《工程材料与热加工基础》-9

实验1铁碳合金平衡组织观察1.实验目的(1)通过观察和分析，熟悉铁碳合金在平衡状态下的显微组织，熟悉金相显微镜的使用。(2)了解铁碳合金中的相及组织组成物的本质、形态及分布特征。(3)分析并掌握平衡状态下铁碳合金的组织和性能之间的关系。2.概述平衡组织一般是指合金在极为缓慢冷却的条件下(如退火状态)所得到的组织。铁碳合金在平衡状态下的显微组织可以根据Fe-Fe3C相图来分析。从相图可知，所有碳钢和白口铸铁在室温时的显微组织均由铁素体(F)和渗碳体(Fe3C)所组成。但是，由于碳含量的不同，结晶条件的差别，铁素体和渗碳体的相对数量、形态、分布和混合情况均不一样，因而呈现各种不同特征的组织组成物。(1)工业纯铁。室温时的平衡组织为铁素体，F为白色块状，如图9-1下一页返回实验1铁碳合金平衡组织观察所示。(2)亚共析钢。室温时的平衡组织为铁素体(F)+珠光体(P)，F呈白色块状，P呈层片状，放大倍数不高时呈黑色块状，如图9-2所示。(3)共析钢。室温时的平衡组织是珠光体(P)，其组成相是F和Fe3C，如图9-3、图9-4所示。(4)过共析钢。室温时的平衡组织为Fe3CⅢ+P。在显微镜下，Fe3CⅡ呈网状分布在层片状P周围，如图9-5所示。(5)亚共晶白口铸铁。室温时的平衡组织为P+Fe3CⅡ+Ld'。网状Fe3CⅡ分布在粗大块状的P的周围，Ld'则由条状或粒状P和Fe3CⅢ基体组成，如图9-6所示。(6)共晶白口铸铁。室温时的平衡组织为Ld'，由黑色条状或粒状P和白色Fe3C体组成，如图9-7所示。(7)过共晶白口铸铁——室温时的平衡组织为Fe3CⅠ+Ld'，Fe3CⅠ呈上一页下一页返回实验1铁碳合金平衡组织观察长条状，Ld'则由条状或粒状P和Fe3C基体组成，如图9-8所示。3.各种组成相或组织组成物的特征(1)铁素体(F)。是碳溶于α—Fe的固溶体。铁素体为体心立方晶格。具有磁性及良好的塑性，硬度较低，一般为80~120HB,经4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下观察呈白色晶粒，见工业纯铁的组织(图9-1)。亚共析钢中，随着钢中碳质量分数的增加，珠光体量增加而铁素体量减少。铁素体量较多时，呈块状分布(图9-2)。(2)奥氏体(A)。是碳溶于γ—Fe的固溶体。奥氏体为面心立方晶格，硬度较低而塑性较高，无磁性，其晶粒在显微镜下呈不规则的多边形，晶界较平直，具有孪晶线。(3)渗碳体(Fe3C)。是铁与碳形成的化合物，它的碳质量分数为6.69%，抗浸蚀能力较强。4%硝酸酒精溶液浸蚀后呈白亮色(图9-3)。一次渗碳体(Fe3CⅠ)是直接从液体中析出的，呈长白条状，分布在莱氏体中；二次渗碳体(Fe3CⅡ)是由奥上一页下一页返回实验1铁碳合金平衡组织观察氏体(A)中析出的，数量较少，皆沿奥氏体晶界析出。在奥氏体转变成珠光体后，它呈网状分布在珠光体的边界上。另外，经不同的热处理后，渗碳体可以呈片状、粒状或断续网状。渗碳体的硬度很高，可达800HB以上，它是一种硬而脆的相，强度和塑性。(4)珠光体(P)。是铁素体和渗碳体的共析机械混合物，它是由铁素体片和渗碳体片相互交替排列形成的层片状组织。经4%硝酸酒精溶液浸蚀后，试样磨面上的条状铁素体和渗碳体因边界被浸蚀呈黑色线条，在不同放大倍数的显微镜下观察时，具有不太一样的特征。