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四 铁碳合金平衡组织观察 一、实验目的 1．观察和识别铁碳合金（碳钢和白口铸铁）在平衡状态下的显微组织特征； 2． 牢固建立铁碳合金中成分、 组织和性能之间的变化规律； 3．应用杠杆定律计算碳钢中的含碳量 二、概述 1．碳钢和白口铸铁的平衡组织 合金在极缓慢冷却条件（如退火状态）下得到的组织为平衡组织铁碳合金的平衡组织可以根据 Fe-C 状态图来分析从状态图可知，所有碳钢和白口铸铁在室温时的组织均由铁素体相和渗碳体相组成 但由于含碳量的不同， 结晶条件的差异，铁素体和渗碳体的相对数量、形态、分布和混合情况不一样，因而将组成各种不同特征的组织碳钢和白口铸铁的显微组织见表 1 所示 表 1 碳钢和白口铸铁的显微组织 铁碳合金 含碳量/% 显微组织 亚共析钢 0.028～0.77 铁素体（F）+珠光体（P） 共析钢 0.77 珠光体（P） 过共析钢 0.77～2.11 珠光体（P）+ 二次渗碳体（Fe3CⅡ） 亚共晶白口铁 2.11～4.30 珠光体（P）+ 二次渗碳体（Fe3CⅡ）+莱氏体（Ld′） 共晶白口铁 4.30 莱氏体（Ld′） 过共晶白口铁 4.30～6.69 莱氏体（Ld′）+ 一次渗碳体（Fe3CⅠ） 2．各种基本组织特征 1）铁素体（F） ：是碳溶入α-Fe 中的间隙固溶体，有良好的塑性， 硬度低 （HB80～120） ， 经 3%～5%硝酸酒精溶液侵蚀后，在显微镜呈白色大颗粒状或块状（如图 1） 。

随着钢中含碳量的增加， 铁素体量减少 铁素体量较多时呈块状分布 （如图 2、 3） ；当含碳量接近共析成分时，往往呈断续网状，分布在珠光体的周围（如图 4） 2） 渗碳体 （Fe3C 或 Cm） ： 是铁及碳的化合物， 含碳量为 6.69%，抗侵蚀能力较强经 3%～5%硝酸酒精溶液侵蚀后呈白亮色（如图 5、6 所示） ；若用苦味酸钠溶液热侵蚀，则被染成黑褐色，而铁素体仍为白色（如图 7 所示） ，由此可区别开铁素体和渗碳体渗碳体的硬度很高，达到 HB800 以上，脆性很大，强度和塑性很差经过不同的热处理，渗碳体可以成片状、粒状或断续网状 3）珠光体（P） 是铁素体和渗碳体的机械混合物 珠光体一般经退火得到，是铁素体和渗碳体交替分布的层片状组织，疏密程度不同经 3%～5%硝酸酒精溶液侵蚀后，铁素体和渗碳体皆成白亮色在不同放大倍数下观察时，珠光体组织具有不太一样的特性 在高倍（600 倍以上）下观察时，珠光体中平行相间的宽条为铁素体、突起细条为渗碳体，它们皆为白亮色，而边界为黑色阴影在中倍（400 倍左右）观察时，白亮色的渗碳体细条25μ 图 2 20 钢的显微组织 ×400 组织：F(白块)+P（黑块） 图 1 工业纯铁的显微组织 ×200 组织：全部为 F 图 3 40 钢的显微组织 ×400 图 4 60 钢的显微组织 ×400 组织：F+P 组织：P（黑色）+F（白色网状） 图 5 T8 钢的显微组织 ×400 组织：P（片状） 图 6 T12 钢的显微组织 ×400 组织：P（层片状）+ Fe3CⅡ（白色网状） 3%硝酸酒精溶液腐蚀 图 7 T12 钢的显微组织 ×400 组织：P（白色块状）+ Fe3CⅡ（黑色网状） （热苦味酸钠溶液腐蚀） 被两边黑条阴影所掩盖。

