金相组织分析.docx

1、金相组织分析实验目的概述实验内容实验方法实验报告思考题一、实验目的1. 观察碳钢经不同热处理后的显微组织。2. 熟悉碳钢几种典型热处理组织M、T、S、M回火、T回火、S回火等组织的形态及特征。3. 熟悉铸铁和几种常用合金钢、有色金属的显微组织。4. 了解上述材料的组织特征、性能特点及其主要应用。TOP二、概述1. 碳钢热处理后的显微组织碳钢经退火、正火可得到平衡或接近平衡组织，经淬火得到的是不平衡组织。因此，研究热处理后的组织时，不仅要参考铁碳相图，而且更主要的是参考钢的等温转变曲线(C曲线)。为了简便起见，用C曲线来分析共析钢过冷奥氏体在不同温度等温转变的组织及性能（见表3-1）。在缓慢冷时

2、(相当于炉冷，见图2-3中的V1)应得到100%的珠光体；当冷却速度增大到V2。时(相当于空冷)，得到的是较细的珠光体，即索氏体或屈氏体；当冷却速度增大到V3时(相当于油冷)，得到的为屈氏体和马氏体；当冷却速度增大至V4、V5，(相当于水冷)，很大的过冷度使奥氏体骤冷到马氏体转变开始点(Ms)后，瞬时转变成马氏体。其中与C曲线鼻尖相切的冷却速度(V4)称为淬火的临界冷却速度。表3-1转变类型组织名称形成温度范围显微组织特征硬度(HRC)珠光体型相变珠光体(P)650在400500X金相显微镜下可以观察到铁索体和渗碳体的片层状组织20(HBl80200)索氏体(S)600650在800一000X

3、以上的显微镜下才能分清片层状特征，在低倍下片层模糊不清2535屈氏体(T)550600用光学显微镜观察时呈黑色团状组织，只有在电子显徽镜(500015000X)下才能看出片层状3540贝氏体型相变上贝氏体(B上)350550在金相显微镜下呈暗灰色的羽毛状特征4048下贝氏体(BT)230350在金相显微镜下呈黑色针叶状特征4858马氏体型相变马氏体(M)V2V，时，奥氏体的过冷度逐渐增大，析出的铁素体越来越少，而珠光体的量逐渐增加，组织变得更细，此时析出的少量铁素体多分布在晶粒的边界上。因此，V1的组织为铁素体+珠光体；V2的组织为铁素体+索氏体；V3，的组织为铁素体+屈氏体。当冷却速度为V4

4、，时，析出很少量的网状铁素体和屈氏体(有时可见到少量贝氏体)，奥氏体则主要转变为马氏体和屈氏体(如图3-3)；当冷却速度V5，超过临界冷却速度时，钢全部转变为马氏体组织(如图3-6，3-7)。 过共析钢的转变与亚共析钢相似，不同之处是后者先析出的是铁素体，而前者先析出的是渗碳体。 珠光体（P） 珠光体的组织形态主要有两种：片状珠光体和颗粒状珠光体。片状珠光体由一片片相互交错排列的铁素体和渗碳体所组成形成珠光体的先行条件是事先形成均匀的奥氏体，而后缓慢冷却在A1以下附近温度形成。片状珠光体似手指纹的层状结构，它是一层铁素体和一层渗碳体的机械混合物（见图3-1）。颗粒状珠光体是在铁素体的基体上分布

5、着细小颗粒状的渗碳体的球化组织（见图3-2）。图3-1片状珠光体5004%硝酸酒精 图3-2 颗粒状珠光体5004%硝酸酒精 索氏体(s) 是铁素体与渗碳体的机械混合物。其片层比珠光体更细密，在高倍(700倍以上)显微放大时才能分辨(见图3-3)。 屈氏体(T) 也是铁素体与渗碳体的机械混合物，片层比索氏体还细密，在一般光学显微镜下也无法分辨，只能看到如墨菊状的黑色形态。当其少量析出时，沿晶界分布，呈黑色网状，包围着马氏体；当析出量较多时，呈大块黑色团状，只有在电子显微镜下才能分辨其中的片层(见图3-4)。图3-3 索氏体5004%硝酸酒精 图3-4 屈氏体+马氏体5004%硝酸酒精 贝氏体(

