热处理工艺实验指导书

1、热处理工艺实验指导书材料成型与控制工程专业材料科学基础实验指导书安徽工程科技学院材料教研室二00四年十二月实验一金相试样的制备、实验目的1、学习金相试样的制备过程；2、掌握金相试样制备的方法。、实验方法金相试样是用来在显微镜下进行分析、研究的样品，所以对样品的观观察面光洁度要求 较高，要求达到镜面一样光亮，无一点划痕。金相显微试样的制备过程包括取样、 镶嵌磨制、抛光、浸蚀等工艺 下面分别加以简要说明。1、取样显微试样的选择应根据研究的目的，取其具有代表性的部位。例如在 检验和分析失效零件的 损坏原因时，除了在损坏 部位取样外，还需要在距 破坏处较远的部位截取图1-2金相试祥的攘嵌方法 (a)(

2、b)机勵澜(c)fi熔直台金镶嵌； M料攜嵌且科或电木试样以便比较；在研究金切割痕hlt-属铸件组织时，由于存在偏析现象，必须从表 面层到中心同时取样进行观察；对于轧制和锻 造材料则应同时截取横向（垂直轧制方向）及 纵向（平行轧制方向）的金相试样，以便于分 析比较表层缺陷及非金属夹杂物的分布情况； 对于一般热处理后的零件，由于金相组织比较 均匀，试样的截取可在任一截面进行。确定好部位后就可截下试样，试样的尺寸 通常采用直径0 1215mm,高1215mm的圆 柱体或边长1215mm的方形试样，如图1 1 所示。图金風试样的尺寸试样的截取方法视材 料的性质不同而异， 软的金属可用手锯或锯床 切割

3、，硬而脆的材料（如白口铸铁）则可用锤击打下，对极硬的材 料（如淬火钢）则可采用砂轮片切割或电脉冲力口 工。不论采用那种方法，在切取过程中均不宜使试 样的温度过于升高，以免引起金属组织的变化， 影响分析结果。2、镶嵌若试样的尺寸太小（如金属丝、薄片等） 时，直接用手来磨制很困难，需要使用试样夹 或利用样品镶嵌机，把试样镶嵌在低熔点合金 或塑料（如胶木粉、聚乙烯及聚合树脂、牙托 粉与牙托水的混合物）中，如图12所示。3、磨制试样的磨制一般分粗磨和细磨两道工序。（1）粗磨：粗磨的目的是为了获得一个平整的 表面。钢铁材料试样的粗磨通常在砂轮机上进 行，但在磨制时应注意：试样对砂轮的压力不 宜过大，否则

4、会在试样表面形成很深的磨痕， 增加精磨和抛光的困难；要随时用水冷却试样, 以免受热引起组织变化；试样边缘的棱角若无 的困难；要随时用水冷却试样，以免受热引起 组织变化；试样边缘的棱角若无保留必要，可 进行倒角，以免在细磨及抛光时撕破砂纸或抛 光布，甚至造成试样从抛光机上飞出伤人。（2）细磨：经粗磨后试样表面虽较平整， 但还存在有较深的磨痕，如图13所示。细磨 的目的就是为了消除这些磨痕，以得到平整而 光滑的磨面，为下一步的抛光作好准备。将粗磨好的试样用水冲洗干净后就开始进 行细磨，细磨是在一套粗细趁程度不同的金相 砂纸上，由粗到细依次顺序进行。细磨时将砂纸平放在玻璃板上，手指紧握 试样，并使磨

5、面朝下，均匀用力向推行。在回 程时，应提起试样不与砂纸接触，以保证磨面 平整而不产生弧度。每更换一号砂纸时，须将 试样的研磨方向调转90，即与上一道磨痕方向 垂直，直到将上一号砂纸所产生的磨痕全部消 除为止。为了加快磨制速度，除手工磨制外， 还可以将不同型号的砂纸贴在带有旋转圆盘的预磨机上，实现机械磨制。4、抛光细磨后的试样还需进一步抛光。抛光的目 的是去除细磨时留下来的细微磨痕而获得光亮 的镜面。金相试样的抛光方法一般可分为机械抛 光、电解抛光和化学抛光三种（1）机械抛光：在专用的抛光机上进行。 抛光机主要由电动机和抛光圆盘组成，抛光盘 转速为300500rad/min。抛光盘上铺以细帆 布

