1、1实验五 碳钢、合金钢、铸铁、有色金属典型组织观察一、实验目的1、观察和研究各种不同类型合金材料的显微组织特征；2、了解这些合金材料的成分、显微组织对性能的影响。二、概述（一）碳钢的显微组织铁碳合金缓冷后的金相显微组织基本上与铁碳相图所预料的各种平衡组织相符合，但碳钢在不平蘅状态，即在快冷条件下的显微组织就不能用铁碳合金相图来分析，而应由过冷奥氏体转变曲线图C 曲线来确定。图 1 为共析碳钢的等温转变 C 曲线图。图 1 共析碳钢的 C 曲线图按照不同的冷却条件，过冷奥氏体在不同的温度范围发生不同类型的转变。通过金相显微镜观察，可以看出过冷奥氏体各种转变产物的组织形态各不相同。共析碳钢过冷奥氏
2、体在不同温度转变的组织特征及性能如表 1 所示。表 1 共析碳钢过冷奥氏体在不同温度转变的组织特征及性能转变类型组织名称形成温度范围（） 金相纤维组织特征 硬度（HRC ）珠光体型珠光体（P）650在 400500 倍金相显微镜下可观察到铁素体和渗碳体的片层状组织20（HB180200）2索氏体（S）600650在 800-1000 倍以上的显微镜卜才能分清片层状特征，在低倍镜下片层模糊不清2535相变屈氏体（T）550600用光学显微镜观察时呈黑色团状组织，只有在电子显微镜(5000-15000x) 下才能看出片层组织3540上贝氏体（B 上）350550 金相显微镜下呈暗灰色的羽毛状特征
3、4048贝氏体型相变下贝氏体（B 下）230350 在金相显微镜下呈黑色针叶状特征 4858马氏体型相变马氏体（M）10%的称为高合金6钢。一般合金结构钢、合金工具钢都是低合金钢。由于合金元素的加入，使铁碳相图发生一些变化，但其平衡状态的显微组织与碳钢没有本质的区别。低合金钢热处理后的显微组织与碳钢没有根本不同，差别只在于合金元素加入后，使 C 曲线右移（除 Co 以外） ，即使以较低的冷却速度也可以获得马氏体组织。例如，40Cr 钢经调质处理后的显微组织和 40 钢调质后的显微组织基本相同，都为回火索氏体。 GCr15 钢 840油淬、低温回火后的显微组织，与 T12 钢780水淬、低温回火
4、后的显微组织也一样，皆为回火马氏体和碳化物。合金钢种类繁多，本实验只选择高速钢进行观察和分析。高速钢是一种常用的高合金工具钢，例如 W18Cr4V。因为它含有大量合金元素，使铁碳相图中的 E 点大大左移，虽然只含有 0.7%0.8%的碳，仍可获得莱氏体组织，所以又称为莱氏体钢。1、高速钢在铸造状态下与亚共晶白口铸铁的组织相似。在一般铸造条件下存在以具有由鱼骨状合金碳化物为特征的共晶莱氏体组织。如图 13 所示为W18Cr4V 钢的铸态组织。在金相显微镜下观察时，除共晶莱氏体外还有部分呈暗黑色的 共析体组织和少量马氏体（呈亮白色部分） 。虽然高速钢在铸态下的组织存在严重的成分和组织不均匀性，从而
5、影响其性能，为此随后必须经过锻造和轧制，破碎莱氏体网络，促使其碳化物均匀分布。2、高速钢锻造退火组织：高速钢铸态组织极不均匀，特别是共晶组织中粗大碳化物的存在，使钢的性能显著降低，因此，高速钢铸造后必须经过锻造，退火，以改善碳化物的分布状况。在金相显微镜下观察其组织为索氏体+碳化物。图 14 所示为 W18Cr4V 钢经锻造及退火后的显微组织，其中粗大的亮色晶粒为初生共晶碳化物，较细小的为次生碳化物以及索氏体基体中的极细共晶碳化物，退火后的的硬度为 HB207255。7图 13 W18Cr4V 钢铸造状态的显微组织（800） 图 14 W18Cr4V 钢锻造及退火后的显微组织（500）3、高速
6、钢淬火组织 ：淬火加热温度一般为 12601280，高温加热的目的是使较多的碳化物溶解于奥氏体中，淬火后马氏体中合金元素含量高，回火后钢的红硬性高且耐磨性好。淬火采用油冷或空冷，其显微组织为马氏体+未溶碳化物+ 残余奥氏体（尚有 20%30% ） 。马氏体呈隐针状，其针形很难显示出来，但可看出明显的奥氏体晶界及分布于晶粒内的未溶碳化物，淬火后的硬度约为 HRC61 62，如图 15 所示。4、高速钢淬火后需经三次回火，其组织为回火马氏体，碳化物和少量残余奥氏体（约 2%3% ） 。回火后硬度为 HRC6365 ，如图 16 所示。图15 W18Cr4V 钢 1280淬火后的显微组织（500）
