常用金屬材料的顯微組織觀察

工程材料學常用金屬材料的顯微組織觀察

編寫一、實驗目的

1．觀察各種常用合金鋼，有色金屬和鑄鐵的顯微組織。

2．分析這些金屬材料的組織和性能的關系及應用。

二、概述

1．幾種常用合金鋼的顯微組織合金鋼依合金元素含量的不同，可分為三種：合金元素總量小于5％的稱為低合金鋼；合金元素為5～10％的稱為中合金鋼；合金元素大于10％的稱為高合金鋼。

1）一般合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼都是低合金鋼。由于加入合金元素，鐵碳相圖發(fā)生一些變動，但其平衡狀態(tài)的顯微組織與碳鋼的顯微組織并沒有本質(zhì)的區(qū)別。低合金鋼熱處理后的顯微組織與碳鋼的顯微組織也沒有根本的不同，差別只是在于合金元素都使C曲線右移(除Co外)，即以較低的冷卻速度可獲得馬氏體組織。例如16Mn淬火后為馬氏體組織，40Cr鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的顯微組織是回火索氏體，如圖1、2所示。GCrl5鋼(軸承鋼)840℃油淬低溫回火試樣的顯微組織，與T12鋼780℃水淬低溫回火試樣的顯微組織也是一樣的，都得到回火馬氏體＋碳化物十殘余奧氏體組織，如圖3所示。

圖116Mn淬火組織

正火16Mn—鐵素體和珠光體（索氏體）65Mn淬火+中溫回火圖240Cr鋼調(diào)質(zhì)后的組織圖3GCr15鋼淬火低溫回火后組織

GCr15淬火+回火

圖4W18Cr4V淬火三次回火后的組織W18Cr4V鑄態(tài)W18Cr4V退火W18Cr4V淬火30GCrMnSi等溫淬火ZGMn13鑄態(tài)ZGMn13水韌處理3Cr13-1050淬火-200回火—回火馬氏體和未溶的細小碳化物顆粒

20CrMo-100基體為板條狀馬氏體和少量羽毛狀貝氏體、少量鐵素體

Cr13-1050淬火-200回火回火馬氏體Cr13-退火珠光體和鐵素體Cr17-退火鐵素體和（Fe、Cr）7C3型碳化物顆粒

2)高速鋼是一種常用的高合金工具鋼，例如W18Cr4V。因為它含有大量合金元素，使鐵碳相圖中的E點大大向左移，以致它雖然只含有0.7～0.8％的碳，但也已經(jīng)含有萊氏體組織，所以稱為萊氏體鋼。高速鋼的鑄造狀態(tài)下與亞共晶白口鑄鐵的組織相似。其中萊氏體由合金碳化物和馬氏體或屈氏體組成。萊氏體沿晶界呈寬網(wǎng)狀分布，萊氏體中的碳化物粗大，有骨架狀，不能靠熱處理消除，必須進行鍛造打碎。鍛造退火后高速鋼的顯微組織是由索氏體和碳化物所組成的。高速鋼優(yōu)良的熱硬性及高的耐磨性，只有經(jīng)淬火及回火后才能獲得。它的淬火溫度較高，為1270～1280℃，以使奧氏體充分合金化，保證最終有高的熱硬性。淬火時可在油中或空氣中冷卻。淬火組織為馬氏體、碳化物和殘余奧氏休。由于淬火組織中存在有較大量(25～30％)的殘余奧氏體，一般都進行三次約560℃的回火。經(jīng)淬火和三次回火后，高速鋼的組織為回火馬氏體、碳化物和少量殘余奧氏體(2～3％)(圖4)。

