发布时间 : 星期六 文章金相组织分析(碳钢的非平衡组织及常用金属材料显微组织观察)更新完毕开始阅读
根据铸铁中石墨的形态、大小和分布情况不同，铸铁分为灰口铸铁（石墨呈片状）、可锻铸铁（石墨呈团絮状）和球墨铸铁（石墨呈球状）；
根据石墨化第三阶段发展程度不同，铸铁的基体可有三种，即珠光体、珠光体加铁素体、铁素体，而珠光体基体的铸铁强度最高。石墨的强度和塑性几乎为零，所以通常把铸铁看成是布满裂纹和空洞的钢。因而铸铁的强度和塑性比较低，并且石墨的数量愈多，尺寸愈大、分布愈不均匀，石墨对基体的割裂作用愈大，铸铁的性能也愈差。
① 灰口铸铁 根据基体组织的不同，灰口铸铁可分为：铁素体灰口铸铁，铁索体十珠光体灰口铸铁，珠光体灰口铸铁。图3-13所示，为铁素体灰口铸铁的显微组织，其中石墨呈灰色条片状分布在亮白色的铁素体基体上。图3-14所示，为铁素体十珠光体灰口铸铁的显微组织，其中除灰色条片状石墨外，暗黑色团块为珠光体，亮白色部分为铁素体。图3-15所示，为珠光体灰口铸铁的显微组织，其中石墨呈灰色条片状，基体为珠光体。
图3-13 铁素体十粗大石墨片图500× 3-14 铁素体十珠光体+粗大石墨片500×
图3-15 珠光体十粗片状石墨500× 图3-16 铁素体十球状石墨500×
图3-17铁素体+珠光体+球状石墨500× 图3-18珠光体+球状石墨500×
② 球墨铸铁 球墨铸铁是一种铸态下呈现球状石墨的铸铁。当向铸态中加入球化剂（纯镁、稀土镁等合金）和孕育剂（硅铁或硅钙合金），则可改变铸铁的共晶特性。一般灰铁在共晶转变时，液相既与奥氏体又与石墨接触，所以石墨呈片状生成。加镁铸铁在共晶转变时，它只与奥氏体接触，在石墨周围形成奥氏体外壳，当铸件凝固后碳是通过周围的奥氏体外壳向石墨堆集，使石墨均匀生长成球状。由于石墨
呈球状对基体的削弱作用最小，使球墨铸铁的金属基体强度利用率高达70％～90％(灰口铸铁只达30％左右)，因而其机械性能远远优于普通灰口铸铁和可锻铸铁。图3-16所示，为铁素体基体球墨铸铁的显微组织，其中亮白色晶粒为铁索体基体，灰色球状为石墨。图3-17所示，为铁素体十珠光体基体球墨铸铁显微组织，其中呈暗黑色块状为珠光体，分布在球状石墨周围的亮白色基体是铁素体。图3-18为珠光体基体的球墨铸铁-显微组织，其中呈暗黑色块状为珠光体，灰色球状为石墨。
如上所述，铸铁的基体既然是铁素体和珠光体所组成，很显然和钢一样可以通过热处理来改变基体组织，从而改善铸铁的机械性能，特别是球墨铸铁常常通过正火、调质和等温淬火来提高其机械性能。球铁正火的目的主要是增加基体中珠光体数量，从而提高球铁的强度和耐磨性。球铁调质处理后得到回火索氏体，从而有更高的综合机械性能。球铁经等温淬火后的组织为下贝氏体，部分马氏体和少量残余奥氏体。这种组织不仅具有较高的综合机械性能。而且具有很好的耐磨性，内应力也小。
③ 可缎铸铁 可锻铸又称展性铸铁，马铁、玛钢。是凝固为白口铸铁的生坯经过固态石墨化-高温退火处理，使共晶渗碳体分解而形成团絮状石墨的一种铸铁。团絮状石墨减弱了对基体的割裂作用，因而使可锻铸铁的力学性能比灰口铸铁有明显的提高，并具有良好的韧性，其耐磨性和减振性优于普通碳素钢，铸造性能略低于灰口铸铁，可锻铸铁实际上并不可锻，仅说明它具有一定的韧性和塑性，在使用中能承受一定的变形，适用于大量生产薄壁中小型铸件，如各种管接头、汽车后桥外壳、低压阀门等。白口铸铁中的渗碳体在退火过程中充分进行石墨化，析出团絮状石墨，基体为铁素体。如果一次渗碳体、二次渗碳体石墨化后，采用较快的冷却速度，使共析渗碳体来不及分解，冷却后得到以珠光体为基体的可锻铸铁可锻铸铁。图3-19所示为铁素体基体可锻铸铁的显微组织，其中石墨呈暗灰色团絮状，亮白色晶粒为基体。图3-20所示为珠光体可缎铸铁的显微组织，在珠光体基体上分布着黑色的团絮状石墨。
图3-19 铁索休基体十团絮状石墨500× 图3-20 珠光体+团絮状石墨500×
4. 有色金属及合金
① 铝合金 铝合金质轻、且由于密度小(2.65～2.9)，具有高的比强度，因铝是面心立方结构故具有很高的塑性，易于加工，可制成各种形材、板材抗腐蚀性能好导电性能仅次于铜。因而广泛用于机械工业特别是航空工业。
