实验五(碳钢、合金钢、铸铁、有色典型组织观察)
实验五 碳钢、合金钢、铸铁、有色金属典型组织观察一、实验目的1、观察和研究各种不同类型合金材料的显微组织特征；2、了解这些合金材料的成分、显微组织对性能的影响。二、概述 （一）碳钢的显微组织铁碳合金缓冷后的金相显微组织基本上与铁碳相图所预料的各种平衡组织相符合，但碳钢在不平蘅状态，即在快冷条件下的显微组织就不能用铁碳合金相图来分析，而应由过冷奥氏体转变曲线图C曲线来确定。图1为共析碳钢的等温转变C曲线图。 图1 共析碳钢的C曲线图按照不同的冷却条件，过冷奥氏体在不同的温度范围发生不同类型的转变。通过金相显微镜观察，可以看出过冷奥氏体各种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组织特征及性能如表1所示。表1 共析碳钢过冷奥氏体在不同温度转变的组织特征及性能转变类型组织名称形成温度范围（）金相纤维组织特征硬度（HRC）珠光体型相变珠光体（P）>650在400500倍金相显微镜下可观察到铁素体和渗碳体的片层状组织20（HB180200）索氏体（S）600650在800-1000倍以上的显微镜卜才能分清片层状特征，在低倍镜下片层模糊不清2535屈氏体（T）550600用光学显微镜观察时呈黑色团状组织，只有在电子显微镜(5000-15000x) 下才能看出片层组织3540贝氏体型相变上贝氏体（B上）350550金相显微镜下呈暗灰色的羽毛状特征4048下贝氏体（B下）230350在金相显微镜下呈黑色针叶状特征4858马氏体型相变马氏体（M）<230在正常淬火温度下呈细针状马氏体(隐晶马氏体)，过热淬火时呈粗大片状马氏体62651、 钢的退火和正火组织亚共析成分的碳钢（如40、45钢等）一般采用完全退火，退火后可得到近似平衡状态的组织。过共析成分的碳素工具钢（如T10、T12钢等）则都采用球化退火，球化退火后获得粒状珠光体组织。T12钢经球化退火后组织中的二次渗碳体及珠光体中的渗碳体都将变成颗粒状。如图2所示。图中均匀而分散的细小粒状组织就是粒状渗碳体。图2 T12钢球化退火后的显微组织 （500） 图3 45钢正火后的显微组织（500）因为正火的冷却速度大于退火的冷却速度，所以45钢正火后的组织比退火的细，珠光体的相对含量也比退火组织中的多（如图3所示）。2、 钢的淬火组织根据FeFe3C相图可知，将45钢加热到760奥氏体化，然后在水中冷却，称为不完全淬火，在这个温度加热，有部分铁素体尚未溶入奥氏体中, 所以淬火后将得到马氏体和铁素体组织。在金相显微镜中观察到的是呈暗色针状马氏体基底上分布有白色块状铁素体，如图4所示。图4 45钢760不完全淬火后的显微组织（500） 图5 45钢正常淬火后的显微组织（500）45钢正常加热淬火后将获得细针状马氏体，如图5所示。 由于马氏体针非常细小，在显微镜中不易分清。若将淬火温度提高到1000（过热淬火），由于奥氏体晶粒的粗化，经淬火后将得到粗大针状马氏体组织，如图6所示。若45钢加热到正常淬火温度，然后在油中冷却，则由于冷却速度不足，得到的组织将是马氏体和部分屈氏体（或混有少量贝氏体）。图7为45钢加热到860后油冷的显微组织，亮白色为马氏体，呈黑色块状分布于晶界处的为屈氏体。T12钢在780正常温度淬火后的显微组织如图8所示，除了细小的马氏体外尚有部分未溶入奥氏体中的渗碳体(呈亮白色颗粒)。当T12钢在较高温度淬火时，显微组织出现粗大的马氏体，并且还有一定数量的残余奥氏体（呈亮白色）存在于马氏体针之间，如图9所示。