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材料实验指导
实验一铁碳合金平衡组织观察
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.认识铁碳合金中成分、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;
4.了解金相显微镜的原理及其使用方法;
5.了解金相试样的制作过程。
TOP
二、概述
1.铁碳合金的平衡组织
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-Fe3C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。
图1-1Fe-Fe3C合金状态图
2.各种基本组织特征
①铁素体(F)是碳溶入a-Fe中的间隙固溶体,有良好的塑性,硬度低(HB80~100),经3%~5%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈白色大颗粒状或块状(如图1-2)。
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1-3、1-4);当含碳量接近于共析成分时,往往呈断续网状,分布在珠光体的周围(如图1-5)。
图1-2工业纯铁的显微组织(250×) 1-320钢的显微组织(400×)
组织一全部为F 组织一F(白块)+P(黑块))
图1-445钢的显微组织(200×) 图1-560钢的显微组织(400×)
组织一F+P 组织一P(黑色)+F(白色网状)
②渗碳体(Fe3C):
是铁与碳的化合物,含碳量为6.69%,抗浸蚀能力较强。
经3%~5%硝酸酒精溶液浸蚀后呈白亮色(如图1-6、1-7)。
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,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。
平衡状态下,渗碳体可以呈片状、断续网状或针状。
(如图1-6、1-7、1-81-11所示)
图1-6T8钢的显微组织(400×) 图1—7T8钢的显微组织(1000×)
组织一P(片状) 组织一P(片状)
图1-8T10钢的显微组织(400X) 图1-9亚共晶白口铸铁显微组织(150X)
3%硝酸酒精溶液腐蚀 组织一P(黑色树枝状)+Ld
组织一Fe3CⅡ(白色网状)+P(片层状) (小黑条、块和白色基体)
③珠光体(P):
是铁素体和渗碳体的机械混合物。
有片状珠光体和球状珠光体之分。
且片状珠光体(P)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%硝酸酒精溶液浸蚀后,铁素体和渗碳体皆呈白亮色。
在不同放大倍数下观察时,珠光体组织具有不太一样的特征。
样的特征。
样的特征。
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,凸起细条为渗碳体它们皆白亮色,而边界为黑色阴影(如图1-7所示)。
在中倍(400倍左右)观察时,白亮色的渗碳体细条被两边黑色边界所“吞噬”。
而成为细黑色层片状。
此时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(如图1-6、1-8所示)。
在低倍(200倍以下)观察时,由于显微镜的放大倍率低,连白亮色的宽条铁索体和黑色细条的渗碳体也难以分辨,此时珠光体是呈暗黑色多边形块状组织(如图1-3、1-4所示)。
④变态莱氏体(Ld′):
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%硝酸酒精溶液浸蚀后,变态莱氏体的组织特征是,在白亮色的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1-10)。
图1-10共晶白口铸铁显微组织400X 图1-11过共晶白口铸铁显微组织200X
组织一Ld′ 组织一Fe3CⅠ+Ld′
(黑色块、点为P+白色为Fe3C基体)(白色宽长条)+(小黑色条、点和白色基体)
变态莱氏体组织硬度很高,达到HB700,脆性大。
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变态莱氏体、呈黑色大块树枝状的珠光体及珠光体周围白亮圈的二次渗碳体(如图1—8)。
二次渗碳体与变态莱氏体中的渗碳体相连、无界线,无法区分。
过共晶白口铸铁的组织:
变态莱氏体和针状的一次渗碳体(如图1—11所示)。
图1-10(a)铁碳合金中组织组成物的相对变化
图1-10(b)铁碳合金中相组成物的相对变化
3.含碳量及组织(或相)的百分比含量计算
在每一类组织中,当含碳量不同时,其中组成物的数量发生相对增减,其数量关系如图1-10所示。
利用杠杆定律可计算钢的含碳量,可计算各组织(或相)的百分比含量。
例①:
求室温下含碳量为0.45%的碳钢组织中组织组成物P与F百分比含量?
例②:
求室温下含碳量为0.45%碳钢的组织中相组成物F与Fe3C百分比含量?
例③:
从显微镜视场中观察到显微组织中有60%的面积为珠光体,40%的是F时,估算钢的含碳量。
TOP
三、实验内容
观察分析铁碳合金平衡状态下的七种典型组织;绘制组织示意图。
TOP
四、实验方法
1.仔细观察所列试样,研究每个样品组织特征,注意含碳量与金相组织之间的关系;
2.描绘试样显微组织的示意图;
3.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。
TOP
五、实验报告
1.写出实验目的;
2.绘制试样组织示意图,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;
3.分析未知试样,指出其合金名称、组织、用杠杆定律估算未知牌号样品的含碳量;
4.根据所观察的组织,分析铁碳合金在平衡状态下含碳量变化对其组织的影响。
TOP
六、思考题
1.珠光体组织在高倍镜下和低倍镜下观察时有什么不同?
为什么?
