金屬工藝學實驗指導書

1、金屬工藝學實 驗 指 導 書仲 愷 農(nóng) 業(yè) 工 程 學 院機 電 工 程 學 院2012年10月實 驗 守 則制定本守則，旨在使學生注意愛護實驗設備、掌握正確的實驗方法和認真進行實驗操作，保證實驗質(zhì)量。1、 實驗前按實驗指導書有關內(nèi)容進行預習，了解本輪各個實驗的目的、步驟及注意事項。2、 按時上實驗課，無故缺課的學生其實驗成績以零分計算。3、進入實驗室，衣著整齊。除與本輪實驗有關的書籍和文具外，其他物品不得攜入室內(nèi)。實驗室內(nèi)保持整潔、安靜，嚴禁吸煙，不準亂扔紙屑，不準隨地吐痰。4、實驗中要嚴肅認真，操作仔細，安全用電。5、要愛護實驗設備，節(jié)約使用消耗性用品。若設備發(fā)生故障，應立即報告教師進行處

2、理，不得自行拆修。6、實驗完畢，要切斷設備的電源，清理實驗場地，將所用的實驗設備整理好，放回原處，認真書寫實驗報告。經(jīng)教師同意后，方可離開實驗室。7、凡不遵守實驗守則經(jīng)指出而不改正者，教師有權停止其實驗。若情節(jié)嚴重，對實驗設備造成損壞者，應負賠償責任，并給處分。實驗報告的內(nèi)容和要求 實驗報告是學生對實驗的總結，是考核學生學習成績和評估教學質(zhì)量的重要依據(jù)。學生對所做的實驗應做到原理清楚，操作方法、步驟正確，實驗結果比較可靠。實驗報告應由每個學生獨立完成，書寫工整，內(nèi)容層次分明，文字簡明通順，圖表清晰。實驗報告一般包括下列八項內(nèi)容：1 實驗名稱；2 實驗目的；3 實驗設備；4 實驗原理；5 實驗步

3、驟；6 實驗記錄；7 數(shù)據(jù)處理及相關結論；8 回答思考題。按時遞交實驗報告。實驗一 鐵碳合金的平衡和非平衡組織顯微觀察第一部分 鐵碳合金的平衡組織顯微觀察一、 實驗目的1了解常用臺式金相顯微鏡的主要構造與使用方法，初步掌握利用金相顯微鏡進行顯微組織分析的基本方法。2觀察和識別鐵碳合金（碳鋼和白口鑄鐵）在平衡狀態(tài)下的顯微組織特征。3分析含碳量對鐵碳金平衡組織的影響，加深理解鐵碳合金的成分、組織與性能之間的相互關系。二、 實驗內(nèi)容研究金屬組織的光學顯微鏡稱為金相顯微鏡，它是由許多光學元件按一定要求組合而成的精密光學儀器。在本實驗中通過講解和實際操作使學生了解常用臺式金相顯微鏡的基本原理、結構、使用

4、和維護方法等。利用金相顯微鏡觀察金屬的內(nèi)部組織和缺陷的方法稱為顯微分析(或金相分析)，在金相顯微鏡下所看到的組織稱為顯微組織，合金在極其緩慢的冷卻條件(如退火狀態(tài))下所得到的組織稱為平衡組織。鐵碳合金的平衡組織可以根據(jù)Fe-Fe3C相圖來進行分析。由Fe3C相圖可知，所有的碳鋼和白口鑄鐵在室溫時的組織均由鐵素體和滲碳體兩相組成，但由于合金中的含碳量不同，鐵素體和滲碳體的數(shù)量、形狀、大小及分布狀況也不相同，隨著含碳量的增加，滲碳體量不斷增加，鐵素體量不斷減少，而且滲碳體的形態(tài)和分布情況也發(fā)生變化，所以，不同成分的鐵碳合金室溫下具有不同的組織和性能。鋼的組織以鐵素體為基體，滲碳體為強化相，而且主要

5、以珠光體的形式出現(xiàn)，使鋼的強度和硬度提高，故鋼中珠光體量愈多，其強度、硬度愈高，而塑性、韌性相應降低。但過共析鋼中當滲碳體明顯地以網(wǎng)狀分布在晶界上，特別在白口鐵中滲碳體成為基體或以板條狀分布在萊氏體基體上，將使鐵碳合金的塑性和韌性大大下降，以致合金的強度也隨之降低。這就是高碳鋼和白口鐵脆性高的主要原因。鋼的力學性能隨含碳量的變化規(guī)律如圖1-1所示。當鋼中碳含量小于0.9%時，隨含碳量的增加，鋼的強度、硬度直線上升，而塑性、韌性不斷下降；當鋼中碳含量大于0.9%時，因網(wǎng)狀滲碳體的存在，不僅使鋼的塑性、韌性進一步降低，而且強度也明顯下降。為了保證工業(yè)上使用的鋼具有足夠的強度，并具有一定的塑性和韌性

6、，鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)一般都不超過1.4%。至于碳含量大于2.11%的白口鐵，由于組織中出現(xiàn)大量的滲碳體，使性能硬而脆，難以切削加工，因此在一般機械制造中應用很少。圖1-1 含碳量對鋼的力學性能的影響1室溫下鐵碳合金基本組織的顯微組織特征（1）鐵素體（F）鐵素體是碳溶于-Fe中形成的間隙固溶體。經(jīng)3%5%的硝酸酒精溶液浸蝕后，在顯微鏡下為白亮色多邊形晶粒。在亞共析鋼中，鐵素體呈塊狀分布；當含碳量接近于共析成分時，鐵素體則呈斷續(xù)的網(wǎng)狀分布于珠光體周圍。（2）滲碳體(Fe3C) 滲碳體是鐵與碳形成的一種化合物。經(jīng)3%5%的硝酸酒精溶液浸蝕后，滲碳體呈亮白色；若用苦味酸鈉溶液浸蝕，則滲碳體呈黑色，而鐵素