6、B) 为奥氏体的中温转变产物，它也是铁素体与渗碳体的两相混合物。在显微形态上，主要有三种形态；a. 上贝氏体是由成束平行排列的条状铁素体和条间断续分布的渗碳体所组成的非层状组织。当转变量不多时，在光学显微镜下为成束的铁素体条向奥氏体晶内伸展，具有羽毛状特征。在电镜下，铁素体以几度到十几度的小位向差相互平行，渗碳体则沿条的长轴方向排列成行，(如图3-5)。b. 下贝氏体是在片状铁素体内部沉淀有碳化物的两相混合物组织。它比淬火马氏体易受浸蚀，在显微镜下呈黑色针状(见图3-6)。在电镜下可以见到，在片状铁素体基体中分布有很细的碳化物片，它们大致与铁素体片的长轴成5560的角度。c. 粒状贝氏体是最近

7、十几年才被确认的组织。在低、中碳合金钢中，特别是连续冷却时(如正火、热轧空冷或焊接热影响区)往往容易出现，在等温冷却时也可能形成。它的形成温度范围大致在上贝氏体转变温度区的上部，由铁素体和它所包围的小岛状组织所组成。 图3-5上贝氏体+马氏体500图3-6 下贝氏体5004%硝酸酒精 马氏体(M) 是碳在Fe中的过饱和固溶体。马氏体的形态按含碳量主要分两种，即板条状和针状(见图3-7、3-8所示)；a. 板条状马氏体一般为低碳钢或低碳合金钢的淬火组织。其组织形态是由尺寸大致相同的细马氏体条定向平行排列组成马氏体束或马氏体领域。在马氏体束之间位向差较大，一个奥氏体晶粒内可形成几个不同的马氏体领域

8、。板条马氏体具有较低的硬度和较好的韧性。b. 针状马氏体是含碳量较高的钢淬火后得到的组织。在光学显微镜下，它呈竹叶状或针状，针与针之间成一定的角度。最先形成的马氏体较粗大，往往横穿整个奥氏体晶粒，将奥氏体晶粒加以分割，使以后形成的马氏体片的大小受到限制。因此，针状马氏体的大小不一。同时有些马氏体有一条中脊线，并在马氏体周围有残留奥氏体。针状马氏体的硬度高而韧性差。图3-7 板条状马氏体 500 图3-8 针状马氏体1600 残余奥氏体(A残) 是含碳量大于的奥氏体淬火时被保留到室温不转变的那部分奥氏体。它不易受硝酸酒精溶液的浸蚀，在显微镜下呈白亮色，分布在马氏体之间，无固定形态。2. 回火组织

9、与性能 回火马氏体。是低温回火(150250)组织。它仍保留了原马氏体形态特征。针状马氏体回火析出了极细的碳化物，容易受到浸蚀，在显微镜下呈黑色针状。低温回火后马氏体针变黑，而残余奥氏体不变仍呈白亮色(如图3-10所示)。低温回火后可以部分消除淬火钢的内应力，增加韧性，同时仍能保持钢的高硬度。 回火屈氏体。是中温回火(350500)组织。回火屈氏体是铁素体与粒状渗碳体组成的极细混合物。铁素体基体基本上保持了原马氏体的形态(条状或针状)，第二相渗碳体则析出在其中，呈极细颗粒状，用光学显微镜极难分辨(如图3-11所示)。中温回火后有很好的弹性和一定的韧性。图3-10 回火马氏体(黑色针状)+残余奥

10、氏体 图3-11 回火屈氏体1000(白色区域) 500 回火索氏体；是高温回火(500650)组织。回火索氏体是铁素体与较粗的粒状渗碳体所组成的机械混合物。碳钢回火索氏体中的铁素体已经通过再结晶，呈等轴细晶粒状。经充分回火的索氏体已没有针的形态。在大于500倍的光镜下，可以看到渗碳体微粒(如图3-12所示)。回火索氏体具有良好的综合机械性能。应当指出，回火屈氏体、回火索氏体是淬火马氏体回火时的产物，它们的渗碳体是颗粒状的，且均匀地分布在铁素体基体上；而淬火索氏体和淬火屈氏体是奥氏体过冷时直接形成的，其渗碳体是呈片状。回火组织较淬火组织在相同的硬度下具有较高的塑性与韧性。图3-12 回火索氏体

