工程材料金屬熱處理及硬度與金相分析實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、金屬熱處理及硬度和金相分析實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解熱處理設(shè)備及其操作過程2學(xué)會使用金相顯微鏡3學(xué)會使用硬度計4掌握金相試樣制備的基本操作方法，了解影響金相試樣檢驗(yàn)效果的主要因素5了解碳鋼的基本熱處理（退火、正火、淬火）工藝方法，觀察碳鋼熱處理后的顯微組織形態(tài)6了解熱處理工藝對碳鋼硬度的影響二、實(shí)驗(yàn)材料45#鋼試件、水槽、油槽、火鉗、平板玻璃、金相砂紙、拋光劑、浸蝕劑等三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及使用方法 1箱式電爐1電爐 2控制器SX2-5-12實(shí)物圖操作步驟如下：（1）打開爐門，用火鉗將工件放入爐中，關(guān)好爐門。（2）按熱處理工藝要求設(shè)置好控制程序并加熱，具體操作方法詳見附件三。2拋光機(jī)1拋光盤 2電源開關(guān)P

2、G-2實(shí)物圖操作步驟如下：（1）用滴管將拋光液加入拋光盤絨布上，旋轉(zhuǎn)電源開關(guān)至ON位置。（2）手持工件將拋光面朝下,在拋光盤半徑一半處拋光，注意力度，不要讓試件飛出。當(dāng)感到阻力大時就要添加拋光液。（3）拋光完畢，旋轉(zhuǎn)電源開關(guān)至OFF位置。 3金相顯微鏡 1微調(diào)手輪 2粗調(diào)手輪 3物鏡 4目鏡 5載物臺 XJ-16B實(shí)物圖 4X1實(shí)物圖操作步驟如下：（1）察看所使用物鏡3和目鏡4的放大倍數(shù)，物鏡和目鏡的放大倍數(shù)刻在嵌圈上，顯微鏡放大倍數(shù)M=M物M目。（2）將試樣放在載物臺5上，使被觀察表面倒置在載物臺中間。（3）轉(zhuǎn)動粗調(diào)手輪2，待看到組織后，再轉(zhuǎn)動微調(diào)手輪1，直到所觀察的圖象清晰為止。4硬度計

3、1操縱手柄 2變換載荷旋鈕 3指示表 4壓頭 5支承臺 6手輪HR-150A實(shí)物圖操作步驟如下：（1） 按下表選用壓頭和載荷，搖動操縱手柄1至卸荷位置。材料編號洛氏硬度符號壓頭種類載荷Kgf（N）表盤上刻度顏色常用硬度值范圍1和2HRB直徑1.588毫米鋼球100（980）紅線25100 （HB60230)3和4HRC金剛石圓錐壓頭150（1471）黑線2067 (HB230700)（2）將試樣放在支承臺5上，使被測面向上。（3）順時針方向轉(zhuǎn)動手輪6升起支承臺，使壓頭4壓入試樣。指示表3的指針開始沿順時針方向轉(zhuǎn)，直到短針指到紅點(diǎn)，長針基本向上垂直位置，（左右偏移不超過五格）此時表示壓頭已在10

4、kgf（98.1N）的預(yù)載荷下壓入試樣。（4）轉(zhuǎn)動指示表的外環(huán)，使長針對準(zhǔn)硬度值的起點(diǎn)。如試驗(yàn)HRB硬度時，使長針對準(zhǔn)紅色數(shù)字30（即B）；試驗(yàn)HRC時，使長針對準(zhǔn)黑色字C。（5）搖動手柄1至加荷位置，主載荷便通過杠桿加于壓頭上，使壓頭壓入試樣，長指針則按逆時針方向回轉(zhuǎn)，直至指針停止為止。（6）加荷后在試樣上保持載荷時間約10秒，然后緩緩搖動手柄1卸除主載荷（在23秒鐘內(nèi)卸除完畢），而預(yù)載荷仍然作用在試樣上。此時長指針則沿順時針方向轉(zhuǎn)動，靜止位置所指的數(shù)字即表示所測的洛氏硬度值，HRC讀外圈黑刻度，HRB讀內(nèi)圈紅刻度。（7）逆時針方向轉(zhuǎn)動手輪6卸除預(yù)載荷，取出試樣。（8）測量硬度時，在同一試樣

