金相檢驗(yàn)課件第一次授課

1、金相檢驗(yàn)任課教師：鞠紅民聯(lián)系方式相金相是指金屬或合金的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即金屬或合金的化學(xué)成分以及各種成分在合金內(nèi)部的物理狀態(tài)和化學(xué)狀態(tài)。（金屬相結(jié)構(gòu)）相：是指合金中結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均一、并以相界面相互分開的組成部分。材料用途材料用途 制備制備/ /合成與加工合成與加工材料性能材料性能成分成分/ /組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)材料科學(xué)與工程四要素材料科學(xué)與工程四要素 為了更好的使材料滿足使用性能，需要從其他三個(gè)基礎(chǔ)方面對(duì)材料進(jìn)行改進(jìn)，以滿足使用性能，此時(shí)就需要對(duì)所得材料的內(nèi)部成分/結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，依據(jù)材料的現(xiàn)有性能對(duì)材料進(jìn)行評(píng)價(jià)，并通過對(duì)材料的合成和加工工藝的改進(jìn)，使材料達(dá)到相應(yīng)的用途

2、。導(dǎo)論金相學(xué)史話金相學(xué)史話英文金相學(xué)Metallography這一名詞在1721年首次出現(xiàn)于牛津新英語字典中，不過那時(shí)這個(gè)名詞的含義是金屬及其性能的學(xué)問，并未涉及組織結(jié)構(gòu)。十九世紀(jì)中葉，轉(zhuǎn)爐（1856）及平爐（1864）煉鋼新方法相繼問世，鋼鐵價(jià)格顯著下降，產(chǎn)量猛增。那時(shí)又正大事興建鐵路，鐵軌用量很大，斷裂事故也屢見不鮮。生產(chǎn)實(shí)際的需要促進(jìn)了對(duì)鋼鐵的斷口、低倍及內(nèi)部顯微組織結(jié)構(gòu)的研究。另一方面，晶體學(xué)在這個(gè)時(shí)期也有了長足的進(jìn)展，如32個(gè)晶類（1830）及14個(gè)布喇菲點(diǎn)陣（1849）的建立，這為研究礦物與金屬的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)奠定了理論基礎(chǔ)。到了十九世紀(jì)末，金相這一名詞也就獲得了新的意義，并與金屬與

3、合金的顯微組織結(jié)構(gòu)結(jié)下了不解之緣，金相顯微鏡也就成為研究金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的重要工具。后來金相研究的領(lǐng)域逐步擴(kuò)大，也就不再限于顯微鏡觀察了。1啟蒙階段在現(xiàn)代煉鋼方法出現(xiàn)之前，在十八世紀(jì)時(shí)歐洲是主要產(chǎn)鋼國家。在瑞典出現(xiàn)了一些著名的化學(xué)家，首先發(fā)現(xiàn)了鎳、鈷、錳、鉬、鎢等金屬元素。Bergman首先用化學(xué)分析方法證明碳含量不同是鋼、鍛鐵和鑄鐵的主要區(qū)別。Rinman在1774年在瑞典皇家科學(xué)院院報(bào)上發(fā)表了一篇題為“鐵與鋼的腐刻”的論文，指出“不同類型的鐵與鋼的硬度、致密度、性能均勻與否等均有差異，腐刻為區(qū)別它們提供了一種簡易的方法”。但是，這種用化學(xué)試劑腐刻金屬顯示其內(nèi)部組織的方法尚未采用制片及拋光技

4、術(shù)，僅限于觀察鋼鐵產(chǎn)品的表面組織。AloysvonWidmansttten（以下簡稱魏氏）在1808年首先將鐵隕石（鐵鎳合金）切成試片，經(jīng)拋光再用硝酸水溶液腐刻，得出圖1的組織。圖1.鐵隕石腐刻后直接復(fù)印的魏氏組織2創(chuàng)建階段1863年英國的H.C.Sorby（以下簡稱索氏）首次用顯微鏡觀察經(jīng)拋光并腐刻的鋼鐵試片，從而揭開了金相學(xué)的序幕。他在鍛鐵中觀察到類似魏氏在鐵隕石中觀察到的組織，并稱之為魏氏組織。后來他又進(jìn)一步完善了金相拋光技術(shù)，例如把鋼樣磨成0.025毫米的試片，并在攝影師的協(xié)助下拍攝了鋼與鐵的顯微像，基本上搞清了其中的主要相，并對(duì)鋼的淬火、回火等相變作了到現(xiàn)在看來還基本上是正確的解釋。

