《工程材料》实验指导书金属.docx
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《工程材料》实验指导书金属
实验一铁碳合金平衡组织观察
一、实验目的
1．观察和识别铁碳合金平衡组织的特征。
2．了解铁碳合金的成分、组织和性能之间的对应变化关系。
3．学习金相显微镜的使用。
二、实验设备及材料
1．金相显微镜；
2．铁碳合金试样一套；
3．金相图谱。
三、实验原理及方法
（一）显微组织概述
铁碳合金的显微组织是研究和分析钢铁材料性能的基础，所谓平衡状态显微组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下（如退火状态，即接近平衡状态）所得到的组织。
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。
图1-1Fe-Fe3C相图
铁碳合金的平衡组织主要是指碳钢和白口铸铁组织，它们的性能与其显微组织密切相关。
对碳钢和白口铸铁显微组织的观察和分析，有助于加深对相图的理解。
从相图上可以看出，所有碳钢和白口铸铁的室温组织均由铁素体（F）和渗碳体（Fe3C）这两个基本相组成。
但由于含碳量不同，结晶条件不同，铁素体和渗碳体的相对数量、形态、分布和混合情况均有所不同，因而呈现不同的组织形态。
其基本特征如下：
1．铁素体（F）
是碳溶于α-Fe中的固溶体。
具有良好的塑性，硬度较低。
用3-4％硝酸酒精浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的等轴晶粒；亚共析钢中铁素体呈块状分布；当含碳量接近于共析成分时，铁素体则呈断续的网状分布于珠光体周围。
2．渗碳体（Fe3C）
是铁与碳形成的一种化合物，其碳含量为6.69%，质硬而脆，耐腐蚀性强，经3-4％硝酸酒精浸蚀后，渗碳体呈亮白色，若用苦味酸钠溶液浸蚀，则渗碳体能被染成暗黑色或棕红色，而铁素体仍为白色，由此可区别铁素体和渗碳体。
按照成分和形成条件的不同，渗碳体可以呈现不同的形态：
一次渗碳体是直接由液体中析出的，故在白口铸铁中呈粗大的条片状；二次渗碳体是从奥氏体中析出的，往往呈网络状沿奥氏体晶界分布；三次渗碳体是由铁素体中析出的，通常呈不连续薄片状存在于铁素体晶界处，数量极微，可忽略不计。
3．珠光体（P）
是铁素体和渗碳体的机械混合物，在一般退火处理情况下是由铁素体与渗碳体相互混合交替排列形成的层片状组织。
珠光体强度和塑性介于铁素体和渗碳体之间。
经硝酸酒精溶液浸蚀后，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（图1-2）。
在高倍放大时能清楚地看到珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体；当放大倍数较低时，由于显微镜的鉴别能力小于渗碳体片厚度，这时珠光体中的渗碳体就只能看到是一条黑线；当放大倍数更低时，珠光体的片层就不能分辨，而呈黑色。
（a）500×（b）1500×
（c）7000×
图1-2T8钢在不同放大倍数下的显微组织
4．莱氏体（Ld¹）
是在室温时珠光体及二次渗碳体和渗碳体所组成的机械混合物。
含碳量为4.3%的共晶白口铸铁在1147℃时形成由奥氏体和渗碳体组成的共晶体，其中奥氏体冷却时析出二次渗碳体，并在723℃以下分解为珠光体。
莱氏体的显微组织特征是在亮白色的渗碳体基底上相间地分布着暗黑色斑点及细条状的珠光体。
二次渗碳体和共晶渗碳体连在一起，从形态上难以区分。
莱氏体硬度很高，性脆。
（二）各种铁碳合金在室温下的显微组织
表1-1各种铁碳合金在室温下的显微组织
类型
含碳量（％）
显微组织特征
工业纯铁
<0.02
