相变原理指导书.doc

河北工业大学材料学院相变原理课程实 验 指 导 书序 号实 验 名 称学 时实验一奥氏体晶粒度的显示和测定3实验二先共析相及珠光体组织观察2实验三常用钢淬火马氏体组织形态观察2实验四中碳钢回火组织和贝氏体组织观察2200 6年 05月实验一：奥氏体晶粒度的显示和测定一、 实验目的 1. 熟悉奥氏体晶粒的显示和晶粒度的测定方法 2. 测定本质晶粒度和实际晶粒度 3.验证加热温度、保温时间对奥氏体晶粒长达的影响二、实验说明奥氏体的晶粒度可分为：起始晶粒度、实际晶粒度和本质晶粒度三种。起始晶粒度是指珠光体刚刚全部转变为奥氏体晶粒时的晶粒度。实际晶粒度是指钢在具体加热条件下，实际获得的奥氏体晶粒度。本质晶粒度则是表示在规定的加热条件下奥氏体晶粒长大倾向性的高低，而不是晶粒大小的实际度量。 钢件加热时形成的奥氏体晶粒及其大小对以后冷却时所形成的组织的机械性能和工艺性能都有很大的影响，所以生产中常需要测定奥氏体晶粒的大小。 冶金部规定，对许多结构钢出厂前需检查奥氏体的本质晶粒度，据YB2764部颁标准规定，测定奥氏体本质晶粒度是在930保温3小时后进行。奥氏体晶粒大小的测定包括两个步骤：即奥氏体晶粒的显示和奥氏体晶粒尺寸的测定和评级。1. 显示奥氏体晶粒的方法 渗入外来元素的方法钢在奥氏体状态时，用氧、碳或其它元素渗入钢中，利用晶界比晶内有较大的化学活波性的特性，在晶界上优先形成渗碳体或氧化亚铁等组成物，利用这些组成物的网格显示出高温奥氏体晶粒轮廓，这类方法常用的有渗碳法，氧化法等。这类方法虽广泛应用，但由于外来元素的渗入，改变了钢的成分，或由于氧化物的形成，影响了奥氏体晶粒的长大速度，因而影响了测定的准确性。同时实验方法也较为复杂。控制冷却速度法A网状铁素体法：此法适用于含碳量0.250.6%Cde4 亚共析钢，它利用先共析铁素体优先在晶界析出且呈网状分布，所以可借显示铁素体网格来测定奥氏体晶粒大小，但不同钢材的冷却速度要经多次实验，方可获得网格铁素体的理想冷却速度，并且一旦冷速有变化，则将改变铁素体网格的分布，这就影响了测量精确度。 B网状渗碳体法：适用于过共析钢，利用在退火时沿晶界析出网状渗碳体来显示奥氏体晶粒。C网状屈氏体法：适用于淬透性不高的低碳钢、低合金钢，利用淬火时沿晶界析出的网状屈氏体来显示奥氏体晶粒大小。化学试剂腐蚀法试样经加热淬火，获得马氏体，有些钢还需经一定温度回火，制成金相磨片，用特殊的浸蚀剂，可直接显示奥氏体晶粒。这种方法的优点是能正确反映晶粒大小，制作金相试样过程简单，它的缺点是不如氧化法通用性强，因此不同的钢材要选用不同的回火工艺和选择合适的浸蚀剂，但近年来人们乐于应用这种方法。 化学试剂腐蚀法: 这种方法的浸蚀剂有两类，它们对试样的制备要求也不同，但应用比较方便的是直接显示奥氏体晶界的浸蚀剂。该试剂的配方可参考上表数据：*表中烷基苯磺酸钠可用洗衣粉代替，或用洗净剂代替。表中烷基苯磺酸钠和新洁尔灭都可抑制马氏体的出现，促使奥氏体晶界的显示。为了用此法测定本质晶粒度，试样需加热到930保温3小时，然后淬火，之后有的钢种要经过回火处理，才可显示奥氏体晶粒的大小。不同钢种的热处理工艺如下表：12常用钢显示奥氏体晶粒的热处理工艺 2.测定奥氏体晶粒的大小方法 评定奥氏体晶粒大小的方法有比较法、计算法，这在材料科学基础课程实验指导书中已有祥述，这里只介绍比较法， 该方法是根据冶金标准YB2764的规定，将被测奥氏体晶粒与放大100倍的八个等级的晶粒度标准等级做比较，从而评定晶粒等级。 