大棒金属及金相资料
第一部分：预备知识
一、基本概念
1、相：在给定的物质系统中，具有同一成分、同一原子聚集状态和性质的均匀连续组成部分，相与相之间有明显的界限。
2、相变：构成物质的原子（或分子）的聚合状态发生变化的过程称为相变。
3、同素异构体：由同一种元素组成的不同单质互为同素异构体，如：氧气与臭氧，金刚石与石墨等。
4、奥氏体：奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体，通常用A或γ表示。奥氏体是高温稳定相，最大固溶度为2.11%。
5、铁素体：是碳在α-Fe中的间隙固溶体，用F或α表示。最大固溶度为0.0218%。碳在δ- Fe中的间隙固溶体，也称为铁素体或高温铁素体，用δ表示，最大固溶度为0.09%。
6、珠光体：珠光体是奥氏体正常冷却时得到的组织，是碳钢中最常见的常温组织，是铁素体与渗碳体的机械混合物，按其片层间距S分为：片状珠光体（S约为150~450nm）、索氏体（S约为80~150nm）和屈氏体（S约为30~80nm），三种组织在光学显微镜下差别很大，但在电镜下特征是一样的。得到珠光体组织的热处理工艺叫正火或退火。
7、马氏体：奥氏体在冷却时，如果冷却速度超过某一临界速度时得到的组织，性能硬而脆，得到马氏体的热处理工艺叫淬火。
8、渗碳体：即Fe3C，性能硬而脆，HB约为800，塑性很差，延伸率接近为零。
9、贝氏体：钢经奥氏体化过冷到珠光体相变与马氏体相变之间的中温区时，将发生贝氏体转变，也叫中温转变。贝氏体也是铁素体与渗碳体的机械混合物，但与珠光体不同的是，贝氏体不是片层状组织，其形态与形成温度密切相关。较高温度下形成的叫上贝氏体，较低温度下形成的叫下贝氏体。
10、钢：是碳含量在0.0218%到2.11%之间的鉄碳合金。按其碳含量分为：共析钢（碳含量ωc为0.77%）、亚共析钢（碳含量ωc为
0.0218%~0.77%）、过共析钢（碳含量ωc为0.77%~2.11%）。
二、常见组织金相图谱
铁素体
光镜下珠光体电镜下珠光体
光镜下索氏体电镜下索氏体
光镜下屈氏体电镜下屈氏体
上贝氏体下贝氏体
针状马氏体（高碳）板条马氏体（低碳）
第二部分：鉄碳相图
图1 铁碳相图
钢和铸铁是应用最广的金属材料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是它们的基本组成都是铁和碳两种元素。因此，学习铁碳相图，掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。
通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。化合物Fe3C称为渗碳体，是一种亚稳定的化合物，在一定条件下可以分解为Fe和C，C 原子聚集到一起就是石墨。因此，铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨双重相图。Fe-Fe3C相图主要用于钢，而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。这里主要分析讨论Fe-Fe3C相图，Fe-石墨相图与此类似，只是右侧的单相是石墨而不是Fe3C。
纯铁
纯铁的熔点1538℃，工业纯铁的显微组织见图2。
图2 工业纯铁的显微组织图3 奥氏体的显微组织
碳溶解于α－Fe和δ－Fe中形成的固溶体称为铁素体，用α、δ或F表示, 由于δ－Fe是高温相，因此也称为高温铁素体。铁素体的含碳量非常低（室温下含碳约为0.005%），所以其性能与纯铁相似：硬度(HB50～80)低，塑性高(延伸率δ为30%～50%)。铁素体的显微组织与工业纯铁相同（图2）
碳溶解于γ－Fe中形成的固溶体称为奥氏体，用γ或A表示，1148℃时最多可以溶解2.11%的碳，到727℃时含碳量降到0.8%。奥氏体的硬度(HB170～220)较低，塑性高(延伸率δ为40%～50%)。奥氏体的显微组织见图3。
渗碳体(Fe3C)
渗碳体是铁和碳形成的化合物，含碳量为6.69%，具有复杂的晶体结构，一般认为熔点为1227℃。渗碳体硬度极高（HB800），塑性几乎等于0，是硬脆相。在一定条件下，渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳：Fe3C→3Fe + C(石墨)。这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义。
Fe-Fe3C相图中的ES、PQ、GS三条特性线也是非常重要的，它们的含义简述如下：
ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。奥氏体的最大溶碳量是在1148℃时，可以溶解2.11%的碳。而在727℃时，溶碳量仅为0.77%，因此含碳量大于0.77%的合金，从1148℃冷到727℃的过程中，将自奥氏体中析出渗碳体，这种渗碳体称为二次渗碳体(Fe3C II)。
PQ线是碳在铁素体中的溶解度曲线。727℃时铁素体中溶解的碳最多(0.0218%)，而在200℃仅可以溶解7×10-7%。所以铁碳合金由727℃冷却到室温的过程中，铁素体中会有渗碳体析出，这种渗碳体称为三次渗碳体(Fe3C III)。由于三次渗碳体沿铁素体晶界析出，因此对于工业纯铁和低碳钢影响较大；但是对于含碳量较高的铁碳合金，三次渗碳体（含量太少）可以忽略不计。
GS线是冷却过程中，奥氏体向铁素体转变的开始线；或者说是加热过程中，铁素体向奥氏体转变的终了线（具有同素异晶转变的纯金属，其固溶体也具有同素异晶转变，但其转变温度有变化）。
根据Fe-Fe3C相图，共析钢从液态冷却到室温要发生三次组织转变：匀晶转变L→γ（奥氏体），共析转变γ→(α+Fe3C)（珠光体P）,α中析出三次渗碳体(Fe3C III)。室温下共析钢的组织组成全部为珠光体（可以忽略Fe3C III）。图4是共析钢室温组织（珠光体）的金相照片。
图4 共析钢的室温组织(P)
含碳0.45%的亚共析钢是应用十分广泛的一种钢，通常称为45号钢。室温下45钢的组织为：铁素体α+珠光体P（α+Fe3C）。45钢的实际室温组织照片见图5。所有亚共析钢的室温组织都是由铁素体和珠光体组成，区别仅在于相对量的差别：含碳量越高（越接近
0.77%C），珠光体的量越多、铁素体的量越少。图6和图7分别是20钢(0.20%C)和60钢(0.60%C)的组织照片，可以明显看出铁素体与珠光体的相对量随含碳量的变化。
图5 45钢的室温组织
图6 20钢的室温组织图7 60钢的室温组织
过共析钢在液态到室温的冷却过程中，当温度到达ES线以下时，过饱和的固溶体γ中析出渗碳体（二次渗碳体Fe3C II），奥氏体γ的成分变到共析点S(0.77%C)；共析转变γ0.77→(α+Fe3C)，形成珠光体P。因此，过共析钢的室温组织为珠光体P(α+Fe3C)+ Fe3C II。实际1.2%C （T12）钢的室温组织照片见图8。对于过共析钢，随着含碳量增高，钢中Fe3C II的量增大。由于大量的Fe3C II会形成网状结构，造成钢的脆性急剧增高，所以实际生产中使用的钢含碳量一般都低于1.5%；另外，含有网状Fe3C II的钢不能直接使用，需要经过锻造（压碎Fe3C II 网）或相应的热处理后才能使用。
