機械制造技術基礎111015

1、機械制造技術基礎實 驗 指 導 書材料實驗室 編 寫適用專業(yè): 工業(yè)工程 物流管理 工商管理江蘇科技大學材料科學與工程學院2008年9月前 言本課程是管理類專業(yè)一門主要學科基礎課，實驗內(nèi)容是:鋼的熱處理工藝操作、硬度測試及熱處理后組織觀察綜合實驗，通過實驗教學,可使學生掌握碳鋼基本熱處理工藝操作方法及性能測試,學會識別普通碳鋼熱處理后的顯微組織形貌特征，訓練及培養(yǎng)學生分析判斷材料成分、組織、性能之間相互關系的綜合能力。 實驗1：鋼的熱處理工藝操作、硬度測試及熱處理后組織觀察實驗學時：4實驗類型：綜合實驗要求：選修一、實驗目的（1） 了解碳鋼的熱處理操作；（2） 研究碳鋼加熱溫度、冷卻速度、回火

2、溫度對鋼性能的影響；（3） 觀察熱處理后的組織及其變化；（4） 了解硬度計的原理、初步掌握洛氏硬度計的使用。二、實驗內(nèi)容1、按表1中的熱處理工藝進行操作，并對熱處理后的各樣品進行硬度測定,將硬度值填入表1中。表1 各種熱處理工藝加熱溫度45鋼 T12冷卻方式20鋼45鋼T12鋼學號硬度學號硬度學號硬度920水冷780水冷860 780灰冷860 780空冷860 780油冷860 水冷45鋼回火工藝學 號回火溫度200300400500600回火前硬度回火后硬度注：保溫時間可按1分鐘/每毫米直徑計算；回火保溫時間均為30分鐘，然后取出空冷。2、觀察下列表2熱處理后的金相試樣，并畫出組織示意圖。

3、表2 熱處理后的金相試樣編號鋼號處理狀態(tài)顯微組織腐蝕劑120920水淬板條M4%硝酸酒精245退火F + P 4%硝酸酒精345正火F + P4%硝酸酒精445860油淬M + B上 + T + F少4%硝酸酒精545860水淬M4%硝酸酒精645780水淬M + F4%硝酸酒精7T121000水淬+180回火竹葉狀M + Ar4%硝酸酒精8T12780水淬隱晶M+顆粒狀Fe3C+Ar4%硝酸酒精9T12780水淬+180回火回火M + 顆粒狀Fe3C4%硝酸酒精10T12760球化退火球狀P4%硝酸酒精1145860水淬低溫回火回火M4%硝酸酒精1245860水淬中溫回火回火T4%硝酸酒精1

4、345860水淬高溫回火回火S4%硝酸酒精三、實驗原理、方法和手段（一） 鋼的熱處理工藝：鋼的熱處理基本工藝有退火、正火、淬火和回火。進行熱處理時，加熱是第一道工序，目的是為了得到奧氏體，因為鋼的最終組織珠光體、貝氏體 和馬氏體都是由奧氏體轉(zhuǎn)變來的。二是保溫、目的使奧氏體均勻化。三是冷卻，是改變組織和性能的重要因素。因此，正確選擇三個基本因素是熱處理成功的基本保證。1 加熱溫度的選擇（1）退火加熱溫度：根據(jù)Fe-Fe3C相圖確定。對亞共析鋼，其加熱溫度為；共析鋼和過共析鋼加熱至AC1+（2030）（球化退火），目的是得到球狀滲碳體，降低硬度，改善切削性能。（2）正火加熱溫度：一般亞共析鋼加熱至

5、AC3+（3050）；過共析鋼加熱至+（3050），即加熱到奧氏體單相區(qū)。（3）淬火加熱溫度：一般亞共析鋼加熱至AC3+（3050），淬火后的組織為均勻細小的馬氏體。如果加熱溫度不足（如低于AC3）,則淬火組織中將出現(xiàn)鐵素體，造成淬火后硬度不足；共析鋼和過共析鋼加熱至AC1+（3050），淬火后的組織為陷晶馬氏體與粒狀二次滲碳體。未溶的粒狀二次滲碳體可以提高鋼的耐摩性。的粒狀二次滲碳體可提高鋼的硬度和耐磨性。過高的加熱溫度（高于ACCM），會因得到粗大的馬氏體，過多的殘余奧氏體而導致硬度和耐磨性下降，脆性增加。（4）回火溫度：鋼淬火后都要回火，回火溫度決定于最終所要求的組織和性能（工廠中常常是

