上海大轮机工程材料实验指导

轮机工程材料（第二版）实验指导上海海事大学

实验一铁碳合金平衡组织观察实验目的1．认识和熟悉铁碳合金平衡状态下的显微组织特征；2．了解含碳量对铁碳合金平衡组织的影响。建立起Fe-Fe3C状态图与平衡组织的关系；3．了解平衡组织的转变规律并能应用杠杆定律。概述铁碳合金的显微组织是研究和分析钢铁材料性能的基础，所谓平衡状态的显微组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下所得到的组织。在实验条件下，退火状态下的碳钢组织可以看成是平衡组织。我们可根据Fe-Fe3C相图来分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织（如图1-1）图1-1Fe-Fe3C相图1．观察显微组织要用金相显微镜，显微镜的成像原理可参阅有关书籍。显微镜是精密的光学仪器，使用时一定要当心。2．要想看到金属的显微组织，必须按下列作法制备试样：（1）取样：从所研究的部位上截取试样，试样尺寸最好是厚度及直径为10~15㎜的圆柱，以便于制样和观察。对于薄板、细线材或需要研究试样边缘组织时，可将试样镶在塑料中或装入特制的夹具中。（2）磨制：试样经砂轮打平后。用砂纸由粗到细依次将试样磨平。（3）抛光：抛光的目的在于除去试样表面的细磨痕，得到平滑的镜面。抛光有机械抛光和化学抛光。（4）浸蚀：抛光的试样在显微镜下只能看到夹杂物，要看到金属组织还必须进行浸蚀。由于合金中不同相或不同位向的晶粒抗蚀性不同，试样经浸蚀，表面会出现不同的凸凹情况，如晶界处易腐蚀呈现凹下，它们对光线的反射程度就不同，在显微镜下就会呈现不同的明暗区域或线条，我们就看到了金属的组织。显示钢铁组织常用的浸蚀剂是4%的硝酸酒精溶液。制备试样很费时间，所以我们要爱护制好的试样表面，不要用手直接触摸试样表面，更要避免被硬物划伤。3．铁碳合金的各种基本组织特征（1）铁素体：碳在α-Fe中的固溶体，呈白色块状。（2）渗碳体：铁和碳的间隙化合物。抗蚀能力较强，故是白亮的。一次渗碳体呈板条状，分布在莱氏体之间，二次渗碳体是从奥氏体晶界上析出的。奥氏体转变成珠光体，所以二次渗碳体呈网状分布在珠光体的边界上。三次渗碳体分布在铁素体的边界上或以颗粒状弥散分布在晶粒内部，量少极分散一般看不到。铁素体和渗碳体经4%的硝酸酒精溶液浸蚀后都呈白色。若用苦味酸钠热蚀，渗碳体呈黑褐色。这样可以区分铁素体和渗碳体。（3）珠光体：（如图1-2）铁素体和渗碳体的机械混合物。铁素体和渗碳体都是片层状，边界易腐蚀，故显微镜下看到是较密的黑条，若放大倍率较低，条间分不清楚，珠光体是黑色的块状。（a）500×（b）1500×（c）7000×图1-2不同放大倍数下的珠光体显微组织表1-1各种铁碳合金在室温下的显微组织合金分类含碳量%显微组织工业纯铁<0.0218铁素体（F）碳钢亚共析钢0.0218~0.77F+珠光体（P）共析钢0.77P过共析钢0.77~2.11P+二次渗碳体白口铸铁亚共晶白口铸铁2.11~4.3P+Fe3CⅡ+莱氏体(L’e)共晶白口铸铁4.3L’e过共晶白口铸铁4.3~6.69L’e+一次渗碳体（4）莱氏体：共晶组织。室温是珠光体和渗碳体的混合物，渗碳体基本是白亮的；珠光体是黑色棒状或条纹状。各种铁碳合金在室温下的显微组织如表1-1所示。三、实验内容1．观察试样，根据铁碳合金状态图判断各组织组成物，区分显微镜下看到的各种组织。观察的试样有工业纯铁，各种成分的亚共析钢、共析钢、过共析钢2．画出下列试样的组织图，标明各组织组成物名称，并注明材料名称、处理条件、浸蚀剂、放大倍数等（不要把划痕、夹杂物、锈蚀坑等画到图上）。工业纯铁（如图1-3）、20钢（如图1-4）、45钢（如图1-5）、共析钢（如图1-2）、T12钢（如图1-6）图1-3工业纯铁显微组织（100×）图1-420钢显微组织（100×）浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液图1-545钢显微组织（100×）图1-6 T12钢显微组织（400×）浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液实验报告要求1．写出实验目的；2．画出所观察过的显微组织，并注明材料名称、含碳量、浸蚀剂、放大倍数。显微组织图画在直径为50mm的圆内，并将组织组成物名称以箭头引出表明。3．根据所观察的显微组织近似地确定和估算一种亚共析钢的含碳量。4．讨论铁碳合金含碳量与组织的关系。5．本次实验的心得体会。

