常用金属材料的显微组织观察
一、实验目的
观察几种常用合金钢、铸铁和有色金属的显微组织；
了解这些金属材料的成分、组织和性能的特点。

二、仪器与材料
仪器： XJP-2A( 单目 ) 金相显微镜； XJP-3C( 双目 ) 金相显微镜；
材料： 10 种常用金属材料
三、实验原理及教学内容
1 合金钢
在合金钢中，由于合金元素对相图及相变过程的影响，其显微组织比碳钢复杂得多，组成相除了合金铁素体、合金奥氏体、合金渗碳体外，还可能出现金属间化合物，其组织形态随钢种的不同而呈现出不同的特征。

根据其用途可分为：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢。

• 40Cr 调质钢（合金结构钢）
合金调质钢是指调质处理后的合金结构钢，调质处理后具有高强度与良好的塑性及韧性。

40表示含碳量0.4%，Cr是加入的合金元素，起着增加淬透性，使调质后的回火索氏体组织得到强化。

回火索氏体以前我们学过，是由等轴状F和粒状渗碳体构成。

40Cr调质处理（淬火后高温回火） W18Cr4V退火
• W18Cr4V 高速钢（合金工具钢）
高速钢是一种高合金工具钢，具有高硬度、高耐磨性和高热硬性，还具有一定的强度、韧性和塑性。

加入合金元素W提高热硬性；Cr可以提高钢的淬透性；加入合金元素V可显著提高钢的耐磨性和热硬性。

a. 铸态组织显微组织分为三个部分：晶界附近为骨骼状莱氏体共晶碳化物Fe4W2C及WC，严重地分割了基体，使钢受载时极易脆裂；晶粒外层为奥氏体分解产物—马氏体及残余奥氏体，因为它不易被浸蚀而呈亮色，常称为“白色组织”；晶粒的心部是δ共析体，为极细的共析组织，易受浸蚀而呈黑色，通常称为“黑色组织”。

b. 锻造和退火后的组织为了改善碳化物的不均匀性，生产上采用反复锻造的方法将共晶碳化物击碎使其分布均匀。

为了去除锻造内应力，清除不平衡组织，降低了硬度，改善切削加工性能，为淬火提供良好的原始组织，必须对高速钢进行退火处理。

经过860～880℃退火后，高速钢 W18Cr4V 的退火组织为较粗大的共晶碳化物颗粒及稍细的二次碳化物,分布在索氏体基体上。

c. 淬火及回火后的组织为保证高速钢的热硬性及高耐磨性，高速钢必须进行1280 ℃淬火及560 ℃ 2～3 次回火处理。

淬火后的组织由淬火马氏体、残余奥氏体及粒状碳化物组成。

由于淬火后的马氏体和残余奥氏体中合金元素含量较高，组织抗腐蚀能力很高，经4% 硝酸酒精溶液浸蚀后，马氏体和残余奥氏体呈白色，仅能显示原奥氏体的晶界和粒状合金碳化物。

为减少残余奥氏体量，消除应力，稳定组织，提高力学性能指标，淬火后W18Cr4V一般需在560℃进行三次回火，回火后的显微组织为暗黑色针状回火马氏体的基体上，分布着亮白色块状碳化物。