6、、呢绒、丝绸等。抛光时在抛光盘上不断滴 入抛光液。抛光液通常采用 AL2Q、MgO或 CaQ 等细粉末在水中的悬浮液。机械抛光就是靠极 细的抛光粉与磨面间产生相对磨削和滚压作用 来消除磨痕的。操作时将试样磨面均匀地压在旋转的抛光 盘上，并沿盘的边缘到中心不断作径向往复运 动。抛光时间一般为26min。抛光结束后，试 样表面应看不出任何磨痕而呈光亮的镜面。(2)电解抛光：是利用阳极腐蚀使试样表 面变得平滑光亮的一种方法。将试样浸入电解 液中作为阳极，用铝片或不锈钢片作阳极，使 试样与阴极之间保持一定距离(2030mm ,接 通直流电源。当电流密度足够时，试样磨面即 由于电化学作用而发生选择性溶解

7、，从而获得 光滑平整的表面。这种方法的优点是速度快， 只产生纯化学的溶解作用而无机械力的影响， 因此可避免在机械抛光时可能引起的表层金属 的塑性变形，从而能更确切地显示真实的金相 组织。但电解抛光操作时工艺规程不易控制， 如电解液选择不当会达到不到理想的效果。(3) 化学抛光：其实质与电解抛光相类似， 也是一个表层溶解的过程。它是将化学试剂涂 在试样表面上约几秒至几分钟，依靠化学腐蚀 作用使表面发生选择性溶解，从而得到光滑平 整的表面。5. 浸蚀经抛光后的试样若直接放在显微镜下观 察，只能看到一片亮光，除某些非金属夹杂物 （如MnS及石墨等）外，无法辨别出各种组成 物及其形态特征。必须使用浸蚀

8、剂对试样表面 进行“浸蚀”，才能清楚地显示出显微组织的真 实情况。钢铁材料最常用的浸蚀剂为3%5% 硝酸酒精溶液或4%苦味酸酒精溶液。最常用的金相组织显示方法是化学浸蚀 法。其主要原理是利用浸蚀剂对试样表面的化 学溶解作用或电化学作用（即微电池原理）来 显示组织。对于纯金属或单相合金来说，浸蚀是一个 纯化学溶解过程。由于金属及合金的晶界上原 子排列混乱，并有较高能量，故晶界处容易被 浸蚀而呈现凹沟，如图1 4所示，同时由于每 个晶粒原子排列的位向不同，表面溶解速度也 不一样，因此试样被浸蚀后会呈现轻微的凹凸 不平，在垂直光线的照射下将显示出明暗不同 的晶粒。对于两相以上的合金而言，浸蚀主要是一

9、个电化学腐蚀的过程。由于各组成相具有不同 的电极电位，试样浸入浸蚀剂中就在两相之间 形成无数对“微电池”。具有负电位的一相成为 阳极，被迅速溶入浸蚀剂中形成凹洼，具有正 电位的另一相则为阴极，在正常电化学作用下 不受浸蚀而保持原有平面。当光线照射到凹凸 不平的试样表面时，由于各处对光线的反射程 度不同，在显微镜下就能看到各种不同的组织 和组成相，如图1 4所示。被漫浊之晶界园檯蚀而倾斜之品面2）铁累体晶界片状珠光体图14组织浸蚀情况浸蚀方法是将试样磨面浸入浸蚀剂中，或 用棉花沾上浸蚀剂擦拭表面。浸蚀时间要适中, 一般试样磨面发暗时可停止浸蚀，如果浸蚀不 足可重复浸蚀。浸蚀完毕后立即用水冲洗，接

10、 着用酒精冲洗，最后用吹风机吹干。这样制得 得金相试样即可在显微镜下进行观察和分析研 究。三、实验报告要求1. 每人制备一块金相试样，要电解抛光、 机械抛光混合使用，或化学抛光、机械抛光混合应用。2. 简述电解抛光的原理和过程。实验二金相显微镜的构造及使用、实验目的1、了解金相显微镜的原理及构造;2、熟悉金相显微镜的使用方法。、显微镜的种类普通光学显微镜的类型很多，常分台式、 立式和卧式三大类。若按用途的不同来分，还 有各类特种显微镜，如偏光显微镜、相衬显微 镜、干涉显微镜及高温、低温显微镜等。台式 显微镜主要由一镜筒（包括上装目镜和下配物 镜）、镜体（包括座架和调焦装置）、光源系统（包括光源