7、體仍為白色，由此可以區(qū)別鐵素體與滲碳體。由于鐵碳合金中的成分和形成條件不同，滲碳體可以呈現(xiàn)不同的形狀：一次滲碳體是由液相中直接析出，可以自由長大，呈粗大的片狀；二次滲碳體是從奧氏體中析出的，呈網(wǎng)狀分布。（3）珠光體（P） 珠光體是鐵素體和滲碳體的多相混合物。在平衡狀態(tài)下，它是由鐵素體和滲碳體相間排列的層片狀組織。經(jīng)3%5%硝酸酒精溶液浸蝕后，鐵素體和滲碳體皆呈亮白色，但其邊界被浸蝕而成黑色線條。在不同的放大倍數(shù)下觀察時，組織特征則有所區(qū)別。在高倍(600×以上)下觀察時，珠光體中平行相間的寬條鐵素體和細條滲碳體都呈亮白色，而其邊界呈黑色；在中倍(400×左右)下觀察時，白亮

8、色的滲碳體被黑色邊界所“吞食”，而成為細黑條，這時看到珠光體是寬白條鐵素體和細黑條滲碳體的相間混合物；在低倍(200×以下)下觀察時，連寬白條的鐵素體和細黑條的滲碳體也很難分辨，這時珠光體為黑色塊狀組織。（4）變態(tài)萊氏體(Ld) 變態(tài)萊氏體是珠光體和滲碳體所組成的多相混合物。經(jīng)3%5%硝酸酒精溶液浸蝕后，變態(tài)萊氏體的組織特征是，在白亮色的滲碳體基體上相間分布著黑色點(塊)狀或條狀珠光體。2室溫下鐵碳合金的平衡組織（1）工業(yè)純鐵 工業(yè)純鐵中碳的質(zhì)量分數(shù)小于0.0218%，其組織為單相鐵素體，呈白亮色的多邊形晶粒，晶界呈黑色的網(wǎng)絡，晶界上有時分布著微量的三次滲碳體(Fe3C )。工業(yè)純鐵

9、的顯微組織如圖1-2所示。材料名稱：工業(yè)純鐵處理方法：退火浸濕劑： 4%硝酸酒精溶液放大倍數(shù)：500×顯微組織：全部為F 圖1-2 工業(yè)純鐵的顯微組織(2) 亞共析鋼 亞共析鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)為0.0218%0.77%，其組織為鐵素體和珠光體。隨著鋼中含碳量的增加，珠光體的相對量逐漸增加，而鐵素體的相對量逐漸減少。20鋼、45鋼、60鋼的顯微組織如圖1-3所示。 材料名稱：20鋼處理方法：退火浸濕劑： 4%硝酸酒精溶液放大倍數(shù)：200×顯微組織：F（白塊）P（黑塊） 材料名稱：45鋼處理方法：退火浸濕劑： 4%硝酸酒精溶液放大倍數(shù)：200×顯微組

10、織：F（白塊）P（黑塊） 材料名稱：60鋼處理方法：退火浸濕劑： 4%硝酸酒精溶液放大倍數(shù)：200×顯微組織：F（白塊）P（黑塊） 圖1-3 亞共析鋼的顯微組織(3)共析鋼 共析鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)為0.77%，其室溫組織為單一的珠光體。共析鋼(T8鋼)的顯微組織如圖1-4所示。(4) 過共析鋼 過共析鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)為0.77%2.11%，在室溫下的平衡組織為珠光體和二次滲碳體。其中，二次滲碳體呈網(wǎng)狀分布在珠光體的邊界上。T12鋼的顯微組織如圖1-5所示。 材料名稱：T8鋼處理方法：退火浸濕劑： 4%硝酸酒精溶液放大倍數(shù)：500×顯微組織：P（層片狀） &

11、#160;圖1-4 T8鋼的顯微組織 材料名稱：T12鋼處理方法：退火浸濕劑： 4%硝酸酒精溶液放大倍數(shù)：400×顯微組織：P（層片狀）Fe3C（網(wǎng)狀） 圖1-5 T12鋼的顯微組織(5) 亞共晶白口鑄鐵 亞共晶白口鑄鐵中碳的質(zhì)量分數(shù)為2.11%4.3%，室溫下的顯微組織為珠光體、二次滲碳體和變態(tài)萊氏體。其中，變態(tài)萊氏體為基體，在基體上呈較大的黑色塊狀或樹枝狀分布的為珠光體，在珠光體枝晶邊緣有一層白色組織為二次滲碳體。亞共晶白口鑄鐵的組織如圖1-6所示。(6) 共晶白口鑄鐵 共晶白口鑄鐵中碳的質(zhì)量分數(shù)為4.3%，其室溫下的顯微組織為變態(tài)萊氏體，其中，滲碳體為白亮色