在600倍以上的高倍显微镜下观察时，每个珠光体团中是平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体，它们都呈白亮色，而其边界呈黑色(图9-4)。在400倍左右的中倍显微镜下观察时，白亮的渗碳体细条被两边黑色的边界线所“吞食”，而变成为黑条，这时所看到的珠光体是宽白条的铁素体和细黑条的渗碳体相间的混合物(图9-3)。在200倍以下的低倍显微镜下观察时，由于显微镜的鉴别率较低，宽白条的铁素体上一页下一页返回实验1铁碳合金平衡组织观察和细黑条的渗碳体也很难分辨，这时的珠光体是一片暗黑，成为黑块的组织。图9-2中的黑块即是珠光体组织。(5)莱氏体(Ld')。是一个两相组织。在727℃以上是奥氏体和渗碳体的机械混合物。在727℃时，莱氏体中奥氏体发生共析反应而变成珠光体，所以在室温时莱氏体组织是珠光体和渗碳体的机械混合物。渗碳体中包括共晶渗碳体和二次渗碳体，两种渗碳体相连在一起，没有边界线，无法分辨别。经4%硝酸酒精浸蚀后，莱氏体的组织特征是，在白亮色的渗碳体基本上分布着许多黑色点(块)状或条状的珠光体(图9-7)。莱氏体硬度很高，达700HB，性脆。它一般存在于碳质量分数大于2.11%的白口铸铁中，在某些高碳合金钢的铸造组织中也常有出现。在亚共晶白口铸铁中，莱氏体被黑色粗树枝状的珠光体所分割，而且可看到在珠光体周围有一圈白売的二次渗碳体(图9-6)。在上一页下一页返回实验1铁碳合金平衡组织观察过共晶白口铸铁中，来氏体被粗大的白色长条状的一次渗碳体所分割(图9-8)。4.实验内容(1)观察表9-1中所列样品的显微组织，研究每一个样品的组织特征，并联系铁碳相图分析其组织形成过程。(2)绘出所观察样品的显微组织示意图。画图时要抓住各种组织组成物形态的特征，并用箭头和代表符号标出各组织组成物。5.实验报告(1)实验目的。(2)实验结果与分析。画出所观察样品的显微组织示意图，填表9-2。(3)根据所观察的组织，说明碳含量对铁碳合金的组织和性能的影响的大致规律。上一页返回实验2铁碳合金非平衡组织观察1.实验目的(1)识别铁碳合金在不同热处理状态下的显微组织。(2)加深对非平衡状态下钢的成分、热处理工艺、组织之间关系的认识。2.实验原理碳钢经热处理后的组织，可以是平衡或接近平衡状态(如退火、正火)的组织，也可以是不平衡组织(如淬火组织)，因此在研究热处理后的组织时，不但要参考铁碳相图，还要利用C曲线。铁碳相图能说明慢冷时不同碳质量分数的铁碳合金的结晶过程和室温下的组织，计算相的质量分数。C曲线则能说明一定成分的铁碳合金在不同冷却条件下的转变过程，及能得到哪些组织。(1)冷却时所得的各种组织组成物的形态。①贝氏体(图9-9)。下一页返回实验2铁碳合金非平衡组织观察a.上贝氏体。羽毛状的上贝氏体是由成束平行排列的条状铁素体和条间断续分布的渗碳体所组成的非层状组织。当转变量不多时，在光学显微镜下为成束的铁素体条向奥氏体晶界内伸展，具有羽毛状特征。在电镜下铁素体以几度到十几度的小位向差相互平列，渗碳体沿条的长轴方向排列成行。b.下贝氏体。竹叶状的下贝氏体是在片状铁素体内部沉淀有碳化物的混合物组织。由于下贝氏体易受浸蚀，所以在显微镜下呈黑色针状，在电镜下是以片状铁素体为基体，其中分布着很细的碳化物片，大致与铁素体片的长轴呈55°~65°。②马氏体(图9-10)。马氏体(M)是奥氏体低温转变的产物，是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。