铸铁与有色金属的显微组织分析.doc

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一、实验目的
1. 观察和分析各种灰口铸铁的显微组织。
2. 熟悉常用的铝合金、铜合金及轴承合金的显微组织。
二、实验内容
观察分析下列金相组织。
表 3—1
编号
样 品 名 称
处 理 状 态
腐 蚀 剂
金 相 组 织
1
灰口铸铁（P基）
铸 造
4%硝酸酒精
P+片状石墨
2
可锻铸铁（F基）
可锻化退火
4%硝酸酒精
F+团絮石墨
3
球墨铸铁（F+P）基
锻 造
4%硝酸酒精
牛眼睛
4
球墨铸铁
等 温 淬 火
4%硝酸酒精
M+B下+A′ +球状石墨
5
硅铝明（ZL102）
铸 造 未 变 质
0.5HF水溶液
（Si粗针+α基体）共晶
6
硅铝明（ZL102）
铸 造 变 质
0.5HF水溶液
α枝晶+（Si细 +α）
7
硬铝（ZY12）
淬火自然时效
混合酸水溶液
HNO3·HCl·HF
单相α固溶体
8
单相黄铜（H70）
冷加工退火
3%FeCl3+10%HCl水溶液
单相α（孪晶）
9
两相黄铜（H63）
铸 造 退 火
3%FeCl3+10%HCl水溶液
α+β′
10
锡青铜（QSn10）
铸 造
3%FeCl3+10%HCl水溶液
α枝晶+（α＋δ）共析体
11
锡基巴比合金
ZChSnSb11—6
铸 造
4%硝酸酒精
α（黑基体）+β′（白方块）+Cu3Sn白星状
12
铅基巴比合金
ZChPbSb16—16—2
铸 造
4%硝酸酒精
（α+β）基+白方块
SnSb+Cu2Sn针状
三、实验内容讨论
（一）灰口铸铁的组织分析：
1. 普通灰口铸铁：
灰口铸铁显微组织与白口铸铁的显微组织不同，白口铸铁中的碳全部以化合物渗碳体的形式存在，在组织中有共晶莱氏体，其断口白亮。性质硬而脆，故工业上很少应用，主要作炼钢原料。普通灰口铸铁中碳全部或部分以自由碳—片状石墨形式存在，断口呈现灰色。其显微组织根据石墨化程度的不同为铁素体或珠光体或铁素体+珠光体基体上分布片状石墨。由于片状石墨无反光能力，故试样未经腐蚀即可看出呈灰黑色。石墨性脆，在磨制时容易脱落，此时在显微镜下只能见到空洞。为了研究石墨的形状和分布，一般均先观察未经腐蚀的试片。灰口铸铁的基体在未经腐蚀的试片上呈白亮色，经过硝酸酒精腐蚀后和碳钢一样。在铁素体基体的灰口铸铁中看到晶界清晰的等轴铁素体晶粒。在珠光体基体的灰口铸铁中，珠光体片的大小随冷却速度而异。
由于石墨的强度和塑性几乎等于零，这样可以把铸铁看成是布满裂纹和空洞的钢，因此铸铁的抗拉强度与塑性远比钢低。且石墨数量越多，尺寸越大，石墨对基体的削弱作用也愈大。
在铸铁中由于含磷较高，在实际铸造条件下磷常以Fe3P的形式与铁素体和Fe3C形成硬而脆的磷共晶。因此在灰铸铁的显微组织中，除基体和石墨外，还可以见到具有菱角状沿奥氏体晶界连续或不连续分布的磷共晶（又叫斯氏体）。磷共晶主要有三种类型，即二元磷共晶（在Fe3P的基体上分布着粒状的奥氏体分解产物—铁素体或珠光体）、三元磷共晶（在Fe3P的基体上分布着呈规则排列的奥氏体分解产物的颗粒及细针状的渗碳体）和复合磷共晶（二元或三元磷共晶基体上嵌有条块状渗碳体）。用硝酸酒精或苦味酸腐蚀时Fe3P不受腐蚀，呈白亮色，铁素体光泽较暗，在磷共晶周围通常总是珠光体。由于磷共晶硬度很高，故当二元或三元磷共晶以少量均匀孤立分布时，有利于提高耐磨性，而并不影响强度。磷共晶如形成连续网状，则会使铸铁强度和韧性显著降低。
2. 可锻铸铁：
可锻铸铁又叫马铁或展性铸铁，它是由白口铸铁经退火处理而得到的一种铸铁，其中石墨呈团絮状，因而大大减弱了对基体的割裂作用，与普通灰铸铁相比，具有较高的机械性能，尤其具有较高的塑性和韧性。根据基体不同，可锻铸铁可分铁素体可锻铸铁及珠光体可锻铸铁。

