材料科學(xué)金相實驗

鐵碳合金的纖維組織及分析材科0904徐飛40930212一、 實驗?zāi)康倪M(jìn)一步熟悉鐵碳合金相圖（Fe-Fe3C相圖）。掌握各相和組織組成以及它們的金相形貌特征（珠光體、鐵素體、滲碳體、萊氏體等）。掌握共晶、亞共晶、過共晶白口鑄鐵的顯微組織特征（萊氏體、變態(tài)萊氏體，一次滲碳體、共晶滲碳體和二次滲碳體的形成與形貌特點；高溫奧氏體轉(zhuǎn)變所得室溫產(chǎn)物等）。了解碳含量對各相及組織組成物的形貌和相對量的影響。二、 實驗內(nèi)容分析并討論鐵碳合金相圖的組成及組織組成物形貌。結(jié)合理論知識，觀察各金相樣品的顯微組織，繪制組織特征圖。討論分析實驗結(jié)果和思考題。三、 實驗設(shè)備與材料光學(xué)顯微鏡標(biāo)準(zhǔn)實驗樣品若干工業(yè)純鐵?0.0218XC）亞共析鋼（0.0218-0.77%?共析鋼（0.77%C）過共析鋼（0-77-2.11亞共晶白口持鐵（2.11-4.30XC）共晶白口鑄秩（4.30?&C）過共晶白口鑄鐵（4一30-6一的配）四、實驗過程分析并討論鐵碳合金相圖的組成及組織組成物形貌在鐵碳合金中，碳有兩種存在形式：一是0-Fe3C相，另一是石墨。0-Fe3C實際上是一個亞穩(wěn)相，在一定條件下可分解為鐵固溶體相a（Fe）或y（Fe）和石墨，因此鐵碳相圖通常有Fe-Fe3C和Fe-石墨兩種形式，且Fe-石墨體系是更穩(wěn)定的狀態(tài)。在Fe-Fe3C體系相圖中，存在有液相、固溶體相0（Fe）、a（Fe）和y（Fe）及0-Fe3C相。根據(jù)組織特征則有奧氏體（A）、鐵素體（F）、0鐵素體，滲碳體或液析滲碳體（Cm）、二次滲碳體（CmII）、三次滲碳體（CmIII）、珠光體（P），萊氏體（Ld）、變態(tài)萊氏體（Ld’）和液體（L）。鐵素體：碳溶入鐵品格的間隙中形成間隙固溶體，稱鐵素體。在金相顯微鏡下觀察為均勻明亮的多邊形品粒。（BCC）

奧氏體：碳溶入鐵品格的間隙中形成間隙固溶體，稱奧氏體。（FCC）滲碳體：Fe3C和其他相共存時以片、粒塊、網(wǎng)狀形態(tài)出現(xiàn)，它不受硝酸酒精侵蝕，在金相顯微鏡下觀察呈白色發(fā)亮。結(jié)合理論知識，觀察各金相樣品的顯微組織，繪制組織特征圖。下圖a）所示為亞共析鋼的退火組織。白亮者為鐵素體，黑色的為珠光體。隨著含碳量的提高，珠光體的相對量增加。當(dāng)含碳量達(dá)到0.6%以上，鐵素體沿著原奧氏體品粒呈網(wǎng)狀分布。下圖b）所示為共析鋼的退火組織。全為片狀珠光體組織，高倍觀察時片層很清楚。下圖c）所示為含碳量為1.2%的過共析鋼的退火組織，光體加二次滲碳體。二次滲碳體沿原奧氏體品粒呈網(wǎng)狀分布，呈亮白色。用堿性苦味酸溶液染色侵蝕，可使網(wǎng)狀滲碳體變成黑色。a）亞共析鋼 b）共析鋼 c）含碳量為1.2%的過共析鋼■y*K|E7■y*K|E71f白口鑄鐵的組織有亞共晶、共晶和過共晶三種。圖a）是亞共晶白口鐵，黑色的為原奧氏體枝品形成的珠光體，枝品間為萊氏體共晶，白色的滲碳體為基體。圖b）是共晶白口鐵，組織是萊氏體共品，黑色李壯為珠光體，白色基體為滲碳體。圖c）是過共晶白口鐵，黑色粗大片狀為一次滲碳體，而其余部分則為萊氏體共晶。a）亞共晶白口鐵圖 b）共晶白口鐵圖 a）亞共晶白口鐵圖 b）共晶白口鐵圖 c）過共晶白口鐵課堂所繪組織圖見附錄，并與標(biāo)準(zhǔn)組織圖進(jìn)行對比觀察。