11、、灯座及垂直照明器）和样品台四 部分组成。台式显微镜具有体积小、重量轻、携带方 便等优点，多用钨丝灯泡作光源，分直立式光 程和倒立式光程两种。图21为上海光学仪器 厂生产的4XA型台式显微镜。10II1316图4XA台戏显微瞬1.滚花螺钉；2.照明灯座；3.电源开关；4.孔径光阑；5.视域光阑；6.视域光阑调整螺钉；7.目镜筒锁 紧螺钉；8.目镜筒；9.目镜；10.载物台；11.载物台固定螺丝孔；12.物镜；13.物镜转换器；14.显微镜 支架；15.粗调轮；16.微调轮立式金相显微镜是按倒立式光程设计的， 并带有垂直方向的投影摄影箱。与台式显微镜 相比，立式显微镜具有附件多、使用性能广泛，

12、可做明视场、暗视场、偏光观察与摄影等。图2 2a为国产XJL 02型立式显微镜外形。大型卧式金相显微镜是按倒立式光程设计 的，并带有可伸缩水平投影暗箱。卧式金相显微镜由倒立式光程镜体、照明系统和照相系统三部分组成，并配有暗箱、偏光、相 衬、干涉及显微硬度、低倍分析等附件，设计 较为完善，具有优良的观察和摄影像质。图22b为国产XJG- 05型卧式金相显微镜。圏22国产立、冴式金相显微辙三、显微镜的成像原理众所周知，放大镜是最简单的一种光学仪 器，它实际上是一块会聚透镜（凸透镜），利用 它可以将物体放大。其成像光学原理如图2-3所示。 *(a)S(S放大(h )虚像放大图2-3放大饋光学原理图当

13、物体AB置于透镜焦距f以外时，得到倒 立的放大实像A B'如图2-3(a ),它的位置在 2倍焦距长度以外。如果将物体 AB放在透镜焦 距之内，就可看到一个放大了的正虚像A B'如图2-3(b)，映像的长度与物体长度之比 (A B' /AB)就是放大镜的放大倍率也就是放 大率。由于放大镜到物体之间的距离a近似地等于透镜焦距(a f),而放大镜到像间的距离 b近似地相当于人眼的明视距离 (250mr),故放 大镜的放大倍数为：250 由上式可知，透镜的焦距f越短，则放大 镜的放大倍数越大。一般采用的放大镜焦距在 10100mm范围内，因而放大倍数在 2.525 之间。进一

14、步提高放大倍数，将会由于透镜焦 距缩短和表面曲率过分增大而使形成的映像变 得模糊不清。为了得到更高的放大倍数，就要 采用显微镜，显微镜可以使放大倍数达到 15002000 倍。显微镜不像放大镜那样由单个透镜组成， 而是由两组透镜组成。靠近所观察物体的透镜 叫做物镜，而靠近眼睛的透镜叫做目镜。借助 物镜与目镜的两次放大，就能将物体放大到很 高的倍数（402000倍）。见图2-4所示是在 显微镜中得到的放大物像的光学原理图。被观察的物体ab放在物镜之前距其焦距略 远一些位置，由物体反射的光线穿过物镜，经 折射后得到一个放大了的倒立实像 A' B',再 经目镜将实像A B'放

15、大成倒立虚像A" B", 这就是我们在显微镜下研究实物时所观察到的经过二次放大后的物像图24敵人物像的光学原理图在显微镜设计时，让目镜的焦点位置与物 镜放大所成的实像位置接近，并使最终倒立虚 像在距眼睛250mm（约等于人眼的正常明视距 离）处成像，这样就可以看得最为清晰。显微镜质量得好坏，主要取决于：放大 倍数；透镜的质量；显微镜的分辨能力。四、显微镜的放大倍数显微镜包括两组透镜一物镜和目镜。物镜的放大倍数可由下式得出，即M物=K式中L显微镜的光学筒长度（即物镜后 焦点与目镜前焦点的距离）；Fi -物镜焦距而A B'经目镜放大后的放大倍数则可由 公式计算：M 目二

16、-DF2式中 D 明视距离（250 mm；F2 -目镜焦距。显微镜的总放大倍数应为物镜与目镜放大 倍数的乘积，即：250LF?r2显微镜主要放大倍数通过物镜来保证，物 镜最高放大倍数可达100倍，目镜的放大倍数 可达25倍。放大倍数用符号x表示，例如物镜的放大 倍数为40X,目镜的放大倍数为10x，则显微 镜的放大倍数为40x 10= 400xo放大倍数均分 别标注在物镜与目镜的镜筒上。在使用显微镜观察物体时，应根据其组织 的粗细情况，选择适当的放大倍数。以细节部 分观察清晰为准，不要盲目追求过高的放大倍 数。因为放大倍数与透镜的焦距有关，放大倍 数越大，焦距必须越小，结果会带来许多缺陷， 同

