温温度最好为700~710℃。

图 7 500X

图号：图7

材质：20CrMo

工艺条件：800℃保温6小时，炉冷至700℃保温6小时，炉冷至550℃以下出炉

蚀刻方法：4%硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

碳化物分布在白色铁素体上，大部分呈球状，少部分呈粗片状、点状，粗片状珠光体不足10%，为球化不足（不良）组织。

等温球化退火时，等温温度正常，但加热温度较高，接近Ac3(818℃)。随着加热温度的升高，奥氏体的转变量增加，加热过程中未溶碳化物形核数量减少。在随后的等温及极慢的冷却过程中，易生成粗大​​颗粒和粗大片状碳化物。这种组织分布使其冷变形能力变差。

图 8：真实物体

图号：图8、图9

材质：20CrMo

工艺条件：780℃保温6小时，降温至640℃保温6小时，冷却至550℃以下出炉

蚀刻方法：图9，4%硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

球化不良会导致冷拉过程中球化达到最低点。

图8，辊子由圆盘冷拉成圆柱体，在冲压成碗状时从底部脱落而成为报废品。

图 9 500X

图9所示为点状珠光体及少量的球状、片状珠光体，为球化不良组织。等温转变球化退火时，加热温度正常，但等温温度较低。等温转变时，过冷度增大。由于奥氏体分解时，过冷度增大，析出碳化物的形核率增大，除向加热时未溶解的碳化物中扩散外，大部分碳原子生长在新生成的碳化物核心上。球化退火后，除少量球状碳化物外，大部分为点状碳化物。此组织状态增大了变形抗力和变形硬化指数。冷拉伸时，未能冲成桶形，冲成碗形时脱底而报废。

图 10 500X

图号：图10

材质：20CrMo

工艺条件：840℃保温6h，炉冷至700℃保温6h，炉冷至550℃以下空冷，蚀刻方法：4%硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

粗层状珠光体和白色铁素体基体是球化不良的组织。

同时表面存在严重的氧化、脱碳现象，极易造成冷挤压成型失败。

等温转变球化退火时，加热温度过高，当温度超过Ac3时，组织完全奥氏体化，碳化物完全溶解在奥氏体中，导致冷却过程中没有非自发形核的碳化物核心供碳原子扩散长大，而是在奥氏体的缓慢分解过程中直接生成粗大的珠光体和铁素体。这种组织硬度高，抗冷变形能力强，常常造成冷成形失败。

图 11 500X

图号：图11

材质：20CrMo

工艺条件：880℃油淬，200℃回火

蚀刻方法：4%硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

板条马氏体的弯曲变形。板条马氏体具有较高的强度和良好的韧性，其力学性能如下：

σb1530~1560MPa；

σ0.21280~1350MPa；

δ14%~15%；

ψ59%~61%；

Ak 75~85J；

硬度：42~44HRC；

断裂韧性Kc350MPa·m½。

由于强度高，可制成承载能力大的零件。同时，由于韧性高，抗冲击性能好。图片为试样使用时，受到高能量冲击，表面弯曲吸收冲击能量，不开裂。高碳针状马氏体受到高能量冲击时，一般不变形，但会开裂。这是低碳板条马氏体具有良好强度和断裂韧性的一个例子。

