《金属材料学》实验指导书
金属材料专业适用
昆明理工大学材料与冶金工程学院
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目录
实验一 合金钢显微组织观察及分析----------------------------------------------- 3 实验二 高速钢显微组织观察及分析----------------------------------------------- 6 实验三 合金钢热处理工艺探讨----------------------------------------------------- 8 实验四 铝硅合金熔铸及变质处理-------------------------------------------------- 10 实验五 常用有色合金组织观察及分析-------------------------------------------- 11
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实验一 合金钢显微组织观察及分析
一 、实验目的：
1、 几种典型合金钢的显微组织，并建立组织热处理及性能之间的关系。 2、 了解某些合金钢的显微组织及热处理工艺。 二、实验说明：
合金钢可按退火、按成分、按冶炼和按用途等方法分类，按用途将钢分为：合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢三类。
1、 合金结构钢按工艺条件分成渗碳钢、渗氮钢、调质钢和弹簧钢。 （1）、渗碳钢
含碳量＜0。25%，加入的合金元素主要是铬、镍、锰、钼、钒、钛、硼等。钢种主要有20Cr、20MnVB、20Mn2TIB、20CrMnTi、20CrNi3A、20CrNi4A、等，其中以20CrMnTi钢应用最广。
20CrMnTi钢热处理工艺：920—940℃渗碳降温至860℃淬火（油冷），或860℃碳氮共渗降温至830℃油淬，160℃低温退火。
金相组织：表面为高碳针状马氏体、残余奥氏体和碳化物，心部为低碳板条马氏体，过度区为混合型马氏体。
性能和用途：表面有高的耐磨性和硬度，而心部具有高的强韧性，广泛用于汽车及拖拉机的齿轮。 （2）、渗氮钢
典型的渗氮钢是38CrMoAi，渗氮前在930℃—950℃下加热淬火，650℃高温回火，然后500—540℃渗氮。
金相组织：表面白亮层为?和?+γ`相，过度层为氮化索氏体及脉络状氮化物，中心为回火索氏体。
性能及用途：经过氮化处理后表层获得较高的硬度，耐磨性和疲劳极限。用于表面要求高耐磨性和尺寸精度要求高的镗床主轴、磨床主轴等零件。 （3）、调质钢
含碳量在0.30—0.50%范围，常用合金钢有40Cr、40Mn2，35CrMo，40CrMnMo，40CrNiMo等钢以40Cr应用广泛。
热处理工艺：40Cr通常采用830—860℃加热油淬，500—600℃高温回火，既调质处理。用40Cr钢制造的齿轮，为提高表面耐磨性，正火之后采用高频表面淬火150—180℃低温回火。如是锻件要经900℃正火处理。
金相组织：40Cr锻件正火组织为铁素体及珠光体，调质之后组织为回火索氏体，高频表面淬火加低温回火，表面组织为回火马氏体，心部为回火索氏体。
性能及用途：调质之后得到优良的综合机械性能，40Cr钢在机械工业中应用广泛，主要用作传动轴及小型齿轮。 （4）弹簧钢：
合金弹簧钢的含碳量在0.40—0.74％范围,加入硅、锰、铬、钼、钒等元素。硅固溶于α—Fe中，显著提高钢的弹性极限，但含硅较高的钢有表面脱碳和石墨化倾向。常用的弹簧钢油55Si2Mn、60Si2Mn、50CrV等。
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金相组织：回火索氏体。
性能及用途；具有高的弹性极限和屈强比，用于板弹簧及卷弹簧。 2、 合金工具钢 按用途分为： 刃具钢（低合金工具钢和高合金工具钢）。 模具钢（冷变形和热变形模具钢）。 量具钢。
本实验只涉及低合金工具钢，高速钢在下一实验再作。
低合金工具钢含碳量一般在共析成分以上，加入的合金元素有铬、钨、钼、锰、硅、钒等。我国常用的钢种有Cr2、GCr9、GCr15、9CrSi、9Mn2V、CrMn、CrWMn等。