铸造铝合金中应用最广泛的是铸造铝合金，俗称硅铝明。典型的牌号有ZLl02，含硅10％～13％，由Al-Si合金相图可知，硅铝明合金成分在共晶点附近，组织为粗大针状的硅晶体和α固溶体组成的共晶体，以及少量呈多面体形的初生硅晶体，如图3-21所示。这种粗大的针状硅晶体严重降低合金的塑性。 为了提高硅铝明的力学性能，通常进行变质处理，即在浇注以前向合金熔体中加入占合金重量2％～3％的变质剂(常用2／3NaF＋1／3NaCl)。处理后使合金的共晶点从11.6％Si右移，得到亚共晶组织，其组织为初生α相固溶体枝晶(白亮)及细小的共晶体(α十Si)(黑底)。由于共晶中的硅呈细小点状颗粒，因而使合金的强度与塑性提高。如图3-22所示。
图3-21 灰色方块初生硅晶体十共晶体 图3-22 树枝状的初生α固溶体十共晶体 (针状Si晶体＋白色基体。α固溶体) （基体）450× 500×
② 铜合金 工业上广泛使用的铜合金是黄铜和青铜，黄铜是以锌为主要元素的Cu-Zn合金。 a. α单相黄铜 含锌在39％以下的黄铜属单相α固溶体，典型牌号为H70（即三七黄铜）。其塑性和耐腐蚀性尚好。其金相组织特征是：铸态α固溶体呈树枝状，铸态冷却较快时，α枝晶间可能出现β相(用氯化铁溶液腐蚀后，枝晶主轴富铜，呈亮白色，而枝间富锌呈暗色)，经变形和再结晶退火其组织为多边形α晶粒，有退火孪晶特征。由于各个晶粒方位不同，所以具有不同的颜色。退火处理后的。黄铜能承受极大的塑性变形，可以进行深冲变形。单相黄铜的显微组织如图3-23所示。
图3-23 α单相黄铜(其上有退火孪晶)500× 图3-24 α十β两相黄铜500×
b. α+β′两相黄铜 含锌量为39％～45％的黄铜为α+β′两相黄铜，典型牌号有H62(即四六黄铜)。在室温下β′相较α相硬得多，因而可用于承受较大载荷的零件。β′是CuZn为基的有序固溶体，在低温下较硬且脆，但在高温下转变成β相，具有较好的塑性，所以两相黄铜可在600℃以上进行热加工。α+β两相黄铜显微组织：白亮色为α相，暗黑色为β相。α相的形态及分布与合金的成分及冷却速度有关。快冷时α相呈拉长形态，有时呈针状，缓冷时则得均匀的α晶粒。细针状分布的α相较之粗针、块状、及网状分布的α相强度要高。如图3-24所示。
③ 轴承合金 轴承合金又称巴氏合金。巴氏合金是应用较多的轴承合金，常用来制造滑动轴承的轴瓦和内衬，轴瓦材料要求同时兼有硬和软的两种性能，因此轴承合金的组织往往是软、硬两相组成的混合物。例如，在软基体上分布着硬质点，铅基或铴基轴承合金就具有这种组织特点。铴基巴氏合金中，基本组元为Sn83％、Sbll％及Cu6％。其牌号为ZChSnSbll-6，它的显微组织如图3-25所示。其中暗黑色部分为软基体α相(Sb在Sn中形成的固溶体)；白色方块为硬质点β′(以SnSb为基的有序固溶体)；而白色枝状析出物为Cu3Sn或Cu6Sn5化合物(η相)，作为阻碍β′上浮，减少偏析的作用。如图3-25所示这种既硬又软的混合物，保证了轴承合金具有足够的强度与塑性的配合从而使轴承合金有良好的减摩性及抗振性。
图3-25 铸态ZChSnSbll-6 轴承合金 500×
5. 几种常用合金钢的显微组织
合金钢依合金元素含量的不同，可分为三种，合金元素总量<5％的称为低合金钢；合金元素为5％～10％的称为中合金钢，合金元素>10％的称为高合金钢。
一般合金结构钢、合金工具钢都是低合金钢。由于合金元素的加入，使铁碳相图发生一些变化，但其平衡状态的显微组织与碳钢没有本质的区别。低合金钢热处理后的显微组织与碳钢没有根本的不同，差别只在于合金元素加入后，使C曲线右移(除Co以外)，即以较低的冷却速度也可获得马氏体组织。合金钢种类繁多，本实验仅选择几种常用的典型钢号进行观察和分析。 ① 合金结构钢
a. 渗碳钢 当零件承受复杂的交变负荷的同时还承受着冲击、磨损时，仅用一种钢材单一的热处理是不能满足需要的，只有通过一定的化学热处理后，促使零件的表面层化学成份发生变化，从而获得高的疲劳强度、硬度、防腐蚀性、和耐磨性，同时心部能保持足够的强度和韧性。渗碳处理是最早和用途最广的表面化学热处理工艺，它是将碳元素渗入钢的表面，使零件表面含碳量增加，随后通过淬火使表层得到高的硬度（HRC60以上）的高碳马氏体，而心部得到硬度较低但具有良好强韧性的低碳马氏体组织。20Cr钢是典型的渗碳用钢，用于制造要求较高强度和韧性的零件。其退火组织为铁素体与珠光体，经表面渗碳后其组织见图3-26，心部铁素体+珠光体，中间为珠光体，表层为珠光体＋网状渗碳体。
心部 次心部