图 12 500X

图号：图12

材质：20CrMo

工艺条件：880℃油淬，180℃回火

蚀刻方法：4%硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

基体为板条马氏体，硬度为42~44HRC。

辊筒尺寸为中型φ28~21×31mm，快速油淬可充分硬化，板条马氏体强度高，韧性好，板条马氏体组织辊筒性能优异。

图 13 500X

图号：图13

材质：20CrMo

工艺条件：880℃淬火，180℃回火

蚀刻方法：4%硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

基体为板条马氏体，沿晶界析出白色铁素体、黑色屈氏体和羽毛状贝氏体。硬度为40~42HRC。

辊子尺寸为φ46~33×48mm，随着零件尺寸的增大，因淬硬性不足而出现的非马氏体组织量也随之增多。

图 14 500X

图号：图14

材质：20CrMo

工艺条件：880℃5%盐水淬火，180℃回火

蚀刻方法：4%硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

基体为板条马氏体及少量羽毛状贝氏体。硬度为42~44HRC。

辊筒尺寸为φ46~33×48mm，用盐水淬火比用清水淬火可提高淬透性。

图 15 200X

图号：图15

材质：20CrMo

工艺状态：轧制状态

蚀刻方法：4%硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

黑色珠光体和白色铁素体，T2中心有灰色氧化物。

原材料表面有皮下气泡，在轧制过程中向表面开裂，高温轧制时表面发生氧化、脱碳，因此缺陷开口较小，尾部较粗、圆钝，基本垂直于表面。

图 16 400X

图号：图16

材质：20CrMo

工艺条件：退火状态

蚀刻方法：4%硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

折叠缺陷。

其显微组织为点状珠光体和铁素体。

20CrMo钢板为热轧钢板，退火后表面酸洗，再进行冷轧。由于退火后表面氧化层未酸洗干净，或未清除原有的表面缺陷，在冷轧时表面氧化物卷入钢板内，从而形成了折叠缺陷。在折叠两侧可见到表面金属变形流线的中断。

图 17 500X

图号：图17

材质：20CrMnMo

工艺条件：退火

蚀刻方法：4%硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

粒状珠光体，其中细粒碳化物分布不均匀，原始组织有带状偏析痕迹。

20CrMnMo钢常用于制造拖拉机主齿轮、活塞销等机械零件，其最终热处理工艺为910℃渗碳、850℃油淬、200℃回火。

图 18 500X

图号：图18

材质：20CrMnMo

工艺条件：870℃正火

蚀刻方法：4%硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

白色铁素体和黑色珠光体，珠光体呈带状分布。带状组织级别应按GB/T 13299《钢的显微组织评定方法》在100倍下评定。

图 19 500X

图号：图19

材质：20CrMnMo

工艺条件：850℃油淬，180℃回火

蚀刻方法：4%硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

板条马氏体和贝氏体。

20CrMnMo钢为高强度渗碳钢，淬硬性、力学性能均优于20CrMnTi钢，经850℃淬火、180℃回火后淬成板条马氏体，力学性能可达

σb≥1175MPa； σ0.2≥885MPa； δ≥15%； ψ≥45%； Ak≥55J。

20CrMnMo钢渗碳淬火后具有较高的耐磨性和弯曲强度，但磨削时易产生裂纹，焊接性能差。

图 20 400X

图号：图20

材质：20CrMnMo

工艺：锻造后正火，再淬火

蚀刻方式：饱和苦味酸水溶液热蚀刻

组织描述：

低碳马氏体、贝氏体及少量白色粒状铁素体。深色晶界勾勒出晶粒轮廓，晶粒尺寸可达10~9级。

20CrMnMo为高级渗碳钢，锻后正火处理是为了细化晶粒，保证后续渗碳质量和心部良好的综合力学性能。

检测正火后的晶粒大小，采用GB/T6394《金属平均晶粒大小测定方法》中的“直接淬硬钢法”及上述试剂显示晶粒，用比较法评定晶粒大小。

图 21 100X

图号：图21

材质：20CrMnTi

工艺：锻造后正火

蚀刻方法：4%硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

粒状贝氏体、白色不连续网状分布铁素体和黑色块状珠光体。

基体硬度：248HBS。正火后的正常组织应为均匀的珠光体和铁素体。此试样的组织表明正火时的加热、保温和冷却控制不当。

20CrMnTi为渗碳钢，渗碳前应进行正火处理，以细化晶粒，改善组织分布，为渗碳做好组织准备。

图 22 500X

图号：图22

材质：20CrNi2Mo

工艺条件：退火

蚀刻方法：4%硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

铁素体和点状珠光体，略呈带状分布。

20CrNi2Mo钢与20CrMnMo钢相比，淬透性大，强度高，韧性好，常用于制造截面较大、载荷较大、韧性要求较好的大型渗碳零件，如大型齿轮、车轴、花键轴、活塞销、轴承套圈等。可直接淬火、低温回火，也可作为调质钢使用。