马氏体可分为两大类，即板条状马氏体和针片状马氏体。a.板条状马氏体。在光学显微镜下，板条状马氏体的形态呈现为一束束相互平行的细长条状马氏体群，在一个奥氏体晶粒内可有几束上一页下一页返回实验2铁碳合金非平衡组织观察不同取向的马氏体群。每束内的条与条之间以小角度晶界分开，束与束之间具有较大的位向差。板条状马氏体的立体形态为细长的板条状，其横截面据推测呈近似椭圆形。由于条状马氏体形成温度较高，在形成过程中常有碳化物析出，即产生自回火现象，故在金相试验时易被腐蚀呈现较深的颜色。在电子显微镜下，马氏体群是由许多平行的板条所组成。经透射电镜观察发现，板条状马氏体的亚结构是高密度的位错。含碳低的奥氏体形成的马氏体呈板条状，故板条状马氏体又称低碳马氏体，因亚结构为位错又称位错马氏体。b.针片状马氏体。在光学显微镜下，片状马氏体呈针状或竹叶状，片间有一定角度，其立体形态为双凸透镜状。因形成温度较低，没有自回火现象，故组织难以浸蚀，所以颜色较浅，在显微镜下呈白亮色。用透射电镜观察，其亚结构为孪晶。含碳高的奥氏体形成的马氏体呈片状，故称为片状马氏体，又称高碳上一页下一页返回实验2铁碳合金非平衡组织观察马氏体；根据亚结构特点，又称享晶马氏体。马氏体的粗细取决于淬火加热温度，即取决于奥氏体晶粒的大小。高碳钢在正常淬火温度下加热，淬火后得到细针状马氏体，在光学显微镜下呈布纹状，仅能隐约见到针状，故又称为隐晶马氏体。如淬火温度较高，奥氏体晶粒粗大，则得到粗大针状马氏体。(2)淬火回火后的组织(图9-11)。淬火钢经不同温度回火后，所得的组织通常分为三种：①回火马氏体。淬火钢在150℃〜250℃之间进行低温回火时，马氏体内析出碳化物，这种组织称为回火马氏体。与此同时，残余奥氏体也开始转变为回火马氏体。在显微镜下回火马氏体仍保持针(片)状形态。因回火马氏体易受浸蚀。所以为暗色针状组织。回火马氏体具有高的强度和硬度，而韧性和塑性较淬火马氏体有明显改善。②回火托氏体。回火托氏体是淬火钢在350℃〜500℃进行中温回火所得的组织，是铁素体与粒状渗碳体组成的极细密混合物。组织上一页下一页返回实验2铁碳合金非平衡组织观察特征是，铁素体基本上保持原来针(片)状马氏体的形态，而在基体上分布着极细颗粒的渗碳体，在光学显微镜下分辨不清，为黑点。但在电子显微镜下可观察到渗碳体颗粒。回火托氏体有较好的强度，最佳的弹性，韧性也较好。③回火索氏体。它是淬火钢在500℃〜650℃高温回火时所得到的组织。它是由粒状渗碳体和等轴形铁素体组成的混合物。在光学显微镜下可观察到渗碳体小颗粒，它均匀分布在铁素体中，此时铁素体经再结晶已消失针状特征，呈等轴细晶粒。回火索氏体组织具有强度、韧性和塑性较好的综合力学性能。3.实验内容观察不同材料在不同热处理状态下的显微组织，识别其组织组分及形态特征。上一页下一页返回实验2铁碳合金非平衡组织观察4.实验报告(1)写出实验目的。(2)将实验结果填入表9-3内。上一页返回实验3钢的热处理1.实验目的(1)了解碳素钢的基本热处理(退火、正火、淬火及回火)的工艺方法和主要设备。(2)研究碳的质量分数、加热温度、冷却速度、回火温度对钢性能的影响。(3)熟悉硬度计的使用。2.热处理工艺碳素钢热处理工艺主要有退火、正火、淬火及回火。加热温度、保温时间和冷却速度，是达到热处理良好效果的最重要工艺参数。(1)加热温度。①退火。