内科大金属材料学实验指导

PAGEPAGE4《金属材料学》实验指导书及实验报告内蒙古科技大学材料实验室二00八年六月目录实验一结构钢、工具钢、特殊钢热处理组织观察………（1）实验二铸铁与有色金属显微组织观察………….（5）实验三热处理工艺对高速钢组织和硬度的影响……………….（11）实验一结构钢、工具钢、特殊钢热处理组织观察一、实验目的1、熟悉调质钢、弹簧钢热处理后组织。2、熟悉工具钢球化退火、淬火、回火后组织。3、了解几种特殊钢的组织。二、概述1、结构钢结构钢按其用途可分为工程构件用钢和机械制造用钢两大类。本实验主要对机械制造用钢中的调质钢、弹簧钢在不同热处理状态下的显微组织进行分析比较。（1）调质钢调质钢应具有良好的综合机械性能，较高强度的和良好的塑、韧性相配合，此外还有大的淬透性，而第二类回火脆性倾向要小。为此其成分为中等含碳量（一般为0.3—0.5%C），并加入Cr、Ni、Mn、Mo、B等元素。调质钢的预先热处理一般采用退火或正火，以消除锻造等工序可能产生的一些缺陷，并为切削加工和最后热处理做准备。经上述处理后的组织为铁素体和珠光体（或索氏体）。对于高合金调质钢则用正火、高温回火处理，得回火索氏体组织。最后热处理常采用高于Ac3加热淬火，随后进行高温回火，获得回火索氏体组织。（2）弹簧钢弹簧钢应具有高的弹性极限，高的疲劳强度和一定的塑、韧性。为此这类钢的含碳量为中碳偏高（通常为0.5—0.7% C，少数冷拉钢丝可达1.0%），并加入Mn、Si、Cr、V等元素。按弹簧钢生产方法不同，弹簧钢可分为热轧钢和冷拉钢两种。热轧钢一般截面尺寸较大，采用加热成形制造弹簧，然后进行淬火、中温回火处理，以获得回火屈氏体组织。热成形弹簧通常是将淬火加热与热成形结合起来，即加热温度略高于淬火温度，加热后进行热卷成型，然后利用余热立即进行淬火。由于弹簧钢大多为硅锰钢，硅有促进脱碳作用，锰促进奥氏体晶粒长大，故热处理时要力求避免表面脱碳和奥氏体晶粒长大，否则会引起弹簧疲劳强度的显著降低。冷拉钢丝截面尺寸较小，采用冷成型制造弹簧，然后经淬火、中温回火处理或经去应力回火处理，其组织分别为回火屈氏体和淬火屈氏体。2、工具钢合金工具钢按化学成分通常分为低合金工具钢（合金元素总量<3%），中合金工具钢（合金元素总量4—10%）和高合金工具钢（合金元素总量>10%）三种。低合金工具钢被广泛地用来制造刃具、模具和量具等。由于各种工具的工作条件不同，碳素工具钢的使用往往受到一定限制，不得不使用低合金工具钢。由于合金元素的加入，特别是碳化物形成元素Mn、W、Mo、V和非碳化物形成元素Si加入，不仅可以形成足够数量的碳化物，增加钢的耐磨性，淬透性，而且可以显著提高钢的抗回火稳定性，从而提高工具的耐用性。为了使工具获得高的硬度、高的耐磨性和高的红硬性，同时又有足够的强度和一定的韧性，必须进行正确热处理。低合金工具钢的热处理原则基本上与碳素工具钢相同。预先热处理一般均采用球化退火，以得到珠光体组织，如果锻造后存在较严重的网状碳化物，则在球化退火前必须进行一次正火处理。低合金工具钢的最后热处理通常均采用淬火和低温回火，以得到回火马氏体，细小均匀分布的碳化物和少量的残余奥氏体。只有对锤锻模等冲击工具其热处理原则基本上与调质钢类似，应当指出：不同低合金工具钢在制造不同工具时，其工艺参数有较大的差别，即使是一种钢也有一定的差异。3、特殊钢合金钢的种类很多，每种钢中又有很多钢种，每种钢经不同热处理后，都可得到不同的组织。本实验仅对几种常用的特殊性能钢经不同热处理后的组织进行分析、观察。1）不锈钢Cr13型不锈钢是马氏体钢。