材料成型基礎實驗報告

1、材料科學基礎實驗設計報告 學生專業(yè)： 材料成型及控制工程 學生班級： 1306091 學生學號： 學生姓名： 指導老師 報告日期： 2015年12月 目錄一、 綜述 3- 6 頁二、 選題依據 6- 7頁三、 材料及儀器 7- 8 頁四、 實驗過程 9-11 頁五、 結果及分析 11-17頁六、 結論 17 頁 參考文獻 18 頁 一、綜述1、碳鋼的認知：對于被試驗的材料的選取對象為鐵碳合金，根據含碳量不同，可以分為碳鋼和鑄鐵兩類。而在幾種典型合金中有亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼。. 亞共析鋼：亞共析鋼含碳量為0.0218%0.77%，從液態(tài)結晶結束時得到的單相奧氏體，奧氏體冷卻至A3線溫度時，

2、開始析出鐵素體，稱先共析鐵素體。隨著溫度的降低，析出過程持續(xù)進行，但溫度降到Ar1溫度時，具有共析成分的奧氏體轉變?yōu)橹楣怏w，最終得到由鐵素體和珠光體構相組成的兩相組織。 共析鋼：共析鋼即T8鋼，室溫下組織全部為珠光體，在較大的放大倍數下，可一分辨出珠光體中的鐵素體與滲碳體。過共析鋼：含碳量超過0.77%的鋼稱為過共析鋼，過共析鋼從液態(tài)結晶結束得到單相奧氏體，在以后的冷卻過程中，因奧氏體中的碳的溶解度變化，而沿著奧氏體晶界析出二次滲碳體，在過共析鋼中二次滲碳體呈網狀，過共析鋼中的含碳量越高則二次滲碳體的網絡就越粗越趨于完整。由于滲碳體是硬而脆的相，當鋼中有完整的二次滲碳體網絡形成時常使鋼的塑形韌

3、性大大降低。在實驗室中，根據實驗條件，我們集中對兩種鋼型進行熱處理、組織觀察及硬度測定。其中45號鋼屬于典型的亞共析鋼，而T8鋼屬于共析鋼。通過對這兩型號鋼的實驗研究，我們能夠初步了解鐵碳合金的熱處理的組織變化后的各項指標及材料改性。 2、碳鋼的熱處理原理與工藝：.鋼的熱處理原理與工藝 ：熱處理是對固態(tài)金屬或合金采用適當方式加熱、保溫和冷卻， 以獲得所需要的組織結構與性能的加工方法。金屬熱處理是機械制造 中的重要工藝之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的 形狀和整體的化學成分，而是通過改變工件內部的顯微組織，或改變 工件表面的化學成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點是改善工 件的內

4、在質量，而這一般不是肉眼所能看到的。熱處理工藝一般包括 加熱、保溫、冷卻三個過程，有時只有加熱和冷卻兩個過程。 （1）碳鋼熱處理加熱溫度范圍 退火溫度：一般將亞共析鋼加熱至Ac3+（3050） （完全退火）；共析鋼和過共析鋼加熱至Ac1+（1020）度 （球化退火），目的之得到球狀滲碳體、降低硬度、改善高碳鋼的切削性能。 正火溫度：一般將亞共析鋼加熱至Ac3（3050） ； 過共析鋼加熱至Acm+（3050） ，即加熱到奧氏體單相區(qū)。退貨和正火的加熱溫度范圍選擇。 淬火溫度：一般亞共析鋼加熱至Ac3+（3050）；共析鋼和過共析鋼加熱至Ac1+（3050）. 鋼的成分，原始組織及加熱速度等都影