铁素体（等轴晶粒）和少量渗碳体（薄片状），见图1-3。
碳钢
亚共析钢
0.02-0.8
铁素体（块状）和珠光体，见图1-4，1-5。
共析钢
0.8
珠光体，宽条状铁素体与细条状渗碳体相间交替排列。
见图1-2。
过共析钢
0.8-2.06
珠光体和二次渗碳体（网状），见图1-6。
白口铸铁
亚共晶白口铁
2.06-4.3
珠光体（暗黑色椭圆形枝状分布）、莱氏体和二次渗碳体，见图
1-7。
共晶白口铁
4.3
莱氏体（亮白色渗碳体基体上分布着暗黑色粒状珠光体），见图1-8。
过共晶白口铁
4.3-6.69
一次渗碳体（亮白色粗大片条状）分布在莱氏体基体上，见图1-9。
图1-3工业纯铁显微组织（200×）图1-420钢显微组织（200×）
图1-545钢显微组织（200×）图1-6T12钢显微组织（200×）
图1-7亚共晶白口铸铁显微组织（200×）图1-8共晶白口铸铁显微组织（200×）
图1-9过共晶白口铸铁铁显微组织（200×）
四、实验内容及步骤
1．观察铁碳合金显微组织，并注意建立组织与铁碳相图之间的关系。
2．观察时应比较随含碳量的增加，组织的形状、大小和分布的特征。
3．观察组织时可用不同的放大倍数，开始用低倍，然后用高倍。
五、实验报告要求
1．数据记录及处理：
画出表1-2中的显微组织图，并注明合金牌号，材料成分，处理情况，浸蚀剂，放大倍数和组织物名称。
显微组织图画在直径为30mm的圆内，并将组织组成物名称以箭头引出标明。
2．完成思考讨论题：
（1）根据所观察的组织说明含碳量对铁碳合金的组织和性能影响的大致规律。
（2）怎样鉴别碳钢的网状铁素体和碳钢的网状渗碳体。
表1-2几种碳钢和白口铸铁的显微组织
编号
材料
热处理
浸蚀剂
放大倍数
显微组织
显微组织图
1
工业纯铁
退火
4％硝酸酒精溶液
F＋Fe3CⅢ（可忽略）
2
20钢
退火
F+P
3
45钢
退火
F+P
4
T8钢
退火
P
5
T12钢
退火
P+Fe3CⅡ
6
亚共晶白口铁
铸态
Ld′＋P+Fe3CⅡ
7
共晶白口铁
铸态
Ld′
8
过共晶白口铁
铸态
Ld′＋Fe3CⅠ
注：
本实验所示图片均用4％硝酸酒精溶液浸蚀
实验二碳钢的热处理及硬度测试
一、实验目的
1．熟悉基本热处理工艺及操作方法。
2．学会硬度计的使用。
3．了解热处理工艺参数（加热温度、冷却速度）对组织和性能的影响。
二、实验设备及材料
1．箱式电炉及控温仪表；
2．洛氏硬度计；
3．冷却槽；
3．冷却剂：
水，油；
4．试样：
45钢，T12钢；
5．粗砂纸。
三、实验原理及方法
1、碳钢的热处理
钢的热处理是将钢加热到一定的温度，经一定时间的保温，然后以某种速度冷却下来，通过这样的工艺过程能使钢的性能发生改变。
钢的热处理基本工艺方法可分为退火、正火、淬火和回火。
退火通常是把钢加热到临界温度Ac1或Ac3以上，保温一段时间，然后缓慢地随炉冷却。
此时奥氏体在高温区发生分解而得到比较接近平衡状态的组织。
经退火后组织稳定，硬度较低，有利于下一步进行切削加工。
正火则是将钢加热到AC3或Acm以上30-50℃，保温后进行空冷。
由于冷却速度稍快，与退火组织相比，组织中的珠光体相对量较多，且片层较细密，所以性能有所改善。
淬火是将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上30-50℃，保温后放入各种不同的冷却介质中快速冷却，以获得马氏体组织。
碳钢经淬火后的组织由马氏体及一定量的残余奥氏体组成。
回火是将淬火后的工件重新加热到低于相变点的某一温度保温一定时间后冷却，以改善钢的组织和性能的热处理工艺。
2、热处理工艺的选择
任何热处理工艺都包括加热温度、保温时间以及冷却方式三个基本的工艺因素。
加热温度的选择见图2-1、图2-2。