5、須進(jìn)行三點(diǎn)以上試驗(yàn)。若計算硬度時應(yīng)取平均值，但第一點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果不應(yīng)取用。四、實(shí)驗(yàn)步驟1學(xué)生分組領(lǐng)取試件：4人一組，每組領(lǐng)取試件一套(編號1、2、3、4的45鋼試件各一件）和不同型號金相砂紙一套。2根據(jù)材料編號所選定的熱處理工藝，進(jìn)行熱處理工藝操作。編號1：完全退火，從室溫加熱到830C，保溫35分鐘，然后隨爐冷卻。編號2：正火，從室溫加熱到830C，保溫35分鐘，然后在靜止的空氣中冷卻。編號3：油淬，從室溫加熱到830C，保溫35分鐘，然后放入油中冷卻。編號4：水淬，從室溫加熱到830C，保溫35分鐘，然后放入水中冷卻。3制備金相試樣（1）磨制先把金相砂紙平整的放在玻璃板上，手緊握試樣并貼緊金

6、相砂紙，輕壓試樣并緩慢向前推，用力要均勻，一直磨到試樣只有一個方向的磨痕為止。然后換更細(xì)一號的砂紙。更換后的磨制方向應(yīng)與前一號砂紙留下的磨痕相垂直，以利于觀察粗磨痕的消除情況。同時，每更換砂紙后，應(yīng)用棉花把試樣表面擦凈，以免較粗砂粒帶到細(xì)砂紙上擦傷試樣的表面。（2）拋光拋光前應(yīng)先把已經(jīng)磨制好的試樣用水清洗干凈，以免砂粒劃傷拋光面。拋光時應(yīng)使試樣與拋光圓盤旋轉(zhuǎn)的線速度方向相垂直；拋光液要搖均勻并間斷的加到拋光圓盤上去；拋光時要注意不要讓試樣飛出；拋光時間約25分鐘，不要太長。（3）浸蝕拋光后的試樣要用水清洗干凈，并吹干。把4%的硝酸酒精溶液用滴管吸出并置于試樣表面，注意整個試樣表面均要被浸蝕并沒

7、有氣泡，經(jīng)幾秒或幾十秒（根據(jù)材料和組織）后，待試樣表面變灰時迅速用水清洗，并立即吹干，再用毛巾擦去其它部位水跡。浸蝕的時間長短必須掌握好。時間過短，組織不能完全顯示出來。時間過長，試樣表面灰黑，組織模糊不清，必須重新拋光再浸蝕。4使用金相顯微鏡觀察制備好的金相試樣，同組之間相互交換試樣進(jìn)行觀察，并畫出或拍下所觀察到的顯微組織。5使用硬度計測量試樣的硬度值。附錄一：實(shí)驗(yàn)原理及背景知識附錄二：硬度對照表附錄三：SX2-5-12箱式電爐操作方法附錄一實(shí)驗(yàn)原理及背景知識一、鋼的熱處理熱處理是通過加熱、保溫、冷卻的三個過程，使鋼的內(nèi)部組織發(fā)生變化，以獲得所需要的鋼的性能的一種加工工藝。常用的熱處理方法主

8、要有退火、正火、淬火及回火等。實(shí)施熱處理操作時，加熱溫度、保溫時間和冷卻方式是最重要的三個基本工藝因素，正確選擇這三個工藝因素是熱處理成功的基本保證。1加熱溫度的選擇（1） 退火：一般亞共析鋼加熱至Ac3+（3050）（完全退火）；共析鋼和過共析鋼加熱至Ac1+（1020）（球化退火），目的是得到球化組織、降你硬度、改善高碳鋼的切削性能，同時為最終熱處理作好組織準(zhǔn)備。（2） 正火：一般亞共析鋼加熱至Ac3+（3050）；過共析鋼加熱至Acm+（3050），即加熱到奧氏體單相區(qū)。（3） 淬火：一般亞共析鋼加熱至Ac3+（3050）；共析鋼和過共析鋼加熱至Ac1+（3050）。需要指出，不論在退火

9、、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，而且增加氧化脫碳和變形的傾向。各種不同成分碳鋼的臨界溫度列于表1中。表1 各種碳鋼的臨界溫度（近似值）類別鋼號臨界溫度（）或碳素結(jié)構(gòu)鋼207358556808353073281367783540724790680796457247806827605072576069075060727766695721碳素工具鋼T7730770700743T8730-700-T10730800700-T12730820700-（4） 回火：鋼經(jīng)過正常淬火后，必須進(jìn)行及時回火。因?yàn)樵诖慊鹬屑崩鋾r產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力和淬火馬氏體本身較

10、脆，不能直接使用。低溫回火，回火溫度在120250度，淬火組織中只有淬火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，其它組成物不發(fā)生變化，因此鋼的淬火硬度保持不變。中溫回火，回火溫度在350500度，淬火馬氏體和殘余奧氏體都分解為回火托氏體，因此鋼的硬度下降。高溫回火，回火溫度在500650度，稱為調(diào)質(zhì)處理，得到的是回火索氏體，具有良好的綜合力學(xué)性能。2保溫時間的確定淬火加熱時間實(shí)際上是將試樣加熱到淬火所需的時間及淬火溫度停留所需時間的總和。加熱時間與鋼的成分、工件的形狀尺寸、所用的加熱介質(zhì)、加熱方法等因素有關(guān)，一般按照經(jīng)驗(yàn)公式加以估算，碳鋼在電爐中加熱時間列于表2。 表2 碳鋼在箱式電爐中加熱時間的確定加熱溫度