5、響臨界點Ac1、Ac2、及Acm的位置。在碳鋼熱處理手冊或材料手冊中可以查到各種鋼的熱處理溫度，熱處理時不能人為隨意提高加熱溫度，因為加熱溫度過高時，晶粒容易長大，氧化、脫碳和變性嚴重，也不能任意降低溫度，會影響鋼的強度和硬度。 （2）碳鋼熱處理加熱溫度的選擇 回火溫度的選擇：鋼淬火后都要回火，回火溫度決定于最終要求的組織和性能。按加熱溫度高低，回火可分為3類。 a低溫回火：工件在150250進行的回火。目的是保持淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火殘留應力和脆性.回火后得到回火馬氏體，指淬火馬氏體低溫回火時得到的組織。力學性能：5864HRC，高的硬度和耐磨性。應用范圍：主要應用于各類高碳鋼的

6、工具、刃具、量具、模具、滾動軸承、滲碳及表面淬火的零件等。 b中溫回火：工件在350500 之間進行的回火。目的是得到較高的彈性和屈服點，適當的韌性?；鼗鸷蟮玫交鼗鹎象w，指馬氏體回火時形成的鐵素體基體內分布著極其細小球狀碳化物（或滲碳體）的復相組織。力學性能：3550HRC，較高的彈性極限、屈服點和一定的韌性。應用范圍：主要用于彈簧、發(fā)條、鍛模、沖擊工具等。 c高溫回火：工件在500650以上進行的回火。目的是得到強度、塑性和韌性都較好的綜合力學性能?；鼗鸷蟮玫交鼗鹚魇象w，指馬氏體回火時形成的鐵素體基體內分布著細小球狀碳化物（包括滲碳體）的復相組織。力學性能：2535HRC，較好的綜合力學性

7、能。應用范圍：廣泛用于各種較重要的受力結構件，如連桿、螺栓、齒輪及軸類零件等。3、碳鋼的組織觀察 由于選擇的材料為T8鋼和45號鋼，低碳鋼的含碳量較低，故經熱處理后的結晶組織除鐵素體和珠光體，還有不同形態(tài)的馬氏體和索氏體。 （1）鐵素體的組織 鐵素體晶界圓滑，晶內很少見孿晶或滑移線，顏色淺綠、發(fā)亮，深腐蝕后發(fā)暗。鋼中鐵素體以片狀、塊狀、針狀和網狀存在。一般情況下，成細條狀分布在奧氏體晶界，有時也呈塊狀類型的鐵素體稱為先共析鐵素體或組織上自由的鐵素體。隨形成條件不同，先共析鐵素體具有不同形態(tài)，如等軸形、沿晶形、紡錘形、鋸齒形和針狀等。鐵素體還是珠光體組織的基體。在碳鋼和低合金鋼的熱軋（正火）和退

8、火組織中，鐵素體是主要組成相；鐵素體的成分和組織對鋼的工藝性能有重要影響，在某些場合下對鋼的使用性能也有影響。 （2）珠光體的組織 珠光體是由奧氏體發(fā)生共析轉變同時析出的，鐵素體與滲碳體片層相間的組織，是鐵碳合金中最基本的五種組織之一。得名具有珍珠般的光澤。其形態(tài)為鐵素體薄層和滲碳體薄層交替疊壓的層狀復相物，也稱片狀珠光體。在珠光體中鐵素體占88%,滲碳體占12%,由于鐵素體的數量大大多于滲碳體,所以鐵素體層片要比滲碳體厚得多.在球化退火條件下,珠光體中的滲碳體也可呈粒狀,這樣的珠光體稱為粒狀珠光體。 （3）馬氏體的組織 馬氏體是將鋼加熱到一定溫度（形成奧氏體）后經迅速冷卻（淬火），得到的能使

9、鋼 變硬、增強的一種淬火組織。馬氏體通常有片狀、板條狀，但金相觀察中通常表現為針狀（如圖2）。一般當Wc1.0%時，則幾乎全為片狀馬氏體；當Wc=0.3%-1.0%時，為板條馬氏體和片狀馬氏體的混合物，隨含碳量的升高，淬火鋼中板條馬氏體的量下降，片狀馬氏體的量上升.高碳鋼在正常溫度淬火時，細小的奧氏體晶粒和碳化物都能使其獲得細針狀馬氏體組織,這種組織在光學顯微鏡下無法分辨稱為隱針馬氏體. （4）索氏體的組織索氏體是鋼經正火或等溫轉變所得到的鐵素體與滲碳體的機械混合物。索氏體組織屬于珠光體類型的組織，在光學金相顯微鏡下放大600倍以上才能分辨片層的細珠光體(GB/T7232標準)。其實質是一種珠