图8 1.2%C过共析钢的室温组织图9 1.4%C过共析钢的室温组织
对于亚共析钢，随着含碳量的增加，珠光体的相对量提高，钢的强度、硬度增高，塑性、韧性下降。对于过共析钢，随着含碳量的增加，二次渗碳体数量增加，并且形成网状结构，不仅造成钢的塑性、韧性下降，同时也使强度下降；只有硬度增高。含碳量对钢的性能的具体影响见图10。
图10 含碳量对热轧钢力学性能的影响
碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、磷(P)、硫(S)通常被称为钢铁材料的五大元素。C, Si, Mn对钢铁材料是有益的，称为合金元素；P和S则是有害元素，称为杂质元素。C对钢的组织和性能的影响前面已进行了讨论，下面对其余四种元素的影响作简单介绍。
锰在碳钢中是作为脱氧、去硫的元素加入的，一般碳钢的含锰量为0.25% ~ 0.8%。钢中的锰一部分形成MnS和MnO夹杂物，其余的锰溶入铁素体和渗碳体中。锰溶入铁素体可以起到固溶强化的作用，从而提高钢的强度，但是也会降低钢的塑性。
硅在碳钢中的含量小于0.50%，硅具有较强的脱氧作用。硅溶入铁素体可以提高钢的强度，且塑性、韧性降低不明显。但是，硅的含量大于0.8%时，钢的塑性、韧性显著下降。
硫是钢中有害的杂质元素（硫可以提高钢对切削性能，所以在易切削钢中硫是作为合金元素加入的），它是炼钢过程中难以除尽的杂质。硫的有害作用主要是增大钢的热脆性，引起铸件产生热裂纹。因此, 工业上规定优质钢中的硫不得超过0.04%。
钢中的磷来源于炼钢原料。磷对钢的有害作用表现在提高钢的冷脆性，明显降低钢的塑性和韧性。因此，优质碳素钢含磷量不能大于0.04%。
第三部分：TTT曲线
过冷奥氏体等温转变曲线可综合反映过冷奥氏体在不同过冷度
下的等温转变过程：转变开始和转变终了时间、转变产物的类型以及转变量与时间、温度之间的关系等。因其形状通常像英文字母“C”，故俗称其为C曲线，亦称为TTT 曲线，如图11。
图11 共析钢的TTT曲线
C曲线中转变开始线与纵轴的距离为孕育期，标志着不同过冷度下过冷奥氏体的稳定性，其中以550℃左右共析钢的孕育期最短，过冷奥氏体稳定性最低，称为C 曲线的“鼻尖”。
图中最上面一条水平虚线表示钢的临界点A1(723℃)，即奥氏体与珠光体的平衡温度。图中下方的一条水平线M s(230℃)为马氏转变开始温度，M s以下还有一条水平线M f(-50℃)为马氏体转变终了温度。A1与M s线之间有两条C 曲线，左侧一条为过冷奥氏体转变开始线，右侧一条为过冷奥氏体转变终了线。A1线以上是奥氏体稳定区。M s 线至M f线之间的区域为马氏体转变区，过冷奥氏体冷却至M s线以下将发生马氏体转变。过冷奥氏体转变开始线与转变终了线之间的区域为过冷奥氏体转变区，在该区域过冷奥氏体向珠光体或贝氏体转变。在转变终了线右侧的区域为过冷奥氏体转变产物区。A1线以下，M s 线以上以及纵坐标与过冷奥氏体转变开始线之间的区域为过冷奥氏
体区，过冷奥氏体在该区域内不发生转变，处于亚稳定状态。在A1
温度以下某一确定温度，过冷奥氏体转变开始线与纵坐标之间的水平距离为过冷奥氏体在该温度下的孕育期，孕育期的长短表示过冷奥氏体稳定性的高低。在A1以下，随等温温度降低，孕育期缩短，过冷奥氏体转变速度增大，在550℃左右共析钢的孕育期最短，转变速度最快。此后，随等温温度下降，孕育期又不断增加，转变速度减慢。过冷奥氏体转变终了线与纵坐标之间的水平距离则表示在不同温度下转变完成所需要的总时间。转变所需的总时间随等温温度的变化规律也和孕育期的变化规律相似。
合金元素对钢的影响
1、合金元素对过冷奥氏体等温转变的影响
合金元素（除Co外）溶入奥氏体后，均使奥氏体等温转变图位置右移，减小了钢的马氏体临界冷却速度，增大了钢的淬透性，如图所示。
必须指出，加入的合金元素，只有完全溶于奥氏体时，才能提高淬透性。如果未完全溶解，则反倒为奥氏体分解时新相的成核准备了结晶核心，使分解速度加快，反而降低钢的淬透性。
2、合金元素对过冷奥氏体向马氏体转变的影响
除Co、Al外，大多数固溶于马氏体中的合金元素都使马氏体转变温度M S和M f点下降，使合金钢淬火后残余奥氏体量较非合金钢多，使钢的硬度、尺寸稳定性下降。
必须指出，以上讨论的是单独加入一种合金元素的影响，如同时加入多种元素，其综合作用的影响是比较复杂的，并不是单个元素作用的简单总和。
定义：碳与合金元素溶解在γ-Fe中的固溶体，仍保持γ-Fe的面心立方晶格 特征：奥氏体是一般钢在高温下的组织，其存在有一定的温度和成分范围。有些淬火钢能使部分奥氏体保留到室温，这种奥氏体称残留奥氏体。奥氏体一般由等轴状的多边形晶粒组成，晶粒内有孪晶。在加热转变刚刚结束时的奥氏体晶粒比较细小，晶粒边界呈不规则的弧形。经过一段时间加热或保温，晶粒将长大，晶粒边界可趋向平直化。铁碳相图中奥氏体是高温相，存在于临界点A1温度以上，是珠光体逆共析转变而成。当钢中加入足够多的扩大奥氏体相区的化学元素时，Ni,Mn等，则可使奥氏体稳定在室温，如奥氏体钢。
定义：碳与合金元素溶解在a-Fe中的固溶体 特征：亚共析钢中的慢冷铁素体呈块状，晶界比较圆滑，当碳含量接近共析成分时，铁素体沿晶粒边界析出。
定义：碳与铁形成的一种化合物 特征：渗碳体不易受硝酸酒精溶液的腐蚀，在显微镜下呈白亮色，但受碱性苦味酸钠的腐蚀，在显微镜下呈黑色。渗碳体的显微组织形态很多，在钢和铸铁中与其他相共存时呈片状、粒状、网状或板状。 ?在液态铁碳合金中，首先单独结晶的渗碳体（一次渗碳体）为块状，角不尖锐，共晶渗碳体呈骨骼状 ?过共析钢冷却时沿Acm线析出的碳化物（二次渗碳体）呈网结状，共析渗碳体呈片状 ?铁碳合金冷却到Ar1以下时，由铁素体中析出渗碳体（三次渗碳体），在二次渗碳体上或晶界处呈不连续薄片状
定义：铁碳合金中共析反应所形成的铁素体与渗碳体的机械混合物 特征：珠光体的片间距离取决于奥氏体分解时的过冷度。过冷度越大，所形成的珠光体片间距离越小。 ?在A1~650℃形成的珠光体片层较厚，在金相显微镜下放大400倍以上可分辨出平行的宽条铁素体和细条渗碳体，称为粗珠光体、片状珠光体，简称珠光体。 ?在650~600℃形成的珠光体用金相显微镜放大500倍，从珠光体的渗碳体上仅看到一条黑线，只有放大1000倍才能分辨的片层，称为索氏体。 ?在600~550℃形成的珠光体用金相显微镜放大500倍，不能分辨珠光体片层，仅看到黑色的球团状组织，只有用电子显微镜放大10000倍才能分辨的片层称为屈氏体