出厂时组织为退火组织，由铁素体和铬碳化物组成。这种钢在淬火并回火后使用。由于此种钢的含碳量不同，经热处理后得到的组织也不同。当1Cr13的含碳量小于0.10%时，在高温下为奥氏体＋δ铁素体，淬火后得马氏体＋铁素体组织。含碳量大于0.10%的1Cr13及2Cr13，经950—1000℃淬火，650—750℃回火，得回火索氏体组织，用做耐热结构件。3Cr13和4Cr13经950—1000℃淬火，Cr27、Cr17、0Cr17Ti等为铁素体型不锈钢，退火态使用。退火后为铁素体＋碳化物组织。Cr18Ni9为奥氏体不锈钢，淬火加热（称固溶处理）后，水冷使用，得单相奥氏体组织。这种钢经固溶处理后，若缓冷到室温，在奥氏体晶界处常会出现Cr23C6型碳化物，导致晶间腐蚀，所以必须加热到1100℃左右，迅速水冷，使其得到单相奥氏体组织，才具有良好的耐腐蚀性。若使用温度稍高时，从奥氏体晶界处又有碳化铬析出，引起晶间腐蚀。为提高此钢的耐晶间腐蚀的能力，常采用加入少量Nb、Ti（制成Cr18Ni9Ti钢）或降低钢的碳含量到0.03%以下（成为00Cr18Ni10钢），再经1100—Cr21Mn13N钢为奥氏体—铁素体复相不锈钢。经1100℃Cr17Ni7Al为奥氏体—马氏体沉淀硬化不锈钢（17—7PH钢）。经1050℃固溶处理后，得奥氏体＋δ—铁素体组织。它具有良好的冷加工性和可焊性。再经700—800℃调整处理后，得马氏体＋δ—铁素体组织及碳化物组织。最后经500℃左右时效处理，得马氏体＋δ—铁素体组织＋碳化物＋金属间化合物（NiCr13Mo5Co13钢为马氏体沉淀硬化不锈钢（AFC—77钢）。其固溶处理温度为1000—1050℃，经固溶加热油冷到室温，得马氏体＋残余奥氏体组织。再经500—600℃时效处理后，为马氏体＋残余奥氏体＋碳化物＋金属间化合物（Fe2Mo和x—相）。此钢可通过控制固溶温度和时效温度得马氏体和一定量的2）高锰钢含有1.0—1.3%及11—14%Mn的高锰耐磨钢，经1000——1050℃淬火后具有奥氏体组织。塑性变形时，硬化倾向大，难于切削加工，一般在铸态下使用。其铸态组织为奥氏体及晶界析出的碳化物，碳化物周围有奥氏体分解成屈氏体组织。三、实验步骤观察实验室制备好的结构钢、工具钢和特殊钢经不同热处理得到的显微组织。四、实验报告要求1、实验目的与内容。2、画出指定样品的显微组织示意图。3、回答下列问题：1）比较相同含碳量的碳素结构钢和合金结构钢在相同热处理状态下的组织化及其对性能影响，分析合金元素的作用。2）与Cr13型不锈钢比较，奥氏体型不锈钢有何特性？18—8型奥氏体不锈钢中各元素起什么作用？为了提高其抗腐蚀性能可采用什么工艺方法？实验二铸铁与有色金属显微组织观察一、实验目的观察和分析各种铸铁的显微组织熟悉常用的铝合金、铜合金及轴承合金的显微组织二、实验内容观察、分析下列金相样品及组织概述灰口铸铁的组织分析1、普通灰口铸铁普通灰口铸铁显微组织与白口铸铁的显微组织不同，白口铸铁中的碳以化合物渗碳体的形式存在，在组织中，有共晶莱氏体，其断口白亮，性质硬而脆，故工业上很少应用，主要做炼钢原料。普通灰口铸铁中碳全部或部分以自由碳－片状石墨形式存在。断口呈灰色。其显微组织根据球墨化程度的不同为铁素体或珠光体或铁素体＋珠光体基体上分布片状石墨。由于片状石墨无反光能力，故试样未经腐蚀即可看出成灰黑色。石墨性脆，在磨制时易脱落，此时在显微镜下只能见到空洞。为研究石墨的形状和分布，一般均先观察未经腐蚀的试片。灰口铸铁的基体在未经腐蚀的试片上成白亮色经过硝酸酒精腐蚀后和碳钢一样。在铁素体基体的灰口铸铁中看到晶界清晰的等轴铁素体晶体。