材料成型及控制工程（卓越）
综合实验
铸铁合金组织性能控制
实验报告
指导老师：
小组成员：
一、 实验目的
铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金，由工业生铁、废钢等钢铁及其合金材料经过高温熔融和铸造成型而得到。按照石墨在基体中的分类，通常包括，普通灰铸铁，可锻铸铁，球墨铸铁及蠕墨铸铁四种。球墨铸铁是20世纪五十年代发展起来的一种高强度铸铁材料，通过球化和孕育处理后，使石墨呈球状，有效地提高了铸铁的机械性能，特别是提高了塑性和韧性，从而得到比碳钢还高的强度。因其综合性能接近于钢，球墨铸铁已迅速发展为仅次于灰铸铁的、应用十分广泛的所谓“以铁代钢”的铸铁材料。用于铸造一些受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求较高的零件。
本次实验通过对铸铁合金的配料计算，熔炼，浇铸，取样磨制，成分分析，抛光，金相观察一整套综合试验流程，使同学们掌握对中频炉，直读光谱仪，金相显微镜的使用，对球墨铸铁合金组织的分辨观察能力。同时回顾在前期理论学习中的相关知识。
二、 实验内容
目标成分：球墨铸铁，CE=4.5%
对比试样：
A） 原始铁液，浇入铜模激冷
B） 球化（1.8%）、孕育（1.2%）处理后浇入石墨模具。
熔体处理温度1500°C，浇注温度1400°C
1、 选定成分
表1 铸铁熔炼原材料的成分
推荐成分配比：废钢12%
CE=C+0.3（Si+P）+0.4S-0.03Mn≈C+0.3（Si+P）
=0.85[4.46+0.3(0.83+0.039)]+0.12[0.25+0.3(0.8+0.8)]+0.012(0.3*74)+0.018（0.3*44）
=4.522
因此选用85%生铁，12%螺纹钢，1.2%孕育剂，1.8%球化剂
2、 称量
因为共需8kg铁水，所以生铁8*0.85≈6.895kg，螺纹钢8*0.12=0.98kg，球化剂8*0.018=0.14970kg，孕育剂8*0.012/3=0.0324kg和8*0.012*2/3=0.0649kg两份。
3、 熔炼与浇铸
将生铁与螺纹钢置于坩埚加热，完全融化后将坩埚从炉中取出，浇注铜模试块。剩余铁液倒入另一坩埚中，放回炉内保温。
将球化剂和三分之一份的孕育剂加入原坩埚，用石墨棒稍作搅拌。
将一底部有孔的坩埚置于原坩埚之上，并向其中倒入铁液。反应完成后加入剩余孕育剂，用一块石棉覆盖坩埚口以档渣。将此时的铁液用于浇注空冷石墨试块、埋砂石墨试块和热电偶测温样杯，测其样杯中合金溶液冷却曲线。
三、 设备及原理
1、 中频炉
中频炉是一种将工频50HZ三相工频交流电，整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的中频交变电流，用以在感应圈中产生高密度的磁力线，并切割感应圈里盛放的金属材料，在金属材料中产生很大的涡流，利用电磁感应加热金属。中频电炉利用中频（200-2500Hz）电源建立中频磁场，使铁磁材料内部产生感应涡流并发热，达到对材料熔炼保温的目的。主要用于熔炼碳钢，合金钢，特种钢，也可用于铜，铝等有色金属的熔炼和提温。设备体积小，重量轻，效率高，耗电少，熔化升温快，炉温易控制，生产效率高。
该设备的原理是：电源装置将三相工频50HZ交流电整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的中频电流（300HZ以上至1000HZ）。该中频交变电流从感应线圈里流过，并在感应圈中产生高密度的磁力线，切割感应圈里盛放的金属材料，产生很大的涡流，利用电磁感应加热。
2、 直读式光谱仪
光电直读光谱仪为发射光谱仪，主要通过测量样品被激发时发出代表各元素的特征光谱光（发射光谱）的强度而对样品进行定量分析的仪器。
目前无论国内还是国外的光电直读光谱仪，基本可按照功能分为4个模块，即：激发系统，光学系统，测控系统，计算机中的软件数据处理系统。其中激发系统的任务是通过各种方式使固态样品充分原子化，并放出各元素的发射光谱光。光学系统对激发系统产生出的复杂光信号进行处理（整理、分离、筛选、捕捉）。测控系统能够测量代表各元素的特征谱线强度，通过各种手段，将谱线的光强信号转化为电脑能够识别的数字电信号，并控制整个仪器正常运作。而计算机中的软件数据处理系统对电脑接收到的各通道的光强数据，进行各种算法运算，得到稳定，准确的样品含量。