实验二碳钢热处理后显微组织观察一、实验目的1．了解常见热处理基本组织的特征；2．了解热处理工艺对钢组织和性能的影响。二、概述钢在加热时的组织转变要参考铁碳合金状态图。冷却时的组织转变要依据C-曲线。1．钢从奥氏体状态下冷却时形成的组织珠光体（P）、索氏体（S）、屈氏体（T）都是层片状铁素体的渗碳体的混合物。形成温度越低，片层越细，硬度越高，其层间距（即一片铁素体和一片渗碳体的厚度）为150~450nm的是为珠光体，一般显微镜下可以看清片层，如图1-2。层间距为80~150nm需要高倍放大才能看清，就是索氏体。而屈氏体层间距为30~80nm，需要电子显微镜才能看清。贝氏体一般为碳钢等温转变的产物，它是含过饱和碳的铁素体和小点状渗碳体的混合物，不过一般显微镜分辨不出来。在光学显微镜下，上贝氏体呈羽毛状，下贝氏体呈黑色竹叶状。马氏体为大于淬火临界冷却速度冷却时的组织。主要有两种形态：（1）板条状马氏体，主要由低碳钢淬火后获得，组织形态是呈较深色泽的、密集的，几乎平行排列的细长条状马氏体群；（2）片状马氏体，亦称针状马氏体，由高含碳量的奥氏体快冷获得。显微镜下呈白亮的针状，两针交角互成60°或120°，空间形成是双凸透镜形薄片状。中碳钢一般获得混合型马氏体，由于马氏体非常细小，不易看清，常称“隐针马氏体”。为了看清马氏体形态，选含Mn的高碳钢，故意提高淬火温度，得到粗大的马氏体，这在生产上是不允许的。由于处理条件不同，在一个视场中会看到不同的组织。钢的退火和正火组织45钢经退火后可得到接近平衡状态的组织，组织特征如图1-5，45钢经正火后的组织通常比退火的细，珠光体的相对含量也比退火组织中的多如图2-1所示，原因是正火的冷却速度稍大于退火的冷却速度。图2-145钢经正火后的显微组织（400×）浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液钢的淬火组织将45钢加热到760℃（即Ac1以上，但低于Ac3）然后在水中冷却，这种淬火称为不完全淬火。根据Fe-Fe3C相图可知，在这个温度加热，部分铁素体尚未溶入奥氏体中。经淬火后，将得到马氏体和铁素体组织。在金相显微镜中观察到的是呈暗色针状马氏体基底上分布有白色块状铁素体如图2-2所示。图2-245钢加热到760℃不完全淬火后的图2-345钢加热到860℃正常淬火后的显微组织（500×）显微组织（500×）浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液45钢经正常温度淬火后获得细小的马氏体如图2-3所示。淬火温度提高到1000℃，由于奥氏体晶粒的粗化，经淬火后得到粗大马氏体组织，如图2-4所示。如将45钢加热到正常淬火温度，然后在油中冷却，获得亮白色的马氏体和黑色块状分布于晶界如图2-5所示。图2-445钢加热到1000℃过热淬火后的图2-545钢加热到860℃油淬后的显微组织（500×）显微组织（500×）浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液T12钢在正常温度淬火后的显微组织如图2-6所示。获得细小的针状马氏体和部分未熔入奥氏体中的渗碳体（呈亮白色颗粒）。淬火温度提高到1000℃，由于奥氏体晶粒的粗化，经淬火后得到粗大针状马氏体组织，如图2-7所示，并还有一定数量的残余奥氏体（呈亮白色）存在于马氏体针之间。图2-6T12钢在正常温度淬火后的图2-7T12钢加热到1000℃过热淬火后的显微组织（500×）显微组织（500×）浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液2．