在珠光体基体的灰口铸铁中，珠光体片的大小随冷却速度而异。由于始末的强度和塑性几乎等于零，这样可以把铸铁看成是布满裂纹和空洞的钢，因此铸铁的抗拉强度和塑性远比钢低。且石墨数量越多，尺寸越大，石墨对基体的削弱作用也越大。在铸铁中由于含磷较高，在实际铸造条件下磷常以Fe3P的形式与铁素体和Fe3P形成硬而脆的磷共晶，因此在灰口铸铁的显微组织中，除基体和石墨外，还可以见到具有菱角状沿奥氏体晶界连续或不连续分布的磷共晶（又叫斯氏体）。磷共晶主要有三种类型，即二元磷共晶（在Fe3P的基体上分布着粒状的奥氏体分解产物——铁素体或珠光体）、三元磷共晶（在Fe3P的基体上分布成规则排列的奥氏体分解产物）和复合磷共晶（二元或三元磷共晶基体上嵌有条状渗碳体），用硝酸酒精或苦味酒精腐蚀时Fe3P不受腐蚀呈亮白色，铁素体光泽较暗，在磷共晶周围通常总是珠光体。由于磷共晶硬度很高，故二元或三元磷共晶以少量均匀独立分布时，有利于提高耐磨性，而并不影响强度。磷共晶如形成连续网状，则会使铸铁轻度和韧性显著降低。2、可锻铸铁可锻铸铁又叫马铁或展性铸铁。它是由白口铸铁经退火处理而得到的一种铸铁。其中石墨呈团状絮状，因而大大削弱了对基体的割裂作用，与普通灰口铸铁相比，具有较高的机械性能，尤其具有较高的塑性和韧性。根据基体不同，可锻铸铁可分为铁素体基体可锻铸铁及珠光体基体可锻铸铁。3、球墨铸铁它是用镁、钙及稀土元素（铈族元素）球化剂进行球化处理，使石墨变为球状。由于石墨呈球状对基体的削弱作用最小，是球墨铸铁的金属基体强度利用率达70~80%(灰口铸铁只达30%左右)因而其机械性能远远优于普通灰口铸铁。球墨铸铁的基体也有铁素体、珠光体、铁素体＋珠光体三种，在后一种基体中球状石墨的周围总是铁素体，所以铁素体总是包围着石墨球。目前应用最广泛的是前两种基体。如上所述，铸铁的基体既然是铁素体和珠光体所组成，而显然和钢一样可以通过热处理来改变基体组织，从而改善铸铁的机械性能，特别是球墨铸铁正火的目的主要是为了增加基体中珠光体数量从而提高球铁的强度和耐磨性。球铁经等温淬火后的组织为下贝氏体，部分马氏体和少量残余奥氏体，这种组织不仅具有较高的综合机械性能，而且具有很好的耐磨性，内应力也小。编号样品名称处理状态腐蚀剂金相组织1灰口铸铁（P基）铸造4％硝酸酒精P＋片状石墨2可锻铸铁（F基）可锻化退火4％硝酸酒精F＋团絮石墨3球墨铸铁（F＋P基）铸造4％硝酸酒精牛眼状石墨4球墨铸铁等温退火4％硝酸酒精N＋B＋A＋球状石墨5硅铝明（ZL102）铸造未变质0.5HF水溶液（Si粗针＋α基体）共晶6硅铝明（ZL102）铸造变质0.5HF水溶液α枝晶＋（Si细小＋α）7硬铝（ZV12）淬火自然时效混合酸水溶液单相α固溶体8单相黄铜（H70）冷加工退火3%Fe3Cl＋10%HCl单相α（孪晶带）9双相黄铜（H80）铸造退火3%Fe3Cl＋10%HClα＋β10锡青铜（QSn10）铸造3%Fe3Cl＋10%HCl11锡基巴氏合金ZChSnSb11－6铸造4％硝酸酒精12铅基巴氏合金ZChSnSb16－16－2铸造4％硝酸酒精（二）有色金属组织分析铝合金①铸造铝合金：应用最广泛的铸造合金为含有大量硅的铝合金，即所谓的硅铝明。典型的硅铝明牌号为ZL102。含硅11~13%成分在共晶成分附近，因而具有较好的铸造性能——流动性好，铸件致密，不容易产生铸造裂纹。铸造后几乎全部得到共晶组织即灰色的粗大的针状的共晶硅分布在发亮的铝的α固溶体的基体上，这种粗大的针状硅晶体严重降低合金的塑性。为提高硅铝明的力学性能，通常进行变质处理，即在浇注以前向合金溶液中加入占合金重量2~3%的变质剂（常用2/3NaF＋1/3NaCl）。