五、思考題怎樣鑒別0.7wt%C合金的網(wǎng)狀鐵素體和1.3wt%C合金的網(wǎng)狀滲碳體？答：網(wǎng)狀鐵素體或網(wǎng)狀滲碳體最簡便的方法用化學(xué)試劑侵蝕法：堿性苦味酸鈉水溶液，將被測試樣浸入其中煮沸5min左右，取出水沖干凈并吹干，若白色網(wǎng)變?yōu)楹谏蚋畹暮谏?，則確定為滲碳體，若其顏色不變?nèi)猿拾咨ú皇芙g）為鐵素體相。冷卻速度對組織形貌和相對量有無影響？并舉例說明。答：冷卻速度影響鑄鐵的石墨化，快的冷卻速度則為白口化，慢的冷卻速度則為石墨化。鑄鐵的冷卻速度主要決定于鑄件的的壁厚和鑄型的材料。討論各類鑄鐵在組織上（基體組成，石墨形態(tài)）有何不同？組織對性能的影響。答：根據(jù)基本顯微組織和力學(xué)性能，鑄鐵可以分為：白口鑄鐵、灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵和合金鑄鐵等。1） 白口鑄鐵在室溫下白口鑄鐵中的碳呈Fe3C化合物狀態(tài)存在，其斷面為銀白色。性質(zhì)很脆，不能鍛造，不能進(jìn)行切削加工，可制造承受強(qiáng)烈擠壓和磨損的零件，如拉絲模、球磨機(jī)、軋輥等。根據(jù)室溫下組織的不同，白口鑄鐵可分為以下三類：a） 亞共晶白口鑄鐵碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.11%-4.3%，其組織是珠光體，二次滲碳體與萊氏體b） 共晶白口鑄鐵碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3%，其組織是萊氏體c） 過共晶白口鑄鐵碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于4.3%，其組織為一次滲碳體和萊氏體2） 合金鑄鐵所謂合金鑄鐵是在普通鑄鐵內(nèi)有意識地加入一些合金元素，如竦、銘、錳、鈦等配制而成的鑄鐵。加入的合金元素可改善熱處理組織，從而提高基體強(qiáng)度和耐磨性，因此應(yīng)用較廣。c.3） 球墨鑄鐵碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%-3.9%，基體組織為鐵素體、珠光體。其主要特點a.必須經(jīng)過球化處理，即在鑄鐵液中，加入球化劑（鎂或鎂合金），使石墨成球狀存在。b.具有很高的強(qiáng)度，其抗拉強(qiáng)度高達(dá)400MPa-600MPa。c.具有一定的韌性和塑性，經(jīng)過熱處理后，其力學(xué)性能可進(jìn)一步得到改善。d.球墨鑄鐵主要用于制造曲軸、軸套、軋輥和齒輪等。c.4） 可鍛鑄鐵碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.2%-2.8%，其基體組織為鐵素體、珠光體、少量滲碳體和微量石墨。必須經(jīng)過高溫長時間退火，即白口鑄鐵在900°C-1000°C下經(jīng)2-9d退火處理而成具有較高的韌性和塑性，但因含碳和含硅量高，因此并不能鍛造可鍛鑄鐵中，石墨呈團(tuán)絮狀存在，綜合力學(xué)性能較好，可制造形狀復(fù)雜的零件，如管子接頭、大炮上的零件5） 灰鑄鐵灰鑄鐵碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.7%-3.6%，其基體組織分為鐵素體、珠光體、及珠光體+鐵素體，其主要特點如下：鑄鐵組織中的石墨以片狀形式存在，其斷面成暗灰色熔點低，流動性好，冷卻凝固時收縮量小，具有優(yōu)良的鑄造性能抗拉強(qiáng)度小，容易拉斷，塑性差，不宜進(jìn)行壓力加工土硬度低，性質(zhì)嬌軟，容易切削，主要用于制造機(jī)架、床身、軸承蓋、減速箱等如何改變灰口鑄鐵的性能？