（a）铁素体基体可锻铸铁（100X） （b）珠光体基体可锻铸铁（320X）
浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液 浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液
图3—1 可锻铸铁的显微组织
3、球墨铸铁：

（a）铁素体基体球墨铸铁（100X） （b铁素体+珠光体基体球墨铸铁（320X）
浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液 浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液
它是用镁、钙及稀土元素（铈族元素）球化剂进行球化处理，使石墨变为球状。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%（灰铸铁只达到30%左右），因而其机械性能远远优于普通灰铸铁和可锻铸铁。球墨铸铁的基体也有铁素体、珠光体和铁素体+珠光体三种，在后一种基体中球状石墨的周围总是铁素体，其外层才是珠光体，有如牛眼形状。这是由于共晶转变中形成的石墨是优良的石墨化中心，所以铁素体总是包围着石墨球。目前应用最广泛的是前面两种基体。
图3—2 球墨铸铁的显微组织
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。球墨铸铁正火的目的主要是为了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。
（二）有色金属组织分析：
1. 铝合金：
（1）铸造铝合金：应用最广泛的铸造铝合金为含有大量硅的铝合金，即所谓硅铝明。典型的硅铝明牌号为ZL102。含硅11~13%，成分在共晶成分附近，因而具有优良的铸造性能——流动性好，铸件致密，不容易产生铸造裂纹。铸造后几乎全部得到共晶组织即灰色的粗大针状的共晶硅分布在发亮的铝的α固溶体的基体上，这种粗大的针状硅晶体严重降低合金的塑性。
（a）未经变质处理（100X） （b）已变质处理（100X）
浸蚀剂：0.5%HF溶液 浸蚀剂：0.5%HF溶液
图3—3 铸造铝合金（ZL102）的显微组织
为提高硅铝明的力学性能，通常进行变质处理，即在浇注前向合金溶液中加入占合金重量2~3%的变质剂（常用2/3NaF+1/3NaCl）。处理后使共晶点从11.6Si右移，故使原来的合金变为了亚共晶组织，其组织为初生α固溶体枝晶（亮底）及细的共晶体（α+Si）（ 黑底），由于共晶中的硅呈细小圆形颗粒，因而使合金的强度与塑性提高。
(2) 形变铝合金：硬铝Al—Cu—Mg系时效合金，是重要的形变铝合金。由于它的强度大和硬度高，故称为硬铝。在国外又称为杜拉铝。近代机器制造和飞机制造业中得到广泛应用。在合金中形成了CuAl2（θ相）和CuMgAl2（S相）。这两个相在加热时均能溶入合金的固溶体内，并在随后的时效热处理过程中通过形成“富集区”、“过渡相”而使合金达到强化。而后者（S相）在合金强化过程中的作用更大，因之，常把它称为强化相。
硬铝的自然时效组织与淬火组织毫无区别。由不同方位的固溶体晶粒组成（在光学显微镜下G、P区是无法辨认的），只能通过X—光线结构分析及电子衍射来证实。
2. 黄铜：
α单相黄铜：含锌在36%以下的黄铜属单相α固溶体，典型牌号有H70（即三七黄铜）。铸态组织：α固溶体呈树枝状（用氯化铁溶液腐蚀后，枝晶主轴富铜，呈亮色，而枝间富锌呈暗色），经变形和再结晶退火其组织为多边形晶粒，有退火变晶。由于各种晶粒方位不同，所以具有不同的颜色。退火处理后的α黄铜能承受极大的塑性变形，可以进行冷加工。
α+β两相黄铜：含锌为36—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，因而只能承受微量的冷态变形，但β′相在600℃以上即迅速软化，因此可以进行热加工。