钢铁中常见的金相组织区别简析 钢铁中常见的金相组织 1.奥氏体－碳与合金元素溶解在γ-fe中的固溶体，仍保持γ-fe的面心立方晶格。晶界比较直，呈规则多边形；淬火钢中残余奥氏体分布在马氏体间的空隙处 2.铁素体－碳与合金元素溶解在a-fe中的固溶体。亚共析钢中的慢冷铁素体呈块状，晶界比较圆滑，当碳含量接近共析成分时，铁素体沿晶粒边界析出。 3.渗碳体－碳与铁形成的一种化合物。在液态铁碳合金中，首先单独结晶的渗碳体（一次渗碳体）为块状，角不尖锐，共晶渗碳体呈骨骼状。过共析钢冷却时沿acm线析出的碳化物（二次渗碳体）呈网结状，共析渗碳体呈片状。铁碳合金冷却到ar1以下时，由铁素体中析出渗碳体（三次渗碳体），在二次渗碳体上或晶界处呈不连续薄片状。 4.珠光体－铁碳合金中共析反应所形成的铁素体与渗碳体的机械混合物。 珠光体的片间距离取决于奥氏体分解时的过冷度。过冷度越大，所形成的珠光体片间距离越小。在a1~650℃形成的珠光体片层较厚，在金相显微镜下放大400倍以上可分辨出平行的宽条铁素体和细条渗碳体，称为粗珠光体、片状珠光体，简称珠光体。在650~600℃形成的珠光体用金相显微镜放大500倍，从珠光体的渗碳体上仅看到一条黑线，只有放大1000倍才能分辨的片层，称为索氏体。在600~550℃形成的珠光体用金相显微镜放大500倍，不能分辨珠光体片层，仅看到黑色的球团状组织，只有用电子显微镜放大10000倍才能分辨的片层称为屈氏体。 5.上贝氏体－过饱和针状铁素体和渗碳体的混合物，渗碳体在铁素体针间。过冷奥氏体在中温（约350~550℃）的相变产物，其典型形态是一束大致平行位向差为6~8od铁素体板条，并在各板条间分布着沿板条长轴方向排列的碳化物短棒或小片；典型上贝氏体呈羽毛状，晶界为对称轴，由于方位不同，羽毛可对称或不对称，铁素体羽毛可呈针状、点状、块状。若是高碳高合金钢，看不清针状羽毛；中碳中合金钢，针状羽毛较清楚；低碳低合金钢，羽毛很清楚，针粗。转变时先在晶界处形成上贝氏体，往晶内长大，不穿晶。 6.下贝氏体－同上，但渗碳体在铁素体针内。过冷奥氏体在350℃~ms的转变产物。其典型形态是双凸透镜状含过饱和碳的铁素体，并在其内分布着单方向排列的碳化物小薄片；在晶内呈针状，针叶不交叉，但可交接。与回火马氏体不同，马氏体有层次之分，下贝氏体则颜色一致，下贝氏体的碳化物质点比回火马氏体粗，易受侵蚀变黑，回火马氏体颜色较浅，不易受侵蚀。高碳高合金钢的碳化物分散度比低碳低合金钢高，针叶比低碳低合金钢细。 7.粒状贝氏体－大块状或条状的铁素体内分布着众多小岛的复相组织。过冷奥氏体在贝氏体转变温度区的最上部的转变产物。刚形成时是由条状铁素体合并而成的块状铁素体和小岛状富碳奥氏体组成，富碳奥氏体在随后的冷却过程中，
金属材料常见金相组织的名称和特征 名称定义特征 奥氏体 碳与合金元素溶解在γ-Fe中 的固溶体，仍保持γ-Fe的面心立 方晶格 晶界比较直，呈规则多边形；淬火钢中残余奥氏 体分布在马氏体针间的空隙处 铁素体碳与合金元素溶解在a-Fe中的固 溶体 亚共析钢中的慢冷铁素体呈块状，晶界比较圆 滑，当碳含量接近共析成分时，铁素体沿晶粒边界析 出 渗碳体碳与铁形成的一种化合物在液态铁碳合金中，首先单独结晶的渗碳体（一次渗碳体）为块状，角不尖锐，共晶渗碳体呈骨骼状过共析钢冷却时沿Acm线析出的碳化物（二次渗碳体）呈网结状，共析渗碳体呈片状铁碳合金冷却到Ar1以下时，由铁素体中析出渗碳体（三次渗碳体），在二次渗碳体上或晶界处呈不连续薄片状 珠光体 铁碳合金中共析反应所形成 的铁素体与渗碳体的机械混合 物 珠光体的片间距离取决于奥氏体分解时的过冷 度。过冷度越大，所形成的珠光体片间距离越小在 A1~650℃形成的珠光体片层较厚，在金相显微镜下放 大400倍以上可分辨出平行的宽条铁素体和细条渗碳 体，称为粗珠光体、片状珠光体，简称珠光体在 650~600℃形成的珠光体用金相显微镜放大500倍，从 珠光体的渗碳体上仅看到一条黑线，只有放大1000倍 才能分辨的片层，称为索氏体在600~550℃形成的珠 光体用金相显微镜放大500倍，不能分辨珠光体片层， 仅看到黑色的球团状组织，只有用电子显微镜放大 10000倍才能分辨的片层称为屈氏体 上贝氏体 过饱和针状铁素体和渗碳体 的混合物，渗碳体在铁素体针间 过冷奥氏体在中温（约350~550℃）的相变产物， 其典型形态是一束大致平行位向差为6~8od铁素体板 条，并在各板条间分布着沿板条长轴方向排列的碳化 物短棒或小片；典型上贝氏体呈羽毛状，晶界为对称 轴，由于方位不同，羽毛可对称或不对称，铁素体羽 毛可呈针状、点状、块状。若是高碳高合金钢，看不 清针状羽毛；中碳中合金钢，针状羽毛较清楚；低碳 低合金钢，羽毛很清楚，针粗。转变时先在晶界处形 成上贝氏体，往晶内长大，不穿晶 下贝氏体同上，但渗碳体在铁素体针内 过冷奥氏体在350℃~Ms的转变产物。其典型形态是双凸透镜状含过饱和碳的铁素体，并在其内分布着单方向排列的碳化物小薄片；在晶内呈针状，针叶不交叉，但可交接。与回火马氏体不同，马氏体有层次之分，下贝氏体则颜色一致，下贝氏体的碳化物质点比回火马氏体粗，易受侵蚀变黑，回火马氏体颜色较浅，不易受侵蚀。高碳高合金钢的碳化物分散度比低碳低合金钢高，针叶比低碳低合金钢细
实验二金相常识简介和铁碳合金平衡组织观察 一、目地要求 1 、了解试样制备过程、金相显微镜基本构造和原理等金相常识。 2 、研究和了解铁碳合金在平衡状态下的显微组织。 3 、分析成分对铁碳合金显微组织的影响，从而加深理解成分、组织和性能之间的相互关系。 二、实验内容：将制好的样品放在显微镜上观察，注意显微镜的正确使用，并分析样品制备的质量好坏，初步认识显微镜下的组织特征并分析成分对铁碳合金显微组织的影响。 三、实验设备：金相显微镜，抛光机易耗品：吹风器、样品、不同号数的砂纸、玻璃板，抛光粉悬浮液、4%的硝酸酒精溶液、酒精、棉花等 四、实验步骤： 1.金相样品的制备方法。 2、样品硝酸酒精溶液腐蚀（即浸蚀）。
实验结论： 1画组织示意图 （1）画出下列试样的组织示意图 1）亚共析纲 2）过共析钢 3）亚共晶白口铸铁 4）过共晶白口铸铁 （2）画图方法要求如下 1）应画岩石记录表中的30—50直径的圆内，注明：材料名称、含碳量、 腐蚀剂和放大倍数。并将组织组成物用细线引出标明。如下图： 2．回答以下问题 （1）分析所画组织的形成原因。
（2）分析碳钢（任选一种成分）或白口铸铁（任选一种成分）凝固过程。
教学及实验方法： 1 、教师讲述和演示阶段： 用 1 5 分钟时间讲解试样制备、显微镜结构、反射原理和黑白成像等金相常识，用 2 0 分钟时间联系铁碳平衡图讲解、分析本次实验的 7 种铁碳合金在平衡状态下的显微组织，用电视显微镜向全体学生展示所有显微组织，用 5 分钟时间讲解绘制显微 组织的有关技巧。 2 、学生动手实验阶段： 学生用 5 0 分钟时间对 7 种铁碳合金平衡组织进行观察和分析，进一步建立成分和组织之间相互关系的概念，绘出所观察到的显微组织图，用箭头标明各显微组织，并在相应图下标出成分，确立组织和成分之间的关系。
