实验五碳钢合金钢铸铁有色典型组织观察.docx
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实验五碳钢合金钢铸铁有色典型组织观察
实验五碳钢、合金钢、铸铁、有色金属典型组织观察
一、实验目的
1、观察和研究各种不同类型合金材料的显微组织特征；
2、了解这些合金材料的成分、显微组织对性能的影响。
二、概述
〔一〕碳钢的显微组织
铁碳合金缓冷后的金相显微组织根本上与铁碳相图所预料的各种平衡组织相符合，但碳钢在不平蘅状态，即在快冷条件下的显微组织就不能用铁碳合金相图来分析，而应由过冷奥氏体转变曲线图—C曲线来确定。
图1为共析碳钢的等温转变C曲线图。
图1共析碳钢的C曲线图
按照不同的冷却条件，过冷奥氏体在不同的温度围发生不同类型的转变。
通过金相显微镜观察，可以看出过冷奥氏体各种转变产物的组织形态各不一样。
共析碳钢过冷奥氏体在不同温度转变的组织特征与性能如表1所示。
表1共析碳钢过冷奥氏体在不同温度转变的组织特征与性能
转变类型
组织名称
形成温度围〔℃〕
金相纤维组织特征
硬度〔HRC〕
珠光体型相变
珠光体〔P〕
>650
在400~500倍金相显微镜下可观察到铁素体和渗碳体的片层状组织
~20〔HB180~200〕
索氏体〔S〕
600~650
在800-1000倍以上的显微镜卜才能分清片层状特征，在低倍镜下片层模糊不清
25~35
屈氏体〔T〕
550~600
用光学显微镜观察时呈黑色团状组织，只有在电子显微镜（5000-15000x）下才能看出片层组织
35~40
贝氏体型相变
上贝氏体〔B上〕
350~550
金相显微镜下呈暗灰色的羽毛状特征
40~48
下贝氏体〔B下〕
230~350
在金相显微镜下呈黑色针叶状特征
48~58
马氏体型相变
马氏体〔M〕
<230
在正常淬火温度下呈细针状马氏体（隐晶马氏体），过热淬火时呈粗大片状马氏体
62~65
1、钢的退火和正火组织
亚共析成分的碳钢〔如40、45钢等〕一般采用完全退火，退火后可得到近似平衡状态的组织。
过共析成分的碳素工具钢〔如T10、T12钢等〕如此都采用球化退火，球化退火后获得粒状珠光体组织。
T12钢经球化退火后组织中的二次渗碳体与珠光体中的渗碳体都将变成颗粒状。
如图2所示。
图中均匀而分散的细小粒状组织就是粒状渗碳体。
图2T12钢球化退火后的显微组织〔500×〕图345钢正火后的显微组织〔500×〕
因为正火的冷却速度大于退火的冷却速度，所以45钢正火后的组织比退火的细，珠光体的相对含量也比退火组织中的多〔如图3所示〕。
2、钢的淬火组织
根据Fe—Fe3C相图可知，将45钢加热到760℃奥氏体化，然后在水中冷却，称为不完全淬火，在这个温度加热，有局部铁素体尚未溶入奥氏体中,所以淬火后将得到马氏体和铁素体组织。
在金相显微镜中观察到的是呈暗色针状马氏体基底上分布有白色块状铁素体，如图4所示。
图445钢760℃不完全淬火后的显微组织〔500×〕图545钢正常淬火后的显微组织〔500×〕
45钢正常加热淬火后将获得细针状马氏体，如图5所示。
由于马氏体针非常细小，在显微镜中不易分清。
假设将淬火温度提高到1000℃〔过热淬火〕，由于奥氏体晶粒的粗化，经淬火后将得到粗大针状马氏体组织，如图6所示。
假设45钢加热到正常淬火温度，然后在油中冷却，如此由于冷却速度不足，得到的组织将是马氏体和局部屈氏体〔或混有少量贝氏体〕。
图7为45钢加热到860℃后油冷的显微组织，亮白色为马氏体，呈黑色块状分布于晶界处的为屈氏体。
T12钢在780℃正常温度淬火后的显微组织如图8所示，除了细小的马氏体外尚有局部未溶入奥氏体中的渗碳体（呈亮白色颗粒）。
当T12钢在较高温度淬火时，显微组织出现粗大的马氏体，并且还有一定数量的剩余奥氏体〔呈亮白色〕存在于马氏体针之间，如图9所示。
图645钢1000℃过热淬火后的显微组织〔500×〕图745钢840℃油常淬火后的显微组织〔500×〕
图8T12钢780℃正常淬火后的显微组织〔500×〕图9T12钢1000℃过热淬火后的显微组织〔500×〕
3、淬火后的回火组织
钢经淬火后所得到的马氏体和剩余奥氏体均为不稳定组织，它们具有向稳定的铁素体和渗碳体的两相混合物组织转变的倾向。