淬火钢回火时所形成的组织回火马氏体：淬火钢经低温回火得到，显微镜下的形态和马氏体相同。由于有高度弥散的ε碳化物存在，所以较易浸蚀，故呈黑色针状，因而又称黑色马氏体。如图3-8所示。图2-845钢经淬火及200℃回火后的显微组织（500×）浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液回火屈氏体：中温回火得到，组织是针状铁素体和细粒状渗碳体。如图2-9所示。（a）金相组织（回火屈氏体，500×）（b）电镜图象（7000×）图2-945钢经860℃淬火及400℃回火后的显微组织回火索氏体：高温回火得到，组织是等轴形铁素体和渗碳体，只是渗碳体的颗粒要大一些。如图2-10所示。（a）金相组织（回火索氏体，500×）（b）电镜图象（7000×）图2-1045钢经860℃淬火及600℃回火后的显微组织三、实验内容1．观察试样，分清各种组织特征。根据试样成分和热处理条件弄清组织转变过程。观察的组织有：隐针马氏体、粗大针状马氏体+残余奥氏体、马氏体+屈氏体、粒状碳化物+马氏体+残余奥氏体、回火马氏体+残余奥氏体、回火索氏体。2．画出下列组织，注明内容同实验二粗大针状马氏体、回火索氏体、马氏体+屈氏体、珠光体+铁素体（正火、退火）。四、实验报告要求1．写出实验目的。2．附上所画组织图并写出获得该组织的热处理条件。3．比较45钢正火与退火，正常淬火、过热淬火与油中淬火热处理工艺的异同。实验三铸铁组织观察实验目的1．观察和分析铸铁的显微组织特征；2．了解铸铁的显微组织对性能的影响。二．概述铸铁中按照碳的存在形式分为：（１）灰口铸铁碳在铸铁中主要以游离态石墨存在，其断口呈暗灰色。工业上使用的铸铁大部分是灰口铸铁。（２）白口铸铁碳在铸铁中主要以化合态Fe3C形式存在，其断口呈银白色。工业上很少使用，主要用作炼钢原料。（３）麻口铸铁铸铁中的碳以石墨和以Fe3C形式存在，其组织介于白口和灰口之间，断口呈黑白相间的麻点。硬脆，工业上很少使用。铸铁中石墨形成过程称为石墨化。石墨化的程度不同,所得到的铸铁类型和组织也不同。表1中列出了铸铁经不同程度石墨化后所得的组织及类型。灰口铸铁的组织由石墨和基体部分组成。基体可以是铁素体、珠光体或珠光体加铁素体（即Ｆ、Ｐ或Ｐ＋Ｆ）,相当于钢的组织。因此铸铁的组织可以看成是钢基体上分布着石墨夹杂。表1铸铁经不同程度石墨化后所得到的组织灰口铸铁中按照石墨的形态大小和分布情况不同，分为：（1）灰口铸铁石墨呈片状。（2）可锻铸铁石墨呈团絮状。（3）球墨铸铁石墨呈球状。（4）蠕墨铸铁石墨呈蠕虫状。a)片状石墨b)球状石墨c)团絮状石墨d)蠕虫状石墨图1各种铸铁的石墨形态（未腐蚀）灰口铸铁的组织可以认为是在钢的基体上分布着不同形态、尺寸和数量的石墨，其中石墨的形状及数量变化对性能起着重要作用，所以正确认识和鉴别各类铸铁的金相组织对估计和评定铸铁的质量和性能有着重要意义。1.灰口铸铁灰口铸铁组织的特征是在钢的基体上分布着片状石墨。根据石墨化程度及基体组织的不同，灰口铸铁可分为：铁素体灰口铸铁（三个阶段石墨化都充分），铁素体—珠光体灰口铸铁（第一，二阶段石墨化充分，第三阶段部分石墨化）和珠光体灰口铸铁（第一、二阶段充分石墨化，第三阶段完全没有石墨化）。图2a)所示为铁素体灰口铸铁的显微组织，其中石墨呈黑灰色条片状分布在亮白色的铁素体基体上。图2b)所示为铁素体－珠光体灰口铸铁的显微组织，其中除黑灰色条片状石墨外暗黑色基底为珠光体，亮白色部分为铁素体。a)b)c)图2灰铸铁的显微组织铁素体基体；b）铁素体珠光体基体；c）珠光体基体2.可锻铸铁可锻铸铁(又称韧性铸铁)是由白口铸铁经石墨化退火处理而得，其中渗碳体发生分解而形成团絮状石墨。按照基体组织不同，可锻铸铁分为铁素体可锻铸铁(黑心可锻铸铁)和球光体可锻铸铁两类，如图3所示。图3a）为铁素体可锻铸铁的显微组织，其中石墨呈暗灰色絮状，亮白色晶粒为基体铁素体。断口心部呈暗黑色，故又称黑心可锻铸铁。图3b)为珠光体可锻铸铁的显微组织，在珠光体基体上分布着黑灰色的团絮状石墨。a)