10、光體，但其組織比珠光體組織細，是鋼的高溫轉變產物，是片層的鐵素體與滲碳體的雙相混合組織，其層片間距較?。?50350nm），碳在鐵素體中已無過飽和度，是一種平衡組織。索氏體具有良好的綜合機械性能。4、 碳鋼的硬度測定 實驗采用洛氏硬度儀測定，洛氏硬度是以頂角為120的金剛石圓錐體（或直徑為1.588的淬火鋼球）作壓頭，以規(guī)定的試驗力使其壓入試樣表面。試驗時，先加初試驗力，然后加主試驗力。壓入試樣表面之后卸除主試驗力，在保留初試驗力的情況下，根據試樣表面壓痕深度，確定被測金屬材料的洛氏硬度值。洛氏硬度值由h的大小確定，壓入深度h越大，硬度越低；反之，則硬度越高。一般說來，按照人們習慣上的概念，數

11、值越大，硬度越高。因此采用一個常數c減去h來表示硬度的高低。并用每0.002mm的壓痕深度為一個硬度單位。由此獲得的硬度值稱為洛氏硬度值，用符號HR表示。 由此獲得的洛氏硬度值HR為一無名數，試驗時一般由試驗機指示器上直接讀出。 洛氏硬度的三種標尺中，以HRC應用最多，一般經淬火處理的鋼或工具都采用HRC測量。在中等硬度情況下，洛氏硬度HRC與布氏硬度HBS之間關系約為1：10，如40HRC 相當于400HBS 。如50HRC，表示用HRC標尺測定的洛氏硬度值為50。硬度值應在有效測量范圍內（HRC為2070）為有效。 二、選題依據1、碳鋼的用途：碳素鋼爐煉鋼爐外噴吹連續(xù)鑄鋼和連續(xù)軋制等新技術

12、是指通常含碳量小于1.35的鐵碳合金其中還含有限量以內的硅錳和磷硫等雜質及其它微量的殘余元素。碳素鋼是近代工業(yè)中使用最早用量最大的基本材料世界各工業(yè)國家在努力增加低合金高強度鋼和合金鋼產量的同時也非常注意改進碳素鋼質量擴大品種和使用范圍。特別是20世紀50年代以來氧氣轉被普遍采用進一步改善了碳素鋼的質量擴大了使用范圍。目前碳素鋼的產量在各國鋼總產量中的比重約保持在80左右它不僅廣泛應用于建筑橋梁鐵道車輛船舶和各種機械制造工業(yè)而且在近代的石油化學工業(yè)海洋開發(fā)等方面也得到大量使用。2、T8鋼性能：T8模具鋼屬于抗沖擊碳素工具鋼、冷作模具鋼、淬硬型塑料模具用鋼，該鋼無網狀碳化物析出傾向，塑性、韌性優(yōu)

13、于T10A鋼，淬透性與T10A鋼相近或稍高，適用于制作較大截面的模具。重載模具采用T8A模具鋼，進行預先調質球化處理，效果較好。調質處理硬度22-26HRC；火焰淬火硬度55-60HRC。該鋼可加工性好，價格低廉，來源容易，但缺點是淬透性低，耐磨性差，淬火變形大。該鋼完全球化的最低加熱溫度為740，加熱到780退火，即出現大量帶棱角的長條狀碳化物。45號鋼用途：45號鋼廣泛用于機械制造，這種鋼的機械性能很好。但是這是一種中碳鋼，淬火性能45號鋼廣泛用于機械制造，這種鋼的機械性能很好。但是這是一種中碳鋼，淬火性能并不好，45號鋼可以淬硬至HRC4246。所以如果需要表面硬度，又希望發(fā)揮45鋼優(yōu)越

