合金钢、铸铁、有色合金的显微组织观察实验指导书

实验九 合金钢、铸铁、有色合金的显微组织观察
实验项目名称：钢在热加工后常见的缺陷
实验项目性质：普通实验
所属课程名称：金属材料与热处理
实验计划学时：2

一、实验目的
1、观察和研究各种不同类型合金材料的显微组织特征。
2、了解这些合金材料的成分、显微组织对性能的影响。

二、实验内容和要求
合金钢的性能之所以比碳钢优越，主要是由于合金元素在钢中所起的作用，
它们的加入改变了钢的内部组织与结构，其相变温度也是很大变化的。
铸铁的组织（除白口铸铁外）可以认为是钢的基体上分布着不同形态、尺寸
和数量的石墨，其中石墨的形状及数量变化对性能起着重要作用，所以正确认识
和鉴别各类铸铁的金相组织对估计和评定铸铁的质量和性能有着重要意义。
有色金属和合金具有某些独特的优异性能，例如铝合金比重小而强度高；铜
及铜合金导电性极好，耐蚀性强；铅与锡合金具有良好的减摩性等，而这些性能
特点也无不与其内部组密切相关。
下面着重研究和分析各种不同类型合金材料的组织特点。
（一）合金钢
合金钢的显微组织比碳钢复杂，在合金钢中存在基本相有：合金铁素体、奥
氏体、碳化物（包括渗碳体、特殊碳化物）及金属间化合物等。其中合金铁素体
与合金渗碳体及大部分合金碳化物的组织特征与碳钢的铁素体和渗碳体无明显
区别，而金属间化合物的组织形态则随种类不同而各异，合金奥氏体在晶粒内常
常存在滑移线和孪晶特征。
（1）高速钢
高速钢是高合金工具钢，以具有良好的热硬性（或红硬性）著称。这里以典
型的W18Cr4V（简称18-4-1）钢为例加以分析研究。
W18Cr4V的化学成分为：0.7~0.8%C，17.5~19%W，3.8~4.4%Cr，1.0~1.4%V，
≤0.3%Mo。由于钢中存在大量的合金元素（大于20%）因此除了形成合金铁素
体与合金渗碳体外，还会形成各种合金碳化物（如Fe
4W2
C、VC等），这些组织

特点决定了高速钢具有优良的切削性能。
高速钢的热处理状态有铸态组织，退火组织、淬火及回火后的组织。金相显
微组织特征见表1。
（2）不锈钢
不锈钢在大气、海水有化学介质中上有良好的抗腐蚀能力。这里以
1Cr18Ni9Ti为例加以分析研究。
该钢的化学成分为：≤0.12%C，17~19%Cr，8~11%Ni，0.6~0.9%Ti。铬在
钢中的主要作用是产生钝化作用，提高电极电位而使钢的抗蚀性加强。镍的加入
在于扩大γ区及降低M
S
点，以保证室温下具有奥氏体组织。