12、基體，而珠光體呈黑色細條及斑點狀分布在基體上。共晶白口鑄鐵的顯微組織如圖1-7所示。(7) 過共晶白口鑄鐵 過共晶白口鑄鐵中碳的質(zhì)量分數(shù)為4.3%6.69%，室溫下的顯微組織為變態(tài)萊氏體和一次滲碳體。一次滲碳體呈白亮色條狀分布在變態(tài)萊氏體的基體上。過共晶白口鑄鐵的顯微組織如圖1-8所示。材料名稱：亞共晶白口鑄鐵處理方法：鑄態(tài)浸濕劑： 4%硝酸酒精溶液放大倍數(shù)：400×顯微組織：P（黑色塊狀或枝狀）Fe3CLd 圖1-6 亞共晶白口鑄鐵的顯微組織材料名稱：共晶白口鑄鐵處理方法：鑄態(tài)浸濕劑： 4%硝酸酒精溶液放大倍數(shù)：400×顯微組織：Ld（黑色塊、點狀為P+白色為Fe3C基體

13、）           圖1-7 共晶白口鑄鐵的顯微組織材料名稱：過共晶白口鑄鐵處理方法：鑄態(tài)浸濕劑： 4%硝酸酒精溶液放大倍數(shù)：200×顯微組織：Fe3C（白色寬長條）+ Ld       圖1-8 過共晶白口鑄鐵的顯微組織三、 實驗設備及金相試樣1金相顯微鏡金相顯微鏡的型式很多，最常見的有臺式、立式、臥式三大類。金相顯微鏡一般由光學系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和機械系統(tǒng)三部分組成，有的金相顯微鏡還附有攝影裝置。常用于

14、鑒別和分析各種金屬和合金的組織結構，可廣泛應用于在工廠或?qū)嶒炇疫M行鑄件質(zhì)量的鑒定，原材料的檢驗或?qū)Σ牧咸幚砗蠼鹣嘟M織的研究分析等工作。圖1-9 4X型金相顯微鏡的外形結構圖（1）金相顯微鏡的組成與結構4X型金相顯微鏡的外形結構如圖1-9所示。整個鏡體平穩(wěn)地安裝在圓盤形的底坐上。圓盤中空，內(nèi)有低壓鎢絲燈作光源，利用燈座的偏心圈將燈泡緊固。燈前有聚光鏡組、反光鏡和孔徑光欄，三者成一組件，安裝在支架上。在顯微鏡體的兩側有粗動和微動調(diào)焦手輪，兩者在同一部位。轉動粗調(diào)手輪能使載物臺迅速上升或下降，達到粗略調(diào)焦的目的；轉動微調(diào)手輪可使物鏡作緩慢的升降移動，達到精確調(diào)焦的目的。在粗調(diào)手輪的一側有制動裝置，用

15、以固定調(diào)焦正確后載物臺的位置。載物臺是用來放置金相樣品的，它和下面的托盤之間有導架，用手推動可改變試樣的觀察部位。物鏡安裝在物鏡轉換器上。轉換器上可同時安裝三個不同放大倍數(shù)的物鏡，通過轉換器的轉動可使各物鏡進入光路，和目鏡配合改變顯微鏡的放大倍數(shù)?？讖焦鈾谟靡哉{(diào)節(jié)入射光束的粗細，以保證物象達到清晰的程度。視場光欄用以調(diào)節(jié)視場區(qū)域的大小。4X型金相顯微鏡的放大倍數(shù)如表1-1所列。 表1-1 4X型金相顯微鏡的放大倍數(shù) 目 鏡物 鏡 5×10×12.5×10×50×100×125×40×200×400

16、5;500×100×500×1000×1250×（2）金相顯微鏡的工作原理圖1-10 4X型金相顯微鏡的光學系統(tǒng)4X型臺式金相顯微鏡的光學系統(tǒng)如圖1-10所示。由燈泡1發(fā)出的光線經(jīng)聚光透鏡組2及反光鏡8聚集到孔徑光欄9，再經(jīng)過聚光鏡3聚集到物鏡后焦面，最后通過物鏡平行照射到試樣7的表面上。從試樣反射回來的光線復經(jīng)物鏡組6和輔助透鏡5，由半反射鏡4轉向，經(jīng)過輔助透鏡11以及棱鏡12造成一個被觀察物體的倒立的放大實象，該象再經(jīng)過目鏡15的放大，就成為在目鏡視場中能看到的放大虛象。 2金相試樣實驗用各種鐵碳合金的顯微樣品如表1-2所列。 表1-2 實

17、驗用各種鐵碳合金的顯微樣品編 號材料名稱處理方法顯微組織浸蝕劑1工業(yè)純鐵退火F4%硝酸酒精溶液220鋼退火F+P4%硝酸酒精溶液345鋼退火F+P4%硝酸酒精溶液460鋼退火F+P4%硝酸酒精溶液5T8鋼退火P4%硝酸酒精溶液6T12鋼退火P+Fe3C4%硝酸酒精溶液7亞共晶白口鐵鑄態(tài)P+Fe3C+ Ld4%硝酸酒精溶液8共晶白口鐵鑄態(tài)Ld4%硝酸酒精溶液9過共晶白口鐵鑄態(tài)Ld+Fe3C4%硝酸酒精溶液3金相照片表1-2中所列鐵碳合金樣品的顯微組織放大照片一套。四、 實驗步驟及數(shù)據(jù)記錄1在教師指導下，熟悉金相顯微鏡的基本結構，并對其進行簡單的操作。 2在顯微鏡下認真觀察表1-2中所列樣品的顯微

