輪機(jī)工程材料（第二版）實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)上海海事大學(xué)

實(shí)驗(yàn)一鐵碳合金平衡組織觀察實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．認(rèn)識(shí)和熟悉鐵碳合金平衡狀態(tài)下的顯微組織特征；2．了解含碳量對(duì)鐵碳合金平衡組織的影響。建立起Fe-Fe3C狀態(tài)圖與平衡組織的關(guān)系；3．了解平衡組織的轉(zhuǎn)變規(guī)律并能應(yīng)用杠桿定律。概述鐵碳合金的顯微組織是研究和分析鋼鐵材料性能的基礎(chǔ)，所謂平衡狀態(tài)的顯微組織是指合金在極為緩慢的冷卻條件下所得到的組織。在實(shí)驗(yàn)條件下，退火狀態(tài)下的碳鋼組織可以看成是平衡組織。我們可根據(jù)Fe-Fe3C相圖來(lái)分析鐵碳合金在平衡狀態(tài)下的顯微組織（如圖1-1）圖1-1Fe-Fe3C相圖1．觀察顯微組織要用金相顯微鏡，顯微鏡的成像原理可參閱有關(guān)書(shū)籍。顯微鏡是精密的光學(xué)儀器，使用時(shí)一定要當(dāng)心。2．要想看到金屬的顯微組織，必須按下列作法制備試樣：（1）取樣：從所研究的部位上截取試樣，試樣尺寸最好是厚度及直徑為10~15㎜的圓柱，以便于制樣和觀察。對(duì)于薄板、細(xì)線(xiàn)材或需要研究試樣邊緣組織時(shí)，可將試樣鑲在塑料中或裝入特制的夾具中。（2）磨制：試樣經(jīng)砂輪打平后。用砂紙由粗到細(xì)依次將試樣磨平。（3）拋光：拋光的目的在于除去試樣表面的細(xì)磨痕，得到平滑的鏡面。拋光有機(jī)械拋光和化學(xué)拋光。（4）浸蝕：拋光的試樣在顯微鏡下只能看到夾雜物，要看到金屬組織還必須進(jìn)行浸蝕。由于合金中不同相或不同位向的晶?？刮g性不同，試樣經(jīng)浸蝕，表面會(huì)出現(xiàn)不同的凸凹情況，如晶界處易腐蝕呈現(xiàn)凹下，它們對(duì)光線(xiàn)的反射程度就不同，在顯微鏡下就會(huì)呈現(xiàn)不同的明暗區(qū)域或線(xiàn)條，我們就看到了金屬的組織。顯示鋼鐵組織常用的浸蝕劑是4%的硝酸酒精溶液。制備試樣很費(fèi)時(shí)間，所以我們要愛(ài)護(hù)制好的試樣表面，不要用手直接觸摸試樣表面，更要避免被硬物劃傷。3．鐵碳合金的各種基本組織特征（1）鐵素體：碳在α-Fe中的固溶體，呈白色塊狀。（2）滲碳體：鐵和碳的間隙化合物?？刮g能力較強(qiáng)，故是白亮的。一次滲碳體呈板條狀，分布在萊氏體之間，二次滲碳體是從奧氏體晶界上析出的。奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體，所以二次滲碳體呈網(wǎng)狀分布在珠光體的邊界上。三次滲碳體分布在鐵素體的邊界上或以顆粒狀彌散分布在晶粒內(nèi)部，量少極分散一般看不到。鐵素體和滲碳體經(jīng)4%的硝酸酒精溶液浸蝕后都呈白色。若用苦味酸鈉熱蝕，滲碳體呈黑褐色。這樣可以區(qū)分鐵素體和滲碳體。（3）珠光體：（如圖1-2）鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物。鐵素體和滲碳體都是片層狀，邊界易腐蝕，故顯微鏡下看到是較密的黑條，若放大倍率較低，條間分不清楚，珠光體是黑色的塊狀。（a）500×（b）1500×（c）7000×圖1-2不同放大倍數(shù)下的珠光體顯微組織表1-1各種鐵碳合金在室溫下的顯微組織合金分類(lèi)含碳量%顯微組織工業(yè)純鐵<0.0218鐵素體（F）碳鋼亞共析鋼0.0218~0.77F+珠光體（P）共析鋼0.77P過(guò)共析鋼0.77~2.11P+二次滲碳體白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵2.11~4.3P+Fe3CⅡ+萊氏體(L’e)共晶白口鑄鐵4.3L’e過(guò)共晶白口鑄鐵4.3~6.69L’e+一次滲碳體（4）萊氏體：共晶組織。