碳钢金相，即碳钢的金相组织，是指通过金相显微镜观察到的碳钢内部微观结构。它由铁素体、珠光体、渗碳体等基本相组成，其形态、大小、数量和分布直接决定了碳钢的强度、硬度、塑性、韧性等力学性能。

一、基本组成相

1. 铁素体 (Ferrite, F)

• 本质：碳溶解在 α-Fe 中形成的间隙固溶体，碳含量极低（<0.0218%）。
• 金相特征：亮白色、等轴状或多边形的晶粒，晶界清晰。
• 性能：软而韧，强度、硬度低，但塑性、韧性极好。

2. 渗碳体 (Cementite, Fe₃C)

• 本质：铁与碳的金属化合物（Fe₃C），含碳量 6.69%。
• 金相特征：亮白色，形态多样（片状、网状、针状、颗粒状），硬脆且不腐蚀。
• 性能：极硬、极脆，是提高钢硬度和耐磨性的主要相，但会降低塑性和韧性。

3. 珠光体 (Pearlite, P)

• 本质：铁素体与渗碳体交替层叠的机械混合物（共析组织）。
• 金相特征：黑白相间的指纹状层片结构。片层间距越小，强度、硬度越高。
• 性能：强度高、硬度适中、韧性较好，综合性能优良。

二、按碳含量分类的平衡组织（退火态）

根据碳含量（C%），碳钢分为三类，室温平衡组织不同：

• 亚共析钢 (0.0218% < C < 0.77%)
  • 组织：铁素体（F）+ 珠光体（P）
  • 特征：白色 F 基体上分布着黑色 P 条块。碳含量越高，P 越多，F 越少。
  • 代表钢号：10 钢、20 钢、45 钢
• 共析钢 (C = 0.77%)
  • 组织：100% 珠光体（P）
  • 特征：全视场为典型的层片状珠光体组织。
  • 代表钢号：T8 钢
• 过共析钢 (0.77% < C < 2.11%)
  • 组织：珠光体（P）+ 网状二次渗碳体（Fe₃CⅡ）
  • 特征：黑色 P 基体上，白色 Fe₃C 沿晶界呈网状分布。
  • 代表钢号：T10 钢、T12 钢

三、常见热处理组织

热处理会极大改变碳钢组织，以下是最常见的几种：

1. 索氏体 (Sorbite, S)

• 本质：极细片状的珠光体（高温回火产物）。
• 特征：片层极细密，高倍显微镜下才能分辨。
• 性能：强度、韧性、塑性配合极佳，综合力学性能好。

2. 屈氏体 (Troostite, T)

• 本质：更细的片状珠光体（中温回火产物）。
• 特征：光学显微镜下无法分辨片层，呈黑色团块状。
• 性能：硬度高，有一定韧性。

3. 马氏体 (Martensite, M)

• 本质：碳在 α-Fe 中的过饱和固溶体（淬火产物）。
• 形态：

  • 板条马氏体：低碳钢淬火组织，由平行的细板条组成，韧性好。

  • 针状 / 竹叶状马氏体：高碳钢淬火组织，呈针状或竹叶状，硬度极高、脆性大。

4. 贝氏体 (Bainite, B)

• 本质：过冷奥氏体在中温区转变的产物（铁素体 + 碳化物）。
• 形态：

  • 上贝氏体：羽毛状，韧性较差。

  • 下贝氏体：针状，强韧性极佳。

四、金相分析步骤

1. 取样：在工件关键部位（如心部、表层、焊缝）切取试样。

2. 镶嵌：小试样用树脂镶嵌，方便握持。

3. 磨抛：

• 粗磨到细磨（80#→2000# 砂纸）。
• 抛光（金刚石抛光剂）至镜面无划痕。

4. 腐蚀：

• 通用：4% 硝酸酒精溶液（Nital），腐蚀 5-30 秒。
• 目的：利用不同相的腐蚀速率差异，形成明暗衬度。

5. 观察：在金相显微镜下（100-1000 倍）观察组织、评级。

五、组织与性能的关系

• 铁素体多 → 塑性、韧性好，强度、硬度低（如低碳钢 20 钢）。
• 珠光体多 → 强度、硬度上升，塑性、韧性下降（如中碳钢 45 钢）。
• 渗碳体呈网状 → 脆性大增，易开裂（如过共析钢未球化处理）。
• 晶粒细小 → 强度、韧性同时提高（细晶强化）。
• 马氏体 → 硬度极高，淬火态脆性大，回火后韧性改善。

六、常见缺陷

• 带状组织：F 与 P 沿轧制方向呈条带分布，导致各向异性。
• 魏氏组织：F 呈粗大针状插入晶粒内，韧性急剧下降。
• 过热组织：晶粒异常粗大，力学性能恶化。
• 脱碳：表面碳损失，表层全为 F，表面硬度、耐磨性下降。