鐵碳平衡組織分析與布氏硬度測定.

1、實(shí)驗(yàn)三實(shí)驗(yàn)三 鐵碳平衡組織分析與布氏鐵碳平衡組織分析與布氏硬度測定硬度測定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?、?shí)驗(yàn)?zāi)康亩?shí)驗(yàn)儀器二、實(shí)驗(yàn)儀器三、實(shí)驗(yàn)原理三、實(shí)驗(yàn)原理四、操作步驟四、操作步驟五、注意事項(xiàng)五、注意事項(xiàng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?、?shí)驗(yàn)?zāi)康?1) (1) 熟悉各種鐵碳合金的平衡組織特征，進(jìn)一步掌熟悉各種鐵碳合金的平衡組織特征，進(jìn)一步掌握含碳量、平衡組織與硬度之間的關(guān)系。握含碳量、平衡組織與硬度之間的關(guān)系。(2) (2) 熟悉布氏硬度計(jì)的使用方法。熟悉布氏硬度計(jì)的使用方法。二、二、 實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器1.1.數(shù)字網(wǎng)絡(luò)顯微金相系統(tǒng)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)顯微金相系統(tǒng)2.2.布氏硬度計(jì)布氏硬度計(jì)3.1 3.1 鐵碳合金平衡組織特征鐵碳合金

2、平衡組織特征 Fe-Fe3C相圖中所標(biāo)出的組織是合金在平衡條件（冷卻速度極慢）下所得到的組織，稱平衡組織。在工業(yè)生產(chǎn)條件下，冷卻速度不可能是極其緩慢的，所以很難得到平衡組織，但可把退火后得到的組織近似地看做平衡組織，本實(shí)驗(yàn)所用試樣大部分是經(jīng)過退火處理的。 根據(jù)含碳量和平衡組織的不同，鐵碳合金分為工業(yè)純鐵、碳鋼和白口鑄鐵三大類。其室溫時(shí)的平衡組織及形態(tài)特征如下：三、實(shí)驗(yàn)原理三、實(shí)驗(yàn)原理3.1.1 工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵的顯微組織是F+Fe3C。經(jīng)35%HN03酒精溶液浸蝕后，F(xiàn)呈白亮色等軸晶粒，晶界被浸蝕呈黑色線條；Fe3C呈白亮色小片狀分布在F晶界處 。Fe3C的量很少，不易觀察到。工業(yè)純鐵的顯微組

3、織如圖41所示 圖圖4 1 工業(yè)純鐵顯微組織工業(yè)純鐵顯微組織 圖圖4 2 高倍下的珠光體形貌高倍下的珠光體形貌312 共析鋼 共析鋼（T8）的顯微組織是全部珠光體。珠光體是由F片和Fe3C片相互交替排列形成的層片狀組織。經(jīng)3 5% HNO3酒精溶液浸蝕后，其組織中的F和Fe3C都呈白亮色，而F和Fe3C的相界被浸蝕呈黑色線條。 在不同放大倍數(shù)下，由于物鏡的鑒別能力不同，所觀察到的珠光體形態(tài)也有差別。在高倍下觀察時(shí)，珠光體中的片狀Fe3C呈亮白色分布在白亮色F的基體上，而其相界呈黑色線條，如圖42所示。 在中倍下觀察時(shí)，由于放大倍數(shù)不足，物鏡的鑒別能力小，F(xiàn)e3C片兩側(cè)的相界分辨不清，白亮色的F