而成为黑色细条这时看到的珠光体是宽白条的铁素体和细黑条的渗碳体相间的混合物在低倍（200 倍以下）观察时，由于显微镜的放大倍率低，连宽白条的铁素体和细黑条的渗碳体也分辨不清，这时的珠光体是一片模糊的暗色块状组织 4）莱氏体（Ld`） 在室温时是珠光体和渗碳体的混合物此时渗碳体中包括共晶渗碳体和二次渗碳体两种，但它们相连在一起而分辨不开经 3%～5%硝酸酒精溶液侵蚀后，莱氏体的组织特征是， 在白亮色渗碳体基体上均匀分布着许多黑点 （块）状或条状珠光体（如图 9） 莱氏体组织硬度很高，达到 HB700，性脆一般存在于含碳量大于 2.11%的白口铸铁中，在某些高碳合金钢的铸造组织中也常可见到 亚共晶白口铸铁的组织是莱氏体、呈黑色大块树状的珠光体及珠光体周围白亮圈的二次渗碳体（如图 8） 二次渗碳体及莱氏体中的渗碳体相连、无界线，无法区分 过共晶白口铁的组织：莱氏体和长白条一次渗碳体（如图图 8 亚共晶白口铁显微组织 ×150 图 9 共晶白口铸铁显微组织 ×400 组织：P（黑色团状）+Fe3CII+Ld` 组织：Ld`（黑色块、点为 P+白色为 Fe3C 基体） 图 10 过共晶白口铸铁显微组织 ×150 组织--- Fe3CⅠ（白色宽长条）+ Ld′（小黑色条、点和白色基体） 10 所示） 。

3．钢的组织及含碳量计算 根据 Fe-Fe3C 状态图，利用杠杆定律可以计算钢的含碳量；也可以计算各组织（或相）的百分量 已知含碳的碳素钢，可计算所含铁素体和珠光体量的百分数（计算时可忽略铁素体中的少量碳，将其看作纯铁，珠光体含碳量可看成 0.8%） 例 1：已知含碳量为 0.4%的碳钢，球 P 和 F 各占多少？ 从显微镜视场中可估测出 P 及 F 各占多少？然后计算钢的含碳量 例 2：观察到显微组织中有 60%的面积为珠光体，40%的是 F是，求钢的含碳量 三、实验内容 观察分析表 2 所列碳钢和白口铸铁的组织然后画出组织示意图 表 2 试样及显微组织 序号 试样名称 腐蚀剂 显微组织 1 工业纯铁 4%硝酸酒精溶液 F 2 0.20%碳钢 4%硝酸酒精溶液 F+P 3 0.45%碳钢 4%硝酸酒精溶液 F+P 4 0.80%碳钢 4%硝酸酒精溶液 P(用两种放大倍数) 5 1.2%碳钢 4%硝酸酒精溶液 P+ Fe3CⅡ 6 1.2%碳钢 碱性苦味酸钠溶液 P+ Fe3CⅡ（呈黑色） 7 未知含碳量钢 4%硝酸酒精溶液 P+F 8 亚共晶白口铁 4%硝酸酒精溶液 P+ Fe3CⅡ+ Ld′ 9 共晶白口铁 4%硝酸酒精溶液 Ld′ 10 过共晶白口铁 4%硝酸酒精溶液 Fe3CⅠ +Ld′ 四、实验方法 （1）仔细观察所列试样，研究每个样品组织特征，注意含碳量及金相组织之间的关系； （2）描绘试样显微组织的示意图； （3）仔细阅读碳钢及白口铸铁的金相图谱； （4）估测未知含碳量的亚共析钢试样中组织相对量，计算该试样的含碳量。

五、实验报告 （1）画出样品组织示意图（画在直径为 30～40mm 的圆圈内，用箭头标明各组织的名称） ，并在每个试样示意图下面注明：试样成分、处理工艺、腐蚀剂、放大倍数； （2）用杠杆定律计算未知牌号样品的含碳量； （3）根据所观察的组织说明含碳量对铁碳合金的组织和性能的影响五 钢的热处理组织观察 一、实验目的 1. 观察碳钢经过不同热处理后的基本组织； 2. 了解热处理工艺对钢组织和性能的影响； 3. 熟悉几种典型热处理组织—M、T、S、M回火、T回火、S回火等组织的形态及特征 二、概述 碳钢经退货、回火可得到平衡或接近平衡组织；经淬火得到的是不平衡组织因此，研究热处理后的组织时，不仅要参考铁碳相图，而且更主要的是参考钢的等温转变曲线（即 C 曲线） 铁碳相图能说明慢冷时合金的结晶过程和室温下的组织以及相的相对量，C 曲线则能说明一定成分的钢在不同冷却条件下所得到的组织，C 曲线适用于等温冷却条件，而 CCT 曲线（奥氏体连续冷却曲线）适用于连续冷却条件一定程度上用C 曲线，也能够估计连续冷却时的组织变化 1. 共析钢等温冷却时的显微组织 共析钢过冷奥氏体在不同温度等温转变的组织及性能列于表 1 中。

