常見(jiàn)固態(tài)相變組織觀察試驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)七常見(jiàn)固態(tài)相變組織觀察（Phase Transformation of Solid）實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：2實(shí)驗(yàn)類型：綜合前修課程名稱：材料科學(xué)導(dǎo)論適用專業(yè)：材料科學(xué)與工程一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 正確識(shí)別不同固態(tài)相變產(chǎn)生的組織的形貌，掌握其特點(diǎn)。2. 了解馬氏體相變的可逆性。二、 概述固態(tài)物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的組織結(jié)構(gòu)變化稱為固態(tài)相變。固態(tài)相變包括材料中相成分的變化、 結(jié)構(gòu)的變化和有序度的變化，固態(tài)相變是材料熱處理的基礎(chǔ)。熱處理是利用材料在加熱和冷 卻過(guò)程中發(fā)生的相變，改變內(nèi)部的組織與結(jié)構(gòu)，改善材料的性能，充分發(fā)揮材料的潛力。共析轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變、馬氏體轉(zhuǎn)變的組織形貌可以在光學(xué)顯微鏡下獲得。到目前為止，鋼仍然是應(yīng)

2、用最多的工程材料。為了使鋼獲得所需要的組織性能，充分發(fā)揮鋼材的潛力，必須經(jīng)過(guò)熱處理。而大多數(shù)熱處理工藝都要首先將鋼加熱到臨界點(diǎn)溫度以上 形成奧氏體，然后再以一定的方式進(jìn)行冷卻。冷卻的過(guò)程中，過(guò)冷奧氏體在不同的溫度區(qū)間會(huì)發(fā)生不同的轉(zhuǎn)變。對(duì)于共析鋼，在Ai500C區(qū)間發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變（共析轉(zhuǎn)變） ；在550CMs點(diǎn)區(qū)間發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變；在 Ms點(diǎn)以下將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。本次實(shí)驗(yàn)，以碳鋼、低合金 鋼為例，介紹一些常見(jiàn)的固態(tài)相變的組織形貌。珠光體是鐵素體（a ）和滲碳體（FQC）的兩相混合物。常見(jiàn)的珠光體形貌有兩種：片 狀和粒狀。圖（7-1）是亞共析鋼45鋼的室溫退火組織，由珠光體+先共析鐵素體組成。圖片中

3、顏色暗黑的是珠光體區(qū)域。圖（7-3）是過(guò)共析鋼T12的球化處理組織，由粒狀珠光體+顆粒狀二次滲碳體組成，可以對(duì)應(yīng)比較圖（7-4） T12鋼的室溫退火組織，是由層片狀珠光體+網(wǎng)狀二次滲碳體組成。(7-2) 65鋼退火(7-1) 45鋼830度退火（7-3） T12鋼球化（7-4） T12鋼退火非共析鋼過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，由于存在先共析轉(zhuǎn)變，根據(jù)實(shí)際條件的影響，在組織形態(tài)上會(huì)獲得魏氏組織。圖（7-6）、（ 7-7）分別是20Cr、45鋼的過(guò)熱空冷后的室溫組織，先共 析鐵素體呈現(xiàn)平行排列的“梳狀”形貌，稱為魏氏組織。圖（7-7）是T12鋼的過(guò)熱空冷組織，退火態(tài)下呈現(xiàn)網(wǎng)狀的二次滲碳體現(xiàn)在呈現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)針狀，成

4、一定角度交錯(cuò)分布。(7-5) 20Cr鋼1100度空冷(7-6) 45鋼1100度空冷（7-7） T12鋼-970 C風(fēng)冷（7-8） 65鋼-860 C空冷（放置于鐵板上）由于冷卻條件的改變，一些轉(zhuǎn)變被抑制。圖（7-8）中的圖片，是65鋼的空冷組織，其先共析鐵素體幾乎消失迨盡，基本上是珠光體組織組成。這是發(fā)生了偽共析轉(zhuǎn)變的結(jié)果。此 時(shí)的珠光體的成分已經(jīng)不再是0.77%C，而是低于 0.77%C。可以對(duì)比圖（7-2），65鋼室溫退火組織分析。實(shí)際上，在圖（7-5）、（ 7-6）中的珠光體，由于先共析組織的數(shù)量被抑制， 偽共析轉(zhuǎn)變的發(fā)生，其成分也低于0.77%C。而圖（7-7）中珠光體的情況恰好相

5、反。貝氏體是由過(guò)飽和鐵素體和滲碳體兩相組成的混合物，鋼中貝氏體組織最常見(jiàn)的基本形態(tài)是上貝氏體和下貝氏體。在光學(xué)顯微鏡下，上貝氏體呈羽毛狀， 對(duì)于共析鋼其形成溫度約在550C 350C之間；下貝氏體呈黑針狀，對(duì)于共析鋼，其形成溫度在350240C之間。根據(jù)奧氏體的成分和轉(zhuǎn)變溫度的不同，還可以見(jiàn)到粒狀貝氏體、無(wú)碳貝氏體、柱狀貝氏體和反常貝氏體等形貌的貝氏體組織。下面的圖（7-9）至（7-12）,以65Mn為例介紹下貝氏體、上貝氏體的形貌及出現(xiàn)轉(zhuǎn)變的溫度情況。圖（7-13）表明，45鋼在進(jìn)行淬火冷卻過(guò)程中，當(dāng)冷卻速度不足時(shí)，在組織中也會(huì)出現(xiàn)上貝氏體組織形貌。(7-9) 65Mn 840 度 300

