金属材料学实验指导书

金属材料学实验指导书工程材料实验教学中心河南科技大学材料科学与工程学院学生实验守则1、实验前，必须仔细阅读实验指导书，熟悉实验目的、原理、方法和要求。2、到实验室后，必须严格遵守实验室的制度和纪律，遵守各项操作规程。3、实验时，应集中注意力，认真做好实验。注意培养自己实事求是的科学态度，如实记录实验数据。4、必须尊重指导教师的指导，注意人身安全，爱护仪器设备。如发生事故，应立即向指导老师报告。5、爱护公共财物，除本实验所用的仪器外，不得动用其它设备。6、实验完毕后，必须将实验现场及仪器设备整理干净，恢复原状。在实验记录送交指导老师检查签字后，经指导老师同意，方可离开实验室。7、试验目的和要求，认真仔细分析实验数据，完成实验报告，并在规定时间内送交指导老师批改。目录实验一高速钢及其显微组织分析.错误!未定义书签。实验二铸铁及其显微组织分析.6实验三有色金属及其显微组织分析.10实验一高速钢及其显微组织分析一、实验目的:观察及分析高速钢在铸态及正常热处理、过热、过烧等状态下的显微组织和缺陷，供分析高速钢及其热处理做参考。二、内容说明:Fe-18%W-4%Cr-C系C1M6C，C2-Fe3C631、高速钢的铸态组织：高速钢因含有大量合金元素，虽然含碳量只有0.70.8%,已属莱氏体钢，其结晶过程及铸造组织很复杂。W18Cr4V高速钢状态图可用图1近似表示。当W18Cr4V钢平衡凝固时，发生下列反应：开始结晶时析出8（高温a）固溶体；冷到1400C发生L+8y的包晶反应；在1345C附近很窄的温度范围进行L+8y+M6C的包晶反应，M6C指Fe3W3C类的复杂碳化物，当冷速快，扩散不够充分，包晶反应来不及进行，发生8fY+M6C的反应，称8共析反应。在13301300C之间发生Ly+M6C的共晶反应，一直到完全凝固，形成由奥氏体和碳化物组成的共晶莱氏体，其中碳化物呈鱼骨状，骨骼之间为Y相。凝固后继续冷却时，由奥氏体中析出合金碳化物，在870800C之间发生L+M6Ca的包析反应，冷到800C左右发生共析反应Yfa+M6C+Fe3C。实际上W18Cr4V钢在共晶结晶时还出现VC,并在随后冷却时，由奥氏体中析出VC和M23C6型碳化物，在低温下未发现Fe3c存在。在实际铸锭凝固时，冷却速度大于平衡冷却，其包晶反应不能进行完毕，仍有部分8(高温a)相被保留下来，在继续冷却时发生共析分解6-y+M6C，随后Y相再发生共析反应。这种转变产物金相形态呈黑色，称为黑色组织”。Y相的共析反应也可能被抑制而过冷到低温，转变为马氏体和残余奥氏体，形成“白亮组织”。2、高速钢的锻造和退火：综上分析，可知高速钢的铸态组织十分复杂且不均匀，由于铸态组织中存在粗大、很脆、硬度约为HV9001000鱼骨状共晶碳化物，严重割裂了基体，必须经过锻轧将其破碎，使其尽可能成为均匀分布的颗粒状碳化物。高速钢锻造时应镦粗拔长反复多次，锻后其硬度较高(HRC3540),不便于切削加工，应进行退火。高速钢的Ac1在820860C范围，故退火温度为870880C，保温23小时，大部分合金碳化物未溶入奥氏体，此时奥氏体中合金元素含量不多，冷却时易转变成粒状珠光体和剩余碳化物。退火后W18Cr4V钢的硬度约为HB207255，碳化物体积百分数约为30%，其中M6C为1619%,M23C6为9%,MC为1.52。3、高速钢的正常淬火及三次回火后的组织：正常淬火组织：高速钢的优越性只有在正确的淬火和回火之后才能发挥出来其淬火温度较一般合金工具钢要高得多。因为温度越高，合金元素溶入奥氏体的数量越多，淬火之后马氏体的合金度亦越高。只有合金度高的马氏体才有高的红硬性。对高速钢红硬性作用最大的合金元素W(Mo)及V只有在1000C以上时,其溶解量才急速增加。温度超过1300C时，各元素的溶解量虽还有增加，但奥氏体晶粒急剧长大，甚至在晶界处发生溶化现象。因而，淬火钢的韧性大大下降。