2.共析钢连续冷却时的显微组织 为了简便起见，不用 CCT 曲线，而用 C 曲线（图 1）来分析例如共析钢奥氏体，在慢冷时（相当于炉冷，见图 1 中的v1）应得到 100％的珠光体；当冷却速度增大到 v2时（相当于空冷） ，得到的是较细的珠光体，即索氏体或屈氏体；当冷却速度增大到 v3时（相当于油冷） ，得到的是屈氏体或马氏体；当冷却速度冷却到 v4、v5时（相当于水冷） ，很大的过冷度使奥氏体骤冷到马氏体转变开始点（Ms）后，瞬时转变成马氏体其中及 C 曲线鼻部相切的冷却速度（v4）称为淬火的临界冷却速度 3. 亚共析钢和过共析钢连续冷却时的显微组织 亚共析钢的 C 曲线于共析钢相比，其上部多了一条铁素体先析线，如图 2 所示 当奥氏体缓慢冷却时（相当于炉冷，如图 2 中的 v1） ，转变产物接近平衡组织，即珠光体和铁素体随着冷却速度的增大，即 v3＞v2＞v1时，奥氏体的过冷度逐渐增大，析出的铁素体越来越少，而珠光体的量逐渐增加，组织变得更细，此时析出的少量铁素体多分布在晶界的边界上 表 1 共析钢等温冷却时的显微组织 转变类型 组织名称 形成温度 /℃ 显微组织特征 硬度 （HRC） 珠光体型转变 珠光体(P) ＞650 在 400～500 倍金相显微镜下可以观察到铁素体和渗碳体的片层状组织 20 左右 HB180~200 索氏体(P) 600～650 在 800～1000 倍以上的显微镜下才能分清片层状特征，在低倍下片层模糊不清 25~35 屈氏体(P) 550～600 用光学显微镜观察时呈黑色团状组织，只有在电子显微镜（5000～1500 倍）下才能看出片层状 35~40 贝氏体型相变 上贝氏体 （B上） 350～550 在金相显微镜下呈暗灰色的羽毛状特征 40~48 上贝氏体 （B上） 230～350 在显微镜下呈黑色针状特征 48~58 马氏马氏体＜230 在正常淬火温度下呈细针状马60~65 体型相变 （M） 氏体（隐晶马氏体） ，过热淬火时则呈粗大片状马氏体。

因此，v1的组织为铁素体+珠光体，v2的组织为铁素体+索氏体；v3的组织为铁素体+屈氏体 当冷却速度为 v4时，析出很少量的网状铁素体和屈氏体（有时可见少量贝氏体） ，奥氏体则主要转变为马氏体和屈氏体；当冷却速度 v5超过临界冷却速度时，钢全部转变为马氏体组织 过共析钢的转变及亚共析钢相似，不同之处是后者先析出的是铁素体，而前者先析出的是渗碳体 4.各组织的显微组织 （1）索氏体（S） 索氏体是铁素体和渗碳体的机械混合物其片层比珠光体更细密，在高倍（700 倍以上）显微放大时才能分辨 （2）屈氏体（T） 屈氏体也是铁素体和渗碳体的机械混合物， 片层比索氏体还细密， 在一般光学显微镜下也无法分辨，只能看到如墨菊状的黑色形态 当其少量析出时， 沿晶界分布，图 2 亚共析钢的 C 曲线 图 1 共析钢的 C 曲线 呈黑色网状，包围着马氏体；当析出量较多时，呈大块黑色团状，只有在电子显微镜下才能分辨其中的片层 （3）贝氏体（B） 贝氏体是奥氏体的中温转变产物，它也是铁素体及碳化物的两相混合物在显微形态上，主要有三种形态： 1)上贝氏体是由成束平行排列的条形铁素体和条间断续分布的渗碳体所组成的非层状组织。

