金属材料的显微组织观察(验证性)

金属材料的显微组织观察(guānchá)（验证性）热处理实验(shíyàn)共三十九页实验(shíyàn)目的熟悉各类金属材料的成分、组织与性能的关系。熟悉各类金属材料的相图，并能把组织和相图相对应。掌握(zhǎngwò)常规材料在不同状态下的显微组织。共三十九页实验(shíyàn)内容观察：碳钢；不锈钢、耐热钢；铸铁；铝合金；铜合金等几类金属材料在不同(bùtónɡ)状态时的显微组织，并选择显微组织图画出。共三十九页实验用设备(shèbèi)及材料1.金相显微镜；2.各种材料金相样品(yàngpǐn)一套；3.各种材料的金相图册。共三十九页碳钢热处理组织(zǔzhī)20钢-930℃淬火(cuìhuǒ)含碳量小于0.25%的非合金钢（碳素钢）或低碳低合金结构钢经强烈淬火，获得80%以上甚至100%的低碳马氏体组织，这类钢统称为低碳马氏体钢。一般情况下，含碳量在0.15%-0.25%范围内的钢淬火强化效果好，综合力学性能高。共三十九页碳钢热处理组织(zǔzhī)45钢860℃退火(tuìhuǒ)45钢含碳量低于0.77%，所以组织中的渗碳体量也少于12%，于是铁素体除去一部分要与渗碳体形成珠光体外，还会有多余的出现，因此组织是铁素体+珠光体。碳含量越少，钢组织中珠光体比例也越小，钢的强度也越低，但塑性越好。共三十九页碳钢热处理组织(zǔzhī)45钢860℃正火从实质上说，钢的正火是钢退火的一种特殊情况。由于正火的冷却速度比退火的冷却速度快，所获得的珠光体片层间距较小，组织较细，因而其硬度和强度也较高。适用范围：正火只适用于碳素钢和低、中合金钢，而不适用于高合金钢。因为高合金钢的奥氏体非常稳定，在空气中冷却也将得到马氏体组织。对共析碳素钢来说，正火可得到索氏体组织；对亚共析或过共析钢，正火组织中还有先共析铁素体或先共析渗碳体，但与相应(xiāngyīng)的退火组织比较，先共析相的量较少。正火是指：钢件加热到临界点Ac3或Acm以上的温度，保温一定的时间(见奥氏体化)，然后在空气中冷却的金属热处理工艺，广泛应用于工业生产。共三十九页碳钢热处理组织(zǔzhī)45钢860℃淬火(cuìhuǒ)片状马氏体（或针状马氏体），由片状马氏体与残余奥氏体组成。又称为孪晶马氏体。45钢860℃正常淬火后组织为细小的马氏体。共三十九页碳钢热处理组织(zǔzhī)45钢860℃淬火(cuìhuǒ)后200℃回火低温回火所得到的组织是回火马氏体(马氏体及少量残余奥氏体，都是不稳定的组织)，其性能是：具有高的硬度（HRC58-64）和高的耐磨性，因内应力有所降低，故韧性有所提高.这种回火方法主要用于刃具，量具，拉丝模以及其它要求硬而耐磨的零件。共三十九页碳钢热处理组织(zǔzhī)45钢调质(diàozhì)处理调质处理后，组织为均匀细小的保持马氏体位向的回火索氏体。45钢调质后的组织形态首先取决于淬火组织（当然淬前原始组织也有影响）。因加热不足而残留在马氏体组织中的块状铁素体，或因冷却不足而在马氏体晶界区形成的网状铁素体，均会保留到高温回火后的索氏体组织中。同时，淬火马氏体的粗细直接影响索氏体的粗细。共三十九页碳钢热处理组织(zǔzhī)T10钢淬火(cuìhuǒ)组织为较粗大的针状马氏体和残余奥氏体。针状马氏体呈竹叶状或凸透镜状，在空间形似铁饼。针状马氏体之间通常互成60º或120º角，一般限制在奥氏体晶粒内，最初形成的马氏体针贯穿奥氏体晶粒，后形成的马氏体较短，先形成的马氏体较易浸蚀。所以完全转变的马氏体为大小不同，分布不规则，颜色深浅不一的针状组织。共三十九页合金(héjīn)结构钢和滚动轴承钢热处理组织

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(qūxiàn)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，与T12钢780℃水淬、低温回火后的显微组织也一样，为回火马氏体和碳化物。共三十九页合金结构钢和滚动轴承(gǔndòngzhóuchéng)钢热处理组织40Cr850℃淬火(cuìhuǒ)共三十九页合金结构钢和滚动轴承(gǔndòngzhóuchéng)钢热处理组织GCr15850℃淬火(cuìhuǒ)共三十九页高速钢热处理组织(zǔzhī)

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。

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(yǐngxiǎng)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。共三十九页高速钢热处理组织(zǔzhī)高速钢铸态组织(zǔzhī)高速钢在铸造状态下与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。共三十九页高速钢热处理组织(zǔzhī)高速钢锻造(duànzào)退火组织高速钢锻造退火组织为索氏体+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。共三十九页高速钢热处理组织(zǔzhī)高速钢1280℃淬火(cuìhuǒ)组织高速钢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共三十九页高速钢热处理组织(zǔzhī)高速钢1280℃淬火后三次回火(huíhuǒ)组织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。共三十九页马氏体不锈钢热处理组织(zǔzhī)