这种方法的基本原理是假定在放大100倍时，在1英寸2 (625厘米2)面积中的晶粒数n和晶粒级别号数N之间的关系n=2N -1则晶粒的平均面积F与晶粒级别有下列关系： F=50028-N微米2 晶粒度标准等级图就是在100倍的标准放大倍数下编制的，下列表中示出了各种晶粒度级别的参数，表中的晶粒等级-1，0，9，10是在和标准放大倍数下观察的结果，如表1-3，为我们提供了各种不同的放大倍数下的晶粒度等级，和相应放大100倍的晶粒等级之间的换算关系。 若在钢的显微组织晶粒中有2个级别，必要时可指明此两级别中每级晶粒所占百分率（按面积），若占优势的晶粒度占面积不小于视域的90%时，则可记录此一种晶粒的级别等级。 当均匀的大小晶粒间混有少量小晶粒时，一般认为小晶粒是由于截面只截到大晶粒的一小部分，可不予考虑。 比较法应用简便、迅速，在日常检验中可以易于广泛应用，但精确度差，不能满足定量金相的检验要求。 表13 各种晶粒度级别 本质晶粒度分阶段18级 14级为本质粗晶粒度钢；58级为本质细晶粒度钢。三、实验步骤 1. 用渗碳法和化学试剂腐蚀法测定15钢的本质晶粒度并比较和分析两种方法的测定结果（要求用晶粒平均直径面积表示）。 2.选择适当的方法显示测定下列钢种的实际晶粒度（用比较法评级）。 本实验分两组进行第一组测定 45钢 850 奥氏体化的实际晶粒度 T12钢 920 奥氏体化的实际晶粒度第二组测定 Gr15钢 860 奥氏体化的实际晶粒度 W6Mo5Cr4V2钢 1220 奥氏体化的实际晶粒度 560 奥氏体化的实际晶粒度 要求预先制定好实验方案，选用试验设备和准备好浸蚀剂并和指导老师取得联系。 3. 实验报告要求 仔细列出实验结果 分析实验结果 比较各种晶粒度测定方法的优缺点和选用范围。实验二：先共析相及珠光体组织观察 一、实验目的 1. 观察先共析相的不同形态，区分未溶铁素体和先共析铁素体2. 观察二次碳化物的不同形态3. 比较共析钢的珠光体和索氏体组织二、实验说明1. 先共析铁素体的组织特征当冷速慢过冷度小时，首先形核的铁素体有足够的长大时间，故往往分离成块状或厚薄不均的网状铁素体。当冷速更大时，还可能形成晶界锯齿形魏氏组织，对于中碳钢晶粒粗大、冷速较快则往往形成晶内针状魏氏组织铁素体。当钢中存在较多的夹杂物（FeO，MnS等）且冷速较慢时，铁素体往往沿夹杂物形核长大，形成偏析。随着冷速的增大，共析珠光体量增多，先共析铁素体量减少。未溶铁素体是淬火加热不足的产物，一般数量较少，呈角状或小岛状不连续的网状并和钢的原始组织有关。2. 先共析渗碳体的组织特征冷速慢时呈网状或断续网状分布，冷速快时呈晶内针状分布。3. 片状珠光体的组织特征 珠光体团一般呈半圆形或球形，当过冷度较大时，由于其侧向长大困难，纵向长大较快逐步由球状桑叶状针状过渡。 另外随过冷度增大珠光体的层间距离变小，并分别称为索氏体（金相显微镜下可分辨）和屈氏体（金相显微镜下可分辨）。4. 球化组织由粒、点状碳化物和铁素体基体组成。当球化退火温度偏高时，可能出现粗细不均匀的片状珠光体组织。当球化退火温度偏低时，则保留部分的原始组织的片状珠光体，当原始组织不良时，可能出现残余的断续网状或多角状二次碳化物。