工程材料及材料成型實驗報告

1、工程材料及材料成型實驗指導(dǎo)書青島大學(xué)機械基礎(chǔ)實驗教學(xué)中心實驗一 鐵碳合金平衡組織觀察一、實驗?zāi)康?、進一步掌握不同成分鐵碳合金在平衡狀態(tài)下的顯微組織。2、進一步掌握Fe- Fe3C相圖在鐵碳合金組織分析中的作用3、掌握鐵碳合金成分與組織變化的關(guān)系和規(guī)律，能夠根據(jù)顯微組織的特征估算 亞共析鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)。4、熟悉金相顯微鏡的結(jié)構(gòu)與使用。二、實驗原理鐵碳合金的平衡組織是指鐵碳合金在極其緩慢的冷卻條件下所得到的組織， 即Fe- Fe 3C相圖所對應(yīng)的組織。實際生產(chǎn)中，要想得到一種完全的平衡組織是不可能的，退火條件下得到的 組織比較接近于平衡組織。 因此我們可以借助退火組織來觀察和分析鐵碳合金的 平

2、衡組織。根據(jù)Fe- Fe相圖，我們把鐵碳合金相圖分為工業(yè)純鐵、 亞共析鋼、共析鋼、 過共析鋼、亞共晶白口鐵、共晶白口鐵、過共晶白口鐵1、工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵是3 cvO.0218%的鐵碳合金，在室溫下的組織為鐵素體組織，鐵素 體呈多角形塊狀， 晶界為黑色條狀， 有時可以看出在晶界處少量分布的三次滲碳 體。2、亞共析鋼亞共析碳鋼的質(zhì)量分數(shù)為0.0218%< 3 cvO.77%,室溫下的組織由鐵素體和珠 光體組成。經(jīng)經(jīng)硝酸酒精溶液浸蝕后在顯微鏡下觀察， 鐵素體呈白色多邊形塊狀， 珠光體在放大倍數(shù)較低時呈暗黑色。 隨著碳的質(zhì)量分數(shù)的增加， 鐵素體量逐漸減 少，珠光體量逐漸增加，鐵素體的形態(tài)逐漸由塊

3、狀變?yōu)樗閴K狀或網(wǎng)狀。3、共析鋼共析鋼是3 c= 0.77%的鐵碳合金，室溫組織為單一的珠光體。顯微鏡下每個 珠光體晶粒中滲碳體與鐵素體片層的方向、 大小、 寬窄都不一樣， 這是因為每個 珠光體晶粒的位向不同，其截割截面不一致導(dǎo)致的結(jié)果。4、過共析鋼過共析鋼質(zhì)量分數(shù)0.77% < 3 cv2.11%,室溫組織由珠光體和二次滲碳體 組成。經(jīng)硝酸酒精溶液浸蝕后珠光體呈暗黑色， 二次滲碳體呈白色網(wǎng)狀分布在珠 光體周圍。用堿性苦味酸納溶液浸蝕后珠光體呈灰白色， 二次滲碳體呈黑色網(wǎng)狀。5、亞共析白口鐵亞共晶白口鐵 碳的質(zhì)量分數(shù)為2.11%<3 c<4.3%,室溫組織由珠光體、二次 滲碳體

4、和萊氏體組成。經(jīng)硝酸酒精溶液浸蝕后珠光體呈暗黑色橢圓型，萊氏體為 白色滲碳體基體上分布著暗黑色粒狀珠光體， 二次滲碳體析出與共晶滲碳體連在 一起。6共晶白口鐵共晶白口鐵是3 c二4.3 %的鐵碳合金，室溫組織為單一的萊氏體組織。萊氏 體是珠光體與滲碳體組成的機械混合物。 經(jīng)硝酸酒精溶液浸蝕后，顯微鏡下白色 基體為滲碳體，珠光體呈黑色粒狀或棒狀7、過共晶白口鐵過共晶白口鐵是質(zhì)量分數(shù)4.3%<3 CV6.69 %的碳鋼，室溫組織由萊氏體和一 次滲碳體組成。經(jīng)硝酸酒精溶液浸蝕后一次滲碳體呈白亮的、 粗大的板條分布在 萊氏體基體上。三、實驗儀器設(shè)備及材料四、畫出45、T8、T12鋼顯微組織，并標

