常见金属材料的组织与性能分析

常用金属材料的组织与性能分析

一、实验目的：

1、观察和研究各种不同类型常用金属材料的显微组织特征。

2、掌握成分、显微组织对性能的影响关系。

二、实验设备与材料：

金相显微镜（MC006 4XI ）视频图像处理金相显微镜（4XC-ST）计算机（成像、分析软件）常用金属材料的标准金相试样

三、实验前思考问题：

1、铁碳合金相图，不同碳钢的组织变化及其显微组织特征

2、实验五钢的热处理，同一种钢材，不同的热处理下为什么性能出现较大

的变化。

3、常用的金属材料有哪些。

四、实验内容：

1、铁碳合金的平衡组织观察铁碳合金的平衡组织是指铁碳合金在极为缓慢的冷却条件下（如退火）得到的组织。可以根据Fe—Fe3C 相图来分析其在平衡状态下的显微组织。铁碳合金主要包括碳钢和白口铸铁，其室温组成相由铁素体和渗

碳体这两个基本相所组成。由于含碳量不同，铁素体和渗碳体的相对数量、析

出条件及分布状况均有所不同，因而呈现不同的组织形态。

各种铁碳合金在室温下的显微组织

铁碳合金在金相显微镜下具有下面四种基本组织：

铁素体（F）是碳溶解于α-Fe中的间隙固溶体。工业纯铁用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的等轴晶粒；亚共析钢中铁素体呈白色块状分布；当含碳量接近共析成分时，铁素体则呈现断续的网状分布于珠光体周围。

渗碳体（Fe3C）是铁与碳形成的金属间化合物，其含碳量为6.69%，质硬而脆，耐蚀性强，经4%硝酸酒精浸蚀后，渗碳体任呈亮白色，而铁素体浸蚀后呈灰白色，由此可区别铁素体和渗碳体。渗碳体可以呈现不同的形态：一次渗碳体直接由液体中结晶出，呈粗大的片状；二次渗碳体由奥氏体中析出，常呈网状分布于奥氏体的晶面；三次渗碳体由铁素体中析出，呈不连续片状分布于铁素体晶界处，数量极微，可忽略不计。

珠光体（P）是铁素体和渗碳体呈层片状交替排列的机械混合物。经4％硝酸酒精浸蚀后，在不同放大倍数的显微镜下可以看到具有不同特征的珠光体组织。当放大倍数较低时，珠光体中的渗碳体看到的只是一条黑线，甚至珠光体片层因不能分辨而呈黑色。

莱氏体（Ld′）在室温时是珠光体和渗碳体组成的机械混合物。其组织特征是在亮白色渗碳体基底上相间地分布着暗黑色斑点及细条状珠光体。

根据含碳量及组织特点的不同，铁碳合金可分为工业纯铁、钢和铸铁三大类。其中钢又可分为亚共析钢、共析钢和过共析钢三种，亚共析钢随着含碳量的增加，铁素体的数量逐渐减少而珠光体的数量则相应的增加；铸铁又可分为亚共晶白口铁、共晶白口铁和过共晶白口铁三种。各类铁碳合金的平衡组织如图所示。

过共晶白口铸铁（ 400X ） 对于铁碳合金的平衡组织观察，我们选用工业纯铁、 45 钢、 T8、 T12、 亚共晶白口铸铁、 共晶白口铸铁、 过共晶白口铸铁的标准金相试样进行观察

