材料科學課程設(shè)計實驗報告

1、材料科學與工程基礎(chǔ)實驗課 設(shè) 報 告學生姓名： 學生學號： 指導(dǎo)教師： 報告日期： 目錄一、 綜述51.1 組織綜述51.1.1 馬氏體組織綜述51.1.2 索氏體組織綜述51.1.3 屈氏體組織綜述51.2 材料綜述61.2.1 20號鋼綜述61.2.2 45號鋼綜述61.2.3 T8鋼綜述8二、 實驗過程92.1 熱處理原理簡介92.1.1 鋼的淬火92.1.2 鋼的回火92.2 實驗器材102.3 金相試樣加工方法、過程102.3.1 取樣102.3.2 磨光102.3.3 拋光112.3.4 金相試樣的化學腐蝕112.4 熱處理加工方法、過程112.4.1 20號鋼熱處理112.4.2

2、 45號鋼熱處理112.4.3 T8號鋼熱處理122.5 硬度測試方法、過程12三、 實驗結(jié)果123.1熱處理加工結(jié)果123.1.1 20號鋼123.1.2 45號鋼熱處理結(jié)果133.1.3 T8鋼熱處理結(jié)果133.2 硬度測試結(jié)果133.2.1 20號鋼硬度測試結(jié)果133.2.2 45號鋼硬度測試結(jié)果13四、 實驗結(jié)果分析144.1 組織結(jié)果分析144.1.1 20號鋼金相組織分析144.1.2 45號鋼金相組織分析154.1.3 T8號鋼金相組織分析164.2顯微圖像分析174.3 硬度和組織橫向、縱向比較17五、 結(jié)論18六、參考文獻：181、 綜述1.1 組織綜述1.1.1 馬氏體組織

3、綜述馬氏體是黑色金屬材料的一種組織名稱。馬氏體（M）是碳在-Fe的過飽和的固溶體，是靠無擴散的奧氏體切變方式在鋼中形成的相，是淬火鋼的基本組織1。其比容大于奧氏體、珠光體等組織，這是產(chǎn)生淬火應(yīng)力，導(dǎo)致變形開裂的主要原因。馬氏體是將鋼加熱到一定溫度（形成奧氏體）后經(jīng)迅速冷卻（淬火），得到的能使鋼變硬、增強的一種淬火組織。馬氏體通常有片狀、板條狀，但金相觀察中通常表現(xiàn)為針狀。高的強度和硬度是馬氏體的主要特征之一，通常低碳馬氏體具有良好的強度和一定的韌性，高碳馬氏體強度高、韌性大2。回火馬氏體一般是淬火鋼經(jīng)低溫回火（150250）所得組織。有成分不均勻的過飽和的a-固溶體與高度彌散分布的碳化物FeX

4、C所組成，基本上保持了淬火鋼的高硬度和高耐磨性的前提下，降低其淬火內(nèi)應(yīng)力和脆性，以免使用時崩裂或過早損壞。它主要用于各種高碳的切削刃具、量具、冷沖模具、滾動軸承以及滲碳件等。低溫回火后的工件硬度一般在60HRC以上。1.1.2 索氏體組織綜述索氏體是鋼經(jīng)正火或等溫轉(zhuǎn)變所得到的鐵素體與滲碳體的機械混合物，索氏體組織屬于珠光體類型的組織，但其組織比珠光體組織細，索氏體具有良好的綜合機械性能1。回火索氏體由淬火鋼高溫回火（500650）所得組織，是較細小的鐵素體與球狀滲碳體的混合物。具有良好的機械性能，硬度一般在2833HRC.習慣上將淬火鋼加高溫回火相結(jié)合的熱處理工藝稱為調(diào)質(zhì)，其目的是獲得強度，硬

5、度、塑性和韌性都較好的綜合機械性能。因此，廣泛用于汽車，拖拉機，機床等的重要結(jié)構(gòu)零件，如連桿，螺栓，齒輪及軸類。回火后硬度一般為HB2003303。1.1.3 屈氏體組織綜述屈氏體是通過奧氏體等溫轉(zhuǎn)變所得到的由鐵素體與滲碳體組成的極彌散的混合物。是一種最細的珠光體類型組織，其組織比索氏體組織還細1?；鼗鹎象w淬火鋼經(jīng)中溫回火(350500)所得組織，是極細小的鐵素體與球狀滲碳體的混合物。其目的是獲得高的屈服強度，彈性極限和較高的韌性。因此，它主要用于各種彈簧和熱作模具的處理，回火后硬度一般為HRC35503。1.2 材料綜述1.2.1 20號鋼綜述20號鋼，含碳量為0.2%，該鋼屬于優(yōu)質(zhì)低碳碳

