金屬材料學(xué)試驗指導(dǎo)書

1、金屬材料學(xué)實驗指導(dǎo)書工程材料實驗教學(xué)中心河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院學(xué)生實驗守則1、實驗前，必須仔細(xì)閱讀實驗指導(dǎo)書，熟悉實驗?zāi)康?、原理、方?和要求。2、到實驗室后，必須嚴(yán)格遵守實驗室的制度和紀(jì)律，遵守各項操作 規(guī)程。3、實驗時，應(yīng)集中注意力，認(rèn)真做好實驗。注意培養(yǎng)自己實事求是 的科學(xué)態(tài)度，如實記錄實驗數(shù)據(jù)。4、必須尊重指導(dǎo)教師的指導(dǎo)，注意人身安全，愛護(hù)儀器設(shè)備。如發(fā) 生事故，應(yīng)立即向指導(dǎo)老師報告。5、愛護(hù)公共財物，除本實驗所用的儀器外，不得動用其它設(shè)備。6、實驗完畢后，必須將實驗現(xiàn)場及儀器設(shè)備整理干凈，恢復(fù)原狀。 在實驗記錄送交指導(dǎo)老師檢查簽字后，經(jīng)指導(dǎo)老師同意，方可離開實驗 室。7、試驗

2、目的和要求，認(rèn)真仔細(xì)分析實驗數(shù)據(jù)，完成實驗報告，并在 規(guī)定時間內(nèi)送交指導(dǎo)老師批改。實驗一高速鋼及其顯微組織分析 錯誤!未定義書簽。實驗二 鑄鐵及其顯微組織分析 .6實驗三 有色金屬及其顯微組織分析 .10實驗一高速鋼及其顯微組織分析一、實驗?zāi)康模河^察及分析高速鋼在鑄態(tài)及正常熱處理、過熱、過燒等狀態(tài)下的顯微組織和缺陷，供分析高速鋼及其熱處理做參考。二、內(nèi)容說明：L+ai L+tt+YW+?*CLT+Ci心1土T+Ci心1土-U 5df看*島（安】圖1高速鋼變溫截面圖Fe-18%W-4%Cr-C系CI-MeC, C2-FesC1、高速鋼的鑄態(tài)組織：高速鋼因含有大量合金元素，雖然含碳量只有0.70.

3、8%,已屬萊氏體鋼，具結(jié) 品過程及鑄造組織很復(fù)雜。W18Cr4V高速鋼狀態(tài)圖可用圖1近似表示。當(dāng)W18Cr4V 鋼平衡凝固時，發(fā)生下列反應(yīng)：開始結(jié)晶時析出M高溫固溶體；冷到1400c發(fā)生L+6 一中勺包晶反應(yīng)；在1345c附近很窄的溫度范圍進(jìn)行L+6 一件M6c的包晶反應(yīng)，M6c指Fe3W3c類的復(fù)雜碳化物，當(dāng)冷速快，擴(kuò)散不夠充分，包品反應(yīng)來不及進(jìn)行，發(fā)生6 一十M6c的反應(yīng)，稱6共析反應(yīng)。在13301300c之間發(fā)生L-什M6c的共晶反應(yīng)，一直到完全凝固，形成由奧氏體和碳化物組成的共晶萊氏體，其中碳化物呈魚骨狀，骨骼之間為丫相。凝固后繼續(xù)冷卻時，由奧氏體中析出合金碳化物， 在870800c之

4、間發(fā)生L+ M6C-a的包析反應(yīng)，冷到 800c左右發(fā)生共析反應(yīng) 丫今M6C + Fe3C。實際上 W18Cr4V鋼在共晶結(jié)晶時還出現(xiàn) VC,并在隨后冷卻時，由奧氏體中析出 VC和 M 23C6型碳化物，在低溫下未發(fā)現(xiàn) Fe3c存在。在實際鑄錠凝固時，冷卻速度大于平衡冷卻，具包品反應(yīng)不能進(jìn)行完畢，仍 有部分6（高溫a）相被保留下來，在繼續(xù)冷卻時發(fā)生共析分解6-+M6C,隨后丫相再發(fā)生共析反應(yīng)。這種轉(zhuǎn)變產(chǎn)物金相形態(tài)呈黑色，稱為黑色組織”。丫相的共析反應(yīng)也可能被抑制而過冷到低溫，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體和殘余奧氏體，形成 白亮組織”。2、高速鋼的鍛造和退火：綜上分析，可知高速鋼的鑄態(tài)組織十分復(fù)雜且不均勻，由于