11、（）工件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70080090010001.51.00.80.42.21.51.20.6321.60.83冷卻速度經(jīng)正常加熱，并用不同速度冷卻后，鋼的性能就不同。因?yàn)槔鋮s速度不同，所獲得的組織不同。常用的冷卻方法有空冷、爐冷、油冷和水冷。冷卻速度依次為爐冷空冷油冷水冷.空冷獲得的組織為鐵素體和索氏體；油冷獲得的組織為屈氏體和極少量鐵素體；水冷（即以大于臨界冷卻速度），獲得的組織為淬火馬氏體和極少量殘余奧氏體。馬氏體是碳在體心立方體中的過飽和固溶液，它的硬度比其它組織的硬度高，而且隨著過飽和程度的增加，其硬度也增高。鋼經(jīng)正常淬火

12、后的硬度，開始隨含碳量的增加而增高，含碳量超過0.6%以后硬度的增加逐漸減慢。二、金屬試樣的制備制備好的合格的金屬試樣應(yīng)該是：組織有代表性；無假像；表面無磨痕、麻點(diǎn)或銹斑與水跡等。金屬試樣的制備主要包括取樣、研制光亮平整的鏡面和浸蝕等幾個步驟。1取樣截取金相試樣的部位必須根據(jù)實(shí)驗(yàn)的目的，能表征被檢測材料或零件的特點(diǎn)。如對事故進(jìn)行分析，應(yīng)在零件的破損部位截取，同時也應(yīng)該在遠(yuǎn)離破損處截取一參考試樣，以便比較。各種材料經(jīng)過的工藝過程或處理情況不同，截取試樣的部位也應(yīng)隨機(jī)變化。金屬試樣的大小，較合適的尺寸是直徑為1015cm、高1215cm的圓柱體或邊長為12cm的正方體。2研制成平整光亮的鏡面為了使

13、試樣的觀察表面呈平整光亮的鏡面，可采用磨制和拋光來獲得。光亮的鏡面在金相顯微鏡下觀察，只能看到一片白亮，也可觀察到材料內(nèi)部的某些雜質(zhì)，一般看不到組織形貌。3浸蝕要觀察到金屬和合金的組織，必須采用適當(dāng)?shù)慕g劑對金屬表面進(jìn)行“浸蝕”才能使顯微組織真實(shí)地、充分地、細(xì)致地顯示出來。常用的是化學(xué)浸蝕法?；瘜W(xué)浸蝕法主要是利用浸蝕劑對試樣表面的化學(xué)與電化學(xué)作用來浸蝕試樣的表面。這是由于金屬材料各處的化學(xué)成分和組織不同，它們的原子排列情況和電極電位不同，所以腐蝕的性能也不同，造成浸蝕時各處的腐蝕速度不一樣，使試樣表面上呈現(xiàn)出微觀的凹凸不平，在垂直光線的照射下，使光的反射程度不一樣，從而在顯微鏡下觀察到試樣的表

14、面亮暗程度不同，依此來鑒別材料內(nèi)部的組織。在單相合金中，由于晶界上原子排列的不規(guī)則，具有較高的能量，所以晶界較易浸蝕，而成凹溝，故在金相顯微鏡下看到黑色的晶界。對于兩相或兩相以上合金，具有負(fù)（或低）電位的相被浸蝕而形成凹洼，具有正（或高）電位的相不受浸蝕。因此在金相顯微鏡下能區(qū)分不同的組織和組成相。例如共析鋼平衡狀態(tài)下的珠光體組織是鐵素體基體上分布著層片狀的滲碳體。鐵素體具有負(fù)電位，滲碳體具有正電位，因而在正常浸蝕條件下，鐵素體被腐蝕而凹下，滲碳體卻沒有被腐蝕。因此在高倍金相顯微鏡下觀察到滲碳體四周有一圈暗線，顯示出存在兩相。三、金相顯微鏡工作原理金相顯微鏡是用于鑒別和分析各種金屬內(nèi)部的結(jié)構(gòu)組

