铸铁及非铁合金材料的显微组织分析

1  实验目的

1．观察铸铁及非铁合金材料的显微组织，画出部分典型金属材料的显微组织示意图，标出各组织组成物的名称。

2.分析铸铁及非铁合金材料的组织和性能之间的关系与应用。

2  实验内容   

1．铸铁的显微组织

铸铁的组织由钢的基体组织和石墨两部分组成，根据石墨的形态不同，可将铸铁分为灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和蠕墨铸铁四类。

灰铸铁：灰铸铁中石墨呈片状分布，对基体的割裂作用较大。如在铸铁浇注前往铁水中加入少量的孕育剂，可增加石墨的结晶核心，细化石墨片，获得珠光体加细小石墨片的孕育铸铁。常用的灰铸铁由于化学成分和冷却速度的不同，有铁素体灰铸铁、铁素体-珠光体灰铸铁和珠光体灰铸铁三种，其显微组织如图9-1所示。

a)铁素体灰铸铁   b)铁素体-珠光体灰铸铁   c)珠光体灰铸铁

图9-1 灰铸铁的显微组织

球墨铸铁：是将普通灰铸铁原料配料熔化成铁水后，经过球化处理和孕育处理而得到的灰口铸铁。在铁水中加入球化剂和孕育剂，浇注后石墨呈球状析出，因而大大削弱了石墨对基体的割裂作用，使铸铁的性能显著提高。球墨铸铁根据基体组织不同有铁素体球墨铸铁、铁素体-珠光体球墨铸铁和珠光体球墨铸铁三种，其显微组织如图9-2所示。

a)铁素体球墨铸铁   b) 铁素体-珠光体球墨铸铁   c) 珠光体球墨铸铁

图9-2  球墨铸铁的显微组织

可锻铸铁：又称展性铸铁，是由白口铸铁在固态下经长时间石墨化退火而得到的灰口铸铁，由于石墨呈团絮状，显著削弱了对基体的割裂作用，因而使可锻铸铁的力学性能比灰铸铁有明显提高。根据基体组织不同，常用的可锻铸铁有黑心(铁素体)可锻铸铁和珠光体可锻铸铁两种，其显微组织如图9-3所示。

a) 黑心可锻铸铁     b) 珠光体可锻铸铁

图9-3  可锻铸铁的显微组织

蠕墨铸铁：是具有蠕虫状石墨的灰口铸铁，石墨形状短而厚，头部较圆，形如蠕虫状。其显微组织如图9-4所示。

图9-4  蠕墨铸铁的显微组织

2．有色金属材料的显微组织

铝合金：分为形变铝合金和铸造铝合金两大类，其中铝硅合金是一种应用最广泛的铸造铝合金，常称硅铝明，典型牌号为ZAlSi12（ZL102），硅的质量分数为10%～13%。由于合金处于Al-Si合金相图共晶成分附近，故具有优良的铸造性能。但铸造后得到粗大针状的硅晶体和α固溶体所组成的共晶体(α+Si)，有时还有少量呈多面体状的初生硅晶体，如图9-5a)所示。由于粗大的硅晶体性极脆，因而严重地降低了合金的塑性和韧性，为了改善合金的力学性能，可进行变质处理。经变质处理，可使硅晶体显著细化，同时还可使相图晶点向右下方移动，使原合金成分变为亚共晶成分，所以变质处理后组织由初生的α固溶体和细密的(α+Si)共晶体组成，如图9-5b)所示。由于共晶体中的硅显著细化，加之组织类型的变化，使合金的性能显著提高。

a) 变质前     b）变质后

图9-5  ZL102合金的显微组织

铜合金：工业上常用的铜合金有黄铜和青铜两类，现以黄铜为例加以说明。锌的质量分数小于39%的黄铜，其室温下的平衡组织为单相α固溶体，故称为单相黄铜。这类黄铜退火后，其晶粒呈多边形，并有大量的退火变晶，其显微组织如图9-6所示。由于各晶粒间位向的差别，使其受浸蚀的程度不同，所以看到的晶粒颜色明暗不同。锌的质量分散为39%～45%的黄铜，在室温下的平衡组织为α+β两相，故称双相黄铜。其显微组织如图9-7所示，其中白亮色为α相，暗黑色为β相。

图9-6  单相黄铜的显微组织                   图9-7 双相黄铜的显微组织

轴承合金：轴承合金中，以锡基轴承合金与铅基轴承合金应用最广，其组织都是由软基体和硬质点组成的。锡基轴承合金是以Sn为基体元素，加入Sb、Cu等元素所组成的合金，其显微组织如图9-8所示。显微组织中，软基体是α固溶体，呈暗黑色，硬质点是白色方块状的β相和白色星状或针状的化合物Cu3Sn。铅基轴承合金是以Pb、Sb为基体元素，加入Sn、Cu等元素所组成的合金，其显微组织如图9-9所示。显微组织中，软基体为(α+β)共晶体；硬质点是白色方块状的β相和白色针状的化合物Cu2Sb。

图9-8锡基轴承合金的显微组织                 9-9铅基轴承合金的显微组织

3  实验设备及试样

1．金相显微镜

2．各类金属材料的金相试样若干：实验用各种材料的显微样品如表3-5所列。

表9-1 实验用各种材料的显微样品

4  实验任务及要求

1．观察各样品的显微组织，区别其组织特征，并分析其组织与力学性能之间的关系。

2．在金相显微镜下选择各试样显微组织中的典型区域，并根据其组织特征描绘出其显微组织示意图，记录所观察的各试样名称、显微组织、浸蚀剂、放大倍数及组织特征，并用引线标出各显微组织示意图中组织组成物的名称，具体格式如图9-10所示。

    材料名称                

    金相组织                

    处理方法                

    放大倍数                

浸 蚀 剂                           图9-10 显微组织记录格式

5  思考题

分析各种铸铁及有色合金材料的组织特点及其对性能的影响。