6、根據(jù)硬度的要求）。按加熱溫度不同，回火可分為三類： 低溫回火：在150250回火，所得組織為回火馬氏體，硬度約為HRC57-60，其目的是降低淬火應力，減少鋼的脆性并保持鋼的高硬度。一般用于切削工具、量具、滾動軸承以及滲碳和氰化件。中溫回火：在350500回火，所得組織為回火屈氏體，硬度約為HRC40-48，其目的是獲得高的彈性極限，同時有高的韌性。因為它主要用于各種彈簧及熱鍛模。高溫回火：在500650回火，所得組織為回火索氏體，硬度約為HRC25 -35，其目的是獲得既有一定強度、硬度、又有良好的沖擊韌性的綜合機械性能，常把淬火后經(jīng)高溫回火的處理稱為調(diào)質(zhì)處理，因此一般用于各種重要零件，如柴

7、油機連桿螺栓、汽車半軸以及機床主軸等。2 保溫時間的確定為了使鋼件內(nèi)外各部分溫度均勻一致，并完成組織轉(zhuǎn)變，使碳化物溶解和奧氏體成分均勻化，就必須在淬火加熱溫度下保溫一定時間，通常將鋼件升溫和保溫所需的時間計算在一起，統(tǒng)稱為加熱時間。在具體生產(chǎn)條件下，工件加熱時間與鋼的成分、原始組織、工件幾何形狀和尺寸，加熱介質(zhì)、爐溫、裝爐方式等許多因素有關。對于本實驗中的碳鋼，保溫時間為：工件的有效加熱厚度1分鐘/毫米。如果是火焰爐、電爐所需加熱及大約直徑，如果是鹽浴爐則縮短1-2倍。合金鋼加熱時間要增加25-40%?；鼗饡r的加熱、保溫時間，應與回火溫度結合起來考慮。一般來說，低溫回火時，由于組織不穩(wěn)定，內(nèi)應

8、力消除不充分，為了穩(wěn)定組織、消除內(nèi)應力，使零件在使用過程中性能與尺寸穩(wěn)定，回火時間要長一些，一般不少于1.5-2小時。高溫回火時間不宜過長，過長會使鋼過分軟化，對有的鋼種甚至造成嚴重的回火脆性，所以一般為0.5-1小時。3 冷卻速度的影響冷卻是淬火的關鍵工序，一方面冷卻速度要大于臨界冷卻速度，以保證得到馬氏體，另一方面又希望冷卻速度不要太大，以減小內(nèi)應力，避免變形和開裂，為此，根據(jù)c曲線考慮，淬火工件必須在過于奧氏體最不穩(wěn)定的溫度范圍（650 550）進行快冷，以超過臨界冷卻速度，而在MS(300200)點以下，盡可能慢冷以減小內(nèi)應力。為了保證淬火質(zhì)量，應適當選用適當?shù)拇慊鸾橘|(zhì)和淬火方法,見表

9、3常用淬火介質(zhì)的冷卻能力表3常用淬火介質(zhì)的冷卻能力淬 火介 質(zhì)冷 卻 速 度 /秒650 550 30020018的水 600 27020的水 500 27050的水 100 27074的水 30 20010%NaCl水溶液18 1100 30010%NaOH水溶液18 1200 30010%NaCO3水溶液18 800 270肥皂水 30 200礦物油 150 30變壓器油 120 25（二）鋼熱處理后的基本特征：共析鋼連續(xù)冷卻曲線如圖1所示。爐冷得到100%珠光體，空冷得到細片狀珠光體或稱索氏體。油冷得到少量屈氏體和馬氏體。水冷得到馬氏體和少量殘余奧氏體。隨著成分和熱處理條件不同，鋼熱處理

10、后的組織各不相同，基本組織特征如下： （1）索氏體（s）是鐵素體與片狀滲碳體的機械混合物，其層片分布比珠光體更細密，在顯微鏡的高倍（700 左右）放大下才能分辨出片層狀，它比珠光體具有更高的強度和硬度。（2）屈氏體（T）也是鐵素體與片狀滲碳體的機械混合物，片層分布比索氏體更細密，在一般光學顯微鏡下無發(fā)分辨，只能看到黑色組織如墨菊狀，當其少圖1 共析鋼連續(xù)冷卻曲線量析出時，沿晶界分布呈黑色網(wǎng)狀包圍馬氏體，當析出量較多時則呈大塊黑色晶粒狀。只有在電子顯微鏡下才能分辨出其中的片層狀。（3）貝氏體（B）貝氏體也是鐵素體與滲碳體的兩相混合，但其金相形態(tài)與珠光體不同，因鋼的成分和形成溫度不同，其組織形態(tài)主

