金相檢驗與分析（簡體書）

金相分析是金屬材料試驗研究的重要手段之一，採用定量金相學原理，運用放大鏡和金相顯微鏡，通過對二維金相試樣磨面或薄膜的金相顯微組織的測量和計算來確定合金組織的形貌，從而建立合金成分、組織和性能間的定量關係。生產實際中常稱之為金相檢驗。

金相檢驗主要是研究金屬及合金成分、組織與性能關係的學科，可為正確選擇材料、合理進行工程設計、制訂熱處理工藝和提高產質量量等提供依據。金相檢驗工作是一項理論性和實踐性均很強的工作，對於提高金屬製品的內在質量，提高企業經濟效益和競爭力都起著非常重要的作用。

本書的特點是與時俱進，開拓創新，在講述成熟理論的基礎上，適當增加了新技術、新材料、新儀器，同時更加注重講述實際操作要求，因此具有先進性和實用性，對於提高讀者的理論水準、業務素質和實際工作能力都有很大幫助。

本書是在全面吸取兵器行業在理化檢測人員資格鑒定工作經驗的基礎之上，根據現行標準和技術要求精心編寫而成的，可作為各行業金屬材料金相檢驗的公共培訓教材，也可作為金相檢驗工作者的工作參考用書，還可作為從事金屬材料及製品研究、生產、技術質量管制等人員的參考用書。考慮到各工業部門對金屬材料的使用及要求不盡相同，當使用本書時應根據實際情況對有關內容作適當的增減和調整。

在本書的編寫中，除參考了國內外公開出版的一些專著、教材、手冊、文獻外，還特別參考了兵器工業、國防科技工業的內部培訓教材，編寫組對有關作者表示衷心感謝。

由於作者水準有限，書中難免存在缺點，敬請讀者批評指正。

作者

序言

當今世界正在經歷百年未有之大變局，我國經濟發展面臨的國內外環境發生了深刻而複雜的變化。當前，科技發展水準以及創新能力對一個國家的國際競爭力的影響越來越大。理化檢測技術的水準是衡量一個國家科學技術水準的重要標誌之一，理化檢測工作的發展和技術水準的提高對於深入認識自然界的規律，促進科學技術進步和國民經濟的發展都起著十分重要的作用。理化檢測技術作為技術基礎工作的重要組成部分，是保障產質量量的重要手段，也是新材料、新工藝、新技術工程應用研究，開發新產品，產品失效分析，壽命檢測，工程設計，環境保護等工作的基礎性技術。在工業製造和高新技術武器裝備的科研生產過程中，需要採用大量先進的理化檢測技術和精密設備來評價產品的設計質量和製造質量，這在很大程度上依賴於檢測人員的專業素質、能力、經驗和技術水準。只有合格的理化檢測技術人員才能保證正確應用理化檢測技術，確保理化檢測結果的可靠性，從而保證產質量量。

兵器工業理化檢測人員技術資格鑒定工作自2005年開展以來，受到集團公司有關部門領導及各企事業單位的高度重視，經過16年的發展和工作實踐，已經形成獨特的理化檢測技術培訓體系。為了進一步加強和規範兵器工業理化檢測人員的培訓考核工作，提高理化檢測人員的技術水準和學習能力，並將兵器行業多年積累下來的寶貴經驗和知識財富加以推廣和普及，自2019年開始，我們組織多位元兵器行業內具有豐富工作經驗的專家學者，在《兵器工業理化檢測人員培訓考核大綱》和原內部教材的基礎上，總結了多年來在理化檢測科研和生產工作中的經驗，並結合國內外的科技發展動態和現行有效的標準資料，以及兵器行業、國防科技工業在理化檢測人員資格鑒定工作中的實際情況，圍繞生產工作中實際應用的知識需求，兼顧各專業的基礎理論，編寫了這套《理化檢測人員培訓系列教材》。

