重庆大学工程材料第六次实验课

工程材料工程材料-常用材料组织观察常用材料组织观察机自机自07、08、09工程材料实验课工程材料实验课一一、实验目的、实验目的 1.观察和分析常用材料的显微组织；2.了解常用材料的成分、组织和性能的特点，以及它们的主 要应用。二、概述二、概述1 1合金钢的显微组织合金钢的显微组织 合金钢依合金元素含量的不同，可分为三种：合金钢依合金元素含量的不同，可分为三种：合金元素总量合金元素总量5%10%10%的称为高合金钢。的称为高合金钢。一般合金结构钢、合金工具钢都是低合金钢。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。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（除曲线右移（除Co以外），即以较低的冷却速度也可以获得马氏体组织。以外），即以较低的冷却速度也可以获得马氏体组织。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。（如图1）GCr15钢840油淬、低温回火后的显微组织，与T12钢780水淬、低温回火后的显微组织也一样，皆为回火马氏体和碳化物。（如图2）图1 40Cr钢经调质处理图2 GCr15钢840 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。a)高碳：含碳量为高碳：含碳量为(0.71.65)%，以获得高碳马氏体，与碳化物形成元素等形成碳，以获得高碳马氏体，与碳化物形成元素等形成碳化物，细化晶粒，增大耐磨性。化物，细化晶粒，增大耐磨性。b)W：主要用于提高钢的热硬性。：主要用于提高钢的热硬性。c)Cr：可以提高钢的淬透性和耐磨性。：可以提高钢的淬透性和耐磨性。d)V：细化奥氏体晶粒；可以提高耐磨性、热硬性。：细化奥氏体晶粒；可以提高耐磨性、热硬性。W18Cr4V 铸态下的组织铸态下的组织高速钢在铸造状态下与亚共晶白口铸铁的组织相似。其中莱氏体由合金碳化物、马氏体、屈氏体以及残留奥氏体组成。（如右图）高速钢锻造退火组织：在金相显微镜下观察其组织为索氏体高速钢锻造退火组织：在金相显微镜下观察其组织为索氏体+碳化物。碳化物。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高速钢锻后必须缓冷，并进行球化退火，可以消除内应力，获得索氏体高速钢锻后必须缓冷，并进行球化退火，可以消除内应力，获得索氏体+粒状碳化物组织，粒状碳化物组织，便于进行机械加工。便于进行机械加工。退火后的的硬度为退火后的的硬度为HB207255 高速钢淬火组织高速钢淬火组织：淬火加热温度一般为：淬火加热温度一般为12601280，高温加热的目的是使较多的，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。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HRC6162。1280 淬火淬火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）。回火后硬度为HRC6365。为减少残余奥氏体量，消除应力，稳定组织，提高力学性能指标，淬火后W18Cr4V一般需在560进行三次回火，回火后的显微组织为暗黑色针状回火马氏体的基体上，分布着亮白色块状碳化物。2 2铸铁的显微组织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、灰口铸铁和麻口铸铁。铸铁铸铁铁素体铁素体+石墨石墨铁素体铁素体+珠光体珠光体+石墨石墨珠光体珠光体+石墨石墨铸铁铸铁灰口铸铁灰口铸铁可锻铸铁可锻铸铁球墨铸铁球墨铸铁根据石墨的形根据石墨的形态、大小和分态、大小和分布情况不同布情况不同 根据成分和冷根据成分和冷却速度不同却速度不同白口铸铁：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。灰口铸铁的组织是由钢的基体和石墨组成。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。图图4 灰口铸铁的显微组织灰口铸铁的显微组织显微组织：珠光体显微组织：珠光体+铁素体铁素体+片状石墨片状石墨力学性能差力学性能差解决方法：变质处理解决方法：变质处理灰口铸铁：碳全部或大部分以石墨的形式存在于铸铁中。灰口铸铁：碳全部或大部分以石墨的形式存在于铸铁中。灰口铸铁的组织是由钢的基体和石墨组成。灰口铸铁的组织是由钢的基体和石墨组成。石墨呈灰色条片状分布在白亮色的铁素体基体上。石墨呈灰色条片状分布在白亮色的铁素体基体上。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。其中石墨称暗灰色团絮状，亮白色晶粒为基体。其中石墨称暗灰色团絮状，亮白色晶粒为基体。显微组织：铁素体+团絮状石墨 团絮状石墨大大减轻了石墨对基体金属的割裂作用，因而强度高，有一定的韧性、塑性。