淬火加热温度的控制很重要，对亚共析钢加热温度是Ac3＋（30-50）℃，加热温度不足时，组织中会出现铁素体使淬火后硬度不足。
共析钢和过共析钢正常淬火加热温度是Ac1＋（30-50）℃，加热时有未完全溶解的二次渗碳体，可以提高淬火后的硬度和耐磨性。
如加热温度过高时会因为得到粗大马氏体以及过多的残余奥氏体而使硬度和耐磨性下降、脆性增加。
图2-1退火和正火的加热温度范围图2-2淬火加热温度范围
加热时间实际上是将试样加热到淬火温度所需的时间以及在淬火温度停留所需时间的总和。
加热时间与钢的成分、工件的形状尺寸、所用的加热介质、加热方法等因素有关。
冷却方式直接影响到钢淬火后的组织和性能。
退火时一般采用工件随炉冷却到600-550℃以下再出炉空冷。
正火时放于静止的空气中冷却。
淬火常用的冷却介质为水、油等。
淬火时应使冷却速度大于临界冷却速度，以保证获得马氏体组织；在此前提下又应尽量缓慢冷却，以减小内应力，防止变形和开裂。
可根据C曲线（如图2-3所示）确定冷却速度。
为了保证淬火效果，应选用适当的冷却介质（如水、油等）和冷却方法（如双液淬火、分级淬火等）（图2-4）。
图2-3C曲线上冷却速度的影响图2-4各种淬火冷却曲线示意图
①单液淬火②双液淬火③分级淬火④等温淬火
四、实验内容及步骤
1．每人领取一块试样，并进行分组；按表2-1所列工艺进行分工，每人进行一种热处理工艺的操作；
2．将试样分别放入830℃和760℃的炉内加热（炉温预先由实验老师升好），保温15-20分钟；
3．取出试样分别进行水冷、油冷和空冷的热处理操作；
4．试样冷却到室温后，用砂纸磨去两端面氧化皮；
5．测试硬度（HRC），每个试样测三点，取平均值。
并记下原始数据；
注意事项：
1．同组学生应分工合作，数据共享。
2．取放试样时炉子要切断电源，操作者应戴上手套。
3．淬火时，试样用钳子夹好，出炉，迅速放入冷却槽，并不断在水中或油中搅动，以充分冷却。
表2-1实验数据记录表
序号
钢号
热处理工艺
硬度值HRC
加热温度℃
冷却方式
1
2
3
平均
1
45钢
830
空冷
2
油冷
3
水冷
4
760
水冷
5
T12钢
760
空冷
6
油冷
7
水冷
8
830
水冷
5、实验报告要求
1．数据记录及处理：
（1）每一大组进行数据共享，完成表2-1；
（2）将每种材料的硬度与冷却速度的关系画在图上。
2．完成思考讨论题：
（1）分析含碳量、加热温度、冷却速度对硬度和组织的影响。
（2）分析实验数据误差的原因。
实验三碳钢热处理后的组织观察及合金钢、铸铁的组织观察
一、实验目的
1.了解碳钢成分、组织和性能的特点以及它们的主要应用。
2.了解合金钢成分、组织和性能的特点以及它们的主要应用。
3.了解铸铁的成分、组织和性能的特点以及它们的主要应用。
二、实验设备及材料
1．金相显微镜；
2．碳钢、合金钢、铸铁试样一套；
3.金相图谱。
三、实验原理及方法
（一）碳钢热处理后的显微组织分析
钢的组织决定了钢的性能，在化学成分相同的条件下，改变钢的组织主要是通过热处理工艺来控制钢的加热和冷却过程，从而获得我们所希望的组织和性能。
钢加热到临界温度以上，获得均匀的奥氏体组织，然后以很缓慢的速度冷却，所获得的组织称为平衡组织；如果快速冷却所获得的组织为非平衡组织。
1、钢的退火组织
完全退火热处理工艺主要适用于亚共析钢，经完全退火后钢的组织接近于平衡状态的组织。
过共析钢一般采用球化退火热处理工艺，T12钢经球化退火后的组织如图4-1。
组织中的二次渗碳体和珠光体中的渗碳体都呈球状或粒状。
图4-1T12球化退火组织（400×）
2、钢的正火组织
由于正火的冷却速度大于退火的冷却速度，因此，在相同碳的质量分数的情况下，正火后得到的金相组织一般要比退火后的组织要细，珠光体的相对含量也比退火组织中相对要多。