這套教材共六冊，包括《金屬材料化學分析》《金屬材料力學性能檢測》《金相檢驗與分析》《非金屬材料化學分析》《非金屬材料性能檢測》和《特種材料理化分析》，基本涵蓋了兵器行業理化檢測中各個專業必要的理論知識和經典的分析方法。其中《特種材料理化分析》主要是以火藥、炸藥和火工品為檢測物件，結合兵器工業生產特點編寫的檢測方法；《非金屬材料化學分析》是針對有機高分子材料科研生產的特點，系統地介紹了有機高分子材料的化學分析方法。每冊教材都各具特色，理論聯繫實際，具有很好的指導意義和實用價值，可作為有一定專業知識基礎、從事理化檢測工作的技術人員的培訓和自學用書，也可作為高等院校相關專業的教學參考用書。

這套教材的編寫和出版，要感謝中國兵器工業集團有限公司、中國兵器工業標準化研究所、遼沈工業集團有限公司、內蒙古北方重工業集團有限公司、山東非金屬材料研究所、西安近代化學研究所、北京北方車輛集團有限公司、內蒙古第一機械集團股份有限公司、內蒙金屬材料研究所、西安北方惠安化學工業有限公司、山西北方興安化學工業有限公司、遼寧慶陽特種化工有限公司、瀘州北方化學工業有限公司、甘肅銀光化學工業集團有限公司等單位的相關領導和專家的支持與幫助！特別要感謝中國兵器工業集團有限公司於同局長、張輝處長、王菲菲副處長、王樹尊專務、朱寶祥處長，中國兵器工業標準化研究所鄭元所長、孟衝雲書記、康繼綱副所長、馬茂冬副所長、劉播雨所長助理、羅海盛主任、楊帆主任等領導的全力支持！感謝參與編寫叢書的各位專家和同事！是他們利用業餘時間，加班加點、辛勤付出，才有了今天豐碩的成果！也要特別感謝原內部教材的作者趙祥聰、胡文駿、董霞等專家所做的前期基礎工作，以及對兵器工業理化檢測人員培訓考核工作所做出的貢獻。還要感謝機械工業出版社的各專業編輯，他們對工作認真負責的態度，是這套教材得以高質量正式出版的保障！在編寫過程中，還得到了廣大理化檢測人員的關心和支持，他們提出了大量建設性意見和建議，在此一併表示衷心的感謝！

