金屬材料實驗預(yù)習(xí)報告

1、 材料成分和熱處理工藝對鋼組織與性能的影響實驗預(yù)習(xí)報告 材科1104 張明康一、實驗?zāi)康?. 了解熱處理設(shè)備和幾種熱處理工藝的實際操作。2. 了解材料成分、熱處理工藝、組織和性能之間的關(guān)系。3. 培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)理論知識和實驗技術(shù)獨立分析和解決實際問題的能力。4. 培養(yǎng)學(xué)生分工合作的團隊意識。2、 實驗材料與設(shè)備1. 45(15mm)、40CrNi(13mm)和T8(16mm)鋼試樣2. 箱式加熱爐3. 硬度計4. 金相顯微鏡及數(shù)碼照相系統(tǒng)5. 磨光機及金相砂紙6. 拋光機及拋光液7. 浸蝕劑、酒精、玻璃器皿、竹夾子、脫脂棉、濾紙等3、 熱處理設(shè)備熱處理設(shè)備是對工件進行退火、回火、淬火、加

2、熱等熱處理工藝操作的設(shè)備。按電阻爐的結(jié)構(gòu)主要可以分為臺車爐、箱式爐、井式爐等。箱式電阻爐一般工作在自然氣氛條件下，多為內(nèi)加熱工作方式，采用耐火材料和保溫材料做爐襯，用于對工件進行正火、退火、淬火等熱處理及其他加熱用途。1、箱式電阻爐按照加熱溫度的不同一般分為三種類型：溫度高于1000稱為高溫箱式電阻爐，溫度在600一1000之間稱為中溫箱式電阻爐，溫度低于600稱為低溫箱式電阻爐，以滿足不同熱處理溫度的需要。2、箱式電阻爐結(jié)構(gòu)：由爐門、電熱元件、爐殼、控制箱、爐襯等五個部分組成。3、箱式電阻爐使用步驟：1 通電前，先檢查接線有否符合，控制器上等接線螺絲有否松落現(xiàn)象。 2 稱好試樣放與爐內(nèi)，并關(guān)

3、閉爐門，打開電爐開關(guān)；3 將控制器上的開關(guān)拔至“設(shè)定”位置，設(shè)定試驗溫度；4 設(shè)定完成后開關(guān)拔回至“測量”位置，電爐開始升溫工作，此時儀表由綠指示燈顯示；5 工作時間到后關(guān)掉電爐開關(guān)，待冷卻后取出樣品。 4、 45、40CrNi、T8鋼的化學(xué)成分及其臨界點溫度 表1 三種鋼的化學(xué)成分材料成分(%)CSiMnPSCrNiCu45鋼0.420.500.170.370.500.800.0400.0450.250.250.2540CrNi0.370.440.170.370.500.800.450.751.001.40T80.750.840.35 0.40 0.030 0.020 0.250.200.3

4、0 表2 三種鋼的臨界點溫度材料臨界點Ac1Ac3Ar1Ar3Ms45鋼72478068275134540CrNi731769660702271T8730 _700 _2252505、 45、40CrNi、T8鋼保溫時間的確定保溫時間的長短受多種因素的影響，主要有：(1)零件的有效厚度；(2)加熱介質(zhì)；(3)鋼材所含的合金元素，(4)加熱溫度；(5)裝爐方式。一般情況下，常選用經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行計算。 如碳素鋼在箱式電爐中常用1分1毫米來計算。在鹽浴爐中常用1520秒1毫米來計算。合金鋼是碳素鋼的1318倍，合金元素含量多，就用大系數(shù)。但在高溫時(超過1000)，有效厚度大的，系數(shù)取下限值；有效厚度

5、小的，系數(shù)取上限值。 常用的熱處理保溫時間計算公式： t=·K·D其中 t保溫時間 加熱系數(shù)（min/mm） K工件加熱時的修正系數(shù) D工件有效厚度工件有效厚度的計算原則：薄板工件的厚度即為有效厚度；長的圓棒料直徑為其有效厚度；正方形工件的邊長為其有效厚度；矩形工件的高為其有效厚度；帶錐度的圓柱形工件的有效厚度是距小端2L/3（L為工件的長度）處的直徑，帶有通孔的工件，其壁厚為有效厚度。 表3 加熱系數(shù)數(shù)值鋼種加熱方式 有預(yù)熱 無預(yù)熱氣體介質(zhì)爐鹽浴爐氣體介質(zhì)爐鹽浴爐 碳素鋼b=1.41.8a=0.70.9b=0.30.36a=0.100.17a=1.01.6直徑<50

6、mma=0.300.40直徑>50mma=0.40.45 合金鋼b=1.52.0a=1.01.2b=0.300.40a=0.150.20a=1.21.6直徑<50mma=0.450.50直徑>50mma=0.50.55注：b為達到預(yù)熱溫度550650時的加熱系數(shù)。6、 熱處理工藝本次實驗所選鋼種為45號鋼，組織為回火馬氏體1?；鼗瘃R氏體：淬火鋼在150250之間回火時，片狀馬氏體分解為含碳過飽和的固溶體和（或）碳化物的兩相組織。故需要淬火、回火熱處理工藝相結(jié)合進行熱處理。1、 淬火工藝參數(shù)選擇1 加熱溫度45號鋼為亞共析鋼，亞共析鋼的淬火加熱溫度一般采用Ac3以上3050，而