6、素鋼、冷擠壓、深碳淬硬鋼。該鋼強度低，韌性、塑性和焊接性均好?？估瓘姸葹?53500MPa，伸長率25%。密度是7.85，無沖擊韌度3。應(yīng)用：冷變形塑性高，一般供彎曲、壓延用，為了獲得好的深沖壓延性能，板材應(yīng)正火或高溫回火；用于不經(jīng)受很大應(yīng)力而要求很大韌性的機械零件，如軸套、螺釘、杠桿軸、變速箱變速叉、齒輪、重型機械拉桿、鉤環(huán)等，還可用于表面硬度高而心部強度要求不大的滲碳于氰化零件。20號鋼的化學成分如表1.2.1.1所示CSiMnPSNiCrCu0.170.230.170.370.350.650.0350.0350.300.250.25表1.2.1.120號鋼的力學性能如表1.2.1.2所示

7、抗拉強度b(MPa)屈服強度s(MPa)伸長率（5)斷面收縮率()硬度4102452555156HB表1.1.1.21.2.2 45號鋼綜述45號鋼為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)用鋼，硬度不高易切削加工，模具中常用來做模板、梢子、導(dǎo)柱等，但須熱處理。45號鋼廣泛用于機械制造，這種鋼的機械性能很好。但是這是一種中碳鋼，淬火性能并不好，45號鋼可以淬硬至HRC4246。所以如果需要表面硬度，又希望發(fā)揮45號鋼優(yōu)越的機械性能，常將45號鋼表面滲碳淬火，這樣就能得到需要的表面硬度。45號鋼淬火后沒有回火之前，硬度大于HRC55（最高可達HRC62）為合格。實際應(yīng)用的最高硬度為HRC55（高頻淬火HRC58）。45號鋼

8、不要采用滲碳淬火的熱處理工藝。調(diào)質(zhì)處理后零件具有良好的綜合機械性能，廣泛應(yīng)用于各種重要的結(jié)構(gòu)零件，特別是那些在交變負荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等。但表面硬度較低，不耐磨。可用調(diào)質(zhì)表面淬火提高零件表面硬度。滲碳處理一般用于表面耐磨、芯部耐沖擊的重載零件，其耐磨性比調(diào)質(zhì)表面淬火高。其表面含碳量0.81.2，芯部一般在 0.10.25（特殊情況下采用0.35）。經(jīng)熱處理后，表面可以獲得很高的 硬度（HRC5862），芯部硬度低，耐沖擊。如果用45鋼滲碳，淬火后芯部會出現(xiàn)硬脆的馬氏體，失去滲碳處理 的優(yōu)點?，F(xiàn)在采用滲碳工藝的材料，含碳量都不高，到0.30芯部強度已經(jīng)可以達到很高，應(yīng)用上不多見。0

9、.35從來沒見過實例，只在教科書里有介紹。可以采用調(diào)質(zhì)高頻表面淬火的工藝，耐磨性較滲碳略差。GB/T699-1999標準規(guī)定的45鋼推薦熱處理制度為850正火、600回火，達到的性能為屈服強度355MPa。GB/T699-1999標準規(guī)定45號鋼抗拉強度為600MPa，屈服強度為355MPa，伸長率為16，斷面收縮率為40，沖擊功為39J3。45號鋼的化學成分如表1.1.2.1所示化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）CSiMnPSNiCrCu0.420.500.170.370.500.800.0400.0450.250.250.25表1.2.2.145號鋼的機械性能如表1.1.2.2所示抗拉強度b(MPa

10、)屈服強度s(MPa)伸長率（5)斷面收縮率()硬度6003551640197HB表1.2.2.245號鋼的熱處理參數(shù)如表1.2.2.3所示表1.2.2.3牌號淬火回火溫度/淬火介質(zhì)硬度不同溫度回火后的硬度值20870900水或鹽水140HBS200300550600165 HBS158 HBS147 HBS144 HBS45840水或油59HRC55HRC50HRC26HRC22HRC1.2.3 T8鋼綜述T8鋼表示平均含C量為0.8%的優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，含C：0.75%0.84%，按化學成分分類是一種碳素鋼，且為高碳鋼。含Si：0.35%；Mn：0.40%；P:0.035%；S0.030%，

