1、工 程 材 料实验指导书上海交通大学机械与动力工程学院基础与实验教学中心目 录实验一 铁碳相图平衡组织分析 .1一、 实验目的 .1二、 实验原理 .1三、 实验设备和材料 .3四、 实验内容和实验报告 .3实验二 碳钢热处理后显微组织观察 .4一、 实验目的 .4二、 实验原理 .4三、 实验设备和材料 .6四、 实验内容和实验报告 .61实验一 铁碳相图平衡组织分析一、 实验目的1、 观察和分析铁碳合金的平衡组织；2、 分析铁碳合金显微组织的形成过程。二、 实验原理图 1-1 铁碳平衡相图铁碳合金是目前应用最广泛的工程材料，铁碳合金的平衡组织是研究铁碳合金的性能及相变机理的基础，其相图如
2、1-1 所示。通常将缓冷（退火）后的铁碳合金组织看作为平衡组织，具体分类见表 1-1。表 11 铁碳合金的分类和组织分类 含碳量（ %） 平衡显微组织亚共析钢 0.020.77 铁素体+珠光体共析钢 0.77 珠光体碳钢 过共析钢 0.772.11 珠光体+渗碳体21、 铁碳合金的平衡组织铁碳合金在常温下只有两相，即铁素体和渗碳体，由于含碳量的不同，这两个基本相的相对量，形状和分布情况有很大的不同，因此呈现各种不同的组织形态。下面介绍一下各种显微组织的基本特征：（1）铁素体：是碳在 Fe 中的固溶体，碳的浓度是可变的，在 727时达到最大溶解度，为 0.0218%，在常温下，碳的浓度为 0.0
3、008%左右，铁素体的硬度很低，塑性好，经 4%硝酸酒精浸蚀后呈白亮色。含碳量较低时，铁素体呈块状分布，随含碳量增加，铁素体量减少，在接近共析成分时，铁素体呈网状分布在珠光体周围。（2）渗碳体：是碳与铁的一种化合物，化学式为 Fe3C，含碳量很高，达6.69%，坚硬而脆，抗浸蚀能力很强，经 4%硝酸酒精浸蚀后成白亮色。在过共晶白口铸铁中的一次渗碳体是从液态中直接结晶成的，故呈条状分布。在过共析钢和亚共晶白口铸铁中的二次渗碳体是从奥氏体中沿晶界析出的，所以呈网状分布在珠光体的周围。由于渗碳体硬度很高，所以在磨面上是突起的。铁素体和渗碳体经 4%硝酸酒精浸蚀后都呈白亮色，若用苦味酸纳溶液浸蚀，铁素
4、体仍为白色，渗碳体则被染成黑褐色，由此可区别铁素体和渗碳体。（3）珠光体：是铁素体和渗碳体的两相混合物。片状珠光体是经一般退火后得到的铁素体和渗碳体的片层交叠组织，经 4%硝酸酒精浸蚀后，这种组织在显微镜下由于放大倍数不同而有不同的特征，在600 倍以上观察时，可见珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体都呈白亮色，而边界呈黑色；在 400 倍左右观察时，由于显微镜鉴别率降低，白亮的细条渗碳体被黑色的边界所“吞没”而呈黑色，这时看到的珠光体是宽条白亮色铁素体和细条渗碳体相间；在 200 倍以下观察时，宽条白亮色的铁素体也难以区分了，这时的珠光体特征是暗黑色，低碳钢中的珠光体量很少，片间距细小，
5、即使在较高倍观察时也是暗黑色的。2、 各组织的机械性能为了掌握铁碳合金的机械性能，必须控制各种组织的相对量，已知铁素体软而塑性好，渗碳体硬而脆，珠光体是这两相的机械混合物，莱氏体则是渗碳体和珠光体的混合物。铁素体、渗碳体、和珠光体的机械性能如表 1-2。3表 1-2 铁素体、渗碳体、和珠光体的机械性能硬度（HB ） 抗拉强度（MPA）延伸率（%）铁素体 5090 190250 4050渗碳体 750880 30 0珠光体 190230 860900 9123、 碳钢中含碳量的计算在熟悉了碳钢中各种组织分布特征后，就可以借助于显微镜来估算碳钢中的含碳量。首先，估计在某一视场中各种组织所占有的面积