11、要有三種：上貝氏體 是由成束平行排列的條狀鐵素體和條間斷斷續(xù)續(xù)地分布著細條狀滲碳體所組成。當轉(zhuǎn)換量不多時，在光學顯微鏡下可以觀察到成束的鐵素體條向奧氏體晶界內(nèi)伸展，具有羽毛狀特征，如圖2所示。在電子顯微鏡下可看到鐵素體以幾度到十幾度的小位向差相互平列著，滲碳體沿條的長軸方向排列成行。上貝氏體中鐵素體的亞結構是位錯。下貝氏體 是在具有一定過飽和的針狀鐵素體的內(nèi)部沉淀 有碳化物的組織，由于下貝氏體易受浸蝕，所以在顯微鏡下觀察呈黑色針狀。圖2上貝氏體顯微組織（羽毛狀）在電鏡下觀察可以看到，它是以片狀鐵素體為基，其中分布著很細的s碳化物片，這些碳化物片大致與鐵素體片的長軸呈55-65°的角度

12、。下貝氏體中的鐵素體亞結構是位錯。粒狀貝氏體 粒狀貝氏體是最近十幾年才被確定的組織。在低中碳合金鋼中，特別是在連續(xù)冷卻時（如 正火、熱軋空冷或焊接熱影響區(qū)）往往回出現(xiàn)這種組織，在等溫冷卻時也可能形成。其特征是較粗大的鐵素體塊內(nèi)有一些孤立的小島狀組織，原先富碳的奧氏體區(qū)在其隨后的轉(zhuǎn)變可以有三種情況（a）分解為鐵素體和碳化物，（b）發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，(c)仍然保持為富碳的奧氏體。(4) 馬氏體（M） 是碳在-Fe中的過飽和固溶體，馬氏體的組織形態(tài)是多種多樣的，歸納起來分為兩大類，即板條狀馬氏體和片狀馬氏體。板條狀馬氏體 在光學顯微鏡下，板條馬氏體的形態(tài)呈現(xiàn)一束束相互平行的細長條狀馬氏體群，在一個奧氏

13、體晶粒內(nèi)可有幾束不同取向的馬氏體群。每束內(nèi)的條與條之間的小角度晶界分開，束與束之間具有較大的相位差，如圖3所示，由于條狀馬氏體形成溫度較高，在形成過程中常有碳化物析出，即產(chǎn)生自回火現(xiàn)象，故在金相實驗時，易被腐蝕而呈現(xiàn)較深的顏色。在透射電鏡下觀察可以看到馬氏體群是由許多平行的板條所組成，且發(fā)現(xiàn)板條馬氏體晶內(nèi)亞結構是高密度的位錯，因此條狀馬氏體又稱為位錯馬氏體，因含碳低的奧氏體形成的馬氏體呈板條狀，故板條馬氏體又稱低碳馬氏體。圖 3條狀馬氏體顯微組織片狀馬氏體 在光學顯微鏡下，片狀馬氏體呈現(xiàn)針狀或竹葉狀，其立體形態(tài)為雙透鏡狀，因此成溫度較低沒有自回火現(xiàn)象故其顯微組織不易被浸蝕，所以顏色較淺，在顯微

14、鏡下呈白亮色。透射電鏡觀察片狀馬氏體晶體內(nèi)部為孿晶亞結構，故片狀馬氏體又稱孿晶馬氏體，因含較高的奧氏體形成的馬氏體呈片狀，故片狀馬氏體又可稱高碳馬氏體。馬氏體的粗細取決于原奧氏體晶粒的大小，即取決于淬火加熱溫度如高碳鋼在正常溫度下淬火加熱，淬火后可得到細小針狀的馬氏體，在光學顯微鏡下，僅能隱約見其針狀，故又稱為陷晶馬氏體。如淬火溫度較高，奧氏體晶粒粗大，則得到粗大針狀如圖4所示。（5）殘余奧氏體（Ar） 當奧氏體中含碳量>0.5%時，淬火時總有一定量的奧氏體不能轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，而保留到室溫，這部分奧氏體就是殘余奧氏體，它不易受硝酸酒精腐蝕劑的浸蝕，在顯微鏡下呈白亮色，分布在馬氏體之間，無固

15、定形態(tài)，淬火后未經(jīng)回火，Ar與馬氏體很難區(qū)分，都呈白亮色，只有馬氏體回火后才能分辨出馬氏體間的殘余奧氏體。圖4 粗大竹葉狀馬氏體+Ar（6）回火馬氏體（Mr） 高碳馬氏體經(jīng)低溫回火后，馬氏體分解，析出了與母相共格的極細小彌散的碳化物。這種組織稱為回火馬氏體。由于極小的碳化物析出使回火馬氏體易受浸蝕，所以在光學顯微鏡下觀察回火馬氏體仍保持針狀馬氏體形態(tài)，只是顏色比淬火馬氏體深，但極細小的碳化物分辨不清。在電子顯微鏡下則可觀察到細小的碳化物。（7）低碳條狀馬氏體 低溫回火以后，馬氏體只發(fā)生碳原子的偏聚，尚未析出碳化物，在光學和電子顯微鏡下觀察，低碳回火馬氏體仍然保持條狀形態(tài)。中碳鋼淬火以后得到條狀

