常用金属材料的显微组织观察

奥氏体十铁素体+(Cr,Fe)23C6
1Crl8Ni9 即 18-8 钢。它的碳含量较 低，因为碳不利于防锈；高的铬含量 是保证耐蚀性的主要因素；镍除了进 一步提高耐蚀能力以外，主要是为了 获得奥氏体组织。这种钢在室温下的 平 衡 组 织 是 奥 氏 体 十 铁 素 体 +(Cr ， Fe)23C6。为了提高耐蚀性以及其它 性能，必须进行固溶处理。
常用金属材料的显微组织观察
一、实验目的 1、观察各种常用合金钢，有色金属和铸铁的显微组织。 2、分析这些金属材料的组织和性能的关系及应用。 二、金属材料的显微组织观察及分析 1、几种常用合金钢的显微组织
合金钢依合金元素含量的不同，可分为三种：合金元素总量小于 5％的称为 低合金钢；合金元素为 5～10％的称为中合金钢；合金元素大于 10％的称为高合 金钢。
图 10 20CrMo 油淬 400×
退火铁素体和（Fe、Cr）7C3 型碳化物 颗粒
图 11 Cr17 退火 400×
奥氏体+碳化物
高锰钢的铸态组织通常是由 奥氏体、碳化物和珠光体所组 成，有时还含有少量的磷共 晶。碳化物数量多时，常在晶 界上呈网状出现。因此铸态组 织的高锰钢很脆，无法使用， 需要进行固溶处理。
一般合金结构钢、合金工具钢都是低合金钢。由于加入合金元素，铁碳相图 发生一些变动，但其平衡状态的显微组织与碳钢的显微组织并没有本质的区别。 低合金钢热处理后的显微组织与碳钢的显微组织也没有根本的不同，差别只是在 于合金元素都使 C 曲线右移(除 Co 外)，即以较低的冷却速度可获得马氏体组织。 16Mn 淬火后为马氏体组织，40Cr 钢调质处理后的显微组织是回火索氏体。GCrl5 钢(轴承钢)840℃油淬低温回火试样的显微组织，与 T12 钢 780℃水淬低温回火 试样的显微组织也是一样的，都得到回火马氏体＋碳化物十残余奥氏体组织。
图 16 高速钢退火 400×
3、不锈钢的显微组织
不锈钢是在大气、海水及其它侵蚀性介质条件下能稳定工作的钢种，大都属
于高合金钢，例如应用很广的 1Crl8Ni9 即 18-8 钢。它的碳含量较低，因为碳不
利于防锈；高的铬含量是保证耐蚀性的主要因素；镍除了进一步提高耐蚀能力以
外，主要是为了获得奥氏体组织。这种钢在室温下的平衡组织是奥氏体十铁素体
图 3 65Mn 等温淬火 200×
回火索氏体
30CrMnSi 特性：具有很高的 强度和韧性，淬透性较高，冷 变形塑性中等，切削加工性能 良好。有回火脆性倾向，横向 的冲击韧性差。焊接性能较 好。用途：多用于制造高负荷、 高速的各种重要零件，如齿 轮、轴、螺母等，也用于制造 耐磨、工作温度不高的零件， 变载荷的焊接构件，如高压鼓 风机的叶片、阀板以及非腐蚀 性管道管子
图 7 Cr12 淬火+回火 400×
退火后组织为铁素体与珠光 体组织。
珠光体+铁素体
图 8 35CrMo 退火 400×
回火索氏体
用于制造承受冲击、弯扭、高 载荷的各种机器中的重要零 件，如轧钢机人字齿轮、曲轴、 锤杆、连杆、紧固件，汽轮发 动机主轴、车轴，发动机传动 零件，大型电动机轴，石油机 械中的穿孔器，工作温度低于 400 摄氏度的锅炉用螺栓，低 于 510 摄氏度的螺母，化工机 械中高压无缝厚壁的导管（温 度 450~500 摄氏度，无腐蚀性 介质）等
图 12 ZGMn13 400× 2、高速钢的显微组织
高速钢的铸造状态下与亚共晶白口铸铁的组织相似。其中莱氏体由合金碳化 物和马氏体或屈氏体组成。莱氏体沿晶界呈宽网状分布，莱氏体中的碳化物粗大， 有骨架状，不能靠热处理消除，必须进行锻造打碎。锻造退火后高速钢的显微组 织是由 S 和碳化物所组成的。
高速钢优良的热硬性及高的耐磨性，只有经淬火及回火后才能获得。它的淬 火温度较高，为 1270～1280℃，以使 A 充分合金化，保证最终有高的热硬性。 淬火时可在油中或空气中冷却。淬火组织为 M、碳化物和残余奥氏休。由于淬火 组织中存在有较大量(25～30％)的残余 A，一般都进行三次约 560℃的回火。经 淬火和三次回火后，高速钢的组织为回火 M、碳化物和少量残余 A(2～3％)。
