金属材料学实验讲义Word下载.docx

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本门课程实验成绩的考核是根据实验操作和实验报告综合评定的，其中实验操作成绩占50%，实验报告成绩占50%，最后实验成绩占课程成绩的20%。

五、大纲说明

实验一、常用合金钢的显微组织观察与分析

一、实验目的

1.观察和研究各种不同类型合金钢的显微组织特征。

2.了解几种合金钢的成分，显微组织对性能的影响。

二、实验概述

合金钢的显微组织比碳钢复杂，在合金钢中存在基本相有：

合金铁素体，合金奥氏体，合金碳化物（包括合金渗碳体及特殊碳化物）及金属化合物等，其中合金铁素体与合金渗碳体及大部分的合金碳化物的组织特征，与碳钢中的铁素体和渗碳体无明显区别，而合金钢中的金属化合物的组织形态则随种类不同而各异，合金奥氏体在晶粒内常常存在滑移线和孪晶的特征。

合金钢按用途可分为结构钢，工具钢、特殊性能钢三大类。

合金钢的显微组织因其处理方法不同，处于不同状态下则有不同的组织，如退火状态有亚共析钢、共析钢、过共析钢及莱氏体钢，正火状态有珠光体类、贝氏体类、马氏体类及奥氏体类钢，还有些钢在固态下具有铁素体组织，故称之为铁素体钢，如高铬不锈钢。