所以，在不发生过热的前提下，高速钢的淬火温度愈高，其红硬性愈好。由于高速钢的导热性差，而淬火温度又极高，故常常分两段或三段加热。即先在800850C预热，然后再加热至淬火温度。大型及复杂的刃（工）具应当采用两次预热，第一次在500600C，第二次在800850Co淬火通常在油中进行，或采用分级淬火法。高速钢的正常淬火组织是2030%A+6065%M+K。经810%硝酸酒精溶液侵蚀后，未溶的K及A晶界显露出来，合金度较高的M呈白亮色。三次回火后的组织：为了消除淬火内应力，稳定组织，减少残余奥氏体的数量，达到所需的性能，高速钢一般进行三次560C保温1小时的回火处理。在150400C温度范围内，约在270C自马氏体中析出Fe3C,并聚集长大，大部分淬火内应力消除，硬度下降，塑性增加。在400500C回火温度范围内，马氏体中的Cr向碳化物中转移，渗碳体型的碳化物逐渐转变为弥散的富Cr的合金碳化物（M6C），硬度又逐渐上升。在500600C之间，钢的硬度、强度和塑性均有提高，而在在550570C可达到硬度、强度的最大值。在此温度区间内，自马氏体中析出弥散的w2c、mo2c、VC，使钢的硬度大大提高，这种现象称为二次硬化。与此同时,500600C之间，残余奥氏体应力松弛，且由其中析出了部分碳化物，使残余奥氏体中合金元素及碳含量下降，Ms升高。这种贫化的残余奥氏体，在回火后的冷却过程中，转变为马氏体，使钢的硬度提高，这种现象称为二次淬火。由于高速钢中残余奥氏体数量较多，经一次回火后，仍有10%的残余奥氏体，再经两次回火，才能使其低于5%。第一次回火只对淬火马氏体起回火作用，而回火冷却过程中转变成的马氏体，产生新的内应力，经第二次回火，可使二次马氏体得到回火，同时，在回火过程中未转变的残余奥氏体转变为马氏体，又会产生新的内应力，就需要进行第三次回火。回火后的组织为黑色的回火马氏体、35%的残余奥氏体、白色的碳化物。4、高速钢的缺陷组织：过热组织：由于淬火温度过高等原因，造成晶粒过大，溶入奥氏体的碳化物较多，剩余碳化物数量减少，奥氏体的过饱和程度较大，淬火冷却时会析出网状或半网状碳化物，碳化物出现粘连、拖尾、角状或沿晶界呈网状分布，这种现象称为过热。过烧组织：淬火温度接近钢的熔化温度，晶界熔化，出现莱氏体及8共析体（黑色组织），称为过烧。过烧是不可挽救的缺陷。回火不足：回火温度低或时间短，马氏体分解不充分，且有部分残余奥氏体未转变成马氏体，故在试样基体上的部分区域出现白亮色，或有少量晶界未完全消失。奈状组织：锻造时停锻温度过高（10501100C）,或由于需返修而进行二次淬火，其间未经退火造成的。其金相组织为粗大的晶粒，奈状断口呈闪光粗粒状产生奈状断口的刀具，强度、韧性极低，是一种不可挽救的缺陷。三、实验所用设备与材料:1 、设备：金相显微镜2、材料：下列已制备好的金相样品及图片。材料处理状态显微组织腐蚀剂W18Cr4V铸态Ld+8+M+A共析体10%硝酸酒精溶液W18Cr4V锻造+退火S+K（粒状）10%硝酸酒精溶液W18Cr4V1280C油淬6065%M+2030%A+K10%硝酸酒精溶液W18Cr4V过热M+A+K（半网状）10%硝酸酒精溶液W18Cr4V过烧Ld+8+M+A共析体10%硝酸酒精溶液W18Cr4V回火不足M+A+K10%硝酸酒精溶液W18Cr4V正常淬火三次回火M+A+K回少10%硝酸酒精溶液W18Cr4V重复淬火奈状组织10%硝酸酒精溶液四、实验步骤及结果分析:1 认真观察全部金相试样，联系其化学成分、处理工艺进行思考。2 按规定完成电子作业。分析正常淬火组织、三次回火后的组织、过热组织、过烧组织、回火不足奈状组织形成的基本原理。3 比较正常淬火组织与过热、过烧组织的区别。实验二铸铁及其显微组织分析一、实验目的:1、了解各种铸铁的显微组织特征。2、分析各种铸铁的基体与石墨的形状，大小，数量及分布对铸铁性能的影响。3、了解不同热处理对铸铁组织和性能的影响。