4、e3C便變成黑色線條。這時(shí)看到的珠光體形態(tài)是寬白條F和細(xì)黑條Fe3C相間的混合物，即黑白相間的層片狀，如圖43所示。在低倍下觀察時(shí)，由于放大倍數(shù)低，難以分辨出哪是F，哪是Fe3C，此時(shí)珠光體呈暗黑色塊狀組織。 圖圖4 2 中倍下的珠光體形貌中倍下的珠光體形貌313 亞共析鋼 亞共析鋼顯微組織是F+P。隨鋼中含碳量的增加，F(xiàn)量減少，P量增加。經(jīng) 35HNO3酒精溶液浸蝕后，P的形態(tài)和共析鋼類似，F(xiàn)的形態(tài)和鋼的含碳量有 關(guān)。當(dāng)含碳量較低時(shí)，F(xiàn)量較多，呈白亮色塊狀分布，如圖44 （45鋼的顯微組織）；當(dāng)含碳量接近共析成分時(shí)，F(xiàn)量少，往往呈斷續(xù)的白亮色網(wǎng)狀分布在P周圍。 圖圖4 4 4 5鋼的顯微組織

5、鋼的顯微組織 314 過共析鋼過共析鋼的顯微組織是P+Fe3C。隨鋼中含碳量的增加，P量減少，F(xiàn)e3C量增多。經(jīng)35HNO3酒精溶液浸蝕后，P的形態(tài)和共析鋼類似，F(xiàn)e3C的形態(tài)與鋼的含碳量有關(guān)。當(dāng)Fe3C量不多時(shí)，F(xiàn)e3C呈斷續(xù)的網(wǎng)狀分布在P周圍；當(dāng)Fe3C量較多時(shí)，則呈連續(xù)白色網(wǎng)狀分布，如圖45（T12鋼的顯微組織）。經(jīng)不同的浸蝕劑浸蝕后，F(xiàn)e3C將顯示不同的顏色。若用苦味酸鈉溶液煮蝕，則Fe3C會(huì)被染成黑褐色。圖圖4 5 T12鋼顯微組織鋼顯微組織 315 共晶白口鑄鐵 共晶白口鑄鐵的顯微組織是全部萊氏體。萊氏體在室溫時(shí)是P和Fe3C的混合物。Fe3C包括共晶Fe3C和Fe3C，二者連在一

6、起，分辨不開。經(jīng)35HNO3酒精溶液浸蝕后，其形態(tài)特征是在白亮色Fe3C基體上分布著許多黑色點(diǎn)狀、塊狀或短條狀P，如圖46所示。 圖圖4 6 共晶白口鐵顯微組織共晶白口鐵顯微組織316 亞共晶白口鐵 亞共晶白口鐵的顯微組織是P+Fe3C+Ld.。經(jīng)35%HNO3酒精溶液浸蝕后，Ld的形態(tài)和共晶白口鐵類似，黑色枝狀(或塊狀)的P分布在Ld的基體上，在P周圍有一圈白亮色的Fe3C，如圖47所示。圖圖4 7 亞共晶白口鐵顯微組織亞共晶白口鐵顯微組織 317 過共晶白口鐵 過共晶白口鐵的顯微組織是Ld+Fe3C。經(jīng)35%HN03酒精溶液浸蝕后，Ld的形態(tài)和共晶白口鐵類似，F(xiàn)e3C呈粗大的白色條狀分布在

7、Ld基體上，如圖48所示。圖圖4 8 過共晶白口鐵顯微組織過共晶白口鐵顯微組織3.2布氏硬度 硬度是指材料對一更硬物體壓入其內(nèi)時(shí)所表現(xiàn)的抵抗力。在生產(chǎn)和科研應(yīng)用十分廣泛，這是由于硬度試驗(yàn)與其他機(jī)械性能試驗(yàn)如拉伸、彎曲試驗(yàn)等比較，具有下列特點(diǎn)：(1)試驗(yàn)后工件不被破壞；(2)可以在各種形狀和尺寸的試件上進(jìn)行試驗(yàn)，不需要特別制樣； (3) 試驗(yàn)方法簡單，操作方便，測量迅速； (4) 材料的硬度值與其強(qiáng)度之間存在一定的關(guān)系。 常用的硬度試驗(yàn)方法有：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度。本試驗(yàn)中學(xué)習(xí)布氏硬度的測定。 布氏硬度試驗(yàn)是所有硬度試驗(yàn)中壓痕最大的一種試驗(yàn)法，它能反映出材料的綜合性能，不受試樣