室溫是珠光體和滲碳體的混合物，滲碳體基本是白亮的；珠光體是黑色棒狀或條紋狀。各種鐵碳合金在室溫下的顯微組織如表1-1所示。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．觀察試樣，根據(jù)鐵碳合金狀態(tài)圖判斷各組織組成物，區(qū)分顯微鏡下看到的各種組織。觀察的試樣有工業(yè)純鐵，各種成分的亞共析鋼、共析鋼、過(guò)共析鋼2．畫(huà)出下列試樣的組織圖，標(biāo)明各組織組成物名稱(chēng)，并注明材料名稱(chēng)、處理?xiàng)l件、浸蝕劑、放大倍數(shù)等（不要把劃痕、夾雜物、銹蝕坑等畫(huà)到圖上）。工業(yè)純鐵（如圖1-3）、20鋼（如圖1-4）、45鋼（如圖1-5）、共析鋼（如圖1-2）、T12鋼（如圖1-6）圖1-3工業(yè)純鐵顯微組織（100×）圖1-420鋼顯微組織（100×）浸蝕劑：4%硝酸酒精溶液浸蝕劑：4%硝酸酒精溶液圖1-545鋼顯微組織（100×）圖1-6 T12鋼顯微組織（400×）浸蝕劑：4%硝酸酒精溶液浸蝕劑：4%硝酸酒精溶液實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1．寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?．畫(huà)出所觀察過(guò)的顯微組織，并注明材料名稱(chēng)、含碳量、浸蝕劑、放大倍數(shù)。顯微組織圖畫(huà)在直徑為50mm的圓內(nèi)，并將組織組成物名稱(chēng)以箭頭引出表明。3．根據(jù)所觀察的顯微組織近似地確定和估算一種亞共析鋼的含碳量。4．討論鐵碳合金含碳量與組織的關(guān)系。5．本次實(shí)驗(yàn)的心得體會(huì)。

實(shí)驗(yàn)二碳鋼熱處理后顯微組織觀察一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解常見(jiàn)熱處理基本組織的特征；2．了解熱處理工藝對(duì)鋼組織和性能的影響。二、概述鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變要參考鐵碳合金狀態(tài)圖。冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變要依據(jù)C-曲線(xiàn)。1．鋼從奧氏體狀態(tài)下冷卻時(shí)形成的組織珠光體（P）、索氏體（S）、屈氏體（T）都是層片狀鐵素體的滲碳體的混合物。形成溫度越低，片層越細(xì)，硬度越高，其層間距（即一片鐵素體和一片滲碳體的厚度）為150~450nm的是為珠光體，一般顯微鏡下可以看清片層，如圖1-2。層間距為80~150nm需要高倍放大才能看清，就是索氏體。而屈氏體層間距為30~80nm，需要電子顯微鏡才能看清。貝氏體一般為碳鋼等溫轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，它是含過(guò)飽和碳的鐵素體和小點(diǎn)狀滲碳體的混合物，不過(guò)一般顯微鏡分辨不出來(lái)。在光學(xué)顯微鏡下，上貝氏體呈羽毛狀，下貝氏體呈黑色竹葉狀。馬氏體為大于淬火臨界冷卻速度冷卻時(shí)的組織。主要有兩種形態(tài)：（1）板條狀馬氏體，主要由低碳鋼淬火后獲得，組織形態(tài)是呈較深色澤的、密集的，幾乎平行排列的細(xì)長(zhǎng)條狀馬氏體群；（2）片狀馬氏體，亦稱(chēng)針狀馬氏體，由高含碳量的奧氏體快冷獲得。