实验一 粉末冶金材料组织观察与硬度测试.doc

实验一　粉末冶金材料组织观察与硬度测试实验学时4h实验性质综合实验要求必做所属课程粉末冶金一、实验目的掌握Fe基粉末冶金烧结材料的相图，根据相图及显微形貌（组织特征）识别材料的组织，理解组织与成分之间的关系；能够根据有关定律及公式计算烧结铁基合金组织组成物的相对含量熟悉布氏、洛氏及维氏硬度计的结构原理及特点掌握布氏、洛氏、维氏硬度试验方法，能独立进行操作；了解粉末冶金材料的组织特点及硬度之间的关系二、烧结Fe基合金组织特征概述粉末冶金一种冶金方法把金属粉末压制成型后再烧结成制品粉末冶金适用于高熔点、高硬度的金属或含有不互溶成分的合金制品的制造烧结铁基合金是目前应用非常广泛的粉末冶金工程材料，其基本相图为铁碳合金的平衡组织，是研究铁碳合金的性能及相变机理的基础因此认识和分析铁碳合金的平衡组织有十分重要的意义此外，观察和分析铁碳合金的平衡组织有助于帮助我们进一步借助相图来分析问题所谓平衡组织，是指符合平衡相图的组织，即在一定温度，一定成分和一定压力下合金处于最稳定状态的组织，要获得这样的组织，必须使合金发生的相变在非常缓慢的条件下进行，通常将缓冷（退火）后的铁碳合金组织看作为平衡组织不同成分Fe基合金的平衡组织都是由铁素体、渗碳体、珠光体、石墨、孔隙、夹杂等组成，其区别仅在于分布形态和数量不同。

根据各组成物的形态、分布和数量可以判断和识别组织及含碳量1、铁素体：是碳在α-Fe中的固溶体碳的浓度是可变的，在727℃时达到最大溶解度（0.0218%）；常温下其碳浓度约为0.008%铁素体的硬度很低，塑性好，经4%硝酸酒精浸蚀后呈白亮色铁素体有两种形态和分布：一是呈游离状的不规则多边形二是与渗碳体呈层状相间排列，如珠光体中的铁素体2、渗碳体：是碳与铁的一种化合物，化学式为Fe3C，含碳量高达6.69%，坚硬而脆，抗浸蚀能力很强，经4%硝酸酒精浸蚀后成白亮色渗碳体的分布和形态有：①游离的直条状渗碳体，如过共晶生铁中的Fe3CⅠ；②作为基体，其中分布有孤立的珠光体，即莱氏体中的渗碳体；③沿奥氏体晶界呈网状分布， 如过共析钢的Fe3CⅡ；④与铁素体呈片层状分布，即珠光体中的Fe3C；⑤沿铁素体晶界分布，即工业纯铁中的Fe3CⅢ烧结材料中的渗碳体主要以片层状形式存在于珠光体中铁素体和渗碳体经4%硝酸酒精浸蚀后都呈白亮色为了加以区别，可改用苦味酸钠溶液浸蚀（苛性钠25克，苦味酸2克，加水100毫升，在100℃煮沸5—10分钟）这时渗碳体被染成暗褐色（接近黑色），铁素体仍呈白亮色3、珠光体：珠光体是铁素体和渗碳体片的机械混合物，其形态、分布因材料及状态不同而异。

如①亚共析钢中的珠光体呈块状与铁素体块混合；②亚共晶白口铁中由初生晶奥氏体转变成的珠光体呈树枝状分布；③莱氏体中珠光体呈粒状与渗碳体混合片状珠光体是经一般退火后得到的铁素体和渗碳体的片层交叠组织，经4%硝酸酒精浸蚀后，这种组织在显微镜下由于放大倍数不同而有不同的特征600倍以上观察时，可见珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体都呈白亮色，而边界呈黑色；400倍左右观察时，由于显微镜鉴别率降低，白亮的细条渗碳体被黑色的边界所“吞没”而呈黑色，这时看到的珠光体是宽条白亮色铁素体和细条渗碳体相间；200倍以下观察时，宽条白亮色的铁素体也难以区分了，这时的珠光体特征是暗黑色，低碳钢中的珠光体量很少，片间距细小，即使在较高倍观察时也是暗黑色的必须指出，在显微镜下观察珠光体时，当片层粗大时，可见渗碳体与铁素体的相界线，则渗碳体为白亮的片状(用硝酸酒精浸蚀)，若片层较小或放大倍数低时，则渗碳体为一条黑线；若片层很小，或放大倍数很小时，连珠光体的片层状也不能分辨，则为黑暗的一片，所以Fe基合金平衡组织中的片层状组织或黑色区域都是珠光体4、孔隙和石墨：孔隙的存在是粉末冶金材料的一大特点，也是它与致密材料的不同之处。