同时直读光谱仪的许多的优点使其目前在各铸造厂，实验室广泛应用。如：
1、炉中取的样品只要打磨掉表面氧化皮，固体样品即可放在样品台上激发，免去了化学分析钻取试样的麻烦。对于铝及铜、锌等有色金属样品而言，可用小车床车去表面氧化皮即可。 2、从样品激发到计算机报出元素分析含量只需20-30秒钟，速度非常快，有利于缩短冶炼时间，降低成本。特别是对那些容易烧损的元素，更便于控制其最后的成份。 3、 样品中所有要分析的元素（几个甚至十几个）可以一次同时分析出来，对于牌号复杂的产品，要求分析元素愈多愈合算，经济效益好。4、分析精度非常高，可以有效控制产品的化学成份，保证它能符合国家标准的规格，甚至可将合金成份控制到规格的中下限，以节省中间合金或铁合金的消耗。5、分析数据可以从计算机打印出来或存入软盘中，作为永久性记录。
直读光谱仪在使用中，对样品及其制样有一定的要求。首先，在分析生铁和铸钢样品时，要求试样表面层碳都以碳化物的状态存在，不能有游离石墨，即铸铁的分析面必须是完全白口。因为当铸铁表面存在游离碳时(灰口铁)，就会影响分析结果，然而当碳硅含量较高时，白口化是非常困难的。为了达到白口的程度可以采取以下措施 ：①提高浇注试样的温度，可以增加铁水的过冷度，可避免和减少作为石墨核心的夹杂物从而提高白口化程度，浇注温度要求1400°以上。 ②提高浇注试样块的冷却速度，改善铸态试块的冷却条件，减少试块的厚度，增加试块的冷却面积，以提高冷却速度，促使铸铁形成白口化。铸态铁水的急冷，使得来不及或很少析出游离石墨。一般采取铜模浇注法最好。
光谱仪的原理：首先任何物质都是由元素组成的，而元素又都是由原子组成的，原子是由原子核和电子组成，每个电子都处在一定的能级上，具有一定的能量，在正常状态下，原子处在稳定状态，它的能量最低，这种状态称基态。当物质受到外界能量(电能和热能)的作用时，核外电子就跃迁到高能级，处于高能态(激发态)电子是不稳定的，激发态原子可存在的时间约10-8秒，它从高能态跃迁到基态，或较低能态时，把多余的能量以光的形式释放出来，原子能级跃迁图见图。
横坐标表示原子所处的能级；Eo为基态能级的能量，一般为零表示，释放出的能量ΔE与辐射出的光波长λ有如下关系。
ΔE=Eh-El=ch/λ
式中：ΔE 释放出的能量，
Eh 高能态的能量，
E1 低能态的能量， 图 能级跃迁
c 光速(3X10l0厘米/秒)
h 勃朗克常数
λ 辐射光的波长
图中纵坐标表示各能级所具有的能量，
因为每一种元素的基态是不相同的，激发态也是不一样的，所以发射的光子是不一致的，也就是波长不相同的。
依据波长入可以决定是那一种元素，这就是光谱的定性分析。另一方面谱线的强度是由发射该谱线的光子数目来决定的，光子数目多则强度大，反之则弱，而光子的数目又和处于基态的原子数目所决定，而基态原子数目又取决于某元素含量多少，这样，根据谱线强度就可以得到某元素的含量。
因此，在此次试验中，我们采用铜模浇筑的铸铁进行分析。将铜模浇铸的铁块，用砂轮打磨后，再用砂纸稍作修整，使表面平齐。将试块放在激发台上的样品夹上卡紧，放置事注意平整面向下并盖住激发口，点击开始后，越20-30秒就可从电脑端直接读取定量成分比。为保证测量准确，共选取三个点进行分析比对。之后直接可从电脑中将分析数据拷出。有关铸铁合金成分分析数据原件见附件。
3、 金相显微镜
金相显微镜系统是将传统的光学显微镜与计算机（数码相机）通过光电转换有机的结合在一起的显微镜系统。它不仅可以在目镜上作显微观察，还能在计算机（数码相机）显示屏幕上观察实时动态图像，并将所需要的图片进行编辑、保存和打印。
通常的电脑型金相显微镜包含，金相显微镜、适配镜、摄像器（CCD)、A/D（图像采集）计算机五大部分。它借助光学（金相）显微镜和体视显微镜等对材料显微组织、低倍组织和断口组织等进行分析研究和表征，其中包含材料显微组织的成像及其定性、定量表征。其主要反映和表征构成材料的相和组织组成物、晶粒（亦包括可能存在的亚晶）、非金属夹杂物乃至某些晶体缺陷（例如位错）的数量、形貌、大小、分布、取向、空间排布状态等。