7、图 16 W18Cr4V 钢淬火及三次回火后的显微组织 （500）（三 ）铸铁的显微组织按铸铁在结晶过程中石墨化程度不同，可分为白口铸铁、灰口铸铁和麻口铸铁。白口铸铁：其组织具有莱氏体特征而没有游离的石墨，即全部碳以碳化物8的形式存在于铸铁中。灰口铸铁：碳全部或大部分以石墨的形式存在于铸铁中。灰口铸铁的组织特征是在钢的基体上分布着片状石墨。根据基体组织的不同，灰口铸铁可分为：铁素体灰口铸铁；铁素体+ 珠光体灰口铸铁；珠光体灰口铸铁。如图 17 所示，为铁素体灰口铸铁的显微组织，其中石墨呈灰色条片状分布在白亮色的铁素体基体上；图 18 为铁素体+ 珠光体灰口铸铁，其中除黑灰色条片状石墨外，暗黑色
8、基底为珠光体，亮白色部分为铁素体。麻口铸铁：其组织特征介于白口铸铁与灰口铸铁之间，即表面为白口铸铁，中心为灰口铸铁。白口铸铁和麻口铸铁由于莱氏体组织存在，因而有较大的脆性，在工业上很少应用。图 17 铁素体灰口铸铁的显微组织（100） 图 18 铁素体珠光体灰口铸铁的显微组织（100）根据铸铁中石墨的形态、大小和分布情况不同，铸铁分为：灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁。可锻铸铁：可锻铸铁又称展性铸铁，它是由白口铸铁经石墨化退火处理而获得的，其渗碳体发生分解而形成团絮状石墨。按其组织不同，可锻铸铁分为铁素体可锻铸铁和珠光体可锻铸铁两类。图 19 为铁素体基体可锻铸铁的显微组织，其中石墨称暗灰色团絮状
9、，亮白色晶粒为基体。9图 19 铁素体基体可锻铸铁的显微组织（100）球墨铸铁：球墨铸铁中石墨呈球状。它是用镁、钙及稀土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，使球墨铸铁的金属基体强度利用率高达 70%90%（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和可锻铸铁。图 20（a）为铁素体基体球墨铸铁的显微组织，其中亮白色晶粒为铁素体基体，灰色球状为石墨。图 20(b)为铁素体珠光体基体球墨铸铁的显微组织，其中暗黑色基底为珠光体，分布在圆球状石墨周围的亮白色基体是铁素体。图 20 球墨铸铁的显微组织（100）如上所述，铸铁的基体既然是铁素体
10、和珠光体所组成，很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，特别是球墨铸铁常常通过正火、调质和等温淬火来提高其机械性能。球铁正火的主要目的是增加基体中珠光体数量，从而提高球铁的强度和耐磨性。球铁调质处理后得到回火索氏体，从而有更高的综合机械性能。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，内应力少。10（四）有色金属及合金1、铝合金铝合金由于密度小（2.652.9） ，具有高的比强度，因而广泛用于机械工业特别是航空工业。铝合金分为铸造铝合金和变形铝合金。铸造铝合金：在铸造铝合金中应用最广的是铝硅
11、系合金，俗称硅铝明。典型的牌号有 ZL102，含硅 10%13% ，由 Al-Si 合金相图可知，硅铝明合金成分在共晶点附近，组织为粗大的针状的硅晶体和 固溶体组成的共晶体，以及少量呈多面体形的初生硅晶体，如图 21（a）所示。这种粗大的针状硅晶体严重降低合金的塑性。为了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熔体中加入占合金重量 2%3%的变质剂（常用 2/3NaF+1/3NaCl） 。处理后使合金的共晶点从 11.6%Si 右移，得到亚共晶组织，其组织为初生 固溶体枝晶（白亮）及细小的共晶（+Si） （黑底） ，因而使合金的强度与塑性提高。如图21（b）所示。图 21 铸
12、造铝合金（ZL102）的显微组织（100）变形铝合金：硬铝是 Al-Cu-Mg 系时效合金，是重要的变形铝合金。由于它的强度大和硬度高，故称硬铝。在国外又称杜拉铝。现代机械制造和飞机制造业中得到广泛应用。在合金中形成了 CuAl2（ 相）和 CuMgAl2（S 相） 。这两个相在加热时均能溶入合金的固溶体内，并在随后的时效热处理过程中通过形成“富集区 ”、 “过渡相”而使合金强化。而以 CuMgAl2（S 相）在合金化过程中的作用更大，常把它称为强化相。112、铜合金工业上广泛使用的铜合金有铜锌合金（黄铜） 、铜锡合金（锡青铜） 、铜铝合金（铝青铜）以及铜铍合金（铍青铜） 、铜镍合金（白铜）等
