工程材料实验指导书.docx

1、工程材料实验指导书工程材料与成型技术基础实 验 指 导 书郑丽璇 主编 西南科技大学制造科学与工程学院2006年11月实 验 须 知 1. 实验不得无故缺席，否则取消期未考试资格； 2. 实验前认真做好预习，明确实验目的和原理，了解实验内容和步骤，以及注意事项； 3. 实验过程中必须服从指导教师的指导，严格遵守安全及设备操作规章制度； 4. 损坏设备、仪器根据情节轻重按学校规定进行全部或部分赔偿； 5. 在实验过程中认真记录好实验数据，实验完毕后，实验数据及结果经指导教师认可并签字后方能离开实验室； 6.，交实验报告时同时还必须附上实验相关的实验数据及分析结果； 7. 实验一至实验五实验时间在

2、相应教学内容结束后统一安排，实验报告在所有实验结束后统一交； 8. 实验部分成绩占期末总成绩的20%，即20分；目 录实验一 铁碳合金平衡组织的观察与分析实验(4)实验二 有色金属及铸铁金相组织观察与分析实验 (10)附录附录一(15)实验一 铁碳合金平衡组织的观察与分析实验一、实验目的1. 了解金相样品的制备及腐蚀过程；2. 了解金相显微镜的构造、成像原理，学习金相显微镜的使用方法；3. 了解铁碳合金在平衡状态下高温到室温的组织转变过程；4. 分析铁碳合金平衡状态室温下的组织形貌；5. 加深对铁碳合金的成分、组织和性能之间关系的理解。6. 画出常用铁碳合金的组织形貌。二、实验仪器和设备1.

3、光学显微镜 一台2. 金相试样 若干三、实验简介铁碳合金现代工业中使用最广泛的钢铁材料都属于铁碳合金的范畴。普通碳钢和铸铁是铁碳合金，合金钢和合金铸铁实际上是加入合金元素的铁碳合金。因此，为了认识铁碳合金的本质并了解铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系，以便在生产中合理地使用，首先必须了解铁碳合金的相图一、相图的分析图1是FeFe3C相图。相图中各点的温度、含碳量及其含义见表1。二、相图的分析图1是FeFe3C系相图表1 FeFe3C相图中的特性点铁碳合金相图主要由包晶、共晶、共析三个基本转变所组成，现分别说明如下：1包晶转变发生于1495(水平线HJB)，其反应式为：L0.53C十0.09C

4、 A0.17C包晶转变是在恒温下进行的，其产物是奥氏体。凡含碳0.090.53的铁碳合金结晶时均将发生包晶转变。2共晶转变发生于1148(水平线ECF)，其反应式如下： L4.30C A2.11C十Fe3C共晶转变同样是在恒温下进行的。共晶反应的产物是奥氏体和渗碳体的共晶混合物，称为莱氏体，用字母Ld表示。凡含碳量大于2.11的铁碳合金冷却至1148时，将发生共晶转变，从而形成莱氏体。3在727(水平线PSK)发生共析转变。其转变式如下： A0.77C F0.0218C十Fe3C共析转变也是在恒温下进行的。反应产物是铁素体与渗碳体的共析混合物，称为珠光体，用字母P代表。共析温度以A1表示。凡含

5、碳量大于0.0218的铁碳合金冷却至727时，其中的奥氏体必将发生共析转变。 此外，在铁碳合金相图中还有三条重要的特性线。它们是ES线、PQ线和GS线。ES线是碳在奥氏体中的固溶线。随温度变化，奥氏体的溶碳量将沿ES线变化。含碳量大于0.77的铁碳合金，自1148冷至727的过程中，必将从奥氏体中析出渗碳体。为区别自液相中析出的渗碳体，通常把从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体(Fe3C)。ES线称为Acm线。PQ线是碳在铁素体中的固溶线。铁碳合金由727冷却至室温时，将从铁素体中析出渗碳体。这种渗碳体称为三次渗碳体(Fe3C)。对于工业纯铁及低碳钢，由于三次渗碳体沿晶界析出，使其塑性、韧性下