8、組織顯微偏析及成分不均勻的影響，所以它是一種精度較高的硬度試驗(yàn)法。在冶金、鍛造、鑄造、未經(jīng)淬火鋼及有色金屬等工業(yè)領(lǐng)域、實(shí)驗(yàn)室、大專院校和科研單位內(nèi)廣泛使用。 布氏硬度試驗(yàn)設(shè)備包括；硬度計(jì)、球壓頭及測量顯微鏡。根據(jù)加力方式及測量對象的不同，布氏硬度計(jì)有不同的結(jié)構(gòu)形同式：1.直接加荷式2.杠桿加荷式3.液壓加荷式4.電子加壓式，無砝碼5.便攜式硬度計(jì)，這種儀器體積小，攜帶方便，適應(yīng)于現(xiàn)場使用，但精度較低。如彈簧加荷式，球壓頭在壓縮彈簧推動(dòng)下壓入試樣；6. 錘擊硬度計(jì)等。 上述種種儀器中以杠桿式硬度計(jì)數(shù)量最多，使用最為廣泛。3.2.13.2.1布氏硬度試驗(yàn)設(shè)備介紹：布氏硬度試驗(yàn)設(shè)備介紹： 布氏硬度機(jī)

9、的內(nèi)部結(jié)構(gòu)布氏硬度機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) XHB-3000型數(shù)顯布氏硬度機(jī)是精密的機(jī)械結(jié)構(gòu)和微機(jī)控制閉環(huán)系統(tǒng)的光、機(jī)、電一體化產(chǎn)品,也是當(dāng)今比較先進(jìn)的布氏硬度計(jì)。儀器取消了砝碼，采用電動(dòng)加卸試驗(yàn)力，由0.5精度的壓力傳感器進(jìn)行反饋，CPU控制并能對試驗(yàn)中損失的試驗(yàn)力進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。壓痕可在儀器上通過測微目鏡直接測量，并能在LCD顯示屏顯示壓痕的直徑、硬度值和17種不同硬度試驗(yàn)的對照表以及當(dāng)前設(shè)置狀態(tài)下自動(dòng)顯示布氏硬度試驗(yàn)（HBW）的范圍。在頁面上還能進(jìn)行保荷時(shí)間、燈光亮度的設(shè)置，同時(shí)為方便用戶的使用設(shè)計(jì)一個(gè)F/D2選擇表。該機(jī)采用液壓系統(tǒng)加卸試驗(yàn)力，可自動(dòng)完成一個(gè)工作循該機(jī)采用液壓系統(tǒng)加卸試驗(yàn)力，可自動(dòng)完

10、成一個(gè)工作循環(huán)，適用于測定大型金屬零件的布氏硬度值。環(huán)，適用于測定大型金屬零件的布氏硬度值。用光柵測量壓痕深度，數(shù)字顯示硬度值，并可打印記錄用光柵測量壓痕深度，數(shù)字顯示硬度值，并可打印記錄。每小時(shí)可自動(dòng)完成。每小時(shí)可自動(dòng)完成400400次試驗(yàn)，特別適用于對成批試次試驗(yàn)，特別適用于對成批試件和在生產(chǎn)線上進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)。件和在生產(chǎn)線上進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)。3.2.2布氏硬度試驗(yàn)操作原理布氏硬度試驗(yàn)操作原理（1 1）操作原理）操作原理 用一定直徑的鋼球或硬質(zhì)合金球，在規(guī)定的試驗(yàn)力作用下壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保持時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，測量試樣表面壓痕直徑，布氏硬度值是試驗(yàn)力除以壓痕表面積的商。見圖31（2）