处理后使共晶点从11.6%Si右移。故使原有合金变为亚共晶组织，其组织为初生α固溶体枝晶（白色）及细的共晶体（α＋Si）（黑底），由于共晶体中的硅呈细小圆形颗粒，因而是合金的强度和塑性提高。②变形铝合金：硬铝是Al－Cu－Mg是时效合金，是主要的形变铝合金。由于它的强度大与韧性高，故成为硬铝。在国外又称为杜拉铝。近代机械制造和飞机制造，在工业中得到广泛应用。在合金中形成了CuAl2和CuMgAl2.这两个相在加热时均能深入合金的固溶体内，并在随后的时效热处理过程中形成“富集区”。“过渡相’二是合金达到强化。而后者（S相）在合金强化过程中的作用更大，因此，常把它成为强化相。硬铝的自然时效组织与淬火组织毫无区别，由不同方位的固溶体晶粒组成（在光学显微镜下G，P区是无法辨认的），只能通过X－光结构分析及电子衍射来证实。黄铜①α单相黄铜：含锌在36%以下的黄铜属单相α固溶体，典型牌号有H70（即三七黄铜）。铸态组织：α固溶体成树枝状（用氯化铁溶液腐蚀后，直径主轴富铜，呈亮色，而枝间富锌呈暗色），经变形和再结晶退火其组织为多变性晶体，有退火孪晶。由于各个晶粒方位不同，所以具有不同的颜色。退火的α黄铜能承受极大的塑性变形，可以进行冷加工。②α＋β两相黄铜：含锌量为36~45%的黄铜为α＋β两相黄铜，典型牌号有H60（即四六黄铜）。在室温下β相较α相应的多，因而只能承受微量的冷态变形。但β相800℃用3%FeCl3＋10%HCl水溶液腐蚀时，β相呈暗黑色，α相为白亮色。3、锡青铜铜与锡所组成的合金叫锡青铜，工业上大部分用于铸造。常用的锡青铜含锡量为3~14%从Cu－Sn相图可知，铜锡合金间隔很宽，故易于产生偏析，且锡在铜中扩散困难，因此锡青铜的实际组织与平衡状态相差很大。例如常用的QSn10含10%Sn（应为单相α固溶体组织）由于铸造时冷却较快，锡扩散困难，产生严重树枝偏析，最后凝固的树枝间含锡量高，形成了（α＋δ）共析体。所以铸态下的组织为α固溶体及（α＋δ）共析体。用3%FeCl3＋10%HCl水溶液腐蚀时，亮白色树干为富铜的α固溶体，外围较里部分为含锡较高的α固溶体，树枝间隙处（其中有很细小的点）白亮部分是（α＋δ）共析体。巴氏合金以锡铅等为基的抗磨轴承合金称为巴氏合金，此合金为易熔轴承合金，通常直接浇于轴承套上，分锡基铅基轴承合金。①锡基巴氏合金：主要有ZChSn11-6含11%Sb、8%Cu。合金含量11%Sb可以形成软的α固溶体（锑在锡中的α固溶体）基体及少量嵌在基体上的β两相组织，铜的加入可形成Cu2Sn，避免比重偏析产生。黑色基体α（软基）和具有方形和三角形的白色粗晶为β固溶体（硬质点），白色针状和星状的是化合物Cu2Sn晶体，也是硬质杂质。这种轴承合金摩擦系数小，硬度适中，疲劳抗力高，是一种优良的轴承合金，但价格较贵，只使用在最重要的轴承上。铅基巴氏合金：ZChPbSn16-18-2是最常见的铅基轴承合金，属于过共晶合金，其组织：白色块为初生β相（SnSb）。花纹状软基体是α（Pb）＋β共晶体，白色针状基体是化合物Cu2Sb，Cu2Sb是合金中硬质点。这种轴承合金含锡量少，成本较低，铸造性能及耐磨性较好，一般用于中低载荷的轴瓦。三、方法指导实验材料及设备金相显微镜铸铁、有色金属金相样品一套实验步骤先观看幻灯片分组进行，每人一台显微镜，对每个试样进行观察观察几种铸铁中石墨的形态，基体的特征，分析基体组织的形成比较黄铜（单相、两相黄铜）及锡铜的显微组织的特征比较变质处理与未变质处理的硅铝明的显微组织比较锡基及铅基轴承合金的组织特征将所观察到的合金组织，用示意图画出实验三热处理工艺对高速钢组织和硬度性能的影响一、实验目的研究热处理工艺对高速钢组织和硬度的影响。