16、馬氏體和片狀馬氏體的混合組織，回火后其中片狀馬氏體易受浸蝕，顏色變深。（8）回火屈氏體 淬火鋼進行中溫回火以后，得到回火屈氏體。它的金相組織特征是：在鐵素體基體上彌散分布著微小的粒狀滲碳體，鐵素體，鐵素體仍然基本保持原來的條狀或片狀馬氏體的形態(tài)，滲碳體顆粒很細小，在光學顯微鏡下不易分辨清楚，故呈暗黑色。用電子顯微鏡可以肯到這些滲碳體的質(zhì)點，而且回火屈氏體仍然保持針狀馬氏體的位向。（9）回火索氏體 淬火鋼高溫回火得到回火索氏體，金相組織特征是已經(jīng)聚集長大了的滲碳體顆粒均勻分布在再結晶的鐵素體基體上。但是某些合金鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，鐵素體仍然保持針狀形態(tài)，因合金元素對于鐵素體的再結晶有阻礙作用，須更高

17、的溫度才能完成再結晶。四、實驗組織運行要求根椐本實驗的特點要求及具體條件，采用集中運行模式組織教學五、實驗設備和材料（1） 箱式電阻爐和控溫儀表；（2） 金相顯微鏡：（3） 洛氏硬度計；（4） 淬火水桶、油桶、火鉗、砂紙等, 20鋼、45鋼、T12鋼試樣若干，尺寸分別為 12×12mm、13×14mm；15×14mm（5） 金相試樣一套；（6） 金相圖譜一套。六、實驗步驟1、領取試樣進行熱處理工藝實驗，爐冷試樣由灰冷來代替。2、 同一加熱溫度的20鋼、45鋼和T12鋼試樣放入920、860、780、爐子內(nèi)加熱，保溫后分別進行水冷、油冷、空冷和灰冷操作。3、 將水冷

18、試樣中取出5塊45鋼試樣分別放入200300400500600的爐中進行回火、回火保溫時間為30分鐘。4、 洛氏硬度測試七、思考題1. 試分析T12鋼780水淬200回火與T12鋼1100水淬200回火的組織區(qū)別,性能區(qū)別,說明過共析鋼淬火溫度如何選擇？2. 分析45鋼760水淬與45鋼860油淬組織區(qū)別。若45 鋼淬火后硬度不足，如何根據(jù)組織分析原因是淬火加熱溫度不足還是冷卻速度不夠八、實驗報告1. 實驗目的。2. 根據(jù)實驗測試數(shù)據(jù)及觀察到的顯微組織綜合分析a、加熱溫度與冷卻速度對鋼性能的影響；b. 不同回火溫度對材料性能的影響,繪制45鋼回火溫度與硬度關系曲線,c. 觀察熱處理后的金相組織

19、，并畫出組織示意圖九、 其它說明（1）實驗前仔細閱讀實驗指導書。（2）熱處理操作及注意事項a、 裝取試樣時爐子要斷電，裝取試樣后爐門要及時關好，并立即通電。b、 試樣加熱時，盡量靠近熱電偶測出的溫度接近試樣溫度。c、 實驗中注意計算保溫時間；保溫時要注意溫度控制儀表是否正常，以免跑溫或升溫太慢，發(fā)現(xiàn)問題應報告老師檢查。d、 淬火冷卻時，將試樣迅速入油或入水。并不停地移動試樣，且不要拿出液面。e、 熱處理后測定硬度，并填寫在表2中。f、 測硬度前要將試樣的氧化皮磨掉。（3）觀察顯微試樣的基本步驟：b、 根據(jù)試樣的成分、熱處理工藝，對照相圖和 C曲線分析可能出現(xiàn)的組織。c、 正確選擇放大倍數(shù)，組織

20、粗的可選低倍，組織細的可選高倍。先用低倍。低倍觀察視場，組織特征較明顯，觀察較全面，然后對其中有代表性的區(qū)域用高倍觀察，高倍觀察范圍較局限，但能看到局部組織的細節(jié)。d、 顯微鏡觀察時要根據(jù)觀察重點深入的原則，選擇其中有代表性的區(qū)域進行重點觀察。e、 根據(jù)組織的形成特點和組織的特征畫出組織示意圖，注明材料、熱處理工藝、放大倍數(shù)、腐蝕劑、組織名稱等。實驗2：熱加工的常見宏觀微觀缺陷實驗學時：2實驗類型：驗證實驗要求：選修一、實驗目的(1)熟悉鑄造、鍛造、焊接、熱處理等工藝中常見缺陷的類型；(2) 熟悉常見缺陷的宏觀及微觀組織的特征、形成原因及影響。二、實驗內(nèi)容1、提問與討論相結合，弄清熱加工過程中