17、时所看到的物体区域也越小。五、透镜成像的质量单个透镜在成像过程中，由于几何光学条 件的限制，映像会变得模糊不清或发生畸变， 这种缺陷称为像差。像差主要包括球面像差和 色像差。像差的产生降低了光学仪器的精确性。球面像差的产生时由于透镜的表面呈球曲 形，通过透镜中心及边缘的光线折射后不能交 于一点如图2-5 (a)所示，而变成几个交点呈 前后分布；来自透镜边缘的光线靠 近透镜交集，而靠近透镜中心的光线则交集在 较远的位置，这样得到的映像显然是不清晰的。 球面像差的程度与光通过透镜的面积有关。光 圈放得越大，则光线通过透镜的面积越球大， 球面像差就越严重；反之，缩小光圈，限制边 缘光线射入，使通过透

18、镜的光线只有中心的一部分，则可减小球面像差。但是光圈太小，也 会影响成像的清晰度。校正透镜差的方法是采用多片透镜组成透 镜组，即将凸透镜和凹透镜组合在一起（称为 复合透镜），由于这两种透镜有着性质相反的球 面差，因此可以相互抵消。球面像誓歸險番红2-5透饋产生像差示盘图色像差的产生是由于组成的光线由各种不 同波长的光线在穿过透镜时折射率不同，其中 紫色光线波长最短，折射率最大，在离透镜最 近处成像；红色光线的波长最长，折射率最小， 在离透镜最远处成像；其余的黄、绿、蓝等有 色光线则在它们之间成像。这些光在平面上成 的像不能集中于一点，而呈现带有彩色边缘的 光环如图2-5 (b)所示。色像差的存

19、在也会降 低透镜成像的清晰度，应予以校正。通常采用 单色光源(或加滤光片)。显微镜的放大作用主要取决于物镜，物镜 质量的好坏直接影响显微镜映像的质量，所以 对物镜的校正是很重要的。物镜的类型，根据 对透镜球面像差和色像差的校正程度不同而分 为消色差物镜、复消色差物镜和半复消色差物 镜等。目镜也是显微镜的主要组成部分，它的主 要作用是将由物镜放大所得的实像再度放大， 因此它的质量将最后影响到物像的质量，按照 目镜的构造型式，一般可分为普通目镜、补偿 目镜和测微目镜等。普通目镜其映像未被校正， 应与消色差物镜配合使用。补偿目镜须与复消色差物镜或半消色差物镜配合使用，以抵消这 些物镜的残余色像差。六

20、、显微镜的分辨能力显微镜的分辨能力是由物镜决定。它是指 显微镜对于试样上最细微部分所能获得清晰映 像的能力，通常用可以辨别物体上两点间的最 小距离d来表示。被分辨的距离越短，表示显 微镜的分辨能力越高。显微镜的分辨能力可由下式求得：0=亠2 N A式中一入射光源的波长；N A物镜的数值孔径，表示物镜的 聚光能力。可以看出，波长越短，数值孔径越大，分 辨能力就越高，在显微镜中就能看到最细微的 部分。数值孔径可用下列公式求出：N A 二 sin式中一物镜与物体间介质的折射率;*通过物镜边缘的光线与物镜轴 线所成的角度见图2-6。一般物镜与物体间的介质是空气，光线在 空气中的折射率=1，若一物镜的角

21、孔径为60?, 则其数值孔径为：N A 二 sin = 1 sin 30 = 0.5若在物镜与试样之间滴入一种松柏油 （” “52），则其数值孔径为：N A = 1.52 sin30 二 0.76这样就增大了物镜的数值孔径。物镜在设 计和使用中指定以空气为介质的称为"干系物 镜”（或干物镜），以油为介质的称为"油浸系 物镜”（或油物镜）。从见图2-6可以看出，油 镜具有较高的数值孔径，因为当光线沿光轴方 向射向试样时，试样的反射光透过油进入到物 镜的光线比透过空气进入的多，使物镜的聚光 能力增强，从而提高了物镜的分辨能力。（n ）干杓疑t h ）油物掘® 2-6不

22、同介质对物镜聚光能力的比较物镜的数值孔径与放大倍数一起刻在镜头 外壳上，例如镜头上刻有 10 x /0.25或在40 X 的下面刻有0.65等数字，这里“0.25 ”或“0.65 ” 等数字即表示物镜的数值孔径。高倍物镜通常 都为油浸系，油镜头用"油"或（Oil ）,或外 壳涂一黑圈来表示。七、金相显微镜的构造和使用1、显微镜的构造金相显微镜通常由光学系统、照明系统和 机械系统三大部分组成，有的显微镜还附有摄 影装置。现以4XA型台式显微镜为例加以说明。仪器的光路系统见图2-7所示，灯源1的 灯丝经集光镜2与反光镜3成像在孔径光阑4 上，接着由照明辅助透镜5、7,辅助物镜9