6、降，因而要重视三次渗碳体的存在与分布。在含碳量较高的铁碳合金中，三次渗碳体可忽略不计。GS线称为A3线。它是冷却过程中，由奥氏体中析出铁素体的开始线。或者说是在加热时，铁素体完全溶入奥氏体的终了线。三、铁碳合金的平衡结晶过程分折1.含碳为0.01的工业纯铁该合金在相图上的位置见图2-(1)。液态合金在12点温度之间，按匀晶转变结晶出单相固溶体。冷却到3点时，开始向A转变。这一转变于4点结束，合金全部转变为单相奥氏体(A)。奥氏体冷到5点时，开始形成铁素体(F)。冷到6点时,合金成为单相的铁素体。铁素体冷到7点时，碳在铁素体中的溶解量呈饱和状态。因而自7点继续降温时，将自铁素体中析出的Fe3C，

7、它一般沿铁素体晶界呈片状分布。工业纯铁缓冷到室温后的显微组织如图3所示。图2 典型铁碳合金在FeFe3C相图中的位置 图3 纯铁的显微组织(200)2共析钢共析钢在相图上的位置见图2-(2)。共析钢在温度12之间按匀晶转变形成奥氏体。奥氏体冷至727(3点)时，将发生共析转变，即AsP(Fp十Fe3C)形成珠光体。珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。当温度由727继续下降时，铁素体沿固溶线PQ改变成分，析出Fe3C。Fe3C常与共析渗碳体连在起，不易分辨，且数量极少，可忽略不计。图4是共析钢的显微组织(珠光体)。 图4 共析钢的显微组织图(400) 图5 亚共析钢的显微组织图3亚共析钢以含碳量为0

8、.45的合金为例来进行分析，见图2中合金成分(3)。在1点以上合全为液体。温度降至1点以后，开始从液体中析出固溶体，12点间为L十。HJB为包晶线，故在2点发生包晶转变，形成奥氏体(A)，即LB十HAJ。包晶转变结束后，除奥氏体外还有过剩的液体。温度继续下降时，在23点之间从液体中继续结晶出奥氏体，奥氏体的浓度沿JE线变化。到3点后合金全部凝固成单相奥氏体。温度由3点降至4点时，是奥氏体的单相冷却过程，没有相和组织变化。继续冷却至45点时，由奥氏体结晶出铁素体。在此过程中，奥氏体成分沿GS线变化，铁素体成分沿GP线变化。当温度降到727，同时奥氏体的成分达到S点(0.77)则发生共析转变，即A

9、sP(Fp十Fe3C)，形成珠光体。此时原先析出的铁素体保持不变。所以共析转变后，合金的组织为铁素体和珠光体。当继续冷却时，铁素体的含碳量沿PQ线下降，同时析出三次渗碳体。同样，三次渗碳体的量极少，一般可忽略不计。因此，含碳量为0.45的铁碳合金，其室温组织是由铁素体和珠光体组成。它的显微组织如图5所示。所有亚共析钢的室温组织都是由铁素体和珠光体组成。其差别仅在于珠光体(P)与铁素体(F)的相对量不同。含碳量越高，则珠光体越多，铁素体越少，相对量可用杠杆定律计算。4过共析钢以含碳量为1.2的合金为例，该合金在相图上的位置见图2-(4)，合金在12点之间按匀晶过程转变为单相奥氏体组织。在23点之

10、间为单相奥氏体的冷却过程。自3点开始，由于奥氏体的溶碳能力降低，从奥氏体中析出Fe3C，并沿奥氏体晶界呈网状分布。温度在34之间，随着温度的降低，析出的二次渗碳体量不断增多。与此同时，奥氏体的含碳量也逐渐沿ES线降低。当冷到727(4点)时，奥氏体的成分达到S点，于是发生共析转变。AsP(Fp十Fe3C)，形成珠光体。4点以下直到室温，合金组织变化不大。因此常温下过共析钢的显微组织由珠光体和网状二次渗碳体所组成。如图6所示。图6 过共析钢的显微组织图 可用同样的方法分析共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁及过共晶白口铸铁的结晶过程。它们的常温组织分别为变态莱氏体(图7)；珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体

