機械工程材料實驗指導書 1

PAGE1機械工程材料實驗指導書動力與機械學院材料工程系目錄實驗一鐵碳合金平衡組織顯微分析3實驗二鋼的非平衡組織觀察8實驗一鐵碳合金平衡組織顯微分析一、實驗目的1.熟悉碳鋼在平衡狀態(tài)下的顯微組織2.熟悉白口鑄鐵的顯微組織3.了解鐵碳合金組織的變化規(guī)律二、原理概述由鐵——碳相圖可知鐵碳合金的基本相為鐵素體、奧氏體和滲碳體，而在室溫下僅能看到兩個相：鐵素體和滲碳體。各種碳鋼和白口鐵的組織均由這兩個相組成。鐵素體、滲碳體、珠光體和萊氏體的顯微組織特征（1）鐵素體（F）碳在α—Fe中的間隙固溶體，用4%硝酸酒精溶液浸蝕后呈白色，亞共析鋼中鐵素體一般呈塊狀分布；當含碳量接近于共析成分時，替我素體則呈斷續(xù)的網(wǎng)狀分布于珠光體周圍。（2）滲碳體（Fe3C）鐵與碳形成的一種間隙化合物，其碳含量為6.69%，質(zhì)硬而脆，經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕后呈亮白色。若用苦味酸鈉溶液浸蝕后呈暗黑色，而鐵素體仍為白色，由此可區(qū)別鐵素體與滲碳體。按照成份和形成條件的不同，滲碳體可以呈現(xiàn)不同的形態(tài)；一次滲碳體（初生相）是直接由液體中析出的，故在白口鑄鐵中呈粗大的條片狀，二次滲碳體（次生相）是從奧氏體中析出的，通常呈不連續(xù)薄片狀存在于鐵素體晶界處，數(shù)量很少。（3）珠光體（P）鐵素體和滲碳體的機械混合物，鐵素體與滲碳體相互混合交替排列形成的層片狀組織，在高倍下能看清珠光體中平行相間的寬條鐵素體和細條滲碳體，當放大倍數(shù)較低時由于顯微鏡的鑒別能力小于滲碳體片厚度，這時珠光體中的滲碳體就只能看到是一條黑線，珠光體在較低放大倍數(shù)下片層不能分辨，呈黑色。高碳工具鋼（過共析鋼）經(jīng)球化退火處理后還可以獲得球狀珠光體。（4）萊氏體（L'd）在室溫下是由共晶Fe3C珠光體及二次滲碳體所組成的機械混合物。含碳量為4.3%的共晶白口鐵，在1148℃時形成由奧氏體和滲碳體組成的共晶體，其中奧氏體冷卻時析出二次滲碳體，并在727℃以下分解為珠光體。萊氏體的顯微組織特征是在亮白色的滲碳體基底上相間地分布著暗黑色斑點細條狀的珠光體。二次滲碳體和共晶滲碳體連在一起，從形態(tài)上難以區(qū)分。根據(jù)組織特點及碳含量不同，鐵碳合金可分為工業(yè)純鐵、鋼和鑄鐵三大類。工業(yè)純鐵。純鐵在室溫下具有單相鐵素體組織，含碳量＜0.02%的鐵碳合金通常稱為工業(yè)純鐵，即由鐵素體和少量三次滲碳體組成。工業(yè)純鐵的顯微組織，其中黑色線條是鐵素體的晶界，而白色基底則是鐵素體的不規(guī)則等軸晶粒，在某些晶界處可以看到不連續(xù)的薄片狀三次滲碳體。鋼（1）亞共析鋼：亞共析鋼的含碳量在0.02～0.77%范圍內(nèi)，其組織有鐵素體和珠光體所組成。白色為鐵素體，暗黑色為珠光體。隨著含碳量的增加，鐵素體的數(shù)量逐漸減少，而珠光體的數(shù)量則相應地增多，可以通過直接在顯微鏡下觀察珠光體和鐵素體各自所占面積的百分數(shù)，近似地計算出鋼的含碳量，即碳含量≈P×0.8%，其中P為珠光體所占面積百分數(shù)。