18、組織，識別各種顯微組織特征，并觀察分析含碳量對組織的影響。 3在金相顯微鏡下選擇各試樣顯微組織的典型區(qū)域，并根據(jù)組織特征描繪出其顯微組織示意圖。 4記錄所觀察的各試樣名稱、顯微組織、浸蝕劑、放大倍數(shù)及組織特征，并用引線標出各顯微組織示意圖中組織組成物的名稱。 5估算所觀察的各亞共析碳鋼顯微組織中各組織組成物的相對量，并利用所學的杠桿原理加以驗證。 觀察各鐵碳合金樣品的顯微組織，在20mm的圓內(nèi)畫出其顯微組織示意圖，用引線和符號標出其各種組織的名稱，并填寫出材料名稱、金相顯微組織、處理方法、放大倍數(shù)、浸蝕劑。金相顯微組織記錄格式如圖1-11所示。 材料名稱 金相組織 處理方法 放大倍數(shù) 浸 蝕

19、劑 圖1-11 金相顯微組織記錄格式5 實驗注意事項 1在觀察顯微組織時，可先用低倍全面地進行觀察，找出典型組織，然后再用高倍放大，對部分區(qū)域進行詳細觀察。 2在移動金相試樣時，不得用手指觸摸試樣表面或?qū)⒃嚇颖砻嬖谳d物臺上滑動，以免引起顯微組織模糊不清，影響觀察效果。 3畫組織示意圖時，應抓住組織形態(tài)的特點，畫出典型區(qū)域的組織。注意不要將磨痕或雜質(zhì)畫在圖上。6 實驗報告內(nèi)容及要求1用鉛筆畫出各種鐵碳合金樣品的顯微組織示意圖，用引線和符號標出其各種組織的名稱，并填寫出顯微組織的有關說明信息。 2根據(jù)所觀察的組織，分析說明含碳量對鐵碳合金平衡組織和性能的影響。3在鐵碳合金的顯微組織中觀察到的鐵素體

20、和滲碳體有哪幾種形態(tài)？它們分別在什么情況下存在？第二部分 鐵碳合金的平衡組織顯微觀察一、實驗目的1. 觀察和研究碳鋼經(jīng)不同形式熱處理后顯微組織的特點。2. 了解熱處理工藝對鋼組織和性能的影響。二、概述表3-1 共析碳鋼（T8）過冷奧氏體在不同溫度轉變的組織及性能轉變類型組織名稱形成溫度范圍（）金相顯微組織特征硬度（HBC）珠光體型相變珠光體（P）<650 在400500倍金相顯微鏡下可觀察到鐵素體和滲碳體的片層狀組織20（HB180200）索氏體（S）600650在8001000倍以上的顯微鏡下才能分清片層狀特征，在低倍下片層模糊不清2535屈氏體（T）550600 用光學顯微鏡觀察時呈

21、黑色團狀組織，只有在電子顯微鏡（500015000×）下才能看出片層組織3540貝氏體型相變上貝氏體（B上）350550 在金相顯微鏡下呈暗灰色的羽毛狀特征4048下貝氏體（貝下）220350 在金相顯微鏡下呈黑色針葉狀特征4858馬氏體型相變馬氏體（M）<230 在正常淬火溫度下呈細針狀馬氏體（隱晶馬氏體），過熱淬火時則呈粗大片狀馬氏體6265 鐵碳合金經(jīng)緩冷后的顯微組織基本上與鐵碳相圖所預料的各種平衡組織相符合，但碳鋼在不平衡狀態(tài)，即在快冷條件下的顯鏡組織就不能用鐵碳合金相圖來加以分析，而應由過冷奧氏體等溫轉變曲線圖C曲線來確定。圖3-1為共析碳鋼的C曲線圖。按照不同的冷卻

22、條件，過冷奧氏體將在不同的溫度范圍發(fā)生不同類型的轉變。通過金相顯微鏡觀察，可以看出過冷奧氏體各種轉變產(chǎn)物的組織形態(tài)各不相同。共析碳鋼過冷奧氏體在不同溫度轉變的組織特征及性能如表3-1所示。圖3-1 共析碳鋼的C曲線三、鋼的退火的正火組織亞共析成分的碳鋼（如40、45鋼等）一般采用完全退火，經(jīng)退火后可得到接近于平衡狀態(tài)的組織，其組織特征已在實驗一中加以分析和觀察。過共析成分的碳素工具鋼（如T10、T12鋼等）一般采用球化退火，T12鋼經(jīng)球化退火后組織中的二次滲碳體及珠光體中的滲碳體都將變成顆粒狀，如圖3-2所示。圖中均勻而分散的細小粒狀組織就是粒狀滲碳體。45鋼經(jīng)正火后的組織通常要比退火的細，珠

23、光體的相對含量也比退火組織中的多，如圖3-3所示，原因在于正火的冷卻速度稍大于退火的冷卻速度。 圖3-2 T12鋼球化退火組織 圖3-3 45鋼經(jīng)正火后的組織四、鋼的淬火組織將45鋼加熱到760（即以上，但低于），然后在水中冷卻，這種淬火稱為不完全淬火。根據(jù)Fe-Fe3C相圖可知，在這個溫度加熱，部分鐵素體尚未溶入奧氏體中，經(jīng)淬火后將得到馬氏體和鐵素體組織。在金相顯微鏡中觀察到的是呈暗色針狀馬氏體基底上分布有白色塊狀鐵素體，如圖3-4所示。45鋼經(jīng)正常淬火后將獲得細針狀馬氏體，如圖3-5所示。由于馬氏體針非常細小，在顯微鏡中不易分清。若將淬火溫度提高到1000（過熱淬火），由于奧氏體晶粒的粗化

