常见金属材料的组织与性能分析

1、常用金属材料的组织与性能分析一、实验目的：1、观察和研究各种不同类型常用金属材料的显微组织特征。2、掌握成分、显微组织对性能的影响关系。二、实验设备与材料：金相显微镜（MC006 4X1）视频图像处理金相显微镜（4XC-ST）计算机（成像、分析软件）常用金属材料的标 准金相试样三、实验前思考问题：1、铁碳合金相图，不同碳钢的组织变化及其显微组织特征。2、实验五钢的热处理，同一种钢材，不同的热处理下为什么性能出现较大的变化。3、常用的金属材料有哪些。四、实验内容：1、铁碳合金的平衡组织观察铁碳合金的平衡组织是指铁碳合金在极为缓慢的冷却条件下（如退火）得到的组织。可以根据Fe-Fe3C相图来分析其

2、在平衡状态下的显微组织。铁碳合金主要包括碳钢和 白口铸铁，其室温组成相由铁素体和渗碳体这两个基本相所组成。由于含碳量不同， 铁素体和渗碳体的相对数量、析出条件及分布状况均有所不同，因而呈现不同的组织 形态。各种铁碳合金在室温下的显微组织类型含碳虽(%)显微组织工业纯铁0.02铁素体碳 钢亚共析钢0.02 0.77铁素体十珠光体共析钢0.77珠光体过共析钢0.77 2.11珠光体十二次渗碳体亚共晶白口铁2.11 4.3珠光体+二次渗碳体十莱氏体共晶白口铁4.3莱氏体过共晶白口铁4.3 6.69莱氏体十一次渗碳体铁碳合金在金相显微镜下具有下面四种基本组织：铁素体(F)是碳溶解于a-Fe中的间隙固溶

3、体。工业纯铁用4%硝酸酒精溶液浸蚀 后，在显微镜下呈现明亮的等轴晶粒；亚共析钢中铁素体呈白色块状分布；当含碳量 接近共析成分时，铁素体则呈现断续的网状分布于珠光体周围。渗碳体(Fe3C)是铁与碳形成的金属间化合物，其含碳量为6.69%,质硬而脆，耐 蚀性强，经4%硝酸酒精浸蚀后，渗碳体任呈亮白色，而铁素 体浸蚀后呈灰白色，由 此可区别铁素体和渗碳体。渗碳体可以呈现不同的形态：一次渗碳体直接由液体中结 晶出，呈粗大的片状；二次渗碳体由奥氏体中析出，常呈网状分布于奥氏体的晶面； 三次渗碳体由铁素体中析出，呈不连续片状分布于铁素体晶界处，数量极微，可忽略 不计。珠光体(P)是铁素体和渗碳体呈层片状交

4、替排列的机械混合物。经4%硝酸酒精 浸蚀后，在不同放大倍数的显微镜下可以看到具有不同特征的珠光体组织。当放大借 数较低时，珠光体中的渗碳体看到的只是一条黑线，甚至珠光体片层因不能分辨而呈 黑色。莱氏体(Ldz )在室温时是珠光体和渗碳体组成的机械混合物。其组织 特征是在亮 白色渗碳体基底上相间地分布着暗黑色斑点及细条状珠光体。根据含碳量及组织特点的不同，铁碳合金可分为工业纯铁、钢和铸铁三大类。其 中钢乂可分为亚共析钢、共析钢和过共析钢三种，亚共析钢随着含碳量的增加，铁素 体的数量逐渐减少而珠光体的数量则相应的增加；铸铁乂可分为亚共晶白口铁、共晶 白口铁和过共晶白口铁三种。各类铁碳 合金的平衡组

5、织如图所示。对于铁碳合金的平衡组织观察，我们选用工业纯铁、45钢、T8、T12、亚共晶 白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁的标准金相试样进行观察 比较。试样编号 分别为：1、3、5、6、8、9、10o2、铁碳合金的非平衡组织观察碳钢在不平衡状态即快冷条件下的显微组织不能用铁碳合金相图来分析，应由 过冷奥氏体等温转变曲线图一 C曲线确定。不同冷却条件，过冷奥氏体在不同的温度范围发生不同类型的转变，其转变产物的组织形态各不相同。共析碳钢过冷奥氏体在不同温度转变的组织 特征及性能如下表所示。共析钢(T8)过冷奥氏体在不同温度转变的组织和性能转变类型转变产物形成温度。C转变机制显微组织特征HRC工

6、艺珠光体PA1 650扩散性粗片状，F、Fe3C相间分布220退火S650-600细片状，F、Fe3C相间分布20 30正火T600550极细片状，F、Fe3C相间分布30 40等温处理贝氏体B550350半扩散性羽毛状，短棒状Fe3C分布于过饱 和F条之间40-50B下350 Ms竹叶状，细片状Fe3C分布于过饱 和F针上50-60等温淬火马氏体M针MS Mf非扩散性针状60 65淬火M板条板条状50退火组织碳钢经退火后获得上述的平衡组织，共析钢和过共析钢经球化退火后，获得由铁 素体和球状渗碳体组成的球状珠光体组织。正火组织碳钢经正火后的组织比退火细，相同成分的亚共析钢，正火后珠光体含量比退