顯微鏡下呈白亮的針狀，兩針交角互成60°或120°，空間形成是雙凸透鏡形薄片狀。中碳鋼一般獲得混合型馬氏體，由于馬氏體非常細(xì)小，不易看清，常稱(chēng)“隱針馬氏體”。為了看清馬氏體形態(tài)，選含Mn的高碳鋼，故意提高淬火溫度，得到粗大的馬氏體，這在生產(chǎn)上是不允許的。由于處理?xiàng)l件不同，在一個(gè)視場(chǎng)中會(huì)看到不同的組織。鋼的退火和正火組織45鋼經(jīng)退火后可得到接近平衡狀態(tài)的組織，組織特征如圖1-5，45鋼經(jīng)正火后的組織通常比退火的細(xì)，珠光體的相對(duì)含量也比退火組織中的多如圖2-1所示，原因是正火的冷卻速度稍大于退火的冷卻速度。圖2-145鋼經(jīng)正火后的顯微組織（400×）浸蝕劑：4%硝酸酒精溶液鋼的淬火組織將45鋼加熱到760℃（即Ac1以上，但低于Ac3）然后在水中冷卻，這種淬火稱(chēng)為不完全淬火。根據(jù)Fe-Fe3C相圖可知，在這個(gè)溫度加熱，部分鐵素體尚未溶入奧氏體中。經(jīng)淬火后，將得到馬氏體和鐵素體組織。在金相顯微鏡中觀察到的是呈暗色針狀馬氏體基底上分布有白色塊狀鐵素體如圖2-2所示。圖2-245鋼加熱到760℃不完全淬火后的圖2-345鋼加熱到860℃正常淬火后的顯微組織（500×）顯微組織（500×）浸蝕劑：4%硝酸酒精溶液浸蝕劑：4%硝酸酒精溶液45鋼經(jīng)正常溫度淬火后獲得細(xì)小的馬氏體如圖2-3所示。淬火溫度提高到1000℃，由于奧氏體晶粒的粗化，經(jīng)淬火后得到粗大馬氏體組織，如圖2-4所示。如將45鋼加熱到正常淬火溫度，然后在油中冷卻，獲得亮白色的馬氏體和黑色塊狀分布于晶界如圖2-5所示。圖2-445鋼加熱到1000℃過(guò)熱淬火后的圖2-545鋼加熱到860℃油淬后的顯微組織（500×）顯微組織（500×）浸蝕劑：4%硝酸酒精溶液浸蝕劑：4%硝酸酒精溶液T12鋼在正常溫度淬火后的顯微組織如圖2-6所示。獲得細(xì)小的針狀馬氏體和部分未熔入奧氏體中的滲碳體（呈亮白色顆粒）。淬火溫度提高到1000℃，由于奧氏體晶粒的粗化，經(jīng)淬火后得到粗大針狀馬氏體組織，如圖2-7所示，并還有一定數(shù)量的殘余奧氏體（呈亮白色）存在于馬氏體針之間。圖2-6T12鋼在正常溫度淬火后的圖2-7T12鋼加熱到1000℃過(guò)熱淬火后的顯微組織（500×）顯微組織（500×）浸蝕劑：4%硝酸酒精溶液浸蝕劑：4%硝酸酒精溶液2．淬火鋼回火時(shí)所形成的組織回火馬氏體：淬火鋼經(jīng)低溫回火得到，顯微鏡下的形態(tài)和馬氏體相同。由于有高度彌散的ε碳化物存在，所以較易浸蝕，故呈黑色針狀，因而又稱(chēng)黑色馬氏體。如圖3-8所示。圖2-845鋼經(jīng)淬火及200℃回火后的顯微組織（500×）浸蝕劑：4%硝酸酒精溶液回火屈氏體：中溫回火得到，組織是針狀鐵素體和細(xì)粒狀滲碳體。如圖2-9所示。（a）金相組織（回火屈氏體，500×）（b）電鏡圖象（7000×）圖2-945鋼經(jīng)860℃淬火及400℃回火后的顯微組織回火索氏體：高溫回火得到，組織是等軸形鐵素體和滲碳體，只是滲碳體的顆粒要大一些。如圖2-10所示。（a）金相組織（回火索氏體，500×）（b）電鏡圖象（7000×）圖2-1045鋼經(jīng)860℃淬火及600℃回火后的顯微組織三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．觀察試樣，分清各種組織特征。根據(jù)試樣成分和熱處理?xiàng)l件弄清組織轉(zhuǎn)變過(guò)程。觀察的組織有：隱針馬氏體、粗大針狀馬氏體+殘余奧氏體、馬氏體+屈氏體、粒狀碳化物+馬氏體+殘余奧氏體、回火馬氏體+殘余奧氏體、回火索氏體。2．