45钢正火后的金相组织：
铁素体＋珠光体，T12钢正火后的组织：
珠光体＋渗碳体。
3、钢的淬火组织
不同成分的钢在不同的加热、保温和冷却条件下会得到不同的淬火组织，典型的淬火组织有如下几种：
（1）贝氏体
贝氏体分上贝氏体和下贝氏体，上贝氏体由平行排列的板条铁素体和沿其边界分布的细条状渗碳体所组成，形态像羽毛；下贝氏体是铁素体呈针片状并互成一定角度，在铁素体的针片上分布着碳化物短针，呈黑色针片状。
（2）马氏体
板条状马氏体：
其金相组织形态是尺寸大致相同的细马氏体条定向平行排列；组成马氏体群，通常在一个奥氏体晶粒中可以形成几个不同取向（图4-2）。
片状马氏体（或针状马氏体）：
其金相组织形态是相互成一定角度，马氏体针成灰白色，分布在奥氏体基体上（图4-3）。
板条马氏体与针状马氏体的混和组织，见图4-4。
图4-220钢正常淬火组织（400×）图4-3T12钢淬火组织（400×）
图4-445钢正常淬火组织（400×）
4、钢淬火回火后的组织
（1）回火马氏体：
其组织仍具有马氏体针状特征，经浸蚀后颜色比淬火马氏体要深。
在光学显微镜下观察成黑色针状，呈无规则分布（图4-5）。
（2）回火屈氏体：
铁素体仍然保持着原来马氏体的针片状形态特征，渗碳体由于颗粒很小，无法分辨。
（3）回火索氏体：
原马氏体针状形态已经消失，其组织特征为等轴状铁素体基体上分布着粗粒状渗碳体（图4-6）。
图4-5T12钢淬火＋低温回火后的组织（400×）图4-645钢淬火＋高温回火后的组织（400×）
（二）常用合金钢的显微组织
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、特殊碳化物）及金属间化合物等。
其中合金铁素体与合金渗碳体及大部分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，而金属间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线和孪晶特征。
1．高速钢
高速钢是高合金工具钢，以具有良好的热硬性著称，这里以W18Cr4V钢为例进行分析。
由于W18Cr4V钢中存在大量的合金元素，因此除了形成合金铁素体与合金渗碳体，还会形成各种合金碳化物。
（1）高速钢的铸态组织：
按组织特点分，高速钢属莱氏体钢，在一般铸造条件下存在以具有鱼骨状碳化物特征的共晶莱氏体组织。
图4-7所示为W18Cr4V钢的铸态组织。
除共晶莱氏体外还有部分呈暗黑色的δ共析组织和少量马氏体（呈亮白色部分）。
（2）高速钢的退火组织：
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，高速钢铸造后必须锻造、退火，以改善碳化物的分布状况。
图4-8所示为W18Cr4V钢经锻造及退火后的显微组织，组织中呈亮白色较大块状为一次碳化物，较细小块状为二次碳化物，基体组织是索氏体。
图4-7W18Cr4V钢铸造状态的组织（500×）图4-8W18Cr4V钢经锻造退火后的组织（600×）
（3）高速钢淬火及回火后的组织：
高速钢优良的热硬性及高的耐蚀性，只有经淬火及回火后才能获得。
W18Cr4V钢通常采用较高的淬火温度（1270-1280℃），以保证奥氏体充分合金化，淬火时可在油中或空气中冷却。
图4-9为W18Cr4V钢经淬火后的显微组织，其组织为在马氏体及残余奥氏体的基体上分布有一次碳化物的颗粒。
高速钢经淬火后组织中存在相当数量的残余奥氏体，需经560℃回火4-3次加以消除。
回火时从马氏体和部分残余奥氏体中析出高度分散的碳化物，降低了残余奥氏体中碳和合金元素的含量，使其稳定性降低，在冷却过程中这些奥氏体就会转变呈马氏体。
