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实验七常见固态相变组织观察（PhaseTransformationofSolids）实验学时：2实验类型：综合前修课程名称：《材料科学导论》适用专业：材料科学与工程一、实验目的⒈正确识别不同固态相变产生的组织的形貌，掌握其特点。⒉了解马氏体相变的可逆性。二、概述固态物质内部发生的组织结构变化称为固态相变。固态相变包括材料中相成分的变化、结构的变化和有序度的变化，固态相变是材料热处理的基础。热处理是利用材料在加热和冷却过程中发生的相变，改变内部的组织与结构，改善材料的性能，充分发挥材料的潜力。共析转变、贝氏体转变、马氏体转变的组织形貌可以在光学显微镜下获得。到目前为止，钢仍然是应用最多的工程材料。为了使钢获得所需要的组织性能，充分发挥钢材的潜力，必须经过热处理。而大多数热处理工艺都要首先将钢加热到临界点温度以上形成奥氏体，然后再以一定的方式进行冷却。冷却的过程中，过冷奥氏体在不同的温度区间会发生不同的转变。对于共析钢，在A1~500℃区间发生珠光体转变（共析转变）；在550℃~Ms点区间发生贝氏体转变；在Ms点以下将发生马氏体转变。本次实验，以碳钢、低合金钢为例，介绍一些常见的固态相变的组织形貌。珠光体是铁素体（α）和渗碳体（Fe3C）的两相混合物。常见的珠光体形貌有两种：片状和粒状。图（7-1）是亚共析钢45钢的室温退火组织，由珠光体+先共析铁素体组成。图片中颜色暗黑的是珠光体区域。图（7-3）是过共析钢T12的球化处理组织，由粒状珠光体+颗粒状二次渗碳体组成，可以对应比较图（7-4）T12钢的室温退火组织，是由层片状珠光体+网状二次渗碳体组成。（7-1）45钢830度退火（7-2）65钢退火（7-3）T12钢球化（7-4）T12钢退火非共析钢过冷奥氏体转变时，由于存在先共析转变，根据实际条件的影响，在组织形态上会获得魏氏组织。图（7-6）、（7-7）分别是20Cr、45钢的过热空冷后的室温组织，先共析铁素体呈现平行排列的“梳状”形貌，称为魏氏组织。图（7-7）是T12钢的过热空冷组织，退火态下呈现网状的二次渗碳体现在呈现细长针状，成一定角度交错分布。（7-5）20Cr钢1100度空冷（7-6）45钢1100度空冷（7-7）T12钢-970℃风冷（7-8）65钢-860℃空冷（放置于铁板上）由于冷却条件的改变，一些转变被抑制。图（7-8）中的图片，是65钢的空冷组织，其先共析铁素体几乎消失迨尽，基本上是珠光体组织组成。这是发生了伪共析转变的结果。此时的珠光体的成分已经不再是0.77%C，而是低于0.77%C。可以对比图（7-2），65钢室温退火组织分析。实际上，在图（7-5）、（7-6）中的珠光体，由于先共析组织的数量被抑制，伪共析转变的发生，其成分也低于0.77%C。而图（7-7）中珠光体的情况恰好相反。贝氏体是由过饱和铁素体和渗碳体两相组成的混合物，钢中贝氏体组织最常见的基本形态是上贝氏体和下贝氏体。在光学显微镜下，上贝氏体呈羽毛状，对于共析钢其形成温度约在550℃~350℃之间；下贝氏体呈黑针状，对于共析钢，其形成温度在350~240℃之间。根据奥氏体的成分和转变温度的不同，还可以见到粒状贝氏体、无碳贝氏体、柱状贝氏体和反常贝氏体等形貌的贝氏体组织。下面的图（7-9）至（7-12），以65Mn为例介绍下贝氏体、上贝氏体的形貌及出现转变的温度情况。图（7-13）表明，45钢在进行淬火冷却过程中，当冷却速度不足时，在组织中也会出现上贝氏体组织形貌。（7-9）65Mn840度300度等温400秒（7-10）65Mn840度350度等温160秒（7-11）65Mn840度400度等温25秒（7-12）65Mn840度500度等温14秒（7-13）45钢830度油淬钢中马氏体的组织形态主要有两种类型，一种是板条状马氏体，一种是片状马氏体。板条状马氏体主要出现在低碳钢淬火的组织中，所以又称低碳马氏体；如图（7-14）。