畫(huà)出下列組織，注明內(nèi)容同實(shí)驗(yàn)二粗大針狀馬氏體、回火索氏體、馬氏體+屈氏體、珠光體+鐵素體（正火、退火）。四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1．寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?．附上所畫(huà)組織圖并寫(xiě)出獲得該組織的熱處理?xiàng)l件。3．比較45鋼正火與退火，正常淬火、過(guò)熱淬火與油中淬火熱處理工藝的異同。實(shí)驗(yàn)三鑄鐵組織觀察實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．觀察和分析鑄鐵的顯微組織特征；2．了解鑄鐵的顯微組織對(duì)性能的影響。二．概述鑄鐵中按照碳的存在形式分為：（１）灰口鑄鐵碳在鑄鐵中主要以游離態(tài)石墨存在，其斷口呈暗灰色。工業(yè)上使用的鑄鐵大部分是灰口鑄鐵。（２）白口鑄鐵碳在鑄鐵中主要以化合態(tài)Fe3C形式存在，其斷口呈銀白色。工業(yè)上很少使用，主要用作煉鋼原料。（３）麻口鑄鐵鑄鐵中的碳以石墨和以Fe3C形式存在，其組織介于白口和灰口之間，斷口呈黑白相間的麻點(diǎn)。硬脆，工業(yè)上很少使用。鑄鐵中石墨形成過(guò)程稱(chēng)為石墨化。石墨化的程度不同,所得到的鑄鐵類(lèi)型和組織也不同。表1中列出了鑄鐵經(jīng)不同程度石墨化后所得的組織及類(lèi)型?；铱阼T鐵的組織由石墨和基體部分組成?；w可以是鐵素體、珠光體或珠光體加鐵素體（即Ｆ、Ｐ或Ｐ＋Ｆ）,相當(dāng)于鋼的組織。因此鑄鐵的組織可以看成是鋼基體上分布著石墨夾雜。表1鑄鐵經(jīng)不同程度石墨化后所得到的組織灰口鑄鐵中按照石墨的形態(tài)大小和分布情況不同，分為：（1）灰口鑄鐵石墨呈片狀。（2）可鍛鑄鐵石墨呈團(tuán)絮狀。（3）球墨鑄鐵石墨呈球狀。（4）蠕墨鑄鐵石墨呈蠕蟲(chóng)狀。a)片狀石墨b)球狀石墨c)團(tuán)絮狀石墨d)蠕蟲(chóng)狀石墨圖1各種鑄鐵的石墨形態(tài)（未腐蝕）灰口鑄鐵的組織可以認(rèn)為是在鋼的基體上分布著不同形態(tài)、尺寸和數(shù)量的石墨，其中石墨的形狀及數(shù)量變化對(duì)性能起著重要作用，所以正確認(rèn)識(shí)和鑒別各類(lèi)鑄鐵的金相組織對(duì)估計(jì)和評(píng)定鑄鐵的質(zhì)量和性能有著重要意義。1.灰口鑄鐵灰口鑄鐵組織的特征是在鋼的基體上分布著片狀石墨。根據(jù)石墨化程度及基體組織的不同，灰口鑄鐵可分為：鐵素體灰口鑄鐵（三個(gè)階段石墨化都充分），鐵素體—珠光體灰口鑄鐵（第一，二階段石墨化充分，第三階段部分石墨化）和珠光體灰口鑄鐵（第一、二階段充分石墨化，第三階段完全沒(méi)有石墨化）。圖2a)所示為鐵素體灰口鑄鐵的顯微組織，其中石墨呈黑灰色條片狀分布在亮白色的鐵素體基體上。圖2b)所示為鐵素體－珠光體灰口鑄鐵的顯微組織，其中除黑灰色條片狀石墨外暗黑色基底為珠光體，亮白色部分為鐵素體。a)b)c)圖2灰鑄鐵的顯微組織鐵素體基體；b）鐵素體珠光體基體；c）珠光體基體2.可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵(又稱(chēng)韌性鑄鐵)是由白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火處理而得，其中滲碳體發(fā)生分解而形成團(tuán)絮狀石墨。按照基體組織不同，可鍛鑄鐵分為鐵素體可鍛鑄鐵(黑心可鍛鑄鐵)和球光體可鍛鑄鐵兩類(lèi)，如圖3所示。圖3a）為鐵素體可鍛鑄鐵的顯微組織，其中石墨呈暗灰色絮狀，亮白色晶粒為基體鐵素體。斷口心部呈暗黑色，故又稱(chēng)黑心可鍛鑄鐵。圖3b)為珠光體可鍛鑄鐵的顯微組織，在珠光體基體上分布著黑灰色的團(tuán)絮狀石墨。a)