比较。试样编号分别为： 1、3、5、6、8、9、10

2、铁碳合金的非平衡组织观察

碳钢在不平衡状态即快冷条件下的显微组织不能用铁碳合金相图来分

析，应由过冷奥氏体等温转变曲线图— C 曲线确定。

不同冷却条件， 过冷奥氏体在不同的温度范围发生不同类型的转变， 其 转变产物的组织形态各不相同。

共析碳钢过冷奥氏体在不同温度转变的

工业纯铁

（ 400X ） 45 钢（ 400X ）

T8 T12 钢（ 400X ）

钢

（ 400X ） 共晶白口铸铁

（ 400X ）

亚共晶白口铸铁（ 400X ）

组织

特征及性能如下表所示

共析钢（T8）过冷奥氏体在不同温度转变的组织和性能

退火组织碳钢经退火后获得上述的平衡组织，共析钢和过共析钢经球化退火后，获得由铁素体和球状渗碳体组成的球状珠光体组织。

正火组织

碳钢经正火后的组织比退火细，相同成分的亚共析钢，正火后珠光体含量比退火后的多。

淬火组织

经淬火或等温淬火后获得不平衡组织。碳钢淬火后的组织为马氏体和残余奥氏体，低碳钢淬火后组织为板条马氏体和少量的残余奥氏体，随含碳量的增加，残余奥氏体量增多，淬火马氏体是碳在α—Fe 中的过饱和固溶体，其形态取决于马氏体中的含碳量，低碳马氏体呈板条状，强而韧，高碳马氏体呈针叶状，硬而脆，而中碳钢淬火后得到板条马氏体和针叶状马氏体的混合组织。

等温淬火组织

碳钢等温淬火后获得贝氏体组织，在贝氏体转变温度范围内，等温温度较高时，获得上贝氏体，呈羽毛状，它由过饱和的铁素体片和分布片间的断续细小的碳化物组成的混合物，塑性、韧性较差，应用较少。而等温温度较低时，获得下贝氏体，呈黑色的针叶状，它是由过饱和的铁素体和其上分布的细小的渗碳体粒子组成的混合物，下贝氏体强而韧，等温淬火的温度根据钢的成分而定。

对于铁碳合金的非平衡组织观察，我们选用不同热处理的45 钢的标准金相试样进行观察比较。试样编号分别为：17、19、20、21、22。

3、合金结构钢的显微组织观察

合金钢的显微组织比碳钢复杂，在合金钢中存在的基本相有：合金铁素体，合金奥氏体，合金碳化物包括合金渗碳体及特殊碳化物及金属化合物等，其中合金铁素体与合金渗碳体及大部分的合金碳化物的组织特征，与碳钢中的铁素体和渗碳体无明显区别，而合金钢中的金属化合物的组织形态则随种类不同而各异，合金奥氏体在晶粒内常常存在滑移线和孪晶的特征。合金钢按用途可分为结构钢，工具钢，特殊性能钢三大类。合金钢的显微组织因其处理方法不同，处于不同状态下则有不同的组织，如退火状态有亚共析钢，共析钢，过共析钢及莱氏体钢，正火状态有珠光体类，贝氏体类，马氏体类及奥氏体类钢，还有些钢在固态下具有铁素体组织，故称之为铁素体钢，如高铬不锈钢。

对于合金结构钢的显微组织观察，我们选用不同状态下的W18Cr4V 观

察分析：

W18Cr4V 的退火组织：铸态高速钢组织很不均匀，有粗大的碳化物，必须经反复锻造，使碳化物锻碎均匀分布。锻造后的组织为屈氏体+马氏体的基体上分布有均匀的碳化物。由于硬度较高不利于切削加工，要进行退火。退火后组织：索氏体+碳化物。其中粗大白亮色的颗粒为初生共晶碳化物，较小的次生碳化物及索氏体内的极细的共析碳化物，退火后的硬度

HB207~255。

W18Cr4V 的淬火组织：马氏体+未溶碳化物+残余奥氏体。马氏体呈隐针状，很难显出针状形态，但能看到明显的奥氏体晶界及分布的未溶碳化物，淬火后硬度为HRC61~62。

W18Cr4V 钢淬火后需经三次560℃回火，其组织为回火马氏体+过剩碳化物和少量的残余奥氏体约2~3%。回火后硬度为HRC63~65。

试样编号分别为：32、33、34 。

4、铸铁的显微组织观察

根据石墨的形态，铸铁可分为灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁石墨呈球状、蠕墨铸铁四种。

灰口铸铁灰口铸铁中碳全部或部分以自由碳片状石墨形式存在，断口呈灰黑色，其显微组织根据石墨化的程度不同为铁素体或珠光体或铁素体+珠光体基体上分布片状石墨。

可锻铸铁