二、内容说明:图1铁碳相图在铁碳相图中（图1），含碳量大于2.08的部分叫铸铁。而碳在铸铁中的存在形态有两种，即化合态（碳化物）和自由态（石墨），。按其组织和断口特征，前者称为白口铁，后者称为灰口铁。灰口铁的组织中完全没有一次渗碳体和莱氏体。它基本上是由石墨加上钢一样的基体构成，因而分析灰口铸铁组织的根据便是这两方面：一是石墨的形状、大小、数量及分布状况（石墨的特征可在未浸蚀的金相试样磨光表面上观察）；二是金属基体组织（试样经浸蚀后观察）。1、普通灰铁：石墨的形状主要是片状以不同的方式分布在基体上。石墨的存在对铸铁起着双重作用，一方面剧烈地降低基体金属的机械性能；另一方面可提高一些使用性能和工艺性能，如耐磨性，消震性和比较小的缺口敏感性。(a)A型石墨(100x)(b)B型石墨(100x)(c)C型石墨(100x)（d）D型石墨（100x）（e）E型石墨（100x）图2片状石墨类型按石墨的形状来说，普通灰口铸铁是片状。片状石墨特别是细条状的石墨，能显著降低金属基体的机械性能。按石墨分布形式来说，它可以是细小均匀分布、成群聚集分布（如菊花状）、相互交错或链状沿枝晶之间分布等。生产上常按灰口铸铁中石墨的形状、大小及分布特征将其分为A、B、C、D、E五种类型（如图2所示）。A型石墨为均匀片状，无方向性；B型石墨片大小不同，分布不均匀，聚集在一起呈菊花状；C型石墨呈粗大片状，不均匀分布，无方向性；D型点状或小片状石墨分布在亚共晶合金的奥氏体枝晶之间，石墨片的方向无规律；E型其特征与D型相近，也是片状石墨分布在奥氏体树枝晶之间，与D型的区别在于石墨片有一定的方向性。我们希望石墨是细小均匀分布，因为细小均匀的石墨降低金属基体的机械性能较小。石墨呈枝晶间偏析状分布（晶间分布）时，最不受欢迎，因为它大大降低铸铁的耐磨性，并易于形成裂纹。灰口铸铁的基体组织有三种：铁素体基体；珠光体基体；铁素体珠光体基体。一般来说铁素体基体塑性较好，而珠光体基体铸铁强度较高。2、可锻铸铁：是把合乎一定要求的白口铁，经石墨化退火得到的，其组织特征是石墨呈团絮状分布。基体也分为三种，其中最常用的是铁素体基体的可锻铸铁，因为它具有较好的塑性。3、球墨铸铁：是把一定成分的铁水加入少量球化剂（镁或镁稀土合金）和孕育剂（硅铁），使铁水中的石墨呈球状析出而制成。因球状石墨对基体的割裂作用较轻，割裂的圆形缺口应力集中也最小，故其强度、塑性及韧性都比较好。通过控制铸造及热处理工艺可以控制基体组织。常用的是珠光体基体或除珠光体以外同时还存在少量铁素体的组织。在铸铁中还会有磷共晶组织，这是由于铸铁中含磷较多，磷在铁中溶解度很小，且随含碳量的增加还要减小，故不可避免要出现磷共晶组织（Fe3P-Fe3C-ae），磷共晶组织一般呈白亮棱角块状，性质硬而脆。在铸铁中含有适量磷共晶时，能提高其耐磨性，但会增加铸铁的脆性。三、实验所用设备与材料:1、设备：金相显微镜2、材料：下列已制备好的金相样品及图片。材料处理状态显微组织腐蚀剂灰铁铸态P+G（片）4%硝酸酒精溶液灰铁铸态P+F+G（片）4%硝酸酒精溶液可锻铸铁（F基）退火F+G（团絮）4%硝酸酒精溶液可锻铸铁（P基）退火P+G（团絮）4%硝酸酒精溶液球铁正火F+G（球）4%硝酸酒精溶液球铁正火P+G（球）4%硝酸酒精溶液球铁正火P+F+G（球）4%硝酸酒精溶液球铁等温淬火B（下）+G（球）+A（残）4%硝酸酒精溶液咼磷铸铁铸态P+G+磷共晶4%硝酸酒精溶液四、实验步骤及结果分析:1 认真观察全部金相试样，联系其化学成分，处理工艺进行思考2 按规定完成电子作业。3 试述石墨形态对铸铁性能的影响？4 与灰铁和可锻铸铁相比，为什么球铁的机械性能较高？实验三有色金属及其合金显微组织分析一、实验目的:研究铜、铝和轴承合金的显微组织及这些合金的成分、加工过程和组织之间的关系。二、内容说明:1铜合金铜:在脱氧不十分良好的铜中,组织上可以看到与铜形成共晶混合物的Cu2O,当大量的Cu、Cu2O的共晶分布在铜的晶界上时，会使铜变脆。