5、出各物相材料名稱 處理狀態(tài) 顯微組織 浸蝕劑 放大倍數(shù)材料名稱 處理狀態(tài) 顯微組織 浸蝕劑放大倍數(shù)材料名稱 處理狀態(tài) 顯微組織 浸蝕劑放大倍數(shù)五、根據(jù)所觀察的組織,說明含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響。五、根據(jù)杠桿定律估算未知樣品的含碳量和硬度。實驗二 碳鋼的熱處理及硬度實驗一、實驗?zāi)康?、了解碳鋼熱處理的基本方法。2、了解不同熱處理方法對碳鋼組織與性能的影響。3、了解硬度測量的基本原理和應(yīng)用范圍。4、了解布氏、洛氏硬度試驗機的主要結(jié)構(gòu)并掌握其操作方法。、實驗儀器及設(shè)備三、實驗操作過程1、介紹電爐、硬度計、讀數(shù)顯微鏡、砂輪機和預(yù)磨機的使用方法及安全注意事 項。2、取一組45或T10鋼試樣（共6

6、塊，一塊退火試樣已提前備好）。3、將試樣放入箱式或坩鍋電爐中加熱至一定溫度 （45鋼為860C；T10為780C）, 保溫時間為10分鐘。4、2人一組，分別進行水冷（4塊）、油冷（1塊）、空冷（1塊）操作。5、將水冷試樣取出3塊分別放入200C、400C、600E的爐中回火，保溫時間 為30分鐘。&處理后的試樣依次用砂輪機、預(yù)磨機磨去兩端氧化皮，然后測量硬度：爐冷、空冷試樣測布氏硬度（各測2點）；其它試樣測洛氏硬度（各測34點）。四、填寫表中全部實驗數(shù)據(jù)表鋼號熱處理工藝硬度值HRC或 HRB換算為HRC加熱溫 度C）冷卻 方法回火溫 度（C）123平均45860爐冷空冷油冷水冷水冷20

7、0水冷400水冷600750水冷表二鋼號熱處理工藝硬度值HRC或 HRB換算為HB加熱溫 度C)冷卻 方法回火溫 度(C)123平均T12780爐冷空冷油冷水冷水冷200水冷400水冷600860水冷五、分析冷卻速度、回火溫度對碳鋼硬度及性能的影響的影響六、分析45鋼淬火加熱溫度為750C與860C的組織與性能的影響七、分析T12鋼860E水淬、200E回火與780C、200E回火的組織與性能的差 別。實驗三 金屬材料的金相組織觀察一、實驗?zāi)康?、觀察了解碳鋼幾種典型的熱處理后的顯微組織特點。2、觀察了解碳鋼、合金鋼幾種典型的熱處理后的顯微組織特點。3、分析上述材料金相組織與性能的關(guān)系二、實驗

8、原理 合金鋼的性能之所以比碳鋼優(yōu)越， 主要是由于合金元素在鋼中所起的作用， 合金元素的加入改變了鋼的組織與結(jié)構(gòu)，其相變溫度也有很大變化。（一）、常碳用鋼和合金鋼的組織特點1、 常用碳鋼本實驗主要觀察20鋼、45鋼和T12的淬火組織。2、合金工具鋼合金結(jié)構(gòu)鋼的組織特征與碳鋼相似。由于合金元素的加入，使其組織細化、脆透性增加。合金工具鋼中主要觀察高速鋼 W18Cr4V的金相組織。1）高速鋼的鑄態(tài)組織由于大量合金元素的存在 （ 約為 20%），雖然碳的質(zhì)量分數(shù)只有 0.7%0.8%， 但其組織為： 共晶萊氏體 （白色骨骼狀碳化物 ）+馬氏體 （ 白色）+殘余奧氏體 （白 色）+托氏體（ 黑色） 。2

9、）高速鋼的退火組織鑄態(tài)組織中由于存在大塊狀的碳化物，因而使高速鋼的性能變得硬而脆， 不能直接使用， 必須經(jīng)過鍛打、 退火處理， 使其成為碳化物呈細小顆粒并且均勻 分布。 退火組織 為：索氏體 +碳化物 。3）高速鋼的淬火組織為了獲得高的熱硬性，高速鋼淬火時必須淬火加熱到很高溫度（1280 C ），以 保證合金元素充分溶解到奧氏體中。淬火后的組織：馬氏體 +大量的殘留奧氏體 +一次碳化物顆粒，4）高速鋼的回火組織為了消除大量的殘留奧氏體，需經(jīng)三至四次 560 C高溫回火。 回火組織：回火馬氏體 （黑色）+少量殘留奧氏體 +碳化物顆粒。三、實驗儀器設(shè)備及材料四、畫出下列試樣的顯微組織，并標出各物相