24、，經(jīng)淬火后將得到粗大針狀馬氏體組織，如圖2-6所示。若將45鋼加熱到正常淬火溫度，然后在油中冷卻，則由于冷卻速度不足（<K），得到的組織將是馬氏體和部分屈氏體（或混有少量貝氏體）。圖3-7為45鋼經(jīng)加熱到800保溫后油冷的顯微組織，亮白色為馬氏體，呈黑色塊狀分布于晶界處的為屈氏體。T12鋼在正常溫度淬火后的顯微組織如圖3-8所示，除了細小的馬氏體外尚有部分未溶入奧氏體中的滲碳體（呈亮白顆粒）。當T12鋼在較高溫度淬火時，顯微組織出現(xiàn)粗大的馬氏體，并且還有一定數(shù)量（1530%）的殘余奧氏體（呈亮白色）存在于馬氏體針之間，如圖3-9所示。 圖3-4 45鋼不完全淬火組織 圖3-5 45鋼正常

25、淬火組織 圖3-6 45鋼過熱淬火組織 圖3-7 45鋼800油冷的顯微組織 圖3-8 T12鋼在正常溫度淬火后的顯微組織 圖3-9 T12鋼過熱淬火組織五、淬火后的回火組織鋼經(jīng)淬火后所得到的馬氏體和殘余奧氏體均為不穩(wěn)定組織，它們具有向穩(wěn)定的鐵素體和滲碳體的兩相混合物組織轉變的傾向。通過回火將鋼加熱，提高原子活動能力，可促進這個轉變過程的進行。淬火鋼經(jīng)不同溫度回火后所得到的組織不同，通常按組織特征分為以下三種：1. 回火馬氏體淬火鋼經(jīng)低溫回火（150250），馬氏體內(nèi)的過飽和碳原子脫溶沉淀，析出與母相保持著共格聯(lián)系的碳化物，這種組織稱為回火馬氏體?；鼗瘃R氏體仍保持針片狀特征，但容易受浸蝕，故顏

26、色要比淬火馬氏體深些，是暗黑色的針狀組織，如圖3-10所示。圖3-10 45鋼低溫回火組織2. 回火屈氏體淬火鋼經(jīng)中溫回火（350500）得到在鐵素體基體中彌散分布著微小粒狀滲碳體的組織，稱為回火屈氏體。回火屈氏體中的鐵素體仍然基本保持原來針狀馬氏體的形態(tài)，滲碳體則呈細小的顆粒狀，在光學顯微鏡下不易分辨清楚，故呈暗黑色，如圖3-11(a)所示。用電子顯微鏡可以看到這些滲碳體質(zhì)點，并可以看出回火屈氏體仍保持有針狀馬氏體的位向，如圖3-11（b）所示。 （a）金相照片 （b）電鏡照片 圖3-11 45鋼4000C回火組織3. 回火索氏體淬火鋼高溫回火（500650）得到的組織稱為回火索氏體，其特征

27、是已經(jīng)聚集長大了的滲碳體顆粒均勻分布在鐵素體基體上，如圖3-12(a)所示。用電子顯微鏡可以看出回火索氏體中的鐵素體已不呈針狀形態(tài)而成等軸狀，如圖2-12(b)所示。 （a）金相照片 （b）電鏡照片 圖3-11 45鋼6000C回火組織六、實驗方法指導1. 實驗內(nèi)容及步驟1) 每組領取一套樣品，在指定的金相顯微鏡下進行觀察。觀察時根據(jù)Fe-Fe3C相圖和奧氏體等溫轉變圖來分析確定各種組織的形成原因。2). 畫出所觀察到的幾種典型的顯微組織形態(tài)特征，并注明組織名稱、熱處理條件及放大倍數(shù)等。3) 本實驗所研究的45鋼及T12鋼的熱處理工藝、顯微組織、浸蝕劑及放大倍數(shù)列于表3-2。表3-2 45鋼和

28、T12鋼經(jīng)不同熱處理后的顯微組織編號熱處理工藝顯微組織特征放大倍數(shù)12345678910111245鋼：退火：860爐冷正火：860空冷淬火：760水冷 860水冷 860油冷 1000水冷860水淬和200回火860水淬和400回火860水淬和600回火T12鋼退火：760球化淬火：780水冷1000水冷珠光體+鐵素體（呈亮白色塊狀）細珠光體+鐵素體（塊狀）針狀馬氏體+部分鐵素體（白色塊狀）細針馬氏體+殘余奧氏體（亮白色）細針馬氏體+屈氏體（暗黑色塊狀）粗針狀馬氏體+殘余奧氏體（亮白色）細針狀回火馬氏體（針呈暗黑色）針狀鐵素體+不規(guī)則粒狀滲碳體等軸狀鐵素體+粒狀滲碳體鐵素體+球狀滲碳體（細粒

29、狀）細針馬氏體+粒狀滲碳體（亮白色）粗片馬氏體+殘余奧氏體（亮白色）400×500×500×500×500×500×500×500×500×400×500×500× 2. 實驗設備及材料1) 金相顯微鏡；2) 金相圖譜及放大金相圖片；3) 各種經(jīng)不同熱處理的顯微樣品。3. 注意事項1) 對各類不同熱處理工藝的組織，觀察時可采用對比的方式進行分析研究，例如正常淬火與不正常淬火，水淬與油淬，淬火馬氏體與回火馬氏體等。2) 對各種不同溫度回火后的組織，可采用高倍放大進行觀察，必要時