图 23 500X

图号：图23

材质：20CrNi2Mo

工艺条件：890℃正火

蚀刻方法：4%硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

铁素体和珠光体，三级渗碳体局部分布于晶界，珠光体呈片状、颗粒状分布。

20CrNi2Mo钢对白点比较敏感，大型锻件锻后应进行退火或除氢处理，以防止白点的产生。为了消除锻件的粗晶粒，有时也可在最终热处理前进行正火（+回火）处理，以消除锻件的粗晶粒，使组织均匀。

图 24 500X

图号：图24

材质：20CrNi2Mo

工艺条件：880℃淬火，再800℃淬火，180℃回火

蚀刻方法：4%硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

马氏体和少量贝氏体。

20CrNi2Mo钢经二次淬火、低温回火后具有强度高、韧性好的综合力学性能，φ25mm试棒经上述工艺热处理后，其力学性能可达到：

σb≥980MPa； δ≥13%； ψ≥45%； Ak>36J。

图 25 500X

图号：图25

材质：20Cr2Ni4

工艺条件：退火状态（原材料）

蚀刻方法：4%硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

铁素体与粒状珠光体呈带状分布。

20Cr2Ni4钢的强度、韧性、淬透性均比20CrNi2Mo、12Cr2Ni4钢高，且有较好的低温韧性，常用于制造要求较高的大型渗碳件，如大型齿轮轴、轴类及大型轴承等，也可用作强度、韧性要求比较高的调质件。20Cr2Ni4钢对白点比较敏感，还有回火脆性的倾向，所以用于淬火回火时，回火后应迅速冷却，避免产生回火脆性。

图 26 500X

图号：图26

材质：20Cr2Ni4

工艺条件：890℃正火

蚀刻方法：4%硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

岛状贝氏体、铁素体及少量马氏体。

20Cr2Ni4钢中铬、镍合金元素含量较高。铬、镍合金元素有强烈提高钢的淬透性，使奥氏体等温转变曲线和连续转变曲线右移，降低奥氏体的临界分解速度的作用。这样在​​正火空冷时易获得岛状贝氏体、铁素体和少量空冷马氏体的混合组织，组织应力很大。因此20Cr2Ni4钢渗碳后，淬火前应进行高温回火。一方面可以消除应力，减少裂纹的产生，另一方面可以减少渗碳层中残余奥氏体量，起到稳定尺寸的作用。

图 27 500X

图号：图27

材质：20Cr2Ni4

工艺条件：870℃淬火，再90℃淬火，180℃回火

蚀刻方法：4%硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

低碳马氏体和极少量的铁素体。

20Cr2Ni4钢经二次淬火、低温回火后获得板条马氏体，综合力学性能优良，φ5mm试样力学性能可达：

σb≥1175MPa； σ0.2≥1080MPa； δ≥10%； ψ≥45%； Ak≥63J。

图 28 500X

图号：图28

材质：20MnTiBH

工艺条件：870℃淬火，380℃回火

蚀刻方法：4%硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

贝氏体、回火屈氏体和小块铁素体。

20MnTiB硼含量较低（0.001%~0.004%），但能明显提高淬透性，是一种用于制造中载荷轴、中模数齿轮、高强度螺栓等的渗碳钢。

该试样中出现的小块铁素体为未溶解铁素体，说明淬火加热不充分。同时回火不充分，中温回火时淬火组织未充分转变。

图 29 500X

图号：图29~图31

材质：25CrNi3MoV

工艺条件：淬火、回火

蚀刻方法：4%硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

图29，回火马氏体及少量铁素体组织粗大。（进口5万千瓦发电机转子）。

图 30 500X

图30，回火屈氏体组织比较均匀，调质组织良好。（国产5万千瓦发电机转子）。

图 31 500X

图31，比较均匀的回火马氏体，组织稍粗大。（国产12.5万千瓦发电机转子）。

以上三个试样均为大型调质件，大型调质件相对于一般零件有其特点，一般为了保证一定的淬透性，加热温度取上限，因此组织比较粗大。

图 32 500X

图号：图32

材质：25MnTiB

工艺条件：870℃加热淬火，380℃回火

蚀刻方法：4%硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

回火屈氏体（暗色部分）及沿原奥氏体晶界析出的回火屈氏体和少量铁素体。这说明淬火时冷却速度过慢，导致铁素体析出，形成部分屈氏体转变。图中多角形白色块状物为TiN夹杂物，在光学显微镜下观察时呈现橙黄色。