图6 45钢1000过热淬火后的显微组织（500） 图7 45钢840油常淬火后的显微组织（500）图8 T12钢780正常淬火后的显微组织（500） 图9 T12钢1000过热淬火后的显微组织（500）3、淬火后的回火组织钢经淬火后所得到的马氏体和残余奥氏体均为不稳定组织，它们具有向稳定的铁素体和渗碳体的两相混合物组织转变的倾向。通过回火即将钢加热，提高原子活动能力，可促进这个转变过程的进行。淬火钢经不同温度回火后所得到的组织不同，通常按组织特征分为以下三种：(1)回火马氏体淬火钢经低温回火(150250)，马氏体内的过饱和碳原子脱溶沉淀，析出与母相保持着共格联系的碳化物，这种组织称为回火马氏体。回火马氏体仍保持针片状特征，但容易受浸蚀，故颜色要比淬火马氏体深些，是暗黑色的针状组织，如图10所示。 图10 45钢正常淬火200回火后的显微组织（500）(2)回火屈氏体淬火钢经中温回火(350500)，得到在铁素体基体中弥散分布着微小粒状渗碳体的组织，称为回火屈氏体。回火屈氏体中的铁素体仍然基本保持原来针状马氏体的形态，渗碳体则呈细小的颗粒状，在光学显微镜下不易分辨清楚，故呈暗黑色，如图11(a)所示。用电子显微镜可以看到这些渗碳体质点，并可以看出回火屈氏体仍保持有针状马氏体的位向，如图11(b)所示。 图11 45钢860淬火400回火后的显微组织（500）(3)回火索氏体淬火钢高温回火(500650)得到的组织称为回火索氏体，其特征是已经聚集长大了的渗碳体颗粒均匀分布在铁素体基体上，如图12(a)所示。用电子显微镜可以看出回火索氏体中的铁素体己不呈针状形态而成等轴状，如图12(b)所示。 图12 45钢860淬火400回火后的显微组织（500）（二）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<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>10%的称为高合金钢。一般合金结构钢、合金工具钢都是低合金钢。由于合金元素的加入，使铁碳相图发生一些变化，但其平衡状态的显微组织与碳钢没有本质的区别。低合金钢热处理后的显微组织与碳钢没有根本不同，差别只在于合金元素加入后，使C曲线右移（除Co以外），即使以较低的冷却速度也可以获得马氏体组织。例如，40Cr钢经调质处理后的显微组织和40钢调质后的显微组织基本相同，都为回火索氏体。 GCr15钢840油淬、低温回火后的显微组织，与T12钢780水淬、低温回火后的显微组织也一样，皆为回火马氏体和碳化物。合金钢种类繁多，本实验只选择高速钢进行观察和分析。高速钢是一种常用的高合金工具钢，例如W18Cr4V。因为它含有大量合金元素，使铁碳相图中的E点大大左移，虽然只含有0.7%0.8%的碳，仍可获得莱氏体组织，所以又称为莱氏体钢。1、高速钢在铸造状态下与亚共晶白口铸铁的组织相似。在一般铸造条件下存在以具有由鱼骨状合金碳化物为特征的共晶莱氏体组织。如图13所示为W18Cr4V钢的铸态组织。在金相显微镜下观察时，除共晶莱氏体外还有部分呈暗黑色的共析体组织和少量马氏体（呈亮白色部分）。虽然高速钢在铸态下的组织存在严重的成分和组织不均匀性，从而影响其性能，为此随后必须经过锻造和轧制，破碎莱氏体网络，促使其碳化物均匀分布。2、高速钢锻造退火组织：高速钢铸态组织极不均匀，特别是共晶组织中粗大碳化物的存在，使钢的性能显著降低，因此，高速钢铸造后必须经过锻造，退火，以改善碳化物的分布状况。在金相显微镜下观察其组织为索氏体+碳化物。图14所示为W18Cr4V钢经锻造及退火后的显微组织，其中粗大的亮色晶粒为初生共晶碳化物，较细小的为次生碳化物以及索氏体基体中的极细共晶碳化物，退火后的的硬度为HB207255。 