23、成 像在物镜10的后焦面附近，然后经物镜以近于 平行的光束照明试样，视场光阑 6位于照明辅 助透镜7的焦面上，经辅助物镜9和物镜10成 像在试样面11上，试样11的反射光经物镜10 和辅助物镜9以平行光束射向半透反光镜8,后 由辅助物镜12,棱镜13,双筒棱镜组14,成像 在目镜15的前焦面上，最后以平行光束射向人 眼供观察。2-7光学庾理SJ （4XA型）1.灯源；2.集光镜；3.反光镜；4.孔径光阑；5、7.照明辅助透镜；6.视场光阑；8.半透反光镜；9、12.辅助透镜；10.物镜；11.试样；10.物镜；13.棱镜；14.双筒棱镜组；15.目镜2、操作方法（按图2- 1） 接通光源，旋转

24、拨盘（3）开亮灯源，在 孔径光阑（4）处观察灯丝成像状况，若灯丝左 右位置有偏差，则旋松滚花螺钉（1），转动照 明灯座（2）（不必从仪器中卸下照明灯组），校 正灯丝左右位置偏差后固定滚花螺钉，若灯丝 前后位置不正确，则需在底座后盖板逆时针旋转取下照明灯组，将灯泡上下拉动，以改变灯 丝上下位置，使灯丝居中。若灯泡用久损坏需调换新灯泡，则从后盖 板取下照明灯泡，参照上述方法安装新灯泡。 调节可变电位器拨盘（3）可连续改变光源亮度。 将物镜（12）安装在转换器（13）上。 在双筒目镜（8）镜管口中插入10X目镜 （9） 转动粗调手轮（15）及微调手轮（16） 进行调焦，直到所观察的像清晰为止。 旋转

25、视场光阑的滚花圈（5），使光阑缩 小直至视场中出现比目镜视场光阑略小的可变 光阑像，转动滚花螺丝（6）,使视场光阑居中， 再放大可变视场光阑像，使目镜的视场光阑内 切于可变视场光阑像。 在双筒目镜（8）中抽去目镜（9）可直 接用肉眼观察到物镜的孔径光阑（圆形通光 孔），旋转孔径光阑（4）的滚花圈，使光阑缩 小，直至目镜能观察到多边形的可变孔径光阑 像,使可变孔径光阑像略小于物镜的孔径光阑。 如图2-8所示。<a）不正确正确g）不正确图2-8扎轻光阑演示图图2-8中，a为不正确的调节，可变孔径 光阑太小，影响仪器的分辨能力；b为正确的 调节，可变孔径光阑直径约为物镜孔径光阑直 径的3/4左

26、右。此时，成像的对比度较好且仪器的分辨能力较高；c为不正 确的调节，可变孔径光阑过大，使成像的对比 度急剧下降，仪器的实际分辨能力也随之迅速 降低。为了达到最佳的使用效率，每个物镜均 作上使调整。 将目镜（9）再插入双筒目镜管中即可进 行正常的观察。 对照明均匀性要求较高的场合，可在孔 径光阑（4）处安置一块磨砂玻璃。 为了减少油镜观察时像的跳动现象，仪 器尽可能安放在远离震源的地方，或采取适当 的防震措施。如果使用油浸系物镜，则可在物 镜的前透镜上滴一点松柏油，也可以将松柏油 直接滴在试样上。油镜头用后应立即用棉花沾 取二甲苯溶液擦净，再用擦镜纸擦干。八、显微镜使用注意事项1、操作时必须特别

27、细心，不能有任何剧烈 的动作。光学系统不允许自行拆卸。2、显微镜镜头的玻璃部分和试样磨面严禁 手指直接接触，若镜头中落有灰尘，可用镜头 纸或软毛刷轻轻擦拭。3、显微镜的灯泡（68V）插头，切勿直 接插在220V的电源插座上，应当插在变压器上, 否则灯泡立即烧坏。观察结束后及时关闭电源。4、在旋转粗调（或微调）手轮时动作要慢, 碰到某种阻碍时应立即停止操作。报告指导教 师查找原因，不得用力强行转动，否则会损坏 机件。实验三 二元及三元合金显微组织分析一、实验目的1、学会运用二元合金相图和三元合金相图 （投影图）分析合元金的结晶过程及其平衡组织；2、掌握二元共晶型相图中的典型组织及其 特征，并了解