11、計(jì)算公式）計(jì)算公式布氏硬度試驗(yàn)采用硬質(zhì)合金球壓頭，硬度符號(hào)為HBW；普通鋼球，硬度符號(hào)為HBS布氏硬度值按下式計(jì)算的：式中：F試驗(yàn)力，kgf； s壓痕表面積，mm h壓痕深度，mm2。 式中：D球壓頭直徑，mm； F試驗(yàn)力，N； d壓痕平均直徑，mm；3.2.3布氏硬度相似原理及其應(yīng)用布氏硬度相似原理及其應(yīng)用 布氏硬度計(jì)有多種鋼球，多種載荷供試驗(yàn)選擇。在進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)時(shí)，照常理分析，對應(yīng)同一試樣采用不同直徑鋼球與變化試驗(yàn)力時(shí)，凹印面積會(huì)有變化，但單位面積上的抗力應(yīng)該是相同的 ，即布氏硬度值應(yīng)為常數(shù)。實(shí)際上，在硬度檢測中試驗(yàn)力與鋼球任意變換時(shí)，直徑的變化與凹印面積的變化在球冠與接近球徑處是非線

12、性關(guān)系的，對于軟硬差異大的材料，壓頭壓入深淺不同對應(yīng)其應(yīng)力狀況也是復(fù)雜的。所以上述理想狀況是不存在的，即在布氏硬度試驗(yàn)中，不能任意選擇壓頭和試驗(yàn)力，必須遵守一定的原則，這就是相似原理。 對與不同硬度的材料，如能采用變換試驗(yàn)力和相應(yīng)變換壓頭球徑獲得統(tǒng)一的壓入角（如圖32），這就可獲得準(zhǔn)確的可比的硬度值。在布氏硬度檢測中，只有對相似原理有清楚的認(rèn)識(shí)和理解才能運(yùn)用自如和獲得準(zhǔn)確以及可比較的數(shù)據(jù)。 但在實(shí)際的工作中，由于材料的千差萬別，材料的硬度值變化很大，目前還沒有技術(shù)能獲得統(tǒng)一的壓入角。為了得到較理想的結(jié)果和技術(shù)上又便于實(shí)現(xiàn)，合理搭配試驗(yàn)力和球徑，控制壓入角和壓痕直徑在一定范圍內(nèi)變化就能獲得對同一

13、種材料有相同的硬度值，對不同硬度的材料能獲得可比較的硬度值結(jié)果。 對于同一試樣，采用不同直徑的球壓頭及不同的試驗(yàn)力，要得到相同的硬度值，或者說，要獲得可以比較的結(jié)果，只有在試驗(yàn)力與球壓頭直徑的平方之比為一個(gè)常數(shù)時(shí)才可能。即：壓壓痕痕相相似似原原理理 在國標(biāo)在國標(biāo)GB231-84中中K值有值有30、15、10、5、2.5、1.25、1共共7種，種，鋼球直徑有鋼球直徑有10mm、5mm、2.5mm、2mm、1mm共計(jì)共計(jì)5種。種。 進(jìn)行布氏硬度檢測時(shí)，對不同硬軟的材料，應(yīng)選用不同的進(jìn)行布氏硬度檢測時(shí)，對不同硬軟的材料，應(yīng)選用不同的K值，一值，一般的規(guī)律是硬的材料般的規(guī)律是硬的材料K值選用高；軟的材

14、料值選用高；軟的材料K值選用低。值選用低。相似原理的應(yīng)用相似原理的應(yīng)用K值及值及K常數(shù)的選擇：常數(shù)的選擇：材料布氏硬度1.102F/D2(K)鋼及鑄鐵1401401030銅及合金13051030輕金屬及合金802.5(1.25)10(5或15)10(15)鉛、錫1.25(1)在進(jìn)行布氏硬度檢測時(shí)，一般在測得壓痕直徑d后，可查表得到硬度值。當(dāng)獲得d值不在0.24Dd0.6D范圍內(nèi)，要重新選擇K值，當(dāng)d0.6D時(shí)，K值向減小方向選用。雖然K值從30到1差別很大，但其目的主要是為硬、軟差別的材料在進(jìn)行檢測時(shí)。時(shí)氣壓入角相近；使壓痕直徑（d）能控制在0.240.6D之間。當(dāng)d=0.375D時(shí)的壓入角4

