《材料成形基本》实验指导书.docx

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《材料成形基本》实验指导书

金属材料学

实验指导书

工程材料实验教学中心

河南科技大学材料科学与工程学院

学生实验守则

1、实验前，必须仔细阅读实验指导书，熟悉实验目的、原理、方法和要求。

2、到实验室后，必须严格遵守实验室的制度和纪律，遵守各项操作规程。

3、实验时，应集中注意力，认真做好实验。

注意培养自己实事求是的科学态度，如实记录实验数据。

4、必须尊重指导教师的指导，注意人身安全，爱护仪器设备。

如发生事故，应立即向指导老师报告。

5、爱护公共财物，除本实验所用的仪器外，不得动用其它设备。

6、实验完毕后，必须将实验现场及仪器设备整理干净，恢复原状。

在实验记录送交指导老师检查签字后，经指导老师同意，方可离开实验室。

7、试验目的和要求，认真仔细分析实验数据，完成实验报告，并在规定时间内送交指导老师批改。

实验一高速钢及其显微组织分析……………………………….1

实验二铸铁及其显微组织分析…………………………………...6

实验三有色金属及其显微组织分析….………………………...10

实验一高速钢及其显微组织分析

一、实验目的:

观察及分析高速钢在铸态及正常热处理、过热、过烧等状态下的显微组织和缺陷，供分析高速钢及其热处理做参考。

二、内容说明:

图1高速钢变温截面图

Fe-18%W-4%Cr-C系C1－M6C，C2-Fe3C

1、高速钢的铸态组织：

高速钢因含有大量合金元素，虽然含碳量只有0.7—0.8%,已属莱氏体钢，其结晶过程及铸造组织很复杂。

W18Cr4V高速钢状态图可用图1近似表示。

当W18Cr4V钢平衡凝固时，发生下列反应：

开始结晶时析出δ（高温α）固溶体；

冷到1400℃发生L+δ→γ的包晶反应；

在1345℃附近很窄的温度范围进行L+δ→γ＋M6C的包晶反应，M6C指Fe3W3C类的复杂碳化物，当冷速快，扩散不够充分，包晶反应来不及进行，发生δ→γ＋M6C的反应，称δ共析反应。

在1330～1300℃之间发生L→γ＋M6C的共晶反应，一直到完全凝固，形成由奥氏体和碳化物组成的共晶莱氏体，其中碳化物呈鱼骨状，骨骼之间为γ相。

凝固后继续冷却时，由奥氏体中析出合金碳化物，在870～800℃之间发生L+M6C→α的包析反应，冷到800℃左右发生共析反应γ→α＋M6C＋Fe3C。

实际上W18Cr4V钢在共晶结晶时还出现VC，并在随后冷却时，由奥氏体中析出VC和M23C6型碳化物，在低温下未发现Fe3C存在。

在实际铸锭凝固时，冷却速度大于平衡冷却，其包晶反应不能进行完毕，仍有部分δ（高温α）相被保留下来，在继续冷却时发生共析分解δ→γ＋M6C，随后γ相再发生共析反应。

这种转变产物金相形态呈黑色，称为“黑色组织”。

γ相的共析反应也可能被抑制而过冷到低温，转变为马氏体和残余奥氏体，形成“白亮组织”。

2、高速钢的锻造和退火：

综上分析，可知高速钢的铸态组织十分复杂且不均匀，由于铸态组织中存在粗大、很脆、硬度约为HV900～1000鱼骨状共晶碳化物，严重割裂了基体，必须经过锻轧将其破碎，使其尽可能成为均匀分布的颗粒状碳化物。

高速钢锻造时应镦粗－拔长反复多次，锻后其硬度较高（HRC35～40）,不便于切削加工，应进行退火。

高速钢的AC1在820～860℃范围，故退火温度为870～880℃，保温2～3小时，大部分合金碳化物未溶入奥氏体，此时奥氏体中合金元素含量不多，冷却时易转变成粒状珠光体和剩余碳化物。