确定高速钢最佳的热处理工艺。观察和辨认高速钢在铸造和不同热处理后的组织。二、概述高速钢多用于高速切削的各种刃具，也可以用于耐磨性高的冷热模具，由于高速切削，刃具温升可达650℃，所以除要求具有高硬度和耐磨性外，还要求有红硬性，也成赤热硬性，即在温度高达500-650℃时仍可保持较高硬度的性能（规定593℃我国使用最广泛的高速钢有W18Cr4V和Mo5Cr4V2钢为1260-1280℃（常为1250℃）。经处理后，组织为隐晶马氏体及约20%残余奥氏体、10%均匀分布的细小碳化物，它具有较高硬度值。由于噶usgd合金度较高，则马氏体形态不易显露出来，经4%。回火时，随回火温度的增高，硬度下降，但在560℃附近，硬度值明显升高，这种现象称为次生硬化。是由于VC和M2C型碳化物的析出以及残留奥氏体转变为马氏体所致。淬火恩典不足时，由于碳化物溶解不够，特别是VC基本不溶解，M2C型碳化物溶解预热较少，使奥氏体中没有足够的碳及合金元素，则淬火后钢的硬度较低。为了避免加热过程中高速钢变形、开裂及高温长时间停留引起脱碳，淬火前要进行预热。一般采用840℃一次预热或500—600℃及800—高速钢回火次数一般两到三次。其目的在于减少淬火组织中的残余奥氏体，使其转变为马氏体，并使马氏体回火。三、实验步骤指定热处理方案同学根据实验要求，查阅有关资料，如恒温转变为综合动力学曲线，马氏体点和淬火温度等，用来确定各种工艺参数和实验方法。最后全班归纳出几种热处理工艺。热处理（1）淬火将试样加热到选定的温度进行预热、加热、经保温后，立即在油中冷却，并使试样在油中不停移动。淬火动作要快，试样要冷却至炉温。（2）回火将不同温度淬火后的试样，除各留两块外，所有试样均进行回火。回火时应注意分清不同的淬火温度。回火温度有300，400，500，600℃3、测定红硬性及红脆性（1）测定硬度测定经不同温度淬火及各不同温度回火后的硬度（HRC）值。将结果记录在表中（附后）。所记暑假应为所测数据的平均值。（2）测定经不同淬火温度后的红硬性目前测定红硬性的方法有两种。一种选定某一回火温度（例如600℃）。以在此温度回火四次（每次保温1小时）后的室温硬度值来表征的室温硬度（如HRC为58）第一种方法用的较为广泛，本实验也采用此方法，选定的回火温度为600℃测定不同温度淬火后的红硬性，并进行分析、比较。观察组织将自己所处理的试样制成金相样品，连同实验室制备好的金相样品一起在250—500倍显微镜下观察显微组织。实验数据记入下表;淬火回火红硬性温度℃硬度HRC温度℃400500560600(600℃四次回火硬度HRC四、实验报告要求将表中实验数据绘制成回火温度与硬度关系曲线图，并分析曲线：淬火温度对红硬性的影响，并简述其主要原因（主要从合金元素作用分析）。分析正常温度淬火的回火温度－硬度关系曲线。画出铸造、锻造后退火、正常淬火、过热、过烧、560℃回火等组织图。金属材料学实验报告班级组别实验日期年月日姓名学号教师签字教师评定实验名称实验目的画出组织示意图(用箭头标出所画组织名称)材质材质材质处理处理处理腐蚀剂腐蚀剂腐蚀剂放大倍数放大倍数放大倍数材质材质材质处理处理处理腐蚀剂腐蚀剂腐蚀剂放大倍数放大倍数放大倍数三、根据实验结果回答问题金属材料学实验报告班级组别实验日期年月日姓名学号教师签字教师评定实验名称实验目的画出组织示意图(用箭头标出所画组织名称)材质材质材质处理处理处理腐蚀剂腐蚀剂腐蚀剂放大倍数放大倍数