由於理化檢測技術的迅速發展，一些標準的更新速度加快，加之我們編寫者的水準所限，書中難免存在不足之處，懇請廣大讀者提出批評和建議。

叢書主編靳京民

序

前言

第一章 基礎知識1

第一節 金相學概論1

一、金相學定義1

二、光學金相學所包括的內容1

三、電子金相學所包括的內容1

第二節 金屬與合金1

一、材料的分類1

二、金屬與合金的基本概念2

三、金屬的結晶2

四、晶體結構3

五、晶體缺陷5

第三節 合金相圖與組織7

一、相與相圖7

二、鐵-碳相圖9

三、鋼的組織轉變12

第四節 鋼的熱處理原理16

一、奧氏體轉變16

二、鐵素體的同素異構轉變18

三、珠光體轉變18

四、馬氏體轉變20

五、貝氏體轉變23

六、魏氏組織的形成25

七、鋼的過冷奧氏體轉變25

第五節 鋼的熱處理工藝28

一、整體熱處理28

二、鋼的表面熱處理32

三、熱處理新技術簡介38

第六節 熱處理常用設備39

一、熱處理電阻爐40

二、熱處理燃料爐41

三、熱處理浴爐42

四、真空熱處理爐42

五、熱處理爐的使用與維護要點43

第七節 合金元素在鋼鐵材料中的作用44

一、鋼中加入合金元素的目的44

二、合金元素在結構鋼中的作用44

第八節 金屬材料的性能46

第九節 常見鋼鐵材料的缺陷及其危害47

一、鑄造缺陷47

二、鍛造與軋製缺陷49

三、加熱過程中的缺陷51

四、淬火冷卻時的缺陷52

五、其他缺陷54

思考題54

第二章 金相檢驗技術概論56

第一節 金相試樣的製備56

一、金相試樣的選取56

二、金相試樣的鑲嵌56

三、金相試樣的磨制57

第二節 金相組織的顯示58

一、化學浸蝕法58

二、電解浸蝕法59

第三節 金相分析常用儀器及其應用59

一、金相顯微鏡59

二、透射電子顯微鏡（TEM）64

三、掃描電子顯微鏡（SEM）65

四、X射線顯微分析儀66

五、俄歇電子能譜儀67

六、X射線應力測定儀67

七、共聚焦顯微鏡67

八、體視顯微鏡68

第四節 顯微硬度計及其應用68

一、顯微硬度計的工作原理68

二、試驗操作要點69

三、實驗結果表示及處理70

四、顯微硬度計的日常檢查方法70

五、顯微硬度計的維護70

思考題70

第三章 鋼的宏觀檢驗71

第一節 低倍組織檢驗71

一、試樣的選取71

二、試樣的製備72

三、試驗方法72

四、熱酸腐蝕試驗73

五、冷酸腐蝕試驗74

六、電解腐蝕試驗75

七、常見低倍組織缺陷76

第二節 斷口檢驗79

一、斷口試樣的選取79

二、熱處理狀態對斷口試樣的影響79

三、斷口試樣的製備79

四、斷口試驗80

五、鋼材斷口分類及常見缺陷形態80

第三節 塔形試驗83

一、試樣的選取和製備84

二、試驗操作方法84

第四節 硫印試驗85

一、硫在鋼中的分佈與影響85

二、硫印試驗的基本原理85

三、硫印試驗方法85

四、硫印試樣的選取和製備86

五、硫印試驗的材料和操作步驟86

第五節 鋼的淬透性試驗87

一、臨界直徑法87

二、端淬法87

思考題91

第四章 鋼的微觀檢驗92

第一節 鋼中非金屬夾雜物檢驗92

一、非金屬夾雜物對鋼性能的影響92

二、鋼中非金屬夾雜物的分類93

三、非金屬夾雜物檢驗94

第二節 晶粒度檢驗96

一、晶粒大小對鋼性能的影響96

二、晶粒分類97

三、晶粒度檢驗97

第三節 鋼的脫碳層檢驗100

一、脫碳對鋼性能的影響101

二、脫碳層組織定義及識別101

三、脫碳層檢驗101

第四節 鋼鐵材料滲層深度測定及組織檢驗103

一、滲碳層檢測103

二、碳氮共滲層檢測105

三、滲氮層檢測106

思考題108

第五章 常用鋼種及其檢驗109

第一節 鋼的分類與編號109

一、鋼的分類109

二、合金鋼的編號方法109

第二節 結構鋼113

一、結構鋼的分類113

二、結構鋼的金相檢驗113

三、冷變形鋼113

四、易切削鋼116

五、低合金鋼117

六、調質鋼119

七、貝氏體鋼120

八、滲碳鋼120

九、滲氮鋼121

十、彈簧鋼121

第三節 軸承鋼122

一、軸承鋼的分類123

二、鉻軸承鋼的熱處理123

三、鉻軸承零件的代表工藝及顯微組織124

四、軸承鋼的基本檢測項目125

第四節 工具鋼126