21、常見缺陷，形成原因，對材料質(zhì)量的影響、消除辦法。2、觀察若干宏觀缺陷樣品（見表）及熱加工顯微缺陷試樣，畫下顯微缺陷組織示意圖。 表缺陷名稱形貌特征分析原因影響集中縮孔皮下氣泡一般疏松比重偏析鍛件過燒鍛裂淬火裂紋三、實驗原理、方法手段1鑄錠、鑄件、鑄鋼中常見缺陷(1)縮孔 多數(shù)金屬在凝固時均發(fā)生體積收縮，因此縮孔難以避免?？s孔可分為集中縮孔與分散縮孔。一般集中縮孔控制在鋼錠或鑄件的冒口處，然后加以切除。若縮孔較深切除不凈時即成為殘余縮孔或因鑄型設計不當，鑄錠上部而基本凝固，因心部在冷凝時未能及時得到液體金屬的補充，即形成二次縮孔。 殘余縮孔或二次縮孔呈中心樹根狀孔洞，在縮孔附近一般會出現(xiàn)密集的夾

22、雜物、疏松或偏析，以此作為區(qū)別殘余縮孔與各種內(nèi)裂的依據(jù)。鑄件中存在縮孔，顯著地降低其力學性能，甚至在使用過程中發(fā)生斷裂事故，有縮孔存在的鋼錠，經(jīng)軋制而未能良好焊合的縮孔，需完全切除，否則在繼續(xù)加工中導致鍛造裂紋或板材、帶材的分層現(xiàn)象。 (2)氣泡 凝固時由液體金屬中釋放的氣體，因澆鑄條件不良如鑄型生銹、涂料中存在較多水分與金屬液作用產(chǎn)生的氣體，在金屬已完全凝固時很難逸出，于是有一部分就包容在處于塑性狀態(tài)的金屬中而形成氣孔即氣泡。鑄件中最常見的氣泡呈圓形或橢圓形。一般由液態(tài)金屬中析出的氣體而形成的氣泡壁具有金屬光澤，表面光滑，如圖1所示。 圖1 氣泡 圖2 皮下氣泡 在鋼錠表面或附近的氣泡稱為皮

23、下氣泡。常由鑄型生銹或涂料不當而產(chǎn)生，呈圓形或橢圓形光滑孔洞，熱加工后呈垂直于表面的裂紋。見圖2。 氣泡減少鑄件的有效截面，由于缺口效應大大降低材料的強度；鑄錠中的氣泡通過熱加工可以焊合，但壓力加工中可能被氧化而不能焊合，導致細裂紋或裂縫或分層現(xiàn)象。(3)疏松 凝固時枝晶間隙因得不到液體補充，而形成的顯微縮孔。 大的疏松在經(jīng)切削加工后的表面上用肉眼或低倍放大鏡即能觀察到，而小的疏松則經(jīng)酸蝕后才能發(fā)現(xiàn)或用顯微鏡進行觀察。疏松集中于鋼坯軸心部分稱為中心疏松。 鋼錠中的疏松經(jīng)壓力加工可得到很大改善，但嚴重者，因壓力加工時壓縮比不夠等原因仍存在，如在鋼錠殘余縮孔、氣泡因焊合不良處仍可能存在疏松。 疏松

24、的存在影響鑄錠及鑄件的致密度和機加工后的表面光潔度，降低其力學性能；對用作液體容器或管道的鑄件，若存在相互聯(lián)接的疏松時，不能通過水壓試驗或在使用中發(fā)生滲漏現(xiàn)象而報廢。 (4)偏析 鑄件或鑄錠中化學成分不均勻的現(xiàn)象。常見有枝晶偏析、方框偏析、比重偏析。 枝晶偏析 固溶體合金凝固過程中，由于擴散不充分，使得同一個晶粒內(nèi)后凝固的部分與先凝固的部分成分不同，愈靠近枝晶中心則富含高熔點的組元，愈靠近枝晶邊緣則富含低熔點組元，因此凝固后便存在晶粒范圍內(nèi)的成分不均勻現(xiàn)象，經(jīng)磨片浸蝕呈現(xiàn)樹枝狀分布。這種偏析在鑄鋼中尤其常見。 同理，各個樹枝狀晶體之間最后凝固的部分，通常為低熔點組成物和不可避免的雜質(zhì)，它們與晶