3)不銹鋼是在大氣、海水及其它浸蝕性介質(zhì)條件下能穩(wěn)定工作的鋼種，大都屬于高合金鋼，例如應用很廣的1Crl8Ni9即18-8鋼。它的碳含量較低，因為碳不利于防銹；高的鉻含量是保證耐蝕性的主要因素；鎳除了進一步提高耐蝕能力以外，主要是為了獲得奧氏體組織。這種鋼在室溫下的平衡組織是奧氏體十鐵素體+(Cr,Fe)23C6為了提高耐蝕性以及其它性能，必須進行固溶處理。為此加熱到1050～1150℃，使碳化物等全部溶解，然后水冷，即可在室溫下獲得單一的奧氏體組織，如圖5所示。但是1Crl8Ni9在室溫下的單相奧氏體狀態(tài)是過飽和的，不穩(wěn)定的，當鋼使用時溫度到達400～800℃的范圍或者從較高溫度，例如固溶處理溫度下冷卻較慢時，(Cr，F(xiàn)e)23C6會從奧氏體晶界上析出，造成晶間腐蝕，使鋼的強度大大降低。目前，防止這種晶間腐蝕的途經(jīng)有兩條：一是盡量降低碳含量，但有限度；二是加入與碳的親和力很強的元素Ti，Nb等。因此出現(xiàn)了1Crl8Ni9Ti、0Crl8Ni9Ti等及更復雜的牌號的奧氏體鎳鉻不銹鋼。圖51Crl8Ni9鋼固溶處理后的組織(200X)圖51Crl8Ni9鋼固溶處理后的組織(500)

2．幾種常用有色金屬的顯微組織

1）鋁合金應用十分廣泛的鋁合金主要分變形鋁合金和鑄造鋁合金兩類。依照熱處理效果又可分為能熱處理強化的鋁合金及不能熱處理強化的鋁合金。鋁硅合金是應用最廣泛的一種鑄造鋁合金，常稱為硅鋁明，典型的牌號為ZLl02，含硅11～13％，從Al-Si合金相圖可知，其成分在共晶點附近，因而具有優(yōu)良的鑄造性能，即流動性能好，產(chǎn)生鑄造裂紋的傾向小。但鑄造后得到的組織是粗大針狀的硅晶體和α固溶體所組成的共晶體及少量呈多面體狀的初生硅晶體(圖6)。粗大的硅晶體極脆，因而嚴重地降低了合金的塑性和韌性。為了改善合金性能，可采用變質(zhì)處理。即在澆注前在合金液體中加入占合金重量2～3％的變質(zhì)劑（常用NaF+NaCl的鈉鹽混合物）。由于鈉能促進Si的生核，并能吸附在硅的表面阻礙它長大，使合金組織大大細化同時使共晶點右移，而原合金成分變?yōu)閬喒簿С煞?，所以變質(zhì)處理后的組織由初生α固溶體和細密的共晶體(α+Si)組成。共晶體中的硅細小(圖7)，因而使合金的強度與塑性顯著改善。圖6Al-Si合金的組織（未變質(zhì)）

圖7Al-Si合金的組織（變質(zhì)后）

2)銅合金最常用的銅合金為黃銅(Cu-Zn合金)及青銅(Cu-Sn合金)

由銅-鋅合金相圖可知，少于36％Zn的黃銅中組織為單α相固溶體，這種黃銅稱為α黃銅或單相黃銅。單相黃銅H70經(jīng)變形及退火后，其α晶粒呈多邊形，并有大量退火孿晶(圖8)．單相黃銅具有良好的塑性，可進行各種冷變形。含36～45％Zn的黃銅具有α+β兩相組織，稱為雙相黃銅。雙相黃銅H62的顯微組織中，α相呈亮白色，β相為黑色(圖9)。β相是以CuZn電子化合物為基的有序固溶體，在低溫下較硬較脆，但在高溫下有較好的塑性，雙相黃銅可以進行熱壓力加工。圖8單相黃銅的顯微組織

圖9雙相黃銅的顯微組織

3）軸承合金巴氏合金是軸承合金中應用較多的一種。錫基巴氏合金含83％Sn、11％Sb和6％Cu。按照Sn-Sb合金相圖，合金的組織中主要有以Sb溶于Sn中的α固溶體為軟基體和以Sn-Sb為基的有序固溶體β相為硬質(zhì)點。同時，為了消除由于β相比重小而易上浮所造成的比重偏析，在合金中特地加入Cu形成Cu6Sn5。Cu6Sn5在液體冷卻時最先結(jié)晶成樹枝狀晶體,能阻礙β上浮，因而使合金獲得較均勻的組織。圖10所示為巴氏合金的顯微組織，暗黑色基體為軟的α相，白色方塊為硬的β相，而白色枝狀析出物則為Cu6Sn5，它也起硬質(zhì)點作用。這種軟基體硬質(zhì)點混合組織能保證軸承合金具有必要的強度、塑性和韌性，以及良好的抗振減磨性能等等。