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，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利用率高达70%90%（灰口铸铁只达（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左右），因而其机械性能远远优于普通灰口铸铁和可锻铸铁。铁和可锻铸铁。显微组织：珠光体显微组织：珠光体+铁素体铁素体+球状石墨球状石墨 球状石墨对基体的割裂影响最小，因而球状石墨对基体的割裂影响最小，因而具有很高的强度、良好的韧性、塑性和切削具有很高的强度、良好的韧性、塑性和切削加工性，可焊性也较好。加工性，可焊性也较好。其中亮白色晶粒为铁素体基体，灰色球状为石墨。其中亮白色晶粒为铁素体基体，灰色球状为石墨。3 3有色金属及合金有色金属及合金有色合金有色合金铝合金铝合金铜合金铜合金轴承合金轴承合金 ZL102H62、H90锡基轴承合金锡基轴承合金镁合金镁合金 有色金属，狭义的有色金属又称非铁金属，是铁、锰、铬以外的所有金属的统称。广义的有色金属还包括有色合金。有色合金是以一种有色金属为基体（通常大于50%），加入一种或几种其他元素而构成的合金。铝合金铝合金铝合金由于密度小（铝合金由于密度小（2.652.652.92.9），具有高的比强度，因而广泛用于机械工业特别是航），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。空工业。铝合金分为铸造铝合金和变形铝合金。铸造铝合金：俗称硅铝明。典型的牌号有铸造铝合金：俗称硅铝明。典型的牌号有ZL102，含硅，含硅10%13%含硅11%13%，其成份在共晶点附近，具有优良的铸造性能。铸态下显微组织由由粗大针状硅晶体和固溶体（亮白色）所组成的共晶体以及初细小的初晶硅构成，这种粗大的针状硅晶体严重降低合金的塑性和韧性。为了提高硅铝明的力学性能，通常需要对其进行变质处理，即在浇注前向820850合金溶液中加入占合金重量23%的变质剂（2/3NaF+1/3NaCl）。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（常用的变质剂（常用2/3NaF+1/3NaCl）。）。处理后使合金的共晶点从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）及细小的固溶体枝晶（白亮）及细小的共晶（共晶（+Si）（黑底），由于共晶中的硅呈细小点状颗粒，因而使合金的强度与塑性提高。）（黑底），由于共晶中的硅呈细小点状颗粒，因而使合金的强度与塑性提高。变形铝合金：硬铝是变形铝合金：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。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）。这两个相在加热是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Cu MgAl2（S相）在合金化过程中的作用更大，常把它称为强化相。铜合金黄铜为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H90。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。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。+两相黄铜可在600以上进行热加工。+两相黄铜显微组织：为亮白色的固溶体，是CuZn为基的有序固溶体。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。锡基巴氏合金：基本元素为Sn83%、Sb11%及Cu6%。其牌号为ZChsnsb11-6，它的显微组织如图所示显微组织中暗黑色的为软基体显微组织中暗黑色的为软基体相，是相，是Sb在在Sn中的固溶中的固溶体；白色块状为硬质点体；白色块状为硬质点相，是以相，是以SbSn为基的有序固溶为基的有序固溶体；组织中亮白色针状及星形就是体；组织中亮白色针状及星形就是Cu3Sn或或Cu6Sn5化合化合物物 相，也其硬质点作用。相，也其硬质点作用。编号名称状态显微组织特征腐蚀剂1高速钢铸态Ld(鱼骨状)+T（暗黑色）+M3%硝酸酒精2高速钢淬火态M（隐针）+碳化物（颗粒状）+A3%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）3%硝酸酒精4灰口铸铁铸态F（白亮色基体）+条状石墨3%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3%硝酸酒精6球墨铸铁铸态F（白亮色）+球状石墨3%硝酸酒精7铝硅明变质处理（枝晶状）+共晶体（细密基体）3%硝酸酒精8双相黄铜铸态（白亮色）+（暗黑色）3%FeCl3+10%HCl溶液9锡基巴氏合金铸态（暗黑色）+（白色块状）+Cu3Sn同上三、实验内容观察、分析下列常用材料的显微组织，见下表。四、实验方法四、实验方法1实验材料及设备（1）金相显微镜；（2）各种材料金相样品一套；2实验步骤（1）每个同学轮流对每个试样进行观察；（2）将所观察到的金相组织用示意图画出。五、实验报告要求五、实验报告要求（1）实验目的；（2）画出各种材料的显微组织示意图；（3）实验结果讨论。