调质钢的金相组织及检验 调质钢通常是指采用调质处理（淬火加高温回火）的中碳优质碳素结构钢和合金结构钢，如35、45、50、40Cr、 40MnB、40CrMn、30CrMnSi、38CrMoAlA、40CrNiMoA和40CrMnMo 等。 调质钢主要用于制造在动态载荷或各种复合应力下工作的零件（如机器中传动轴、连杆、齿轮等）。这类零件要求钢材具有较高的综合力学性能。 调质钢的热处理 （一）预先热处理 为了消除和改善前道工序（铸、锻、轧、拔）遗存的组织缺陷和内应力，并为后道工序（淬火、切削、拉拔）作好组织和性能上准备而进行退火或正火工序就是预先热处理。 关于调质钢在切削加工前进行的预先热处理，珠光体钢可在Ac3 以上进行一次正火或退火；合金元素含量高的马氏体钢则先在Ac3 以上进行一次空冷淬火，然后再在Ac1以下进行高温回火，使其形成回火索氏体。 （二）最终热处理 调质钢一般加热温度在Ac3以上30~50℃，保温淬火得到马氏体组织。淬火后应进行高温回火获得回火索氏体。回火温度根据调质件的性能要求，一般取500~600℃之间，具体范围视钢的化学成分和零件的技术条件而定。因为合金元素的加人会减缓马氏体的分解、碳化物的析出和聚集以及残余奥氏体的转变等过程，回火温度将移向更高。 二、调质钢的金相检验 （一）原材料组织检验调质工件在淬火前的理想组织应为细小均匀的铁素体加珠光体，这样才能保证在正常淬火工艺下获得良好的淬火组织---细小的马氏体。（二）脱碳层检验钢材在热加工或热处理时，表面因与炉气作用而形成脱碳层。脱碳层的特征是，表面铁素体量相对心部要多（半脱碳）或表面全部为铁素体（全脱碳），从而使工件淬火后出现铁素体或托氏体组织，回火后硬度不足，耐磨性和疲劳强度下降。因此调质工件淬火后不允许有超过加工余量的脱碳层。金相试样的磨面必须垂直脱碳面，边缘保持完整，不应有倒角。脱碳层的具体测量方法可按GB/T 224-1987标准进行。（三）锻造的过热和过烧检验 锻造加热时，由于加热温度高，不仅奥氏体晶粒粗大，而且有些夹杂物发生溶解而在锻后冷却时沿奥氏体晶界重新析出。一般过热时，仅出现粗大的奥氏体晶粒并产生魏氏组织。在一些低合金钢中还会出现粗大的贝氏体或马氏体组织。过热时沿奥氏体晶界析出的常为MnS 或FeS。用一般试剂无法侵蚀显示奥氏体晶界，最好方法用饱和的硝酸铵溶液进行电解侵蚀。侵蚀后试样的奥氏体晶界呈白色网状。由于过热锻件晶粒粗大，使得塑性和韧性下降，容易造成脆断。 当钢加热到更高温度，接近液相线时，会出现过烧现象。过烧特征是钢的粗大晶界被氧化和熔化，锻造时将产生沿晶裂纹，在锻件表面出现龟裂状裂纹。（四）调质钢的淬火回火组织 调质钢正常淬火组织为板条状马氏体和针片状马氏体，当含碳量较低时，如30CrMo等，形态特征趋向于低碳马氏体。当含碳量较高，如60Si2、50CrV等，形态特征趋向于高碳马氏体。 如果淬火加热温度过低，或保温不足，奥氏体未均匀化，或淬火前预先热处理不当，未使原始组织变得细匀一致，导致工件淬火后的组织为马氏体和未溶的铁素体，后者即使回火也不能消除（图5-1）。
钢铁金相组织名称、定义及其特征碳与合金元素溶解在γ-Fe晶界比较直，呈规则多边形；淬火钢中残余奥氏体分布在马氏体针间的空隙处。 中的固溶体，仍保持γ-Fe 的面心立方晶格。 碳与合金元素溶解在a-Fe亚共析钢中的慢冷铁素体呈块状，晶界比较圆滑，当碳含量接近共析成分时，铁素体中的固溶体。沿晶粒边界析出。 碳与铁形成的一种化合物。在液态铁碳合金中，首先单独结晶的渗碳体（一次渗碳体）为块状，角不尖锐，共晶 渗碳体呈骨骼状。 过共析钢冷却时沿Acm线析出的碳化物（二次渗碳体）呈网结状，共析渗碳体呈片状。 铁碳合金冷却到Ar以下时，由铁素体中析出渗碳体（三次渗碳体），在二次渗碳体上1 或晶界处呈不连续薄片状。 铁碳合金中共析反应所形珠光体的片间距离取决于奥氏体分解时的过冷度。过冷度越大，所形成的珠光体片间 成的铁素体与渗碳体的机距离越小。 械混合物。在A~650?形成的珠光体片层较厚，在金相显微镜下放大400倍以上可分辨出平行1 的宽条铁素体和细条渗碳体，称为粗珠光体、片状珠光体，简称珠光体。在650~600?形成的珠光体用金相显微镜放大500倍，从珠光体的渗碳体上仅看到一条黑线，只有放大1000倍才能分辨的片层，称为索氏体。
在600~550?形成的珠光体用金相显微镜放大500倍，不能分辨珠光体片层，仅看到 黑色的球团状组织，只有用电子显微镜放大10000倍才能分辨的片层称为屈氏体。 过饱和针状铁素体和渗碳过冷奥氏体在中温（约350~550?）的相变产物，其典型形态是一束大致平行位向差 o体的混合物，渗碳体在铁素为6~8铁素体板条，并在各板条间分布着沿板条长轴方向排列的碳化物短棒或小片； 体针间。典型上贝氏体呈羽毛状，晶界为对称轴，由于方位不同，羽毛可对称或不对称，铁素体羽毛可呈针状、点状、块状。若是高碳高合金钢，看不清针状羽毛；中碳中合金钢， 针状羽毛较清楚；低碳低合金钢，羽毛很清楚，针粗。转变时先在晶界处形成上贝氏 体，往晶内长大，不穿晶。 同上，但渗碳体在铁素体针过冷奥氏体在350?~Ms的转变产物。其典型形态是双凸透镜状含过饱和碳的铁素体， 内。并在其内分布着单方向排列的碳化物小薄片；在晶内呈针状，针叶不交叉，但可交接。 与回火马氏体不同，马氏体有层次之分，下贝氏体则颜色一致，下贝氏体的碳化物质 点比回火马氏体粗，易受侵蚀变黑，回火马氏体颜色较浅，不易受侵蚀。高碳高合金
金相综合实验报告 实验名称: 碳钢成分-工艺-组织-性能综合分析实验专业: 材料科学与工程 班级: 材料11（1） 指导老师：席生岐高圆 小组组长: 仇程希 小组成员：齐慧媛李敏朱婧王艳姿闫士琪陈长龙黄忠鹤郭晓波丁江蒋经国庞小通林乐 二〇一四年四月三日
一、实验目的 1.了解碳钢热处理工艺操作； 2.学会使用洛氏硬度计测量材料的硬度性能值； 3.利用数码显微镜获取金相组织图像，掌握热处理后钢的金相组织分析方法； 4.探讨淬火温度、淬火冷却速度、回火温度对45和T12钢的组织和性能（硬度）的影响； 5.巩固课堂教学所学相关专业知识，体会材料的成分—工艺—组织—性能之间关系。 二、实验内容 1.进行45和T12钢试样退火、正火、淬火、回火热处理，工艺规范参考相关资料； 2.用洛氏硬度计测定试样热处理试样前后的硬度； 3.制备所给表中样品的金相试样，观察并获取其显微组织图像； 4.对照金相图谱，分析探讨本次实验可能得到的典型组织：片状珠光体、片状马氏体、板条状马氏体、回火马氏体、回火托氏体、回火索氏体等的金相特征。三、实验原理 热处理是一种很重要的金属加工工艺方法。热处理的主要目的是改变钢的性能，热处理工艺的特点是将钢加热到一定温度，经一定时间保温，然后以某种速度冷却下来，从而达到改变钢的性能的目的。研究非平衡热处理组织，主要是根据过冷奥氏体等温转变曲线来确定。 热处理之所以能使钢的性能发生显著变化，主要是由于钢的内部组织结构发生了的一系列的变化。采用不同的热处理工艺，将会使钢得到不同的组织结构，从而获得所需要的性能。 钢的热处理基本工艺方法可分为退火、正火、淬火和回火等。 (一)碳钢热处理工艺 1.加热温度 亚共析钢加热温度一般为Ac3+30-50℃，过共析钢加热温度一般为Ac 1＋30-50℃（淬火）或Acm+50-100℃（正火）。 淬火后回火温度有三种，即：低温回火（150-250℃）、中温回火（350-500℃）、