图 33 200X

图号：图33

材质：ZG16Mn

工艺：铸态

蚀刻方法：4%硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

铸态ZG16Mn钢的组织为白色针状铁素体和珠光体，呈现严重的魏氏组织。

容器四角采用ZG16Mn钢精密铸造而成。ZG16Mn钢中含锰约1%，锰能与铁形成固溶体，提高铁素体和奥氏体的强度和硬度。锰能降低奥氏体的临界转变温度，细化珠光体，所以16Mn钢比含碳量相同的碳钢具有更高的强度。ZG16Mn钢碳当量低，焊接性好，易于与容器本体焊接。

铸造ZG16Mn钢魏氏组织严重，脆性大，应力大，不能直接使用，必须经过退火或正火（回火）处理后方可使用。

图 34 200X

图号：图34

材质：ZG16Mn

工艺条件：910℃退火

蚀刻方法：4%硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

完全退火后，铸态ZG16Mn钢的魏氏组织已完全消除，其组织为等轴白色铁素体晶粒和黑色珠光体。

随着魏德曼组织的消除，钢的韧性显著提高，同时铸造时产生的内应力也被消除。

图 35 2000X

图号：图35

材质：HSLA TRIP 钢（相变诱导塑性钢）

工艺条件：热轧→形变热处理→双相退火→中温等温淬火

蚀刻方法：苦味酸酒精溶液、硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

铁素体基体上分布有贝氏体、残余奥氏体及少量马氏体，组织非常细小，需在高倍放大下才能分辨。

HSLA TRIP钢是一种低碳硅锰钢，其碳含量约为0.20%，硅含量约为1.6%，锰含量约为1.58%。“TRIP”是钢中室温下稳定的残余奥氏体在变形过程中转变为马氏体而引起的相变强化和塑性长大的效应。要获得强度和塑性的良好匹配，关键是要有一定比例的残余奥氏体和足够的稳定性，使其实现逐步转变。即钢在压力变形过程中具有优良的塑性，并能不断获得较好的强度和塑性。

TRIP钢可广泛应用于汽车结构件。

图 36 250X 图 37 1000X

图号：图36~图39

材质：铁素体-马氏体双相钢

图36，图37，C：0.08%；S：0.013%；Si：0.07%；Mn：0.97%；P：0.028%

图39，图39，C：0.07%；S：0.016%；Si：1.04%；Mn：1.03%；P：0.012%

工艺：热轧、淬火

蚀刻方法：4%硝酸酒精溶液蚀刻

组织描述：

图36、37为同一试样不同放大倍数下的组织形貌，铁素体和马氏体。组织呈略等轴状，高倍下可见板条状马氏体被铁素体包围。平均马氏体含量约为20.2%。硬度为271~278HV1。

图 38 250X 图 39 1000X

图38、图39为同一试样，组织为铁素体、小片屈氏体和马氏体，略呈带状分布。高倍放大下可见保持马氏体取向的屈氏体形貌。硬度为205~210HV1。

热轧铁素体-马氏体双相钢是一种低碳、低合金钢。低碳是为了保证铁素体为基体；一定量的合金元素是为了保证一定的淬透性，以获得一定量的马氏体。该类钢在交变载荷下，铁素体在整体发生弹性变形后，再发生塑性变形和形变强化。由于马氏体的存在和两相界面的存在，使其整体抗拉强度提高，具有良好的抗疲劳性能。同时，这种双相钢具有屈服强度低、塑性好、易于冲压加工等优点，在汽车工业中得到了广泛的应用。

热卷的铁素体 - 二相钢的性能主要与一定的化学成分范围内的马丁石的数量和分布相关。前者的是后者的两倍。

结尾