15、40，是維氏硬度壓頭1360的補(bǔ)角，見圖43， d與D(球壓頭直徑)之比例可用下式表示。由圖42可知，當(dāng)布氏硬度值低于450HB時(shí)與維氏硬度值相同，兩者相符性好。只有在硬度值增高時(shí)才產(chǎn)生差異。這種差異隨著硬度值增高及球壓頭壓入角減少(44。)而增大。采用硬質(zhì)合金球壓頭時(shí)，相符性將提高3.2.4.3.2.4.布氏硬度檢測方法與技術(shù)條件布氏硬度檢測方法與技術(shù)條件（1 1）硬度值用以下方法表示：）硬度值用以下方法表示： HBSHBS、HBWHBW前面的數(shù)值為硬度值，符號(hào)后面為試驗(yàn)條件，即球直徑及試前面的數(shù)值為硬度值，符號(hào)后面為試驗(yàn)條件，即球直徑及試驗(yàn)力及保持時(shí)間，采用規(guī)定的保持時(shí)間驗(yàn)力及保持時(shí)間，采

16、用規(guī)定的保持時(shí)間(10(1015s)15s)則不用標(biāo)注。則不用標(biāo)注。 350HBW5350HBW5750750用用5mm5mm硬質(zhì)合金球，在硬質(zhì)合金球，在7.355kN(750kd)7.355kN(750kd)試驗(yàn)力下保試驗(yàn)力下保持持101015s15s，測得的硬度值為，測得的硬度值為350350；101015s15s為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間不用標(biāo)注。為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間不用標(biāo)注。 600HBW1600HBW130302020用用1mm1mm硬質(zhì)合金球，在硬質(zhì)合金球，在2942942N(30kd)2N(30kd)試驗(yàn)力下保試驗(yàn)力下保持持20 s20 s測得的布氏硬度值為測得的布氏硬度值為600600。（2 2）布氏硬

17、度試驗(yàn)的測量裝置：布氏硬度試驗(yàn)一般采用測量壓痕）布氏硬度試驗(yàn)的測量裝置：布氏硬度試驗(yàn)一般采用測量壓痕直徑的方法；但在自動(dòng)硬度計(jì)中，或在大批量試樣試驗(yàn)時(shí)常采用直徑的方法；但在自動(dòng)硬度計(jì)中，或在大批量試樣試驗(yàn)時(shí)常采用商分表測量壓痕深度的方法，以提高試驗(yàn)速度。有的生產(chǎn)線上的商分表測量壓痕深度的方法，以提高試驗(yàn)速度。有的生產(chǎn)線上的自動(dòng)測量儀器采用對壓痕進(jìn)行掃描的方式測量硬度值。今后將會(huì)自動(dòng)測量儀器采用對壓痕進(jìn)行掃描的方式測量硬度值。今后將會(huì)出現(xiàn)更多的更為先進(jìn)的儀器。出現(xiàn)更多的更為先進(jìn)的儀器。（3 3）布氏硬度計(jì)試驗(yàn)力的設(shè)置：）布氏硬度計(jì)試驗(yàn)力的設(shè)置：施加載荷的時(shí)間為施加載荷的時(shí)間為28s28s。黑色金

18、屬的保載時(shí)間為。黑色金屬的保載時(shí)間為1015s1015s；有色金；有色金屬為屬為30s30s；布氏硬度小于；布氏硬度小于3535時(shí)為時(shí)為60s60s。布氏硬度試驗(yàn)硬度范圍的上限為布氏硬度試驗(yàn)硬度范圍的上限為650HBW650HBW。試驗(yàn)力范圍為。試驗(yàn)力范圍為9.807N9.807N 29.42kN29.42kN，表，表3 32 2為不同條件下的試驗(yàn)力，供試驗(yàn)時(shí)選用。為不同條件下的試驗(yàn)力，供試驗(yàn)時(shí)選用。2.2.52.2.5、布氏硬度試驗(yàn)的試樣、布氏硬度試驗(yàn)的試樣(1)試樣的表面應(yīng)光滑平整，不應(yīng)有氧化皮及污物，尤其不應(yīng)有油脂。試樣表面應(yīng)能保證壓痕直徑的精確測量，表面粗糙度只Ra一般不應(yīng)低于0.80