图1铜锌二元合金相图铜端图2铜铝二元合金相图铜端铜锌合金相图如图1所示，铜锌组织图中，a-区域中各种成分的铜锌合金（a黄铜）在铸态下其显微组织是a固溶体。经长时间退火后具有多边晶体组织,微量变形会产生滑移，并在退火后产生孪晶组织。a+卩黄铜的组织，用FeCl2和NH4OH腐蚀时，a仍保持光亮的颜色，而则变黑，a和卩的量的比例决定于合金的成分。 铜锡合金铸造的a青铜具有树枝状组织，经700-750C长时间退火，可以使树枝消除而形成均匀的多边形晶粒的组织。锡的含量超过溶解极限的合金（1432%）具有共析的组织，即成分在单相区，如大于6%的含锡量，在铸造的状态下也有共析的组织。共析体呈弯曲夹杂物形式分布在枝晶的中间，用8的CuCl3的氨水溶液浸蚀时共析体显示的不清楚，但能很好地显示出a固溶体的树枝状，当用10克FeCl3+100mlH20的溶液浸蚀时，共析体能很清楚地显示出来。 铜铝合金相图如图2所示，含A110%的合金中，除a固溶体外，同时还存在着共析组织，用10克FeCl3+25mlHCl+100mlH20的溶液浸蚀后低倍显微镜下观察，a固溶体是亮的，共析体（a+6）是黑的。高倍显微镜下观察，共析体与钢中的索氏体相似。10%Al的铜铝合金经930C水中淬火后的组织是针状的马氏体。2铝合金铝硅合金的相图如图3所示，含硅10%13%的铝硅合金未经变质的组织是粗大针状的硅分布在a固溶体的基体上，经变质后其组织是树枝状的a硬铝的成分是3.84.8%Cu,0.40.8%Mg,0.40.8%Mn,其余为铝。硬铝经360C退火后的组织是在a固溶体的基体（亮底）上分散着CuAl3、S相、Mg2Si、FeAl3、Al6Mn及FexAlySiz等相。前三相在加热时溶于固溶体，冷却时由固溶体内析出，呈细小的夹杂物，而后三相不溶于固溶体，呈速达的夹杂物。硬铝经510C水中淬火和自然时效后的组织是在固溶体的基体（亮底）上分布着未溶于铝中的Al6Mn、FeAl3和FexAlySiz相（显微组织呈黑点夹杂物）。硬铝在淬火前若温度过高，例如加热至550C，组织上由于过热，则有一部分易熔的化合物在晶界上发生熔化和氧化。3轴承合金 锡基巴氏轴承合金，其成分是83%Sn,ll%Sb,6%Cu。组织是在a固溶体（黑色的底）的基体上分布着四方形和三角形的卩固溶体（白亮色），以及针状和星形的化合物Cu3Sn（白亮色）。 铅基巴氏合金，其成分是81.75%Pb,17%Sb，1.25%Cu。组织是Pb+Sb花纹共晶的基体上分布着方形和三角形的粗大的亮色晶体锑，以及白色针状化合物Cu3Sb。 铜铅合金，常用的是含30%Pb的铅青铜，组织是铜的晶粒（亮色）和铅的夹杂物（黑色）。 高锡铝基轴承合金，常用的合金成分是2226%Sn,0.81.2%Cu,其余为铝。组织是在a基体上分布着Al-Sn共晶体，铸态时，共晶呈网状，经轧制后，为弥散分布。三、实验所用设备与材料:1、设备：金相显微镜2、材料：下列已制备好的金相样品及图片。合金名称热处理浸蚀剂纯铜缓冷未浸蚀H59a+卩黄铜铸态10克FeCl3+25mlHCl+100mlH20ZQSn10锡青铜铸态10克FeCl3+25mlHCl+100mlH2OQA110铝青铜铸态10克FeCl3+25mlHCl+100mlH2OQA110铝青铜930C淬火10克FeCl3+25mlHCl+100mlH2OZL7硅铝明铸态（未变质）0.5%HFZL7硅铝明铸态（变质）1%HF+25%HNO3+1.5%HCL+95%H2O锡基巴氏合金铸态4%硝酸酒精溶液铅基巴氏合金铸态4%硝酸酒精溶液铜铅合金铸态未浸蚀四、实验步骤及结果分析:1认真观察全部金相试样，联系其化学成分，处理工艺进行思考，注意组织与性能之间的关系以及各种合金的工业意义。2 按规定完成电子作业。3 试述铝合金的合金化原则。4 锌含量对黄铜性能有什么影响