亚共析钢加热至AC3+(30℃~50℃)(完全退火)；共析钢，过共析钢加热至AC1+(10℃~20℃)(球化退火)，得到粒状渗碳体，硬度降低，以利切削加工。下一页返回实验3钢的热处理②正火。亚共析钢加热至AC3+(30℃〜50℃);过共析钢加热至ACcm+(30℃〜50℃)。即加热到奥氏体单相区。退火和正火的加热温度范围见图9-12。③淬火。亚共析钢加热至+(30℃〜50℃)；共析钢和过共析钢加热至AC1+(30℃〜50℃)，淬火的加热温度范围见图9-13。钢的成分、原始组织及加热速度等皆影响临界点AC1、AC3、ACcm的位置。热处理前需认真查阅有关的材料手册，按规范操作'否则便得不到预期的组织。若加热温度过高。晶粒容易长大，材料氧化，脱碳和变形而失去效能。几种碳素钢的临界点见表9-4。④回火。碳素钢淬火后需尽快回火，按加热温度的不同，可分为三种：a.低温回火。加热温度150℃〜250℃，目的是得到回火马氏体。降低淬火应力，减少脆性并保持淬火碳素钢的高硬度。用于上一页下一页返回实验3钢的热处理切削工具、冷作模具、滚动轴承等。b.中温回火。加热温度350℃〜500℃，目的是得到回火托氏体，较多地降低淬火应力，有高的韧性和弹性极限。用于弹簧钢、热作磨具钢等热处理。c.高温回火。加热温度550℃〜650℃，目的是得到回火索氏体，消除淬火应力。强度、硬度、冲击韧度较好。淬火加上高温回火又称调质，用于要求具有良好综合力学性能的重要零件，如主轴、齿轮等。(2)保温时间。为了保证工件内外均达到指定的温度，使碳化物溶解和奥氏体成分均匀化，工件升温和保温所需的加热时间要给予保证。保温的加热时间需考虑诸多因素，可参考有关手册数据。空气介质炉中每毫米碳素钢需1~1.5min；合金钢则需2min左右。利用盐浴炉加热，时间可减半。上一页下一页返回实验3钢的热处理(3)冷却速度热处理时要充分注意不同的冷却方法，具体来说：退火一般采用随炉冷却；正火(又称常化)采用出炉置于空气中冷却，大件则常常还要加吹风。淬火工艺则较复杂。一方面要求工件冷却大于临界冷却速度，目的是得到全部马氏体组织或下贝氏体组织；另一方面又要求工件减缓冷却速度，避免淬火应力过大，造成开裂和变形。理想的冷却是过冷奥氏体在最不稳定的温度范围内(650℃〜550℃)尽快冷却，迅速渡过危险区域，而在马氏体转变温度(300℃~20℃)尽量降低冷却速度。淬火时的理想冷却曲线示意图如图9-14所示。3.实验要求及报告每6人一组进行工艺实验，填好表9-5。上一页返回实验4常用金属材料的显微组织观察1.实验目的(1)利用金相显微镜观察几种合金钢、铸铁及有色合金的显微组织。(2)了解和分析这些合金的成分、显微组织对性能的影响。2.概述为了提高钢的力学性能及工艺性能，在碳素钢中加入一定量的合金元素，则成为合金钢。铸铁的优点是熔点低，流动性好，易于铸造，且成本低。有色金属材料则各自具有特殊的物理、化学性能。工业生产中，广泛使用上述三种材料。(1)合金钢。合金钢的基本相有合金铁素体、合金奥氏体、合金碳化物及金属间化合物等，故其显微组织远比碳素钢复杂。①高速钢。以W18Cr4V为例，属高合金钢，特点是具有高红(热)硬性。在铸态下与亚共晶白口铸铁组织相似，其中莱氏体由合金碳化物和下一页返回实验4常用金属材料的显微组织观察马氏体或托氏体组成。需说明，呈鱼骨状的碳化物不能靠热处理消除，必须进行锻造打碎、退火，才能改善碳化物的分布状况。