2010版航空材料实验指导书2.doc

实验一 碳钢的平衡组织观察一、实验目的：1. 熟悉碳素钢在平衡状态下的显微组织，建立铁碳合金的组织与FeFe3C状态图之间关系的概念。2. 熟悉铁碳合金的组织及计算其含碳量的方法。3. 熟悉金相显微镜的使用。二、实验内容：1. 概述：铁碳平衡相图是研究钢铁材料性能、工艺及组织之间关系的基础。铁碳合金在平衡状态时的组织是指缓慢冷却后的组织，其相变过程均按照FeFe3C状态进行。下图为铁碳状态图。铁碳合金在室温时组织的基本构成成份可以为单相组织与复相组织两种。1.1单相组织铁素体及渗碳体（1）铁素体（）：碳溶解在Fe中的间隙固溶体，其最大含量是0.02%（727）而室温时只能溶碳0.0008%。（2）渗碳体：是铁和碳的化合物Fe3C，其含碳量为6.69%。1.2复相组织珠光体，莱氏体及变态莱氏体珠光体是铁素体与渗碳体的机械混合物，通常呈层片状组织，在一定温度下等温，也可形成球状珠光体。珠光体是由含碳0.77%的奥氏体在727时所形成的共析体，其反应如下A0.77DP（F0.0218+Fe3C）莱氏体是液态铁碳合金发生共晶转变形成的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体，其含碳量为c4.3。当温度高于727时，莱氏体由奥氏体和渗碳体组成，用符号Ld表示。在低于727时，莱氏体是由珠光体和渗碳体组成，用符号Ld表示，称为变态莱氏体。因莱氏体的基体是硬而脆的渗碳体，所以硬度高，塑性很差。 铁素体 珠光体 珠光体 莱氏体2. 碳钢在平衡状态下的显微组织根据铁碳状态图，钢的组织有三种类型。（1）亚共析钢（C小于0.77%的铁碳合金）：组织为铁素体+珠光体。含碳量愈高，铁素体的含量就愈少，珠光体的相对含量便愈大。如图所示白色的铁素体、黑色的珠光体（以下无特殊说明均为3%硝酸酒精溶液腐蚀）。按照FeFe3C图用杠杆定律求出已知含C%的钢所含铁素体与珠光体的百分数。例如：0.2%C的钢，其组织中珠光体、铁素体的相对百分数如下：珠光体（%） 0.2/0.8=25%铁素体（%） （0.8-0.2）/0.8=75%与此相反，我们也可以根据显微镜下看到的珠光体百分数和铁素体的百分数来估计钢的含C量百分数。如组织中有60%面积为珠光体，40%面积为铁素体，则钢的含C量为：0.860%=0.48% 20 钢 45 钢60 钢（2）共析钢（0.77%C）：组织中为纯珠光体，用光学显微镜观察可看到黑白相间的层片组织。（3）过共析钢（C大于0.77%）：组织为珠光体及二次渗碳体。Fe3C呈白色网状分布，用特殊的苦味酸钠水溶液侵蚀时，网状Fe3C便被染成黑色，而珠光体呈白色。 3%硝酸酒精溶液腐蚀的T12钢（400） 热苦味酸钠溶液腐蚀的T12钢（400）3. 白口铸铁铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金，根据碳在铸铁中所处的状态不同，可分为三类：白口铸铁、灰口铸铁和麻口铸铁。白口铸铁中碳以Fe3C形式存在，其显微组织中存在有莱氏体共晶组织。 亚共晶白口铸铁显微组织 过共晶白口铸铁显微组织三、实验步骤1. 认真观察实验室准备的下列铁碳合金样品组织：工业纯铁、20钢、45钢、60钢、T8钢、T12钢（Fe3C 网状显示）、亚共晶白口铁、共晶白口铁、过共晶白口铁、未知含碳量钢；2.根据要求描绘若干铁碳合金样品的平衡组织图；3.根据20钢、45钢的平衡组织，讨论组织与含碳量的关系，并计算出未知成份试样的C%；四、实验仪器及材料1. 金相显微镜若干台；2. 上述的工业纯铁20钢、45钢、60钢、T8钢、T12钢的金相样品及图片。五、实验报告要求1. 明确实验目的，简述实验内容；2. 按指导教师要求，画出所观察试样的显微组织示意图，注明合金成分、状态、放大倍数、侵蚀剂及各组织组成物的名称；3. 根据20钢、45钢的平衡组织，讨论组织与含碳量的关系并计算未知成份试样的C%。3. 观察结果的讨论分析；4. 实验的体会和建议。实验二 碳钢的热处理及非平衡组织观察一、实验目的1. 了解退火、正火、淬火及回火等普通热处理的基本工艺与生产。2. 认识碳钢典型的热处理组织，了解不同加热温度、不同冷却速度及不同回火温度对所得组织的影响。二、实验内容实验一中我们研究了铁碳合金的平衡组织，即缓冷后的组织。它完全符合铁碳状态图所得出的结果，而非平衡组织，通俗的理解就是在较快的冷速下所得到的组织，除退火外，正火、淬火或回火所得的组织都为不平衡组织。1. 状态图可决定热处理的加热温度和可以进行哪一类热处理。