7、火 后的多。淬火组织经淬火或等温淬火后获得不平衡组织。碳钢淬火后的组织为马氏体和残余奥氏体， 低碳钢淬火后组织为板条马氏体和少量的残余奥氏体，随含碳量的增加，残余奥氏体 量增多，淬火马氏体是碳在a-Fe中的过饱和固溶体，其形态取决于马氏体中的含碳量， 低碳马氏体呈板条状，强而韧，高碳马氏体呈针叶状，硬而脆，而中碳钢淬火后得到板 条马氏体和针叶状马氏体的混合组织。等温淬火组织碳钢等温淬火后获得贝氏体组织，在贝氏体转变温度范围内，等温温度较高时， 获得上贝氏体，呈羽毛状，它由过饱和的铁素体片和分布片间的断续细小的碳化物组 成的混合物，塑性、韧性较差，应用较少。而等温温度较低时，获得下贝氏体，呈黑色

8、 的针叶状，它是由过饱和的铁素体和其上分布的细小的渗碳体粒子组成的混合物，下 贝氏体强而韧，等温淬火的温度根据钢的成分而定。对于铁碳合金的非平衡组织观察，我们选用不同热处理的45钢的标准金相试样 进行观察比较。试样编号分别为：17、19、20、21、22。3、合金结构钢的显微组织观察合金钢的显微组织比碳钢复杂，在合金钢中存在的基本相有：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

9、线和李晶的特征。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 高路不锈钢。对于合金结构钢的显微组织观察，我们选用不同状态下的W18C14V观察分析：W18Cr4V的退火组织：铸态高速钢组织很不均匀，有粗大的碳化物，必须经反复 锻造，使碳化物锻碎均匀分布。锻造后的组织为屈氏体十马氏体的基体上分布有均匀 的碳化物。由于硬度较高不利于切削加工，要进行退火。退火后组织

10、：索氏体十碳化 物。其中粗大白亮色的颗粒为初生共晶碳化物，较小的次生碳化物及索氏体内的极细 的共析碳化物，退火后的硬度HB207255。W18Cr4V的淬火组织：马氏体十未溶碳化物十残余奥氏体。马氏体呈隐针状， 很难显出针状形态，但能看到明显的奥氏体晶界及分布的未溶碳化物，淬火后硬度为 HRC61 62。W18Cr4V钢淬火后需经三次560。回火，其组织为回火马氏体十过剩碳 化物和少 量的残余奥氏体约2-3%o回火后硬度为HRC6365。试样编号分别为：32、33、34 o4、铸铁的显微组织观察根据石墨的形态，铸铁可分为灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁石墨呈球状、蠕墨 铸铁四种。灰口铸铁灰口铸铁中

11、碳全部或部分以自由碳片状石墨形式存在，断口呈灰黑色，其显微组 织根据石墨化的程度不同为铁素体或珠光体或铁素体十珠光体基体上分布片状石墨。可锻铸铁可锻铸铁乂称马铁或展性铸铁，是由一定成分的白口铁经退火处理得到的，其中 石墨呈团絮状，故显著地减弱了石墨对基体的割裂作用，其机械性能比普通灰口铸铁 有显著地提高。可锻铸铁分铁素体可锻铸铁和珠光体可锻铸铁两种。球墨铸铁球墨铸铁是铁水中加入球化剂后石墨呈球状析出而制得的，由于球状石墨使石墨 割裂金属基体的不利影响，限制到最低程度，其机械性能远远优于普通灰铸铁。球墨 铸铁的显微组织特征是：石墨呈球状分布在金属基体上。蠕墨铸铁蠕墨铸铁是近年来得到迅速发展的一种

12、新型铸铁材料。蠕墨铸铁中的石墨是一种 介于片状石墨和球状石墨之间的一种过渡型石墨。蠕虫状石墨在光学显微镜下的形状 似乎也呈片状，但是石墨片短而厚，头部较钝，较圆，形似蠕虫状，故有蠕墨铸铁之 称。对于铸铁的显微组织观察，我们选用的是上述四种铸铁的标准金相试样，编号分 别为：42、43、44、45。5、有色金属的显微组织观察除去铁碳合金，我们经常用的金属材料还有有色金属及其合金，其中铝和铜及其 合金的使用最为广泛。铸造铝合金应用最广泛的铸造铝合金是含1013%Si的铝一硅系合金，常称，睚铝明”，具有优良的铸造性能。铸态组织为a固溶体亮色和粗大针状共晶硅灰组成的共晶体及少量呈多面体状的初晶硅。通常在

13、浇注前进行变质处理，其组织为枝 晶状初生a固溶体亮及细的a+Si共晶体黑色。黄铜黄铜为铜锌合金，含锌在36%以下的黄铜呈a固溶体单相组织，称为相黄铜或a黄铜。铸态组织为树枝状a固溶体。含锌量为36 45%的黄铜为a+口俩相组织，称a+F黄铜或两相黄铜，铸态组织中a相呈亮白色，和为黑色。对于有色金属的显微组织观察，我们选用ZL102、单相黄铜和两相黄铜的标准金 相试样进行观察，试样编号为：55、56、59、60。五、实验步骤：1、实验前应复习课本中有关内容，认真阅读实验指导书。2、每2人一组共分五组进行，每组领取一种类型的金相试样放在显微镜上观察，注 意显微镜的正确使用，分析显微镜下的组织特征。观察试样的组织时，先明确材料成分、处理条件及浸蚀剂等。观察组织前选显 微镜放大倍数，找出典型组织，对这些区域进行仔细观察，这样整体和局部观察结 合起来，才能对一块金相试样做出全面分析。3、注意金相组织中每个相组成物和组织组成物，如铁素体、渗碳体、珠光体等的形 态、数量、大小及分布特征。4、小组之间进行场地交换（其他小