钢铁金相图谱 第一章钢铁典型金相组织 材料：纯铁 工艺情况：退火状态 浸蚀方法：苦味酸酒精溶液浸蚀————————————————————1 材料：10钢 工艺情况：退火状态 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀————————————————————2 材料：16Mn 工艺情况：热轧状态 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀————————————————————3 材料：1Cr18Ni9Ti 工艺情况：固溶处理 浸蚀方法：盐酸、硝酸、甘油混合溶液浸蚀———————————————4 材料：T8 工艺情况：退火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀————————————————————5 材料：50钢 工艺情况：正火处理 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀————————————————————6 材料：GCr15 工艺情况：球化退火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀————————————————————7 材料：T10 工艺情况：加热至860℃保温后炉冷 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀————————————————————8 材料：20CrMnMo 工艺情况：1000℃过热渗碳后空冷 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀————————————————————9
工艺情况：铸态 浸蚀方法：三氯化铁盐酸水溶液浸蚀——————————————————10 材料：T10 工艺情况：高温淬火后 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀———————————————————11 材料：W18Cr4V 工艺情况：1270℃淬火，560℃三次回火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀———————————————————12 材料：GCr15 工艺情况：850℃淬火后回火处理 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀———————————————————13 材料：40Cr 工艺情况：淬火，回火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀———————————————————14 材料：15MnB 工艺情况：920℃渗碳淬火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀———————————————————15 材料：20Cr 工艺情况：渗碳后淬火和回火处理 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀———————————————————16 材料：20CrMnMo 工艺情况：1000℃渗碳后空冷 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀———————————————————17 材料：70Si3MnA（弹簧钢） 工艺情况：加热保温，在400℃盐浴中等温冷却后空冷 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀———————————————————18 材料：70Si3Mn 工艺情况：加热至1200℃保温，在400℃盐浴中等温3min后空冷 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀———————————————————19 材料：35钢 工艺情况：加热至870℃，保温30min，淬火 浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀———————————————————20
铜及铜合金的金相组织分析一）结晶过程的分析 结晶是以树枝状的方式生长，树枝状的结晶容易造成夹渣外，通常形成显微疏松。 取决于模壁的冷却速度外，还取决于合金成分、熔化与浇注温度等。 （二）宏观分析中常见缺陷 在浇注过程中往往产生缩孔、疏松、气孔、偏析等缺陷。 浇注温度和浇注方式的影响，铸锭、紫铜中容易出现气孔和皮下气孔。 由于合金元素的熔点、比重不一，熔炼工艺不当造成铸锭的成分偏析。 铸造时热应力可产生裂纹。 浇注工艺不当（浇注温度过低），浇注时金属液的中断会造成冷隔。 （三）微观分析 与铜相互作用的性质，杂质可分三类： 1. 溶解在固态铜中的元素（铝、铁、镍、锡、锌、银、金、呻、锑）。 2. 与铜形成脆性化合物的元素（硫、氧、磷等）。 3. 实际上不溶于固态铜中与铜形成易熔共晶的元素（铅、铋等）。 铋与铜形成共晶呈网状分布于铜的基体上，淡灰色。 铅含量很少时和铋一样呈网状分布于晶界，其颜色为黑色； 铅含量大时在铜的晶粒间界上呈单独的黑点。 暗场观察：铅点呈黑色，孔洞为亮点。 硫与氧的观察：均与铜形成化合物（Cu2S、Cu2O），又以共晶形式（Cu2S+ Cu、 Cu2O+ Cu）分布在铜的晶界上。 氯化高铁盐酸水溶液浸蚀：Cu2O变暗，Cu2S不浸蚀。 偏振光观察：Cu2O呈暗红色。 QJ 2337-92 铍青铜的金相试验方法 金相分析晶粒度检测金属显微组织分析，晶粒度分析，GB/T 6394-02 金属平均晶粒度测定方法 ASTM E 112-96（2004） 金属平均晶粒度测定方法
YS/T 347-2004 铜及铜合金平均晶粒度测定方法 GB/T13298-91 金属显微组织检验方法 GB/T 13299-91 钢的显微组织评定方法 GB/T 10561-2005 钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法 ASTM E45-05 钢中非金属夹杂物含量测定方法 GB/T 224-87 钢的脱碳层深度测定方法 ASTM E407-07 金属及其合金的显微腐蚀标准方法 GB/T 226-91 钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验方法 GB/T 1979-2001 结构钢低倍组织缺陷评级图 GB/T 5168-85 两相钛合金高低倍组织 GB/T 9441-1988 球墨铸铁金相检验 ASTM A 247-06 铸件中石墨微结构评定试验方法 GB/T 7216-87 灰铸铁金相 EN ISO 945:1994 石墨显微结构 GB/T 13320-07 钢质模锻件金相组织评级图及评定方法 CB 1196-88 船舶螺旋桨用铜合金相含量金相测定方法 JB/T 7946.1-1999 铸造铝合金金相 铸造铝硅合金变质 JB/T 7946.2-1999 铸造铝合金金相 铸造铝硅合金过烧 JB/T 7946.3-1999 铸造铝合金金相铸造铝 氧是铜中最常见的杂质，可产生氢脆。所以含氧量应严格规定。 1、金属平均晶粒度【001】金属平均晶粒度测定… GB 6394-2002 自动评级【010】铸造铝铜合金晶粒度测定…GB 10852-89