15、織，為金屬物理學(xué)研究金相的重要工具。凡鑄造、冶煉、熱處理的質(zhì)量研究，原材料的檢驗(yàn)或材料處理后的分析等均可使用。儀器的光路系統(tǒng)見圖一所示，燈源1的燈絲經(jīng)集光鏡2與反光鏡3成像孔徑光闌4上，接著由照明輔助透鏡5、7，輔助物鏡9成像在物鏡10的后焦面附近，然后經(jīng)物鏡以近于平行的光束照明試樣，裝飾圈6位于照明輔助透鏡7的焦面上，經(jīng)輔助物鏡9和物鏡10成象在試樣面11上。試樣11經(jīng)物鏡10和輔助物鏡9以平行光束射向半透反光鏡8，然后，由輔助物鏡12，棱鏡13，雙筒棱鏡組14，成象在目鏡15的前焦面上，最后以平行光束射向人眼供觀察。1.燈源 2.集光鏡 3.反光鏡 4.孔徑光闌 5、7照明輔助透鏡6. 裝

16、飾圈 8.半透反光鏡 9、12.輔助透鏡 10.物鏡 11.試樣 13.棱鏡 14.雙筒棱鏡組 15.目鏡圖1光學(xué)原理圖表3 45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)1234退火：860爐冷正火：860空冷淬火：860油冷 860水冷珠光體+鐵素體（呈亮白色塊狀）細(xì)珠光體+鐵素體（塊狀）細(xì)針馬氏體+屈氏體（暗黑色塊狀）細(xì)針馬氏體+殘余奧氏體（亮白色）400500500500四、洛氏硬度試驗(yàn)的基本原理洛氏硬度試驗(yàn)原理如圖 3所示。先施加一個預(yù)載荷，然后在規(guī)定的主載荷作用下將壓頭壓入被測材料的表面。洛氏硬度試驗(yàn)所用壓頭有兩種：一種是頂角為120的金剛石圓錐，另一種是直徑為

17、(1.588mm)1/16或1/8(3.176mm)的淬火鋼球。根據(jù)金屬材料軟硬程度不一，可選用不同的壓頭和載荷配合使用，最常用的是HRA、HRB 和HRC。圖 3 洛氏試驗(yàn)原理圖洛氏硬度計算公式：HR=K-(h3-h1)/0.002式中:h1：為預(yù)加載荷壓入試樣的深度（mm）。h3：為卸除主載荷后壓入試樣的深度（mm)。k：為常數(shù)（120金剛石圓錐 HRA、HRC k=0.2；鋼球時 HRB k=0.26 ）附錄二45#鋼的硬度參考值：退火硬度197HB正火硬度226HB淬火硬度5560HRC硬度對照表（參考）：洛氏硬度布氏硬度HB10/3000HRAHRBHRC（56.8）（97.0）（1

18、3.5）198（56.5）（96.5）（13.0）19660.2100.020.022578.4/55.053881.0/60.0/附錄三SX2-5-12箱式電爐操作方法（程序控制）1、 順時針旋動控制器面板下部的電源開關(guān)“Power”，打開電源，散熱風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，儀表上電自檢后處于待機(jī)狀態(tài)。2、 按鍵，直到頂端的顯示欄顯示“FIX”，表示“定值控制”；按鍵，頂端的顯示欄顯示“FIX”，顯示欄顯示“ON”或“OFF”。按、鍵可在ON、OFF之間切換，當(dāng)顯示欄顯示“OFF”時，表示定值控制關(guān)閉，此時按鍵確認(rèn)。3、 按鍵，直到頂端的顯示欄顯示“PROG”，表示“程序控制”。4、 按鍵，直到頂端的顯示欄

19、顯示“PV_S”，此時顯示欄無數(shù)據(jù)顯示，顯示欄顯示“ON”或“OFF”。按、鍵可在ON、OFF之間切換，當(dāng)顯示欄顯示“ON”時，表示程序控制打開，此時按鍵確認(rèn)。5、 按鍵，顯示欄顯示“1”，表示加熱的第1階段。此時顯示欄顯示“SV”，顯示欄的顯示值為溫度設(shè)定值，按、鍵調(diào)整到所需的溫度設(shè)定值，如“300C”，按鍵確認(rèn)。6、 按鍵，當(dāng)顯示欄顯示“tim”時，顯示欄為升溫（或降溫）時間，按、鍵調(diào)整到所需的時間設(shè)定值，如“01.30”，表示1小時30分鐘。按鍵確認(rèn)。7、 按鍵，顯示欄顯示“2”，表示加熱的第2階段。如果要保溫，在顯示欄顯示“SV”的情況下，按、鍵調(diào)整所需的溫度設(shè)定值到上一階段的終點(diǎn)值，如“300C”，按鍵確認(rèn)。8、 按鍵，按照第6步操作的方法，調(diào)整保溫時間，如“01.30”，表示1小時30分鐘，按鍵確認(rèn)。9、 以后的加熱階段依次類推，共可設(shè)置10個階段。10、 按鍵，直到頂端的顯示欄顯示溫度值，如“