通过回火即将钢加热，提高原子活动能力，可促进这个转变过程的进展。
淬火钢经不同温度回火后所得到的组织不同，通常按组织特征分为以下三种：
（1）回火马氏体
淬火钢经低温回火（150—250℃），马氏体的过饱和碳原子脱溶沉淀，析出与母相保持着共格联系的ε碳化物，这种组织称为回火马氏体。
回火马氏体仍保持针片状特征，但容易受浸蚀，故颜色要比淬火马氏体深些，是暗黑色的针状组织，如图10所示。
图1045钢正常淬火200℃回火后的显微组织〔500×〕
（2）回火屈氏体
淬火钢经中温回火（350—500℃），得到在铁素体基体中弥散分布着微小粒状渗碳体的组织，称为回火屈氏体。
回火屈氏体中的铁素体仍然根本保持原来针状马氏体的形态，渗碳体如此呈细小的颗粒状，在光学显微镜下不易分辨清楚，故呈暗黑色，如图11（a）所示。
用电子显微镜可以看到这些渗碳体质点，并可以看出回火屈氏体仍保持有针状马氏体的位向，如图11（b）所示。
图1145钢860℃淬火400℃回火后的显微组织〔500×〕
（3）回火索氏体
淬火钢高温回火（500—650℃）得到的组织称为回火索氏体，其特征是已经聚集长大了的渗碳体颗粒均匀分布在铁素体基体上，如图12（a）所示。
用电子显微镜可以看出回火索氏体中的铁素体己不呈针状形态而成等轴状，如图12（b）所示。
图1245钢860℃淬火400℃回火后的显微组织〔500×〕
〔二〕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<5%的称为低合金钢；合金元素为5%～10%的称为中合金钢；合金元素>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。
由于合金元素的参加，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不同，差异只在于合金元素参加后，使C曲线右移〔除Co以外〕，即使以较低的冷却速度也可以获得马氏体组织。
例如，40Cr钢经调质处理后的显微组织和40钢调质后的显微组织根本一样，都为回火索氏体。
GCr15钢840℃油淬、低温回火后的显微组织，与T12钢780℃水淬、低温回火后的显微组织也一样，皆为回火马氏体和碳化物。
合金钢种类繁多，本实验只选择高速钢进展观察和分析。
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0.7%～0.8%的碳，仍可获得莱氏体组织，所以又称为莱氏体钢。
1、高速钢在铸造状态下与亚共晶白口铸铁的组织相似。
在一般铸造条件下存在以具有由鱼骨状合金碳化物为特征的共晶莱氏体组织。
如图13所示为W18Cr4V钢的铸态组织。
在金相显微镜下观察时，除共晶莱氏体外还有局部呈暗黑色的δ共析体组织和少量马氏体〔呈亮白色局部〕。
虽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。
2、高速钢锻造退火组织：
高速钢铸态组织极不均匀，特别是共晶组织中粗大碳化物的存在，使钢的性能显著降低，因此，高速钢铸造后必须经过锻造，退火，以改善碳化物的分布状况。
在金相显微镜下观察其组织为索氏体+碳化物。
图14所示为W18Cr4V钢经锻造与退火后的显微组织，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与索氏体基体中的极细共晶碳化物，退火后的的硬度为HB207～255。
图13W18Cr4V钢铸造状态的显微组织〔800×〕图14W18Cr4V钢锻造与退火后的显微组织〔500×〕
3、高速钢淬火组织：
淬火加热温度一般为1260～1280℃，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+剩余奥氏体〔尚有20%～30%〕。
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与分布于晶粒的未溶碳化物，淬火后的硬度约为HRC61～62，如图15所示。
4、高速钢淬火后需经三次回火，其组织为回火马氏体，碳化物和少量剩余奥氏体〔约2%～3%〕。
回火后硬度为HRC63～65，如图16所示。