片状马氏体主要出现在高碳钢淬火组织中，又称高碳马氏体，如图（7-15）。典型的板条状马氏体的是由许多成群的平行马氏体板条组成的。由于板条马氏体中有高密度的位错，所以板条马氏体又称为位错马氏体。片状马氏体的形貌呈针片状或竹叶状。故又称针状马氏体或竹叶状马氏体。其立体形态是凸透镜片状，所以又称透镜马氏体。在一个原奥氏体晶粒中，首先形成一片贯穿整个晶粒的马氏体片，以后形成的马氏体片尺寸受到了限制，越是后形成的马氏体片越小。马氏体片之间互不平行。粗片状马氏体中常能见到有明显的中脊，由于片状马氏体中存在孪晶亚结构，所以又称片状马氏体位孪晶马氏体。（7-14）20钢980度盐水淬火（7-15）T13钢1100度水淬高碳钢淬火时，容易在马氏体组织中形成显微裂纹。这是由于马氏体的比体积大于奥氏体，并且含碳量越高差别越大；马氏体片形成的速度又很大，在马氏体形成时，马氏体片互相撞击或冲击奥氏体晶界而引起相当大的应力造成显微裂纹。为了避免粗大马氏体的出现，要严格控制高碳钢的淬火加热温度，避免出现粗大的奥氏体组织。对于某些可以随温度的升降而消长的马氏体称为热弹性马氏体。其基本理论、概念以课堂教师讲述为基础；结合课外阅读加深了解。其记忆效应通过实际样品的演示可以直观地了解。多型性转变即同素异构转变的金相组织，我们用工业纯铁来说明。工业纯铁在912℃以上时是面心立方结构，金相组织中可以见到含有孪晶结构的等轴晶粒，如图（7-16）；在912℃发生同素异构转变，912℃以下后，组织为体心立方结构，等轴晶粒中见不到孪晶形貌，如图（7-17）。在转变前后没有成分变化，是所有相变中最简单的一种。（7-16）工业纯铁高温金相（970℃）（7-17）工业纯铁室温退火组织最后，需要说明的一点是：上述许多组织形貌中的部分晶粒粗大的显微组织，仅仅是为了理论研究才会出现，在实际生产过程中属于疵病组织，应当采取相应的工艺技术避免出现。切记！三、实验材料和设备金相显微镜，相应的典型金相样品，记忆合金演示样品。四、实验内容和步骤⒈观察马氏体、贝氏体的典型样品。使用显微镜观察下列样品：序号材料热处理组织1.65Mn840℃加热500度等温14秒马氏体+屈氏体（网状分布，黑色，条、块状）2.65Mn840℃加热400度等温25秒马氏体+屈氏体+上贝氏体（黑色羽毛状）3.65Mn840℃加热350度等温160秒马氏体+上贝氏体+下贝氏体（黑色针状）4.65Mn840℃加热300度等温400秒马氏体+下贝氏体（黑色针状）5.45钢840℃加热，油冷马氏体+屈氏体+贝氏体6.45钢退火处理珠光体+铁素体7.45钢风冷，或放置于金属板上空冷魏氏组织8.20钢风冷，或放置于金属板上空冷魏氏组织9.20Cr（1100℃）过热淬火板条马氏体10.T12（1100℃）过热淬火片状马氏体+奥氏体（残余）11.65钢退火处理珠光体+铁素体12.65钢840℃加热，放置于铁板上空冷珠光体+铁素体（网状分布，极少量）13.T12钢970℃加热，出炉风冷珠光体+二次渗碳体（针状交错分布）14.T12钢退火处理珠光体+二次渗碳体（网状分布）15.T12钢球化处理珠光体（粒状）+二次渗碳体（颗粒状）16.工业纯铁高温金相（970℃）奥氏体晶粒（有孪晶）17.工业纯铁室温退火组织铁素体晶粒⒉观看形状记忆合金样品的记忆效应演示（根据情况增减部分）五、本次实验的总结记录⒈记录、分析典型固态相变的组织形貌魏氏组织（）片状马氏体上贝氏体下贝氏体工业纯铁的高温奥氏体金相组织工业纯铁的室温铁素体金相组织T12钢的球化组织⒉回答下列问题：⑴下贝氏体和片状马氏体的光学形貌有什么特点？如何区分它们？⑵结合课外阅读分析：什么成分的合金可能作为形状记忆合金？⑶T8（共析钢）中会有魏氏组织出现吗？⑷65钢通过空冷可以获得几乎全部的珠光体组织，此时的珠光体成分是多少？退火状态下的珠光体中的铁素体约占88.7%，那么，65钢空冷获得的全部珠光体中的铁素体大约占多少比例？