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1、实验5常用工程材料的显微组织观察1. 实验目的2. （1）观察几种常用合金钢、有色金属、铸铁和金属陶瓷（硬质合金）及纤维增强树脂的显微组织。3. （ 2）分析这些材料的组织和性能的关系及其应用。4. 实验内容样品序号材料名称处理工艺浸蚀1W18C4V1280C油淬560C三次回火4%硝酸酒精（体积分数）21Cr18Ni9固溶处理王水溶液3灰铸铁铸造4%硝酸酒精（体积分数）4球墨铸铁铸造4%硝酸酒精（体积分数）5可锻铸铁铸造+可锻化退火4%硝酸酒精（体积分数）6Al-Si合金铸造（未变质处理）0.5%HF水溶液（体积分数）7Al-Si合金铸造（变质处理）0.5%HF水溶液（体积分数）8a黄铜退火
2、3%FeCb+10%HCI 的水溶液9a B黄铜退火3%FeCb+10%HCl 的水溶液10轴承合金铸态4%硝酸酒精（体积分数）11YG3粉末冶金烧结三氯化铁盐酸溶液腐蚀 1min ,水洗后 于20%氢氧化钾+20%铁氰化钾水溶 液中腐蚀3min （质量分数）12玻璃纤维增强 树脂复合材料纤维编织后树脂固化（1）W18Cr4V是一种高速钢。室温平衡组织由珠光体、碳化物和莱氏体组成。莱氏体沿晶界呈宽网状 分布，莱氏体中的碳化物粗大，呈骨架状，不能靠热处理消除，必须进行锻造打碎。锻造退火后 的显微组织由索氏体和碳化物组成。高速钢具有优良的耐热性和高的耐磨性。淬火温度较高，使 奥氏体充分合金化，保证
3、最终有高的热硬性。（2）1Cr18Ni9是不锈钢。在大气、海水及其他浸蚀性介质条件下能稳定工作，属于高合金钢。室温平 衡组织为奥氏体+铁素体+（Cr,Fe）23C6。（3）灰铸铁中的石墨呈粗大片状，灰铸铁的基体有珠光体、铁素体和珠光体+铁素体三种。铁素体基体的铸铁韧性最好，珠光体基体的铸铁抗拉强度最高。（4）球墨铸铁的组织主要有铁素体基体和珠光体基体两种。浇铸后石墨呈球形析出，大大削弱了对基 体的割裂作用，使球墨铸铁的性能显著提高。(5) 可锻铸铁由白口铸铁经石墨化退火处理得到。其中的石墨呈团絮状，也显著的削弱了对基体的割 裂作用，使得可锻铸铁的机械性能比灰铸铁有明显的提高。(6) 未经变质处
4、理的铝硅合金铸造后得到的组织是粗大的硅晶体和a固溶体所组成的共晶体。粗大的硅晶体很脆，严重的降低了合金的塑性和韧性。(7) 变质处理后的铝硅合金中添加的Na能促进Si的生核，并能吸附在 Si表面阻止Si继续长大，使合金组织大大细化。变质处理后的组织为细小均匀的共晶体+初生a固溶体+二次析出的 Si。共晶体中的Si细小，使合金的强度和塑性显著改善。(8) 单相黄铜中的组织为单相a固溶体，其晶粒呈多边形，并伴有大量退火孪晶。单相黄铜具有良好的 塑性，可以进行各种冷变形。(9) 双相黄铜由a相和B相组成。a相呈亮白色，B相呈黑色，是以 CuZn电子化合物为基的有序固溶体， 在低温下较脆、硬，但在高温
5、下有良好的塑性，所以双相黄铜可以进行热压力加工。(10) 轴承合金是一种软基体硬质点类型的轴承合金。显微组织为a+供Cu6Sn5。软基体硬质点混合组织能保证轴承合金具有必要的强度、塑性和韧性，以及良好的耐磨性。(11) YG3 显微组织由 WC+Co 相组成。硬质合金熔点高，硬度高，具有良好的耐磨性和热硬性，可用 作道具、耐磨零件或磨具。硬质合金属于颗粒复合材料。(12) 纤维增强树脂是一种纤维复合材料。韧性好的树脂作为基体，可阻碍材料中裂纹的扩展。纤维的抗拉强度高，主要承受外加载荷的作用。玻璃纤维增强树脂的显微组织为玻璃纤维+树脂。5. 思考题(1) 合金钢与碳钢比较组织上有什么不同，性能上
6、有什么差别，使用上有什么优越性？(2) 答：合金钢是在碳钢合金中特意加入一些合金元素所获得的钢。按合金元素质量分数不同可分为低合金钢(合金元素低于5% )、中合金钢(合金元素5%1 O %卜高合金钢(合金元素大于10%), 还有其他的分类方法。对于低合金钢由于加入合金元素较少，铁碳相图虽发生了一些变动，但其 平衡状态的显微组织与碳钢的显微组织并没有太大区别，低合金钢热处理后的显微组织与碳钢的 显微组织也没有根本的不同。但因加入了合金元素使 C 曲线右移 (Co 除外)，所以在相同的冷却速 度下，会出现不同的金相组织，合金钢更容易获得马氏体。(3) 合金钢与碳钢比较，在淬透性、力学性能、回火稳定