25、粒本身的成分不同，稱為晶間偏析。 方框偏析 在鋼錠的橫截面上，因凝固時雜質(zhì)被推向柱狀晶的前沿，聚集在與中心等軸晶相遇處，酸蝕后出現(xiàn)腐蝕較深的方框區(qū)域。方框偏析是鋼錠中的一種區(qū)域偏析。鋼錠中存在區(qū)域偏析，特別是硫偏析(可富集達300400%)、磷偏析(可富集達100200%)強烈地降低鋼的質(zhì)量，并給以后的加工造成種種困難，導致材料的損害和機件的破壞。如硫偏析能破壞金屬的連續(xù)性，在鋼鍛造時引起熱脆，在軋制鋼板時產(chǎn)生夾層，在承受交變載荷的零件中是引起疲勞斷裂的主要原因之一。磷偏析使鋼具有冷脆性，并促使鋼的回火脆性。 比重偏析 產(chǎn)生在凝固的早期，由于組成相之間比重相差懸殊，輕者上浮，重者下沉，從而導致

26、上下成分不均勻的現(xiàn)象。例如PbSb(15%)合金，在結晶過程中，先共晶的Sb相比重較小，而共晶(Pb+Sb)的比重較大，因而Sb晶體上浮，而(Pb+Sb)共晶下沉，結果合金的組織極不均勻，導致零件報廢。鑄鐵中的石墨漂浮也是一種比重偏析。 增大鑄件的冷卻速度，使組成相來不及上浮下沉；加入第三種合金元素，使其形成高熔點的比重不同的固溶體或化合物，在結晶初期形成樹枝狀骨架晶體，阻止相的沉浮，均能有效地防止比重偏析。 (5)魏氏組織 是鑄鋼中常見的一種缺陷組織，如3所示。亞共析鋼鑄造后，在高溫下形成的奧氏體晶粒往往比較粗大，并以一定速度冷卻時，鐵素體與奧氏體以一定的共格關系析出，鐵素體由晶界向晶內(nèi)呈針

27、大，使材料沖擊韌性下降，進行退火或正火可消除。圖3 魏氏組織 2鍛造缺陷 ()帶狀組織 如圖4所示。亞共析鋼終鍛溫度過低，低于A3至A1之間圖4 帶狀組織時，正處在奧氏體分解的情況下，使奧氏體按金屬加工流動方向析出鐵素體，而尚未分解的奧氏體也被帶狀分布的鐵素體分割呈帶狀，當繼續(xù)冷到A1以下時，則奧氏體分解的珠光體必然保持原奧氏體帶狀。此外，鋼中非金屬夾雜物的存在可促使帶狀組織的形成。因夾雜物被加工時按金屬變形流動方向延伸排列，當溫度降至A3以下時，它們可成為鐵素體的結晶核心，所以鐵素體圍繞夾雜物呈帶狀分布，然后奧氏體分解的珠光體也必然存在于帶狀鐵素體之間。 具有帶狀組織缺陷的鋼材，其性能有顯著

28、的方向性。熱加工引起的帶狀組織，可通過完全退火消除。 ()過熱 因加熱溫度超過正常鍛造溫度。一般顯微組織表現(xiàn)為：晶粒粗大、鐵素體沿晶界析出較粗和出現(xiàn)魏氏組織。使鋼的沖擊韌性和塑性顯著下降。例如45鋼鍛制的曲軸，在鍛造后機加工時斷裂，其斷口為萘狀。顯微組織為珠光體+鐵素體沿粗大晶界分布，并出現(xiàn)魏氏組織和在鐵素體晶界上有少量硫化物夾雜。 過熱的本質(zhì)：鋼在高溫加熱過程中，硫化物等夾雜物逐漸向奧氏體中溶解，而在隨后的冷卻過程中，鋼中的硫化物夾雜以細小的球狀粒子重新在原奧氏體晶界上析出，奧氏體化的溫度越高，時間越長，奧氏體晶粒長大的趨勢越大，MnS粒子越多。晶界的結合力將大為減弱，易導致脆斷。 ()過燒

29、 過燒是在過熱基礎上進一步惡化的結果，它和過熱的區(qū)別在于過燒鋼的粗大晶界已被脆性的硫化物等夾雜的質(zhì)點和金屬熔化的空洞所分隔開，即奧氏體晶界開始熔化。所以，鍛件過燒會使金屬內(nèi)部和表面造成裂紋或龜裂。過燒嚴重的鍛件、進行敲擊時無金屬響聲。在進行鍛打時，會使金屬碎裂成豆渣狀，鍛件表面可看到極為嚴重的氧化皮。 過熱可通過重結晶正火或退火消除，而過燒一般無法挽救。 ()停鍛溫度過低 高合金鋼在900以下還繼續(xù)鍛打，鋼內(nèi)發(fā)生相變，使鋼的熱塑性顯著下降，而金屬內(nèi)部的相變應力不斷增加，此時鍛打變形時產(chǎn)生的應力超過材料強度，即發(fā)生開裂。高合金鋼鍛坯因停鍛溫度過低，冷卻速度太快，使鍛件沿切應力最大的對角線處開裂。

