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在实验记录送交指导老师检查签字后,经指导老师同意,方可离开实验室。
7、试验目的和要求,认真仔细分析实验数据,完成实验报告,并在规定时间内送交指导老师批改。
实验二铸铁及其显微组织分析…………………………………...6
实验三有色金属及其显微组织分析….………………………...10
实验一高速钢及其显微组织分析
一、实验目的:
观察及分析高速钢在铸态及正常热处理、过热、过烧等状态下的显微组织和缺陷,供分析高速钢及其热处理做参考。
二、内容说明:
图1高速钢变温截面图
Fe-18%W-4%Cr-C系C1-M6C,C2-Fe3C
1、高速钢的铸态组织:
高速钢因含有大量合金元素,虽然含碳量只有0.7—0.8%,已属莱氏体钢,其结晶过程及铸造组织很复杂。
W18Cr4V高速钢状态图可用图1近似表示。
当W18Cr4V钢平衡凝固时,发生下列反应:
开始结晶时析出δ(高温α)固溶体;
冷到1400℃发生L+δ→γ的包晶反应;
在1345℃附近很窄的温度范围进行L+δ→γ+M6C的包晶反应,M6C指Fe3W3C类的复杂碳化物,当冷速快,扩散不够充分,包晶反应来不及进行,发生δ→γ+M6C的反应,称δ共析反应。
在1330~1300℃之间发生L→γ+M6C的共晶反应,一直到完全凝固,形成由奥氏体和碳化物组成的共晶莱氏体,其中碳化物呈鱼骨状,骨骼之间为γ相。
凝固后继续冷却时,由奥氏体中析出合金碳化物,在870~800℃之间发生L+M6C→α的包析反应,冷到800℃左右发生共析反应γ→α+M6C+Fe3C。
实际上W18Cr4V钢在共晶结晶时还出现VC,并在随后冷却时,由奥氏体中析出VC和M23C6型碳化物,在低温下未发现Fe3C存在。
在实际铸锭凝固时,冷却速度大于平衡冷却,其包晶反应不能进行完毕,仍有部分δ(高温α)相被保留下来,在继续冷却时发生共析分解δ→γ+M6C,随后γ相再发生共析反应。
这种转变产物金相形态呈黑色,称为“黑色组织”。
γ相的共析反应也可能被抑制而过冷到低温,转变为马氏体和残余奥氏体,形成“白亮组织”。
2、高速钢的锻造和退火:
综上分析,可知高速钢的铸态组织十分复杂且不均匀,由于铸态组织中存在粗大、很脆、硬度约为HV900~1000鱼骨状共晶碳化物,严重割裂了基体,必须经过锻轧将其破碎,使其尽可能成为均匀分布的颗粒状碳化物。
高速钢锻造时应镦粗-拔长反复多次,锻后其硬度较高(HRC35~40),不便于切削加工,应进行退火。
高速钢的AC1在820~860℃范围,故退火温度为870~880℃,保温2~3小时,大部分合金碳化物未溶入奥氏体,此时奥氏体中合金元素含量不多,冷却时易转变成粒状珠光体和剩余碳化物。
退火后W18Cr4V钢的硬度约为HB207~255,碳化物体积百分数约为30%,其中M6C为16~19%,M23C6为9%,MC为1.5~2%。
3、高速钢的正常淬火及三次回火后的组织:
正常淬火组织:
高速钢的优越性只有在正确的淬火和回火之后才能发挥出来。
其淬火温度较一般合金工具钢要高得多。
因为温度越高,合金元素溶入奥氏体的数量越多,淬火之后马氏体的合金度亦越高。
只有合金度高的马氏体才有高的红硬性。
对高速钢红硬性作用最大的合金元素W(Mo)及V只有在1000℃以上时,其溶解量才急速增加。
温度超过1300℃时,各元素的溶解量虽还有增加,但奥氏体晶粒急剧长大,甚至在晶界处发生溶化现象。