答：（1）消除內(nèi)應(yīng)力退火當(dāng)鑄件形狀復(fù)雜，厚薄不均時，由于澆注后冷卻過程中各部位的冷卻速度不同，往往在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生很大的應(yīng)力。它不僅削弱了鑄件的強(qiáng)度，而且在隨后的切削加工之后，由于應(yīng)力的重新分布而引起變形，甚至開裂。因此，對精度要求較高或大型、復(fù)雜的鑄件（如機(jī)床床身、機(jī)架等）在切削加工之前，都要進(jìn)行一次消除內(nèi)應(yīng)力的退火，有時甚至在粗加工之后還要進(jìn)行一次。消除內(nèi)應(yīng)力退火通常是將鑄件緩慢加熱到500-560°C，保溫一段時間（每10毫米截面保溫一小時），然后以極緩慢的速度隨爐冷至150-200C后出爐。此時，鑄件的內(nèi)應(yīng)力基本上被消除。應(yīng)當(dāng)指出，若退火溫度超過560C或保溫時間過長，會引起石墨化，使鑄件的強(qiáng)度與硬度降低，是不適宜的。（2） 消除部分白口的軟化退火鑄件冷凝時，在表面或某些薄壁處，由于冷卻速度較快，很容易出現(xiàn)白口組織，使鑄件的硬度和脆性增加，造成切削加工的困難和使用時易剝落。此時就必須將鑄件加熱到共析溫度以上，進(jìn)行消除白口的軟化退火。消除白口的軟化退火，一般是把鑄件加熱到850-950C，保溫1-3小時，使共晶滲碳體發(fā)生分解，即進(jìn)行第一階段石墨化，然后又在隨爐緩慢冷卻過程中使二次滲碳體及共析滲碳體發(fā)生分解，即進(jìn)行中間和第二階段石墨化，待隨爐緩冷到500-400C時，再出爐空冷，這樣就可獲得鐵素體或鐵素體+珠光體基體的灰口鑄鐵，從而降低了鑄件的硬度，改善了切削加工性。若采用較快的冷卻速度，使鑄件不發(fā)生第二階段石墨化，則最終就獲得珠光體基體的灰口鑄鐵，增加了鑄件的強(qiáng)度和耐磨性。（3） 表面淬火表面淬火的目的是提高灰口鑄鐵件的表面硬度和耐磨性。表面淬火的方法有高頻感應(yīng)加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火及接觸電熱表面淬火等。感應(yīng)加熱表面淬火原理：把工件放入由空心銅管繞成的感應(yīng)器（線圈）中，感應(yīng)器中通入一定頻率的交流電以產(chǎn)生交變磁場，于是工件內(nèi)就會產(chǎn)生頻率相同、方向相反的感應(yīng)電流?；鹧婕訜岜砻娲慊鹚且愿邷鼗鹧鏋闊嵩吹囊环N表面淬火法。常用的火焰為乙炔-氧火焰（最高溫度3200C）或煤氣-氧火焰（最高溫度2000C）。高溫火焰將工件表面快速加熱到淬火溫度，再隨即噴水快速冷卻。電熱表面淬火原理：用一個電極與欲淬工件表面緊密接觸，形成回路，通以低壓（2-5V）大電流（400-750A）的交流電，以產(chǎn)生的電阻熱將工件加熱全淬火溫度。六、實驗總結(jié)通過本次實驗我進(jìn)一步熟悉鐵碳合金相圖中的相關(guān)知識，了解了各相和組織組成以及它們的金相形貌特征，比如珠光體、鐵素體、滲碳體、萊氏體等。