实验五、常用金属材料组织观察及分析

实验五、常用金属材料组织观察及分析
一、实验目的：
1、观察及研究常用的几种合金材料的显微组织的特征。

2、了解及掌握它们铸造、加工、热处理状态下组织及性能之间的关系。

二、实验说明：
这里主要介绍铸铁、合金钢、铜合金、铝合金及轴承合金，它们的应用也较广泛有必要进行深度的了解。

三、实验内容：
（一）铸铁
1、白口铸铁：
白口铸铁的碳以结合态（渗碳体的形式）存在，断口呈银白色。

其组织特征是没有石墨而有莱氏体组织。

根据含碳量可将白口铸铁分为亚共晶、共晶、过共晶白口铸铁。

（1）亚共晶白口铸铁：
含碳量大于2.06，小于4.30%的白口铸铁称为亚共晶白口铸铁，其显微组织含有由初生树枝状的奥氏体转变成的珠光体、共晶莱氏体及二次渗碳体。

再显微镜下看到的暗黑色树枝状的为珠光体，白底上分布细小暗黑色的散粒状的为莱氏体，而二次渗碳体则与莱氏体中的渗碳体相互混杂，而难于分辨。

（2）、共晶白口铸铁：
含碳量等于4.30%的白口铸铁称为共晶白口铸铁，其显微组织为100%的莱氏体，它是渗碳体与珠光体的机械混合物，其中黑色细点状或短条状是珠光体，而白色的基体为渗碳体。

（3）、过晶白口铸铁：
含碳量大于4.30%的白口铸铁称为过共晶白口铸铁，其显微组织由一次渗碳体和莱氏体组成。

其中粗大的白亮条状为一次渗碳体，白底上分布细小暗黑色的散粒状的为莱氏体。

2、灰口铸铁：
灰口铸铁中的碳以游离状态（石墨）存在，断口呈灰色。

其组织由金属基体和无方向分布的片状石墨组成。

金属基体可以是铁素体、珠光体及珠光体加铁素体的混合基体三种。

石墨在未经浸蚀的试样即可观察到，而基体则需用2—4%的硝酸酒精浸蚀才能识别。

3、麻口铸铁：铸铁在结晶过程，由于受到冷却条件的影响，使其具有灰口铸铁和白口铸铁的组织特征，其组织中具有石墨又有莱氏体。

4、球墨铸铁：
球墨铸铁中的碳同样以游离状态存在，但石墨呈球状分布，组织是由金属基体和球状石墨组成。

金属基体同样是铁素体、珠光体及铁素体加珠光体的混合基体三种。

5、可锻铸铁：
可锻铸铁也称马铁或展性铸铁，它是由白口铸铁经可锻化退火而得到，石墨呈团絮状。

金属基体同样是铁素体、珠光体及铁素体加珠光体的混合基体三种。

此外，随着工农业生产的各种不同需求，结合各地资源特点，还有各种合金铸铁。

例如：耐磨铸铁、耐热铸铁和耐腐蚀铸铁等。

铸铁中，如果含磷较高，磷常以Fe3P的形态与铁素体和渗碳体形成硬而脆的磷共晶，磷共晶熔点低，常沿晶界呈连续网状或断续网状分布。

磷共晶主要有三种类型：
a、二元磷共晶：其特征是在Fe3P的基体上分布着粒状的奥氏体产物。

b、三元磷共晶：其特征是在Fe3P的基体上分布着成规则排列的奥氏体分解产物，颗粒状、细条状的渗碳体。

C、复合磷共晶：其特征是在二元及三元磷共晶的基体上镶有条状渗碳体。

铸铁的金相评级标准可参考部标。

通常石墨按形状、大小、分布进行评级，放大倍数为100倍；金属基体评级，放大400—500倍；磷共晶评级，放大100或500倍。

（二）、合金钢
高速钢
1、铸造组织：
高速钢为莱氏体钢，亦是自行淬火钢，加热后空冷即可得到马氏体。

在铸造状态下的组织为鱼骨状的莱氏体、中心黑色为δ共析体及白亮的马氏体及残余奥氏体。

2、退火之后的组织：
高速钢要通过锻造打碎粗大的碳化物，为改善碳化物的不均匀性，锻造比要很大，锻造比越大碳化物分布越均匀。

锻造之后要进行锻后退火，退火温度为860—880℃保温之后以15—20／h冷至500—550℃出炉，为了缩短退火时间可采用等温退火工艺。

后的组织为退火退火索氏体及碳化物。

高速钢铸态高速钢锻后退火淬火组织；
W18Cr4V钢淬火温度为1260—1280℃，淬火前必须先经过800—860℃一次预热或600—660℃预热后再经800—860℃预热后的二次预热。

