机械工程材料实验及实践教学Word文件下载.docx
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2.碳钢
碳的质量分数
在(~)%之间的铁碳合金称为碳钢,依照合金在相图中的位置可分为亚共析、共析和过共析钢。
(1)共析钢成份为
,在727℃以上的组织为奥氏体,冷至727℃时发生共析反映:
将铁素体与渗碳体的机械混合物称珠光体(P)。
室温下珠光体中渗碳体的质量分数约为12%,慢冷所得的珠光体呈层片状。
图1-2珠光体电镜组织图1-3珠光体光镜组织
采纳电子显微镜高倍放大能看出Fe3C薄层的厚度,图1-2中窄条为Fe3C,宽条为F基体,二者有明显的分界限。
在一般光学显微镜下观看时,只能看到Fe3C成条条细黑线散布在铁素体上,见图1-3。
位向相同的一组铁素体加渗碳体片层,称一个共析领域。
当放大倍数低,珠光体组织细密或浸蚀过深时,珠光体中的片层难以分辨,呈一片暗色区域。
(2)亚共析钢成份为%<
<
%,组织为先共析铁素体加珠光体,在显微镜下铁素体呈亮色,珠光体为暗色,铁素体的形态随合金含碳量即铁素体量的多少而变,如
=%时,其组织的基体为等轴的铁素体晶粒,少量暗色珠光体散布在铁素体晶粒边界或三叉晶界上呈不规那么岛状。
当含碳量增加,组织中珠光体的量增多,至
=%,珠光体与铁素体的量各占一成;
>
%,珠光体成为钢的基体,铁素体呈持续或断续的网络状围绕着珠光体散布,这是由于先共析铁素体是沿原奥氏体边界优先析出,至必然量后,剩余奥氏体才转变成珠光体,不同含碳量的亚共析钢的显微组织见图1-4。
(a)20钢(b)40钢
图1-4亚共析钢显微组织
(3)过共析钢成份为%<
%,但有效钢的最大含碳量只到%,因碳量再高,二次渗碳体量增多,使钢变脆。
过共析钢的组织由珠光体及二次渗碳体所组成,二次渗碳体呈网状,碳量愈高,渗碳体网愈多、愈完整。
与先共析铁素体网很容易区别,假设经硝酸酒精溶液浸蚀后,二者虽均为亮色,但二次渗碳体网要细得多;
假设用碱性苦味酸钠溶液热浸蚀后,渗碳体变成暗色,铁素体仍为亮色。
经不同方式浸蚀后的T12钢组织见图。
图1-5过共析钢显微组织
(a)共晶白口铁(b)亚共晶白口铁
(C)过共晶白口铁
图1-6白口铸铁组织
3.白口铸铁
(1)共晶白口铁(
=%)此合金由液态冷却到1148℃时,全数发生共晶反映:
,所得产物称莱氏体(Ld),呈豹皮状,其中奥氏体呈短棒或小条状散布在渗碳体基体上,在以后继续冷却的进程中,只有奥氏体原地发生转变,先析出二次渗碳体,后在727℃形成珠光体。
沿奥氏体边界析出的二次渗碳体,常与共晶渗碳体连成一片,不易分辨。
室温组织是由奥氏体转变来的二次渗碳体、珠光体及原共晶渗碳体组成,称变态莱氏体(Ld’)。
所谓变态的实质是指共晶内部组成物改变,并非形貌改观,在显微镜下观看变态莱氏体仍呈豹皮状,见图1-6a。
(2)亚共晶白口铁(
=%~%)这种合金凝固时先析出初生奥氏体,呈树枝状,剩余液体在1148℃发生共晶反映取得莱氏体,继续冷却时初生奥氏体及共晶体中的奥氏体各在原地发生相同的转变,即先析出二次渗碳体,后形成珠光体,室温组织是由初生奥氏体转变所得的二次渗碳体加珠光体(Fe3CII+P)及变态莱氏体Ld’所组成,见图1-6b。
(3)过共晶白口铁(
=%~%)过共晶白口铸铁的组织由粗大片状的一次渗碳体加变态莱氏体组成,见图1-6c。
三、实验内容及步骤
1.讨论Fe-Fe3C相图
1)分析各相及组织组成物的本质。
2)分析不同含碳量的铁碳合金的凝固进程、室温组织及其形貌特点。
3)总结铁碳合金的组织、性能与含碳量的关系。
2.观看、分析并画出工业纯铁、不同碳钢及白口铸铁的组织示用意。
3.测定不同含碳量的碳钢的硬度(硬度实验方式见附录3)。
四、材料及设备
1.表1-1所列的金相试样2套,并附金相照片。
2.金相显微镜16台。
3.布氏硬度计4台。
4.测定组织组成物相对含量用的亚共析钢金相照片及透明方格纸各15张。
表1-1本实验所观看的合金
类别
合金牌号
浸蚀剂
显微组织
工业纯铁
4%硝酸酒精溶液
F+Fe3CII
过共析钢
T12
P+Fe3CII
亚共析钢
20
F+P
碱性苦味酸钠溶液
40
白口铸铁
亚共晶
Fe3CII+P+Ld’
60
共晶
Ld’
共析钢
T8
P
过共晶
Ld’+Fe3CI
五、实验报告要求
1.列表说明铁碳相图中各个相的本质,晶体结构,溶碳量,形成条件,形态等不同点。
2.画出所观看合金的显微组织示用意并加以注解。
3.分析20钢及亚共晶白口铁的凝固进程。
4.总结含碳量增加时钢的组织和性能的转变规律。
5.总结碳钢和铸铁中各类组织组成物的本质和形态特点。
实验二碳钢非平稳显微组织观看
1.观看和研究碳钢经不同形式热处置后显微组织的特点。
2.了解热处置工艺对钢组织和性能的阻碍。
二、概述
表2-1共析碳钢(T8)过冷奥氏体在不同温度转变的组织及性能