1.调质钢（合金结构钢40Cr）

合金调质钢是指调质处理后的合金结构钢，调质处理后具有高强度与良好的塑性及韧性。

40表示含碳量0.4%,Cr是加入的合金元素，起着增加淬透性，使调质后的回火索氏体组织得到强化。

2．不锈钢

不锈钢在大气、海水及化学介质中具有良好的抗腐蚀能力。

以1Cr18Ni9Ti为例，其成分为：

≤0.12%C，17~19%Cr，8~11%Ni，0.6~0.9%Ti。

铬在钢中的主要作用是产生钝化作用，提高电极电位而使钢的抗腐蚀性加强。

镍的加入在于扩大γ区及降低MS点，以保证室温下具有奥氏体组织。

1Cr18Ni9Ti钢的热处理方法是进行固溶处理（1050~1100℃迅速水淬），使其组织上得到全奥氏体组织（内有孪晶），才具有良好的耐腐蚀性能。

但若使用温度较高（450~850℃）时，从奥氏体晶界处又会有碳化铬（Cr23C6）析出，引起晶间腐蚀。

为防止晶界腐蚀的产生，钢中的含碳量应降低至于0.06%以下，或是加入少量的钛或铌，经加热到1100~1150℃水冷，获得全奥氏体组织，才具有良好的抗腐蚀性能。

其组织呈现出单一奥氏体晶粒，并有明显的孪晶。

3．耐磨钢Mn13：

含有0.9%C与11.0~14.0%Mn的Mn13耐磨钢目前广泛应用于制造耐磨零件，如拖拉机履带、铁路道岔、碎石机鄂板、掘土机铲斗等。

高锰钢由于有强烈的加工硬化现象，难于切削加工，因此常以铸造形式进行使用。

铸造高锰钢的组织为奥氏体与碳化物，由于碳化物沿晶界分布，使钢呈现相当大的脆性，为了得到单相奥氏体组织，需进行水韧处理，即自1000~1050℃水冷。

此钢在承受塑性变形时，强化和硬化的倾向很大，因此能很好地抵抗磨损。

三、实验材料与设备

1．实验材料

40Cr：

退火和调质状态试样；

1Cr18Ni9Ti：

固溶处理态试样；

ZGMn13固溶处理态试样。

2．实验设备

金相显微镜。

四、实验内容

1．合金结构钢显微组织观察与分析

2．特殊性能钢显微组织观察与分析

编号

钢号

处理过程

显微组织

腐蚀剂

40Cr

铸造

屈氏体+莱氏体

4%硝酸酒精

1Cr18Ni9Ti

1100℃固溶处理

奥氏体（内有孪晶）

王水

1Cr18Ni9

500℃敏化处理

有晶界腐蚀

未浸蚀

Mn13

奥氏体+屈氏体+碳化物

盐酸、硝酸及甘油

1050℃水冷

奥氏体（有孪晶、滑移线）

五、实验报告

1.要求绘出几种合金钢的显微组织示意图，并标明组织组成物。

2.简述几种典型合金钢的组织特征，处理方法。

3.分析元素的作用以及组织和性能的关系。

实验二轴承钢原材料金相检验及分析

1．了解影响高铬轴承钢力学性能的显微组织因素；

2．掌握球化组织和网状碳化物评级的方法；

3．掌握影响球化组织和网状碳化物级别的因素。

二、实验原理

（一）球化退火组织检验

1.退火原理

冶金产品的铬轴承钢一般是采用不完全退火进行球化处理，即将钢材加热到稍高于Ac1温度，然后控制适当的保温时间和冷却速度，使钢材退火后得到合格的球化组织。

球化退火是符合相变规律的，这个过程是在加热和保温阶段，碳化物逐渐溶解和奥氏体形成。

在一定的保温时间内，奥氏体成分不够均匀，形成许多浓度峰。

冷却时发生碳化物析集,在碳化物的生核和长大过程中，大量未溶的碳化物质点，是碳化物析出的非自发核心，而奥氏体不均匀地区的浓度峰，则是碳化物核心的产地。

冷却过程中形成稳定的碳化物晶核，继而形成的碳化物则处于均衡状态。

表面能最低的等轴的球状分布在铁素体的基体上。

2．球化组织评级原则

（1）检验球化组织试样是在交货状态下（即退火）每批取二个试样，截取横向试样进行检验。

（2）试样制备好后经2-4%硝酸-酒精溶液浸蚀，以显示清晰为止。

（3）将己浸蚀好的试样，在500倍金相显微镜上观察并参考评级图片进行评定。

1级：

点状和粒状碳化物和少量片状珠光体。

2级：

细粒状碳化物加少量点状碳化物。

3级：

均匀分布粒状加少量点状碳化物。

4级：

较均匀分布粒状碳化物。

5级：

较4级粗的粒状碳化物加少量粗片状珠光体。

6级：

大小不均匀的粒状碳化物加少量粗片状珠光体。

3．球化退火不良组织产生原因

细片状珠光体产生原因：

（1）由于加热温度不足原始组织未完全转变，组织特征是全部或部分片状珠光体，没有较大的碳化物颗粒。

（2）加热温度过高，或保温时间过长，奥氏体部分区域均匀化，随后快冷也能形成细片状珠光体。

粗片状珠光体产生原因：

（1）加热温度过高或保温时间过长，部分奥氏体区域均匀化，随后慢冷形成粗片状珠光体。

（2）重复退火处理使奥氏体部分均匀化，随后慢冷，组织特征是大球状加小球状及粗片状珠光体。

粗球状珠光体产生原因：

（1）温度高，保温时间过长（但还没有达到奥氏体均匀化），碳化物聚集严重。

（2）温度虽然不高，保温时间过长，碳化物聚集也严重。

（3）加热温度高和保温时间都正常，但冷却极慢，也造成碳化物聚集严重。

密集“黑团”产生原因：

由于钢中偏析严重，退火时加热温度偏低，保温时间较短，未溶碳化物质点过于密集，可呈密集“黑团”。

（二）网状碳化物检验

网状碳化物是铬轴承钢在热加工后冷却过程中碳化物沿晶界析出成网，称为网状碳化物。

一般来说，热加工终了温度越高，随后冷却越缓慢时，网状碳化物也就越严重。

由于碳化物的存在，削弱了金属间的结合力，使钢的冲击韧性下降，脆性增加。

网状碳化物可通过正火来消除。

1.评级原则

（1）经淬火回火后磨制横断面进行检验，可用脱碳样，但必须进行淬火和回火处理。

（2）试样用3-5%硝酸-酒精溶液浸蚀至黑灰色，在500倍金相显微镜下进行观察、检验评级。

2.对评级图的理解

1级:

二次碳化物呈均匀粒状分布,并允许有1-3条呈短小条状存在。

二次碳化物少量呈链长条形，个别有呈弯曲形存在。

二次碳化物呈弯曲形存在，部分构成串网。

三、实验所需材料及仪器设备

材料：

退火态GCr15轴承钢

设备：

电阻炉，砂轮机，抛光机，显微镜

1．GCr15轴承钢球化退火组织检验与分析。

2．GCr15轴承钢网状碳化物检验与分析。

五、实验步骤

（一）球化退火组织检验

1．按标准要求取样、制样。

2．在显微镜下对原材料（退火态）进行珠光体球化级别评级。

1．对原材料进行淬火-回火处理（850±

10℃加热、油淬；

150-160℃回火）。

2．试样热处理完毕后，按标准要求取样、制样。

3．在显微镜下进行组织观察和网状碳化物评级。

六、实验报告

1．画出GCr15退火态试样的显微组织示意图并按照标准对其评级；

2．分析退火组织形成的可能原因。

3．画出GCr15淬火回火试样的显微组织示意图并按照标准对其评级。

4．分析网状碳化物级别的成因。

实验三工具钢热处理工艺-组织-性能的系统分析

1．掌握工具钢热处理中成分—工艺—组织—性能内在关系；

2．通过实验，掌握材料的系统分析方法。

3．了解工具钢不同工艺条件下的常见组织。

工具钢主要用于制造各种切削刀具、模具和量具。

所以要有高的硬度和耐磨性、高的强度和冲击韧性等。

常用的工具钢有T10、9CrSi、Cr12MoV、W18Cr4V等。

T10是普通碳素工具钢，淬火－回火态组织为：

回火马氏体＋颗粒状碳化物渗碳体＋少量残余奥氏体。

9CrSi是低合金工具钢，淬火－回火态组织为：

回火马氏体＋颗粒状碳化物渗碳体。

Cr12MoV是模具钢，淬火－回火态组织为：

回火马氏体＋块状碳化物渗碳体。

下面以高速钢为例，介绍其热处理工艺特点，显微组织与性能的关系。

图1高速钢W18Cr4V铸态组织

图2W18Cr4V锻造退火组织

铸态高速钢的显微组织黑色组织为δ共析相；

白色组织是马氏体和残余奥氏体；

鱼骨状组织是共晶莱氏体。

铸态高速钢的显微组织中，碳化物粗大，且很不均匀，不能直接使用，必须进行反复锻造。

锻造后还须进行退火。

退火的目的：

①消除锻造应力，降低硬度便于切削加工；

②为淬火组织做好组织上的准备。

因为原组织为马氏体、屈氏体、或索氏体的高速钢，未经退火，淬火时可能引起萘状断口。

退火温度宜为860～880℃，加热时间为3～4小时左右，为了缩短退火时间，一般采用等温退火，即：

860～880℃加热3～4小时，炉冷到700～750℃等温4～6小时。

锻造退火组织：

在索氏体基体上分布着粗大的初生碳化物和较细的次生碳化物（碳化物呈白亮点）。

图3高速钢W18Cr4V淬火组织

图4高速钢W18Cr4V淬火回火组织

高速钢的淬火工艺的特点：

主要是加热淬火温度高。

目的是尽可能多的使碳和合金溶入奥氏体。

高速钢的淬火方法有油淬、分级、等温、空冷等。

以W18Cr4V为例，淬火温度在1270℃～1290℃，淬火组织是由（60～70%）马氏体和（25～30%）残余奥氏体及接近10%的加热时未溶的碳化物组成，晶粒度9～10级，硬度63～64HRC。