当转变量不多时，在光学显微镜下为成束的铁素体条向奥氏体晶内伸展，具有羽毛状特征在电镜下，铁素体以几度到十几度的小位向差相互平行，渗碳体则沿条的长轴方向排列成行 2)下贝氏体是在片状铁素体内部沉淀有碳化物的两相混合物组织， 它比淬火马氏体易受浸蚀， 在显微镜下呈黑色针状在电子显微镜下可以看到，在片状铁素体基体中分布有很细的碳化物片，它们大致及铁素体的长轴成 55～60°的角度 3）粒状贝氏体是最近十几年才被确认的组织在地、中碳合金钢中，特别是连续冷却时（如正火、热轧空冷或焊接热影响区）往往容易出现，在等温冷却时也可能形成它的形成温度范围大致在上贝氏体转变温度区的上部，由铁素体和它所包围的小岛状组织所组成 （4）马氏体（M） 马氏体是碳在α-Fe 中的过饱和固溶体，其形态按含碳量主要分两种，即板条状和针状 1）板条状马氏体一般为低碳钢或低碳合金钢的淬火组织其组织形态是由尺寸大致相同的细马氏体条定向平行排列组成马氏体束或马氏体领域在马氏体束之间位向差较大，一个奥氏体晶粒内可形成几个不同的马氏体领域板条马氏体具有较低的硬度和较好的韧性 2）针状马氏体是含碳量较高的钢淬火后得到的组织在光学显微镜下， 它呈竹叶状或针状， 针及针之间成一定的角度。

最先形成的马氏体较粗大，往往横穿整个奥氏体晶粒，将奥氏体晶粒加以分割，使以后形成的马氏体片的大小收到限制因此，针状马氏体的大小不一同时有些马氏体有一条中脊线，并在马氏体周围有残留奥氏体针状马氏体的硬度高而韧性差 （5） 残余奥氏体 （A 残） 残余奥氏体是含碳量大于 0.5％的奥氏体淬火时被保留到室温不转变的那部分奥氏体，它不易受硝酸酒精溶液的浸蚀，在显微镜下呈白亮色，分布在马氏体之间，无固定形态 （6）钢的回火组织及性能 1）回火马氏体 回火马氏体是低温回火（150～250℃）组织，保留了原马氏体形态特征针状马氏体回火析出了极细的碳化物，容易受到浸蚀，在显微镜下呈黑色针状低温回火后马氏体针变黑色，而残余奥氏体不变仍呈白亮色低温回火后可以部分消除淬火钢的内应力，增加韧性，同时仍能保持钢的高硬度 2）回火屈氏体 回火屈氏体是中温回火（350～500℃）组织，是铁素体及粒状渗碳体组成的极细混合物铁素体基体基本上保持了原马氏体的形态（条状或针状） ，气其上分布着极细颗粒状的渗碳体，用光学显微镜极难分辨中温回火后有很好的弹性和一定的韧性 3）回火索氏体 回火索氏体是高温回火（500～650℃）组织，是铁素体及较粗的粒状渗碳体所组成的机械混合物。

碳钢回火索氏体中的铁素体已经通过再结晶，呈等轴细晶粒状经过充分回火的索氏体已没有针的形态在大于 500 倍的光镜下，可以看到渗碳体微粒回火索氏体具有较好的综合机械性能 应当指出：回火屈氏体、回火索氏体是淬火马氏体回火时的产物，它们的渗碳体是颗粒状的，且均匀的分布在铁素体基体上；而淬火索氏体和淬火屈氏体是奥氏体过冷时直接形成的，其渗碳体是呈片状回火组织较淬火组织在相同硬度下具有较高的塑性及韧性 三、实验内容 观察表 2 所列试样的显微组织，描绘出所观察样品的显微组织示意图，并注明材料、处理工艺、放大倍数、组织名称及浸蚀剂等 表 2 钢热处理后的非平衡组织 序号 材料 热处理工艺 浸蚀剂 显微组织特征 1 45 钢 860℃炉冷（退火） 3％硝酸酒精 P+F 2 45 钢 860℃空冷（正火） 3％硝酸酒精 S+F 3 45 钢 770℃淬火（淬火） 3％硝酸酒精 M细小+F 4 45 钢 860℃淬火（淬火） 3％硝酸酒精 M细小 5 45 钢 860℃淬油（淬火） 3％硝酸酒精 M细小+T 6 45 钢 860℃淬火 200℃回火 3％硝酸酒精 M回火 7 45 钢 860℃淬火 400℃回火 3％硝酸酒精 T回火 8 45 钢 860℃淬火 600℃回火 3％硝酸酒精 S回火 9 45CrMoNi 860℃加热 500℃等温 3％硝酸酒精 B上 10 T8 钢 760℃加热 300℃等温 3％硝酸酒精 B下 11 T12 钢 760℃球化退火 3％硝酸酒精 P球状(F+细粒状Fe3C) 12 T12 钢 760℃淬火（淬火） 3％硝酸酒精 M 细针+Fe3C 13 T12 钢 1000℃淬火（淬火） 3％硝酸酒精 M粗针+残余奥氏体 六 常用材料组织观察 一、实验目的 1. 观察和分析常用材料的显微组织； 2. 了解常用材料的成分、组织和性能的特点，以及它们的主要应用。