实验三碳钢的非平衡组织及常用金属材料 显微组织观察 实验目的概述实验内容实验方法实验报告思 考题 一、实验目的 1. 观察碳钢经不同热处理后的显微组织。 2. 熟悉碳钢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。 3. 熟悉铸铁和几种常用合金钢、有色金属的显微组织。 4. 了解上述材料的组织特征、性能特点及其主要应用。 TOP 二、概述 1. 碳钢热处理后的显微组织 碳钢经退火、正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(C曲线)。 为了简便起见，用C曲线来分析共析钢过冷奥氏体在不同温度等温转变的组织及性能（见表3-1）。在缓慢冷时(相当于炉冷，见图2-3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)，得到的为屈氏体和马氏体；当冷却速度增大至V4、V5，(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。其中与C曲线鼻尖相切的冷却速度(V4)称为淬火的临界冷却速度。 转变类型组织名称形成温度范围／℃显微组织特征硬度(HRC) 珠光体型相 变珠光体 (P) >650 在400～500X金相显微镜下可以观察到 铁索体和渗碳体的片层状组织 ～20 (HBl80～200)索氏体 (S) 600～650 在800一]000X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 (T) 550～600 用光学显微镜观察时呈黑色团状组织， 只有在电子显徽镜(5000～15000X)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 下贝氏体 (BT) 230～350在金相显微镜下呈黑色针叶状特征48～58
常见金相组织名词解释——全面的特征描述，想不明白都难。 奥氏体 定义：碳与合金元素溶解在γ-Fe中的固溶体，仍保持γ-Fe的面心立方晶格 特征：奥氏体是一般钢在高温下的组织，其存在有一定的温度和成分围。有些淬火钢能使部分奥氏体保留到室温，这种奥氏体称残留奥氏体。奥氏体一般由等轴状的多边形晶粒组成，晶粒有孪晶。在加热转变刚刚结束时的奥氏体晶粒比较细小，晶粒边界呈不规则的弧形。经过一段时间加热或保温，晶粒将长大，晶粒边界可趋向平直化。铁碳相图中奥氏体是高温相，存在于临界点A1温度以上，是珠光体逆共析转变而成。当钢中加入足够多的扩大奥氏体相区的化学元素时，Ni,Mn等，则可使奥氏体稳定在室温，如奥氏体钢。 铁素体
定义：碳与合金元素溶解在a-Fe中的固溶体 特征：亚共析钢中的慢冷铁素体呈块状，晶界比较圆滑，当碳含量接近共析成分时，铁素体沿晶粒边界析出。 渗碳体
定义：碳与铁形成的一种化合物 特征：渗碳体不易受硝酸酒精溶液的腐蚀，在显微镜下呈白亮色，但受碱性苦味酸钠的腐蚀，在显微镜下呈黑色。渗碳体的显微组织形态很多，在钢和铸铁中与其他相共存时呈片状、粒状、网状或板状。 ?在液态铁碳合金中，首先单独结晶的渗碳体（一次渗碳体）为块状，角不尖锐，共晶渗碳体呈骨骼状 ?过共析钢冷却时沿Acm线析出的碳化物（二次渗碳体）呈网结状，共析渗碳体呈片状 ?铁碳合金冷却到Ar1以下时，由铁素体中析出渗碳体（三次渗碳体），在二次渗碳体上或晶界处呈不连续薄片状 珠光体
定义：铁碳合金中共析反应所形成的铁素体与渗碳体的机械混合物 特征：珠光体的片间距离取决于奥氏体分解时的过冷度。过冷度越大，所形成的珠光体片间距离越小。 ?在A1~650℃形成的珠光体片层较厚，在金相显微镜下放大400倍以上可分辨出平行的宽条铁素体和细条渗碳体，称为粗珠光体、片状珠光体，简称珠光体。 ?在650~600℃形成的珠光体用金相显微镜放大500倍，从珠光体的渗碳体上仅看到一条黑线，只有放大1000倍才能分辨的片层，称为索氏体。 ?在600~550℃形成的珠光体用金相显微镜放大500倍，不能分辨珠光体片层，仅看到黑色的球团状组织，只有用电子显微镜放大10000倍才能分辨的片层称为屈氏体 上贝氏体
压力容器用钢常见金相组织以及钢的分类 锅炉压力容器用钢常见金相组织和性能 1.奥氏体A[Feγ(C)] 奥氏体是碳在γ-Fe中的固熔体，在合金钢中是碳和合金元素熔解在γ-Fe中的固溶体。奥氏体塑性很高，硬度和屈服点较低，布氏硬度值一般为170～220HB，是钢中比容最小的组织。奥氏体在1147℃时可溶解碳为2.11%，在727℃时可溶解碳为0.77%。 奥氏体仍然保持γ-Fe的面心立方晶格，在金相组织中呈现为规则的多边形。 2.铁素体F [Feα(C)] 铁素体是碳与合金元素溶解在α-Fe中的固溶体。 铁素体性能接近钝铁，硬度低（约为80～100HB），塑性好。固溶有合金元素的铁素体能提高钢的强度和硬度。在727℃时，碳在铁素体中溶解为0.022%，在常温下含碳量为0.008%。铁素体仍然保持α-Fe的体心立方晶格，在金相组织中具有典型纯金属的多面体金相特征。 3.渗碳体 [Fe3C] 渗碳体是铁和碳的化合物，又称碳化铁，常温下铁碳合金中碳大部分以渗碳体存在。根据铁—碳平衡图，渗碳体可分为： 一次渗碳体，是沿CD线由液体中结晶析出，多呈柱状。 二次渗碳体是从γ-固溶体中沿ES线析出的，多以白色网状出现。 三次渗碳体是从α-固溶体中沿PQ线析出的，多以白色网状出现。 渗碳体在低温下有弱磁性，高于217℃磁性消失。渗碳体的熔化温度约为1600℃，含碳量为6.67%，硬度很高（约为＞700HB），脆性很大，塑性近乎于零。 4.珠光体P 珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，是含碳量为0.77%的碳钢共析转变的产物，由铁素体和渗碳体相间排列的片层状组织。 珠光体的片间距取决于奥氏体分解时的过冷度，过冷度越大形成的珠光体片间距越小。按片间距的大小，又可分为珠光体、索氏体和屈氏体。由于它们没有本质上的区别，统称为珠光体。 粗片状珠光体，是奥氏体在650～700℃高温分解的产物，硬度约为190～230HB，用一般金相显微镜（500倍以下）能分辩Fe3C片。 索氏体S，是奥氏体在600～650℃高温分解的产物，硬度约为240～320HB，用高倍显微镜放大1000倍才能分辩Fe3C片。 屈氏体T，是奥氏体在550～600℃高温分解的产物，硬度约为330～400HB，用电子显微镜放大10000倍能分辩Fe3C片。 珠光体在金相组织中，多为铁素体和渗碳体相间排列的层片状组织，片层一般稍弯曲。在一定热处理条件下（球化退火或高温回火），渗碳体以颗粒状分布于铁素体基底之上，即球化组织，亦叫粒状珠光。 5．马氏体M 马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。当钢高温奥氏体化之后，若快速冷却至马氏体点以