7、性等方面得到改善，还可提高钢的抗氧化 性、耐蚀、耐热、耐低温、耐磨损等方面的性能。由于合金钢的强度提高了，在使用时可降低材 料的使用量，减轻重量，降低成本。不同的合金钢可以应用于高温、腐蚀、磨损等场合使用。(4) 为什么大型发电机组中汽轮机转子和小板牙都必须采用合金钢制造?(5) 答：大型发电机组中的汽轮机转子工作环境恶劣，要承受扭转应力、弯曲应力、热应力，还要承 受振动产生的附加应力和冲击载荷等，而且在高温工作，还要考虑材料的抗蠕变性能、抗腐蚀性 能，等等。因此对转子材料要具有良好的综合机械性能、强度高，韧性好。在钢中加入一些合金 元素可以提高材料的性能，满足产品要求。如加入 Cr、 Mo
8、、 V 元素，可以提高钢的淬透性增加钢的强度，还可以提高钢的热强性，耐高温、抗腐蚀。所以都要选用合金钢制造才能符合使用要求。(6) 小板牙是低速切削、形状复杂的刃具，要求高硬度、高耐磨性，还要求一定强韧性。在钢中加 入 Cr、 W、Mn 等元素，使钢的淬透性和耐磨性大大提高，耐热性和韧性也有所改善。而且加入 了合金元素后，淬透性增加，油冷时就可得到马氏体，有利于减小变形，保证尺寸。所以选用合 金钢制造才能符合使用要求。 高速钢(W18Cr4V)的热处理工艺是如何进行的 ？有何特点？(8) 答：W18Cr4V高速钢的优良的热硬性和高的耐磨性只有经淬火及回火后才能获得。由于高速钢中的碳化物类型多、
9、结构复杂，淬火温度对碳化物的溶解有很多影响，较低时，有的碳化物不能溶 解，影响硬度和红硬性。较高时M6C 型碳化物转变成稳定的 MC 型碳化物，沿奥氏体晶界扩展成网状，造成对高速钢性能的破坏，而且还会影响晶粒度及残余奥氏体的含量，影响强度和韧性。(9) 为了获得良好的力学性能和高的红硬性，需选择合理的淬火温度，W18Cr4V 高速钢的淬火温度一般选择在12701280C。淬火后的组织为马氏体 +碳化物+较大量的残余奥氏体，残留奥氏体 约有30%。所以还要进行回火处理，使残余奥氏体转变为回火马氏体。在550570C回火时，钢的硬度、强度、塑性均有提高，析出特殊碳化物，产生二次硬化，达到硬度和强度
10、的最大值。回火温度一般为560C,因残余奥氏体量很多，一次回火处理不能消除大量的残余奥氏体，回火不足，影响高速钢的硬度和耐磨性能，所以一般需经三次回火处理。高速钢经三次回火处理后的组织为 回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体 (2%3% )。这样可以得到理想的热硬性、高的耐磨性和强 韧性。(10) 铸造 Al-Si 合金的成分是如何考虑的 ?为何要进行变质处理，变质处理与未变质处理的Al-Si 合金组织与性能有何变化 ?(11) 答：从Al-Si合金的相图可知，Si的质量分数为11.7%为共晶点的成分，在共晶点附近的合金成分，具有优良的铸造性能， 流动性好， 产生铸造裂纹的倾向性小， 所以简单的
11、铸造 Al-Si 合金的 Si 的质 量分数一般应为接近共晶点成分，典型的铸造Al-Si合金牌号为ZLI02 ,Si的质量分数为11%13%。(12) Al-Si合金铸造后得到的组织是粗大的针状硅晶体和a固溶体的共晶组织，粗大的硅晶体极脆，严重地降低了合金的塑性和韧性。为改善合金的性能需采用变质处理，即在浇注前在合金液体中加入变质剂(常用钠盐混合物)，以细化合金组织，提高合金的强度和塑性，由于钠能促进Si的生核，并能吸附在Si的表面阻碍它长大，使合金组织细化，同时使共晶点右移，原合金成分变为亚共晶 成分，所以变质后的组织为初生a固溶体+细密的共晶体(a+Si)组成。共晶体中的 Si细小，使合金的强度与塑性显著提高。
实验常用工程材料的显微组织观察