退火后W18Cr4V钢的硬度约为HB207～255，碳化物体积百分数约为30％，其中M6C为16～19％，M23C6为9％，MC为1.5～2％。

3、高速钢的正常淬火及三次回火后的组织：

正常淬火组织：

高速钢的优越性只有在正确的淬火和回火之后才能发挥出来。

其淬火温度较一般合金工具钢要高得多。

因为温度越高，合金元素溶入奥氏体的数量越多，淬火之后马氏体的合金度亦越高。

只有合金度高的马氏体才有高的红硬性。

对高速钢红硬性作用最大的合金元素W（Mo）及V只有在1000℃以上时，其溶解量才急速增加。

温度超过1300℃时，各元素的溶解量虽还有增加，但奥氏体晶粒急剧长大，甚至在晶界处发生溶化现象。

因而，淬火钢的韧性大大下降。

所以，在不发生过热的前提下，高速钢的淬火温度愈高，其红硬性愈好。

由于高速钢的导热性差，而淬火温度又极高，故常常分两段或三段加热。

即先在800～850℃预热，然后再加热至淬火温度。

大型及复杂的刃（工）具应当采用两次预热，第一次在500～600℃，第二次在800～850℃。

淬火通常在油中进行，或采用分级淬火法。

高速钢的正常淬火组织是20～30%A+60～65%M+K。

经8～10%硝酸酒精溶液侵蚀后，未溶的K及A晶界显露出来，合金度较高的M呈白亮色。

三次回火后的组织：

为了消除淬火内应力，稳定组织，减少残余奥氏体的数量，达到所需的性能，高速钢一般进行三次560℃保温1小时的回火处理。

在150～400℃温度范围内，约在270℃自马氏体中析出Fe3C，并聚集长大，大部分淬火内应力消除，硬度下降，塑性增加。

在400～500℃回火温度范围内，马氏体中的Cr向碳化物中转移，渗碳体型的碳化物逐渐转变为弥散的富Cr的合金碳化物（M6C），硬度又逐渐上升。

在500～600℃之间，钢的硬度、强度和塑性均有提高，而在在550～570℃可达到硬度、强度的最大值。

在此温度区间内，自马氏体中析出弥散的W2C、MO2C、VC，使钢的硬度大大提高，这种现象称为二次硬化。

与此同时，500～600℃之间，残余奥氏体应力松弛，且由其中析出了部分碳化物，使残余奥氏体中合金元素及碳含量下降，Ms升高。

这种贫化的残余奥氏体，在回火后的冷却过程中，转变为马氏体，使钢的硬度提高，这种现象称为二次淬火。

由于高速钢中残余奥氏体数量较多，经一次回火后，仍有10%的残余奥氏体，再经两次回火，才能使其低于5%。

第一次回火只对淬火马氏体起回火作用，而回火冷却过程中转变成的马氏体，产生新的内应力，经第二次回火，可使二次马氏体得到回火，同时，在回火过程中未转变的残余奥氏体转变为马氏体，又会产生新的内应力，就需要进行第三次回火。

回火后的组织为黑色的回火马氏体、3～5%的残余奥氏体、白色的碳化物。

4、高速钢的缺陷组织：

过热组织：

由于淬火温度过高等原因，造成晶粒过大，溶入奥氏体的碳化物较多，剩余碳化物数量减少，奥氏体的过饱和程度较大，淬火冷却时会析出网状或半网状碳化物，碳化物出现粘连、拖尾、角状或沿晶界呈网状分布，这种现象称为过热。

过烧组织：

淬火温度接近钢的熔化温度，晶界熔化，出现莱氏体及δ共析体（黑色组织），称为过烧。

过烧是不可挽救的缺陷。

回火不足：

回火温度低或时间短，马氏体分解不充分，且有部分残余奥氏体未转变成马氏体，故在试样基体上的部分区域出现白亮色，或有少量晶界未完全消失。

奈状组织：

锻造时停锻温度过高（1050～1100℃），或由于需返修而进行二次淬火，其间未经退火造成的。

其金相组织为粗大的晶粒，奈状断口呈闪光粗粒状。

产生奈状断口的刀具，强度、韧性极低，是一种不可挽救的缺陷。

三、实验所用设备与材料:

1、设备：

金相显微镜

2、材料：

下列已制备好的金相样品及图片。

材料

处理状态

显微组织

腐蚀剂

W18Cr4V

铸态

Ld+δ共析体+M+A’

10%硝酸酒精溶液

W18Cr4V

锻造＋退火

S+K（粒状）

10%硝酸酒精溶液

W18Cr4V

1280℃油淬

60～65％M+20～30%A’+K

10%硝酸酒精溶液

W18Cr4V

过热

M+A’+K（半网状）

10%硝酸酒精溶液

W18Cr4V

过烧

Ld+δ共析体+M+A’

10%硝酸酒精溶液

W18Cr4V

回火不足

M+A’＋K

10%硝酸酒精溶液

W18Cr4V

正常淬火三次回火

M回+A’少＋K

10%硝酸酒精溶液

W18Cr4V

重复淬火

奈状组织

10%硝酸酒精溶液

四、实验步骤及结果分析:

1认真观察全部金相试样，联系其化学成分、处理工艺进行思考。

2按规定完成电子作业。

3分析正常淬火组织、三次回火后的组织、过热组织、过烧组织、回火不足、奈状组织形成的基本原理。

4比较正常淬火组织与过热、过烧组织的区别。

实验二铸铁及其显微组织分析

一、实验目的:

1、了解各种铸铁的显微组织特征。

2、分析各种铸铁的基体与石墨的形状，大小，数量及分布对铸铁性能的影响。

3、了解不同热处理对铸铁组织和性能的影响。

二、内容说明:

图1铁碳相图

在铁－碳相图中（图1），含碳量大于2.08％的部分叫铸铁。

而碳在铸铁中的存在形态有两种，即化合态（碳化物）和自由态（石墨），。

按其组织和断口特征，前者称为白口铁，后者称为灰口铁。

灰口铁的组织中完全没有一次渗碳体和莱氏体。

它基本上是由石墨加上钢一样的基体构成，因而分析灰口铸铁组织的根据便是这两方面：

一是石墨的形状、大小、数量及分布状况（石墨的特征可在未浸蚀的金相试样磨光表面上观察）；二是金属基体组织（试样经浸蚀后观察）。

1、普通灰铁：

石墨的形状主要是片状以不同的方式分布在基体上。

石墨的存在对铸铁起着双重作用，一方面剧烈地降低基体金属的机械性能；另一方面可提高一些使用性能和工艺性能，如耐磨性，消震性和比较小的缺口敏感性。

（a）A型石墨（100×）（b）B型石墨（100×）（c）C型石墨（100×）

（d）D型石墨（100×）（e）E型石墨（100×）

图2片状石墨类型

按石墨的形状来说，普通灰口铸铁是片状。

片状石墨特别是细条状的石墨，能显著降低金属基体的机械性能。

按石墨分布形式来说，它可以是细小均匀分布、成群聚集分布（如菊花状）、相互交错或链状沿枝晶之间分布等。

生产上常按灰口铸铁中石墨的形状、大小及分布特征将其分为A、B、C、D、E五种类型（如图2所示）。

A型－石墨为均匀片状，无方向性；

B型—石墨片大小不同，分布不均匀，聚集在一起呈菊花状；

C型－石墨呈粗大片状，不均匀分布，无方向性；

D型－点状或小片状石墨分布在亚共晶合金的奥氏体枝晶之间，石墨片的方向无规律；

E型－其特征与D型相近，也是片状石墨分布在奥氏体树枝晶之间，与D型的区别在于石墨片有一定的方向性。

我们希望石墨是细小均匀分布，因为细小均匀的石墨降低金属基体的机械性能较小。

石墨呈枝晶间偏析状分布（晶间分布）时，最不受欢迎，因为它大大降低铸铁的耐磨性，并易于形成裂纹。

灰口铸铁的基体组织有三种：

铁素体基体；珠光体基体；铁素体＋珠光体基体。

一般来说铁素体基体塑性较好，而珠光体基体铸铁强度较高。

2、可锻铸铁：

是把合乎一定要求的白口铁，经石墨化退火得到的，其组织特征是石墨呈团絮状分布。

基体也分为三种，其中最常用的是铁素体基体的可锻铸铁，因为它具有较好的塑性。

3、球墨铸铁：

是把一定成分的铁水加入少量球化剂（镁或镁－稀土合金）和孕育剂（硅铁），使铁水中的石墨呈球状析出而制成。

因球状石墨对基体的割裂作用较轻，割裂的圆形缺口应力集中也最小，故其强度、塑性及韧性都比较好。

通过控制铸造及热处理工艺可以控制基体组织。

常用的是珠光体基体或除珠光体以外同时还存在少量铁素体的组织。

在铸铁中还会有磷共晶组织，这是由于铸铁中含磷较多，磷在铁中溶解度很小，且随含碳量的增加还要减小，故不可避免要出现磷共晶组织（Fe3P-Fe3C-αFe），磷共晶组织一般呈白亮棱角块状，性质硬而脆。

在铸铁中含有适量磷共晶时，能提高其耐磨性，但会增加铸铁的脆性。

三、实验所用设备与材料:

1、设备：

金相显微镜

2、材料：

下列已制备好的金相样品及图片。

材料

处理状态

显微组织

腐蚀剂

灰铁

铸态

P+G（片）

4%硝酸酒精溶液

灰铁

铸态

P+F+G（片）

4%硝酸酒精溶液

可锻铸铁（F基）

退火

F+G（团絮）

4%硝酸酒精溶液

可锻铸铁（P基）

退火

P+G（团絮）

4%硝酸酒精溶液

球铁

正火

F+G（球）

4%硝酸酒精溶液

球铁

正火

P+G（球）

4%硝酸酒精溶液

球铁

正火

P+F+G（球）

4%硝酸酒精溶液

球铁

等温淬火

B（下）+G（球）+A（残）

4%硝酸酒精溶液

高磷铸铁

铸态

P+G+磷共晶

4%硝酸酒精溶液

四、实验步骤及结果分析:

1认真观察全部金相试样，联系其化学成分，处理工艺进行思考。

2按规定完成电子作业。

3试述石墨形态对铸铁性能的影响？

4与灰铁和可锻铸铁相比，为什么球铁的机械性能较高？

实验三有色金属及其合金显微组织分析

一、实验目的:

研究铜、铝和轴承合金的显微组织及这些合金的成分、加工过程和组织之间的关系。

二、内容说明:

1铜合金

①铜:

在脱氧不十分良好的铜中,组织上可以看到与铜形成共晶混合物的Cu2O,当大量的Cu、Cu2O的共晶分布在铜的晶界上时，会使铜变脆。

图1铜锌二元合金相图铜端图2铜铝二元合金相图铜端

②铜锌合金相图如图1所示，铜锌组织图中，α-区域中各种成分的铜锌合金（α黄铜）在铸态下其显微组织是α固溶体。

经长时间退火后具有多边晶体组织，微量变形会产生滑移，并在退火后产生孪晶组织。

α+β′黄铜的组织，用FeCl2和NH4OH腐蚀时，α仍保持光亮的颜色，而β′则变黑，α和β′的量的比例决定于合金的成分。

③铜锡合金铸造的α青铜具有树枝状组织，经700-750℃长时间退火，可以使树枝消除而形成均匀的多边形晶粒的组织。

锡的含量超过溶解极限的合金（14～32％）具有共析的组织，即成分在单相区，如大于6％的含锡量，在铸造的状态下也有共析的组织。

共析体呈弯曲夹杂物形式分布在枝晶的中间，用8％的CuCl3的氨水溶液浸蚀时共析体显示的不清楚，但能很好地显示出α固溶体的树枝状，当用10克FeCl3+100mlH2O的溶液浸蚀时，共析体能很清楚地显示出来。

