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1、1机械工程材料实验指导书动力与机械学院材料工程系2目录实验一 铁碳合金平衡组织显微分析-3实验二 钢的非平衡组织观察-83实验一 铁碳合金平衡组织显微分析一、 实验目的1. 熟悉碳钢在平衡状态下的显微组织2. 熟悉白口铸铁的显微组织3. 了解铁碳合金组织的变化规律二、 原理概述由铁碳相图可知铁碳合金的基本相为铁素体、奥氏体和渗碳体，而在室温下仅能看到两个相：铁素体和渗碳体。各种碳钢和白口铁的组织均由这两个相组成。铁素体、渗碳体、珠光体和莱氏体的显微组织特征（1）铁素体（F）4碳在 F e 中的间隙固溶体，用 4%硝酸酒精溶液浸蚀后呈白色，亚共析钢中铁素体一般呈块状分布；当含碳量接近于共析成分时
2、，替我素体则呈断续的网状分布于珠光体周围。（2）渗碳体（Fe3C）铁与碳形成的一种间隙化合物，其碳含量为 6.69%，质硬而脆，经 4%硝酸酒精溶液浸蚀后呈亮白色。若用苦味酸钠溶液浸蚀后呈暗黑色，而铁素体仍为白色，由此可区别铁素体与渗碳体。按照成份和形成条件的不同，渗碳体可以呈现不同的形态；一次渗碳体（初生相）是直接由液体中析出的，故在白口铸铁中呈粗大的条片状，二次渗碳体（次生相）是从奥氏体中析出的，通常呈不连续薄片状存在于铁素体晶界处，数量很少。（3）珠光体（P）铁素体和渗碳体的机械混合物，铁素体与渗碳体相互混合交替排列形成的层片状组织，在高倍下能看清珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体
3、，当放大倍数较低时由于显微镜的鉴别能力小于渗碳体片厚度，这时珠光体中的渗碳体就只能看到是一条黑线，珠光体在较低放大倍数下片层不能分辨，呈黑色。高碳工具钢（过共析钢）经球化退火处理后还可以获得球状珠光体。（4）莱氏体（Ld）在室温下是由共晶 Fe3C 珠光体及二次渗碳体所组成的机械混合物。含碳量为 4.3%的共晶白口铁，在 1148时形成由奥氏体和渗碳体组成的共晶体，其中奥氏体冷却时析出二次渗碳体，并在 7275以下分解为珠光体。莱氏体的显微组织特征是在亮白色的渗碳体基底上相间地分布着暗黑色斑点细条状的珠光体。二次渗碳体和共晶渗碳体连在一起，从形态上难以区分。根据组织特点及碳含量不同，铁碳合金可
4、分为工业纯铁、钢和铸铁三大类。1. 工业纯铁。纯铁在室温下具有单相铁素体组织，含碳量0.02%的铁碳合金通常称为工业纯铁，即由铁素体和少量三次渗碳体组成。工业纯铁的显微组织，其中黑色线条是铁素体的晶界，而白色基底则是铁素体的不规则等轴晶粒，在某些晶界处可以看到不连续的薄片状三次渗碳体。2. 钢（1） 亚共析钢：亚共析钢的含碳量在 0.020.77%范围内，其组织有铁素体和珠光体所组成。白色为铁素体，暗黑色为珠光体。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，可以通过直接在显微镜下观察珠光体和铁素体各自所占面积的百分数，近似地计算出钢的含碳量，即碳含量P0.8%，其中 P
5、 为珠光体所占面积百分数。例如：在显微镜中观察到有 50%的面积为珠光体，50%的面积为铁素体则此钢的含碳量为C%= =0.4%（室温下铁素体含碳量极微，约为 0.008%，可忽略108.5不计）即相当于 40 钢。（2） 共析钢含硫量为 0.77%的碳钢称为共析钢，它由单一的珠光体组成。6（3）过共析钢含碳量超过 0.77%的碳钢称为过共析钢，它在室温下的组织由珠光体和二次渗碳体组成。钢中含碳量越多，二次渗碳体数量就越多。过共析钢的显微组织，组织形态为层片相间的珠光体和细小网络状渗碳体，经硝酸酒精溶液浸蚀后珠光体呈暗黑色，而二次渗碳体呈白色细网状。3. 铸铁（1）亚共晶白口铁含碳量4.3%的
6、白口铸铁称为亚共晶白口铸铁。在室温下组织为珠光体，二次渗碳体和莱氏体。用硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下呈黑色枝晶状的珠光体，珠光体外的白亮圈为 Fe3C和斑点状的莱氏体。（2）共晶白口铸铁共晶白口铸铁的含碳量为 4.3%，它在室温下的组织由单一的共晶莱氏体组成。经浸蚀后，在显微镜下珠光体呈暗黑色细条及斑点状，渗碳体呈亮白色鱼骨状。（3）过共晶白口铸铁含碳量大于 4.3%的白口铸铁称为过共晶白口铸铁，在室温下的组织由一次渗碳体和莱氏体组成。作硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下可观察到在暗色斑点状的莱氏体基底上分布着亮白色粗大条片状的一次渗碳体。73、实验内容1. 每人制备一块显微分析试样2. 观察分析
7、亚共析钢（20 钢和 45 钢）共析钢（T8） 、过过共析钢（T12） 、亚共晶白口铁、共晶白口铁、过共晶白口铁、工业纯铁的显微组织，并画出组织示意图。3. 观察自己制备的试样，并确定属于上述的哪一类。四、实验报告要求1. 实验目的和内容2. 画出上述各种试样的组织示意图，并注明材料名称、含碳量、浸蚀剂和放大倍数。显微组织画在直径为 30mm 的圆内，并将组织组成物名称以箭头引出标明。8实验二 钢的非平衡组织观察一、 实验目的（1） 观察碳钢经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） 熟悉碳钢几种曲型热处理组织M、T、S、M 回火 、S 回火 等组织的形态及特
8、征。二、实验内容和要求碳钢经退火、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。铁碳合金缓冷后的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，但在快冷条件下的显微组织就不能用铁碳合金相图来加以分析，而应由过冷奥氏体等温转变曲线（C 曲线）来确定。图 7-1 为共析碳钢的 C 曲线图。图 7-1 共析钢的 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9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。按照不同的冷却条件，过冷奥氏体将在不同的温度范围发生不同类型