30、參考有關金相圖譜。4. 實驗報告要求1). 明確本次實驗目的。2) 畫出幾種典型的顯微組織圖。3) 分析樣品3與4，3與5，4與5，4與7的異同處，并說明原因。實驗二 鋼的熱處理及硬度測量第一部分 硬度測量一、 實驗目的1了解布氏硬度計、洛氏硬度計的基本原理及使用方法2初步建立碳鋼的含碳量與其硬度間的關系和熱處理能改變材料硬度的概念。3根據(jù)不同材料的性能特點，正確選擇硬度測定的方法。二、 實驗原理硬度是指一種材料抵抗另一較硬的具有一定形狀和尺寸的物體(金剛石壓頭或鋼球)壓入其表面的抗力。由于硬度試驗簡單易行，又無損于零件，因此在生產(chǎn)和科研中應用十分廣泛。另外，硬度和抗拉強度之間有近似的正比關系

31、：b=K·HB(Mpa)式中K為系數(shù)，對不同材料和其不同的熱處理狀態(tài)K值不同。例如碳鋼的K值為3.53，調(diào)質(zhì)狀態(tài)的合金鋼為3.33，鑄鋁為2.55。 常用的硬度計有： 洛氏硬度計：主要用于金屬材料熱處理后的產(chǎn)品性能檢驗； 布氏硬度計：應用于黑色、有色金屬原材料檢驗，也可測退火、正火后試件的硬度；維氏硬度計：應用于薄板材料及材料表層的硬度測定，以及較精確的硬度測定；顯微硬度計：主要應用于測定金屬材料的顯微組織及各組成相的硬度。本實驗重點介紹最常用的洛氏硬度試驗法。1 洛氏硬度試驗 （1）原理 洛氏硬度試驗，是用特殊的壓頭(金剛石壓頭或鋼球壓頭)，在先后施加兩個載荷(預載荷和總載荷)的作

32、用下壓人金屬表面來進行的?？傒d荷P為預載荷P。和主載荷P1之和，即P=P。+ P1。 洛氏硬度值是施加總載荷P并卸除主載荷P。后，在預載荷R繼續(xù)作用下，由主載荷P。引起的殘余壓人深度e來計算（圖21）。圖2-1 洛氏硬度測量原理示意圖圖中，h。表示在預載荷P。作用下壓頭壓入被試材料的深度，h1表示施加總載荷P并卸除主載荷P1，但仍保留預載荷P。時，壓頭壓入被試材料的深度。 深度差e=h1-h。，該值用來表示被測材料硬度的高低。在實際應用中，為了使硬的材料得出的硬度值比軟的材料得出的硬度值高，以符合一般的習慣，將被測材料的硬度值用公式加以適當變換。即 HR=K-(h1一h。)/C式中，K為一常數(shù)

33、，其值在采用金剛石壓頭時為02，采用鋼球壓頭時為026，C為另一常數(shù)，代表指示器讀數(shù)盤每一刻度相當于壓頭壓人被測材料的深度，其值為0002mm。HR為標注洛氏硬度的符號。當采用金剛石壓頭及147lN(150kgf)的總載荷試驗時，應標注HRC；當采用鋼球壓頭及9807N(100kgf)總載荷試驗時，則應標注HRB。 HR值為一無名數(shù)，測量時可直接由硬度計表盤讀出。表盤上有紅、黑兩種刻度，紅線刻度的30和黑線刻度的0相重合。為了擴大洛氏硬度的測量范圍，可采用不同壓頭和總載荷配成不同的洛氏硬度標度，每一種標度用同一個字母在洛氏硬度符號HR后加以注明，常用的有HRA、HRB、HRC等三種。（2）洛氏

34、硬度計的構造及操作洛氏硬度計類型較多，外形構造也各不相同，但構造原理及主要部件均相同。洛氏硬度計操作方法如下：1) 按表2-1選擇壓頭及載荷； 2) 根據(jù)試樣大小和形狀選用載物臺；3) 試樣上下兩面磨平，然后置于載物臺上；4) 加預載，按順時針方向轉動升降機構的手輪，使試樣與壓頭接觸，并觀察讀數(shù)百分表上小針移動至小紅點為止； 5) 調(diào)整讀數(shù)表盤，使百分表盤上的長針對準硬度值的起點。如：試驗HRC，HRA硬度時，把長針與表盤上黑字c處對準；試驗HRB時，使長針與表盤上紅字B處對準； 6) 加主載，平穩(wěn)地扳動加載手柄，手柄自動升高至停止位置(時間為57s)并停留10s； 7) 卸主載，扳回加載手柄

35、至原來位置；8) 讀硬度值，表上長針指示的數(shù)字為硬度的讀數(shù)，HRZC、HRA讀黑色數(shù)字，HRB讀紅色數(shù)字； 9) 下降載物臺，當試樣完全離開壓頭后，才可取下試樣；10) 用同樣的方法在試樣的不同位置測三個數(shù)據(jù)，取其算術平均值為試樣的硬度。各種洛氏硬度值之間，洛氏硬度與布氏硬度間都有一定的換算關系。對于鋼鐵材料大致有下列關系式：HRC=2HRA -104 HB=10HRC (HRC=4060范圍) HB=2HRB表2-1 選定壓頭及載荷的選擇符號 壓頭負荷kgf硬度值的范圍使用范圍HRA 1200金剛石圓錐60>70測硬質(zhì)合金、淬火層、滲碳層、氮化層等零部件HRB 2.5或5鋼球 1002

36、5-100 (HB60-230)測有色金屬、退火、正火、回火等零部件HRC1200金剛石圓錐15020-67 (HB230-700)測調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等零部件2 布氏硬度試驗 (1) 原理 用載荷P把直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓入試件表面，并保持一定時間，而后卸除載荷，測量鋼球在試樣表面上所壓出的壓痕直徑d，從而計算出壓痕球面積F，然后再計算出單位面積所受的力(PF值)用此數(shù)字表示試件的硬度值，即為布氏硬度，用符號HB表示。布氏硬度試驗原理如圖22所示。 圖2-2 布氏硬度計測量原理示意圖由于金屬材料有硬有軟，工件有厚有薄，有大有小，為適應不同的情況，布氏硬度的鋼球有2.5mm、5mm、10