④铜铝合金相图如图2所示，含Al10%的合金中，除α固溶体外，同时还存在着共析组织，用10克FeCl3＋25mlHCl+100mlH2O的溶液浸蚀后低倍显微镜下观察，α固溶体是亮的，共析体（α＋δ）是黑的。

高倍显微镜下观察，共析体与钢中的索氏体相似。

10％Al的铜铝合金经930℃水中淬火后的组织是针状的马氏体。

2铝合金

①铝硅合金的相图如图3所示，含硅10%—13%的铝硅合金未经变质的组织是粗大针状的硅分布在α固溶体的基体上，经变质后其组织是树枝状的α固溶体分布在细小的共晶（α－Si）基体上。

②硬铝的成分是3.8—4.8%Cu，0.4—0.8%Mg，0.4—0.8%Mn,其余为铝。

硬铝经360℃退火后的组织是在α固溶体的基体（亮底）上分散着CuAl3、S相、Mg2Si、FeAl3、Al6Mn及FexAlySiz等相。

前三相在加热时溶于固溶体，冷却时由固溶体内析出，呈细小的夹杂物，而后三相不溶于固溶体，呈速达的夹杂物。

硬铝经510℃水中淬火和自然时效后的组织是在固溶体的基体（亮底）上分布着未溶于铝中的Al6Mn、FeAl3和FexAlySiz相（显微组织呈黑点夹杂物）。

硬铝在淬火前若温度过高，例如加热至550℃，组织上由于过热，则有一部分易熔的化合物在晶界上发生熔化和氧化。

3轴承合金

①锡基巴氏轴承合金，其成分是83%Sn，11%Sb，6%Cu。

组织是在α固溶体（黑色的底）的基体上分布着四方形和三角形的β固溶体（白亮色），以及针状和星形的化合物Cu3Sn（白亮色）。

②铅基巴氏合金，其成分是81.75%Pb，17%Sb，1.25%Cu。

组织是Pb+Sb花纹共晶的基体上分布着方形和三角形的粗大的亮色晶体锑，以及白色针状化合物Cu3Sb。

③铜铅合金，常用的是含30%Pb的铅青铜，组织是铜的晶粒（亮色）和铅的夹杂物（黑色）。

④高锡铝基轴承合金，常用的合金成分是22－26％Sn，0.8－1.2％Cu，其余为铝。

组织是在α基体上分布着Al-Sn共晶体，铸态时，共晶呈网状，经轧制后，为弥散分布。

三、实验所用设备与材料:

1、设备：

金相显微镜

2、材料：

下列已制备好的金相样品及图片。

合金名称

热处理

浸蚀剂

纯铜

缓冷

未浸蚀

H59α+β黄铜

铸态

10克FeCl3+25mlHCl+100mlH2O

ZQSn10锡青铜

铸态

10克FeCl3+25mlHCl+100mlH2O

QAl10铝青铜

铸态

10克FeCl3+25mlHCl+100mlH2O

QAl10铝青铜

930℃淬火

10克FeCl3+25mlHCl+100mlH2O

ZL7硅铝明

铸态（未变质）

0.5%HF

ZL7硅铝明

铸态（变质）

1%HF+25%HNO3+1.5%HCL+95%H2O

锡基巴氏合金

铸态

4%硝酸酒精溶液

铅基巴氏合金

铸态

4%硝酸酒精溶液

铜铅合金

铸态

未浸蚀

四、实验步骤及结果分析:

1认真观察全部金相试样，联系其化学成分，处理工艺进行思考，注意组织与性能之间的关系以及各种合金的工业意义。

2按规定完成电子作业。

3试述铝合金的合金化原则。

4锌含量对黄铜性能有什么影响。