11、(图8)；一次渗碳体和变态莱氏体(图9)。图7 共晶白口铸铁 图8 亚共晶白口铸铁 图9 过共晶白口铸铁 显微组织图 显微组织图 显微组织图四、实验步骤及内容1. 观察表2中试样的显微组织表2 Fe-C合金平衡组织观察试样状态序号材料热处理状态放大倍数浸蚀剂组织及特征1工业纯铁退火4003%硝酸酒精F白色等轴晶为F晶粒，黑色网络为晶粒之间的边界，即晶界。晶界原子排列不规则，自由能高，易浸蚀，形成凹槽，故呈黑色。其上有黑色小点的氧化物。220#退火4003%硝酸酒精F+P。白色晶粒为F，黑色块状为片状P。放大倍数低，P的层片结构未显示出来。20钢含碳量低，F占76%，P占24%，所以显示出了黑色

12、网络的F晶界。345#退火4003%硝酸酒精F+P。白色晶粒为F，黑色块状为片状P。P的层片结构，亦未明显显示。465#退火4003%硝酸酒精F+P。白色基体为片状P。白色呈网络状分布的为F。P片层结构亦未明显显示。65钢含碳量接近共析成分，基体组织中的P明显增加，已达84%，F量相应减少。F仅为16%。5T8退火4003%硝酸酒精片状P。P是F与Fe3C相同排列的机械混合物。F为白色，Fe3C为黑色，两者呈片状相间排列，形如指纹。它是高温A进行共析反应的产物。有的试样含碳量偏下限，会有少量的F出现。当物镜的鉴别能力小于Fe3C片层厚度，Fe3C呈黑色片条状。当物镜的鉴别能力大于Fe3C片层厚

13、度，则白色Fe3C条片会明显显示出来。6T12退火4003%硝酸酒精P+Fe3CII。黑白相间的层片状基体为P。晶界上的白色网络为Fe3CII。T12为过共析钢，共析反应前，Fe3CII首先沿A晶界呈网络状析出。嗣后，随着温度的下降到共析温度，发生共析反应，剩余A全部转变为片条状P。网状Fe3CII可采用正火处理清除。7T12退火200碱性苦味酸钠溶液P+Fe3CII，Fe3CII为黑色网络状，余为P，片状P为显示。8亚共晶白口铸铁退火2003%硝酸酒精P+Fe3CII+Ld。斑点状基体为共晶Ld，黑色枝晶为P，系初生A转变产物，故成大块黑色。Fe3CII与Ld中的Fe3C连成一片，均成白色，

14、不能分辨。它随着生铁中含碳量增加，P量减少，Ld增多。 9共晶白口铸铁退火3%硝酸酒精共晶Ld是由P+Fe3CII+Fe3C组成。P由共晶A进行共析转变而来，组织细小，成圆粒及长条分布在渗碳体基体上，为黑色。Fe3CII共晶Fe3C均为白色，连成一起，无法分辨。其P与Fe3C的相对含量为：Fe3C 60%，P40%。10过共晶白口铸铁退火3%硝酸酒精Fe3CI+Ld。由于Fe3CI首先结晶出来，结晶过程中不断成长，故呈白亮色粗大的板条状，而Ld认为黑白相间的斑点状。2. 掌握工业纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢、亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁的平衡结晶过程。3. 掌握铁素体、珠光

15、体、渗碳体、莱氏体组织的相组成、组织特征、性能特点以及成分范围。五、实验报告1. 及时编写实验报告书。2. 了解金相样品的制备过程，学习金相显微镜的使用方法，观察表1中样品的显微组织。六、实验要求：1. 携带铅笔（2B、1H各一支）和橡皮擦等在实验室中做实验。2. 用铅笔画表2中16样品的显微组织；每一种样品都各画在一个30mm的圆内，并用箭头标出图中各相组织（用符号表示），在圆的下方标注材料名称，热处理状态，放大倍数和浸蚀剂等。3. 估计20钢、45钢中P和F的相对量（即估计所观察视场中P和F各自所占的面积百分比），并应用Fe-Fe3C相图从理论上计算这两种材料的P和F组织相对量，与实验估计