圖10巴氏合金的組織(200×)

圖10巴氏合金的組織500×

3．鑄鐵的顯微組織依照結(jié)晶過程中石墨化程度的不同，鑄鐵可分為白口鑄鐵、灰口鑄鐵和麻口鑄鐵。白口鑄鐵具有萊氏體組織而沒有石墨，即全部碳均以滲碳體的形式存在；灰口鑄鐵中沒有萊氏體，碳主要以石墨的形式存在。因此，灰口鑄鐵的組織是由鋼基體和石墨所組成，其性能也完全由基體和石墨兩方的特點來決定。麻口鑄鐵的組織介于白口和灰口之間。白口和麻口鑄鐵由于存在萊氏體，具有較大的脆性，在工業(yè)上較少應用。在灰口鑄鐵中，由于石墨的強度和塑性幾乎等于零，可以把這種鑄鐵看成是布滿裂紋或空洞的鋼。所以其抗拉強度與塑性遠比鋼低。且石墨數(shù)量越多，尺寸越大或分布越不均勻，則對基體的削弱割裂作用越大，鑄鐵的性能也就越差。根據(jù)石墨化第三階段發(fā)展程度的不同，灰口鑄鐵有三種不同的基體組織，即鐵素體、珠光體＋鐵素體和珠光體。鐵索體基體的鑄鐵韌性最好，而以珠光體為基體的鑄鐵的抗拉強度最高。決定鑄鐵性能的組織因素主要在石墨方面，其次是基體。按照石墨的形狀等特點，鑄鐵大致分以下幾種；

1）灰口鑄鐵一般灰口鑄鐵中石墨呈粗大片狀，如圖11～14所示。在鑄鐵澆注前往鐵水中加入孕育劑增多石墨結(jié)晶核心時，石墨以細小片狀的形式分布，這種鑄鐵叫做孕育鑄鐵。一般灰口鑄鐵的基體可以有鐵素體和珠光體十鐵素體、珠光體等三種。孕育鑄鐵的基體多為珠光體。

圖11灰口鑄鐵的石墨分布(未腐蝕)

圖12灰口鑄鐵的組織（F）

圖13灰口鑄鐵的組織(P+F)

圖14灰口鑄鐵的組織（P）

2)球墨鑄鐵在鐵水中加入球化劑，澆注后石墨呈球形析出，因而大大削弱了對基體的割裂作用，使鑄鐵的性能顯著提高。球墨鑄鐵的組織主要有鐵素體基體和珠光體基體兩種。圖15～17為球墨鑄鐵的顯微組織。圖15球墨鑄鐵的組織（未腐蝕）

圖l6球墨鑄鐵的組織（F）圖17球墨鑄鐵的組織（P）

3)可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵又稱展性鑄鐵，它是由白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火處理而得到。其中的石墨呈團絮狀，也顯著地減弱了對基體的割裂作用，因而使鑄鐵的機械性能比普通灰口鑄鐵有明顯的提高?？慑戣T鐵分鐵素體基體和珠光體基體兩種，但鐵素體基體的可鍛鑄鐵應用較多。圖19、20為鐵素體基體和珠光體基體的可鍛鑄鐵顯微組織。