当淬火温度不足，在1240℃～1260℃时，碳化物大部分未溶入奥氏体，晶粒度为11～12级，硬度62～63HRC。

当淬火温度过高，在1300℃～1310℃时，碳化物数量减少，晶粒度7～8级，硬度64～65HRC。

当淬火加热温度达1320℃左右时，晶界开始熔化，出现共晶莱氏体和δ共析相，此时过烧。

当两次淬火之间未经充分退火，易产生萘状断口，断口呈鱼鳞状白色闪光，如萘光，晶粒粗大，或大小不匀。

为了进一步减少变形并提高韧性，对于形状复杂，碳化物偏析严重的刀具可用等温淬火。

等温温度为240～280℃左右，其组织为40～50%下贝氏体和20%马氏体和35～45%残余奥氏体及未溶碳化物。

高速钢回火工艺的特点，主要是回火温度高，回火次数多，回火温度在560～570℃时，硬度和强度可达到最大值。

由于淬火高速钢中残余奥氏体数量较多，经一次回火后，仍有10%的未转变，硬度64～65HRC。

再进行两次回火，才能基本转变完。

第一次回火对淬火马氏体起回火作用，而在回火冷却中残余奥氏体转变成马氏体时又产生了新的应力，所以需要第二次回火，而第二次回火后由产生新的应力，还需要第三次回火进一步消除应力，有利于提高钢的强度和韧性，所以高速钢的典型回火规定是560℃，回火三次，每次1小时，回火后钢的硬度比淬火后略高，约在63～66HRC，得到组织是回火马氏体和未溶碳化物和1～2%残余奥氏体。

1．设备：

4X型金相显微镜；

洛氏硬度计。

2．试样：

1）9CrSi、Cr12MoV的金相试样一套；

2）W18Cr4V经不同温度淬火—回火的硬度试样一套；

3）W18Cr4V经不同温度回火的硬度试样一套。

1．观察分析工具钢不同温度淬火-回火下的显微组织，见表1。

观察分析高速钢不同温度淬火下的显微组织，见表2。

2．硬度测试：

不同淬火温度的W18Cr4V试样，相同淬火温度不同回火温度的W18Cr4V试样。

将试验结果填空入表3和表4。

表1工具钢不同热处理工艺制度下的显微组织

序号

材料名称

处理工艺

显微组织

浸蚀剂

9CrSi

淬火+回火

回火马氏体＋颗粒状碳化物渗碳体

3％硝酸酒精溶液

W18Cr4V

铸态

共晶莱氏体+黑色组织+马氏体+残余奥氏体

退火

索氏体＋碳化物

1280℃淬火

（60～70%）马氏体＋（25～30%）奥氏体（残余2～3%）＋10％未溶碳化物

30％硝酸酒精溶液

1280℃淬火560℃回火三次

回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体

Cr12MoV

隐晶马氏体＋碳化物

表2 

W18Cr4V高速钢不同温度淬火后的金相试样

淬火温度/℃

1220

隐晶马氏体＋残余奥氏体＋未溶碳化物

（奥氏体晶粒不明显、碳化物极少部分溶入奥氏体）

1240

（奥氏体晶粒细小、碳化物大部分未溶入奥氏体）

1260

（奥氏体晶粒小、碳化物部分未溶入奥氏体）

1280

隐晶马氏体（60～70％）＋残余奥氏体（25～30％）

＋10％未溶碳化物

1290

隐晶马氏体（65～72％）＋残余奥氏体（20～30％）

＋8％未溶碳化物

1300

（奥氏体晶粒粗大、碳化物数量小于5%）

1310

（奥氏体晶粒异常长大、碳化物聚集到晶界、呈角状）

8

1320

晶界开始熔化、出现共晶莱氏体和δ共析相

五、实验报告与综合分析

1．实验目的。

2．画出所观察试样的显微组织示意图，并标明材料、状态、显微组织、腐蚀剂、放大倍数。

3．绘出高速钢的硬度与不同淬火加热温度，以及不同回火温度的关系曲线。

4．根据成分特点，以高速钢为例对热处理工艺—组织—性能进行系统分析。

（1）通过对W18Cr4V各种状态显微组织的观察，在组织上如何区别铸态和过烧组织、退火和回火组织、不同温度的淬火组织、充分回火与不充分回火的组织，并进行分析其原因。

（2）高速钢W18Cr4V的AC1在800℃左右，但淬火加热温度一般在1250~1280℃，淬火加热温度为什么这样高?