常用马氏体不锈钢的含碳量为0.1～0.45%，含铬量为12～14%，典型钢号有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等。1Cr13和2Cr13具有抗大气、蒸气等介质腐蚀的能力，常作为(zuòwéi)耐蚀的结构钢使用。为了获得良好的综合性能，常采用淬火+高温回火（600～700℃），得到回火索氏体，来制造汽轮机叶片、锅炉管附件等。

而3Cr13和4Cr13钢，由于含碳量高一些，耐蚀性就相对差一些，通过淬火+低温回火（200～300℃），得到回火马氏体，具有较高的强度和硬度（HRC达50），因此常作为工具钢使用，制造医疗器械、刃具、热油泵轴等。共三十九页马氏体不锈钢热处理组织(zǔzhī)3Cr13的退火(tuìhuǒ)组织共三十九页马氏体不锈钢热处理组织(zǔzhī)3Cr13的1000℃淬火+250℃回火(huíhuǒ)组织共三十九页铁素体不锈钢热处理组织(zǔzhī)常用的铁素体不锈钢的含碳量低于0.15%,含铬量为12～30%，典型(diǎnxíng)钢号有0Cr13、1Cr17、1Cr17Ti、1Cr28等，其显微组织始终是单相铁素体组织。图为0Cr17的退火组织。共三十九页奥氏体不锈钢热处理组织(zǔzhī)

在含18%Cr的钢中加入8～11%Ni，就是的奥氏体不锈钢，如1Cr18Ni9是最典型的钢号。这类钢由于镍的加入，扩大了奥氏体区域，从而在室温下就能得到亚稳的单相。18-8型不锈钢在退火状态下呈现奥氏体+碳化物的组织，碳化物的存在，对钢的耐腐蚀性有很大损伤，故通常(tōngcháng)采用固溶处理方法，即把钢加热到11000C后水冷，使碳化物溶解在高温下所得到的奥氏体中，再通过快冷，就在室温下获得单相的奥氏体组织。但在450～850℃加热，或在焊接时，由于在晶界析出铬的碳化物（Cr23C6）,使晶界附近的含铬量降低，在介质中会引起晶间腐蚀。共三十九页奥氏体不锈钢热处理组织(zǔzhī)1Cr18Ni9Ti固溶组织(zǔzhī)共三十九页铸铁(zhùtiě)

按铸铁在结晶过程中石墨化程度不同(bùtónɡ)，可分为白口铸铁、灰口铸铁和麻口铸铁。根据铸铁中石墨的形态不同(bùtónɡ)，铸铁分为灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁。

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；珠光体灰口铸铁共三十九页铸铁(zhùtiě)：白口铸铁(zhùtiě)共晶(ɡònɡjīnɡ)白口铸铁过共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁共三十九页铸铁(zhùtiě)：灰口铸铁P+片状GF+P+片状G共三十九页铸铁(zhùtiě)：可锻铸铁可锻铸铁(zhùtiě)由白口铸铁(zhùtiě)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(zhùtiě)分为铁素体可锻铸铁(zhùtiě)和珠光体可锻铸铁(zhùtiě)两类。图为铁素体基体可锻铸铁(zhùtiě)和珠光体基体可锻铸铁(zhùtiě)的显微组织，其中石墨称暗灰色团絮状，亮白色晶粒为基体。共三十九页铸铁(zhùtiě)：球墨铸铁(zhùtiě)

球墨铸铁中石墨呈球状，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。

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(zōnghé)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(zōnghé)机械性能，而且具有很好的耐磨性。球铁淬火、400℃等温淬火和280℃等温淬火的基体组织见图4.11。共三十九页铸铁(zhùtiě)：球墨铸铁(zhùtiě)球墨铸铁的显微组织(zǔzhī)，其中基体上分布着球状石墨。F+P+GF+GP+G破碎状F+P+G共三十九页铸铁(zhùtiě)：球墨铸铁(zhùtiě)球铁淬火、400℃等温淬火和280℃等温淬火的基体(jītǐ)组织球状石墨针状马氏体和残余奥氏体上贝氏体下贝氏体和残余奥氏体共三十九页有色金属(yǒusèjīnshǔ)：铝合金

铸造铝硅合金的典型牌号为ZL102，含硅10%～13%，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(wèile)提高硅铝的力学性能，通常进行变质处理，处理后组织为初生α固溶体枝晶（白亮）及细小的共晶（α+Si）（黑底），这是因为共晶中的硅呈细小点状颗粒（如下图所示）。共三十九页有色金属(yǒusèjīnshǔ)：铝合金未变质处理已变质处理Al-Si合金变质(biànzhì)前后的铸态组织共三十九页有色金属(yǒusèjīnshǔ)：铜合金黄铜为Cu-Zn合金，常用(chánɡyònɡ)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。共三十九页有色金属(yǒusèjīnshǔ)：铜合金黄铜(huánɡtónɡ)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。共三十九页有色金属(yǒusèjīnshǔ)：铜合金黄铜(hu