2.在铁碳合金显微组织中,铁素体和渗碳体有哪几种形态(形状)?
它们分别在哪几种情况下出现?
3.何为相?
何为组织?
结合本次实验举例说明两者的区别与联系。
实验二碳钢的热处理及硬度测定
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.熟悉碳钢的几种基本热处理(退火、正火、淬火及回火)操作方法;
2.了解含碳量、加热温度、冷却速度、回火温度等主要因素对碳钢热处理后性能(硬度)的
影响;
3.了解洛氏硬度计的原理及使用方法。
TOP
二、概述
不改变合金的化学成分,只是通过不同的加热、保温、和冷却,使合金内部组织发生变化,从而达到改变合金性能的目的,这种方法称为热处理。
热处理在改善钢材性能,提高工件使用寿命方面起着重要的作用。
普通热处理的基本操作有退火、正火、淬火及回火等。
钢的退火通常是将钢加热到临界温度Ac1或Ac3线以上,保温后缓慢地随炉冷却的一种工艺。
钢经过退火处理后,其组织比较接近平衡状态,硬度较低(约180~220HB),有利于进行切削加工。
钢的正火是将钢加热到Ac3或Accm线以上30~50℃保温后在空气中冷却的一种热处理工艺。
由于冷却速度稍快,与退火组织相比,所形成的珠光体层片细密,固硬度有所提高,对低碳钢来说,正火后提高了硬度可改善其切削加工性能,提高表面粗糙度。
对高碳钢来说,正火可消除网状渗碳体,为球化退火和淬火作准备。
钢的淬火是将钢加热到Ac3或Ac1线以上30~50℃保温后在不同介质中快速冷却,从而获得马氏体和(或)贝氏体组织的一种热处理工艺。
马氏体的硬度和强度都很高,特别适用于有较高耐磨性能要求的工模具材料。
淬火工艺包括3个重要的参数,淬火加热温度、保温时间和冷却速度。
淬火加热温度过高时晶粒容易长大,而且还会产生氧化脱碳等缺陷,加热温度过低则会因组织中存在铁素体和珠光体而导致材料硬度不足;保温时间与钢的成分、工件的形状、尺寸及加热介质的因素有关;保温时间过长或过短都会对钢的组织及性能造成不利影响。
冷却是淬火的关键工序,它直接影响到淬火后的组织和性能。
热处理操作中,加热温度、保温时间和冷却方式是最重要的三个关键工序,也称热处理三要素。
正确选择这三种工艺参数,是热处理成功的基本保证。
Fe—Fe3C相图和C曲线是制定碳钢热处理工艺的重要依据。
1.加热温度
①退火加热温度:
完全退火加热温度,适用于亚共析钢,Ac3+(30~50℃);球化退火加热温度,适用于共析钢和过共析钢,Ac1+(30~50℃)。
②正火加热温度:
对亚共析钢是Ac3+(30~50℃);过共析钢是Accm。
+(30~50℃),也就是加热到单相奥氏体区。
退火和正火的加热温度范围见图2-1所示。
③淬火加热温度:
对亚共析钢是Ac3+(30~50℃);对共析钢和过共析钢是Ac1+(30~50℃),见图2-2所示。
图2-1退火与正火的加热温度范围 图2-2淬火加热温度范围
钢的临界温度Ac1、Ac3及Accm,在热处理手册或合金钢手册中均可查到。
再经过计算可求出钢的热处理温度。
也可以利用铁碳相图决定A1、A3和Acm点的温度再加上10~20℃即近似Ac1,、Ac3及Accm,然后再计算热处理温度。
热处理时不能任意提高加热温度。
因为加热温度过高,钢的晶粒容易长大,同时钢的表面氧化和脱碳都会增加。
④回火温度钢淬火后必须要回火。
回火温度决定于最终所要求的组织和性能(工厂中常根据硬度的要求)。
按回火加热温度,分为低温、中温及高温回火三类。
a.低温回火是在150~250℃进行回火,所得组织为回火马氏体,硬度约为HRC60。
低
温回火常用于切削刀具和量具。
其主要作用是去除淬火后工件的内应力,韧性有所改善,而硬度并不降低。
b.中温回火是在350~500℃进行回火,所得组织为回火屈氏体,硬度约为HRC35~45。
主要用于各类弹簧热处理。
c.高温回火是在500~650~C进行回火,所得组织为回火索氏体,硬度为HRC25~35。
用于结构零件的热处理。
其综合机械性能较好。
淬火加高温回火可称之为调质处理。
回火温度也可用经验公式近似估算。
例如,45钢的回火温度经验公式如下:
T/℃=200+K(60-X)
式中K—系数,当回火后要求的硬度值大于HRC30时,K=11;当硬度值小于HRC30时,K=10
X—所要求的硬度值(HRC)。
2.加热时间
热处理加热时间(包括升温和保温时间)与许多因素有关。
例如:
工件的尺寸、形状、使用的加热设备、装炉量、装炉温度、钢的种类(碳钢、低合金钢或高合金钢);热处理类型(退火、正火、淬火等)、钢材的原始组织、热处理的要求和目的等。
上述因素都要综合考虑,具体参考数据可查有关手册。
实际工作中可以根据经验大致估算出加热时间,一般规定,在空气介质中加热,温度升到规定温度后为保温时间,对碳钢而言,按工件厚度(或工件直径)每毫米估算需1min或20s;合金钢按每毫米2min估算。
在盐浴炉中加热,其保温时间为每毫米缩短1~2倍(一般为0.3~0.5min)。
3.冷却方法
热处理的冷却方法至关重要,控制不同的冷却速度(即采用不同的冷却方式),可得到不同的组织,从而有不同的性能。
①退火一般采用随炉冷却,冷到500℃左右,可以出炉空冷,不必在炉中冷到室温。
冷却曲线如图2-3中V1。
②正火多采用在空气中冷却,冷却曲线如图2-3中V2,大件常进行吹风冷却。
③淬火采用快速冷却方式,即冷却速度应超过钢的临界冷却速度,以保证得到马氏体和(或)贝氏体组织,冷却曲线如图2-3中V3、V4、V5;另一方面冷却速度应当尽量缓慢,以减少内应力,避免变形和开裂。
为了调和上述矛盾,可以根据C—曲线(图2-3)采用适当的冷却剂和冷却方法,使淬火工件在奥氏体最不稳定的温度范围内(650~550℃)快冷,其冷速超过临界冷却速度;而在马氏体转变温度(300~100℃)以下慢冷。
图2-3共析钢C曲线 图2-4各种淬火冷却曲线示意图
符合上述原则的理想冷却介质(冷却剂)还没有,但双液淬火和分级淬火是符合上述原则的冷却方法。