1 工业纯铁退火铁素体白色等轴多边形晶粒为铁素体，深色线为晶界。 2 20钢退火低碳钢平衡组织白色晶粒为铁素体，深色块状为珠光体，高倍可 见珠光体中的层状结构。 3 45钢退火中碳钢平衡组织同上，但珠光体增多。 4 65钢退火高碳钢平衡组织占大部分的深色组织为珠光体，白色为铁素体。 5 T8钢退火共析钢平衡组织组织全部为层状珠光体，它是铁素体和渗碳体的 共析组织。 6 T12钢退火过共析钢平衡组织基体为层状珠光体，晶界上的白色为二次渗碳 体。 7 亚共晶白口铁铸态变态莱氏体+珠光体基体为黑白相间分布的变态莱氏 体，黑色树枝状为初晶奥氏体转变成的珠光体。 8 共晶白口铁铸态变态莱氏体白色为渗碳体（包括共晶渗碳体和二次渗碳 体），黑色圆粒及条状为珠光体。 9 过共晶白口铁铸态变态莱氏体+渗碳体基体为黑白相间分布的变态莱氏 体，白色板条状为一渗碳体 10 T8钢正火索氏体索氏体是细珠光体，片层间距小 11 T8钢快冷正火屈氏体屈氏体为极细珠光体，光学显微镜下难以分辨其层状 结构，灰白色块状、针状为淬火马氏体。 12 65Mn 等温淬火上贝氏体羽毛球为上贝氏体，基体为索氏体或淬火马氏体 和残余奥氏体。 13 65Mn 等温淬火下贝氏体黑色针状为下贝氏体，白色基体为淬火马氏体和 残余奥氏体。 14 20钢淬火低碳马氏体成束的板条状为低碳马氏体 15 T12 淬火高碳马氏体深色针片状组织为马氏体，白色为残余奥氏体 16 45钢淬火中碳马氏体黑色针叶状互成120度夹角的针状马氏体，其余为板 条状马氏体 17 T10钢球化退火球化体基体为铁素体，白色颗粒状为渗碳体。 18 T12 正火正火组织白色呈针状、细网络状分布的为渗碳体，其余为片层状 珠光体。 19 15钢渗碳后退火渗碳组织表层为过共析组织（网状渗碳体+珠光体），由表 向内含碳量逐渐减少，铁素体增多。 20 45钢渗硼渗硼组织表层为硼化物层（呈锯齿状）和过渡层，心部为45钢基 体组织。 21 40Cr 软氮化软氮化组织表层为白亮色的氮化合物和含氮的扩散层，心部为 40Cr基体组织 22 高速钢铸态共晶莱氏体+屈氏体+马氏体骨骼状组织为共晶莱氏体，基体
铝合金金相组织观察 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT
北京工业大学 实验报告 模块（课程）名称：材料工程基础综合实验 实验名称：铝合金金相组织观察 学号：08090206 姓名：左迎雪
一、实验目的 ⒈了解铸造、固溶处理、轧制及时效处理4种加工条件对铝合金的组织特征的影响； ⒉分析不同材料加工工艺对铝合金力学性能的影响； 3. 深入了解材料四要素之间的内在联系。 二、实验内容 1. 铝合金铸造、固溶处理、轧制及时效处理后金相组织的观察； 2. 不同工艺处理后铝合金静态拉伸实验； 3. 实验报告撰写。 三、实验过程 1. 制样 每一位同学根据名单选取相应工艺的样品，根据《光学技术实验平台》中对于金相样品制备的学习，按照金相样品制备的一般要求进行。磨光过程经历200、400、600、800等四种牌号的水砂纸，然后抛光、腐蚀。 制样的要点： A 缩短在砂纸上停留的时间（包括全过程及每次接触） B 挡水盘距离盘面1cm，请节约用水 C 样品抛光前必须在粗砂纸上修出倒角 D 抛光膏的使用原则是微量、多次；注水少量、恰当 E 抛光时，用力避免过大，应当适中，可以任意方向抛光 2. 组织观察
3. 结果分析 （1）请同学写出自己制备样品（铸造、固溶、轧制或轧制时效处理）的简要生产工艺过程； （2）观察图片，分析铸造、固溶处理、轧制、轧制时效工艺处理后，形成的组织的特点、原因（注意放大倍数的影响）； （3）分析自己制备样品的质量。 图中所示为铝合金铸态组织，主要由α-Al固溶体 与晶界上和枝晶间的低熔点共晶组成。晶粒基本 呈等轴状，在晶界处和晶内均分布有大量的第二 相颗粒，并且在晶界上还能看到存在一些显微疏松组织，可能是由于铸造过程中的收缩或气体含量过高造成的。此外， 由于铸造过程中的过冷度很大，成分偏析十分严重，这种偏析在会在晶 界处富铸造组织50× 集，越靠近晶界附近合金元素含量越高区域偏析越严重。晶粒细小。 图中所示为铝合金固溶处理组织，可以明显看出合 金晶粒粗化，再结晶组织增多，粗大的第二相组织 基本溶解。同时成分偏析得到一定消除，组织趋于 均匀。
一汽车钢板弹簧金相组织分级图（×500） 图1 回火屈氏体 (1级) 图 2 回火屈氏体+少量贝氏体（2级） 图3 回火屈氏体+少量铁素体 (3级) 图4 回火屈氏体+少量贝氏体+少量铁素体（4级） 图5 回火屈氏体+铁素体+屈氏体（5级） 二马氏体组织 a板条状马氏体 B针状马氏体 c片状马氏体加残余奥氏体
三莱氏体 四粒状贝氏体 五索氏体
汽车钢板弹簧金相组织及缺陷组织——黎方英 1、原材料金相组织及缺陷组织分析 材料:60Si2Mn 钢.处理情况:热轧状原材料. 组织分析:图1 a) ,金相组织为铁素体和片层珠光体.正常原材料组织. 图1 b) ,弹簧扁钢表面的脱碳. 图1 c) ,d) ,金相组织为带状铁素体和珠光体. 严重带状组织一般热处理工艺难以消除. 图1 e) ,弹簧扁钢表面的划痕,原材料表面缺陷. 图1 f) ,弹簧扁钢表面的碎裂,原材料表面缺陷的废品. a)500× b)100× c)100× d)100× e)100× f)100× 图1 原材料金相组织及缺陷组织分析
2、60Si2Mn 钢板弹簧正常淬火和回火组织分析： 处理情况:图2 a) ,860 ℃加热保温后油冷淬火. 图2b) ,860 ℃加热保温后油冷淬 火,460 ℃回火. 组织分析：图2 a) ,金相组织为中等针状淬火马氏体.淬火获得马氏体,是达到强韧化的重要基础. 图2 b) ,金相组织为中等回火屈氏体. a)500× b)500× 图2 汽车钢板弹簧正常淬火组织和回火组织分析 3、淬火加热温度低形成的缺陷组织如图3 材料:50CrVA 钢. 侵蚀剂:4 %硝酸酒精溶液. 处理情况:加热保温后油冷淬火,460 ℃回火. 组织分析:图3 a) ,金相组织为回火屈氏体,未溶解的铁素体和未溶解的碳化物. 图3 b) ,金相组织为回火屈氏体,未溶解的铁素体和片状珠光体. a)500× b)500× 图3 淬火加热温度低形成的缺陷组织 4、淬火加热温度高形成的缺陷组织如图4. 材料:图4 a) 、图4 c) ,60Si2Mn 钢;图4 b) ,50CrVA 钢. 处理情况:图4 b) ,加热保温后油冷淬火;图4 a) 、图4c) ,加热保温后油冷淬火,460 ℃回火. 组织分析:图4 a) ,金相组织为回火屈氏体和上贝氏体,最大晶粒度超过1 级. 图4 b) ,金相组织为淬火马氏体和残余奥氏体. 图4 c) ,金相组织为回火屈氏体,表层有一层全脱碳铁素