5、鑄態(tài)組織中存在 粗大、很脆、硬度約為HV9001000魚骨狀共晶碳化物，嚴(yán)重割裂了基體，必須 經(jīng)過鍛軋將其破碎，使其盡可能成為均勻分布的顆粒狀碳化物。高速鋼鍛造時應(yīng) 鍛粗拔長反復(fù)多次，鍛后其硬度較高（HRC3540）,不便于切削加工，應(yīng)進(jìn)行 退火。高速鋼的 AC1在820860c范圍，故退火溫度為 870880C ,彳溫23 小時，大部分合金碳化物未溶入奧氏體，此時奧氏體中合金元素含量不多，冷卻 時易轉(zhuǎn)變成粒狀珠光體和剩余碳化物。退火后W18Cr4V鋼的硬度約為HB207255,碳化物體積百分?jǐn)?shù)約為 30%,其中M6c為1619%, M23C6為9%, MC為 1.5 2%。3、高速鋼的正常淬

6、火及三次回火后的組織：正常淬火組織：高速鋼的優(yōu)越性只有在正確的淬火和回火之后才能發(fā)揮出來。 其淬火溫度較一般合金工具鋼要高得多。因為溫度越高，合金元素溶入奧氏體的 數(shù)量越多，淬火之后馬氏體的合金度亦越高。只有合金度高的馬氏體才有高的紅 硬性。對高速鋼紅硬性作用最大的合金元素 W （Mo）及V只有在1000c以上時， 其溶解量才急速增加。溫度超過 1300c時，各元素的溶解量雖還有增加，但奧氏 體晶粒急劇長大，甚至在晶界處發(fā)生溶化現(xiàn)象。因而，淬火鋼的韌性大大下降。 所以，在不發(fā)生過熱的前提下，高速鋼的淬火溫度愈高，具紅硬性愈好。由于高速鋼的導(dǎo)熱性差，而淬火溫度又極高，故常常分兩段或三段加熱。即

7、先在800850c預(yù)熱，然后再加熱至淬火溫度。大型及復(fù)雜的刃（工）具應(yīng)當(dāng)采 用兩次預(yù)熱，第一次在 500600 C ,第二次在800850C。淬火通常在油中進(jìn)行，或采用分級淬火法。高速鋼的正常淬火組織是2030%A+6065%M+K。經(jīng)810%硝酸酒精溶液侵蝕后，未溶的 K及A晶界顯露 出來，合金度較高的M呈白亮色。三次回火后的組織：為了消除淬火內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定組織，減少殘余奧氏體的數(shù) 量，達(dá)到所需的性能，高速鋼一般進(jìn)行三次 560c保溫1小時的回火處理。在150400c溫度范圍內(nèi)，約在270c自馬氏體中析出Fe3C,并聚集長大， 大部分淬火內(nèi)應(yīng)力消除，硬度下降，塑性增加。在400500c回火溫度

8、范圍內(nèi)，馬氏體中的Cr向碳化物中轉(zhuǎn)移，滲碳體型的 碳化物逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺浬⒌母?Cr的合金碳化物（M6C）,硬度又逐漸上升。在500600c之間，鋼的硬度、強(qiáng)度和塑性均有提高，而在在550570c可達(dá)到硬度、強(qiáng)度的最大值。在此溫度區(qū)間內(nèi)，自馬氏體中析出彌散的W2C、MO2C、 VC,使鋼的硬度大大提高，這種現(xiàn)象稱為二次硬化。與此同時，500600c之間，殘余奧氏體應(yīng)力松弛，且由其中析出了部分碳化物，使殘余奧氏體中合金元素及 碳含量下降，Ms升高。這種貧化的殘余奧氏體，在回火后的冷卻過程中，轉(zhuǎn)變?yōu)?馬氏體，使鋼的硬度提高，這種現(xiàn)象稱為二次淬火。由于高速鋼中殘余奧氏體數(shù) 量較多，經(jīng)一次回火后，仍有 1