二、概述 1．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及碳钢没有本质的区别低合金钢热处理后的显微组织及碳钢没有根本不同，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，及 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 高速钢在铸造状态下及亚共晶白口铸铁的组织相似其中莱氏体由合金碳化物、马氏体、屈氏体以及残留奥氏体组成。

如图 1 所示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 高速钢锻造退火组织：在金相显微镜下观察其组织为索氏体+碳化物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 HB207～255 高速钢淬火组织 ：淬火加热温度一般为 1260～1280℃，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 HRC61～62，如图 2 所示 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 HRC63～65，如图 3 所示 2．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是由钢的基体和石墨组成 麻口铸铁：其组织特征介于白口铸铁及灰口铸铁之间，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 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 灰口铸铁：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 4 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 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 5 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 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 6 为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 如上所述，铸铁的基本既然是铁素体和珠光体所组成，很显然和钢一样可以通过来改变基体组织，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 3．有色金属及合金 （1）铝合金 铝合金由于密度小（2.65～2.9） ，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： 俗称硅铝明 典型的牌号有 ZL102， 含硅 10%～13%，由 Al-Si 合金相图可知，硅铝明合金成分在共晶点附近，组织为粗大的针状的硅晶体和α固溶体组成的共晶体，以及少量呈多面体形的初生硅晶体，这种粗大的针状硅晶体严重降低合金的塑性 为了提高硅铝明的力学性能，通常进行变质处理，即在浇注以前向合金熔体中加入占合金重量 2%～3%的变质剂（常用2/3NaF+1/3NaCl） 。

处理后使合金的共晶点从 11.6%Si 右移，得到亚共晶组织，其组织为初生α固溶体枝晶（白亮）及细小的共晶（α+Si） （黑底） ，由于共晶中的硅呈细小点状颗粒，因而使合金的强度及塑性提高如图 7 所示 变形铝合金：硬铝是 Al-Cu-Mg 系时效合金，是重要的变形铝合金由于它的强度大和硬度高，故称硬铝在国外又称杜拉铝现代机械制造和飞机制造业中得到广泛应用在合金中形成了 CuAl2（θ相）和 CuMgAl2（S 相） 这两个相在加热是均能溶入合金的固溶体内，并在随后的时效热处理过程中通过形成“富集区” 、 “过渡相”而使合金强化而以 Cu MgAl2（S 相）在合金化过程中的作用更大，常把它称为强化相 （2）铜合金 黄铜为 Cu-Zn 合金，常用的黄铜为α单相黄铜和α+β两相黄铜 α单相黄铜：含锌在 39%以下的黄铜属单相α固溶体，典型牌号为 H70（即三七黄铜） 铸态组织：α固溶体呈树枝状（用氯化铁溶液腐蚀后，枝晶主轴富铜，呈亮白色，而枝晶富锌呈暗色） ，经变形和再结晶退火其组织为多边形晶粒，有退火孪晶由于各个晶粒方位不同，所以具有不同的颜色退火处理后的α黄铜能承受极大的塑性变形，可以进行深冲变形。

α+β两相黄铜：含锌量为 39%～45%的黄铜为α+β两相黄铜，典型牌号有 H62（即四六黄铜） 在室温下β相较α相硬得多，因而可用于承受较大载荷的零件α+β两相黄铜可在600℃以上进行热加工α+β两相黄铜显微组织：α为亮白色的固溶体，β是 CuZn 为基的有序固溶体，如图 8 所示 （3）轴承合金 轴承合金又称巴氏合金巴氏合金是应用较多的轴承合金，常用来制造滑动轴承的轴瓦和内衬轴瓦材料要求同时兼有硬和软的两种性能，因此轴承合金的组织往往是软、硬两相组成的混合物例如，在软基体上分布着硬质点，铅基或 基轴承合金就具有这种组织特点 锡基巴氏合金：基本元素为 Sn83%、Sb11%及 Cu6%其牌号为 ZChsnsb11-6，它的显微组织如图 9 所示其中暗黑色部分为软基体α相（是 Sb 在 Sn 中形成的固溶体） ；白色方块为硬质点β（以 SnSb 为基的有序固溶体） ；而白色枝状析出物为Cu3Sn 或 Cu6Sn5化合物（η相） ，作为阻碍β相上浮，减少偏析的作用这种既硬又软的混合物，保证了轴承合金具有足够的强度及塑性的配合从而使轴承合金有良好的减磨性及抗振性 图 1 高速钢的铸态组织 ×400 图 2 高速钢的淬火组织 ×400 图 3 高速钢的回火组织 ×400 图 4 灰口铸铁的显微组织 ×400  三、实验内容 观察、分析下列常用材料的显微组织，见下表。

