实验 常用工程材料的显微组织观察

实验5 常用工程材料的显微组织观察

1.实验目的

2.（1）观察几种常用合金钢、有色金属、铸铁和金属陶瓷（硬质合金）及纤维增强树脂的显微组织。

3.（2）分析这些材料的组织和性能的关系及其应用。

4.

(1)W18Cr4V是一种高速钢。室温平衡组织由珠光体、碳化物和莱氏体组成。莱氏体沿晶界呈宽网状

分布，莱氏体中的碳化物粗大，呈骨架状，不能靠热处理消除，必须进行锻造打碎。锻造退火后的显微组织由索氏体和碳化物组成。高速钢具有优良的耐热性和高的耐磨性。淬火温度较高，使奥氏体充分合金化，保证最终有高的热硬性。

(2)1Cr18Ni9是不锈钢。在大气、海水及其他浸蚀性介质条件下能稳定工作，属于高合金钢。室温平

衡组织为奥氏体+铁素体+(Cr,Fe)23C6。

(3)灰铸铁中的石墨呈粗大片状，灰铸铁的基体有珠光体、铁素体和珠光体+铁素体三种。铁素体基体

的铸铁韧性最好，珠光体基体的铸铁抗拉强度最高。

(4)球墨铸铁的组织主要有铁素体基体和珠光体基体两种。浇铸后石墨呈球形析出，大大削弱了对基

体的割裂作用，使球墨铸铁的性能显著提高。

(5)可锻铸铁由白口铸铁经石墨化退火处理得到。其中的石墨呈团絮状，也显著的削弱了对基体的割

裂作用，使得可锻铸铁的机械性能比灰铸铁有明显的提高。

(6)未经变质处理的铝硅合金铸造后得到的组织是粗大的硅晶体和α固溶体所组成的共晶体。粗大的硅

晶体很脆，严重的降低了合金的塑性和韧性。

(7)变质处理后的铝硅合金中添加的Na能促进Si的生核，并能吸附在Si表面阻止Si继续长大，使合

金组织大大细化。变质处理后的组织为细小均匀的共晶体+初生α固溶体+二次析出的Si。共晶体中的Si细小，使合金的强度和塑性显著改善。

(8)单相黄铜中的组织为单相α固溶体，其晶粒呈多边形，并伴有大量退火孪晶。单相黄铜具有良好的

塑性，可以进行各种冷变形。

(9)双相黄铜由α相和β相组成。α相呈亮白色，β相呈黑色，是以CuZn电子化合物为基的有序固溶体，

在低温下较脆、硬，但在高温下有良好的塑性，所以双相黄铜可以进行热压力加工。

(10)轴承合金是一种软基体硬质点类型的轴承合金。显微组织为α+β+Cu6Sn5。软基体硬质点混合组织

能保证轴承合金具有必要的强度、塑性和韧性，以及良好的耐磨性。

(11)YG3显微组织由WC+Co相组成。硬质合金熔点高，硬度高，具有良好的耐磨性和热硬性，可用

作道具、耐磨零件或磨具。硬质合金属于颗粒复合材料。

(12)纤维增强树脂是一种纤维复合材料。韧性好的树脂作为基体，可阻碍材料中裂纹的扩展。纤维的

抗拉强度高，主要承受外加载荷的作用。玻璃纤维增强树脂的显微组织为玻璃纤维+树脂。

5.思考题

(1)合金钢与碳钢比较组织上有什么不同，性能上有什么差别，使用上有什么优越性？

(2)答：合金钢是在碳钢合金中特意加入一些合金元素所获得的钢。按合金元素质量分数不同可分为

低合金钢(合金元素低于5％)、中合金钢(合金元素5％～1 O％)、高合金钢(合金元素大于10％)，还有其他的分类方法。对于低合金钢由于加入合金元素较少，铁碳相图虽发生了一些变动，但其平衡状态的显微组织与碳钢的显微组织并没有太大区别，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。但因加入了合金元素使C曲线右移(Co除外)，所以在相同的冷却速度下，会出现不同的金相组织，合金钢更容易获得马氏体。

(3)合金钢与碳钢比较，在淬透性、力学性能、回火稳定性等方面得到改善，还可提高钢的抗氧化

性、耐蚀、耐热、耐低温、耐磨损等方面的性能。由于合金钢的强度提高了，在使用时可降低材料的使用量，减轻重量，降低成本。不同的合金钢可以应用于高温、腐蚀、磨损等场合使用。

(4)为什么大型发电机组中汽轮机转子和小板牙都必须采用合金钢制造?