图15W18Cr4V钢1280℃淬火后的显微组织〔500×〕图16W18Cr4V钢淬火与三次回火后的显微组织
〔500×〕
〔三〕铸铁的显微组织
按铸铁在结晶过程中石墨化程度不同，可分为白口铸铁、灰口铸铁和麻口铸铁。
白口铸铁：
其组织具有莱氏体特征而没有游离的石墨，即全部碳以碳化物的形式存在于铸铁中。
灰口铸铁：
碳全部或大局部以石墨的形式存在于铸铁中。
灰口铸铁的组织特征是在钢的基体上分布着片状石墨。
根据基体组织的不同，灰口铸铁可分为：
铁素体灰口铸铁；铁素体+珠光体灰口铸铁；珠光体灰口铸铁。
如图17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白亮色的铁素体基体上；图18为铁素体+珠光体灰口铸铁，其中除黑灰色条片状石墨外，暗黑色基底为珠光体，亮白色局部为铁素体。
麻口铸铁：
其组织特征介于白口铸铁与灰口铸铁之间，即外表为白口铸铁，中心为灰口铸铁。
白口铸铁和麻口铸铁由于莱氏体组织存在，因而有较大的脆性，在工业上很少应用。
图17铁素体灰口铸铁的显微组织〔100×〕图18铁素体—珠光体灰口铸铁的显微组织〔100×〕
根据铸铁中石墨的形态、大小和分布情况不同，铸铁分为：
灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁。
可锻铸铁：
可锻铸铁又称展性铸铁，它是由白口铸铁经石墨化退火处理而获得的，其渗碳体发生分解而形成团絮状石墨。
按其组织不同，可锻铸铁分为铁素体可锻铸铁和珠光体可锻铸铁两类。
图19为铁素体基体可锻铸铁的显微组织，其中石墨称暗灰色团絮状，亮白色晶粒为基体。
图19铁素体基体可锻铸铁的显微组织〔100×〕
球墨铸铁：
球墨铸铁中石墨呈球状。
它是用镁、钙与稀土元素球化剂进展球化处理，使石墨变为球状。
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70%～90%〔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20〔a〕为铁素体基体球墨铸铁的显微组织，其中亮白色晶粒为铁素体基体，灰色球状为石墨。
图20（b）为铁素体—珠光体基体球墨铸铁的显微组织，其中暗黑色基底为珠光体，分布在圆球状石墨周围的亮白色基体是铁素体。
图20球墨铸铁的显微组织〔100×〕
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。
球铁正火的主要目的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，局部马氏体和少量剩余奥氏体，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，应力少。
〔四〕有色金属与合金
1、铝合金
铝合金由于密度小〔2.65～2.9〕，具有高的比强度，因而广泛用于机械工业特别是航空工业。
铝合金分为铸造铝合金和变形铝合金。
铸造铝合金：
在铸造铝合金中应用最广的是铝—硅系合金，俗称硅铝明。
典型的牌号有ZL102，含硅10%～13%，由Al-Si合金相图可知，硅铝明合金成分在共晶点附近，组织为粗大的针状的硅晶体和α固溶体组成的共晶体，以与少量呈多面体形的初生硅晶体，如图21〔a〕所示。
这种粗大的针状硅晶体严重降低合金的塑性。
为了提高硅铝明的力学性能，通常进展变质处理，即在浇注以前向合金熔体中参加占合金重量2%～3%的变质剂〔常用2/3NaF+1/3NaCl〕。
处理后使合金的共晶点从11.6%Si右移，得到亚共晶组织，其组织为初生α固溶体枝晶〔白亮〕与细小的共晶〔α+Si〕〔黑底〕，因而使合金的强度与塑性提高。
如图21〔b〕所示。
图21铸造铝合金〔ZL102〕的显微组织〔100×〕
变形铝合金：
硬铝是Al-Cu-Mg系时效合金，是重要的变形铝合金。
由于它的强度大和硬度高，故称硬铝。
在国外又称杜拉铝。
现代机械制造和飞机制造业中得到广泛应用。
在合金中形成了CuAl2〔θ相〕和CuMgAl2〔S相〕。
这两个相在加热时均能溶入合金的固溶体，并在随后的时效热处理过程过形成“富集区〞、“过渡相〞而使合金强化。
而以CuMgAl2〔S相〕在合金化过程中的作用更大，常把它称为强化相。