28、非平衡状态下的组织特征；3、了解Pb-Sn-Bi三元合金系的几种典型 组织，熟悉初生相、两相共晶及三相共晶的组 织特征。二、实验原理研究合金的显微组织，常根据该合金系的 相图，分析其结晶过程，以得知合金经缓慢冷 却后应具有的显微组织，进而对显微组织中各 组成物的形态、大小、数量和分布等特征进行 观察和分析，从而掌握该合金典型组织的特征。1、二元合金二元合金具有共晶转变特征的状态图称作 共晶状态图，如 Pb-Sn, Pb-Sb，Al-Si，Al-Cu, Zn-Mg等二元系合金的状态图。下面以 Pb-Sn 系合金（参见图3-1）为例分析其边际固溶体、 共晶、亚共晶和过共晶等不同成分合金的结晶 过程

29、及结晶后所形成组织的特征。（1）含Sn量小于19%的边际固溶体合金， 由图3-1可见，含Sn量为10%的合金I缓慢冷 却到液相线tAE上1点时，从液相中开始结晶 出a固溶体。随着温度降低，a固溶体的量不断增加，而液相的量则不断减少，两相的成分 分别沿固相线taM和液相线tAE变化。当合金 冷却到固相线2点时，全部结晶成a固溶体。继 续冷却，合金的温度处在单相区内，a不发生10203040 讯 fib 9 70 BO SO Sn图$-1 Pt>-Sn合金状态樹变化，只有温度下降到固溶线上 3点以下时， 由于Sn在a中的固溶度下降，剩余Sn会以3 固溶体的形式从a固溶体中析出。这时a和3 两

30、相的成分随温度降低分别沿 MF和NG固溶 线变化。这种从a固溶体中析出的3固溶体称 为次生3固溶体，并以3 1表示。一般合金的次 生相常呈粒状或小条状分布在a固溶体的晶界 或晶内。含10% Sn 的Pb-Sn合金的 显微组织，经4% 的硝酸酒精侵蚀后 黑色基体为a，白 色颗粒为3 1。(2) 共晶合金含61.9% Pb-Sn合金H为共晶合金(见图3-1)它从液态缓慢冷却时，在共晶温度 tE发生共晶 转变，既:Le = a m+B n这一过程在tE温度下进行，到液相完全消 失为止。所得到的共晶组织由a M和B N两种固溶 体组成。它们的相对量可用杠杆定律计算：EN97.5-61.997.5 -1

31、9100% =45.4%B n=1 - a m =54.6%继续冷却时，将从a和B中分别析出次生 相B 1和a 1。由于从共晶组织中析出次生相常与 共晶组织中的同类相混在一起，因此，在显微 镜下很难分辨。不同合金系的共晶组织形态各异，Pb-Sn合金的共晶组织为层片状，此外还有树枝状、 针状、棒状（条状或纤维状）、球状和螺旋状等。（3）亚共晶和过共晶合金，成分位于共晶 线上共晶点左侧或右侧的合金 （见图3-1）分别 称为亚共晶合金和过共晶合金。下面以含30%Sn的Pb-Sn的合金皿为例进行分析。合金皿在液相线和固相线12点之间缓慢 冷却时，不断从液相中结晶出 a固溶体。随着 温度的降低，液相成分

32、沿tAE线变化并逐渐趋 向于E点；a的成分沿固相线tAM变化并逐渐 趋向于M点。当温度降到共晶温度2点时，a 相和剩余液相的成分分别达到 M点和E点。这 时，成分为E点的液相发生共晶转变，即Le a m + 3 n直到剩余液相全部转变为共晶组织为止。此时 亚共晶合金组织由先共晶a和共晶（a + 3 ）组 成。在共晶温度以下继续冷却过程中，将分别 从a和3相中析出3 1和a 1。在显微镜下，除了 从先共晶a晶内或晶界上析出的3 1有可能观 察到外，共晶组织中析出的a i和3 1 一般不易 辨认。含40%Sn的Pb-Sn亚共晶组织。经4%的 硝酸酒精侵蚀后黑色树枝是先共晶 a固溶体； 黑白相间分布

33、的是（a + 3）共晶，a晶粒内的 白色颗粒为3 1。先共晶相（或称初生相）由于 在结晶时周围均是液体，不受什么约束，一般 多呈树枝状，此外还有边缘圆滑的卵状、多边 体、块状等形状。过共晶合金的结晶过程与亚共晶相似，所 不同的是先共晶相不是 a,而是3固溶体。结 晶后的组织由初生3相和共晶（a +3）组成。 含80%Sn的Pb-Sn合金W的显微组织，经4% 的硝酸酒精侵蚀后亮白卵形组织为初生相3 ,黑白相间分布的为（a + 3）共晶组织。靠近M点和N点成分的合金，由于初生相 较多，共晶转变时组织中与初生相相同的相会 依附于初生相成长，另一相则被排挤到晶界上， 失去了共晶组织的形态特征，这种现象