回火马氏体+点状碳化物
图 15 高速钢淬火+回火 400×
回火马氏体+点状碳化物
分析：退火后，组合更加均匀。 退火的目的是消除应力，降低 硬度，使显微组织均匀，便于 淬火。退火温度一般为 860～ 880℃。高速钢性：具有高硬 度、高耐磨性和高耐热性。 高速钢用途：用于制造各种切 削工具。如车刀、钻头、滚刀、 机用锯条及要求高的模具等。
铝硅合金是应用最广泛的一种铸造铝合金，典型的牌号为 ZLl02，含硅 11～ 13％，从 Al-Si 合金相图可知，其成分在共晶点附近，因而具有优良的铸造性能， 即流动性能好，产生铸造裂纹的倾向小。但铸造后得到的组织是粗大针状的硅晶 体和α固溶体所组成的共晶体及少量呈多面体状的初生硅晶体。粗大的硅晶体极 脆，因而严重地降低了合金的塑性和韧性。为了改善合金性能，可采用变质处理。 即在浇注前在合金液体中加入占合金重量 2～3％的变质剂（常用 NaF+ NaCl 的 钠盐混合物）。由于钠能促进 Si 的生核，并能吸附在硅的表面阻碍它长大，使合 金组织大大细化同时使共晶点右移，而原合金成分变为亚共晶成分，所以变质处 理后的组织由初生α固溶体和细密的共晶体(α+Si)组成。共晶体中的硅细小， 因而使合金的强度与塑性显著改善。
图 1 16Mn 淬火 400×
分析：16Mn 属于低碳钢，碳含 量<0.16%，正火后组织为 F+S。 在 400 倍显微镜下，索氏体基 本上不可分辨。16Mn 钢是目前 我国应用最广的低合金钢。广 泛应用于各种板材、钢管。
铁素体+索氏体
图 2 16Mn 正火 400×
下贝氏体
65Mn，锰提高淬透性，但 Mn 含量过大会导致过热现象。 特性：经热处理后的综合力学 性能优于碳钢，65Mn 钢板强 度、硬度、弹性和淬透性均比 65 号钢高。但有过热敏感性和 回火脆性。应用：用作小尺寸 各种扁、圆弹簧、座垫弹簧、 弹簧发条，也可制作弹簧环、 气门簧、离合器簧片、刹车弹 簧及冷拔钢丝冷卷螺旋弹簧。
分析：铸态下显微组织由由粗大针 状硅晶体和α固溶体（亮白色பைடு நூலகம்所 组成的共晶体以及初细小的初晶硅 构成，这种粗大的针状硅晶体严重 降低合金的塑性和韧性。
α 相+硅处晶+Si 晶体
图 19 铸铝（未变质处理） 400×
初生α+共晶体
分析：变质处理后的组织由 初生α固溶体枝晶(白亮)及 细的共晶体（黑色）组成， 由于共晶中的硅呈细小的圆 形颗粒，因而合金的强度和 塑性显著提高。
图 9 35CrMo 调质 400×
回火索氏体
20CrMo 淬透性较高，无回火脆 性，焊接性相当好，形成冷裂 的倾向很小，可切削性及冷应 变塑性良好。一般在调质或渗 碳淬火状态下使用，用于制造 在非腐蚀性介质及工作温度 低于 250℃、含有氮氢混合物 的介质中工作的高压管及各 种紧固件、较高级的渗碳零 件，如齿轮、轴等。
图 23 H62 铸态 200×
α相+退火孪晶
图 24 H62 退火 100×
α相+β相
锌基轴承合金，常用牌号 ZznA110-5 和 ZznAl9-1.5， 分别含有 5%铜、10%铝和 1.5% 铜、9%铝，余量为锌。其室 温组织为软基体α固溶体上 分布着硬质点β相。 性能：具有一定的力学性能 和优良的耐磨性，但硬度较 高，摩擦系数较大，线膨胀 系数较大。
图 20 铸铝（变质处理） 400×
铝青铜是铜和铝形成的合 金，含铝量一般不超过 11.5% ， 有 时 还 加 入 适 量 的 铁、镍、锰等元素，以进一 步改善性能。含铝量较少的 铝青铜可采用淬火或回火等 热处理手段进行强化。
α相
图 21 铝青铜 200×
锡青铜除了含有 3%～14%锡，
此外还常常加入磷、锌、铅
+(Cr，Fe)23C6。为了提高耐蚀性以及其它性能，必须进行固溶处理。为此加热
到 1050～1150℃，使碳化物等全部溶解，然后水冷，即可在室温下获得单一的
奥氏体组织。但是 1Crl8Ni9 在室温下的单相奥氏体状态是过饱和的，不稳定的，
当钢使用时温度到达 400～800℃的范围或者从较高温度，例如固溶处理温度下
图 17 不锈钢 400×