(5)答：大型发电机组中的汽轮机转子工作环境恶劣，要承受扭转应力、弯曲应力、热应力，还要承

受振动产生的附加应力和冲击载荷等，而且在高温工作，还要考虑材料的抗蠕变性能、抗腐蚀性能，等等。因此对转子材料要具有良好的综合机械性能、强度高，韧性好。在钢中加入一些合金元素可以提高材料的性能，满足产品要求。如加入Cr、Mo、V元素，可以提高钢的淬透性增加钢

的强度，还可以提高钢的热强性，耐高温、抗腐蚀。所以都要选用合金钢制造才能符合使用要求。

(6)小板牙是低速切削、形状复杂的刃具，要求高硬度、高耐磨性，还要求一定强韧性。在钢中加

入Cr、W、Mn等元素，使钢的淬透性和耐磨性大大提高，耐热性和韧性也有所改善。而且加入了合金元素后，淬透性增加，油冷时就可得到马氏体，有利于减小变形，保证尺寸。所以选用合金钢制造才能符合使用要求。

(7)高速钢(W18Cr4V)的热处理工艺是如何进行的?有何特点?

(8)答：W18Cr4V高速钢的优良的热硬性和高的耐磨性只有经淬火及回火后才能获得。由于高速钢中

的碳化物类型多、结构复杂，淬火温度对碳化物的溶解有很多影响，较低时，有的碳化物不能溶解，影响硬度和红硬性。较高时M6C型碳化物转变成稳定的MC型碳化物，沿奥氏体晶界扩展成网状，造成对高速钢性能的破坏，而且还会影响晶粒度及残余奥氏体的含量，影响强度和韧性。

(9)为了获得良好的力学性能和高的红硬性，需选择合理的淬火温度，W18Cr4V高速钢的淬火温

度一般选择在1270~1280℃。淬火后的组织为马氏体+碳化物+较大量的残余奥氏体，残留奥氏体约有30％。所以还要进行回火处理，使残余奥氏体转变为回火马氏体。在550~570℃回火时，钢的硬度、强度、塑性均有提高，析出特殊碳化物，产生二次硬化，达到硬度和强度的最大值。回火温度一般为560℃，因残余奥氏体量很多，一次回火处理不能消除大量的残余奥氏体，回火不足，影响高速钢的硬度和耐磨性能，所以一般需经三次回火处理。高速钢经三次回火处理后的组织为回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体(2％～3％)。这样可以得到理想的热硬性、高的耐磨性和强韧性。

(10)铸造Al-Si合金的成分是如何考虑的?为何要进行变质处理，变质处理与未变质处理的Al-Si合金组

织与性能有何变化?

(11)答：从Al-Si合金的相图可知，Si的质量分数为11.7％为共晶点的成分，在共晶点附近的合金成分，

具有优良的铸造性能，流动性好，产生铸造裂纹的倾向性小，所以简单的铸造Al-Si合金的Si的质量分数一般应为接近共晶点成分，典型的铸造Al-Si合金牌号为ZLl02，Si的质量分数为11%~13%。

(12)Al-Si合金铸造后得到的组织是粗大的针状硅晶体和α固溶体的共晶组织，粗大的硅晶体极脆，严

重地降低了合金的塑性和韧性。为改善合金的性能需采用变质处理，即在浇注前在合金液体中加入变质剂(常用钠盐混合物)，以细化合金组织，提高合金的强度和塑性，由于钠能促进Si的生核，并能吸附在Si的表面阻碍它长大，使合金组织细化，同时使共晶点右移，原合金成分变为亚共晶成分，所以变质后的组织为初生α固溶体+细密的共晶体(α+Si)组成。共晶体中的Si细小，使合金的强度与塑性显著提高。