1Cr18Ni9Ti钢的热处理方法是进行固溶处理（1050~1100℃水淬），经热处理
后的显微组织呈单一奥氏体晶粒，并有明显的孪晶。
（二）铸铁
根据石墨的形态、大小和分布情况不同，铸铁分为：灰口铸铁（石墨呈片条
状），可锻铸铁（石墨呈团絮状）和球墨铸铁（石墨呈圆球状）。
（1）灰口铸铁组织的特征是在钢的基体上分布着片状石墨。根据石墨化程
度及基体组织的不同，灰口铸铁可分为：铁素体灰口铸铁，铁素体-珠光体灰口
铸铁和珠光体灰口铸铁。
（2）可锻铸铁是由白口铸铁经石墨化退火处理而得，其中渗碳体发生分解
而形成团絮状石墨。按照基体组织不同，可锻铸铁分为铁素体可锻铸铁和珠光体
可锻铸铁两类。
（3）球墨铸铁。在球墨铸铁中组织中石墨呈圆球状。球状石墨的存在可使
铸铁内部的应力集中现象得到改善，同时减轻了以基体的割裂作用，从而充体发
挥了基体性能的潜力，使球墨铸铁获得很高的强度和一定的韧性。
（三）有色合金
（1）铝合金。在铸造铝合金中应用最广的是铝-硅系合金（含10~13%Si），
常称“硅铝明”。由Al-Si合金相图可知该成分在共晶点附近，所以组织中均有
由α固溶体和粗针状硅晶体组成的共晶体及少量呈多面体的初生硅晶体。这种粗
大针状硅晶体会使合金的塑性降低，为了改善合金的性能，通常采用“变质处理”，
经“变质处理”后，不仅组织细化，还可得到由枝晶状的α固溶体和细密共晶体
组成的亚共晶组织，这样提高了铝合金的强度和塑性。
（2）铜合金。工业上广泛使用的铜合金有铜锌合金（黄铜）、铜锡合金（锡
青铜）、铜铝合金（铝青铜）以及铜铍合金（铍青铜）、铜镍合金（白铜）等。这
里以黄铜为例加以分析研究。
常用的黄铜含锌量均在45%以下。由Cu-Zn合金相图可知，含锌少于39%
的黄铜均呈α黄铜（或单相黄铜）。
含锌量39~45%的黄铜呈α+β两相组织，称为（α+β）黄铜（或两相黄铜）。
其中α相呈亮白色，β相呈暗黑色。
（3）轴承合金。轴承合金又称巴氏合金，通常用来制造滑动轴随的轴瓦及
其内衬。轴瓦材料应同时兼有硬和软两种性质，因此轴随合金理想的组织应该是
由软硬不同的相组成的混合物。最常见的锡基轴承合金为ZChSn11-6，该合金的
成分中除基本元素Sn外，还含有11%Sb及6%Cu。
三、实验主要仪器设备和材料
（1） 金相显微镜；
（2） 金相图谱及金相放大照片；
（3）各类合金材料的金相显微试样。
四、实验方法、步骤及结果测试
（1） 各小组分别领取各种不同类型的合金材料试样。
（2） 在显微镜下进行观察，并分析其组织形态特征。
（3）注意事项
1）对各类成分的合金可采有对比方法进行分析研究，着重区别各自的组织
形态特点。
2）结合相图分析各类合金应该具备的显微组织。
五、实验报告要求

（1）实验报告要求内容包括实验目的，实验内容和要求、实验主要仪器设备
和材料、实验方法、步骤及结果测试。
（2）观察并绘出示意图，并列出详细说明。
六、思考题
根据观察，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。

表4.1 实验用试样
材料 编号 名称 热处理状态 金相显微组织特征 浸蚀剂

合 金 钢 1 高速钢（W18Cr4V） 淬火 马氏体+残余奥氏体+碳化物（颗粒状） 4%硝酸酒精溶液
2 高速钢（W18Cr4V） 淬火+三次回火 回火马氏体（暗黑色基体）+碳化物（白色粒状） 4%硝酸酒精
溶液
3 不锈钢
（1Cr18Ni9Ti）
水淬 奥氏体（具有孪晶） 王水溶液

铸
铁

6 P基体灰口铸铁 铸态 珠光体+条片状石墨 4%硝酸酒精
溶液
8 F基体可锻铸铁 退火 铁素体（亮白色晶粒）+团絮状石墨 4%硝酸酒精
溶液
11 F+P基体球墨铸铁 铸态 珠光体（暗黑色）+铁素体（亮白色）+球状石墨 4%硝酸酒精
溶液
12 铝合金（未变质） 铸态 初晶硅（针状）+(α+Si)共晶体（亮白色基体） 0.5%HF水溶
液
有 色 合 金 13 铝合金（已变质） 铸态 α（枝晶状）+共晶体（细密基体） 0.5%HF水溶液
Al-Cu合金 铸态 块状初晶+共晶 混合酸
14 α黄铜 退火 α固溶体（具有孪晶） 3%FeCl3、
10%HCl溶液
15 α+β黄铜 铸态 α（亮白色）+β（暗黑色） 3%FeCl3、
10%HCl溶液
QSn锡青铜 铸态 α+ε（树枝状） 3%FeCl3、
10%HCl溶液
16 锡基轴承合金 铸态 α（暗黑色）+β（白色块状）+Cu3Sn（针状、星形） 4%硝酸酒精
溶液