6、百分比，令：n：铁素体所占面积百分比K：珠光体所占面积百分比B：渗碳体所占面积百分比根据 FeFe 3C 相图，已知常温下铁素体中含碳量约为 0.0008%，珠光体含碳量约为 0.77%，渗碳体含碳量约为 6.69%，那么，根据杠杆定律，可以得到下列：对于亚共析钢，有： 107.8.%Kn对于过共析钢，有： 69BC上述计算，是假定各组织的比重是相等的，事实上它们的比重也是近似相等的。三、 实验设备和材料1、 碳钢试样（亚共析、共析、过共析）2、 金相显微镜四、 实验内容和实验报告1、 每人轮流在置有各种标准样品的显微镜下观察样品的形貌特征并绘图；2、 研究工业纯铁和 T12 钢的形貌特点，对
7、其余试样（试样 15）按照含碳量高低进行排序；3、 对某一碳钢试样，估计它各组织所占的面积百分比，估算出它的含碳量。4实验二 碳钢热处理后显微组织观察 一、 实验目的1、 观察碳钢经不同热处理后的显微组织2、 了解热处理对钢的组织和性能的影响规律3、 识别常用热处理组织的形态和特征二、 实验原理碳钢经退火、正火可得到平衡或接近平衡能的组织，经淬火得到的是不平衡组织，因此，研究热处理的组织时，不仅要参考铁碳相图，更重要的是参考 C 曲线，如下图 2-1 所示。5图 2-1 转变曲线碳钢随成分和热处理方式不同呈现出不同的组织形态。其基本组织特征如下：a) 珠光体以较慢的速度冷却得到珠光体组织。珠光
8、体是铁素体和渗碳体的机械混合物。当冷却速度更慢时得到的是更细密的片层。b) 贝氏体铁素体和珠光体的两相混合物。铁素体呈单个片状，片与片常常相交。在铁素体片内沉淀有碳化物粒子，但碳化物粒子在光学显微镜下分辨不清且易受浸蚀，显微镜下呈黑色针状。低碳钢连续冷却时得到粒状贝氏体：大的铁素体块内有一些孤立的小岛状组织。白块状的铁素体与岛状的组成物组成。c) 马氏体钢中马氏体的典型形态是板条马氏体和片状马氏体两种。低碳钢（低碳合金钢）淬火可得到板条状马氏体，高碳钢（高碳高合金）淬火可得到片状马氏体。6而中碳钢（中碳合金钢）往往得到两种马氏体的混合组织。d) 残余奥氏体当含碳量大于 0.5%时，马氏体转变不
9、完全，在室温下会有残余奥氏体。残余奥氏体不易受硝酸酒精溶液的浸蚀，在显微镜下呈白亮色，分布在马氏体之间，无固定形态。未经回火时，残余奥氏体与马氏体很难区分，都呈白亮色；只有在回火后马氏体变暗，残余奥氏体才能被辨认。e) 回火马氏体低温下回火得到的组织在显微镜下为黑针状；中温下回火得到的组织中，铁素体基体基本保持原马氏体的形态，渗碳体呈极细的颗粒状，光学显微镜很难辨认；高温回火后，可以看到呈等轴细晶粒状的铁素体基体上分布着已聚集长大的粒状渗碳体。表 2-1 不同钢种经各种热处理后的试样的金相组织热处理工艺序号 钢号 加热温度 （） 冷却方式 回火温度 （）浸蚀剂 显微组织1 Air coolin
10、g F+P2 Oil quench M+F+B3 Water quench M4800Water quench 600 Tempered M51045750 Water quench M+F6 750 Water quench 200 Tempered M+Fe3C7W1-1.2C1100 Water quench 200 Tempered M+Retained A8 W1-1.0C 750 Spherodite annealing4% nitric acid alcohol liquorSpherodite9 W1-0.8C 750300 isothermal Water quenchBainite +M+Retained A三、 实验设备和材料金相试样、金相显微镜四、 实验内容和实验报告71、 观察表 2-1 样品的显微组织；2、 绘出所观察样品的显微组织示意图；3、 比较马氏体和回火马氏体的组织性能差异。