钢铁金相组织变化与热处理的关系 奥氏体金相组织 1.组织:碳在γ铁中的固溶体 2.特性:呈面心立方晶格.最高溶碳量为2.06%,在一般情况下,具有高的塑性,但强度和硬度低,HB=170-220,奥氏体组织除了在高温转变时产生以外,在常温时亦存在于不锈钢、高铬钢和高锰钢中,如奥氏体不锈钢等 渗碳体 (C) 金相组织 1.组织:铁和碳的化合物(Fe3C) 2.特性: 呈复杂的八面体晶格. 含碳量为6.67%,硬度很高,HRC70-75,耐磨,但脆性很大,因此, 渗碳体不能单独应用,而总是与铁素体混合在一起. 碳在铁中溶解度很小,所以在常温下,钢铁组织内大部分的碳都是以渗碳体或其他碳化物形式出现 珠光体(P)金相组织 1.组织;铁素体片和渗碳体片交替排列的层状显微组织,是铁素体与渗碳体祷旌衔?共析体) 2.特性: 是过冷奥氏体进行共析反应的直接产物. 其片层组织的粗细随奥氏体过冷程度不同,过冷程度越大,片层组织越细性质也不同. 奥氏体在约600℃分解成的组织称为细珠光体(有的叫一次索氏体), 在500-600℃分解转变成用光学显微镜不能分辨其片层状的组织称为极细珠光体(有的一次屈氏体),它们的硬度较铁素体和奥氏体高,而较渗碳体低,其塑性较铁素体和奥氏体低而较渗碳体高. 正火后的珠光体比退火后的珠光体组织细密,弥散度大,故其力学性能较好,但其片状渗碳体在钢材承受负荷时会引起应力集中,故不如索氏体。 莱氏体(L)金相组织 1.组织:奥氏体与渗碳体的共晶混合物 2.特性: 铁合金溶液含碳量在2.06%以上时,缓慢冷到1130℃便凝固出莱氏体. 当温度到达共析温度莱氏体中的奥氏转变为珠光体. 因此,在723℃以下莱氏体是珠光体与渗碳体机械混合物(共晶混合). 莱氏体硬而脆(＞HB700),是一种较粗的组织,不能进行压力加工,如白口铁. 在铸态含有莱氏体组织的钢有高速工具钢和Cr12型高合金工具钢等. 这类钢一般有较大有耐磨性和较好的切削性。 淬火与马氏体 1.组织:碳在α-Fe中的过饱和固溶体,显微组织呈针叶状进口泵 2.特性: 淬火后获得的不稳定组织. 具有很高的硬度,而且随含碳量增加而提高,但含碳量超过0.6%后的硬度值基本不变,如含C0.8%的马氏体,硬度约为HRC65,冲击韧性很低,脆性很大,延伸率和断面收缩率几乎等于零. 奥氏体晶粒愈大,马氏体针叶愈粗大,则冲击韧性愈低;淬火温度愈低, 奥氏体晶粒愈细,得到的马氏体针叶非常细小,即无针状马氏组织,其韧性最高。 回火马氏体(S)金相组织 1.组织:与淬火马氏体硬度相近,而脆性略低的黑色针叶状组织 2.特性: 淬火钢重新加热到150-250℃回火获得的组织. 硬度一般只比淬火马氏体低HRC1-3格,但内应力比淬火马氏体小。 索氏体(S) 1.组织:铁索体和较细的粒状渗碳体组成的组织 2.特性: 淬火钢重新加热到500-680℃回火后获得的组织. 与细珠光体相比,在强度相同情冲下塑性及韧性都高,随回火温度提高, 硬度和强度降低,冲击韧性提高.硬度约为HRC23-35.综合机械性能比较好. 索氏体有的叫二次索氏体或回火索氏体。 屈氏体、屈氏体(T) 组织或特性 1.组织:铁索体和更细的粒状渗碳体组成的组织
实验三碳钢的非平衡组织及常用金属材料显微组织观察 实验目的概述实验内容实验方法实验报告思考题 一、实验目的 1. 观察碳钢经不同热处理后的显微组织。 2. 熟悉碳钢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。 3. 熟悉铸铁和几种常用合金钢、有色金属的显微组织。 4. 了解上述材料的组织特征、性能特点及其主要应用。 TOP 二、概述 1. 碳钢热处理后的显微组织 碳钢经退火、正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(C曲线)。 为了简便起见，用C曲线来分析共析钢过冷奥氏体在不同温度等温转变的组织及性能（见表3-1）。 在缓慢冷时(相当于炉冷，见图2-3中的V 1)应得到100%的珠光体；当冷却速度增大到V 2 。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)，得到的为屈氏体和马 氏体；当冷却速度增大至V 4、V 5 ，(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。其中与C曲线鼻尖相切的冷却速度(V 4 )称为淬火的临界冷却速度。
亚共析钢的C 曲线与共析钢相比，只是在其上部多了一条铁素体先析出线，当奥氏体缓慢冷却时(相当于炉冷，如图2-3中V 1：)，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V 3>V 2>V ，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粒的边界上。因此，V 1的组织为铁素体+珠光体；V 2的组织为铁素体+索氏体； V 3，的组织为铁素体+屈氏体。当冷却速度为V 4，时，析出很少量的网状铁素体和屈氏体(有时可见到少量贝氏体)，奥氏体则主要转变为马氏体和屈氏体(如图3-3)；当冷却速度V 5，超过临界冷却速度时，钢全部 转变为马氏体组织(如图3-6，3-7)。 过共析钢的转变与亚共析钢相似，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。 ① 珠光体（P ） 珠光体的组织形态主要有两种：片状珠光体和颗粒状珠光体。片状珠光体由一片片相互交错排列的铁素体和渗碳体所组成形成珠光体的先行条件是事先形成均匀的奥氏体，而后缓慢冷却在A1以下附近温度形成。片状珠光体似手指纹的层状结构，它是一层铁素体和一层渗碳体的机械混合物（见图3-1）。颗粒状珠光体是在铁素体的基体上分布着细小颗粒状的渗碳体的球化组织（见图3-2）。 图3-1片状珠光体500×4%硝酸酒精 图3-2 颗粒状珠光体500×4%硝酸酒精 ② 索氏体(s) 是铁素体与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(见图3-3)。 ③ 屈氏体(T) 也是铁素体与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，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(见图3-4)。 图3-3 索氏体500×4%硝酸酒精 图3-4 屈氏体+马氏体500×4%硝酸酒精