5、索氏是國際公認(rèn)的金相學(xué)創(chuàng)建人，他的姓氏還被用來命名鋼中的一種淬火或回火組織-Sorbite，即索氏體。金相學(xué)史話金相學(xué)史話3發(fā)展階段德國的AdolfMartens（以下簡稱馬氏）和法國的Osmond分別在1878及1885年獨(dú)立地用顯微鏡觀察鋼鐵的顯微組織。他們都是與鋼鐵生產(chǎn)與使用有關(guān)的工程師。馬氏在東普魯士鐵路局工作十年，修建橋梁，在這期間他利用業(yè)余時(shí)間，進(jìn)行鋼鐵的金相觀察。Osmond曾在法國的著名合金鋼廠Creusot（鄧小平當(dāng)年曾在這家鋼廠做工）工作十年，從1880年起這個(gè)鋼廠就開始了金相檢驗(yàn)。馬氏是一位嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼y(tǒng)金相學(xué)家，他人為是金相學(xué)家的任務(wù)是改進(jìn)金相試驗(yàn)方法，進(jìn)行細(xì)致觀察，認(rèn)真記

6、錄，少做推論。他身體力行的，一方面與蔡司光學(xué)儀器廠合作設(shè)計(jì)適于金相觀察的顯微鏡（這對(duì)金相技術(shù)的普及推廣起了很大的作用），另一方面對(duì)鋼鐵的金相進(jìn)行了大量的系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)了低碳鋼的時(shí)效變脆現(xiàn)象。由于他過于強(qiáng)調(diào)觀察細(xì)節(jié)，論文有時(shí)顯得煩瑣，在理論分析方面建樹不多。但是，馬氏在改進(jìn)和推廣金相技術(shù)方面起了很大的作用。他認(rèn)為金相檢驗(yàn)是最重要的檢驗(yàn)方法之一，其重要性決不亞于化學(xué)成分分析。為了紀(jì)念馬氏在改進(jìn)和傳播金相技術(shù)方面的功績，Osmond在1895年建議用他的姓氏命名鋼的淬火組織-Martensite，即馬氏體。金相學(xué)史話金相學(xué)史話Osmond是金屬學(xué)或物理冶金方面的一位偉大科學(xué)家。首先，在實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面他

7、不限于金相觀察，而是把它與熱分析、膨脹、熱電動(dòng)勢(shì)、電導(dǎo)等物理性能試驗(yàn)結(jié)合起來。這在當(dāng)時(shí)不能不說是一種創(chuàng)舉，把金相技術(shù)擴(kuò)大到更廣泛的范疇里去，這在后來已成為金屬學(xué)的傳統(tǒng)研究方法。其次，在理論分析方面他也不限于顯微組織結(jié)構(gòu)，而是把它與化學(xué)成分、溫度、性能結(jié)合在一起，注意研究它們之間的因果關(guān)系。換句話說，他把金相學(xué)從單純的顯微鏡觀察擴(kuò)大、提高成一門新學(xué)科。從這個(gè)角度來看，Osmond的貢獻(xiàn)是非常卓越的。4展望金相學(xué)的誕生已經(jīng)一個(gè)多世紀(jì)了，并已成為一門成熟的學(xué)科。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，金相學(xué)也在不斷充實(shí)新的內(nèi)容和擴(kuò)大它的領(lǐng)域。從光學(xué)顯微鏡分析發(fā)展到電子顯微鏡分析。電子顯微鏡的分辨率高、放大倍數(shù)高，利于斷

8、口分析。結(jié)合電子衍射可將形貌觀察以及結(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來，便于鑒定物相；同時(shí)，對(duì)于晶體的缺陷（層錯(cuò)、位錯(cuò)）以及某些材料的沉淀過程，也可通過電子顯微鏡觀察。未來金相分析，將從以下幾方面提升：1. 圖像分析便利化，可借助計(jì)算機(jī)軟件對(duì)晶粒尺寸、織構(gòu)等分析；2. 分析自動(dòng)化，借助相應(yīng)軟件以及與標(biāo)準(zhǔn)的金屬結(jié)構(gòu)分析，可生成相應(yīng)的報(bào)告，包括：圖像、數(shù)據(jù)和文字；3. 圖像可調(diào)節(jié)，畫面質(zhì)量改善。金相學(xué)史話金相學(xué)史話本門課的重要性材料學(xué)科：材料學(xué)科：材料分析的基礎(chǔ)，對(duì)材料在實(shí)際應(yīng)用以及材料性能的提高具有重要意義社會(huì)發(fā)展：社會(huì)發(fā)展：材料是一個(gè)國家科技進(jìn)步的有力保障，金相檢驗(yàn)材料在服役過程中事故分析具有重要作用。個(gè)人成長