11、按冶金質(zhì)量分類是一種優(yōu)質(zhì)鋼。按用途分類T8鋼是一種工具鋼3。T8鋼的性能及用途：T8鋼加熱時容易過熱,變形也大,塑性強度也較低,不適合做模具，但淬透性較好，可用于制造斷面較大的工具，且熱處理后，具有較高的硬度與耐磨性，適合用于制造承受一定沖擊而要求較高的刃具，如沖頭、壓縮空氣工具、木工工具等工具4。T8號鋼的化學成分如表1.2.3.1所示化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）CSiMnPSNiCrCu0.750.840.350.400.0350.030表1.2.3.1T8鋼熱處理參數(shù)如表1.2.3.2所示牌號淬火回火溫度/淬火介質(zhì)硬度HBS不同溫度回火后的硬度值HBS常用回火溫度范圍/硬度HBST8800水

12、-油6264150200300400500550600150240556064605545353127表1.2.3.22、 實驗過程2.1 熱處理原理簡介2.1.1 鋼的淬火所謂淬火就是將鋼加熱到 Ac3（亞共析鋼）或Ac1 (過共析鋼)以上3050，保溫后放入各種不同的冷卻介質(zhì)中（ V冷應(yīng)大于V臨 ），以獲得馬氏體組織。碳鋼經(jīng)淬火后的組織由馬氏體及一定數(shù)量的殘余奧氏體所組成。為了正確地進行鋼的淬火，必須考慮下列三個重要因素：淬火加熱的溫度、保溫時間和冷卻速度67。2.1.2 鋼的回火鋼件淬硬后，再加熱到臨界溫度以下的某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝稱為回火。淬火后的鋼件一般

13、不能直接使用，必須進行回火后才能使用。因為淬火鋼的硬度高、脆性大，直接使用常發(fā)生脆斷。通過回火可以消除或減少內(nèi)應(yīng)力、降低脆性，提高韌性；另一方面可以調(diào)整淬火鋼的力學性能，達到鋼的使用性能67。根據(jù)回火溫度的不同，回火可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火三種。A 低溫回火C降低內(nèi)應(yīng)力，脆性，保持淬火后的高硬度和耐磨性B 中溫回火C；提高彈性，強度C 高溫回火C；淬火鋼件在高于500的回火稱為高溫回火。淬火鋼件經(jīng)高溫淬火后，具有良好綜合力學性能（既有一定的強度、硬度，又有一定的塑性、韌性）。所以一般中碳鋼和中碳合金鋼常采用淬火。2.2 實驗器材1. T8鋼、20鋼、45鋼試樣，粗細不同的打磨砂紙2.

14、 洛氏硬度計，箱式電爐，淬火用水槽3. 拋光機，金相顯微鏡，硝酸腐蝕液，酒精4. 圖像分析儀2.3 金相試樣加工方法、過程2.3.1 取樣試樣大小要以便于握持、易于磨制，通常15mm1520mm的圓柱15-25mm的立方體。對形狀特殊或尺寸細小不易握持的試樣，要進行鑲嵌或機械夾。2.3.2 磨光粗磨：整平試樣，并磨成合適的形狀,通常在砂輪機上進行。精磨：常在砂紙上進行。砂紙分水砂紙和金相砂紙。通常水砂紙為SiC磨料不溶于水，金相砂紙的磨料有人造剛玉、碳化硅、氧化鐵等，極硬、呈多邊棱角，具有良好的切削性能，精磨時可用水作潤滑劑手工濕磨或機械濕磨，通常使用粒度為240、320、400、500、60

15、0五種水砂紙進行磨光后即可進行拋光，對于較軟金屬，應(yīng)用更細的金相砂紙磨光后再拋光。2.3.3 拋光使磨光留下的細微磨痕成為光亮無痕的鏡面。粗拋：除去磨光的變形層，常用的磨料是粒度為1020m的-Al2O3、Cr2O3或Fe2O3，加水配成懸浮液使用。精拋：除去粗拋產(chǎn)生的變形層，使拋光損傷減到最小。注意事項：在磨拋過程中要根據(jù)材料的不同選擇適合的添加輔料，以免造成使用不當?shù)妮o料對材料產(chǎn)生化學反應(yīng)，如鋁材絕不能用氧化鋁拋光粉，否則會產(chǎn)生化學反應(yīng)，引起材料組織結(jié)構(gòu)變化，從而影響試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果等。2.3.4 金相試樣的化學腐蝕將已拋光好的試樣用水沖洗干凈或用酒精擦掉表面殘留的臟物，然后將試樣磨面浸入腐