因而,淬火钢的韧性大大下降。
所以,在不发生过热的前提下,高速钢的淬火温度愈高,其红硬性愈好。
由于高速钢的导热性差,而淬火温度又极高,故常常分两段或三段加热。
即先在800~850℃预热,然后再加热至淬火温度。
大型及复杂的刃(工)具应当采用两次预热,第一次在500~600℃,第二次在800~850℃。
淬火通常在油中进行,或采用分级淬火法。
高速钢的正常淬火组织是20~30%A+60~65%M+K。
经8~10%硝酸酒精溶液侵蚀后,未溶的K及A晶界显露出来,合金度较高的M呈白亮色。
三次回火后的组织:
为了消除淬火内应力,稳定组织,减少残余奥氏体的数量,达到所需的性能,高速钢一般进行三次560℃保温1小时的回火处理。
在150~400℃温度范围内,约在270℃自马氏体中析出Fe3C,并聚集长大,大部分淬火内应力消除,硬度下降,塑性增加。
在400~500℃回火温度范围内,马氏体中的Cr向碳化物中转移,渗碳体型的碳化物逐渐转变为弥散的富Cr的合金碳化物(M6C),硬度又逐渐上升。
在500~600℃之间,钢的硬度、强度和塑性均有提高,而在在550~570℃可达到硬度、强度的最大值。
在此温度区间内,自马氏体中析出弥散的W2C、MO2C、VC,使钢的硬度大大提高,这种现象称为二次硬化。
与此同时,500~600℃之间,残余奥氏体应力松弛,且由其中析出了部分碳化物,使残余奥氏体中合金元素及碳含量下降,Ms升高。
这种贫化的残余奥氏体,在回火后的冷却过程中,转变为马氏体,使钢的硬度提高,这种现象称为二次淬火。
由于高速钢中残余奥氏体数量较多,经一次回火后,仍有10%的残余奥氏体,再经两次回火,才能使其低于5%。
第一次回火只对淬火马氏体起回火作用,而回火冷却过程中转变成的马氏体,产生新的内应力,经第二次回火,可使二次马氏体得到回火,同时,在回火过程中未转变的残余奥氏体转变为马氏体,又会产生新的内应力,就需要进行第三次回火。
回火后的组织为黑色的回火马氏体、3~5%的残余奥氏体、白色的碳化物。
4、高速钢的缺陷组织:
过热组织:
由于淬火温度过高等原因,造成晶粒过大,溶入奥氏体的碳化物较多,剩余碳化物数量减少,奥氏体的过饱和程度较大,淬火冷却时会析出网状或半网状碳化物,碳化物出现粘连、拖尾、角状或沿晶界呈网状分布,这种现象称为过热。
过烧组织:
淬火温度接近钢的熔化温度,晶界熔化,出现莱氏体及δ共析体(黑色组织),称为过烧。
过烧是不可挽救的缺陷。
回火不足:
回火温度低或时间短,马氏体分解不充分,且有部分残余奥氏体未转变成马氏体,故在试样基体上的部分区域出现白亮色,或有少量晶界未完全消失。
奈状组织:
锻造时停锻温度过高(1050~1100℃),或由于需返修而进行二次淬火,其间未经退火造成的。
其金相组织为粗大的晶粒,奈状断口呈闪光粗粒状。
产生奈状断口的刀具,强度、韧性极低,是一种不可挽救的缺陷。
三、实验所用设备与材料:
1、设备:
金相显微镜
2、材料:
下列已制备好的金相样品及图片。
材料
处理状态
显微组织
腐蚀剂
W18Cr4V
铸态
Ld+δ共析体+M+A’
10%硝酸酒精溶液
锻造+退火
S+K(粒状)
1280℃油淬
60~65%M+20~30%A’+K
过热
M+A’+K(半网状)
过烧
回火不足
M+A’+K
正常淬火三次回火
M回+A’少+K
重复淬火
奈状组织
四、实验步骤及结果分析:
1认真观察全部金相试样,联系其化学成分、处理工艺进行思考。
2按规定完成电子作业。