11、 5003. 铸铁铸铁是工业上广泛应用的一种铸造金属材料，它是以Fe-C-Si为主的多元铁基合金，其含碳量大于。铸铁的熔点比较低，具有良好的铸造性能，通过采用冶金控制能够得到比较高的强度，和某些其它合金不易得到的特殊性能。 按铸铁在结晶过程中石墨化程度不同，可分为白口铸铁（其组织具有莱氏体特征而没有游离的石墨，即全部碳均以碳化物的形式存在于铸铁中）、灰口铸铁（碳全部或大部以片状石墨的形式存在于铸铁中）和麻口铸铁（其组织特征介于白口铸铁与灰口铸铁之间），即表面为白口铸铁，中心为灰口铸铁；白口铸铁和麻口铸铁由于有莱氏体组织存在，因而有较大的脆性，在工业上很少应用。根据铸铁中石墨的形态、大小和分布情

12、况不同，铸铁分为灰口铸铁（石墨呈片状）、可锻铸铁（石墨呈团絮状）和球墨铸铁（石墨呈球状）；根据石墨化第三阶段发展程度不同，铸铁的基体可有三种，即珠光体、珠光体加铁素体、铁素体，而珠光体基体的铸铁强度最高。石墨的强度和塑性几乎为零，所以通常把铸铁看成是布满裂纹和空洞的钢。因而铸铁的强度和塑性比较低，并且石墨的数量愈多，尺寸愈大、分布愈不均匀，石墨对基体的割裂作用愈大，铸铁的性能也愈差。 灰口铸铁 根据基体组织的不同，灰口铸铁可分为：铁素体灰口铸铁，铁索体十珠光体灰口铸铁，珠光体灰口铸铁。图3-13所示，为铁素体灰口铸铁的显微组织，其中石墨呈灰色条片状分布在亮白色的铁素体基体上。图3-14所示，为

13、铁素体十珠光体灰口铸铁的显微组织，其中除灰色条片状石墨外，暗黑色团块为珠光体，亮白色部分为铁素体。图3-15所示，为珠光体灰口铸铁的显微组织，其中石墨呈灰色条片状，基体为珠光体。图3-13 铁素体十粗大石墨片图5003-14 铁素体十珠光体+粗大石墨片500图3-15 珠光体十粗片状石墨500 图3-16 铁素体十球状石墨500图3-17铁素体+珠光体+球状石墨500 图3-18珠光体+球状石墨500 球墨铸铁 球墨铸铁是一种铸态下呈现球状石墨的铸铁。当向铸态中加入球化剂（纯镁、稀土镁等合金）和孕育剂（硅铁或硅钙合金），则可改变铸铁的共晶特性。一般灰铁在共晶转变时，液相既与奥氏体又与石墨接触，

14、所以石墨呈片状生成。加镁铸铁在共晶转变时，它只与奥氏体接触，在石墨周围形成奥氏体外壳，当铸件凝固后碳是通过周围的奥氏体外壳向石墨堆集，使石墨均匀生长成球状。由于石墨呈球状对基体的削弱作用最小，使球墨铸铁的金属基体强度利用率高达7090(灰口铸铁只达30左右)，因而其机械性能远远优于普通灰口铸铁和可锻铸铁。图3-16所示，为铁素体基体球墨铸铁的显微组织，其中亮白色晶粒为铁索体基体，灰色球状为石墨。图3-17所示，为铁素体十珠光体基体球墨铸铁显微组织，其中呈暗黑色块状为珠光体，分布在球状石墨周围的亮白色基体是铁素体。图3-18为珠光体基体的球墨铸铁-显微组织，其中呈暗黑色块状为珠光体，灰色球状为石