16、值进行比较。七、讨论内容1. 杠杆原理的理论和实验意义是什么？2. Fe-C合金平衡组织中，渗碳体可能有几种存在方式和组织形态？试分析它对性能有什么影响？3. 铁碳合金的C%与平衡组织中的P和F组织组成物的相对数量的关系是什么？4. 珠光体P组织在低倍观察和高倍观察时有何不同？为什么？ （请将讨论内容和金相组织画到相应实验报告中）实验二 有色金属及铸铁金相组织观察与分析实验一、实验目的1. 了解Al合金变质与未变质的组织形态；2. 了解铜合金及铸铝的显微组织；3. 从组成物和形态上区别白口铸铁与灰口铸铁；4. 掌握灰口铸铁、可锻铸铁及球墨铸铁中石墨形态的特征；5. 掌握铸铁的三种不同基体；6.

17、 了解轴承合金的显微组织。二、实验仪器和设备1. 光学显微镜 一台2. 金相试样 若干三、实验简介铝及铝合金一)、纯铝铝是目前工业中用量最大的有色金属。铝的相对密度小，仅为2.7，大约是铜或铁的三分之一，熔点为660C，在冷却过程中无同素异构转变；铝的导电、导热性好，仅次于银、铜、和金；其价格较低，资源丰富；铝在空气中有良好的抗蚀性，由于铝与氧亲合力强，在大气中铝极易在表面形成层致密的A1203膜，阻止铝的进步氧化；铝具有面心立方晶格，强度低，塑性好，可以进行各种压力加工，具有良好的加工性能和焊接性能。影响纯铝性能的主要因素是其所含的杂质，随着Fe、Si、Cu、Zn等杂质含量的增加，纯铝的性能

18、将下降。工业纯铝的牌号有L1、L2、.、L7。“L”是铝字的汉语拼音字首，后面的数字表示纯度，数字越大，则纯度越低。高纯铝的牌号以LG1、LG2、表示。其数字愈大，纯度愈高。二)、铝合金的分类纯铝的强度很低，无法作为承受载荷的结构材料使用。所以，通常在铝中加入“定量的其它元素以制成具有较高强度的铝合金。铝合金的分类可根据其成分和工艺特点分为形变铝合金和铸造铝合金的两大类。图1为铝合金状态图的一般类型，图中成分在D点左边的铝合金没有共晶体，并且在加热到DF线以上时，能形成单相的、塑性好的固溶体、易于压力加工，因而称为形变铝合金。形变铝合金又可分为两类：成分小于F点的合金称为不能热处理强化铝合金，

19、因为其固溶体的成分不随温度的变化而变化；而成分在F与D点之间的合金称为可热处理强化铝合金，因其成分随温度的变化而改变，可利用固溶时效的热处理方式强化。成在D点以右的合金。其组织中有不同程度的低熔点共晶体，流动性好、塑性相对较差，适于铸造，故称为铸造铝合金。图1 铝合金状态图的一般类型1.形变铝合金根据主要的性能特点和用途，形变铝合金又可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻造铝合金。硬铝合金的代号“LY”，是“硬铝”的汉语拼音字首。硬铝合金可通过适当的时效强化，但固溶处理的加热温度范围很窄。例如LY12的处理温度是在490503C，若低于此温度范围，合金元素溶入量小，降低时效强化效果。若超过

20、此温度范围，则将易产生过烧现象。2.铸造铝合金铸造铝合金应具有良好的铸造性能，其成分接近共晶点。为了提高其综和力学性能，常采用变质处理和固溶热处理。铸造铝合金的代号为“ZL”，是“铸铝”的汉语拼音字首，常用的铸造铝合金可分为ALSi系、ALCu系、ALMg系和ALZn系四大类，其中应用最为广的是ALSi系合金。铝硅铸造铝合金又称为硅铝明。其相图如图2所示。ZL102是简单的铝合金，含铝为1113。由相图可知，经铸造后的组织几乎都是由粗大针状硅晶体和固溶体组成的共晶体(+Si)，如图3所示。这种合金流动性好、熔点低、热裂倾向小，但共晶体中粗针状的硅晶体显著降 低了合金的力学性能。因此，在生产中常