热处理工艺：低合金工具钢淬火前匀经过球化退火处理。9Mn2V钢，加热到750—770℃、9CrSi和GCr15钢加热到790—810℃保温之后缓冷（冷速＜30／h）冷至550℃出炉之后空冷.淬火温度9Mn2V为780—820℃,GCr15为830—850℃,9CrSi为840—860℃淬火之后匀进行160—180℃低温回火。
显微组织：回火马氏体＋碳化物＋残余奥氏体。
性能及用途：具有高的硬度，高的耐磨性，9CrSi钢用来制造丝锥及板牙，9Mn2V钢用来制造冷作模具，GCr15钢主要用来制造轴承。 3、特殊性能钢：
按钢的性能分为；不锈耐酸钢、耐热钢、硅钢及磁钢，耐磨钢。
（1）奥氏体不锈钢是目前工业应用最广泛的不锈钢、它以铬镍为主要元素，铬在钢中主要产生钝化作用，提高材料的电极电位使钢的抗蚀性加强，镍的加入用于扩大γ相区及降低Ms点，以保证室温下得到单一的奥氏体组织。典型钢号1Cr18Ni9和1Cr18Ni9Ti。
热处理工艺：1Cr18Ni9钢采用固溶处理、即加热到1050—1100℃、使Cr23C6完全溶入奥氏体、然后水冷，防止Cr23C6在晶界析出。1Cr18Ni9Ti采用850—870℃保温6小时的稳定化处理。
金相组织：1Cr18Ni9固溶处理组织为单相奥氏体，1Cr18Ni9Ti稳定化处理组织为奥氏体+碳化物，但当铁素体形成元素铬和钛含量较高，奥氏体形成元素镍含量较低时会出现部分δ铁素体，影响加工性能。
（2）马氏体不锈钢除含有较高的铬外，还含有较高的碳。
常用的钢号有0Cr13—4Cr13、9Cr18、1Cr17Ni2等。0Cr13—2Cr13钢属于亚共析成分，作耐蚀和耐热结构零件，如气轮机叶片。3Cr13—4Cr13钢属于过共析成分，主要用于弹簧，量具及刃具、医疗器械等。
热处理工艺：1Cr13在1000—1050℃加热淬火，650—750℃高温回火。 4Cr13在950—1000℃加热淬火，（空冷或油冷）200—300℃回火。 金相组织：1Cr13为回火索氏体，4Cr13为回火马氏体+碳化物，Cr13钢退火组织为αFe+（Cr、Fe）23C6。 （3）、耐热钢分为：铁素体+珠光体，马氏体和奥氏体三类。 热处理工艺：4Cr9Si2为马氏体热强钢，用于工作温度低于700℃排气阀，该钢AC1约900℃，AC3为970℃，淬火温度1000—1100℃，760—780℃高温回火。 金相组织：回火索氏体。
（4）耐磨钢：含锰11—14％的高锰钢，在冲击和压缩载荷下产生强烈的加工硬化，具有高的耐磨性，但机加工困难，基于都是用于铸件，锻造成型后性质硬而脆，经1000—1100℃加热后水冷，可以获得均匀的奥氏体组织，具有强、韧及耐冲击的优良性质。
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实验用试样及组织
编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 钢号 18CrMnTi 18CrMnT 40Cr 40Cr 38CrMoAi 60Si2Mn 60Si2Mn 9CrSi 9CrSi 9CrSi 9CrSi 9CrSi GCr15 GCr15 GCr15 GCr15 处理情况 930℃碳氮共渗退火 碳氮共渗淬火 850℃加热淬火 调质 调质后560℃氮化 870℃淬火 870℃淬火+480℃回火 球化退火 860℃淬火 860℃+200℃回火 300℃等温+淬火 1000℃淬火 300℃等温+淬火 球化退火 850℃淬火 850℃+170℃回火 组织 过共析及共析+过度+基体 高碳马氏+混合马氏体+板条马氏 混合型马氏+残余奥氏体 回火索氏 （?+γ`）氮化物+脉络状组织+索氏体 混合马氏体+残余奥氏体 回火屈氏体 球化珠光体 细小针状马氏+碳化物 回火马氏+碳化物 回火马氏+下贝氏体 粗大马氏+残余奥氏体 回火马氏+下贝氏体 球化珠光体 细小针状马氏+碳化 回火马氏+碳化物 固溶处理 单相奥氏体 17 1Cr18Ni9Ti 三、实验任务与要求： 1、 仔细全面观察全套金相样品。
2、 描绘40Cr钢的淬火、淬火+低温回火、淬火+高温回火下的显微组织。 3、 描绘9CrSi钢在退火、淬火、淬火+低温回火、下的显微组织。 4、 描绘1Cr18Ni9Ti不锈钢固溶处理组织的特征，并分析原因。
要求显微组织图绘在直径30mm的圆内，并注明材料、状态、组织、放大倍数及浸蚀剂。
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