9、0%的殘余奧氏體，再經(jīng)兩次回火，才能使其低于 5%0第一次回火只對淬火馬氏體起回火作用， 而回火冷卻過程中轉(zhuǎn)變成的馬氏體， 產(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力，經(jīng)第二次回火，可使二次馬氏體得到回火，同時，在回火過程 中未轉(zhuǎn)變的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，又會產(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力，就需要進(jìn)行第三次回火?；鼗鸷蟮慕M織為黑色的回火馬氏體、35%回火?；鼗鸷蟮慕M織為黑色的回火馬氏體、35%的殘余奧氏體、白色的碳化物4、高速鋼的缺陷組織：過熱組織：由于淬火溫度過高等原因，造成晶粒過大，溶入奧氏體的碳化物 較多，剩余碳化物數(shù)量減少，奧氏體的過飽和程度較大，淬火冷卻時會析出網(wǎng)狀 或半網(wǎng)狀碳化物，碳化物出現(xiàn)粘連、拖尾、角狀或沿晶界呈網(wǎng)狀分

10、布，這種現(xiàn)象 稱為過熱。過燒組織：淬火溫度接近鋼的熔化溫度，晶界熔化，出現(xiàn)萊氏體及 6共析體（黑色組織），稱為過燒。過燒是不可挽救的缺陷?；鼗鸩蛔悖夯鼗饻囟鹊突驎r間短，馬氏體分解不充分，且有部分殘余奧氏體 未轉(zhuǎn)變成馬氏體，故在試樣基體上的部分區(qū)域出現(xiàn)白亮色，或有少量晶界未完全 消失。奈狀組織：鍛造時停鍛溫度過高（10501100C）,或由于需返修而進(jìn)行二次 淬火，其間未經(jīng)退火造成的。具金相組織為粗大的晶粒，奈狀斷口呈閃光粗粒狀。 產(chǎn)生奈狀斷口的刀具，強(qiáng)度、韌性極低，是一種不可挽救的缺陷。三、實驗所用設(shè)備與材料：1、設(shè)備：金相顯微鏡2、材料：下列已制備好的金相樣品及圖片材料處理狀態(tài)顯微組織腐蝕劑

11、W18Cr4 V鑄態(tài)Ld+8共析體+M+A10%硝酸酒精溶液W18Cr4 V鍛造+退火S+K（粒狀）10%硝酸酒精溶液W18Cr4 V1280 c油淬60 65%M+20 一一 30%A +K10%硝酸酒精溶液W18Cr4 V過熱M+A +K （半網(wǎng)狀）10%硝酸酒精溶液W18Cr4 V過燒Ld+8共析體+M+A10%硝酸酒精溶液W18Cr4 V回火不足M+A +K10%硝酸酒精溶液W18Cr4 V正常淬火三次回 火M回+A少+ K10%硝酸酒精溶液W18Cr4 V重復(fù)淬火奈狀組織10%硝酸酒精溶液四、實驗步驟及結(jié)果分析：1認(rèn)真觀察全部金相試樣，聯(lián)系其化學(xué)成分、處理工藝進(jìn)行思考。2按規(guī)定完成電

12、子作業(yè)。3分析正常淬火組織、三次回火后的組織、過熱組織、過燒組織、回火不足、 奈狀組織形成的基本原理。4比較正常淬火組織與過熱、過燒組織的區(qū)別。實驗二鑄鐵及其顯微組織分析、實驗?zāi)康模?、了解各種鑄鐵的顯微組織特征。2、分析各種鑄鐵的基體與石墨的形狀，大小，數(shù)量及分布對鑄鐵性能的影 響。3、了解不同熱處理對鑄鐵組織和性能的影響。二、內(nèi)容說明：圖1鐵碳相圖在鐵一碳相圖中（圖1）,含碳量大于2.08%的部分叫鑄鐵。而碳在鑄鐵中 的存在形態(tài)有兩種，即化合態(tài)（碳化物）和自由態(tài)（石墨）,0按其組織和斷口特 征，前者稱為白口鐵，后者稱為灰口鐵。灰口鐵的組織中完全沒有一次滲碳體和萊氏體。 它基本上是由石墨加上