14、的機械性能，常將45鋼表面滲碳淬火，這樣就能得到需要的表面硬度并不好，45號鋼可以淬硬至HRC4246。所以如果需要表面硬度，又希望發(fā)揮45鋼優(yōu)越的機械性能，常將45鋼表面滲碳淬火，這樣就能得到需要的表面硬度 三、材料及儀器（1）實驗儀器及材料 儀器：洛氏硬度儀、臺式金相顯微鏡、預磨機、砂紙、拋光機、吹風機等。 材料；待磨試樣每人一塊；各號金相砂紙一套；腐蝕劑；無水乙醇； 4 硝酸酒精；制備好的工業(yè)純鐵試樣，棉球、鑷子等。 （2）內容 在利用金相顯微鏡觀察、分析和研究金屬材料的金相顯微組織時，需要在該材料的典型部位截取樣塊，然后通過一系列的制備過程，制成符合要求的金相顯微試樣。即在金相顯微鏡下

15、可以觀察到很清晰的金相顯微組織，其整個過程即為磨片。磨片的方法與步驟如下： 取樣：試樣尺寸通常采用直徑為1215,高1215的圓柱體或邊長為1215的方形式樣。 鑲嵌：當試樣的尺寸太小時，直接用手來磨制很困難，需要使用試樣夾或利用樣品鑲嵌機，把試樣鑲嵌在低熔點合金和塑料中。 磨制：分粗磨和細磨兩道工序。粗磨通常在砂輪機上進行;細磨在一套粗細不同的金相砂紙上由粗到細依次進行的。每更換一號砂紙時，需將試樣的研磨方向與上一道磨痕方向垂直，直到將上一號砂紙所產生的磨痕全部消失為止。 拋光：細磨后進行拋光，只要是去除細磨時留下來的細微磨痕而獲得光亮的鏡面。金相試樣的拋光方法一般可分為機械拋光、電解拋光和

16、化學拋光。本實驗中只使用了機械拋光。機械拋光可分為粗拋和細拋兩個步驟，均在拋光機上進行。粗拋時轉速要高些，細拋或拋軟材料時轉速要低些，所用拋光材料由拋光布和拋光粉，拋光布蒙在拋光盤上，不同要求應適當選用不同的拋光布。粗拋時常用帆布、粗呢等，精拋時常用絨布、細呢、絲綢等。機械拋光的方法及注意事項如下：A拋光粉要配制成拋光液使用，比例大約為 水：粉20：1 左右。B拋光時應使試樣磨面均衡地壓在旋轉著地拋光盤上，壓力不宜過大，并應使試樣沿拋光盤的半徑方向從中心到邊緣來回移動。C 拋光過程中要不斷注入適量的拋光液，拋光布上的拋光液不宜太多或太少，以試樣表面提起后幾秒內能干為宜。D拋光后期，應使試樣在拋

17、光盤上各方向轉動，以防止鋼中夾雜產生拖尾現象。E拋光時間不宜過長，以防拋光表面層金屬變形。 化學浸蝕：經拋光后而沒有浸蝕的試樣在顯微鏡下除了能觀察到非金屬夾雜物（石墨、氧化物、硫化物等）及其本身所具有的孔洞、裂紋等缺陷之外，看不到金屬內部的組織，必須經過浸蝕。利用化學浸蝕劑，通過化學或電化學作用顯示金屬的組織：浸蝕方法：將已拋光好的試樣磨面先用輕水沖洗干凈，然后用酒精棉清擦一遍，再將試樣浸入浸蝕劑中，或用鑷子夾著蘸上浸蝕劑的棉球擦其磨面。浸蝕的時間依不同合金及不同組織而定，一般碳鋼和鑄鐵浸蝕的時間大約在 1015 秒內即可。用酒精沖洗干凈，吹干，將浸蝕完的試樣放在顯微鏡下，就可以觀察到金屬內部