编号 名称 状态 显微组织特征 腐蚀剂 1 高速钢 铸态 Ld′(鱼骨状)+T（暗黑色）+M 3%硝酸酒精 2 高速钢 淬火态 M（隐针）+碳化物（颗粒状）+ A` 3%硝酸酒精 3 高速钢 回火态 M 回火 （暗黑色基体）+碳化物（白色颗粒） 3%硝酸酒精 4 灰口铸铁 铸态 F （白亮色基体） +条状石墨 3%硝酸酒精 5 可锻铸铁 铸造+石墨化退火 F （白亮色基体） +团絮状石墨 3%硝酸酒精 图 5 可锻铸铁的显微组织 ×200 图 6 球墨铸铁的显微组织 ×200 图 7 变质处理的铝硅合金 ×400 图 8 α+β两相黄铜 ×200 图 9 锡基巴氏合金的显微组织 ×50 6 球墨铸铁 铸态 F（白亮色）+球状石墨 3%硝酸酒精 7 铝硅明 变质处理 α （枝晶状） +共晶体 （细密基体） 3%硝酸酒精 8 双相黄铜 铸态 α（白亮色）+β（暗黑色） 3%FeCl3+10% HCl 溶液 9 锡基巴氏合金 铸态 α（暗黑色）+β（白色块状）+ Cu3Sn 同上 四、实验方法 1．实验材料及设备 （1）金相显微镜； （2）各种材料金相样品一套； 2．实验步骤 （1）每个同学轮流对每个试样进行观察； （2）将所观察到的金相组织用示意图画出。

五、实验报告要求 （1）实验目的； （2）画出各种材料的显微组织示意图； （3）实验结果讨论 七 热处理及组织观察综合实验 一、实验目的 (1) 了解化学成分，热处理工艺对钢的组织和性能的影响 (2) 学习金相试样制备、显微摄影及组织观察，提高综合实验技能 (3) 提高综合分析问题的能力 二、概述 1．热处理及硬度测定 热处理是将钢加热到一定温度，经过一定时间的保温，然后以一定速度冷却下来的操作，通过这样的工艺过程钢的组织和性能将发生改变 通常加热、保温的目的是为了得到成分均匀的细小的奥氏体晶粒，亚共析碳钢的完全退火、正火、淬火的加热温度范围是 AC3+30~50℃，过共析钢的球化退火及淬火加热温度是AC 1+30~50℃，过共析钢的正火温度是 ACcm+30~50℃，保温时间根据钢种，工件尺寸大小，炉子加热类型等由经验公式决定 碳钢的过冷奥氏体在 Ac1~550℃范围内发生珠光体转变， 形成片状铁素体和渗碳体的机械混合物依据片层厚薄的不同有粗片状珠光体（P） ，细片状珠光体——索氏体（S）和极细片状珠光体——屈氏体（T）之分硬度随片距的减小（转变温度的降低）而升高 碳钢的过冷奥氏体在 550~350℃之间发生贝氏体转变，生成由平行铁素体条和条间短杆状渗碳体构成的上贝氏体 （B上） 。

在光学显微镜下呈黑色羽毛状特征过冷奥氏体在 350℃~Ms之间等温得到黑色针状的下贝氏体（B下） ，它是由针状铁素体和其上规则分布的细小片状碳化物组成 过冷奥氏体以超过临界速度的快冷至 Ms 以下温度， 将发生马氏体转变，生成碳在α-Fe 中的过饱和固溶体——马氏体常见的有板条马氏体（碳<0.2%） 、针（片）状（碳>1.0%）马氏体以及由它们构成的混合组织（碳为 0.2%~1.0%） 随转变温度的降低钢的硬度升高 普通热处理分为退火、正火、淬火和回火 钢加热到一定温度保温后缓慢冷却（通常随炉冷却）至500℃以下空冷叫退火，得到接近平衡态的组织奥氏体化的钢在空气中冷却叫正火，得到先共析钢铁素体（或渗碳体）加伪珠光体过冷奥氏体快冷（大于临界冷速）叫淬火，得到马氏体组织淬火钢再加热到 A1以下会发生回火转变，随回火温度的升高分别得到回火马氏体，回火屈氏体和回火索氏体 随冷却速度增加，钢的硬度升高 硬度是指材料对另一更硬物体（钢球或金刚石压头）压入其表面所表现的抵抗力硬度的大小对于工件的使用性能及寿命具有决定性意义由于测量的方法不同常用的硬度指标有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)、维氏硬度(HV)和显微硬度(HV)。