9、：個(gè)人成長：對(duì)于材料研究以及材料研發(fā)，金相檢驗(yàn)是最簡單、最基礎(chǔ)的分析手段;對(duì)于從事基礎(chǔ)工業(yè)領(lǐng)域的工作人員而言，在對(duì)零件質(zhì)量分析時(shí)，常使用無損探傷以及金相檢驗(yàn)（質(zhì)檢員）課程結(jié)構(gòu)課程結(jié)構(gòu)一、金相檢驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)（第一單元，復(fù)習(xí)）二、金相檢驗(yàn)技術(shù)（第二單元，宏觀檢驗(yàn)技術(shù)、第三單元，微觀檢驗(yàn)技術(shù)包括制樣規(guī)范）三、金相檢驗(yàn)的具體應(yīng)用（第四十單元）四、拓展（第十一單元，失效分析）學(xué)習(xí)方法：學(xué)習(xí)方法：課程實(shí)踐性較強(qiáng)，理論內(nèi)容較少，圖片較多建議采用對(duì)比記憶法，注重特征，找準(zhǔn)區(qū)分的關(guān)鍵點(diǎn)上課規(guī)范上課規(guī)范考核方式：考核方式：閉卷（期末70、期中10）+平時(shí)成績（20、出勤+作業(yè)）上課紀(jì)律：上課紀(jì)律：不允許吃東西、手機(jī)

10、靜音（懲罰）、情侶注重場(chǎng)合第一單元第一單元 金相檢驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)金相檢驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)一、金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)（晶體、晶體結(jié)構(gòu)、晶體中的缺陷、合金、組元、合金的相結(jié)構(gòu)）二、鐵碳合金相圖（相圖、特征點(diǎn)、特征線、典型轉(zhuǎn)變、鐵碳合金的過程及其組織）三、鋼在加熱及冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變（加熱奧氏體形成過程、冷卻過冷奧氏體、珠光體、馬氏體、貝氏體、魏氏體）四、鋼的熱處理及其組織（退火、完全退火、不完全退火、球化退火、正火、淬火、回火）五、熱處理常見淬火缺陷（裂紋、淬火硬度不足）六、鋼中相似組織的鑒別（鐵素體與滲碳體、淬火托氏體與回火托氏體、鐵素體與殘余奧氏體、碳化物與殘余奧氏體、低碳板條狀馬氏體與羽毛狀上貝氏體、高碳片

11、狀馬氏體與針狀下貝氏體）一、金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)一、金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)晶體：晶體：原子在三維空間中有規(guī)律的周期重復(fù)排列的物質(zhì)。把構(gòu)成晶體的實(shí)際質(zhì)點(diǎn)抽象成純粹的幾何點(diǎn)（陣點(diǎn)陣點(diǎn)）陣點(diǎn)有規(guī)則的周期性重復(fù)排列構(gòu)成的空間幾何圖形稱為空間點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)（純金屬或理想狀態(tài)）一、金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)一、金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)晶體缺陷晶體缺陷實(shí)際金屬實(shí)際金屬（多晶體結(jié)構(gòu)、受結(jié)晶條件、壓力加工、原子熱運(yùn)動(dòng)）點(diǎn)缺陷：點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子線缺陷：線缺陷：空間上一個(gè)方向尺寸很長，另外兩個(gè)尺寸小面缺陷：面缺陷：空間上兩個(gè)方向尺寸很長，另一個(gè)尺寸小晶界、亞晶界合金：合金：兩種及兩種以上的金屬或非金屬經(jīng)熔煉