例如：在顯微鏡中觀察到有50%的面積為珠光體，50%的面積為鐵素體則此鋼的含碳量為C%==0.4%（室溫下鐵素體含碳量極微，約為0.008%，可忽略不計）即相當于40鋼。（2）共析鋼含硫量為0.77%的碳鋼稱為共析鋼，它由單一的珠光體組成。（3）過共析鋼含碳量超過0.77%的碳鋼稱為過共析鋼，它在室溫下的組織由珠光體和二次滲碳體組成。鋼中含碳量越多，二次滲碳體數(shù)量就越多。過共析鋼的顯微組織，組織形態(tài)為層片相間的珠光體和細小網(wǎng)絡狀滲碳體，經(jīng)硝酸酒精溶液浸蝕后珠光體呈暗黑色，而二次滲碳體呈白色細網(wǎng)狀。3.鑄鐵（1）亞共晶白口鐵含碳量＜4.3%的白口鑄鐵稱為亞共晶白口鑄鐵。在室溫下組織為珠光體，二次滲碳體和萊氏體。用硝酸酒精溶液浸蝕后在顯微鏡下呈黑色枝晶狀的珠光體，珠光體外的白亮圈為Fe3CⅡ和斑點狀的萊氏體。（2）共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵的含碳量為4.3%，它在室溫下的組織由單一的共晶萊氏體組成。經(jīng)浸蝕后，在顯微鏡下珠光體呈暗黑色細條及斑點狀，滲碳體呈亮白色魚骨狀。（3）過共晶白口鑄鐵含碳量大于4.3%的白口鑄鐵稱為過共晶白口鑄鐵，在室溫下的組織由一次滲碳體和萊氏體組成。作硝酸酒精溶液浸蝕后，在顯微鏡下可觀察到在暗色斑點狀的萊氏體基底上分布著亮白色粗大條片狀的一次滲碳體。實驗內(nèi)容1.每人制備一塊顯微分析試樣2.觀察分析亞共析鋼（20鋼和45鋼）共析鋼（T8）、過過共析鋼（T12）、亞共晶白口鐵、共晶白口鐵、過共晶白口鐵、工業(yè)純鐵的顯微組織，并畫出組織示意圖。3.觀察自己制備的試樣，并確定屬于上述的哪一類。四、實驗報告要求1.實驗目的和內(nèi)容2.畫出上述各種試樣的組織示意圖，并注明材料名稱、含碳量、浸蝕劑和放大倍數(shù)。顯微組織畫在直徑為30mm的圓內(nèi)，并將組織組成物名稱以箭頭引出標明。實驗二鋼的非平衡組織觀察實驗目的觀察碳鋼經(jīng)不同熱處理后的基本組織。了解熱處理工藝對鋼組織和性能的影響。熟悉碳鋼幾種曲型熱處理組織——M、T、S、M回火、S回火等組織的形態(tài)及特征。二、實驗內(nèi)容和要求碳鋼經(jīng)退火、正火可得到平衡或接近平衡組織；經(jīng)淬火得到的是不平衡組織。鐵碳合金緩冷后的顯微組織基本上與鐵碳相圖所預料的各種平衡組織相符合，但在快冷條件下的顯微組織就不能用鐵碳合金相圖來加以分析，而應由過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線（C曲線）來確定。圖7-1為共析碳鋼的C曲線圖。圖7-1共析鋼的C曲線鐵碳相圖能說明慢冷時合金的結(jié)晶過程和室溫下的組織以及相的相對量，C曲線則能說明一定成分的鋼在不同冷卻條件下所得到的組織。C曲線適用于等溫冷卻條件；而CCT曲線（奧氏體連續(xù)冷卻曲線）適用于連續(xù)冷卻條件。按照不同的冷卻條件，過冷奧氏體將在不同的溫度范圍發(fā)生不同類型的轉(zhuǎn)變。通過金相顯微鏡觀察，可看出過冷奧氏體各種轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織形態(tài)各不相同。