在低倍下观察时，孔隙的形状通常趋于圆形，边缘比较光滑，而且很小，分布比较均匀孔隙的大小和数量取决于材料的要求烧结或合金化不充分的材料中孔隙往往沿颗粒边界呈不规则的多角形或梅花形状分布，且孔隙较大烧结钢中石墨是经常出现的，这是它的工艺条件所决定的石墨在明场下能见到片层、灰色并凸出暗场下是黑色，在偏振光下是各向异性的但一般碳钢金相试样在低倍下观察时，在明场下游离石墨和孔隙是很难分开的，观察到的黑色小点或小块往往是二者之和5、夹杂物烧结钢在低倍下观察往往能看到一些具有一定形状和大小，或者不同颜色的物质，称为夹杂物，如氧化物、硫化物等本实验中不需要大家定性区分三、相对量的估算烧结铁基结构零件中虽然配有多达1.0%左右的碳，但其中有较多游离石墨，还有部分烧结时损失了，其余部分才溶入铁素体中，或与铁合金化因此，烧结铁基结构零件基本属于亚共析钢，其组织主要由铁索体和珠光体所组成随着含碳量的增加，铁素体的数量逐渐减少，而珠光体的数量则相应地增多，两者的相对量可由杠杆定律求得可通过直接在显微镜下观察珠光体和铁素体各自所占面积分数，近似地计算出烧结铁其零件中的碳含量，即碳含量≈P´0.77%，其中P为珠光体所占面积百分数。

室温下铁素体含碳量极微，约为0.0008%，可忽略不计例如：在显微镜下观察到有50%的面积为珠光体，50%的面积为铁素体，则此烧结铁基零件的含碳量C%＝50´0.77%≈0.40%，相当于40钢四、实验设备和材料1、 烧结铁基零件试样2、 金相显微镜3、 显微硬度计五、实验内容和步骤1、 按规范制备样品、在金相显微镜下观察样品的形貌，分析其特征并绘图2、 调节显微镜的放大倍数，观察组织特征变化情况3、 估计各组织组成物所占的面积百分比，估算出它的含碳量4、 将样品抛光并浅腐蚀后，利用显微硬度计测试不同组成物的硬度，分析组成物种类对材料硬度的影响六、注意事项1、 在观察显微组织时，可先用低备全面地进行观察，找出典型组织， 然后再用高倍放大，对典型区域进行详细地观察2、 在移动金相试样时，不得用手触摸试样表面或将试样重叠起来，以免引起显微组织模糊不清，影响观察3、 画组织图时，应抓住组织形态的特点，画出典型区域的组织，注意不要将磨痕或杂线画在图上七、实验报告要求画出所观察的各试样的组织示意图，并在图中注明组织组成物及其数量(估计)，并根据估计的数量算出合金含碳量八、思考题1.什么是粉末冶金？粉末冶金技术具有什么优点？2.粉末冶金零件的硬度与同成分的铸造合金相比是高还是低，为什么？3.简述显微硬度计的结构；操作步骤及注意事项；4.显微硬度测试时要注意那些问题？影响硬度测试结果正确性的因素有哪些？附录：粉末冶金是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合以及各种类型制品的工艺技术。

粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶金新技术也可用于陶瓷材料的制备由于粉末冶金技术的优点，它已成为解决新材料问题的钥匙，在新材料的发展中起着举足轻重的作用 （1）粉末冶金技术可以最大限度地减少合金成分偏聚，消除粗大、不均匀的铸造组织在制备高性能稀土永磁材料、稀土储氢材料、稀土发光材料、稀土催化剂、高温超导材料、新型金属材料（如Al-Li合金、耐热Al合金、超合金、粉末耐蚀不锈钢、粉末高速钢、金属间化合物高温结构材料等）具有重要的作用 （2）可以制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和超饱和固溶体等一系列高性能非平衡材料，这些材料具有优异的电学、磁学、光学和力学性能 （3）可以容易地实现多种类型的复合，充分发挥各组元材料各自的特性，是一种低成本生产高性能金属基和陶瓷复合材料的工艺技术 （4）可以生产普通熔炼法无法生产的具有特殊结构和性能的材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分离膜材料、高性能结构陶瓷和功能陶瓷材料等 （5）可以实现净近形成形和自动化批量生产，从而，可以有效地降低生产的资源和能源消耗 （6）可以充分利用矿石、尾矿、炼钢污泥、轧钢铁鳞、回收废旧金属作原料，是一种可有效进行材料再生和综合利用的新技术。

我们常见的机加工刀具，很多就是粉末冶金技术制造的 第　1　页。