布氏硬度适用于硬度较低的金属，如退火、正火的金属、铸铁及有色金属的硬度测定洛氏硬度又有 HRA、HRB、HRC 三种，其中 HRC 适合于测定硬度较高的金属如淬火钢的硬度维氏硬度测定的硬度值比布氏、洛氏精确，可以测定从极软到极硬的各种材料的硬度，但测定过程比较麻烦显微硬度用于测定显微组织中各种微小区域的硬度，实质就是小负荷(≤9.8N)的维氏硬度试验，也用 HV 表示 2．金相试样制备 要在金相显微镜下对金属的组织进行观察和摄影，必须制备平整、光亮、清洁、无划痕、并用适当的方法显示出真实组织的试样金相试样的制备过程包括取样、手工磨制、抛光、浸蚀等几个步骤， 制备好的试样应能观察到真实组织， 无磨痕、麻点、水迹，并使金属组织中的夹杂物、石墨等不脱落，否则将会严重影响显微分析的正确性 本实验采用： (1) 手工磨样 试样在金相砂纸上由粗到细磨制磨样时用力均匀，待磨面上旧磨痕消失，新磨痕均匀一致辞时就更换细一号的砂纸，并且试样转 90o再磨一般磨制到 4 号（粒度 800）砂纸即可 (2) 抛光 本实验采用化学抛光及机械抛光相结合的方法 化学抛光：靠化学药剂对试样表面不均匀溶解而得到光亮的抛光面，凸起部分溶解速度快，而凹下部分溶解速度慢。

具体操作是用竹筷夹住浸有抛光剂的棉球均匀的擦试磨面，待磨痕基本去掉后，立即用水冲洗 机械抛光：在专用的抛光机上进行，抛光织物（如呢料、金丝绒等）固定在抛光盘上，洒以抛光粉悬浮液，试样轻压于旋转的抛光盘上靠嵌于抛光织物中的抛光粉的磨削作用和滚压作用，得到平整、光亮无划痕的磨面 (3) 化学浸蚀 抛光后的试样磨面是一光滑镜面，若直接放在显微镜下观察，只能看到一片亮光，除某些非金属夹杂物、石墨、孔洞、裂纹外，无法辨别出各种组成物及其形态特征必须经过适当的浸蚀，才能使显微组织正确地显示出来目前，最常用的浸蚀方法是化学浸蚀法 化学浸蚀是将抛光好的试样磨面在化学浸蚀剂(常用酸、碱、盐的酒精或水溶液)中浸蚀或擦拭一定时间由于金属材料中各相的化学成分和结构不同，故具有不同的电极电势，在浸剂中就构成了许多微电池，电极电势低的相为阳极而被溶解，电极电势高的相为阴极而保持不变故在浸蚀后就形成了凹凸不平的表面，在显微镜下，由于光线在各处的反射情况不同，就能观察到金属的组织特征 碳钢常用 3~4%硝酸酒精溶液浸蚀 3．组织观察及显微摄影 摄影是一种基本的实验技术，它常用来记录一些物理现象、仪器图表和各种仪器显示的图形等。

