金屬材料的顯微組織觀察(驗證性)

金屬材料的顯微組織觀察(guānchá)（驗證性）熱處理實驗(shíyàn)共三十九頁實驗(shíyàn)目的熟悉各類金屬材料的成分、組織與性能的關(guān)系。熟悉各類金屬材料的相圖，并能把組織和相圖相對應(yīng)。掌握(zhǎngwò)常規(guī)材料在不同狀態(tài)下的顯微組織。共三十九頁實驗(shíyàn)內(nèi)容觀察：碳鋼；不銹鋼、耐熱鋼；鑄鐵；鋁合金；銅合金等幾類金屬材料在不同(bùtónɡ)狀態(tài)時的顯微組織，并選擇顯微組織圖畫出。共三十九頁實驗用設(shè)備(shèbèi)及材料1.金相顯微鏡；2.各種材料金相樣品(yàngpǐn)一套；3.各種材料的金相圖冊。共三十九頁碳鋼熱處理組織(zǔzhī)20鋼-930℃淬火(cuìhuǒ)含碳量小于0.25%的非合金鋼（碳素鋼）或低碳低合金結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)強烈淬火，獲得80%以上甚至100%的低碳馬氏體組織，這類鋼統(tǒng)稱為低碳馬氏體鋼。一般情況下，含碳量在0.15%-0.25%范圍內(nèi)的鋼淬火強化效果好，綜合力學(xué)性能高。共三十九頁碳鋼熱處理組織(zǔzhī)45鋼860℃退火(tuìhuǒ)45鋼含碳量低于0.77%，所以組織中的滲碳體量也少于12%，于是鐵素體除去一部分要與滲碳體形成珠光體外，還會有多余的出現(xiàn)，因此組織是鐵素體+珠光體。碳含量越少，鋼組織中珠光體比例也越小，鋼的強度也越低，但塑性越好。共三十九頁碳鋼熱處理組織(zǔzhī)45鋼860℃正火從實質(zhì)上說，鋼的正火是鋼退火的一種特殊情況。由于正火的冷卻速度比退火的冷卻速度快，所獲得的珠光體片層間距較小，組織較細，因而其硬度和強度也較高。適用范圍：正火只適用于碳素鋼和低、中合金鋼，而不適用于高合金鋼。因為高合金鋼的奧氏體非常穩(wěn)定，在空氣中冷卻也將得到馬氏體組織。對共析碳素鋼來說，正火可得到索氏體組織；對亞共析或過共析鋼，正火組織中還有先共析鐵素體或先共析滲碳體，但與相應(yīng)(xiāngyīng)的退火組織比較，先共析相的量較少。正火是指：鋼件加熱到臨界點Ac3或Acm以上的溫度，保溫一定的時間(見奧氏體化)，然后在空氣中冷卻的金屬熱處理工藝，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。共三十九頁碳鋼熱處理組織(zǔzhī)45鋼860℃淬火(cuìhuǒ)片狀馬氏體（或針狀馬氏體），由片狀馬氏體與殘余奧氏體組成。又稱為孿晶馬氏體。45鋼860℃正常淬火后組織為細小的馬氏體。共三十九頁碳鋼熱處理組織(zǔzhī)45鋼860℃淬火(cuìhuǒ)后200℃回火低溫回火所得到的組織是回火馬氏體(馬氏體及少量殘余奧氏體，都是不穩(wěn)定的組織)，其性能是：具有高的硬度（HRC58-64）和高的耐磨性，因內(nèi)應(yīng)力有所降低，故韌性有所提高.這種回火方法主要用于刃具，量具，拉絲模以及其它要求硬而耐磨的零件。共三十九頁碳鋼熱處理組織(zǔzhī)45鋼調(diào)質(zhì)(diàozhì)處理調(diào)質(zhì)處理后，組織為均勻細小的保持馬氏體位向的回火索氏體。45鋼調(diào)質(zhì)后的組織形態(tài)首先取決于淬火組織（當(dāng)然淬前原始組織也有影響）。因加熱不足而殘留在馬氏體組織中的塊狀鐵素體，或因冷卻不足而在馬氏體晶界區(qū)形成的網(wǎng)狀鐵素體，均會保留到高溫回火后的索氏體組織中。同時，淬火馬氏體的粗細直接影響索氏體的粗細。共三十九頁碳鋼熱處理組織(zǔzhī)T10鋼淬火(cuìhuǒ)組織為較粗大的針狀馬氏體和殘余奧氏體。針狀馬氏體呈竹葉狀或凸透鏡狀，在空間形似鐵餅。針狀馬氏體之間通?；コ?0o或120o角，一般限制在奧氏體晶粒內(nèi)，最初形成的馬氏體針貫穿奧氏體晶粒，后形成的馬氏體較短，先形成的馬氏體較易浸蝕。所以完全轉(zhuǎn)變的馬氏體為大小不同，分布不規(guī)則，顏色深淺不一的針狀組織。共三十九頁合金(héjīn)結(jié)構(gòu)鋼和滾動軸承鋼熱處理組織