图13 W18Cr4V钢铸造状态的显微组织（800） 图14 W18Cr4V钢锻造及退火后的显微组织（500）3、高速钢淬火组织 ：淬火加热温度一般为12601280，高温加热的目的是使较多的碳化物溶解于奥氏体中，淬火后马氏体中合金元素含量高，回火后钢的红硬性高且耐磨性好。淬火采用油冷或空冷，其显微组织为马氏体+未溶碳化物+残余奥氏体（尚有20%30%）。马氏体呈隐针状，其针形很难显示出来，但可看出明显的奥氏体晶界及分布于晶粒内的未溶碳化物，淬火后的硬度约为HRC6162，如图15所示。4、高速钢淬火后需经三次回火，其组织为回火马氏体，碳化物和少量残余奥氏体（约2%3%）。回火后硬度为HRC6365，如图16所示。 图15 W18Cr4V钢1280淬火后的显微组织（500） 图16 W18Cr4V钢淬火及三次回火后的显微组织 （500）（三 ）铸铁的显微组织按铸铁在结晶过程中石墨化程度不同，可分为白口铸铁、灰口铸铁和麻口铸铁。白口铸铁：其组织具有莱氏体特征而没有游离的石墨，即全部碳以碳化物的形式存在于铸铁中。灰口铸铁：碳全部或大部分以石墨的形式存在于铸铁中。灰口铸铁的组织特征是在钢的基体上分布着片状石墨。根据基体组织的不同，灰口铸铁可分为：铁素体灰口铸铁；铁素体+珠光体灰口铸铁；珠光体灰口铸铁。如图17所示，为铁素体灰口铸铁的显微组织，其中石墨呈灰色条片状分布在白亮色的铁素体基体上；图18为铁素体+珠光体灰口铸铁，其中除黑灰色条片状石墨外，暗黑色基底为珠光体，亮白色部分为铁素体。麻口铸铁：其组织特征介于白口铸铁与灰口铸铁之间，即表面为白口铸铁，中心为灰口铸铁。白口铸铁和麻口铸铁由于莱氏体组织存在，因而有较大的脆性，在工业上很少应用。 图17 铁素体灰口铸铁的显微组织（100） 图18 铁素体珠光体灰口铸铁的显微组织（100）根据铸铁中石墨的形态、大小和分布情况不同，铸铁分为：灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁。可锻铸铁：可锻铸铁又称展性铸铁，它是由白口铸铁经石墨化退火处理而获得的，其渗碳体发生分解而形成团絮状石墨。按其组织不同，可锻铸铁分为铁素体可锻铸铁和珠光体可锻铸铁两类。图19为铁素体基体可锻铸铁的显微组织，其中石墨称暗灰色团絮状，亮白色晶粒为基体。 图19 铁素体基体可锻铸铁的显微组织（100）球墨铸铁：球墨铸铁中石墨呈球状。它是用镁、钙及稀土元素球化剂进行球化处理，使石墨变为球状。由于石墨呈球状对基体的削弱作用最小，使球墨铸铁的金属基体强度利用率高达70%90%（灰口铸铁只达30%左右），因而其机械性能远远优于普通灰口铸铁和可锻铸铁。图20（a）为铁素体基体球墨铸铁的显微组织，其中亮白色晶粒为铁素体基体，灰色球状为石墨。图20(b)为铁素体珠光体基体球墨铸铁的显微组织，其中暗黑色基底为珠光体，分布在圆球状石墨周围的亮白色基体是铁素体。 图20 球墨铸铁的显微组织（100）如上所述，铸铁的基体既然是铁素体和珠光体所组成，很显然和钢一样可以通过热处理来改变基体组织，从而改善铸铁的机械性能，特别是球墨铸铁常常通过正火、调质和等温淬火来提高其机械性能。球铁正火的主要目的是增加基体中珠光体数量，从而提高球铁的强度和耐磨性。球铁调质处理后得到回火索氏体，从而有更高的综合机械性能。球铁经等温淬火后的组织为下贝氏体，部分马氏体和少量残余奥氏体，这种组织不仅具有较高的综合机械性能，而且具有很好的耐磨性，内应力少。（四）有色金属及合金1、铝合金铝合金由于密度小（2.652.9），具有高的比强度，因而广泛用于机械工业特别是航空工业。铝合金分为铸造铝合金和变形铝合金。铸造铝合金：