2、铜合金
工业上广泛使用的铜合金有铜锌合金〔黄铜〕、铜锡合金〔锡青铜〕、铜铝合金〔铝青铜〕以与铜铍合金〔铍青铜〕、铜镍合金〔白铜〕等。
这里以黄铜为例加以分析研究。
黄铜为Cu-Zn合金，常用的黄铜为α单相黄铜和α+β两相黄铜。
α单相黄铜：
含锌在39%以下的黄铜属单相α固溶体，典型牌号为H70〔即三七黄铜〕。
铸态组织：
α固溶体呈树枝状〔用氯化铁溶液腐蚀后，枝晶主轴富铜，呈亮白色，而枝晶富锌呈暗色〕，经变形和再结晶退火其组织为多边形晶粒，有退火孪晶，如图22所。
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α黄铜能承受极大的塑性变形，可以进展深冲变形。
α+β两相黄铜：
含锌量为39%～45%的黄铜为α+β两相黄铜，典型牌号有H62〔即四六黄铜〕。
在室温下β相较α相硬得多，因而可用于承受较大载荷的零件。
α+β两相黄铜可在600℃以上进展热加工。
如图23为α+β两相黄铜铸造状态的显微组织：
α为亮白色的固溶体，β是CuZn为基的有序固溶体。
图22α单相黄铜〔H70〕的显微组织〔100×〕图23α+β两相黄铜〔H62〕的显微组织〔100×〕
3、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，铅基或锡基轴承合金就具有这种组织特点。
锡基巴氏合金：
根本元素为Sn83%、Sb11%与Cu6%。
其牌号为ZChSnSb11-6，它的显微组织如图24所示。
其中暗黑色局部为软基体α相〔是Sb在Sn中形成的固溶体〕；白色方块为硬质点β〔以SnSb为基的有序固溶体〕；而白亮针状与星形析出物为Cu3Sn或Cu6Sn5化合物〔η相〕，作为阻碍β相上浮，减少偏析的作用。
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磨性与抗振性。
图24ZCHSnSb11-6轴承合金的显微组织×100
三、实验设备与材料
1、设备
光学金相显微镜
2、材料
各种经不同热处理的金相显微样品。
四、实验容与方法
1、容
观察、分析如下常用材料的显微组织，见表3所示。
表3各类材料的显微组织
编号
名称
状态
显微组织特征
腐蚀剂
1
高速钢
铸态
Ld′（鱼骨状）+δ〔暗黑色〕+M+A`
4%硝酸酒精
2
高速钢
淬火态
M〔隐针〕+碳化物〔颗粒状〕+A`
4%硝酸酒精
3
高速钢
回火态
M回火〔暗黑色基体〕+碳化物〔白色颗粒〕
4%硝酸酒精
4
灰口铸铁
铸态
P+条片状石墨
4%硝酸酒精
5
可锻铸铁
铸造+石墨化退火
F〔白亮色基体〕+团絮状石墨
4%硝酸酒精
6
球墨铸铁
铸态
F〔白亮色〕+P+球状石墨
4%硝酸酒精
7
铝硅明
变质处理
α〔枝晶状〕+共晶体〔细密基体〕
4%硝酸酒精
8
双相黄铜
铸态
α〔白亮色〕+β〔暗黑色〕
3%FeCl3+10%HCl溶液
9
锡基巴氏合金
铸态
α〔暗黑色〕+β〔白色块状〕+Cu3Sn
同上
10
20钢
920℃水淬
板条状马氏体
4%硝酸酒精
11
45钢
840℃空冷
铁素体+索氏体
4%硝酸酒精
12
45钢
840℃水冷
细针状、板条状马氏体+剩余奥氏体
4%硝酸酒精
13
45钢
840℃油冷
细针状、板条状马氏体+屈氏体残
4%硝酸酒精
14
45钢
750℃水淬
细针状、板条状马氏体+局部铁素体
4%硝酸酒精
15
T12钢
760℃水淬+200℃回火
回火马氏体+粒状渗碳体
4%硝酸酒精
16
T12钢
1000℃水淬+180℃回火
回火马氏体+粒状渗碳体
4%硝酸酒精
2、方法
1〕每位同学轮流对每个试样进展观察；
2〕画出所观察到的金相试样的显微组织图。
五、实验要求
1、学生进入实验室前必须做好实验预习；
2、认真阅读实验指导书；
3、明确实验目的、任务、有关原理、操作的主要步骤、须知事项；
4、实验过程中必须严格遵守操作规程与须知事项；
5、自觉遵守实验室各项规章制度；
6、独立完成实验；
7、实验报告中要求有实验名称、实验目的、实验设备；
8、画出各种材料的显微组织图。
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