在退火状态下，局速钢的基体是索氏体，其上分布着许多壳白块是一次或二次碳化物，高速钢所需淬火温度高(如W18Cr4V为1270℃~1280℃)，促使奥氏体充分合金化。采用油冷或分级淬火，三次高温回火，组织为回火马氏体，碳化物及少量残余奥氏体，高速钢由于具有优异的力学性能，成为常用的切削工具材料。②不锈钢。以1Crl8Ni9为例，特点是耐大气、海水及腐蚀性液体的浸蚀，属高合金钢。其铬含量高，可产生材料表面钝化作用，阴极电位提高；加入镍可保证在室温下具有奥氏体组织。不锈钢固溶处理，加热到1100℃左右，碳化物溶解，水冷，组织为单一奥氏体晶粒。需说明，1Cr18Ni9在室温下是过饱和的单相奥氏体，不稳定。加热到400℃〜800℃(或从高温冷却较慢时)，则有(Cr、Fe)23C6，如图9-15所示。从奥氏体晶界上析出，使晶间耐腐蚀能力下降。如上一页下一页返回实验4常用金属材料的显微组织观察加入与碳亲和力很强的元素Ti、Nb，可以较好地解决这一问题。(2)有色合金。在工业生产中，还常常使用相当数量的有色合金以满足多种需要。a.铝合金。按加工工艺分为铸造铝合金和变形铝合金两大类。铝硅合金是应用最广的铸造铝合金，俗称硅铝明。典型的牌号是含硅10%~13%的ZL102。从A1-Si合金相图可知，其成分在共晶点附近，因而铸造流动性好，不易产生铸造裂纹。但其金相组织为α固溶体和粗大的针状硅晶体所成的共晶体及少量呈多面体状的初生硅晶体。硅晶体极脆，故合金的塑性和韧性降低了。通过变质处理，可改善这一状态。浇注前在合金液体中加入2%~3%的变质剂(2/3NaF+1/3NaCl)即可。钠盐的加入使其共晶点右移，原合金成为亚共晶成分，合金组织大大细化，变质后的组织由初生的α固溶体和细密的共晶体(α+Si)组成，使合金的强度和塑性显著改善。上一页下一页返回实验4常用金属材料的显微组织观察b.铜合金。以黄铜(Cu—Zn合金)和青铜(Cu—Sn合金)最为常用。此外，铜铝合金、铜铍合金、铜镇合金也有应用。由铜锌合金相图可知，锌的质量分数少于36%的黄铜组织为单相α固溶体，称α黄铜或单相黄铜。黄铜H70经过变形及退火加工后，其α晶粒为多边形，并有明显的孪晶。锌的质量分数为36%~45%的黄铜具有α+β'两相组织，称双相黄铜。如双相黄铜H62的金相组织，α相为亮白色，β'相为黑色。β'相是以CuZn电子化合物为基的有序固溶体，受温度影响大，在低温时较硬而脆；在高温时塑性良好，适于热加工。c.轴承合金。在滑动轴承中，常常应用的是巴氏合金材料。锡基巴氏合金含83%Sn、11%Sb和6%Cu。轴承的轴瓦材料承载时，需兼有硬和软两种性质，即在软而有塑性的基体上分布着硬的质点。在金相显微镜下观察，巴氏合金显微组织中暗黑色基体为软的α相；硬质点呈白色方块、三角形、梯形等几何形状为"相；和白色枝状上一页下一页返回实验4常用金属材料的显微组织观察析出物为Cu6Sn5化合物相。这种特殊的混合组织使轴承淑•料具有较好的强度、塑性和韧性，具有良好的抗振、减摩性能。(3)铸铁。工业生产中，主要应用的铸铁是三种：灰铸铁(HT)、可锻铸铁(KT)和球墨铸铁(QT)。划分的主要依据是石墨的不同形态和分布。①灰铸铁。它是在钢的基体上有片状石墨。按基体组织和石墨化的程度不同，又细分为铁素体基体、铁素体+珠光体基体和珠光体基体的灰铸铁。其中，铁素体基体铸铁韧性最好，而珠光体基体的铸铁抗拉强度最高。灰铸铁层片状石墨存在，对基体的割裂作用很大，使得材料抗拉强度、抗弯强度很低。但其抗压强度很好。此外，