21、采用变质 图2 ALSi合金相图 处理来改变硅晶体的形态，以提高合金的力学性能。常在浇注前向合金溶液中加入2/3NaF和1/3NaCl的混合物进行变质处理，加入量为合金重量的23，使共晶体由粗针状变成细小点状。如图4所小。从而使合金的力学性能得到显著的提高。图3 ZL102合金(变质前)的铸态组织(400) 图4 ZL102 合金(变质后)的铸态组织(400)铸 铁一、铸铁的石墨化铸铁的石墨化就是铸铁中碳原子析出和形成石墨的过程。一般认为石墨既可以由液体铁水中析出，也可以由奥氏体中析出。还可以由渗碳体分解得到。1FeFe3C和FeC双重相图生产实践和科学实验指出，渗碳体是一个亚稳定的相，石墨才

22、是稳定相。由此描述铁碳合金组织转变的相图实际上有二个，一个是FeFe3C系相图，另一个是FeC系相图。把两者叠合在一起，就得到个双重相图，如图4.5所示。图中实线表示FeFe3C系相图，部分实线再加上虚线表示FeC系相图。显然，按FeFe3C系相图进行结晶，就得到白口铸铁；按FeC系相图进行结晶，就析出和形成石墨，即发生石墨化过程。2铸铁冷却和加热时的石墨化过程按FeC系相图进行结晶，铸铁冷却时的石墨化过程应包括：从液体中析出一次石墨，由共晶反应而生成的共晶石墨；由奥氏体中析出二次石墨；由共析反应而生成的共析石墨。铸铁加热时的石墨化过程：亚稳定的渗碳体，当在比较高的温度下长时间加热时，会发生分

23、解，产生石墨化，即 Fe3C 3Fe十C加热温度越高，分解速度相对就越快。无论是冷却时的石墨化过程或是加热时的石墨化过程，凡是发生在PSK线(温度)以上，统称为第阶段石墨化；凡是发生在PSK线(温度)以下统称为第二阶段石墨化。3影响铸铁石墨化的因素1)化学成分的影响 图5 FeFe3C和FeC双重相图 碳、硅、锰、硫、磷对石墨化有不同的影响。其中碳、硅、磷是促进石墨化的元素，锰和硫是阻碍石墨化的元素。在生产实际中，碳、硅的含量过低，铸铁易出现白口，力学性能与铸造性能都较差；碳、硅的含量过高，铸铁中石墨数量多且粗大，基体内铁素体量多，力学性能下降。2)冷却速度的影响铸件冷却速度越缓慢，即过冷度较

24、小时，越有利于按照FeC相图进行结晶和转变，越有利于石墨化过程充分进行。当铸件冷却速度较快时，即过冷度增大时，原子扩散能力减弱，越有利于按照FeFe3C系相图进行结晶和转变，不利于石墨化的进行。二、常用铸铁根据碳在铸铁中存在的形式及石墨的形态，可将铸铁分为灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁等。灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁中的石墨都是自液体铁水在结晶过程中获得的，而可锻铸铁中的石墨则是由白口铸铁通过在加热过程中的石墨化获得的，1灰铸铁主要以片状石墨形式出现的铸铁，断口呈灰色称为灰铸铁。它的成分大致范围为：2.54.0C，1.03.0Si，0.251.0Mn，0.020.20S，0.050.50P

25、。具有上述成分范围的铁水，在进行缓慢冷印凝固时，将发生石墨化，析出片状石墨化。1)组织特征灰铸铁的组织是由片状石墨和钢的基体两部分组成的。在光学金相显微镜下观察，石墨呈片状，或直或弯。钢基体则可分为铁素体、铁素体十珠光体、珠光体三种。其组织形貌如图6所示。经孕育处理的灰铸铁，由于在结晶时，石墨晶核数目多，石墨片变细，故其显微组织是在细珠光体基体上分布着细小片状石墨。2)性能特点灰铸铁的性能与普通碳钢相比，具有如下特点：(1)力学性能低由于石墨的力学性能很低(b20MPa，35HBS，0) 因此灰铸铁的显微组织实际上相当于布满孔洞或裂纹的钢。在拉伸时，由于片状石墨对钢基体的分割作用和所引起的应力