图4-10所示为W18Cr4V钢经淬火及560℃回火后的显微组织，其中亮白色块状的为合金碳化物，暗黑色基底是回火马氏体和少量残余奥氏体。
图4-9W18Cr4V钢经淬火后的显微组织（500×）图4-10W18Cr4V钢回火后的显微组织（500×）
（三）铸铁
根据石墨的形态、大小和分布情况，铸铁分为：
灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁。
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，铁素体-珠光体灰口铸铁和珠光体灰口铸铁。
图4-11所示为铁素体灰口铸铁的显微组织，石墨呈黑灰色条状分布在亮白色的铁素体基体上。
图4-12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。
图4-13所示为珠光体灰口铸铁的显微组织，在浅黑色细片状珠光体基体上分布着片状石墨。
图4-11铁素体灰口铸铁的显微组织（200×）图4-12铁素体-珠光体灰口铸铁的显微组织（200×）
图4-13珠光体灰口铸铁的显微组织（200×）图4-14为铁素体可锻铸铁的显微组织（200×）
2．可锻铸铁
可锻铸铁又称展性铸铁，由白口铸铁经石墨化退火处理而得，其中渗碳体发生分解，形成团絮状石墨，因而显著减弱了对基体的割裂作用，使铸铁的机械性能比普通灰口铸铁有明显提高。
图4-14为铁素体可锻铸铁的显微组织，其中亮白色晶粒为铁素体基体，黑灰色团絮状为石墨。
图4-15铁素体球墨铸铁的显微组织（100×）
3．球墨铸铁
图4-16铁素体-珠光体球墨铸铁的显微组织（100×）图4-24珠光体球墨铸铁的显微组织（200×）
球墨铸铁组织中石墨呈圆球状。
球状石墨的存在使铸铁内部的应力集中现象得到改善，同时减轻了对基体的割裂作用，从而充分地发挥了基体性能的潜力，使球墨铸铁获得很高的强度和一定的韧性。
图4-22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，黑灰色圆球状为石墨。
图4-23为铁素体-珠光体基体球墨铸铁的显微组织，其中呈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4-24为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，黑灰色圆球状为石墨。
四、实验内容及步骤
1．观察表4-1所列试样的显微组织，用语言描述试样的组织特征。
表4-1常用材料显微组织观察表
序号
试样号
种类
材料名称
处理状态
浸蚀剂
显微组织
组织特征
1
碳钢非平衡组织
20钢
淬火
4％硝酸酒精溶液
M＋A’
2
45钢
淬火
M＋A’
3
45钢
淬火＋高温回火
回S
4
T12
球化退火
F+粒状Fe3C
5
T12
淬火
M＋A’
6
T12
淬火＋低温回火
回M＋A’
7
合金钢
W18Cr4V
铸态
Ld+T+M+A
8
W18Cr4V
退火
S＋碳化物
9
W18Cr4V
淬火
M＋A’＋碳化物
10
W18Cr4V
淬火＋回火
回M＋碳化物
11
铸铁
铁素体HT
铸态
F＋G条
12
铁素体珠光体HT
铸态
F＋P＋G条
13
珠光体HT
铸态
P＋G条
14
铁素体KT
可锻化退火
F＋G团絮
15
铁素体QT
铸态
F＋G球
16
铁素体珠光体QT
铸态
Ｔ＋P＋G球
17
珠光体ＱＴ
铸态
F＋G球
5、实验报告要求
1.完成表4-1。
2.完成思考讨论题：
（1）合金钢与碳钢比较，组织上有什么不同，性能上有什么差别，使用上有什么优越性？
（2）分析说明铸铁不同的基体组织和石墨形状对铸铁性能的影响。
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