37、mm三種。載荷有153N、613N、1839N、2452N、7355N、9807N、29420N(即156kgf、625kgf、1875kgf、250kgf、750kgf、1000kgf、3000kg)等七種。當采用不同大小的載荷和不同直徑的鋼球進行布氏硬度試驗時，只要能滿足PD2。為常數(shù)，則同一種材料測得的布氏硬度值是相同的。而不同材料所測得的布氏硬度值也可進行比較。國家標準規(guī)定PD2的比值為30，10，25三種。根據(jù)金屬材料種類，試樣硬度范圍和厚度的不同，按照表2-2中的規(guī)范選擇鋼球直徑D，載荷P及載荷保持時間。在試樣厚度和截面大小允許的情況下，盡可能選用直徑大的鋼球和大的載荷，這樣更易反

38、映材料性能的真實性。另外，由于壓痕大，測量的誤差也小。所以，測定鋼的硬度時，盡可能采用10mm鋼球和29420N的載荷。試驗后的壓痕直徑應在0.2D<d<0.6D的范圍內(nèi)，否則試驗結果無效。這是因為若d值太小，靈敏度和準確性將隨之降低；若d值太大，壓痕的幾何形狀不能保持相似的關系，影響試驗結果的準確性。表2-2 布氏硬度實驗規(guī)范材料硬度范圍HB試樣厚度 (mm)載荷P（kgf)鋼球直徑D(mm)P/D2載荷保持時間（秒）黑色金屬140-4506-330001030104-27505<2187.52.5<140>61000101010 6-32505<362.

39、52.5銅、鎂合金36-130>610001010306-32505<362.52.5鋁合金及軸承合金8-35>6250102.5306-362.55<315.62.5由測量的壓痕直徑查表即得試樣硬度值。 布氏硬度值的表示方法是：壓頭為鋼球時用HBS，壓頭用硬質(zhì)合金時用HBW。若用10mm鋼球，在29420N載荷下保持l0s，測得布氏硬度值為400時，可表示為400HBS，若用硬質(zhì)合金球為壓頭，則表示為400HBW。 在其他試驗條件下，符號HB應以相應的指數(shù)注明鋼球直徑、載荷大小及載荷保持的時間。例如，100HB525030即表示：用5mm直徑鋼球，在2452N(250

40、kgf)載荷下保持30s時，所測得的布氏硬度為100。(2) 布氏硬度試驗的優(yōu)缺點因布氏硬度試驗壓痕面積較大，其硬度值較全面反映材料硬度。因此特別適用于測定灰口鑄鐵、軸承合金和具有粗大晶粒的金屬材料，試驗數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，重復性也好。布氏硬度用的壓頭是淬火鋼球。由于鋼球本身存在變形和硬度問題，所以不能測試太硬的材料，一般大于450HB的材料即不能使用。布氏硬度壓痕較大，產(chǎn)品檢驗時有困難。試驗過程比洛氏硬度復雜，不能在硬度計上直接讀數(shù)，還需用帶刻度的低倍放大鏡測出壓痕直徑，然后通過查表或計算才能得到布氏硬度值。布氏硬度試驗常用于測定鑄鐵、有色金屬、低合金結構鋼等的原材料以及結構鋼調(diào)質(zhì)后的硬度。三實驗內(nèi)

41、容1 熟悉硬度計的結構原理和操作步驟，根據(jù)試樣材料及厚度選取硬度計及實驗參數(shù)。2 測定所給試樣的硬度值（每塊試樣共測三點，計算后兩次實驗得出硬度值的平均值），并做好記錄。四實驗報告1 簡述洛氏硬度和布氏硬度試驗原理2 實驗結果試驗材料及熱處理狀態(tài)試驗規(guī)范實驗結果第一次第二次第三次平均值3 根據(jù)所測材料硬度值，分析碳鋼含碳量與硬度的關系，并畫出其關系曲線。第二部分 鋼的熱處理實驗一、實驗目的和要求1.熟悉熱處理設備和硬度計的操作和使用。2.了解鋼的熱處理工藝（正火、退火、淬火、回火）的作用。3.了解加熱溫度和冷卻速度對鋼組織結構和機械性能的影響及各種鋼材的熱處理狀況。4.熟悉常規(guī)熱處理工藝并利用

42、所學相關知識對熱處理缺陷進行分析。二、實驗內(nèi)容本次實驗鼓勵同學們以組為單位領取不同的材料（45鋼、T10鋼），根據(jù)實驗室現(xiàn)有資源合理設計實驗步驟。組和組之間互相討論與對比，對實驗結果進行綜合分析，本實驗需要綜合運用熱處理工藝、硬度測量、金相組織分析等知識。三、儀器、設備和材料1.箱式電阻爐及控溫儀表2.熱處理實驗用45鋼、T10鋼試樣一套，試樣大小均為20×18mm。3.冷卻劑：水4.砂輪機或砂紙四、實驗原理熱處理是一種很重要的金屬加工工藝方法，也是充分發(fā)揮金屬材料性能潛力的重要手段。熱處理的主要目的是改變鋼的性能，其中包括使用性能和工藝性能。鋼的熱處理工藝特點是將鋼加熱到一定的溫度