13、鋼一 樣的基體構(gòu)成，因而分析灰口鑄鐵組織的根據(jù)便是這兩方面：一是石墨的形狀、 大小、數(shù)量及分布狀況（石墨的特征可在未浸蝕的金相試樣磨光表面上觀察）；二是金屬基體組織（試樣經(jīng)浸蝕后觀察）。1、普通灰鐵：石墨的形狀主要是片狀以不同的方式分布在基體上。石墨的 存在對鑄鐵起著雙重作用，一方面劇烈地降低基體金屬的機(jī)械性能； 另一方面可 提高一些使用性能和工藝性能，如耐磨性，消震性和比較小的缺口敏感性。(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）圖2片狀石墨類型按石墨的形狀來說，普通灰口鑄鐵是片狀。片

14、狀石墨特別是細(xì)條狀的石墨， 能顯著降低金屬基體的機(jī)械性能。按石墨分布形式來說，它可以是細(xì)小均勻分布、 成群聚集分布（如菊花狀）、相互交錯或鏈狀沿枝晶之間分布等。生產(chǎn)上常按灰 口鑄鐵中石墨的形狀、大小及分布特征將其分為 A、B、C、D、E五種類型（如 圖2所示）oA型一石墨為均勻片狀，無方向性；B型一石墨片大小不同，分布不均勻，聚集在一起呈菊花狀；C型-石墨呈粗大片狀，不均勻分布，無方向性；石墨片的方D型-點狀或小片狀石墨分布在亞共品合金的奧氏體枝晶之間，石墨片的方向無規(guī)律;E型-其特征與D型相近，也是片狀石墨分布在奧氏體樹枝晶之間，與 D 型的區(qū)別在于石墨片有一定的方向性。我們希望石墨是細(xì)小均

15、勻分布，因為細(xì)小均勻的石墨降低金屬基體的機(jī)械性 能較小。石墨呈枝晶間偏析狀分布（晶間分布）時，最不受歡迎，因為它大大降 低鑄鐵的耐磨性，并易于形成裂紋?；铱阼T鐵的基體組織有三種：鐵素體基體；珠光體基體；鐵素體+珠光體基 體。一般來說鐵素體基體塑性較好，而珠光體基體鑄鐵強(qiáng)度較高。2、可鍛鑄鐵：是把合乎一定要求的白口鐵，經(jīng)石墨化退火得到的，具組織 特征是石墨呈團(tuán)絮狀分布?；w也分為三種，其中最常用的是鐵素體基體的可鍛 鑄鐵，因為它具有較好的塑性。3、球墨鑄鐵：是把一定成分的鐵水加入少量球化劑（鎂或鎂-稀土合金） 和孕育劑（硅鐵），使鐵水中的石墨呈球狀析出而制成。因球狀石墨對基體的割 裂作用較輕，割

16、裂的圓形缺口應(yīng)力集中也最小，故其強(qiáng)度、塑性及韌性都比較好。 通過控制鑄造及熱處理工藝可以控制基體組織。常用的是珠光體基體或除珠光體 以外同時還存在少量鐵素體的組織。在鑄鐵中還會有磷共晶組織，這是由于鑄鐵中含磷較多，磷在鐵中溶解度很 小，且隨含碳量的增加還要減小，故不可避免要出現(xiàn)磷共晶組織（Fe3P-Fe3C-聽e）, 磷共晶組織一般呈白亮棱角塊狀， 性質(zhì)硬而脆。在鑄鐵中含有適量磷共晶時，能 提高其耐磨性，但會增加鑄鐵的脆性。三、實驗所用設(shè)備與材料：1、設(shè)備：金相顯微鏡2、材料：下列已制備好的金相樣品及圖片材料處理狀態(tài)顯微組織腐蝕劑灰鐵鑄態(tài)P+G （片）4%硝酸酒精溶液灰鐵鑄態(tài)P+F+G （片）