30、 3熱處理缺陷 熱處理缺陷以淬火后的缺陷最重要，主要包括淬火裂紋、過熱、過燒、淬火軟點、硬度不足等。重要零件熱處理淬火時，往往因淬火開裂而報廢，全功盡棄，為此，這里著重介紹淬火裂紋的特征和形成。 (1)淬火裂紋 淬火裂紋是淬火冷卻時形成的拉應力超過材料微裂紋擴展所需的臨界應力時形成的宏觀裂紋。 淬火裂紋的特征： 多數(shù)情況裂紋由表面向心部擴展，宏觀形態(tài)較平直。 從宏觀和微觀看，裂紋兩側均無氧化、脫碳現(xiàn)象(淬火后在氧化氣氛中進行過高溫回火除外)，由于淬火裂紋是產(chǎn)生在馬氏體轉(zhuǎn)變之后，所以裂紋兩側無氧化脫碳現(xiàn)象。顯微組織與其他部位毫無區(qū)別。 在顯微鏡下看，淬火產(chǎn)生的裂紋，大多沿原奧氏體晶界和馬氏體晶體

31、所產(chǎn)生，裂紋由粗變細，尾部細尖。 特征是區(qū)別淬火裂紋與非淬火裂紋的重要依據(jù)。 淬火裂紋產(chǎn)生的原因可從兩方面來考慮，一是造成較大拉應力因素：二是材質(zhì)有何缺陷，以致強度和韌性降低。 增大淬火內(nèi)應力因素： 零件設計不合理，如有尖角、截面突變，或銷孔、鍵槽等均易引起應力集中。工件厚薄懸殊，有尖角，裂紋開始於尖角處，由于應力集中引起淬火裂紋。 冷卻太強烈，如淬油的淬了水；不該冷透的冷透了等等。 淬火時入水方式不當，以至冷卻不均應力不均。 淬火后未能及時回火等等。 以上原因引起的淬火裂紋，顯微組織無異常變化。 材料缺陷引起淬裂的原因： 淬火溫度偏高，產(chǎn)生過熱，奧氏體晶粒粗大，淬火后形成粗大的馬氏體，容易開

32、裂，特別是高碳馬氏體，常伴有微裂紋，危險更大。這種裂紋的特征是沿原奧氏體晶界擴展。 鋼材中存在著網(wǎng)狀碳化物等脆性相，在淬火時易沿脆性碳化物網(wǎng)絡開裂。 鋼材存在嚴重偏析，淬火后組織不均勻，且內(nèi)應力較大，不均勻，容易開裂。 零件表面脫碳，淬火時表層體積膨脹小，受到兩向拉應力，容易形成龜裂。 (2)脫碳 鋼件在氧化介質(zhì)(如O2、CO2、H20等)中進行長時間加熱保溫，使其表面層中碳含量全部或部分損失的現(xiàn)象叫脫碳。脫碳是工具、彈簧、軸承等重要鋼件的主要缺陷之一，它使其表面硬度、耐磨性、強度、疲勞強度都顯著降低。一般脫碳層在技術條件許可的情況下可從工件上去掉，如果不能，只有報廢。 4、焊接過程形成的缺陷

33、焊接與其他熱加工工藝相比，是最容易出現(xiàn)缺陷的一種工藝。在焊接過程中，由于材質(zhì)和焊接工藝不當?shù)纫蛩兀附咏宇^會產(chǎn)生各種缺陷，主要有：裂縫、氣孔、夾渣、未焊透等。四、實驗組織運行要求根據(jù)本實驗的特點、要求和具體條件，本實驗采用集中授課形式。五、實驗條件實驗所需設備及材料金相顯微鏡；放大鏡、彩電、攝像機；宏觀缺陷樣品一套；顯微缺陷樣品一套；缺陷金相圖譜一套。六、實驗步驟1、觀察所列宏觀缺陷的特征、分析其形成原因。2、觀察下列熱加工顯微缺陷、分析其特征、畫出組織示意圖。七、思考題1、如何識別鍛裂、淬火裂紋、磨削裂紋。八、實驗報告要求1、簡述實驗目的、實驗內(nèi)容。2、選畫幾種顯微缺陷組織示意圖，指出主要特

34、征、形成原因，防止辦法。3、觀察宏觀缺陷試樣并完成表中的內(nèi)容。實驗3：焊接接頭的組織和性能分析實驗學時：2實驗類型：驗證實驗要求：選修一、實驗目的 1、觀察焊縫和熱影響區(qū)及母材金屬的顯微組織2、分析焊接接頭不同組織對性能的影響二、實驗內(nèi)容 焊接工藝是一種應用極為廣泛的熱加工成型工藝。在現(xiàn)代船舶、石油、化工、電力、機器制造、橋梁和國防工程上，許多產(chǎn)品都使用焊接結構。為了仔細分析焊縫金屬組織和檢查焊縫質(zhì)量，除了外部檢查法、機械性能試驗、X射線和射線透視法、電弧檢查法以及水壓試驗等方法外，金相分析方法是一個重要的、占有突出地位的手段之一。焊接接頭的金相檢驗一般也分為宏觀分析和顯微分析二種。利用宏觀分