W18Cr4V1280℃淬火 W18Cr4V淬火+三次回火
• 1Cr18Ni9Ti 不锈钢（特殊性能钢）
在腐蚀介质中有抗腐蚀性能的钢是不锈钢。

1Cr18Ni9Ti 是奥氏体型不锈钢。

这类钢为了防锈，碳的质量分数较低，高含铬量是保证耐蚀性的主要因素，镍除了进一步提高耐蚀能力外，还扩大了奥氏体区域，从而在室温下能获得奥氏体组织。

这种钢的平衡组织是奥氏体与合金碳化物，碳化物对材料耐蚀性有很大的损伤。

为获得单一组织以提高耐蚀性，必须进行固溶处理：把钢加热到 1050～1150 ℃，使碳化物全部溶解，然后水淬，避免碳化物析出，在室温下得到单相奥氏体组织。

奥氏体型不锈钢在450～850℃的加热和焊接时，晶界处会析出Cr23C6化合物，使晶界处贫铬，产生晶间腐蚀。

加入Ti元素可形成稳定而弥散TiC 化合物，抑制铬碳化合物的产生和晶间腐蚀。

1Cr18Ni9Ti由于耐腐蚀性高，所以要观察其组织就要用腐蚀性极强的浸蚀剂：王水溶液，其显微组织是单一的奥氏体，晶粒内有明显的孪晶。

1Cr18Ni9Ti
2 ．铸铁（Wc大于2.11的铁碳合金）
铸铁石墨化因铸铁成分及冷却速度不同得到不同组织：F+G、F+P+G、P+G。

根据石墨的形态、大小和分布情况不同，铸铁分为：灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁。

•灰口铸铁
石墨呈黑灰色条片状分布在铁素体——珠光体基体上。

由于存在大量的片状石墨降低了力学性能。

解决的办法是进行变质处理：在浇铸前加入变质剂，细化石墨片。

•可锻铸铁
石墨呈灰黑色团絮状分布在亮白色的铁素体基体上。

团絮状石墨大大减轻了石墨对基体金属的割裂作用，因而强度高，有一定的韧性、塑性。

•球墨铸铁石墨呈球状。

铁素体——珠光体球墨铸铁的显微组织中，暗黑色基体为珠光体，石墨周围的亮白色基体是铁素体，石墨呈牛眼状分布其上。

球状石墨对基体的割裂影响最小，因而具有很高的强度、良好的韧性、塑性和切削加工性，可焊性也较好。

灰口铸铁可锻铸铁
球墨铸铁
3．有色金属
•铝合金
应用最广泛的铸造铝合金常称为硅铝明，典型的牌号为 ZL102，含硅11%～13%，其成份在共晶点附近，具有优良的铸造性能。

但铸造后得到的组织是由粗大针状硅晶体和α固溶体（亮白色）所组成的共晶体以及初细小的初晶硅构成，这种粗大的针状硅晶体严重降低合金的塑性和韧性。

为了提高硅铝明的力学性能，通常需要对其进行变质处理，即在浇注前向820～850℃合金溶液中加入占合金重量2～3%的变质剂（常用2/3NaF+1/3NaCl）。

变质处理后的组织由初生α固溶体枝晶(白亮)及细的共晶体（黑色）组成，由于共晶中的硅呈细小的圆形颗粒，因而合金的强度和塑性显著提高。

硅铝明ZL102（未变质）硅铝明ZL102（变质后）
•铝合金
应用最广泛的铸造铝合金常称为硅铝明，典型的牌号为 ZL102，含硅11%～13%，其成份在共晶点附近，具有优良的铸造性能。

但铸造后得到的组织是由粗大针状硅晶体和α固溶体（亮白色）所组成的共晶体以及初细小的初晶硅构成，这种粗大的针状硅晶体严重降低合金的塑性和韧性。

为了提高硅铝明的力学性能，通常需要对其进行变质处理，即在浇注前向820～850℃合金溶液中加入占合金重量2～3%的变质剂（常用2/3NaF+1/3NaCl）。

变质处理后的组织由初生α固溶体枝晶(白亮)及细的共晶体（黑色）组成，由于共晶中的硅呈细小的圆形颗粒，因而合金的强度和塑性显著提高。

单相黄铜（H90）双相黄铜（H62）
•铜合金
常用的铜合金是黄铜（铜锌合金）和青铜（铜锡合金）。

由铜锌相图可知，wZn <39%的黄铜组织为单相α固溶体，这种黄铜称为α黄铜或单相黄铜。

常用的代号有H90、H70等，其中H70由于强度高，塑性特别好，又有弹壳黄铜之称。

单相黄铜H90经变形及退火后，其α晶粒呈多边形，并有大量退火孪晶。

WZn在39%～45%的黄铜具有（α和β'）两相组织，称为双相黄铜。

双相黄铜H62地显微组织中，α相呈亮白色，β'相为黑色，是以CuZn化合物为基的有序固溶体，在456～468℃由β转变而成性能硬而脆。

•滑动轴承合金
作为滑动轴承合金，既需要有很好的耐磨性又要有足够的塑性和韧性以承受冲击和振动，所以要求轴承合金的组织应是软基体分布着硬质点（或是硬基体分布着软质点）。

锡基和铅基滑动轴承合金（巴氏合金）是工业上应用最多的轴承合金。

是以元素Sn为基础，加入少量锑和铜组成的合金（W Sb =11%，W Cu =6%），是一种软基体硬质点类型的轴承合金。

其显微组织中暗黑色的为软基体α相，是Sb在Sn中的固溶体；白色块状为硬质点β'相，是以SbSn为基的有序固溶体；由于β'相比α相体积质量小，结晶时容易上浮，造成体积质量偏析，所以加入铜的作用就是形成熔点较高的Cu Sn化合物，并在结晶时首先析出，在液体中形成树枝状骨架，防止随后结晶的β'相上浮，减小体积质量偏析。

组织中亮白色针状及星形就是Cu3Sn或Cu6Sn5化合物η相，也其硬质点作用。

锡基轴承合金
•问答题
根据观察，综合分析各类合金的显微组织特征及组织对性能的影响。