固溶处理指将合金加热到高 温单相区恒温保持，使过剩相 充分溶解到固溶体中后快速 冷却，以得到过饱和固溶体的 热处理工艺。
孪晶+奥氏体
图 18 不锈钢（固溶处理） 400× 4、几种常用有色金属的显微组织 （1）铝合金
应用十分广泛的铝合金主要分变形铝合金和铸造铝合金两类。依照热处理效 果又可分为能热处理强化的铝合金及不能热处理强化的铝合金。
冷却较慢时，(Cr，Fe)23C6 会从奥氏体晶界上析出，造成晶间腐蚀，使钢的强度 大大降低。目前，防止这种晶间腐蚀的途经有两条：一是尽量降低碳含量，但有
限度；二是加入与碳的亲和力很强的元素 Ti，Nb 等。因此出现了 1Crl8Ni9Ti、
0Crl8Ni9Ti 等及更复杂的牌号的奥氏体镍铬不锈钢。
等元素。是人类应用最早的
合金，至今已有约 4000 年的
使用历史。它耐蚀、耐磨，
有较好的力学性能和工艺性
能，并能很好地焊接和钎焊，
白色为α相,晶界处暗色组织为富锡
冲击时不产生火花。分为加 工锡青铜和铸造锡青铜。
图 22 锡青铜 400×
α相+β相
36～45％Zn 的黄铜具有α+ β两相组织，称为双相黄铜。 双相黄铜 H62 的显微组织中， α相呈亮白色，β相为黑色。 β相是以 CuZn 电子化合物为 基的有序固溶体，在低温下 较硬较脆，但在高温下有较 好的塑性，双相黄铜可以进 行热压力加工。
图 4 30CrMnSi 等温淬火 400×
回火索氏体
分析： 40Cr 钢是机械制造业 使用最广泛的钢之一。调质处 理后具有良好的综合力学性 能，良好的低温冲击韧性和低 的缺口敏感性。钢的淬透性良 好，切削性能较好，当硬度为 HB174～229 时，相对切削加工 性为 60%。该钢适于制作中型 塑料模具。
图 5 40Cr 调质 400×
索氏体+合金碳化物
经锻造的毛坯有较大的内应 力，硬度较高（477~653HB）， 难以切削加工，为了消除内应 力，改善切削加工性能，须进 行退火处理。Cr12 模具钢一般 采用等温球化退火工艺，加热 温度 830~850 ℃，保温时间 2~3h，等温 720~740℃，保温 3~4h，退火硬度 217~267HBS
马氏体
分析：16Mn 钢属于碳锰钢，碳 的含量在 0.16%左右。16Mn 钢 的合金含量较少，焊接性良好， 焊前一般不必预热。加入合金 元素锰，使 C 曲线右移，在淬 火处理后，组织为马氏体组织。 但由于 16Mn 钢的淬硬倾向比 低碳钢稍大，所以在低温下（如 冬季露天作业）或在大刚性、 大厚度结构上焊接时，为防止 出现冷裂纹，需采取预热措施。
图 6 Cr12 退火 400×
回火马氏体+残余奥氏体
一次硬化法淬火加热温度为 960~980℃，淬火冷却可采用 油冷、空冷或分级冷却，硬度 为 60~64HRC ， 回 火 可 选 择 160~400℃进行，一次硬化法 淬火加热温度为 1050~1100℃，淬火冷却可采 用油冷、空冷或分级冷却，硬 度为 40~60HRC，工件必须在 500~520℃，多次回火（ 3~4 次 ）， 钢 的 硬 度 又 升 高 到 60~63HRC。
莱氏体
分析：高速钢的铸造状态下与 亚共晶白口铸铁的组织相似。 其中莱氏体由合金碳化物和 马氏体或屈氏体组成。莱氏体 沿晶界呈宽网状分布，莱氏体 中的碳化物粗大，有骨架状， 不能靠热处理消除，必须进行 锻造打碎。锻造退火后高速钢 的显微组织是由索氏体和碳 化物所组成的。
图 13 高速钢铸态 400×
马氏体+残余奥氏+点状碳化物
分析：高速钢优良的热硬性及 高的耐磨性，只有经淬火及回 火后才能获得。它的淬火温度 较高，为 1270～1280℃，以使 奥氏体充分合金化，保证最终 有高的热硬性。淬火时可在油 中或空气中冷却。淬火组织为 马氏体、碳化物和残余奥氏 体。
图 14 高速钢淬火 400×
分析：由于淬火组织中存在有 较 大 量 (25 ～ 30 ％ ) 的 残 余 奥 氏体，一般都进行三次约 560℃的回火。经淬火和三次 回火后，高速钢的组织为回火 索氏体、碳化物和少量残余奥 氏 体 (2 ～ 3 ％ ) 。 有 时 为 了 方 便，节约成本，可通过正火处 理。