6、度等溫 400 秒(7-10) 65Mn 840 度 350 度等溫 160秒(7-11) 65Mn 840 度 400 度等溫 25 秒(7-12) 65Mn 840 度 500 度等溫14秒（7-13） 45鋼830度油淬鋼中馬氏體的組織形態(tài)主要有兩種類型，一種是板條狀馬氏體，一種是片狀馬氏體。 板條狀馬氏體主要出現(xiàn)在低碳鋼淬火的組織中，所以又稱低碳馬氏體；如圖（7-14）。片狀馬氏體主要出現(xiàn)在高碳鋼淬火組織中，又稱高碳馬氏體，如圖（7-15）。典型的板條狀馬氏體的是由許多成群的平行馬氏體板條組成的。由于板條馬氏體中有高密度的位錯(cuò)，所以板條馬氏體又稱為位錯(cuò)馬氏體。片狀馬氏體的形貌呈針片狀或

7、竹葉狀。故又稱針狀馬氏體或竹葉狀馬氏體。其立體形態(tài)是凸透鏡片狀，所以又稱透鏡馬氏體。在一個(gè)原奧氏體晶粒中，首先形成一片貫穿整個(gè)晶粒的馬氏體片，以后形成的馬氏體片尺寸受到了限制，越是后形成的馬氏體片越小。馬氏體片之間互不平行。 粗片狀馬氏體中常能見(jiàn)到有明顯的中脊，由于片狀馬氏體中存在孿晶亞結(jié)構(gòu)，所以又稱片狀馬氏體位孿晶馬氏體。(7-14) 20鋼980度鹽水淬火(7-15) T13鋼1100度水淬高碳鋼淬火時(shí)，容易在馬氏體組織中形成顯微裂紋。這是由于馬氏體的比體積大于奧氏體，并且含碳量越高差別越大；馬氏體片形成的速度又很大，在馬氏體形成時(shí)，馬氏體片互相撞擊或沖擊奧氏體晶界而引起相當(dāng)大的應(yīng)力造成顯

8、微裂紋。為了避免粗大馬氏體的出現(xiàn)， 要嚴(yán)格控制高碳鋼的淬火加熱溫度，避免出現(xiàn)粗大的奧氏體組織。對(duì)于某些可以隨溫度的升降而消長(zhǎng)的馬氏體稱為熱彈性馬氏體。其基本理論、概念以課堂教師講述為基礎(chǔ)； 結(jié)合課外閱讀加深了解。其記憶效應(yīng)通過(guò)實(shí)際樣品的演示可以直觀地了解。多型性轉(zhuǎn)變即同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 的金相組織，我們用工業(yè)純鐵來(lái)說(shuō)明。工業(yè)純鐵在912C以上時(shí)是面心立方結(jié)構(gòu)，金相組織中可以見(jiàn)到含有孿晶結(jié)構(gòu)的等軸晶粒，如圖(7-16);在912C發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，912C以下后，組織為體心立方結(jié)構(gòu)，等軸晶粒中見(jiàn)不到孿晶形貌，如 圖(7-17)。在轉(zhuǎn)變前后沒(méi)有成分變化，是所有相變中最簡(jiǎn)單的一種。（7-16）工業(yè)純鐵高溫

9、金相（970 C）（ 7-17 ）工業(yè)純鐵室溫退火組織最后，需要說(shuō)明的一點(diǎn)是：上述許多組織形貌中的部分晶粒粗大的顯微組織，僅僅是為了理論研究才會(huì)出現(xiàn)，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中屬于疵病組織，應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的工藝技術(shù)避免 出現(xiàn)。切記！二、實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備金相顯微鏡，相應(yīng)的典型金相樣品，記憶合金演示樣品。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟1.觀察馬氏體、貝氏體的典型樣品。使用顯微鏡觀察下列樣品：序號(hào)材料熱處理組織1.65Mn840 C加熱500度等溫14秒馬氏體+屈氏體（網(wǎng)狀分布，黑色，條、塊狀）2.65Mn840 C加熱400度等溫25秒馬氏體+屈氏體+上貝氏體（黑色羽毛狀）3.65Mn840 C加熱350度等溫160秒馬氏

10、體+上貝氏體+下貝氏體（黑色針狀）4.65Mn840 C加熱300度等溫400秒馬氏體+下貝氏體（黑色針狀）5.45鋼840 C加熱，油冷馬氏體+屈氏體+貝氏體6.45鋼退火處理珠光體+鐵素體7.45鋼風(fēng)冷，或放置于金屬板上空冷魏氏組織8.20鋼風(fēng)冷，或放置于金屬板上空冷魏氏組織9.20Cr（1100 C）過(guò)熱淬火板條馬氏體10.T12（1100 C）過(guò)熱淬火片狀馬氏體+奧氏體（殘余）11.65鋼退火處理珠光體+鐵素體12.65鋼840 C加熱，放置于鐵板上空冷珠光體+鐵素體（網(wǎng)狀分布極少量）13.T12鋼970 C加熱，出爐風(fēng)冷珠光體+次滲碳體（針狀交錯(cuò)分布）14.T12鋼退火處理珠光體+次滲碳體（網(wǎng)狀分布）15.T12鋼球化處理珠光體（粒狀）+二次滲碳體（顆粒狀）16.工業(yè)純鐵高溫金相（970 C）奧氏體晶粒（有孿晶）17.工業(yè)純鐵室溫退火組織鐵素體晶粒2.觀看形狀記憶合金樣品的記憶效應(yīng)演示（根據(jù)情況增減部分）五、本次實(shí)驗(yàn)的總結(jié)記錄1.記錄、分析典型固態(tài)相變的組織形貌下