15、墨。如上所述，铸铁的基体既然是铁素体和珠光体所组成，很显然和钢一样可以通过热处理来改变基体组织，从而改善铸铁的机械性能，特别是球墨铸铁常常通过正火、调质和等温淬火来提高其机械性能。球铁正火的目的主要是增加基体中珠光体数量，从而提高球铁的强度和耐磨性。球铁调质处理后得到回火索氏体，从而有更高的综合机械性能。球铁经等温淬火后的组织为下贝氏体，部分马氏体和少量残余奥氏体。这种组织不仅具有较高的综合机械性能。而且具有很好的耐磨性，内应力也小。 可缎铸铁 可锻铸又称展性铸铁，马铁、玛钢。是凝固为白口铸铁的生坯经过固态石墨化-高温退火处理，使共晶渗碳体分解而形成团絮状石墨的一种铸铁。团絮状石墨减弱了对基体

16、的割裂作用，因而使可锻铸铁的力学性能比灰口铸铁有明显的提高，并具有良好的韧性，其耐磨性和减振性优于普通碳素钢，铸造性能略低于灰口铸铁，可锻铸铁实际上并不可锻，仅说明它具有一定的韧性和塑性，在使用中能承受一定的变形，适用于大量生产薄壁中小型铸件，如各种管接头、汽车后桥外壳、低压阀门等。白口铸铁中的渗碳体在退火过程中充分进行石墨化，析出团絮状石墨，基体为铁素体。如果一次渗碳体、二次渗碳体石墨化后，采用较快的冷却速度，使共析渗碳体来不及分解，冷却后得到以珠光体为基体的可锻铸铁可锻铸铁。图3-19所示为铁素体基体可锻铸铁的显微组织，其中石墨呈暗灰色团絮状，亮白色晶粒为基体。图3-20所示为珠光体可缎铸

17、铁的显微组织，在珠光体基体上分布着黑色的团絮状石墨。图3-19 铁索休基体十团絮状石墨500 图3-20 珠光体+团絮状石墨500 4. 有色金属及合金 铝合金 铝合金质轻、且由于密度小，具有高的比强度，因铝是面心立方结构故具有很高的塑性，易于加工，可制成各种形材、板材抗腐蚀性能好导电性能仅次于铜。因而广泛用于机械工业特别是航空工业。铸造铝合金中应用最广泛的是铸造铝合金，俗称硅铝明。典型的牌号有ZLl02，含硅1013，由Al-Si合金相图可知，硅铝明合金成分在共晶点附近，组织为粗大针状的硅晶体和固溶体组成的共晶体，以及少量呈多面体形的初生硅晶体，如图3-21所示。这种粗大的针状硅晶体严重降低

18、合金的塑性。为了提高硅铝明的力学性能，通常进行变质处理，即在浇注以前向合金熔体中加入占合金重量23的变质剂(常用23NaF13NaCl)。处理后使合金的共晶点从Si右移，得到亚共晶组织，其组织为初生相固溶体枝晶(白亮)及细小的共晶体(十Si)(黑底)。由于共晶中的硅呈细小点状颗粒，因而使合金的强度与塑性提高。如图3-22所示。图3-21 灰色方块初生硅晶体十共晶体图3-22 树枝状的初生固溶体十共晶体(针状Si晶体白色基体。固溶体)（基体）450 500 铜合金 工业上广泛使用的铜合金是黄铜和青铜，黄铜是以锌为主要元素的Cu-Zn合金。a. 单相黄铜 含锌在39以下的黄铜属单相固溶体，典型牌号

19、为H70（即三七黄铜）。其塑性和耐腐蚀性尚好。其金相组织特征是：铸态固溶体呈树枝状，铸态冷却较快时，枝晶间可能出现相(用氯化铁溶液腐蚀后，枝晶主轴富铜，呈亮白色，而枝间富锌呈暗色)，经变形和再结晶退火其组织为多边形晶粒，有退火孪晶特征。由于各个晶粒方位不同，所以具有不同的颜色。退火处理后的。黄铜能承受极大的塑性变形，可以进行深冲变形。单相黄铜的显微组织如图3-23所示。图3-23 单相黄铜(其上有退火孪晶)500图3-24 十两相黄铜500 b. +两相黄铜 含锌量为3945的黄铜为+两相黄铜，典型牌号有H62(即四六黄铜)。在室温下相较相硬得多，因而可用于承受较大载荷的零件。是CuZn为基的