圖l8可鍛鐵鑄的組織（未腐蝕）

圖19可鍛鑄鐵的組織（F）

圖20可鍛鐵鑄的組織（P）

圖

21灰口鑄鐵鑄態(tài)黑色片狀組織為石墨（未侵蝕,基體未顯示）。圖-22可鍛鑄鐵退火黑色團絮狀組織為石墨（未侵蝕，基體為顯示）。圖-23球墨鑄鐵鑄態(tài)黑色球狀組織為石墨（未侵蝕，基體為顯示）。圖-24灰口鑄鐵退火鐵素體灰口鐵。鐵素體為白色并有黑色網(wǎng)絡的晶界。片狀石墨為黑灰色。圖-25灰口鑄鐵鑄態(tài)鐵素體+珠光體灰口鐵。鐵素體呈白色，珠光體成層片狀或黑色，片狀石墨為黑灰色圖-26灰口鑄鐵正火珠光體灰口鐵。珠光體成層片狀，片狀石墨為黑灰色。圖-27可鍛鑄鐵退火鐵素體可鍛鑄鐵。鐵素體位白色，有明顯的黑色網(wǎng)絡晶界。黑色團絮狀為石墨。圖-28可鍛鑄鐵退火珠光體可鍛鑄鐵。珠光體成層片狀或黑色。黑色團絮狀為石墨。圖-29球墨鑄鐵退火鐵素體球墨鑄鐵。白色為鐵素體，黑色網(wǎng)絡為晶界，黑色球狀為石墨。圖-30球墨鑄鐵鑄態(tài)鐵素體+珠光體球墨鑄鐵。白色為鐵素體。黑色或?qū)悠瑺顬橹楣怏w，黑色球團為石墨，呈牛眼狀。圖-31球墨鑄鐵鑄態(tài)珠光體球墨鑄鐵。黑色或?qū)悠瑺顬橹楣怏w，黑色球狀為石墨。圖-32高磷鑄鐵鑄態(tài)珠光體+片狀石墨+磷共晶。基體為片狀珠光體，灰色片狀為石墨，白色棱角狀為磷共晶。磷共晶沿晶界分布，形似網(wǎng)孔。高倍放大，可以看到二元、三元磷共晶形態(tài)。

圖-33ZL102鑄態(tài)未變質(zhì)的鋁硅合金。淺色多變形晶粒為初晶硅其余為α固溶體（白色）與硅（淺灰色針狀）的共晶組織。圖-34ZL102鑄態(tài)已變質(zhì)的鋁硅合金。白色枝晶狀組織為初生α固溶體，其余為細粒狀硅與α組成的共晶組織。圖-35LY12時效板材白色α（Al）基體上分布著黑色CuAl2及Al2CuMg強化相質(zhì)點。圖-36LY12鑄態(tài)白色α（Al）與深黑色的α（Al）+CuAl2+β（Al2CuMg）三元共晶及α（Al）+CuAl2二元共晶。圖-38H６８退火單相黃銅。含有孿晶的等軸α晶粒。圖-39H62退火雙相黃銅,白色部分為α固溶體，黑色條塊狀為β固溶體。錫基軸承合金鑄態(tài)黑色基體為α固溶體。白色方塊為β相（SnSb

）。白色針狀、星狀為ε（Cu6Sn5）相。圖-40鉛基軸承合金鑄態(tài)白色方塊為β相（SnSb）硬質(zhì)點，部分針狀為銅銻化合物（Cu2Sb）。其余為α（Pb）+β共晶軟基體。圖-41QPb30（鉛青銅)）鑄態(tài)白亮色的α（Cu）上分布著暗色鉛晶粒圖-42TC4退火（α+β）雙相鈦合金。白色條狀為α固溶體，條間黑色為β固溶體。

前面已指出，鑄鐵的基體既然是鋼，所以照理鑄鐵和鋼一樣可以進行熱處理。但一般來說，灰口鑄鐵由于石墨的割裂作用太大，改善基體對性能提高的作用有限，所以熱處理的作用較小。但是對于球墨鑄鐵，熱處理則是很有實際意義的，球墨鑄鐵常?？梢酝ㄟ^正火、調(diào)質(zhì)和等溫淬火等來進一步提高各種機械性能。

三、實驗內(nèi)容1、觀察下表所列樣品的顯微組織。2、描繪出各種合金的顯微組織示意圖，并標明各種組織組成物的名稱。3、對比分析各種合金鋼之間、各種有色金屬之間、各種鑄鐵之間的顯微組織的特點。

樣品序號材料名稱處理工藝浸蝕劑116Mn淬火處理4％硝酸酒精240Cr調(diào)質(zhì)處理4％硝酸酒精3GCr15840℃油淬200℃回火4％硝酸酒精4W18Cr4V1280℃油淬560℃三次回火4％硝酸酒精51Cr18Ni9固溶處理王水溶液（硝酸1份，鹽酸3份）6Al-Si合金鑄造（未變質(zhì)處理）0.5％HF水溶液7Al-Si合金鑄造（變質(zhì)處理）0.5％HF水溶液8α黃銅退火狀態(tài)

3％FeCI3+10