34、称为离 异共晶。亚共晶和过共晶合金快冷时，初生相数量 减少；共晶的实际成分偏离原共晶点，形成伪 共晶组织。成分靠近共晶点的合金，快冷时甚 至来不及析出初生相即发生共晶反应，得到全部伪共晶组织。实验证明，快冷所得共晶组织 比慢冷的细密2.三元合金三元相图是研究三元合金成分、组织和性 能之间关系的理论依据。利用三元相图的投影 图可分析合金的结晶过程，并得知合金应具有 的显微组织。本实验以Pb-Sn-Bi三元合金为例， 分析合金的结晶过程，并观察其显微组织特征。图3-2是Pb-Sn-Bi三元合金液相面等温线投 影图，P点为包晶点，Et为共晶点，B为以Pb-Bi 化合物为基的固溶体。Pb-Sn-Bi三

35、元相图是一 个具有四相包晶转变和四相共晶转变的复杂相对于ETE2AE3CEPMB)B0 3-2 Pb-Sn-Bi =元合金液相面轄温线投略图T范围合金 可看成是一 个具有四相 共晶转变的相图，固可利用液相面等温线投影图来分析合 金的结晶过程。例如：1 合金含 60%Bi，8%Sn，32%Pb， 在浓度三角形中的位置如图3-3所示。由图可知，当温度低于140C时，由液体中 析出初生相Bi。随温度下降，初生相Bi量不断 增多，而液体量减少，液体中含 Bi量同样不断 降低。当温度降至110C时，液体成 分达到三相共晶线 上n点的成分，开始 三相共晶转变，生成 (3 +Bi)。随温度不图3-3 Pb-

36、Sn-Bi三元相图一角断降低，(3 +Bi)量不断增加，此时液体 成分沿E2Et线变化。当温度降到99.5C时，液 相成分为Et点的成分，此时开始四相共晶转变， 生成(3 +Bi+Sn)，直至液体耗尽为止结晶全部 完成，其最终组织为初生相3 + ( 3 +Bi)共晶+（卩+Bi+Sn）共晶。组织组成物相对量的计算如下:初生相 Bi%=乎100%An（B+Bi+Sn） %=ETm（B +Bi） %=100% Bi% （ B +Bi+Sn） %三、实验方法指导1、实验内容及步骤每组领取一套Pb-Sn合金试样和一套Pb+Sn+ Bi合金试样。Pb-Sn合金试样成分与工艺条件是：（1）60%Pb-40

37、%Sn合金 平衡态结晶（2）60%Pb-40%Sn合金 非平衡结晶（3）38%Pb-62%Sn合金 平衡态结晶（4）20%Pb-80%Sn合金 平衡态结晶（5）20%Pb-80%Sn合金 非平衡结晶（6） 5%Pb-95%Sn合金平衡态结晶Pb-Sn- Bi合金试样成分、组织见下 表表3-1三元合金组织观察试样表序号成分（）组织BiSnPb（7）60832Bi+ (B +Bi) + ( p +Bi+Sn )（8）702010Bi+ (Sn+Bi) + ( p + Sn + Bi)（9）503515Sn+ ( Sn+Bi) + ( p + Sn + Bi)（10）641323Bi+ ( p +

38、Sn + Bi)先根据合金成分找到其在相图或投影图中 的位置，分析各合金的结晶过程和预期得到的 组织，然后观察金相试样并画出组织示意图。 在观察非平衡结晶组织时，应注意其与平衡组 织的差别。2、实验所用的设备及材料（1）金相显微镜；（2）二元和三元合金样品。四、实验报告要求（1）实验的目的和内容。（2）画出各合金的典型组织示意图，并注 明相应的组织组成物。(3) 对Pb-Sn合金，分析亚共晶、共晶和 过共晶合金组织的区别，对比同一成分合金平 衡与非平衡结晶的组织，说明工艺条件变化对 显微组织的影响，并分析初生相、次生相、共 晶、离异共晶的组织特征及形成条件。(4) 对Pb-Sn- Bi合金，标