合金元素的加入，使鐵碳相圖發(fā)生一些變化，但其平衡狀態(tài)的顯微組織與碳鋼沒有本質(zhì)的區(qū)別。低合金鋼熱處理后的顯微組織與碳鋼沒有根本不同，差別只在于合金元素加入后，使C曲線(qūxiàn)右移（除Co以外），即以較低的冷卻速度也可以獲得馬氏體組織。例如，40Cr鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的顯微組織和40鋼調(diào)質(zhì)后的顯微組織基本相同，都為回火索氏體。GCr15鋼840℃油淬、低溫回火后的顯微組織，與T12鋼780℃水淬、低溫回火后的顯微組織也一樣，為回火馬氏體和碳化物。共三十九頁合金結(jié)構(gòu)鋼和滾動軸承(gǔndòngzhóuchéng)鋼熱處理組織40Cr850℃淬火(cuìhuǒ)共三十九頁合金結(jié)構(gòu)鋼和滾動軸承(gǔndòngzhóuchéng)鋼熱處理組織GCr15850℃淬火(cuìhuǒ)共三十九頁高速鋼熱處理組織(zǔzhī)

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點大大左移，雖然只含有0.7%～0.8%的碳，仍可獲得萊氏體組織，所以又稱為萊氏體鋼。

雖然高速鋼在鑄態(tài)下的組織存在嚴重的成分和組織不均勻性，從而影響(yǐngxiǎng)其性能，為此隨后必須經(jīng)過鍛造和軋制，破碎萊氏體網(wǎng)絡(luò)，促使其碳化物均勻分布。共三十九頁高速鋼熱處理組織(zǔzhī)高速鋼鑄態(tài)組織(zǔzhī)高速鋼在鑄造狀態(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、馬氏體、屈氏體以及殘留奧氏體組成。共三十九頁高速鋼熱處理組織(zǔzhī)高速鋼鍛造(duànzào)退火組織高速鋼鍛造退火組織為索氏體+碳化物。其中粗大的亮色晶粒為初生共晶碳化物，較細小的為次生碳化物以及索氏體基體中的極細共晶碳化物，退火后的的硬度為HB207～255。共三十九頁高速鋼熱處理組織(zǔzhī)高速鋼1280℃淬火(cuìhuǒ)組織高速鋼淬火加熱溫度一般為1260～1280℃，高溫加熱的目的是使較多的碳化物溶解于奧氏體中，淬火后馬氏體中合金元素含量高，回火后鋼的紅硬性高且耐磨性好。淬火采用油冷或空冷，其顯微組織為馬氏體+未溶碳化物+殘余奧氏體（尚有20%～30%）。馬氏體呈隱針狀，其針形很難顯示出來，但可看出明顯的奧氏體晶界及分布于晶粒內(nèi)的未溶碳化物，淬火后的硬度約為HRC61～62共三十九頁高速鋼熱處理組織(zǔzhī)高速鋼1280℃淬火后三次回火(huíhuǒ)組織高速鋼淬火后需經(jīng)三次回火，其組織為回火馬氏體，碳化物和少量殘余奧氏體（約2%～3%）?；鼗鸷笥捕葹镠RC63～65。共三十九頁馬氏體不銹鋼熱處理組織(zǔzhī)