20、有序固溶体，在低温下较硬且脆，但在高温下转变成相，具有较好的塑性，所以两相黄铜可在600以上进行热加工。+两相黄铜显微组织：白亮色为相，暗黑色为相。相的形态及分布与合金的成分及冷却速度有关。快冷时相呈拉长形态，有时呈针状，缓冷时则得均匀的晶粒。细针状分布的相较之粗针、块状、及网状分布的相强度要高。如图3-24所示。 轴承合金 轴承合金又称巴氏合金。巴氏合金是应用较多的轴承合金，常用来制造滑动轴承的轴瓦和内衬，轴瓦材料要求同时兼有硬和软的两种性能，因此轴承合金的组织往往是软、硬两相组成的混合物。例如，在软基体上分布着硬质点，铅基或铴基轴承合金就具有这种组织特点。铴基巴氏合金中，基本组元为Sn83

21、、Sbll及Cu6。其牌号为ZChSnSbll-6，它的显微组织如图3-25所示。其中暗黑色部分为软基体相(Sb在Sn中形成的固溶体)；白色方块为硬质点(以SnSb为基的有序固溶体)；而白色枝状析出物为Cu3Sn或Cu6Sn5化合物(相)，作为阻碍上浮，减少偏析的作用。如图3-25所示这种既硬又软的混合物，保证了轴承合金具有足够的强度与塑性的配合从而使轴承合金有良好的减摩性及抗振性。图3-25 铸态ZChSnSbll-6 轴承合金 5005. 几种常用合金钢的显微组织合金钢依合金元素含量的不同，可分为三种，合金元素总量10的称为高合金钢。一般合金结构钢、合金工具钢都是低合金钢。由于合金元素的加

22、入，使铁碳相图发生一些变化，但其平衡状态的显微组织与碳钢没有本质的区别。低合金钢热处理后的显微组织与碳钢没有根本的不同，差别只在于合金元素加入后，使C曲线右移(除Co以外)，即以较低的冷却速度也可获得马氏体组织。合金钢种类繁多，本实验仅选择几种常用的典型钢号进行观察和分析。 合金结构钢a. 渗碳钢 当零件承受复杂的交变负荷的同时还承受着冲击、磨损时，仅用一种钢材单一的热处理是不能满足需要的，只有通过一定的化学热处理后，促使零件的表面层化学成份发生变化，从而获得高的疲劳强度、硬度、防腐蚀性、和耐磨性，同时心部能保持足够的强度和韧性。渗碳处理是最早和用途最广的表面化学热处理工艺，它是将碳元素渗入钢

23、的表面，使零件表面含碳量增加，随后通过淬火使表层得到高的硬度（HRC60以上）的高碳马氏体，而心部得到硬度较低但具有良好强韧性的低碳马氏体组织。20Cr钢是典型的渗碳用钢，用于制造要求较高强度和韧性的零件。其退火组织为铁素体与珠光体，经表面渗碳后其组织见图3-26，心部铁素体+珠光体，中间为珠光体，表层为珠光体网状渗碳体。心部 次心部次表面表面图3-26心部铁素体+珠光体中间为珠光体，表层为珠光体网状渗碳体 450b. 调质钢 所谓的调质就是先将钢淬火，然后高温回火，以获得均匀的索氏体组织的一种热处理工艺。目的是使钢获得一定的强度、塑性和韧性。具有良好的综合机械性能。故一般受到负荷的机械零件都

24、必须经过调质处理后才能使用。40Cr是一种应用很广泛的调质钢种。经调质处理后具有良好的综合机械性能，用于制造曲轴、汽车后桥半轴等。退火状态为铁素体和珠光体（图3-27），调质后其组织为回火索氏体，如图3-28所示。图3-27铁素体+珠光体 450图3-28 回火索氏体 500c. 弹簧钢 弹簧是一种常用的机械零件，它由于结构特点和材料本身的弹性，在受到允许范围内的作用时产生弹性形变，而外力消除则能恢复原形。因此弹簧材料应具有高的抗拉强度极限、屈服极限、弹性极限和疲劳极限，同时要求具有高的冲击韧性和塑性。65Mn是常用的锰弹簧钢，其淬透性比碳素弹簧钢高，脱碳倾向较小。经淬火中温回火处理后其组织为