7、45號鋼Ac3=780，故選擇加熱溫度T=780+40=820。2 保溫時間加熱方式為箱式電阻爐，無預(yù)熱，故加熱系數(shù)a=1.01.6，選擇a=1.3；由于 工件為15mm圓柱鋼試樣，故工件有效厚度D=15；由保溫時間計算公式 t=·D=1.3*15=19.5min，故選擇保溫時間t=30min。3 淬火介質(zhì)及冷卻方法根據(jù)其組織要求，選擇雙液淬火的冷卻方法，冷卻介質(zhì)為水（50）+油。雙液淬火利用了水、油兩種冷卻介質(zhì)的優(yōu)點，既保證了工件發(fā)生完全的馬氏體轉(zhuǎn)變，又防止了工件的淬火變形與開裂。根據(jù)水（50）和油的冷卻能力，其冷卻時間分別為5s和5s。2、 回火工藝參數(shù)選擇為了獲得回火馬氏體，故

8、需要在淬火之后進行低溫回火，回火溫度范圍為150250，此次實驗選擇回火溫度T=200，回火時間1h，空冷，以獲得回火馬氏體1。3、 熱處理工藝流程1 淬火打開1號箱式電阻爐電源，將溫度設(shè)置為820，待爐溫升到預(yù)設(shè)值后，打開爐門，用鐵鉗將45號鋼試樣夾住放進爐里，關(guān)閉爐門，保溫30min。用鐵鉗將試樣取出，立即伸進水槽冷卻5s，后取出伸進油里冷卻5s以上。2 回火打開2號箱式電阻爐電源，將溫度設(shè)置為200，待爐溫升到預(yù)設(shè)值后，打開爐門，用鐵鉗將經(jīng)上述處理后的試樣夾住放進爐里，關(guān)閉爐門，保溫1h。用鐵鉗將試樣取出，放在試樣平臺上，空冷至室溫。3 測量硬度用洛式硬度計進行測量：a.將絲杠頂面及工作

9、臺上下端面擦凈,將工作臺置于絲杠臺上;b.將試件支撐面擦凈置于工作臺上,旋轉(zhuǎn)手輪使工作臺緩慢上升并頂起壓頭,至小指針指向紅點,大指針旋轉(zhuǎn)3圈垂直向上為止;c.旋轉(zhuǎn)指示器外殼,使C,B之間長刻線與大指針對正;d.拉動加荷手柄,施加主試驗力,指示器的大指針按逆時針方向轉(zhuǎn)動;e.當(dāng)指示針轉(zhuǎn)動停止下來后,即可將卸荷手柄推回,卸除主試驗力;f.從指示器上相應(yīng)的標(biāo)尺讀數(shù);4 磨光、拋光和浸蝕a. 磨光砂紙平鋪在玻璃板上 一手按住砂紙，另一手握住試樣， 砂紙平鋪在玻璃板上，一手按住砂紙，另一手握住試樣，使試樣 平鋪在玻璃板 磨面朝下并與砂紙接觸，在輕微壓力作用下向前推行磨制。 磨面朝下并與砂紙接觸， 輕微壓

10、力作用下向前推行磨制。 作用下向前推行磨制 磨制以“單程單向”方式重復(fù)進行。 磨制以“單程單向”方式重復(fù)進行。 在調(diào)換下一號更細的砂紙時，應(yīng)將試樣上的磨屑和砂粒清除干凈， 在調(diào)換下一號更細的砂紙時，應(yīng)將試樣上的磨屑和砂粒清除干凈， 并使試樣的磨制方向調(diào)轉(zhuǎn) 磨制方向調(diào)轉(zhuǎn)90° 并使試樣的磨制方向調(diào)轉(zhuǎn) 90°。b. 拋光將試樣磨面均勻地、平整地壓在旋轉(zhuǎn)的拋光盤上，壓力不宜過大， 將試樣磨面均勻地、平整地壓在旋轉(zhuǎn)的拋光盤上，壓力不宜過大， 并沿盤的邊緣到中心不斷作徑向往復(fù)移動。 并沿盤的邊緣到中心不斷作徑向往復(fù)移動。 拋光時間不宜過長，磨面上磨痕全部消除而呈光亮的鏡面后，即 拋光

11、時間不宜過長 光亮的鏡面后 拋光時間不宜過長，磨面上磨痕全部消除而呈光亮的鏡面 可停止拋光。 可停止拋光。 拋光后的試樣用水沖洗干凈，然后進行浸蝕。c. 浸蝕將拋光好的試樣磨面用化學(xué)浸蝕劑進行一定時間浸蝕 ，浸蝕后用酒精清洗浸蝕面，再用吹風(fēng)機吹干浸蝕面及試樣整 浸蝕后用酒精清洗浸蝕面， 隨后觀察。5 金相顯微鏡觀察和數(shù)碼照相a. 將制備好的試樣放在金相顯微鏡的載物臺上，選擇目鏡，物鏡的倍數(shù)，然后用粗調(diào)旋鈕調(diào)整焦距，直至觀察到物象，進而調(diào)節(jié)細調(diào)旋鈕，直至觀察到清晰的物象為止。b. 打開數(shù)碼照相機，對其進行拍照。7、 45、40CrNi、T8三種鋼在退火、正火、淬火和不同溫度回火后的力學(xué)性能。 表4 45號鋼熱處理后的力學(xué)性能熱處理力學(xué)性能 HRC淬火溫度/回火溫度/830850200485430040.546.540033.540.550026.5326002325.5700<17840860正火630650<17740760退火 <17 表5 40CrNi 鋼回火溫度與硬度關(guān)系40CrNi回火溫度/20025036042042045047050051054