35、析可以觀察到焊縫柱狀晶，檢查焊縫組織是否存在裂縫、氣泡、夾渣、偏析、未焊透等缺陷。利用微觀分析可以觀察到焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、母材的組織形貌,了解其性能，從而調(diào)整和進一步確定焊接工藝。本次實驗重點是微觀組織分析,檢驗焊接接頭的焊縫區(qū)、熱影響區(qū)及母材組織。對于焊接件來說，熱影響區(qū)是影響焊接接頭質(zhì)量的最重要的區(qū)域。焊接件的損壞通常不在焊縫區(qū)而在熱影響區(qū)內(nèi)。因此研究和觀察焊縫熱影響區(qū)組織是這次實驗的重要任務。三、實驗原理、方法和手段焊接接頭的形成過程實際上是利用電弧(熱源)產(chǎn)生的高溫(40007000)使被焊金屬局部加熱 發(fā)生熔化，同時加入填充的金屬(焊條、焊絲)熔化滴入，形成金屬液體溶池。當電弧移開時

36、，由于周圍冷金屬導熱，使熔池的溫度迅速降低，熔池凝固成焊縫。熔池周圍的母材金屬，由于電弧的熱作用，從室溫以上一直被加熱到熔化溫度范圍，這部分被加熱的母材金屬，也隨電弧的移開而被冷卻下來，于是形成一個焊接接頭。1、焊接接頭的宏觀組織 見圖1,可分為三個部分； (1)中心為焊縫區(qū)；組織主要特征是形成柱狀晶。其生長有明顯的方向性，與散熱最快的方向一致，即垂直于熔合線向焊縫中心發(fā)展。 (2)靠近焊縫的是熱影響區(qū)；顏色略深的區(qū)域 (3)兩邊為未受影響的母材金屬。2、焊接接頭的顯微組織,見圖a、b、c、d(1)焊縫區(qū)的顯微組織 見圖a 從焊縫宏觀組織觀察，焊縫凝固后的組織主要特征之一是形成柱狀晶。其生長有

37、明顯的方向性，與散熱最快的方向一致，即垂直于熔合線向焊縫中心發(fā)展。對于常用的焊接結構鋼(如低碳鋼)從液態(tài)到固態(tài)的一次結晶形成柱狀晶奧氏體，然后進一步冷至室溫還要經(jīng)歷二次結晶過程,呈柱狀晶的奧氏體在冷卻過程中分解為鐵素體和珠光體。見圖a，由于含碳較低，有先共析鐵索體沿奧氏體晶界析出，把原奧氏體柱狀晶輪廓勾劃出來，也稱為柱狀鐵素體。柱狀鐵素體十分粗大，其間隙中為少量珠光體，往往呈魏氏組織形態(tài)。 若為多層焊接，焊縫二次結晶組織變?yōu)榧毿¤F素體加少量珠光體組織。這是由于后一層焊縫相對前一層焊縫進行再加熱，使其發(fā)生相變重結晶，從而柱狀晶消失，形成細小的等軸晶。 合金鋼焊縫二次結晶的組織，由于受到合金元素和

38、焊接條件的影響而會出現(xiàn)不同的組織。一般焊縫中合金元素含量少時，類似于低碳鋼焊縫組織，當焊縫中合金元素較多，淬透性較好或冷卻速度較快時出現(xiàn)貝氏體馬氏體組織。 (2) 熱影響區(qū)的顯微組織 見圖b圖c圖d ,在焊接過程熱循環(huán)(加熱和冷卻)的作用下，焊縫附近的熱影響區(qū)相當于經(jīng)歷了“特殊的熱處理”過程一樣。熱影響區(qū)各部分由于離熔池距離不同而被加熱到不同的溫度，焊后冷卻時又以不同的冷卻速度冷卻下來，因此，使該區(qū)組織變化復雜。 由于焊縫周圍金屬的導熱作用，焊縫和熱影響區(qū)的冷卻速度很快，有時可達淬火的程度。冷卻速度受材料的導熱性、板厚和接頭形狀及鋼板在焊前初始溫度(包括環(huán)境溫度或預熱溫度)等因素的影響。鋼板尺寸越大，冷卻越快，鋼板初始溫度越高(預熱)，冷卻越慢。 用于焊接的結構鋼可分為兩類：一類是低碳鋼和普通低合金鋼如20鋼，A3鋼，16Mn， 15MnTi等，