一、工具鋼的分類126

二、碳素工具鋼127

三、合金工具鋼129

四、模具鋼131

五、高速工具鋼134

第五節 不銹鋼139

一、不銹鋼工作條件下的性能要求139

二、不銹鋼的分類139

三、不銹鋼的化學成分特點140

四、不銹鋼中的組織和相140

五、各類不銹鋼的熱處理及金相組織141

六、不銹鋼的金相檢驗147

第六節 耐熱鋼148

一、耐熱鋼的化學成分148

二、耐熱鋼的性能要求148

三、耐熱鋼的類型及特性149

四、耐熱鋼高溫運行時組織及性能的變化150

五、金相檢驗項目150

思考題150

第六章 鑄鋼和鑄鐵的金相檢驗與分析152

第一節 鑄鋼152

一、概述152

二、鑄鋼的組織特點153

三、鑄鋼件的熱處理153

四、鑄造高錳鋼154

第二節 鑄鐵155

一、概述155

二、鑄鐵的石墨化及其影響因素156

三、灰口鑄鐵156

四、可鍛鑄鐵162

五、球墨鑄鐵170

六、蠕墨鑄鐵182

七、白口鑄鐵187

八、鑄鐵熱處理188

思考題189

第七章 有色金屬的金相檢驗與分析190

第一節 鋁及鋁合金190

一、鋁及鋁合金基本知識190

二、組織檢驗及分析195

三、鋁合金常見缺陷200

第二節 銅及銅合金202

一、分類203

二、銅合金的熱處理208

三、銅及銅合金常見疵病209

四、銅合金的宏觀檢驗210

五、銅及銅合金的顯微組織檢驗211

第三節 鎂合金212

一、鎂合金的分類及牌號212

二、變形鎂合金的檢驗214

第四節 鈦合金215

一、鈦合金的分類及牌號216

二、鈦的合金化217

三、鈦合金的熱處理217

四、鈦合金的特性218

五、常用合金元素對鈦的性能的影響219

六、鈦合金中的介穩定相220

七、鈦合金在軍事方面的應用221

八、金相組織檢驗221

思考題223

第八章 焊件的金相檢驗與分析225

第一節 概述225

第二節 焊接的熱過程226

一、焊接熱迴圈226

二、焊接加熱和冷卻過程的特點227

第三節 焊接缺陷228

一、焊接缺陷的種類228

二、焊接裂紋的劃分229

第四節 焊件的宏觀金相檢驗233

一、外觀檢驗233

二、宏觀組織檢驗234

三、宏觀金相檢驗的浸蝕劑235

四、焊接接頭的斷口檢驗236

第五節 焊件的微觀組織分析與檢驗236

一、試樣制取236

二、焊接時組織轉變的特點236

三、焊縫的組織與偏析237

四、焊接熱影響區的組織238

五、焊接熱影響區的硬度分佈240

思考題242

第九章 高溫合金及粉末冶金的檢驗與分析243

第一節 高溫合金243

一、高溫合金的主要特點243

二、高溫合金分類及表示方法244

第二節 粉末冶金263

一、粉末冶金分類263

二、粉末冶金樣品製備及檢驗264

思考題265

第十章 失效分析266

第一節 概述266

一、金屬構件失效及分析266

二、失效分析在質量和效益方面的作用266

三、失效分析與相關學科的關係267

第二節 失效分析的一般步驟268

一、現場調查和收集資料268

二、失效件的觀察、檢測和試驗269

三、失效原因分析和提出改進措施269

第三節 機械構件失效的常見類型269

一、按失效形式分類269

二、按失效原因分類271

第四節 斷口分析技術275

一、斷裂275

二、斷口278

三、斷口的分析279

四、常見斷口分析284

第五節 金屬的腐蝕失效291

一、金屬腐蝕失效的類型291

二、常見金屬腐蝕失效的特徵及形成條件292

三、金屬腐蝕的防護296

四、金屬腐蝕的測試方法297

思考題298

第十一章 相關專業基礎知識299

第一節 金屬熔煉與壓力加工工藝299

一、熔煉299

二、鑄造300

三、鍛壓301

第二節 金屬冷加工工藝302

一、金屬切削加工的工藝特點302

二、冷衝壓加工的工藝特點304

三、冷旋壓加工的工藝特點304

第三節 無損檢測基礎知識305

一、定義305

二、無損檢測的目的305

三、無損檢測常用方法306

四、無損檢測的特點308

第四節 複合材料製造工藝308

一、複合材料的分類及特點309

二、複合材料的增強機制309

三、複合材料的接口309

四、複合材料製備方法310

思考題312

參考文獻313