（3）高速钢在淬火加热时，有可能会产生欠热、过热和过烧现象，根据金相组织上的特征，进行分析?

（4）W18Cr4V在560℃长时间一次回火，是否可以代替3次回火？

表3 

硬度与淬火温度关系表

硬度

表4 

硬度与回火温度关系

淬火温度

/℃

回火温度/℃

200

300

400

500

570

600

650

硬度/HRC

实验四不锈钢晶间腐蚀试验与分析

1．掌握影响奥氏体不锈钢晶间腐蚀的因素；

2．掌握不锈钢晶间腐蚀试验的方法。

18-8型奥氏体不锈钢在许多介质中具有高的化学稳定性，但在400-800℃范围内加热或在该温度范围内缓慢冷却后，在一定的腐蚀介质中易产生晶间腐蚀。

晶间腐蚀的特征是沿晶界进行浸蚀。

使金属丧失机械性能，致使整个金属变成粉末。

1．晶间腐蚀产生的原因

一般认为在奥氏体不锈钢中，铬的碳化物在高温下溶入奥氏体中，由于敏化（400-800℃）加热时，铬的碳化物常于奥氏体晶界处析出，造成奥氏体晶粒边缘贫铬现象，使该区域电化学稳定性下降，于是在一定的介质中产生晶间腐蚀。

为提高耐蚀性能，常采用以下两种方法。

（1）将18-8型奥氏体不锈钢碳含量降至0.03%以下，使之减少晶界处碳化物析出量，而防止发生晶间腐蚀。

这类钢称为超低碳不锈钢，常见的有00Cr18Ni10。

（2）在18-8型奥氏体不锈钢中加入比铬更易形成碳化物的元素钛或铌，钛或铌的碳化物较铬的碳化物难溶于奥氏体中，所以在敏化温度范围内加热时，也不会于晶界处析出碳化物，不会在腐蚀性介质中产生晶间腐蚀。