26、集中效应，故其抗拉强度值远低于钢。(2)耐磨性与消震性好由于铸铁中的石墨有利于润滑及贮油，故耐磨性好。又由于石墨组织比较松软，能吸收振动，使灰铸铁具有良好的消震性。(3)工艺性能好由于灰铸铁含碳量高，接近于共晶成分，故熔点比钢低，因而铸造流动性好。另外，由于石墨使切削加工时易于形成断屑，故灰铸铁的可切削加工性优于钢。a) 铁素体灰铸铁 b) 铁素体十珠光体灰铸铁 c) 珠光体灰铸铁图6 灰铸铁的显微组织 (500) 2.球墨铸铁铁液经过球化处理而不是在凝固后经过热处理使石墨大部分或全部呈球状，有时少量为团絮状的铸铁称为球墨铸铁。常用的球化剂是纯镁和稀土镁合金。常用的孕育剂是硅铁和硅钙合金。球墨

27、铸铁的化学成分大致如下： C3.63.9，Si2.02.8、Mn 0.60.8、S0.07、P0.1。球墨铸铁牌号的表示方法是用“QT”代号及其后面的两组数字组成。“QT”为“球铁”二字的汉语拼音字首，第一组数字代表最低抗拉强度值，第二组数字代表最低伸长率值。1)组织特征a)铁素体球墨铸铁(400) b)铁素体十珠光体球墨铸铁(400) c)珠光体球墨铸铁(500)图7 球墨铸铁的显微组织球墨铸铁的显微组织由球状石墨和金属基体两部分组成。随着成分和冷却速度的不同球墨铸铁在铸态下的金属基体可分为铁素休、铁素体十珠光休、珠光体三钟。其组织形貌如图7所示。在光学金相显微镜下观察，石墨的外观接近于球形

28、。2)性能特点与灰铸铁相比，球墨铸铁具有较高的抗拉强度和弯曲疲劳强度，也具有良好的塑件及韧性。这是由于球形石墨对金属基体的割裂作用较小，使得基体比较连续，且在拉伸时引起应力集中的效应明显减弱，从而使基体强度的利用率可以从灰铸铁的3050提高到7090。另外，球墨铸铁的刚性也较灰铸铁好，但球墨铸铁的消震能力比灰铸铁低很多。四、实验步骤及内容 观察表1、2中所列金相样品的显微组织。表1 铸铁显微组织观察样品状态序号材料处理工艺浸蚀剂放大倍数组织特征42灰口铸铁铸态不浸蚀400片状石墨46灰口铸铁退火3%HNO3酒精400F+片状G47灰口铸铁铸态3%HNO3酒精400F+P+片状G片48灰口铸铁正

29、火3%HNO3酒精400P+片状G片44球墨铸铁铸态不浸蚀400G球51球墨铸铁退火3%HNO3酒精400F+球状G52球墨铸铁铸态3%HNO3酒精400F+P+球状G53球墨铸铁正火3%HNO3酒精400P+球状G表2 有色金属显微组织观察样品状态序号材料处理工艺浸蚀剂放大倍数组织特征55Zl102铸态、未变质0.5%HF水溶液200铸态。未变质的铝硅合金。浅灰色粗大的针状硅晶体与白色固溶体组成共晶组织+少量的浅灰色多边形的初晶硅晶粒。56Zl102铸态、变质0.5%HF水溶液200已变质的铝硅合金。白色枝晶状组织为初生固溶体，其余为灰黑色细粒状硅与白色固溶体组成的共晶组织。57LY12铸态0.5%HF水溶液200硬铝的铸造组织。白色为(AL)基体与深黑色的(AL)+相（CuAL2）+S相（AL2CuMg）三元共晶及 (AL)+相（CuAL2）二元共晶。三元、二元共晶均呈网络分布，难于分辨。58LY12时效板材0.5%HF水溶液200硬铝的时效组织。白色(AL)基体上分布黑色相（CuAL2）及S相（AL2CuMg）强化相质点。因沿板材纵相取样，故强化相质点沿纵相分布。有的试样未作纵相样品，强化相质点在断面弥散分布。60H62退火3%FeCl3+10%HCl水溶液200双相黄铜