43、，經(jīng)過一定時間的保溫，然后以某種冷卻速度冷卻下來，通過這樣的工藝過策劃那個能使鋼的性能發(fā)生改變。熱處理之所以能使鋼的性能發(fā)生顯著變化，主要是由于鋼的內(nèi)部組織結構可以發(fā)生一系列的變化。采用不同的熱處理工藝過程，將會使鋼得到不同的組織結構，從而獲得所需要的性能。4.1鋼的退火和正火鋼的退火通常是把鋼加熱到臨界溫度Ac1或Ac3以上3050，保溫一段時間，然后緩慢地隨爐冷卻。此時奧氏體在高溫區(qū)發(fā)生分解而得到比較接近平衡狀態(tài)的組織。一般中碳鋼（如40，45鋼）經(jīng)退火后組織穩(wěn)定，硬度較低（HB180220）有利于進行切削加工。正火則是將鋼加熱到Ac3或Acm以上3050，保溫后冷卻空冷。由于冷卻速度稍快

44、，與退火組織相比，組織中的珠光體相對量較多，且片層較細密，所以性能有所改善。對低碳鋼來說，正火后提高硬度可改善切削加工性，提高零件表面光潔度；而對于高碳鋼則正火可消除網(wǎng)狀滲碳體，為下一步球化退火及淬火做準備。不同碳含量的碳鋼在退火及正火狀態(tài)下的強度和硬度值如表1所示。4.2 鋼的淬火 淬火是將鋼加熱到Ac3或Ac1以上3050，保溫后放入各種不同冷卻介質(zhì)中快速冷卻，以獲得馬氏體組織。碳鋼經(jīng)淬火后的各種組織是由馬氏體及一定數(shù)量的殘余奧氏體所組成。1.淬火溫度的選擇正確選定加熱溫度是保證淬火質(zhì)量的重要一環(huán)。淬火時的具體加熱溫度主要取決于鋼的含碳量，可根據(jù)相圖確定。對亞共析鋼，其加熱溫度為Ac3+3

45、050度，若加熱溫度不足（低于Ac3）,則淬火組織中將出現(xiàn)鐵素體而造成強度及硬度的降低。對過共析鋼，加熱溫度為Ac1+3050，淬火后可得到細小的馬氏體與粒狀滲碳體。后者存在可提高鋼的硬度和耐磨性。過高的加熱溫度（如超過Acm）不僅無助于強度、硬度的增加，反而會由于產(chǎn)生過多的殘余奧氏體而導致硬度和耐磨性的下降。需要指出，不論在退火、正火及淬火時，均不能任意提高加熱溫度。溫度過高晶粒容易長大，而且增加強化脫碳和變形傾向。各種不同成分碳鋼的臨界溫度列于表2中。2.保溫時間的確定 淬火加熱時間實際上是將試樣加熱到淬火溫度所需的時間及在淬火溫度停留所需時間的綜合。加熱時間與鋼的成分、工件的形狀尺寸、所

46、需的加熱介質(zhì)加熱方法等因素有關，一般那按照經(jīng)驗公式難以估算，碳鋼在電爐中加熱時間的計算列于表3表3 碳鋼在箱式爐中加熱時間的確定加熱溫度（）工作形狀圓柱形方形板形保溫時間分鐘/每毫米直徑分鐘/每毫米厚度分鐘/每毫米厚度7001.52.238001.01.529000.81.21.610000.40.60.83.冷卻速度的影響冷卻是淬火的關鍵工序，它直接影響到鋼淬火后的組織和性能。冷卻時應使冷卻速度大于臨界冷卻速度，以保證獲得馬氏體組織；在這個前提下又應盡量緩慢冷卻，以減小應力，防止變形和開裂。為此，可根據(jù)C曲線（如圖1-1所示），使淬火工件在過冷奧氏體最不穩(wěn)定的溫度范圍（650550）進行快冷

47、（即與C曲線的“鼻尖”相切），而在較低溫度（300100）時的冷卻速度則盡可能小些。圖1-1 C曲線為了保證淬火效果，應選用適當?shù)睦鋮s介質(zhì)（如水、油等）和冷卻方法（如雙液淬火、分級淬火等）。不同的冷卻介質(zhì)不同的溫度范圍內(nèi)的冷卻能力有所差別。各種冷卻介質(zhì)的特性見表4。表4 幾種常用淬火介質(zhì)的冷卻能力冷卻介質(zhì)在下列溫度范圍內(nèi)的冷卻速度（/秒）65055030020018的水60027026的水50027050的水10027074的水3020010%NaCl水溶液（18）110030010%NaOH水溶液（18）120030010%NaOH水溶液（18）800270蒸餾水（50）250200硝酸鹽（200）35010菜籽油（50）20035礦物機油（50）15030變壓器油（50）120253.鋼的回火 鋼經(jīng)淬火后得到的馬氏體組織質(zhì)硬而脆，并且工件內(nèi)部存在很大的內(nèi)應力，如果直接進行磨削加工往往出現(xiàn)龜裂；一些精密的零件在使用過程中將會引起尺寸變化而失去精度，甚至開裂。因此，淬火鋼必須經(jīng)過回火處理。不同的回火工藝可以使鋼獲得所需的各種不同性能。表5為45鋼淬火后經(jīng)不同溫度回火后的組織性能。對碳鋼來說，回火工藝的選擇主要是考慮回火溫度和保溫時間這兩個因素?；鼗饻囟龋涸趯嶋H生產(chǎn)中通常以圖紙上所需要的硬度要求作為選擇回火溫度的依據(jù)。各種