一些特殊摄影技术，如显微摄影和高速摄影还能记录人眼不能直接观察的微观现象和瞬变现象，金相组织就能通过数码相机和显微镜进行记录 制好的试样放在显微镜的载物台上，调整好焦距，依靠物镜和目镜的两次放大，在人眼明视距离处得到一个放大虚像，所以观察时显微镜总的放大倍数：M总=M物×M目×校正系数，对于奥林巴斯显微镜校正系数为 1 观察及分析组织，选择典型的清洁无划痕的部位摄影摄影时，物镜成的象通过摄影目镜再次放大后进入数码照相机得到放大的实象，按下快门，数码相机就记录下了显微组织了 4．典型零件的组织观察 （1）管道焊缝区 由于焊接的影响，焊缝附近区域组织各不相同按照组织的不同，焊缝区域通常可分为三个区域：焊缝区、热影响区和基体区域 材质为 20 钢的管道，焊缝区域基体正火组织为铁素体+珠光体（图 1） ，热影响区组织为典型的魏氏组织（图 2） ，热影响区及基体交界处则表现为基体正火组织及热影响区组织共存（图 3） ，焊缝处为典型的焊熔区组织特征（图 4） 图 1 基体正火区组织 图 2 热影响区金相组织 图 3 热影响区及基体交界处形貌 图 4 典型的焊熔区组织 （2）渗碳齿轮 对普通碳钢和合金钢，马氏体形态及残余奥氏体量主要受钢中含碳量影响。

马氏体的组织形态主要有板条状和片状两种碳含量小于 0.2%时，全部为低碳马氏体，在光学显微镜下呈现为平行成束分布的板条状组织，又称板条马氏体；碳含量大于 1.0%时，全部为高碳马氏体，在光学显微镜下呈现为针片状，又称片状马氏体碳含量介于两者之间时，两种马氏体共存 由于齿轮随着表面碳浓度的增大，齿轮表层组织及心部组织有明显不同 20CrMo 钢制造的渗碳齿轮心部组织为板条马氏体，而由于含碳量的增加表层组织则为高碳的片状马氏体，过渡区板条马氏体及片状马氏体共存 图 5 基体组织（板条马氏体） 图 6 渗碳层组织（针状马氏体） （3）铁基粉末冶金件 铁基粉末冶金件组织中通常为珠光体+渗碳体（图 8） ，珠光体数量按照百分比分为九级：珠 10～珠 90，渗碳体数量分为六级：渗 1～渗 13 铁基粉末冶金件中有一定数量孔隙（图 7） ，孔隙会削弱基体力学性能特别是尺寸大、数量多的孔隙或断续网状孔隙的存在，极易造成粉末冶金件断裂 孔隙率、珠光体的含量及渗碳体含量是评价铁基粉末冶金件质量的重要指标 图 7 铁基粉末冶金件组织 图 8 铁基粉末冶金件孔隙 三、实验仪器设备 箱式电炉、硬度计、抛光机、金相显微镜、数码相机。

四、实验内容及操作 1．钢的热处理 每人领一块试样，依序按表 1 推荐的工艺进行热处理，编号，测定硬度，并把结果记录于表中 表 1 试样热处理工艺及硬度值 序 钢种热处理工艺 硬度值 HBD 或 HRC 换算显号 * 加热温度℃ 冷却方式 1 2 3 平均 为HV 微组织 1 20 930 水冷 2 水冷 3 40 840 空冷 4 油冷 5 水冷 6 T8 780 炉冷 7 水冷 8 油冷 9 T12 780 水冷 10 930 空冷 11 水冷 *（1）20、40 表示平均含碳量为 0.20%、0.40%的优质碳素结构钢 （2）T8、T10、T12 表示平均含碳量为 0.80%、1.00%、1.20%的碳素工具钢 2．试样 将热处理后的试样手工磨制→化学抛光→水洗→机械抛光→水洗→滴酒精→吹干→浸蚀→水洗→滴酒精→吹干 本次实验采用的化学抛光剂为：草酸、双氧水溶液 浸蚀剂为 3%硝酸酒精溶液，到试样浅灰色为止 如果试样表面有金属扰乱层，所显示组织不具实，需要重新抛光，浸蚀。

3．组织观察及显微摄影 制好的试样放在显微镜下观察使用显微镜时，动作轻、速度慢，由低倍到高倍进行观察，结合试样热处理工艺，观察及分析组织 选择能说明组织特征的典型视场，确定合适的放大倍数进行数码摄影 4. 典型零件的组织观察 （1）观察和分析焊接件的三区（焊缝区、热影响区、母材区）组织，并描绘显微组织示意图 （2）观察和分析渗碳齿轮的的渗碳区、过渡区、基体区组织，并描绘显微组织示意图 （3）观察和分析粉末冶金齿轮的孔隙率及组织特征，并描绘其特征 五、实验报告要求 (1) 实验目的 (2) 填好表 4-1 中各项数据，总结钢的化学成分，加热温度、冷却速度对钢性能的影响 (3) 简述试样制备、显微数码摄影过程 (4) 描绘并典型零件的金相组织 (5) 收获、体会、问题、建议以及其它想说明的问题。