淬火加热时间按有效厚度8—12秒／mm 计算（盐炉），预热时间按加热时间的二倍计算。

高速钢的冷却可以采用预冷后直接淬火（油冷），或采用580—620℃分级淬火，对型状复杂及细长易变形的工件可采用240—280℃等温淬火。

直接淬火和分级淬火组织：马氏体+残余奥氏体（20—25％）+碳化物。

等温淬火组织；贝氏体+马氏体+残余奥氏体+碳化物。

3、回火组织：
为了消除淬火应力，稳定组织，减少残余奥氏体含量增加硬度达到所须性能，高速钢一般进行560℃保温1小时的三次回火处理。

回火组织：回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体。

高速钢1280℃淬火未回火高速钢1280℃淬火560℃三次回火特殊性能钢
按钢的性能分为；不锈耐酸钢、耐热钢、硅钢及磁钢，耐磨钢。

（这里介绍不锈耐酸钢）
（1）奥氏体不锈钢是目前工业应用最广泛的不锈耐酸钢、它以铬镍为主要元素，铬在钢中主要产生钝化作用，提高材料的电极电位使钢的抗蚀性加强，镍的加入用于扩大γ相区及降低Ms点，以保证室温下得到单一的奥氏体组织。

典型钢号1Cr18Ni9和1Cr18Ni9Ti。

热处理工艺：1Cr18Ni9钢采用固溶处理、即加热到1050—1100℃、使Cr23C6完全溶入奥氏体、然后水冷，防止Cr23C6在晶界析出。

1Cr18Ni9Ti采用850—870℃保温6小时的稳定化处理。

金相组织：1Cr18Ni9固溶处理组织为单相奥氏体，1Cr18Ni9Ti稳定化处理组织为奥氏体+
碳化物。

1Cr18Ni9Ti固溶处理
（三）、有色合金
1、铝合金介绍：
铝合金分为铸造铝合金及变形铝合金两大类，而铝合金又可分为可热处理强化的铝合金和不能热处理强化的铝合金。

（1）、铸造铝合金有Ai—Si、Ai—Cu、Ai—Mg、Ai—Zn、Ai—Re等，铸造铝合金主要以铝硅合金为主。

最常用的是铝—硅系合金（含10—13%Si）常称“硅铝明”由Ai—Si合金相图可知该合金成分在共晶点附近，所以组织由共晶体（α+Si针状）及少量的呈多面体的初生硅晶体所组成。

共晶中粗大的针状使合金的塑性下降，通常采用“变质处理”来改善合金的性能。

经变质处理后的合金，不仅组织细化，还可以得到树枝状的α固溶体和细密共晶体组成的亚共晶组织。

这样的组织提高了合金的强度和塑性。

未经变质处理：Si粗+（α+Si针状）共晶经变质处理：α+（α+Si点状）共晶
2、铜合金：
铜合金简介；
最常用的铜合金有黄铜及青铜（锡青铜、铍青铜、铝青铜等）
黄铜（Cu—Zn合金）：
由相图可知Zn＜39%的黄铜组织为单相的α固溶体，称为单相黄铜或α黄铜，单相黄铜H70经变形退火后，其α晶粒呈多边形的块状组织，并存在大量的退火孪晶。

单相黄铜具有良好的塑性，可进行各种冷变形。

含量在39—45%的Zn的黄铜，具有α+β′两相组织，被称为双相黄铜。

从图（5—2）可知双相黄铜H62的显微组织中α呈白亮色，βˊ为黑色。

βˊ相是以CuZn电子化合物为基础的有序固溶体。

再较低温度下较硬较脆，但在高温下有较好的塑性，所以双相黄铜只能进行热加工。

H70经变形退火后的组织：单相αH60铸态组织：α+β
H60变形退火后的组织：α+β锡基轴承合金：α+β+Cu3Sn及Cu6Sn5
3、轴承合金：
轴承合金简介；
锡基巴氏合金和铅基巴氏合金是最早使用的轴承合金，现在仍广泛使用。

从组织上看它们都有一个共同的特点，再软基体上分布着硬质点。

硬质点主要支撑负荷，软基体主要保证镶藏性和顺应性的要求。

锡基巴氏合金是轴承合金中应用最多的一种巴氏合金。

它含锡83%，含锑11%，含铜6%。

按照Sn—Sb相图（5—4）合金组织中主要有以Sb溶于Sn中的α固溶体为软基体和以Sn—Sb 为基的有系固溶体β′相为硬质点。

为了消除由于β′相比重小易上浮所造成的比重偏析，再合金中加入6%的Cu形成Cu3Sn或Cu6Sn5的化合物，这些化合物再合金冷却时最先结晶成
树枝状晶体，能阻止βˊ的上浮而获得较均匀的组织。

例如ZChSnSb11—6合金的显微组织，暗黑色基体为软的α相，白色方块为硬的βˊ相，而白色枝状及点状则为Cu3Sn及Cu6Sn5，它们其到硬质点的作用。

这种软基体硬质点的混合组织能保证轴承合金具有必要的强度、塑性、韧性、镶藏性和顺应性，以及良好的抗震性及减磨性等。

锡基轴承合金：α+β+Cu3Sn及Cu6Sn5
四、实验报告要求：
1、仔细观察全套金相显微试样的组织。

2、绘出各类铸铁（灰口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁）的组织图。

3、绘出高速钢1280℃淬火、560℃三次回火，的显微组织，
4、绘出ZChSnSb11—6轴承合金的显微组织
在图中用箭头标出各组织，并在图的下方注明：材料、状态、组织、放大倍数、浸蚀剂等条件。