但热处理后的产物尚需视冷却速度而定，这样就需要运用过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）来决定。而钢的回火后组织又必须结合钢的回火相变原理去理解。图1为共析钢由TTT曲线推测过冷奥氏体连续冷却所获转变产物。A1为临界线（727），Ms为马氏体转变开始温度。以不同冷却速度进行冷却。根据冷却曲线和“C”曲线相交的位置可以判断出奥氏体转变产物是什么组织。Vk 表示转变为马氏体的最小冷速。V1相当于退火冷速（炉冷），产物为片状珠光体。V2相当于正火冷速（空冷），产物为索氏体，索氏体也是+Fe3C的机械混合物，与珠光体不同的是其片状较细，在放大倍数较高的显微镜观察时可以分辨清楚（一般8001000倍）V3相当于在油中冷却，产物为屈氏体+马氏体。屈氏体也是+Fe3C的机械混合物只是片状更细，故要在更高放大倍数下才能分辨。普通金相显微镜分辨不清，呈黑色团块状。V4相当于在水中冷却（淬火），产物为马氏体+残余奥氏体。马氏体（M）是碳在Fe中的过饱和固溶体，其组织特征呈亮白色针状。针与针之间的夹角一般为60或120，针的粗细与原来的晶粒度有密切的关系。若选取热处理加热温度过高，则由于晶粒很粗大，淬火后的M针也粗大。这种情况下钢的韧性很低。正常淬火温度下，M针应很细，呈隐针状。钢在淬火后常保留某些未转变的奥氏体，称为残余奥氏体，它与一般的奥氏体没有什么区别。下面是一些钢种热处理后的显微组织。45钢退火处理（100）：基体组织为珠光体及铁素体。铁素体沿奥氏体晶界呈网络状分布。片状珠光体的体积分数约占基体总体积分数的55%，由此可以推算出钢中W（C)为45%。同时，从网络状分布的铁素体可以看出，此钢退火温度不高；故其晶粒细小。这种钢在退火状态下强度是偏低的，为了充分发挥材料的潜力，通常于采用调质或正火处理。45钢860加热保温后淬火（500）。针状淬火马氏体，其针叶大小中等。45钢860加热保温后淬火，600回火1h（500）。基体组织为保持马氏体位向分布的回火索氏体，硬度为28HRC。45钢淬火后得到过饱和的a固溶体即淬火马氏体。它的强度及硬度很高(硬度可达5860HRC左右)，而其韧性及塑性则明显下降。为了消除淬火时的内应力和组织应力，淬火的工件应及时进行回火处理，当回火温度达600时，马氏体则发生分解，析出极细的渗碳体颗粒，从而使基体分解为索氏体组织，此时工件的强度和硬度有所下降，而塑性及韧性则显著提高。因此，可获得良好的综合力学性能，以适应制造要求强度较高，塑性及韧性也好的机械零件。20钢900加热后正火处理（100），组织是白色基体为铁素体等轴晶，黑色块状为片状珠光体。此为正火后的正常组织。20钢950加热保温后水淬（500）。组织是低碳马氏体，又称板条状马氏体，硬度为4647HRC。低碳钢淬火后可得到板条状马氏体组织，它的特征是:尺寸大致相同的条状马氏体定向平行排列，组成马氏体束或马氏体区域，在区域与区域之间位向差较大，一颗原始的奥氏体晶粒内可以形成几个不同取向的区域。20钢通过加热后淬火、回火等处理，可以改善其力学性能和可加工性，以充分利用它的潜在性能，来制造强度和韧性要求较高的零部件2.钢淬火后必须回火，按工件不同的性能要求进行不同类型回火。根据加热温度的高低可分为低温回火、中温回火和高温回火。（1）低温回火：回火温度在250以下，回火转变的产物为回火马氏体，它与淬火马氏体的形态相同，呈针状。但易受侵蚀，所以颜色发暗。（2）中温回火：回火温度350500，其组织为回火屈氏体。它也是+Fe3C的机械混合物。回火屈氏体中的Fe3C微粒是分布在保留马氏体位向的上。（3）高温回火：回火温度500650，其组织为回火索氏体，在高倍放大下可以看到析出的Fe3C粒子分布在基体上。下图为不同回火工艺处理后的典型显微组织三、实验步骤1. 认真观察下列实验室准备的碳钢非平衡组织的样品：1） 45钢850炉冷；2） 45钢850空冷；3） 45钢850油冷；4） 45钢850水冷；5） 45钢760水冷；6） 45钢850水冷+200回火；7） 45钢850水冷+400回火；8） 45钢850水冷+600回火；9） T10钢：球化退火；10）T12钢：780水冷；11）T12钢：1200水冷，过热组织；12）T12钢：1200水冷+200回火；13）20钢：1200水冷；14）65Mn钢：等温淬火，上贝氏体；15）65Mn钢：等温淬火，下贝氏体。16）902（船用钢板）：910空冷，粒状贝氏体2. 了解冷却速度对钢组织的影响，过共析钢淬火温度的选择。3. 观察不同回火温度下的显