1．共析鋼等溫冷卻時的顯微組織共析鋼過冷奧氏體在不同溫度等溫轉(zhuǎn)變的組織及性能列于表7-1中。2．共析鋼連續(xù)冷卻時的顯微組織共析鋼奧氏體，在慢冷時（相當于爐冷，見圖7-1的v1）應得到100%珠光體；當冷卻速度增大到v2時（相當于空冷），得到的是較細的珠光體，即索氏體或屈氏體；當冷卻速度增大到v3時（相當于油冷），得到的為屈氏體和馬氏體；當冷卻速度增大到v4、v5（相當于水冷），很大的過冷度使奧氏體驟冷到馬氏體轉(zhuǎn)變開始點（Ms）后，瞬時轉(zhuǎn)變馬馬氏體。其中與C曲線鼻尖相切的冷卻速度（v4）稱為淬火的臨界冷卻速度。3．亞共析鋼和過共析鋼連續(xù)冷卻時的顯微組織亞共析鋼的C曲線與共析鋼相比，只是在其上部多了一條鐵素體先析出線，見圖7-2所示。當奧氏體緩冷時（相當于爐冷，如圖7-2的v1）轉(zhuǎn)變產(chǎn)物接近平衡組織，即珠光體和鐵素體。隨著冷卻速度的增大，即v3>v2>v1時，奧氏體的過冷度逐漸增大，析出的鐵素體越來越少，而珠光體的量逐漸增加，組織變得更細，此時析出的少量鐵素體多分布在晶粒的邊界上。圖7-2亞共析鋼的C曲線表7-1轉(zhuǎn)變類型組織名稱形成溫度范圍/℃顯微組織特征硬度（HRC）珠光體型相變珠光體（P）>650在400~500×金相顯微鏡下可以觀察到鐵素體和滲碳體的片層狀組織~20(HB180~200)索氏體（S）600~650在800~1000×以上的顯微鏡下才能分清片層狀特征，在低倍下片層模糊不清。25~35屈氏體（T）550~600用光學顯微鏡觀察時呈黑色團狀組織，只有在電子顯微鏡5000~15000×下才能看出片層狀。35~40貝氏體型相變上貝氏體（B上）350~550在金相顯微鏡下呈暗灰色的羽毛狀特征40~48上貝氏體（B下）230~350在金相顯微鏡下呈黑色針葉狀特征。48~58馬氏體型相變馬氏體（M）<230在正常淬火溫度下呈細針狀馬氏體，過熱淬火時則呈粗大片狀馬氏體。60~654．各組織的顯微特征（1）索氏體（S）是鐵素體與滲碳體的機械混合物，其片層比珠光體更細密，在高倍（700倍以上）顯微放大時才能分辨。（2）屈氏體（T）也是鐵素體與滲碳體的機械混合物，片層比索氏體還細密，在一般光學顯微鏡下也無法分辨，只能看到如墨菊狀的黑色形態(tài)。當其少量析出時，沿晶界分布，呈黑色網(wǎng)狀，包圍著馬氏體；當析出量較多時，呈大塊黑色團狀，只有在電子顯微鏡下才能分辨其中的片層（見圖7-3）。（3）貝氏體（B）為奧氏體的中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，它也是鐵素體與滲碳體的兩相混合物。在顯微形態(tài)上，主要有三種形態(tài)；A．上貝氏體是由成束平行排列的條狀鐵素體和條間斷續(xù)分布的滲碳體所組成的非層狀組織（見圖7-4）。B．下貝氏體是在片狀鐵素體內(nèi)部沉淀有碳化物的兩相混合物組織。它比淬火馬氏體易受浸蝕，在顯微鏡下黑色針狀（見圖7-5）。在電鏡下可以見到，在片狀鐵素體基體中分布有很細的碳化物片，它們大致與鐵素體片的長軸成55~60°的角度。C．粒狀貝氏體是最近十幾年才被確認的組織。