3分析正常淬火组织、三次回火后的组织、过热组织、过烧组织、回火不足、奈状组织形成的基本原理。
4比较正常淬火组织与过热、过烧组织的区别。
实验二铸铁及其显微组织分析
1、了解各种铸铁的显微组织特征。
2、分析各种铸铁的基体与石墨的形状,大小,数量及分布对铸铁性能的影响。
3、了解不同热处理对铸铁组织和性能的影响。
图1铁碳相图
在铁-碳相图中(图1),含碳量大于2.08%的部分叫铸铁。
而碳在铸铁中的存在形态有两种,即化合态(碳化物)和自由态(石墨),。
按其组织和断口特征,前者称为白口铁,后者称为灰口铁。
灰口铁的组织中完全没有一次渗碳体和莱氏体。
它基本上是由石墨加上钢一样的基体构成,因而分析灰口铸铁组织的根据便是这两方面:
一是石墨的形状、大小、数量及分布状况(石墨的特征可在未浸蚀的金相试样磨光表面上观察);
二是金属基体组织(试样经浸蚀后观察)。
1、普通灰铁:
石墨的形状主要是片状以不同的方式分布在基体上。
石墨的存在对铸铁起着双重作用,一方面剧烈地降低基体金属的机械性能;
另一方面可提高一些使用性能和工艺性能,如耐磨性,消震性和比较小的缺口敏感性。
(a)A型石墨(100×
)(b)B型石墨(100×
)(c)C型石墨(100×
)
(d)D型石墨(100×
)(e)E型石墨(100×
)
图2片状石墨类型
按石墨的形状来说,普通灰口铸铁是片状。
片状石墨特别是细条状的石墨,能显著降低金属基体的机械性能。
按石墨分布形式来说,它可以是细小均匀分布、成群聚集分布(如菊花状)、相互交错或链状沿枝晶之间分布等。
生产上常按灰口铸铁中石墨的形状、大小及分布特征将其分为A、B、C、D、E五种类型(如图2所示)。
A型-石墨为均匀片状,无方向性;
B型—石墨片大小不同,分布不均匀,聚集在一起呈菊花状;
C型-石墨呈粗大片状,不均匀分布,无方向性;
D型-点状或小片状石墨分布在亚共晶合金的奥氏体枝晶之间,石墨片的方向无规律;
E型-其特征与D型相近,也是片状石墨分布在奥氏体树枝晶之间,与D型的区别在于石墨片有一定的方向性。
我们希望石墨是细小均匀分布,因为细小均匀的石墨降低金属基体的机械性能较小。
石墨呈枝晶间偏析状分布(晶间分布)时,最不受欢迎,因为它大大降低铸铁的耐磨性,并易于形成裂纹。
灰口铸铁的基体组织有三种:
铁素体基体;
珠光体基体;
铁素体+珠光体基体。
一般来说铁素体基体塑性较好,而珠光体基体铸铁强度较高。
2、可锻铸铁:
是把合乎一定要求的白口铁,经石墨化退火得到的,其组织特征是石墨呈团絮状分布。
基体也分为三种,其中最常用的是铁素体基体的可锻铸铁,因为它具有较好的塑性。
3、球墨铸铁:
是把一定成分的铁水加入少量球化剂(镁或镁-稀土合金)和孕育剂(硅铁),使铁水中的石墨呈球状析出而制成。
因球状石墨对基体的割裂作用较轻,割裂的圆形缺口应力集中也最小,故其强度、塑性及韧性都比较好。
通过控制铸造及热处理工艺可以控制基体组织。
常用的是珠光体基体或除珠光体以外同时还存在少量铁素体的组织。
在铸铁中还会有磷共晶组织,这是由于铸铁中含磷较多,磷在铁中溶解度很小,且随含碳量的增加还要减小,故不可避免要出现磷共晶组织(Fe3P-Fe3C-αFe),磷共晶组织一般呈白亮棱角块状,性质硬而脆。
在铸铁中含有适量磷共晶时,能提高其耐磨性,但会增加铸铁的脆性。
灰铁
P+G(片)
4%硝酸酒精溶液
P+F+G(片)
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