13、。这里以黄铜为例加以分析研究。黄铜为 Cu-Zn 合金，常用的黄铜为 单相黄铜和 + 两相黄铜。 单相黄铜：含锌在 39%以下的黄铜属单相 固溶体，典型牌号为H70（即三七黄铜） 。铸态组织： 固溶体呈树枝状（用氯化铁溶液腐蚀后，枝晶主轴富铜，呈亮白色，而枝晶富锌呈暗色） ，经变形和再结晶退火其组织为多边形晶粒，有退火孪晶，如图 22 所。由于各个晶粒方位不同，所以具有不同的颜色。退火处理后的 黄铜能承受极大的塑性变形，可以进行深冲变形。+ 两相黄铜：含锌量为 39%45% 的黄铜为 + 两相黄铜，典型牌号有H62（即四六黄铜） 。在室温下 相较 相硬得多，因而可用于承受较大载荷的零件。+ 两
14、相黄铜可在 600以上进行热加工。如图 23 为 + 两相黄铜铸造状态的显微组织： 为亮白色的固溶体， 是 CuZn 为基的有序固溶体。图 22 单相黄铜（H70）的显微组织（100） 图 23 + 两相黄铜（H62）的显微组织（100）3、轴承合金轴承合金又称巴氏合金。巴氏合金是应用较多的轴承合金，常用来制造滑动轴承的轴瓦和内衬。轴瓦材料要求同时兼有硬和软的两种性能，因此轴承合金的组织往往是软、硬两相组成的混合物。例如，在软基体上分布着硬质点，铅基或锡基轴承合金就具有这种组织特点。锡基巴氏合金：基本元素为 Sn83%、Sb11%及 Cu6%。其牌号为ZChSnSb11-6，它的显微组织如图
15、24 所示。其中暗黑色部分为软基体 相（是12Sb 在 Sn 中形成的固溶体） ；白色方块为硬质点 （以 SnSb 为基的有序固溶体） ；而白亮针状及星形析出物为 Cu3Sn 或 Cu6Sn5 化合物（ 相） ，作为阻碍 相上浮，减少偏析的作用。这种既硬又软的混合物，保证了轴承合金具有足够的强度与塑性的配合从而使轴承合金有良好的减磨性及抗振性。图 24 ZCHSnSb11-6 轴承合金的显微组织 100三、实验设备与材料1、设备光学金相显微镜2、材料各种经不同热处理的金相显微样品。四、实验内容与方法1、内容观察、分析下列常用材料的显微组织，见表 3 所示。表 3 各类材料的显微组织编号 名称
16、状态 显微组织特征 腐蚀剂1 高速钢 铸态 Ld(鱼骨状)+（暗黑色）+M+ A 4%硝酸酒精2 高速钢 淬火态 M（隐针）+碳化物（颗粒状） + A 4%硝酸酒精3 高速钢 回火态M 回 火 （ 暗 黑 色 基 体 ） +碳 化 物 （ 白 色 颗粒 ）4%硝酸酒精4 灰口铸铁 铸态 P+条片状石墨 4%硝酸酒精5 可锻铸铁铸造+石墨化退火F（白亮色基体）+ 团絮状石墨 4%硝酸酒精6 球墨铸铁 铸态 F（白亮色）+P+球状石墨 4%硝酸酒精7 铝硅明 变质处理 （枝晶状）+共晶体（细密基体） 4%硝酸酒精138 双相黄铜 铸态 （白亮色）+（暗黑色）3%FeCl3+10%HCl溶液9锡基巴
17、氏合金铸态 （暗黑色）+（白色块状）+ Cu 3Sn 同上10 20 钢 920水淬板条状马氏体 4%硝酸酒精11 45 钢 840空冷铁素体+索氏体 4%硝酸酒精12 45 钢 840水冷细针状、板条状马氏体+残余奥氏体 4%硝酸酒精13 45 钢 840油冷细针状、板条状马氏体+屈氏体残 4%硝酸酒精14 45 钢 750水淬细针状、板条状马氏体+部分铁素体 4%硝酸酒精15 T12 钢 760水淬+200回火回火马氏体+粒状渗碳体4%硝酸酒精16 T12 钢 1000水淬+180回火回火马氏体+粒状渗碳体4%硝酸酒精2、方法1）每位同学轮流对每个试样进行观察；2）画出所观察到的金相试样的显微组织图。五、实验要求1、学生进入实验室前必须做好实验预习；2、认真阅读实验指导书；3、明确实验目的、任务、有关原理、操作的主要步骤、注意事项；4、实验过程中必须严格遵守操作规程及注意事项；5、自觉遵守实验室各项规章制度；146、独立完成实验；7、实验报告中要求有实验名称、实验目的、实验设备；8、画出各种材料的显微组织图。