19、um(2)試樣制備過程中，應(yīng)盡量避免由于過熱或冷加工等對試樣表面硬度產(chǎn)生影響。(3)試樣的厚度至少應(yīng)為壓痕深度的10倍2.2.62.2.6試驗(yàn)誤差的主要來試驗(yàn)誤差的主要來源源1試驗(yàn)儀器(1)試驗(yàn)力：a琺碼的精度；b加力機(jī)構(gòu)的摩接力及慣性力；c力杠桿比的變化；d作用力與試臺(tái)臺(tái)面的垂宣度；e加力過程是否平穩(wěn)。(2)硬質(zhì)合金球壓頭：(3)測量顯微鏡：2試驗(yàn)條件(1)加荷速度的變化；(2)試驗(yàn)力保持時(shí)間的誤差；(3)室溫及環(huán)境狀態(tài)不好。3. 試祥(1)試樣厚度不夠；(2)壓痕之間及壓痕與試樣邊緣距(3)表面狀態(tài)及表面粗極度不好；(4)工作面與支承面平行性超標(biāo)。4.人員誤差(1)操作不當(dāng)；(2)感準(zhǔn)及讀

20、數(shù)誤差。3.2.7.布氏硬度的應(yīng)用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)布氏硬度的應(yīng)用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)1 1具有較大的壓頭和較大的試驗(yàn)力具有較大的壓頭和較大的試驗(yàn)力 由于采用較大的球呀頭由于采用較大的球呀頭(40m)(40m)和較大的試驗(yàn)力，得到較大直徑的壓痕，和較大的試驗(yàn)力，得到較大直徑的壓痕，因而能測量出試樣較大范圍內(nèi)的性能，而不受材料中個(gè)別組織的影響。因而能測量出試樣較大范圍內(nèi)的性能，而不受材料中個(gè)別組織的影響。2 2與其他機(jī)械性能的關(guān)系與其他機(jī)械性能的關(guān)系 由于布氏硬度試驗(yàn)?zāi)芊磻?yīng)出試樣較大范圍內(nèi)的綜合性能，因此布氏硬由于布氏硬度試驗(yàn)?zāi)芊磻?yīng)出試樣較大范圍內(nèi)的綜合性能，因此布氏硬度與材料的其他機(jī)械性能較為密切，如抗拉強(qiáng)

21、度極限，磨損性能等這在生度與材料的其他機(jī)械性能較為密切，如抗拉強(qiáng)度極限，磨損性能等這在生產(chǎn)實(shí)際中具有很大的意義?？梢酝ㄟ^測量硬度的方法得到近似的強(qiáng)度值，產(chǎn)實(shí)際中具有很大的意義。可以通過測量硬度的方法得到近似的強(qiáng)度值，既可以提高工作效率，又可節(jié)省大量原材料。既可以提高工作效率，又可節(jié)省大量原材料。3 3精度高精度高 布氏硬度試驗(yàn)由于壓痕較大，具有較高的測量精度，這個(gè)方法簡單易布氏硬度試驗(yàn)由于壓痕較大，具有較高的測量精度，這個(gè)方法簡單易行，誤差因素較少，因而數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠，精度較高。行，誤差因素較少，因而數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠，精度較高。4. 4. 不足之處：操作時(shí)間較長，對不同軟硬材料試樣要選擇和更換壓頭不足之處：操作時(shí)間較長，對不同軟硬材料試樣要選擇和更換壓頭及檢測力，壓痕測量也較費(fèi)時(shí)間及檢測力，壓痕測量也較費(fèi)時(shí)間 適應(yīng)于具有大晶粒金屬材料的硬度測定，例如鑄鐵、有色適應(yīng)于