当球化退火温度较高，冷速又极慢时，形成的粒状碳化物颗粒较粗，冷速较快时则形成点状碳化物。三、 实验步骤1.实验材料GCr15、中碳钢（铸态及不同温度正火和退火）、T8。2.观察组织 GCr15正常退火和过热及欠热退火组织 45钢1100正火及退火组织 45钢 调质组织 GCr15 970正火及退火组织 T8 850退火组织 T8 850加热，500索氏体化 T8 900油淬组织四.实验要求 1. 总结实验结果，并分析说明不同组织的不同特征及形成条件 2. 分组讨论，并写出讨论总结实验三：常用钢淬火马氏体组织形态观一、实验目的1.制备不同马氏体形态的试样2识别不同淬火马氏体的组织形态3. 了解钢的化学成分对马氏体形态的影响二、 实验说明钢淬火后的马氏体组织形态可分为板条马氏体和片状马氏体两种。1.条状马氏体的立方体形态为细长的板条状。在低碳钢中其长度约几微米，其横截面可能为椭圆形，平均直径多数在 0.10.2微米。因此，在低倍显微镜下很难分辨马氏体条，只有在电镜下才可分辨马氏体条及其亚结构（高密度位错），所以又叫位错马氏体。在显微镜下看到的马氏体条是由许多似乎平行的小角度分开的马氏体组成的马氏体束。许多马氏体束，排列成一群一群的马氏体（或曰一捆一捆的马氏体），捆与捆之间有较大的位错差，但是马氏体的条、束或捆的长度都不穿过晶界。所以在一个奥氏体晶粒内可以看到不同位向的几捆马氏体。2.片状马氏体的立体形态呈双秃透镜状，在显微镜下表现为其截面的形态，即呈针状或竹叶状的马氏体。片状马氏体的片与片之间常呈一定的角度相交，其晶内的亚结构主要是孪晶马氏体。高碳片状马氏体的形成温度较低，因而不易发生自回火现象，故其显微组织难于浸蚀，颜色较浅。影响马氏体形态的因素，目前一般认为主要是奥氏体的形成温度。碳是强烈降低马氏体开始形成温度（Ms点）的元素，因此碳对钢中马氏体的形态有着决定性的影响，随钢中含碳量的增加，条状马氏体相对量减少，片状马氏体的相对量增加，当奥氏体含碳量小于0.2%时，淬火组织几乎全部是条状马氏体，当奥氏体含碳量大于1%的钢淬火时，几乎完全得到片状马氏体。含碳量0.20.8%之间时，得到片状+条状马氏体的混合组织。在实际生产中还可以通过改变淬火温度和加热时间来制马氏体的含碳量，从而达到改变马氏体形态和机械性能的目的。此外钢中的合金元素，绝大多数均降低Ms点，增大钢中马氏体的孪晶倾向，使片状马氏体的相对量增加，但也并非全如此。钢在正常温度淬火，马氏体的组织非常细小，在显微镜下不易分辨它的形态，特别是以些高碳钢或高合金钢，由于未溶碳化物质点的存在，使奥氏体成分结构更加不均匀，因此获得的马氏体极细小，称为隐晶马氏体，隐晶马氏体一般认为是以条状马氏体的混合型马氏体，为了看清高碳马氏体的形态，一般要求过热淬火，粗化它的组织，但是过热淬火得到的组织很脆，没有实用价值。三、实验步骤1. 试样材料 15、45、T12、GCr15、CrWMn2. 实验设备 中、高温加热炉、淬火槽、显微镜、硬度计、腐蚀剂、2%硝酸酒精3. 将试样进行淬火处理，热处理工艺可按表31进行4.制备金相试样5.在金相显微镜下识别不同形态的马氏体，分析不同形态马氏体的特点及差异6.对实验结果进行分析四、实验要求1.绘出板条马氏体和片状马氏体形态的金相示意图，并说明两类马氏体的不同特征2.分析淬火温度对45钢马氏体形态的影响，并测定不同淬火温度下马氏体针的长度3. 