25、回火屈氏体（见图3-29），有很好的弹性、强度和硬度。多用于制造小尺寸圆、扁弹簧，离合器弹片等。图3-29 回火屈氏体1000 图3-30回火马氏体和未溶解的碳化物颗粒500 d. 轴承钢 常用钢号为GCrl5。经淬油后低温回火为回火马氏体和未溶解的碳化物颗粒及少量的残留奥氏体。如图3-30所示。 高速钢 高速钢是一种常用的高合金工具钢，例如W18Cr4V。因为它含有大量合金元素，使铁碳相图中的E点大大左移，虽然只含有的碳，仍可获得莱氏体组织，所以又称为莱氏体钢。图3-31 莱氏体+屈氏体+马氏体和残余奥氏体 图3-32索氏体+碳化物 图3-33 隐晶马氏体+未溶碳化物+残余奥氏体 图3-34

26、 回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体高速钢在铸造状态下与亚共晶白口铸铁的组织相似。其中莱氏体由合金碳化物、马氏体屈氏体以及残余奥氏体组成。如图3-31所示。显然高速钢在铸态下的组织存在严重的成分和组织不均匀性，从而影响其性能，为此随后必须经过锻造和轧制，破碎莱氏体网络，促使其碳化物均匀分布。高速钢锻造退火组织，在金相显微镜下观察其组织为索氏体+碳化物。其中粗大的亮色晶粒为初生共晶碳化物，较细小的为次生碳化物以及索氏体基体中的极细共析碳化物，退火后的硬度为HB207255，见图3-32所示。高速钢淬火加热温度一般为10601080，高温加热的目的是使较多的碳化物溶解于奥氏体中，淬火后马氏体中合金

27、元素含量高，回火后钢的红硬性高且耐磨性好。淬火采用油冷或空冷，其显微组织为马氏体未溶碳化物十残余奥氏体(尚有2030)。马氏体呈隐针状，其针形很难显示出来，但可看出明显的奥氏体晶界及分布于晶粒内的未溶碳化物，淬火后的硬度约为HRC6162，见图3-33所示。高速钢淬火后需经三次回火，其组织为回火马氏体碳化物和少量残余奥氏体(约23)。回火后硬度为HRC6365，见图3-34所示。 不锈钢 不锈钢是在大气、海水及其它浸蚀性介质条件下能稳定工作的钢种，大都属于高合金钢。例如应用较广的1Crl8Ni9，其含碳量较低，因为碳不利于耐蚀性；高的含铬量是保证耐蚀性的主要元素；镍除了进一步提高耐蚀能力以外，

28、主要是为了获得奥氏体组织。这种钢在室温下的平衡组织是奥氏体+铁素体十铬的碳化物(Cr23C6)。这种组织是产生晶间腐蚀的原因。为了提高耐蚀性以及其它性能，必须进行固溶处理。将钢加热到1050350，使碳化物等全部溶解，然后水冷，室温下即可获得单一的奥氏体组织如图3-35所示。图3-35 奥氏体(晶内有孪晶) 500XTOP三、实验内容1. 观察、分析下列碳钢非平衡组织、铸铁、有色金属、合金钢的显微组织，（见表3-2）。表3-2 金相试样一览表试样编号名称热处理工艺观察目的-03-03-0445钢45钢45钢退火正火油淬比较45钢不同热处理状态的组织-08-09T8400T8300等温等温比较上贝氏体、下贝氏体-12-02T12 20钢高温淬火淬火比较高碳马氏体、低碳马氏体-13-02-06T12高温65Mn 45钢淬火低温回火淬火中温回火淬火高温回火比较不同温度的回火组织-01-02-03灰口铸铁（P基体）灰口铸铁（PF基体）灰口铸铁（F基体）正火铸态退火比较不同基体的灰口铸铁-06-07-08球墨铸铁（P基体）球墨铸铁（PF基体）球墨铸铁（F基体）正火铸态退火比较不同基体的球墨铸铁-09-10可锻铸铁（P基体）可锻铸铁（F基体）退火退火比较不同基体的可锻铸铁-01-02ZL1