在使用时，应根据观察试样所需的放大倍数要求，正确选配物镜和目镜，分别安装在物镜座上和目镜筒内。然后调节载物台中心与物镜中心对齐，将制备好的试样放在载物台中心，试样的观察表面朝下。将显微镜的灯泡插在低压变压器上（6～8V），再将变压器插头插在220V的电源插座上，使灯泡发亮。转动粗调焦手轮，降低载物台，使试样观察表面接近物镜；然后反向转动粗调焦旋钮，升起载物台，使在目镜中可以看到模糊形象；最后转动微调焦手轮，直至影象最清晰为止。适当调节孔径光阑和视场光阑，选用合适的滤镜片，以获得理想的物像。前后左右移动载物台，观察试样的不同部位，以便全面分析并找到最具代表性的显微组织。在观察完毕后应及时切断电源，以延长灯泡使用寿命。实验结束后，应小心卸下物镜和目镜，并检查是否有灰尘等污染，如有污染，应及时用镜头纸轻轻擦试干净，然后放入干燥器内保存，以防止潮湿霉变。显微镜也应随时盖上防尘罩。
而在本次试验中，我们将对铜模冷却，埋砂缓冷及空冷三种铸铁组织进行观察。在浇铸砂轮砂纸打磨后，先将试样进行抛光。注意，浇铸后要及时对试样进行标号以防止弄混。抛光后要用吹风机冷风将试样进行干燥，否则极易生锈。之后，现在金相显微镜下进行初步观察球墨铸铁中球墨的形貌大小分布，以及珠光体片层间距大小等典型组织。
再用4%硝酸酒精对金相表面腐蚀，冲洗并干燥。再于金相显微镜下进行观察。
四、 数据分析
1、 冷却曲线
2、 成分
3、 
金相
试样1 空冷 放大50倍 4%硝酸酒精腐蚀前
试样1空冷放大100倍 4%硝酸酒精腐蚀前
试样1空冷 放大50倍 4%硝酸酒精腐蚀后
试样1空冷放大100倍4%硝酸酒精腐蚀后
试样1空冷放大200倍4%硝酸酒精腐蚀后
试样2埋砂缓冷 放大50 4%硝酸酒精腐蚀前
试样2埋砂缓冷放大100 4%硝酸酒精腐蚀前
试样2埋砂缓冷放大50 4%硝酸酒精腐蚀后
试样2埋砂缓冷放大100 4%硝酸酒精腐蚀后
试样3铜模 放大100 4%硝酸酒精腐蚀前
4、实验分析：
1， 石墨组织是影响球墨铸铁性能的主要因素之一。石墨的球化效果越好，圆整度越高，则强度越高；石墨数量越多，材料的塑性越好。由未腐蚀前金相图可以清楚看到石墨的形态数量种类。生产中依据石墨的形态和数量可将球墨铸铁分为一至六，六个级别。一级石墨呈圆形，均匀分布在铁基体上。而本次实验所获得的球墨铸铁，形状为椭圆，且大小不均，不是很理想。据分析，原因可能来自于：熔炼过程中球化剂等添加剂的烧损，球化剂孕育剂的种类，搅拌促使添加剂分散均匀时石墨棒的熔入等原因。在熔炼中使用的螺纹钢，含有一定的锰，而锰是阻碍石墨化的元素，在两者的综合作用下，因此球化效果降低，且数量较少呈不均匀球形态。
2， 基体组织中珠光体和铁素体的比例是影响球铁性能的另一个主要因素。基体中珠光体的含量增加，则材料的强硬度提高，塑韧性降低。由腐蚀后金相图可见试块中珠光体数量较多，可能因石墨化程度不理想所致。
参考文献：
1，《中频炉的应用及维护》——辉志昌(石家庄强大泵业集团有限责任公司)
2，《试论光电直读光谱仪的工作原理及误差》——邓斯予
（广州市机电工业理化计量中心）
3，《原料配比对球墨铸铁组织性能的影响》——赵岩1。杨华2(1．德州学院机电工程系2．山东大学材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室1)
4，《石墨铸铁组织与性能关系的探讨》——张博气Zhang Bo；弋楠Yi N；孙博售Sun Bo(①陕西工业职业技术学院材料工程学院②西安航空动力股份有限公司理化检测中心)
第二篇：合金钢、铸铁与有色金属的显微组织分析实验报告A
兰州理工大学学生实验报告
学 院 材料科学与工程学院
实 验 室 实 验 中 心
课程名称 工程材料
实验类型 验证性
实验名称 合金钢、铸铁、有色金属的
显微组织观察
学生姓名
学生学号
实验日期
指导教师 孙卫民
合金钢、铸铁、有色金属的显微组织观察
实验报告
一、实验目的
二、使用的设备仪器
三、实验方法、步骤
四、画出下列材料的显微组织示意图，并用箭头标明示意图中所示组织的名称
材料名称：W18Cr4V 材料名称：W18Cr4V
处理状态：铸造 处理状态：淬火+高温回火
组 织： 组 织：
腐 蚀 剂： 腐 蚀 剂：
放大倍数： 放大倍数：
材料名称：灰口铸铁 材料名称：球墨铸铁
处理状态：铸造 处理状态：铸造
组 织： 组 织：
腐 蚀 剂： 腐 蚀 剂：
放大倍数： 放大倍数：
材料名称：ZL102（未变质） 材料名称：ZL102（变质）
处理状态： 处理状态：
组 织： 组 织：
腐 蚀 剂： 腐 蚀 剂：
放大倍数： 放大倍数：
五、实验结果讨论
1. 根据显微组织观察，试分析高速钢性能和热处理特点，说明为什么？
3.将以上灰口铸铁的组织与性能同球墨铸铁进行比较，说明为什么？
4.试分析变质处理对硅铝明合金的作用。
5. 简述巴氏合金组织与性能的特点。