常用的淬火方法还有单液淬火法、等温淬火法等(见图2-4)。
①单液淬火,②双液淬火,③分级淬火,④等温淬火。
在实践中可根据具体情况灵活应用。
常用的淬火介质有清洁的自来水、浓度为5%~10%的NaCl(食盐)水溶液、矿物油(或变压器油)。
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三、实验内容
1.按实验报告所列工艺条件进行各种热处理操作;
2.测定热处理后的全部试样的硬度并将数据填入表内。
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四、实验方法
1.20#、45#、T10钢试样按指定工艺进行热处理操作;
2.淬火时,试样用钳子夹好,出炉、入水迅速,并不断在水中或油中搅动,以保冷却。
取、放试样时,炉子要先断电;
3.热处理后的试样用砂纸磨去两端面氧化皮,然后测定硬度。
每个试样测三点,取平均值,并将数据填入表内;
4.每个同学必须抄下全班实验数据,以便独立进行分析。
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五、实验报告
1.写出实验目的;
2.列出全套硬度数据,并将HRC的硬度值查表换算为HB值;
3.根据连续冷却曲线及其有关知识,预测各种热处理后的组织;
4.根据实验数据,绘制含碳量、淬火温度、冷却方式及回火温度与硬度的关系曲线,分析它们与对碳钢性能(硬度)的影响,并阐明硬度变化的原因。
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六、思考题
1.何为热处理?
其主要环节是什么?
2.试在C曲线上绘制T8钢欲得到下列组织时的连续冷却曲线。
①珠光体、②索氏体、③马氏体+屈氏体+残余奥氏体、④马氏体+残余奥氏体。
连续冷却能否得到上贝氏体、下贝氏体?
3.为什么马氏体具有高硬度和强度?
其数值上是否与含碳量有关?
为什么?
4.影响奥氏体晶粒度的因素有哪些?
如何在加热时获得细小的奥氏体晶粒度?
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。
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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。
表3-1
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
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(隐晶马氏体),过热淬火时则呈粗大片状马氏体
60~65
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>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,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V5,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
④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。
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,(如图3-5)。
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。
它比淬火马氏体易受
浸蚀,在显微镜下呈黑色针状(见图3-6)。
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55~60°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。
图3-5上贝氏体+马氏体500× 图3-6下贝氏体500×4%硝酸酒精
⑤马氏体(M)是碳在αFe中的过饱和固溶体。
马氏体的形态按含碳量主要分两种,即板条状和针状(见图3-7、3-8所示);
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。
b.针状马氏体是含碳量较高的钢淬火后得到的组织。
在光学显微镜下,它呈竹叶状或针
状,针与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。
图3-7板条状马氏体500× 图3-8针状马氏体1600×
⑤残余奥氏体(A残)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。
2.回火组织与性能
①回火马氏体。
是低温回火(150~250℃)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3-10所示)。
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。
是中温回火(350—500℃)组织。
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3-11所示)。
中温回火后有很好的弹性和一定的韧性。
图3-10回火马氏体(黑色针状)+残余奥氏体 图3-11回火屈氏体1000×
(白色区域)500×
③回火索氏体;是高温回火(500~650℃)组织。
回火索氏体是铁素体与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(如
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