10、20淬火T10球化退火T12鋼780C淬火200C回火W18Cr4V淬火W18Cr4V淬火回火材料名稱處理狀態(tài)顯微組織浸蝕劑放大倍數(shù)材料名稱處理狀態(tài)顯微組織浸蝕劑放大倍數(shù)材料名稱處理狀態(tài)顯微組織浸蝕劑放大倍數(shù)材料名稱 處理狀態(tài) 顯微組織 浸蝕劑放大倍數(shù) 材料名稱 處理狀態(tài) 顯微組織 浸蝕劑放大倍數(shù)五、根據(jù)所觀察的金相組織，選一材料分析說明金相組織對性能的影響實驗四 鑄鐵、有色合金的顯微組織觀察一、實驗?zāi)康模?、觀察和研究石墨的大小、數(shù)量、形態(tài)及分布對鑄鐵的組織及性能的影響。2、熟練掌握各種鑄鐵的顯微組織及性能特征。3、了解幾種典型有色合金的金相組織及特征二、實驗原理根據(jù)石墨的形態(tài)、大小和分布情

11、況不同，鑄鐵可分為灰鑄鐵（石墨呈片條狀） ，可鍛鑄鐵 （石墨呈團絮狀） 和球墨鑄鐵 （石墨呈圓球狀） 。1 、灰鑄鐵 根據(jù)石墨化程度及基體組織的不同，灰鑄鐵可分為：鐵素體灰鑄鐵，鐵素 體珠光體灰鑄鐵，珠光體灰鑄鐵。圖示為珠光體（暗黑色）加少量鐵素體（白 色）灰鑄鐵。2、可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵 是由白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火處理而得。 退火過程中滲碳體發(fā)生分解 形成團絮狀石墨。根據(jù)基體組織不同， 可鍛鑄鐵又分為鐵素體可鍛鑄鐵和珠光體可鍛鑄鐵。 圖 示為鐵素體可鍛鑄鐵。3、球墨鑄鐵 根據(jù)基體組織不同， 球墨鑄鐵又分為： 鐵素體球墨鑄鐵， 鐵素體珠光體 球墨鑄鐵，珠光體球墨鑄鐵。圖示為鐵素體球墨鑄鐵。有色金屬1

12、、鋁合金鑄造鋁合金中常用的是鋁-硅系合金（？Si10%13%）常稱 鋁硅明”由Al-Si 合金相圖可知改成分在共晶點附近， 所以鑄造性能優(yōu)良，產(chǎn)生鑄造裂紋的傾向小。 但組織是a固溶體和粗大針狀的硅晶體組成的共晶體及少量呈多面體狀的出生 硅晶體 。粗大的硅晶體極脆，嚴重的降低了合金的塑性和韌性。 為了改善合金的性能， 通常采用變質(zhì)處理。經(jīng)變質(zhì)處理后，不僅組織細化，而且可得到由枝晶狀a固溶 體和細密共晶體組成的亞共晶組織，因而使鋁合金的強度和塑性顯著提高。2 、銅合金工業(yè)上最常用的銅合金有銅鋅合金（黃銅）、銅錫合金（錫青銅）、銅鋁合金 （鋁青銅）、銅鈹合金（鈹青銅）、銅鎳合金（白銅）等。以黃銅為例

13、，常用的黃銅鋅的質(zhì)量分數(shù)均在 45%以下。由Cu-Zn合金相圖可知， 鋅的質(zhì)量分數(shù)少于39%的黃銅組織為單相a固溶體，稱為 a黃銅或單相黃銅， 鋅質(zhì)量分數(shù)在39%45的黃銅呈a +B兩相組織，稱 兩相黃銅，黃銅H62的 顯微組織。3、軸承合金軸承合金又稱巴氏合金，用來制造滑動軸承的軸瓦和內(nèi)稱。 常用的錫基軸 承合金為ZSnSb11Cu6該合金的成分中除3 sr83%外還含有#1%® cU6% 合金組織主要是以Sb中的a固溶體為軟基體和以Sn-Sb為基體的有序固溶體B 相為硬質(zhì)點。為消除由于B相密度小而易上浮所造成的密度偏析，合金中加入銅形成Cu6Sn5在液體中冷卻時最先結(jié)晶成樹枝狀晶

14、體能阻礙B相上浮，因而使 合金獲得較均勻的組織。ZSn Sb11Cu6合金的金相組織：暗黑色基體為軟的a相，白色方塊為硬的 B相，白色枝晶狀析出物為 Cu6Sn5它也起硬質(zhì)點的作用。這種軟基體硬質(zhì)點 混合組織能保證軸承合金具有必要的強度、塑性和韌性，以及良好的減磨性。三、設(shè)備及材料四、畫出下列材料的金相組織，并標出各物相 灰口鑄鐵可鍛鑄鐵球墨鑄鐵鋁硅合金軸承合金材料名稱 處理狀態(tài) 顯微組織 浸蝕劑放大倍數(shù)材料名稱 處理狀態(tài) 顯微組織 浸蝕劑放大倍數(shù)材料名稱 處理狀態(tài) 顯微組織 浸蝕劑放大倍數(shù)材料名稱 處理狀態(tài) 顯微組織 浸蝕劑放大倍數(shù)材料名稱 處理狀態(tài) 顯微組織 浸蝕劑放大倍數(shù)3、根據(jù)金相組織