9、的转变。通过金相显微镜观察，可看出过冷奥氏体各种转变产物的组织形态各不相同。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 7-1 中。2共析钢连续冷却时的显微组织共析钢奥氏体，在慢冷时（相当于炉冷，见图 7-1 的 v1）应得到 100%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；当冷却速度增大到 v4、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，瞬时转变马马氏体。其中与 C 曲线鼻尖相切的冷却速度（v 4）称为淬
10、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 曲线与共析钢相比，只是在其上部多了一条铁素体先析出线，见图 7-2 所示。当奥氏体缓冷时（相当于炉冷，如图 7-2 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 10v1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。图 7-2 亚共析钢的 C 曲线表 7-1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（P）650 在 400500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
11、(HB180200)珠光体型相变索氏体（S）600650在 8001000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。253511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500015000下才能看出片层状。3540上贝氏体（B 上 ）350550在金相显微镜下呈暗灰色的羽毛状特征4048贝氏体型相变上贝氏体（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，过热淬火时则呈粗大片状马氏体。60654各组织的显微特征（1）索氏体（S） 是铁素体与渗碳体的机械混合物，其片层比珠光
12、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） 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12下才能分辨其中的片层（见图 7-3） 。（3）贝氏体（B） 为奥氏体的中温转变产物，它也是铁素体与渗碳体的两相混合物。在显微形态上，主要有三种形态；A上贝氏体是由成束平行排列的条状铁素体和条间断续分布的渗碳体所组成的非层状组织（见图 7-4） 。B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
13、火马氏体易受浸蚀，在显微镜下黑色针状（见图 7-5） 。在电镜下可以见到，在片状铁素体基体中分布有很细的碳化物片，它们大致与铁素体片的长轴成 5560的角度。C粒状贝氏体是最近十几年才被确认的组织。在低、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。它的温度范围大致在上贝氏体转变渐度区的上部，由铁素体和它所包围的小岛状组织所组成。（4）马氏体（M）是碳在 -F e 的过饱和固溶体。以马氏体的形态按含碳量主要分两种，即板条状和针状（见图 7-6、7-7） 。A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联系贩细马
14、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。B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13微镜下，它呈竹叶状或针状，针和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，将奥氏体加以分割，使以后形成的马氏体片的大小受到限制。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 ）是含碳量大小 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，
15、在显微镜下呈白亮色，分布在马氏体之间，无固定形态。如图 7-8表示为含碳 1.3%的碳钢加热到 1000淬火后，约有 15%30%的残余奥氏体。如图 7-9 表示为含碳 1.2%的碳钢正常淬火（780加热） ，组织为马氏体+粒状渗碳体+少量残余奥氏体。图 7-4 上贝氏体+马氏体图 7-3 屈氏体+马氏体14（6）钢的回火组织与性能A回火马氏体。是低温回火（150250）组织。它仍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，而残余奥氏体不变仍呈白亮色（如图 7-10） 。低温回火后可以部分消除图 7-5 下贝氏体 图 7-6 回火板条状马氏体图 7-7 针状马氏体 图 7-8 粗大的针状马氏体+大量残余奥氏体图 7-9 马氏体+粒状渗碳体+少量残奥氏体图 7-10 回火马氏体（黑色） +残余奥氏体（白色）15淬火钢的内应力，增加韧性，同时仍能保持钢的高硬度。B回火屈氏体:是中温回火（350500）线织。回火屈氏体是铁素体与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） ，第二相渗碳体则析出在其中，呈极细颗粒状，用光学显微镜极难分辨（如图 7-11） 。中温回火后有很好的弹性和一定的韧性。C回火索氏体：是高温回火（500650）组织。回火索氏体是铁素体与较粗