12、、燒結(jié)或其他方法組合而成的并具有金屬特性的物質(zhì)。組元：組元：組成合金最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)。相：相：合金中結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均一，并以晶界相互分開的組成部分。一、金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)一、金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)合金按相的晶體特點(diǎn)分類：固溶體固溶體是指溶質(zhì)原子溶入金屬溶劑的晶格中所組成的合金相。其結(jié)構(gòu)與溶劑相同。置換固溶體和間隙固溶體兩大類。金屬化合物金屬化合物：合金組元之間發(fā)生相互作用而形成的一種新相二、鐵碳合金相圖二、鐵碳合金相圖實(shí)際金屬的結(jié)構(gòu)工業(yè)使用的金屬材料主要是合金，是多晶體結(jié)構(gòu)，并存在各類晶體缺陷。鋼中基本相-Fe-FeFe3C鋼中的基本組織鐵素體（F）奧氏體（A）珠光體（P）滲碳體（F

13、e3C）馬氏體（M）貝氏體（B）魏氏體（W）萊氏體（Ld）二、鐵碳合金相圖二、鐵碳合金相圖相圖：相圖：表示合金系中的合金狀態(tài)與溫度、成分之間關(guān)系的一種圖解。u制訂熱加工和熱處理工藝u研究鋼鐵材料的成分、溫度、組織和性能關(guān)系的理論基礎(chǔ)u分析廢品產(chǎn)生和工件破壞的原因作用二、鐵碳合金相圖二、鐵碳合金相圖u工業(yè)純鐵u碳鋼： C：0.02182.11%C少于0.0218%共析鋼（0.77%C）亞共析鋼（0.02180.77%C）過共析鋼(0.772.11%C)u鑄鐵： C大于2.11%共晶鑄鐵（4.30%C）亞共晶鑄鐵（2.114.30%C）過共晶鑄鐵（4.306.69%C）FeFe3CFe-C合金的三

14、類典型材料二、鐵碳合金相圖二、鐵碳合金相圖純Fe的三種同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變-Fe-Fe-Fe 低于912，bcc結(jié)構(gòu)9121394，fcc結(jié)構(gòu)13941538，bcc結(jié)構(gòu)91213941538LFeFe-Fe3C相圖中的相二、鐵碳合金相圖二、鐵碳合金相圖FFe的三種固溶體（碳溶解在各種結(jié)構(gòu)固態(tài)鐵中）u鐵素體碳溶在-Fe中u-鐵素體碳溶解在-Fe中u奧氏體碳溶在-Fe中FeFe3C用或F表示用或A（Austenite）表示用表示Fe-Fe3C相圖中的相二、鐵碳合金相圖二、鐵碳合金相圖FeFe3Cu碳與鐵形成Fe3C、Fe2C等化合物鋼中的Fe3C稱滲碳體u鐵碳相圖一般以Fe- Fe3C表示正交晶系，結(jié)構(gòu)

15、復(fù)雜，硬脆相。Fe-Fe3C相圖中的相二、鐵碳合金相圖二、鐵碳合金相圖L+u 一般相圖中會(huì)給出單相區(qū)L+Fe3C5個(gè)單相區(qū)7個(gè)兩相區(qū)3個(gè)三相區(qū)FeFe3Cu只要按照相關(guān)規(guī)則即可填 出兩相區(qū)和三相區(qū)（即等溫水平線） + +LFe3C +LF+Fe3CF+Fe-Fe3C相圖中的相區(qū)組成二、鐵碳合金相圖二、鐵碳合金相圖FeFe3C包晶相圖，包晶反應(yīng)共晶相圖，共晶反應(yīng)類似于共晶相圖，共析反應(yīng)Fe-Fe3C相圖是基本相圖的組合二、鐵碳合金相圖二、鐵碳合金相圖三種等溫反應(yīng)u包晶反應(yīng)（1495）u共晶反應(yīng)（1148）u共析反應(yīng)（727） LB+HJ LC AEFe3CAS FPFe3CLFeFe3CF L0.53+0.09=A0.17L4.30=A2.11+Fe3CA0.77=F0.0218+Fe3CFe-Fe3C相圖中的等溫反應(yīng)二、鐵碳合金相圖二、鐵碳合金相圖uGS 線 ， A3溫度碳在奧氏體中溶解度線uPSK 線奧氏體中開始析出鐵素體或鐵素體全部溶入奧氏體的轉(zhuǎn)變線uES線， Acm溫度A1溫度線F+F+Fe3C+Fe3CLFeFe3CF共析反應(yīng)Fe-Fe3C相圖中的三條線二、鐵碳合金相圖二、鐵碳合金相圖二、鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程及其組織二、鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程及其組織（重要）（重要）課堂作業(yè)，一起完成