18、的顯微組織?；瘜W浸蝕劑種類很多，一般碳鋼及鑄鐵所用浸蝕劑為35的硝酸酒精。電子攝像技術：將磨好的金相試樣放在顯微鏡的載物臺上，選好放大倍數以后，調整粗調手輪和微調手輪，直接在與顯微鏡相連的電腦顯示屏幕上調清楚焦距，獲得清晰的金相圖片。 四、實驗過程1、硬度測試方法、過程將經過熱處理以后的鋼試樣用水砂子上擦磨去除表面污垢和氧化層后，置于洛氏硬度機上測量硬度，為了減小測量誤差，應進行多次測量，記錄數據。擦磨方法：先沿著一個方向擦磨直到表面氧化物去除完，然后再沿著垂直方向擦磨使端面平整。洛式硬度機的使用方法：將試樣上下兩面磨平，然后置于載物臺上。選擇壓頭及載荷。加預載。按順時針方向轉動升降機構的手輪

19、，使試樣與壓頭接觸并觀察顯示器上光標移動至滿載為止。加主載。讀硬度值。卸主載。下降載物臺。逆時針轉動加載手柄至原來位置。用同樣的方法在試樣的不同位置測三個數據，取其算術平均值為試樣的硬度。2、熱處理加工方法、過程（1）T8的熱處理過程： 對T8鋼進行 淬火A：在進行淬火前先測量試樣的硬度3次，將測量的數據計入表格中。B：將試樣置于加熱爐中打開加熱爐。使其溫度上升到780 C開始計時，保溫15分鐘。C：15分鐘后，取出試樣對其進行水冷。測量試樣的硬度一共3次。并計入表格中。 D：待試樣完全冷卻，用磨砂紙將其表面磨平整光滑。 對T8鋼進行低溫回火A：將回火爐的溫度設定在170CB：待溫度升高到17

20、0C，將試樣置于加熱爐中保溫30分鐘左右。30分鐘后取出試樣空冷。 C：測量試樣的硬度一共3次。并計入表格中。 D：待試樣完全冷卻，用磨砂紙將其表面磨平整光滑。 （2）45鋼的熱處理過程：對45鋼進行淬火 A：在進行淬火前先測量實驗試樣的硬度3次，將測量的數據計入表格中。 B：將試樣放入加熱爐中，打開加熱爐。使其溫度上升到840 C開始計時。保溫10分鐘。 C：10分鐘后，取出試樣對其進行水冷。測量試樣的硬度一共3次。并計入表格中。 D：待試樣完全冷卻，用磨砂紙將其表面磨平整光滑。 對45鋼淬火后進行中溫回火 A：將回火爐的溫度設定在560C B：待溫度升到560C時，將試樣放入加熱爐中，并開

21、始計時。保溫40分鐘 C：40分鐘后，取出試樣放在指定位置進行空冷。測量試樣的硬度一共3次。并計入表格中。 D：待試樣完全冷卻，用磨砂紙將其表面磨平整光滑。3、觀察金相 掌握金相顯微試樣的制備過程和基本方法，并觀察、認識其金相顯微組織。 （1）實驗儀器及材料 儀器：洛氏硬度儀、臺式金相顯微鏡、預磨機、砂紙、拋光機、吹風機等。 材料；待磨試樣每人一塊；各號金相砂紙一套；腐蝕劑；無水乙醇； 4 硝酸酒精；制備好的工業(yè)純鐵試樣，棉球、鑷子等。 （2）內容 在利用金相顯微鏡觀察、分析和研究金屬材料的金相顯微組織時，需要在該材料的典型部位截取樣塊，然后通過一系列的制備過程，制成符合要求的金相顯微試樣。即

22、在金相顯微鏡下可以觀察到很清晰的金相顯微組織，其整個過程即為磨片。磨片的方法與步驟如下： 取樣：試樣尺寸通常采用直徑為1215,高1215的圓柱體或邊長為1215的方形式樣。 鑲嵌：當試樣的尺寸太小時，直接用手來磨制很困難，需要使用試樣夾或利用樣品鑲嵌機，把試樣鑲嵌在低熔點合金和塑料中。 磨制：分粗磨和細磨兩道工序。粗磨通常在砂輪機上進行;細磨在一套粗細不同的金相砂紙上由粗到細依次進行的。每更換一號砂紙時，需將試樣的研磨方向與上一道磨痕方向垂直，直到將上一號砂紙所產生的磨痕全部消失為止。 拋光：細磨后進行拋光，只要是去除細磨時留下來的細微磨痕而獲得光亮的鏡面。金相試樣的拋光方法一般可分為機械拋