常用馬氏體不銹鋼的含碳量為0.1～0.45%，含鉻量為12～14%，典型鋼號有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等。1Cr13和2Cr13具有抗大氣、蒸氣等介質(zhì)腐蝕的能力，常作為(zuòwéi)耐蝕的結(jié)構(gòu)鋼使用。為了獲得良好的綜合性能，常采用淬火+高溫回火（600～700℃），得到回火索氏體，來制造汽輪機葉片、鍋爐管附件等。

而3Cr13和4Cr13鋼，由于含碳量高一些，耐蝕性就相對差一些，通過淬火+低溫回火（200～300℃），得到回火馬氏體，具有較高的強度和硬度（HRC達50），因此常作為工具鋼使用，制造醫(yī)療器械、刃具、熱油泵軸等。共三十九頁馬氏體不銹鋼熱處理組織(zǔzhī)3Cr13的退火(tuìhuǒ)組織共三十九頁馬氏體不銹鋼熱處理組織(zǔzhī)3Cr13的1000℃淬火+250℃回火(huíhuǒ)組織共三十九頁鐵素體不銹鋼熱處理組織(zǔzhī)常用的鐵素體不銹鋼的含碳量低于0.15%,含鉻量為12～30%，典型(diǎnxíng)鋼號有0Cr13、1Cr17、1Cr17Ti、1Cr28等，其顯微組織始終是單相鐵素體組織。圖為0Cr17的退火組織。共三十九頁奧氏體不銹鋼熱處理組織(zǔzhī)

在含18%Cr的鋼中加入8～11%Ni，就是的奧氏體不銹鋼，如1Cr18Ni9是最典型的鋼號。這類鋼由于鎳的加入，擴大了奧氏體區(qū)域，從而在室溫下就能得到亞穩(wěn)的單相。18-8型不銹鋼在退火狀態(tài)下呈現(xiàn)奧氏體+碳化物的組織，碳化物的存在，對鋼的耐腐蝕性有很大損傷，故通常(tōngcháng)采用固溶處理方法，即把鋼加熱到11000C后水冷，使碳化物溶解在高溫下所得到的奧氏體中，再通過快冷，就在室溫下獲得單相的奧氏體組織。但在450～850℃加熱，或在焊接時，由于在晶界析出鉻的碳化物（Cr23C6）,使晶界附近的含鉻量降低，在介質(zhì)中會引起晶間腐蝕。共三十九頁奧氏體不銹鋼熱處理組織(zǔzhī)1Cr18Ni9Ti固溶組織(zǔzhī)共三十九頁鑄鐵(zhùtiě)

按鑄鐵在結(jié)晶過程中石墨化程度不同(bùtónɡ)，可分為白口鑄鐵、灰口鑄鐵和麻口鑄鐵。根據(jù)鑄鐵中石墨的形態(tài)不同(bùtónɡ)，鑄鐵分為灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵。

根據(jù)基體組織的不同，灰口鑄鐵可分為鐵素體灰口鑄鐵；鐵素體+珠光體灰口鑄鐵；珠光體灰口鑄鐵共三十九頁鑄鐵(zhùtiě)：白口鑄鐵(zhùtiě)共晶(ɡònɡjīnɡ)白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵共三十九頁鑄鐵(zhùtiě)：灰口鑄鐵P+片狀GF+P+片狀G共三十九頁鑄鐵(zhùtiě)：可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵(zhùtiě)由白口鑄鐵(zhùtiě)經(jīng)石墨化退火處理而獲得的，其滲碳體發(fā)生分解而形成團絮狀石墨。按其組織不同，可鍛鑄鐵(zhùtiě)分為鐵素體可鍛鑄鐵(zhùtiě)和珠光體可鍛鑄鐵(zhùtiě)兩類。圖為鐵素體基體可鍛鑄鐵(zhùtiě)和珠光體基體可鍛鑄鐵(zhùtiě)的顯微組織，其中石墨稱暗灰色團絮狀，亮白色晶粒為基體。共三十九頁鑄鐵(zhùtiě)：球墨鑄鐵(zhùtiě)