辨认45钢中两种混合马氏体的组织特征4.比较并分析45钢和GCr15钢正常淬火的组织特征5.比较T12、GCr15、CrWMn过热淬火的马氏体特征，并指出哪些是259M 表31实验四：中碳钢回火组织和贝氏体组织观察一、实验目的1. 识别不同回火温度的回火组织2. 识别不同的贝氏体组织二、实验说明1. 贝氏体的组织特征 贝氏体转变往往具有转变不完全的特征。因此，往往有其它组织与贝氏体共存，使贝氏体的识别复杂化。为此组织观察时应重点观察转变初期形成的组织。而且，贝氏体组织多种多样，是钢中最复杂的一类组织。在较高温度形成的上贝氏体一般呈羽毛状或平行的条形，与板条状马氏体相比，组织较短，高倍下观察可见条间的碳化物沉淀。较低温度形成的下贝氏体与片状马氏体具有类似的外形，金相显微镜下呈针叶状，但比马氏体易于腐蚀，呈深黑色。在低、中碳合金钢中还往往会形成粒状贝氏体组织，电镜下观察为岛状的残余奥氏体及其转变物和块状铁素体组成。金相显微镜观察类似回火索氏体，但组织较粗，高倍下可分辨出两相组织而且岛状物往往呈条形分布。2. 回火组织特征 淬火钢在回火过程中性能的变化是和其组织的变化相联系的。淬火钢的组织一般是由马氏体和残余奥氏体组成，但含碳量低于0.6%以下时残余奥氏体量就很少了。 在回火时淬火钢的组织变化大致有以下过程： 1.在20100回火，发生碳原子向位错线附近的间隙位置偏聚，或在孪晶面上形成富碳聚集区域 2. 在100200回火，马氏体分解，马氏体内过饱和的碳原子脱溶，沉淀析出与母相共格的亚稳相碳化物，得到回火马氏体组织 3. 在200300回火,残余奥氏体分解，转变为下贝氏体或回火马氏体 4. 在250400回火，发生碳化物类型变化，由碳化物转变为渗碳体 5. 在400700回火，发生相回复和再结晶，渗碳体球化或细化，即相随回火温度的升高，将由原来针状（或条状）逐渐变为多边形的晶粒，而渗碳体被球化并逐渐长达。淬火钢在不同回火温度下转变的过程不同，因此，不同回火温度回火后得到的组织也不同，生产中常按其组织特征将回火组织分为以下四种： 回火马氏体 在150250低温回火，高碳钢得到回火马氏体+残余奥氏体组织，在显微镜下观察，回火马氏体保持针状形态，但其浸蚀的颜色则比淬火马氏体深。 中碳钢低温回火后，仍保持条状和片状马氏体的混合组织，其中的片状马氏体颜色较深，试样腐蚀后表面呈棕黄色，低碳钢低温回火后，仍保持条状马氏体的形态。 回火屈氏体 在300500进行中温回火后，得到屈氏体组织，其金相特征是：条状或片状马氏体的形态基本保持，而渗碳体呈细小的颗粒状，在光学显微镜下难以分辨清楚，及易腐蚀，试样表面呈墨兰色。 回火索氏体 在500650回火得到索氏体组织，其金相特征是：铁素体+粒状渗碳体，对某些合金钢铁素体仍会保持原针状形态，但回火不充分时即使碳钢也会保留有马氏体形态。只有在高于650长时间回火，才可能发生-相再结晶,形成等轴铁素体基体，试样腐蚀后表面呈浅灰色。 回火珠光体 在650以上回火时，渗碳体聚集粗化，与球化退火得到的金相组织相同，此时的回火组织称为回火珠光体，它的金相特征是铁素体+粒状渗碳体。总之随回火温度升高，组织特征存在下述变化规律，淬火马氏体，由于马氏体的形成温度不同往往存在明显的黑白差，低于300回火时，这种黑白差基本不变，仅略比淬火态模糊，随回火温度升高，达400以上时，这种黑白差逐步消失。当