23、光、電解拋光和化學拋光。本實驗中只使用了機械拋光。機械拋光可分為粗拋和細拋兩個步驟，均在拋光機上進行。粗拋時轉速要高些，細拋或拋軟材料時轉速要低些，所用拋光材料由拋光布和拋光粉，拋光布蒙在拋光盤上，不同要求應適當選用不同的拋光布。粗拋時常用帆布、粗呢等，精拋時常用絨布、細呢、絲綢等。機械拋光的方法及注意事項如下：A拋光粉要配制成拋光液使用，比例大約為 水：粉20：1 左右。B拋光時應使試樣磨面均衡地壓在旋轉著地拋光盤上，壓力不宜過大，并應使試樣沿拋光盤的半徑方向從中心到邊緣來回移動。C 拋光過程中要不斷注入適量的拋光液，拋光布上的拋光液不宜太多或太少，以試樣表面提起后幾秒內能干為宜。D拋光后期

24、，應使試樣在拋光盤上各方向轉動，以防止鋼中夾雜產生拖尾現象。E拋光時間不宜過長，以防拋光表面層金屬變形。 化學浸蝕：經拋光后而沒有浸蝕的試樣在顯微鏡下除了能觀察到非金屬夾雜物（石墨、氧化物、硫化物等）及其本身所具有的孔洞、裂紋等缺陷之外，看不到金屬內部的組織，必須經過浸蝕。利用化學浸蝕劑，通過化學或電化學作用顯示金屬的組織：浸蝕方法：將已拋光好的試樣磨面先用輕水沖洗干凈，然后用酒精棉清擦一遍，再將試樣浸入浸蝕劑中，或用鑷子夾著蘸上浸蝕劑的棉球擦其磨面。浸蝕的時間依不同合金及不同組織而定，一般碳鋼和鑄鐵浸蝕的時間大約在 1015 秒內即可。用酒精沖洗干凈，吹干，將浸蝕完的試樣放在顯微鏡下，就可以

25、觀察到金屬內部的顯微組織。化學浸蝕劑種類很多，一般碳鋼及鑄鐵所用浸蝕劑為35的硝酸酒精。電子攝像技術：將磨好的金相試樣放在顯微鏡的載物臺上，選好放大倍數以后，調整粗調手輪和微調手輪，直接在與顯微鏡相連的電腦顯示屏幕上調清楚焦距，獲得清晰的金相圖片。 五、實驗結果及分析1. 實驗熱處理結果 45號鋼 火后將得到細針狀馬氏體和板條狀馬氏體的混合組織。 560C高溫回火后得到的是回火索氏體。獲得強度、硬度、塑性和韌性都較好的綜合力學性能。T8鋼： 780溫度下淬火得到馬氏體和殘余的奧氏體，其硬度、強度高，塑性、韌性差。在170低溫回火得到穩(wěn)定的回火馬氏體組織，其強度、硬度高、耐磨性好，但塑性、2.

26、硬度測試結果1.45鋼熱加工處理結果及分析(1).硬度測試結果及分析 次數處理 硬度HRC123平均值原始25.326.124.925.4淬火56.156.958.357.1淬火+回火31.234.133.633.02.T8鋼熱加工處理結果及分析(1).硬度測試結果及分析 次數處理 硬度HRC123平均值原始32.730.431.831.6淬火61.262.363.462.3淬火+回火58.659.860.459.62、 實驗組織分析45鋼200原始：200回火： 200淬火：400原始：400回火：400淬火： T8鋼200原始：200回火：200淬火：400原始：400回火：400淬火：（1）45鋼硬