39、出四种合金在 投影图上的位置并分析其结晶过程，分析三元 合金初生相，两相共晶组织和三相共晶组织的 特征。实验四 铁碳合金平衡组织观察一、实验目的1、观察和识别铁碳合金（碳素钢和白口铸铁） 在平衡状态下的显微组织特征；2、了解铁碳合金成分（含碳量）对铁碳合 金显微组织的影响，从而加深理解成分、 组织、性能之间的关系。二、实验内容简述Fe Fe3C状态图是研究铁碳合金组织与成 分关系的重要工具，了解和掌握 Fe Fe3C状态 图，对于制定碳钢材料的各种加工工艺有着很 重要的指导意义。所谓平衡状态的显微组织，是指合金在极 缓慢的条件下冷却到室温所得到的组织。铁碳 合金的平衡组织，主要是指碳钢和白口铸

40、铁缓 慢冷却到室温得到的组织，它们是（特别是碳 钢）工业上应用最广泛的金属材料，它们性能 与显微组织有着密切的关系。从Fe Fe3C状态图可以看出，所有的碳钢 和白口铸铁的平衡组织都是铁素体（F）、渗碳 体（Fe3C、这两个基本相组成。但是由于含碳 量不同，结晶条件的差异，铁素体和渗碳体的 相对含量、形态、晶粒大小及分布状况不同， 因此呈现各种不同特征的组织形态。根据Fe Fe3C状态图，组成Fe Fe3C合金 的基本组织有以下几种；1、铁素体（F）: C% < 0.02%的铁碳合金 通常称为工业纯铁，它是由铁素体（F、组成。 铁素体是碳在a -Fe中的固溶体，具有体心立方 晶格，其硬度

41、较底（HB8O120、，但塑性、韧 性很好。经3%5%的硝酸酒精浸蚀，铁素体呈 白色不规则的等轴晶粒，其中的黑色线条的晶界。随着含碳量的升高，铁素体逐渐减少，铁 素体较多时呈块状。当含碳量接近共析成分时 呈断续网状，分布在珠光体周围。2、渗碳体（Fe3C）:含碳量为6.69%，是 铁与碳形成的化合物，硬而脆（HB800以上）， 强度和塑性很差。经3%5%的硝酸酒精浸蚀呈 白亮色，若用苦味酸钠水溶液侵蚀则被染成黑 褐色。渗碳体有三种形态；一次渗碳体是从液体中直接析出的，呈长 条状；二次渗碳体是从奥氏体中析出的，当奥氏 体（A）转变成珠光体（P）时，它呈网状分布 在珠光体周围。三次渗碳体是从铁素体

42、中析出的， 量不多, 通常呈不连续薄片状存在于铁素体晶界处。3、珠光体（P）:含量为0.77%，是铁素体 和渗碳体的共析混合物，是双相结构组织。在 一般退火情况下，珠光体是铁素体和渗碳体交 替分布形成的层片状组织。经3%5%的硝酸酒 精浸蚀后，铁素体相和渗碳体相均为白亮的片 层，其相界为黑线条。在不同的放大倍数下观 察，可以看到不同特征的珠光体组织。在高倍（600倍以上）观察时，珠光体由白 亮的宽条铁素体和白亮的笮条渗碳体组成相界 是黑色线条。在中倍（400倍左右）观察时，由于放大倍 数较低，显微镜的鉴别能力小于渗碳体片层厚 度将渗碳体和铁素体的相界看成一条黑色线 条，实际上这条黑线包括一片渗

43、碳体和两相界。在低倍（200倍以下）观察时，由于放大倍 数更低，显微镜的鉴别能力低得连较宽的铁素 体片层也分不开来了，珠光体就成为黑块组织。4、莱氏体（Ld），是含量为4.3%的共晶白 口铸铁缓冷到室温的产物，在 1148C时它是有 奥氏体和渗碳体组成的共晶体。继续冷却时由 奥氏体析出二次渗碳体，在727 C以下奥氏体转 变为珠光体。经3%5%的硝酸酒精浸蚀，莱氏 体黑点状珠光体分布在白亮的渗碳体基体上（渗碳体基体包括二次渗碳体和共晶渗碳体， 它连在一起分不开）。莱氏体硬而脆，HB可达 700，一般存在含碳量大于2.11%的白口铸铁中 和某些高碳合金钢中。三、几种钢的组织特征1、亚共析钢含碳量在 0.02%0.77%之间。 经3%5%的硝酸酒精侵蚀后，其组织为白亮的 铁素体黑白层相间的珠光体。亚共析钢随着含 碳量的增加铁素体逐渐减少，珠光体逐渐增加。 当含碳量增加到0.77%时成为共析钢。铁素体 和珠光体的含量可由杠杆定律求得。反之，估 计出各组织组成物所占面积的百分数，可以近 似计算出钢的含碳量。2、共析钢含碳量为0.77%，是由100%的