为固定18-8型奥氏体不锈钢中的碳，必须加入足够数量的钛或铌，按原子量计算，钛或铌的加入量分别为钢中碳含量的4-8倍。

2．晶间腐蚀的试验方法

晶间腐蚀的试验方法有C法、T法、L法、F法和X法。

这里介绍容易实现的C法和F法。

试样状态：

（1）含稳定化元素（Ti或Nb）或超低碳（C≤0.03%）的钢种试样应在固溶状态下经敏化处理后进行试验。

敏化处理温度为650℃保温1小时空冷。

（2）含碳量大于0.03%不含稳定化元素的钢种，以固溶状态的试样进行试验；

用于焊接的钢种应经敏化处理后进行试验。

（3）直接以冷状态使用的钢种，经协议可在交货状态试验。

（4）焊接试样直接以焊后状态试验。

如在焊后要在350℃以上热加工，试样在焊后要进行敏化处理。

试样制备：

（1）试样从同一炉号、同一批热处理和同一规格的钢材中选取。

铸件试样从同一炉号的钢水浇铸的试块中选取。

含稳定化元素钛的钢种，在该炉号最末浇铸的试块中选取。

焊后试样从产品相同的钢材和焊接工艺焊成的试样上选取。

（2）试样热处理应在试样磨光前进行。

试样表面无氧化、光洁。

试验方法：

C法：

草酸电解浸蚀试验。

（1）试验溶液：

100克草酸溶解于900毫升蒸馏水中。

（2）试验程序：

a：

检验面用酒精或丙酮洗净，干燥。

b：

试样为阳极，不锈钢为阴极。

c：

容器内溶液的多少，视容器大小而定。

d：

接通电源，电流密度按试样试验部分的表面积计算，每平方厘米1安培，试验溶液温度为20-50℃，试验时间为15分钟。

e：

试验后试样洗净，干燥。

在显微镜下放大150-500倍评定。

F法：

（1）试验装置：

带盖塑料试验容器，恒温水浴槽。

（2）试验溶液：

25%硝酸，加2%氟化钠。

溶液配制：

在塑料容器内，加入593毫升蒸馏水和277毫升比重为1.39的65%硝酸，在70℃时加入20克氟化钠，待氟化钠溶解后，立即注入试验容器进行试验。

（3）试验程序：

试样用氧化镁或丙酮除油、洗净，干燥。

试验容器中放入塑料支架，试样置于支架上，试样之间互不接触。

溶液量按试样表面积计算，每平方厘米不少于5毫升。

在70±

1℃试验3小时，防止溶液蒸发损失。

试验后取出试样，刷去腐蚀产物，洗净、干燥。

3．试验结果的评定

（1）C法评定

用金相显微镜观察试样的浸蚀部位，放大倍数150-500倍，压力加工试样的腐蚀组织分为四级，见表3-1，铸件、焊接件试样的腐蚀组织分为三级，见表3-2。

表3-1压力加工试样的腐蚀组织级别

级别

组 

织 

特 

征

一级

晶界没有腐蚀沟，晶粒之间成台阶状

二级

晶界有腐蚀沟，但没有一个晶粒被腐蚀沟包围

三级

晶界有腐蚀沟，个别晶粒被腐蚀沟包围

四级

晶界有腐蚀沟，大部分晶粒被腐蚀沟包围

表3-2铸件、焊接件试样的腐蚀组织级别

晶界有腐蚀沟，铁素体被显现

二级

晶界有不连续的腐蚀沟，铁素体被腐蚀

三级

晶界有连续的腐蚀沟，铁素体被严重腐蚀

（2）F法试验后的试样，厚度小于或等于1毫米时弯曲角度为180℃，弯心直径等于试样厚度；

厚度大于1毫米时弯曲角度为90℃（压力加工试样弯成Z字型），弯心直径等于5毫米。

焊接试样沿熔合线进行弯曲。

（3）弯曲后的试样用10倍放大镜观察，若只有一个试样上发现有裂纹，即有晶间腐蚀倾向。

当试样不能进行弯曲或弯曲裂纹性质可疑时，用金相法评定。

金相试样经浸蚀后，在150-500倍金相显微镜上观察，如发现晶间腐蚀，即有晶间腐蚀倾向。

00Cr18Ni10和1Cr18Ni9不锈钢板

仪器设备：

电阻炉，砂轮机，抛光机，电解腐蚀仪、显微镜

1．检验并分析00Cr18Ni10焊接钢板的晶间腐蚀倾向

2．检验并分析1Cr18Ni9冷变形钢板的晶间腐蚀倾向

（1）按标准要求处理、制备试样。

（2）按标准要求配制腐蚀液。

（3）按标准进行试验并评定晶间腐蚀倾向。

1．实验原理

2．实验步骤

3．实验结果分析

实验五钢铁的火花鉴别

金属材料的鉴别方法很多，常用的有化学分析、金相分析、断口分析、火花鉴别等方法。

而最方便易行的是断口分析和火花鉴别方法。

火花鉴别是利用试样在砂轮上磨削时发射出的火花来鉴别钢种的方法。

这种方法快速、简便，在冶金和机械制造工厂的车间现场广泛用以鉴别钢种混号和进行废钢分类，并用以鉴定热处理后表面的含碳量。

在没有其他分析手段的情况下，也用以大致估量钢材的成分。

1.掌握综合分析问题的方法。

2.加深理解各类钢材的特性。

试样与高速旋转的砂轮接触时，由于摩擦，温度急剧升高，被砂轮切削下来的颗粒以高速度抛射出去，同空气摩擦，温度继续升高，发生激烈氧化甚至熔化，因而在运行中呈现出一条条光亮流线。

这种被氧化颗粒的表面生成一层氧化铁薄膜；

而颗粒内所含的碳元素，在高温下极易与氧结合成一氧化碳，又把氧化铁还原成铁，铁再与空气氧化，又被碳还原；

如此多次重复，以致颗粒内聚积愈来愈多的一氧化碳气，在压力足够时便冲破表面氧化膜，发生爆裂，形成爆花。

流线和爆花的色泽、数量