球墨鑄鐵中石墨呈球狀，金屬基體強度利用率高達70%～90%（灰口鑄鐵只達30%左右），因而其機械性能遠遠優(yōu)于普通灰口鑄鐵和可鍛鑄鐵。

球墨鑄鐵常常通過正火、調(diào)質(zhì)和等溫淬火來提高其機械性能。球鐵正火的主要目的是增加基體中珠光體數(shù)量，從而提高球鐵的強度和耐磨性。球鐵調(diào)質(zhì)處理后得到回火索氏體，從而有更高的綜合(zōnghé)機械性能。球鐵經(jīng)等溫淬火后的組織為下貝氏體，部分馬氏體和少量殘余奧氏體，這種組織不僅具有較高的綜合(zōnghé)機械性能，而且具有很好的耐磨性。球鐵淬火、400℃等溫淬火和280℃等溫淬火的基體組織見圖4.11。共三十九頁鑄鐵(zhùtiě)：球墨鑄鐵(zhùtiě)球墨鑄鐵的顯微組織(zǔzhī)，其中基體上分布著球狀石墨。F+P+GF+GP+G破碎狀F+P+G共三十九頁鑄鐵(zhùtiě)：球墨鑄鐵(zhùtiě)球鐵淬火、400℃等溫淬火和280℃等溫淬火的基體(jītǐ)組織球狀石墨針狀馬氏體和殘余奧氏體上貝氏體下貝氏體和殘余奧氏體共三十九頁有色金屬(yǒusèjīnshǔ)：鋁合金

鑄造鋁硅合金的典型牌號為ZL102，含硅10%～13%，組織為粗大的針狀的硅晶體和α固溶體組成的共晶體，以及少量呈多面體形的初生硅晶體，這種粗大的針狀硅晶體嚴重降低合金的塑性。為了(wèile)提高硅鋁的力學(xué)性能，通常進行變質(zhì)處理，處理后組織為初生α固溶體枝晶（白亮）及細小的共晶（α+Si）（黑底），這是因為共晶中的硅呈細小點狀顆粒（如下圖所示）。共三十九頁有色金屬(yǒusèjīnshǔ)：鋁合金未變質(zhì)處理已變質(zhì)處理Al-Si合金變質(zhì)(biànzhì)前后的鑄態(tài)組織共三十九頁有色金屬(yǒusèjīnshǔ)：銅合金黃銅為Cu-Zn合金，常用(chánɡyònɡ)的黃銅為α單相黃銅和α+β兩相黃銅。α單相黃銅：含鋅在39%以下的黃銅屬單相α固溶體，典型牌號為H70（即三七黃銅）。鑄態(tài)組織：α固溶體呈樹枝狀（用氯化鐵溶液腐蝕后，枝晶主軸富銅，呈亮白色，而枝晶富鋅呈暗色），經(jīng)變形和再結(jié)晶退火其組織為多邊形晶粒，有退火孿晶。由于各個晶粒方位不同，所以具有不同的顏色。共三十九頁有色金屬(yǒusèjīnshǔ)：銅合金黃銅(huánɡtónɡ)為Cu-Zn合金，常用的黃銅為α單相黃銅和α+β兩相黃銅。α單相黃銅：含鋅在39%以下的黃銅屬單相α固溶體，典型牌號為H70（即三七黃銅）。鑄態(tài)組織：α固溶體呈樹枝狀（用氯化鐵溶液腐蝕后，枝晶主軸富銅，呈亮白色，而枝晶富鋅呈暗色），經(jīng)變形和再結(jié)晶退火其組織為多邊形晶粒，有退火孿晶。由于各個晶粒方位不同，所以具有不同的顏色。共三十九頁有色金屬(yǒusèjīnshǔ)：銅合金黃銅(hu