图3—4 单相黄铜 图3—5 α+β两相黄铜
H70的显微组织（100X） H62的显微组织（100X）
浸蚀剂：3%FC2+10%HC溶液 浸蚀剂：3%FC2+10%HC溶液
用3%FeCl3+10%HCl水溶液腐蚀时，β′相呈暗黑色，α相为白亮色。
3. 锡青铜：
铜与锡所组成的合金称为锡青铜，工业上大部分用于铸造。常用的锡青铜含锡量为3~4%，从Cu—Sn相图可知，铜锡合金结晶温度很宽，故易于产生偏析，且锡在铜中扩散困难。因此锡青铜的实际组织与平衡状态相差很大。例如常用的QSn10，含10%Sn（应为单相α固溶体组织）由于铸造时冷却较快，锡扩散困难，产生严重树枝偏析，最后凝固的树枝间含锡量高，形成了（α+δ）共析体。所以铸态下的组织为树枝状α固溶体及（α+δ）共析体。
用3%FeCl3+10%HCl水溶液腐蚀时，亮白色树干为树枝间隙处富铜的α固溶体，外围较里部分为含锡较高的α固溶体，树枝间隙处白亮部分（其中有很细小的点）是（α+δ）共析体。
4. 巴比合金：以锡、铅等为基的抗磨轴承合金称为巴比合金。此合金为易熔轴承合金，通常直接浇注于轴承上，分锡基、铅基轴承合金。

图3—6 ZChSnSb11—6轴承合金
的显微组织
浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液

图3—7 ZChPbSn16—16—2的
显微组织
浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液
锡基巴比合金：主要有ZChSnSb11—6，含11%Sb，6%Cu。合金含11%Sb可以形成软的α固溶体（锑在锡中的α固溶体）基体及少量镶嵌在基体上的β′（以合物SnSb为基的β′固溶体）两相组织，铜加入可形成Cu3Sn，避免比重偏析产生。黑色基体α（软基）和具有方形和三角形的白色粗晶为β′固溶体（硬质点），白色针状和星状的是化合物Cu3Sn晶体，也是硬质夹杂。这种轴承合金摩擦系数小，硬度适中，疲劳抗力高，是一种优良的轴承合金。但价格较贵，只用于最重要的轴承上。

铅基巴比合金：ZChPbSn16—16—2是最
常用的铅基轴承合金，属于过共晶合金，其
组织：白色方块为初生相β相（SnSb），花纹
状软基体是α（Pb）+β共晶体。白色针状晶
体是化合物Cu2Sb。化合物Cu2Sb，SnSb是合
金中的硬质点。这种轴承合金含锡量少，成本
较低，铸造性能及耐磨性较好。一般用于中、
低载荷的轴瓦。
四. 实验要求
1. 实验材料及设备
(1) 金相显微镜
(2) 铸铁、有色金属金相样品
(3) 相应金相图册
2. 实验步骤
(1) 观察几种铸铁中石墨的形状，基体的特征。分析其组织的形成。
(2) 比较黄铜（单相、两相黄铜）及锡青铜的显微组织的特征。
(3) 比较变质处理与未变质处理的硅铝明的显微组织。
(4) 比较锡基及铅基轴承合金的组织的特征。
(5) 将所观察到的金相组织，用示意图画出。
五. 实验报告要求
(1) 明确本次实验目的.
(2) 根据所观察、综合分析各类合金的显微组织特征以及组织对性能的影响。

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