17、4%硝酸酒精溶液可鍛鑄鐵（F基）退火F+G（團(tuán)絮）4%硝酸酒精溶液可鍛鑄鐵（P基）退火P+G（團(tuán)絮）4%硝酸酒精溶液球鐵正火F+G（球）4%硝酸酒精溶液球鐵正火P+G（球）4%硝酸酒精溶液球鐵正火P+F+G（球）4%硝酸酒精溶液球鐵等溫淬火B(yǎng)（下）+G（球）+A（殘）4%硝酸酒精溶液高磷鑄鐵鑄態(tài)P+G+磷共晶4%硝酸酒精溶液四、實驗步驟及結(jié)果分析：1認(rèn)真觀察全部金相試樣，聯(lián)系其化學(xué)成分，處理工藝進(jìn)行思考。2按規(guī)定完成電子作業(yè)。3試述石墨形態(tài)對鑄鐵性能的影響？4與灰鐵和可鍛鑄鐵相比，為什么球鐵的機(jī)械性能較高？實驗三有色金屬及其合金顯微組織分析、實驗?zāi)康模貉芯裤~、鋁和軸承合金的顯微組織及這些合金的

18、成分、加工過程和組織之間 的關(guān)系。、內(nèi)容說明:1銅合金 銅：在脫氧不十分良好的銅中，組織上可以看到與銅形成共晶混合物的CU2O,當(dāng)大量的Cu、CU2O的共晶分布在銅的晶界上時，會使銅變脆。圖1圖1銅鋅二元合金相圖銅端圖2銅鋁二元合金相圖銅端銅鋅合金相圖如圖1所示，銅鋅組織圖中，華區(qū)域中各種成分的銅鋅合金(a黃銅)在鑄態(tài)下其顯微組織是 a固溶體。經(jīng)長時間退火后具有多邊晶體組織， 微量變形會產(chǎn)生滑移，并在退火后產(chǎn)生李晶組織。a +黃銅的組織，用FeCl2和NH40H腐蝕時，a仍保持光亮的顏色，而 0 則變黑，a和B的量的比例決定于合金的成分。銅錫合金 鑄造的a青銅具有樹枝狀組織，經(jīng)700-750C

19、長時間退火，可 以使樹枝消除而形成均勻的多邊形晶粒的組織。錫的含量超過溶解極限的合金(1432%)具有共析的組織，即成分在單相區(qū)，如大于 6%的含錫量，在鑄造 的狀態(tài)下也有共析的組織。共析體呈彎曲夾雜物形式分布在枝晶的中間，用 8% 的CuCl3的氨水溶液浸蝕時共析體顯示的不清楚， 但能很好地顯示出a固溶體的 樹枝狀，當(dāng)用10克FeCl3+100mlH2O的溶液浸蝕時，共析體能很清楚地顯示出來。銅鋁合金相圖如圖2所示，含A110%的合金中，除a固溶體外，同時還存 在著共析組織，用10克FeC13+25m1HC1+100m1H2O的溶液浸蝕后低倍顯微鏡下 觀察，a固溶體是亮的，共析體（a+領(lǐng)是黑

20、的。高倍顯微鏡下觀察，共析體與 鋼中的索氏體相似。10%A1的銅鋁合金經(jīng)930c水中淬火后的組織是針狀的馬氏 體。2鋁合金 鋁硅合金的相圖如圖3所示， 含硅10%-13%的鋁硅合金未經(jīng)變質(zhì)的 組織是粗大針狀的硅分布在 a固溶體的基體上，經(jīng)變質(zhì)后其組織是樹枝狀的a固溶體分布在細(xì)小的共晶（a Si）基體上。鋁硅二元合金相圖未變質(zhì)處理變質(zhì)處理硬鋁的成分是 3.84.8%Cu, 0.40.8%Mg, 0.4 0.8%Mn,其余為鋁。硬鋁經(jīng)360c退火后的組織是在a固溶體的基體（亮底）上分散著CuA13、S相、Mg2Si、FeA13、A16Mn及FexAlySiz等相。前三相在加熱時溶于固溶體，冷 卻時由固溶體內(nèi)析出，呈細(xì)小的夾雜物，而后三相不溶于固溶體，呈速達(dá)的夾雜 物。硬鋁經(jīng)510c水中淬火和自然時效后的組織是在固溶體的基體（亮底）上分布著未溶于鋁中的A16Mn、FeA13和FexAlySiz相（顯微組織呈黑點夾雜物）。硬鋁在淬火前若溫度過高，例如加熱至 550C,組織上由于過熱，則有一部 分易熔的化合物在晶界上發(fā)生熔化和氧化。3軸承合金錫基巴氏軸承合金，其成分是 83%Sn, 11%Sb, 6%Cuo組織是在a固溶 體（黑色的底）的基