转变类型
组织名称
形成温度范围(℃)
金相显微组织特征
硬度(HBC)
珠
光
体
型
相
变
珠光体
(P)
650
在400~500倍金相显微镜下可观察到铁素体和渗碳体的片层状组织
~20
(HB180~200)
索氏体
(S)
600~650
在800~1000倍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,只有在电子显微镜(5000~15000×
)下才能看出片层组织
35~40
贝
氏
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
(贝下)
220~350
在金相显微镜下呈黑色针叶状特征
48~58
马
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
62~65
铁碳合金经缓冷后的显微组织大体上与铁碳相图所预料的各类平稳组织相符合,但碳钢在不平稳状态,即在快冷条件下的显镜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图——C曲线来确信。
图2-1为共析碳钢的C曲线图。
依照不同的冷却条件,过冷奥氏体将在不同的温度范围发生不同类型的转变。
通过金相显微镜观看,能够看出过冷奥氏体各类转变产物的组织形态各不相同。
共析碳钢过冷奥氏体在不同温度转变的组织特点及性能如表2-1所示。
图2-1共析碳钢的C曲线
三、钢的退火的正火组织
亚共析成份的碳钢(如40、45钢等)一样采纳完全退火,经退火后可取得接近于平稳状态的组织,其组织特点已在实验一中加以分析和观看。
过共析成份的碳素工具钢(如T10、T12钢等)一样采纳球化退火,T12钢经球化退火后组织中的二次渗碳体及珠光体中的渗碳体都将变成颗粒状,如图2-2所示。
图中均匀而分散的细小粒状组织确实是粒状渗碳体。
45钢经正火后的组织通常要比退火的细,珠光体的相对含量也比退火组织中的多,如图2-3所示,缘故在于正火的冷却速度稍大于退火的冷却速度。
图2-2T12钢球化退火组织图2-345钢经正火后的组织
四、钢的淬火组织
将45钢加热到760℃(即
以上,但低于
),然后在水中冷却,这种淬火称为不完全淬火。
依照Fe-Fe3C相图可知,在那个温度加热,部份铁素体尚未溶入奥氏体中,经淬火后将取得马氏体和铁素体组织。
在金相显微镜中观看到的是呈暗色针状马氏体基底上散布有白色块状铁素体,如图2-4所示。
45钢经正常淬火后将取得细针状马氏体,如图2-5所示。
由于马氏体针超级细小,在显微镜中不易分清。
假设将淬火温度提高到1000℃(过热淬火),由于奥氏体晶粒的粗化,经淬火后将取得粗大针状马氏体组织,如图2-6所示。
假设将45钢加热到正常淬火温度,然后在油中冷却,那么由于冷却速度不足(
K),取得的组织将是马氏体和部份屈氏体(或混有少量贝氏体)。
图2-7为45钢经加热到800℃保温后油冷的显微组织,亮白色为马氏体,呈黑色块状散布于晶界处的为屈氏体。
T12钢在正常温度淬火后的显微组织如图2-8所示,除细小的马氏体外尚有部份未溶入奥氏体中的渗碳体(呈亮白颗粒)。
当T12钢在较高温度淬火时,显微组织显现粗大的马氏体,而且还有必然数量(15~30%)的残余奥氏体(呈亮白色)存在于马氏体针之间,如图2-9所示。
图2-445钢不完全淬火组织图2-545钢正常淬火组织
图2-645钢过热淬火组织图2-745钢800℃油冷的显微组织
图2-8T12钢在正常温度淬火后的显微组织图2-9T12钢过热淬火组织
五、淬火后的回火组织
钢经淬火后所取得的马氏体和残余奥氏体均为不稳固组织,它们具有向稳固的铁素体和渗碳体的两相混合物组织转变的偏向。
通过回火将钢加热,提高原子活动能力,可增进那个转变进程的进行。
淬火钢经不同温度回火后所取得的组织不同,通常按组织特点分为以下三种:
1.回火马氏体
淬火钢经低温回火(150~250℃),马氏体内的过饱和碳原子脱溶沉淀,析出与母相维持着共格联系的
碳化物,这种组织称为回火马氏体。
回火马氏体仍维持针片状特点,但容易受浸蚀,故颜色要比淬火马氏体深些,是暗黑色的针状组织,如图2-10所示。
图2-1045钢低温回火组织
2.回火屈氏体
淬火钢经中温回火(350~500℃)取得在铁素体基体中弥散散布着微小粒状渗碳体的组织,称为回火屈氏体。
回火屈氏体中的铁素体仍然大体维持原先针状马氏体的形态,渗碳体那么呈细小的颗粒状,在光学显微镜下不易分辨清楚,故呈暗黑色,如图2-11(a)所示。
用电子显微镜能够看到这些渗碳体质点,并能够看出回火屈氏体仍维持有针状马氏体的位向,如图2-11(b)所示。
(a)金相照片(b)电镜照片
图2-1145钢4000C回火组
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