15、觀察，分析說明石墨的大小、組織及性能的影響。實驗六金屬液態(tài)成型實驗、實驗?zāi)康?、了解液態(tài)成型工藝過程2、掌握液態(tài)成型的加工方法3、熟悉合金流動性的概念，掌握合金流動性的測定方法4、了解影響合金流動性及充型能力的因素二、實驗原理液態(tài)成型工藝有鑄造、液態(tài)模鍛等多種方法。 其中歷史最悠久，應(yīng)用最廣泛的是鑄造。它是將液態(tài) 金屬澆注到鑄型內(nèi)凝固成型的工藝方法。鑄造的特點：1. 不受零件大小、形狀、材料的限制。2 原材料來源廣，生產(chǎn)成本低。3.生產(chǎn)過程較復(fù)雜，易出現(xiàn)廢品，不適單件小批量生產(chǎn)。獲得合金鑄件的重要指標：液態(tài)合金的充型能力是指液態(tài)合金充滿鑄型型腔獲 得形狀完整、輪廓清晰的復(fù)雜鑄件的能力。若充型能

16、力不足，將使鑄件產(chǎn)生澆不 足或冷隔等缺陷影響充型能力的因素一）、合金的流動性合金的流動性是合金鑄造過程中的一種工藝性能。流動性愈好充型能力愈強 則愈有利于獲得輪廓清晰薄壁的鑄件（對薄壁、大型復(fù)雜尤為重要） ，否則易出 現(xiàn)澆不足冷隔等缺陷。常見鑄造合金中灰鑄鐵、硅黃銅的流動性最好，鋁合金次之，鑄鋼最差。 影響合金流動性的主要因素1. 化學(xué)成分：共晶合金流動性好，恒溫下逐層凝固使結(jié)晶界面光滑，合金的 T溶C低，過熱度高。2. 澆注條件：澆注溫度：T澆T，合金粘度J，過熱度T，合金保持液態(tài)的 時間T,充型能力提高。但T澆過高，鑄件易晶粒出現(xiàn)縮孔、氣孔、粘砂之類的 缺陷，控制?；诣T鐵12001380

17、C 粗大鑄造碳鋼15201620 C°,鋁合金680 780 C °。對薄壁復(fù)雜鑄件或流動性較差的合金可適當提高澆注溫度。3. 澆注壓力：增大澆注壓力顯然可改善合金的充型能力。）、鑄型充填條件1 鑄型導(dǎo)熱能力：相同條件下，金屬型和砂型鑄造同一零件時，金屬型澆 不足金屬型導(dǎo)熱能力強，容易降低合金的溫度，導(dǎo)致其充型能力差。而砂型的 導(dǎo)熱能力較弱，充型能力較強。2 鑄型的阻力： 相同條件下，砂型與金屬型鑄造（鑄型加熱到200 C°）金屬鑄型氣體不能排出反壓力增大，將導(dǎo)致金屬液填充鑄型的能力下降。二、實驗材料實驗材料為熔點分別為50C的共晶蠟料（成分為15%勺石蠟和75%

18、勺硬脂酸） 和60C的亞共晶蠟料（成分為75%勺石蠟和15%勺硬脂酸）。三、實驗儀器與設(shè)備1. 低溫、中溫加熱爐各一臺；2 液態(tài)成形實驗裝置一臺3. 各種實驗用模具若干套。4. 合金流動性測試儀四、實驗內(nèi)容1.材料的流動性實驗；1）實驗過程選擇平板模，在重力充型的條件下，分別將共晶蠟料和亞共晶蠟料加熱到60r和70r后，澆入澆口杯中。待冷卻至 20r時，從模中取出蠟樣，觀察外觀 截面的質(zhì)量，并完成下表1-1:表1-1液體性質(zhì)對成形性的影響蠟料收縮大小與特征外觀質(zhì)量平均流動長度含硬月徵75%勺共晶蠟料含硬月脂酸15%勺亞共晶蠟料2. 回答下列問題1）哪種蠟料成型性好？為什么?2. 材料的收縮性實驗;1）實驗過程二號模型c）a）一號模型b）三號模型10°C。分別在重力、壓力、過熱1-2。選擇