在低、中碳合金鋼中，特別是連續(xù)冷卻時（如正火、熱軋空冷或焊接熱影響區(qū)）往往容易出現(xiàn)，在等溫冷卻時也可能形成。它的溫度范圍大致在上貝氏體轉(zhuǎn)變漸度區(qū)的上部，由鐵素體和它所包圍的小島狀組織所組成。（4）馬氏體（M）是碳在α-Fe的過飽和固溶體。以馬氏體的形態(tài)按含碳量主要分兩種，即板條狀和針狀（見圖7-6、7-7）。A．板條狀馬氏體一般為低碳鋼或低碳合金鋼的淬火組織。其組織形態(tài)是由尺寸大致相聯(lián)系販細馬氏體條定向平行排列組成馬氏體束或馬氏體領域。在馬氏體束之間位向差較大，一個奧氏體晶粒內(nèi)可形成幾個不同的馬氏體領域。板條馬氏體具有較低的硬度和較好的韌性。B．針狀馬氏體是含碳量較高的鋼淬火后得到的組織。在光學顯微鏡下，它呈竹葉狀或針狀，針和針之間成一定的角度。最先形成的馬氏體較粗大，往往橫穿整個奧氏體晶粒，將奧氏體加以分割，使以后形成的馬氏體片的大小受到限制。因此，針狀馬氏體的大小不一。同時有些馬氏體有一條中脊線，并在馬氏體周圍有殘留奧氏體。針狀馬氏體的硬度高而韌性差。（5）殘余奧氏體（A殘）是含碳量大小0.5%的奧氏體淬火時被保留到室溫不轉(zhuǎn)變的那部分奧氏體。它不易受硝酸酒精溶液的浸蝕，在顯微鏡下呈白亮色，分布在馬氏體之間，無固定形態(tài)。如圖7-8表示為含碳1.3%的碳鋼加熱到1000℃淬火后，約有15%~30%的殘余奧氏體。如圖7-9表示為含碳1.2%的碳鋼正常淬火（780℃加熱），組織為馬氏體+粒狀滲碳體+少量殘余奧氏體。圖7-4上貝氏體+馬氏體圖7-3屈氏體+馬氏體圖7-4上貝氏體+馬氏體圖7-3屈氏體+馬氏體圖7-5下貝氏體圖7-6回火板條狀馬氏體圖7-5下貝氏體圖7-6回火板條狀馬氏體圖7-7針狀馬氏體圖7-8粗大的針狀馬氏體+大量殘余奧氏體圖7-7針狀馬氏體圖7-8粗大的針狀馬氏體+大量殘余奧氏體圖7-9馬氏體+粒狀滲碳體+少量殘奧氏體圖7-9馬氏體+粒狀滲碳體+少量殘奧氏體圖7-10回火馬氏體（黑色）+殘余奧氏體（白色）（6）鋼的回火組織與性能A．回火馬氏體。是低溫回火（150~250℃）組織。它仍保留了原馬氏體形態(tài)特征。針狀馬氏體回火析出了極細的碳化物，容易受到浸蝕，在顯微鏡下呈黑色針狀。低溫回火后馬氏體針變黑，而殘余奧氏體不變?nèi)猿拾琢辽ㄈ鐖D7-10）。低溫回火后可以部分消除淬火鋼的內(nèi)應力，增加韌性，同時仍能保持鋼的高硬度。B．回火屈氏體:是中溫回火（350~500℃）線織。回火屈氏體是鐵素體與粒狀滲碳體組成的極細混合物。鐵素體基體基本上保持了原馬氏體的形態(tài)（條狀或針狀），第二相滲碳體則析出在其中，呈極細顆粒狀，用光學顯微鏡極難分辨（如圖7-11）。中溫回火后有很好的彈性和一定的韌性。C．回火索氏體：是高溫回火（500~650℃）組織?；鼗鹚魇象w是鐵素體與較粗的粒狀滲碳體所組成的機械混合物。碳鋼回火索氏體中的鐵素體已經(jīng)通過再結(jié)晶，呈等軸細晶粒狀。經(jīng)充分回火的索氏體已沒有針的形態(tài)。在大于500倍的光鏡下，可以看到滲碳體微粒（如圖7-12）?；鼗鹚魇象w具有良好的綜合機械性能。應當指出，回火屈氏體、回火索氏體是淬火馬氏體回火時的產(chǎn)物，它們的滲碳體是顆粒狀的，且均勻地分布在鐵素體基體上；而