16、蝕劑中，或用竹夾子或木夾夾住棉花球沾取腐蝕劑在試樣磨面上擦拭，拋光的磨面即逐漸失去光澤；待試樣腐蝕合適后馬上用水沖洗干凈，用濾紙吸干或用吹風機吹干試樣磨面，即可放在顯微鏡下觀察。高倍觀察時腐蝕稍淺一些，而低倍觀察則應(yīng)腐蝕較深一些。2.4 熱處理加工方法、過程本實驗對20號鋼、45號鋼和T8鋼非別采用不同的熱處理工藝，記錄下熱處理后的硬度，與原始硬度作比較。2.4.1 20號鋼熱處理1）淬火4將試樣至于840爐膛內(nèi)，保溫6分鐘左右，取出試樣對其進行油冷。2）低溫回火4將試樣置于220C爐膛內(nèi)，保溫20分鐘左右，取出試樣空冷。2.4.2 45號鋼熱處理1) 淬火4將試樣至于840爐膛內(nèi)，保溫6分鐘

17、左右，取出試樣對其進行油冷。2) 高溫回火4將試樣置于560C爐膛內(nèi)，保溫20分鐘左右，取出試樣空冷。2.4.3 T8號鋼熱處理1） 淬火4將試樣置于780C爐膛內(nèi)，保溫6分鐘左右，取出試樣對其進行油冷。2）低溫回火4將試樣置于220C爐膛內(nèi)，保溫,20分鐘左右，取出試樣空冷。2.5 硬度測試方法、過程采用洛氏硬度機對20號鋼、45號鋼和T8鋼材料測量其原始硬度和熱處理后硬度。為了減小測量誤差，取試樣上距離中心不同位置的點，進行多次測量，記錄數(shù)據(jù)。具體實驗過程如下：1) 將絲杠頂面及被選用的工作臺上下端面擦干凈,將工作臺置于絲杠上。2) 將試件支撐面擦干凈,放在工作臺上,旋轉(zhuǎn)手輪使工作臺緩慢上

18、升,并頂起壓頭,到小指針指著紅點,大指針旋轉(zhuǎn)三圈垂直向上為止允許相差5個刻度。3) 旋轉(zhuǎn)指示器外殼,使C,B之間長刻線與大指針對正順.逆時針旋轉(zhuǎn)均可。4) 拉動加荷手柄,施加主試驗力,這時指示器的大指針按逆時針方向轉(zhuǎn)動。5) 當指示器指針的轉(zhuǎn)動顯著地停頓下來后,即可將卸荷手柄推回,卸除主試應(yīng)力。6) 從指示器上相應(yīng)的標尺讀數(shù): 采用金剛石壓頭試驗時,按表盤外圈的黑體字讀取;采用鋼球壓頭試驗時,按表盤內(nèi)圈的紅字讀取。7) 轉(zhuǎn)動手輪使試件下降,再輕輕移動試件后,按上述2-6過程進行新的試驗。8) 絲杠保護套是為了保護絲杠不受灰塵侵襲而制設(shè)的.當硬度計不使用時或試件高度小于100mm時,將其套在絲杠

19、外面. 當試件高度大于100mm時,必須將其拿掉,以免將工作臺頂起,造成實驗無效。3、 實驗結(jié)果3.1熱處理加工結(jié)果3.1.1 20號鋼20號鋼經(jīng)淬火后得到馬氏體。后經(jīng)220低溫回火得到回火馬氏體。3.1.2 45號鋼熱處理結(jié)果45號鋼經(jīng)正常淬火后得到馬氏體組織。后經(jīng)560高溫回火后得到回火索氏體組織。3.1.3 T8鋼熱處理結(jié)果T8鋼經(jīng)過淬火后得到馬氏體和殘余的奧氏體，其硬度、強度高，塑性、韌性差。低溫回火得到穩(wěn)定的回火馬氏體組織，其強度、硬度高、耐磨性好，但塑性、韌性相對提高。3.2 硬度測試結(jié)果3.2.1 20號鋼硬度測試結(jié)果20號鋼硬度測試結(jié)果如表3.2.1.1所示硬度：HRC1234

20、平均原始硬度18.018.718.619.318.7淬火32.928.025.531.429.5低溫回火28.529.030.132.230.0表3.2.1.13.2.2 45號鋼硬度測試結(jié)果45號鋼硬度測試結(jié)果如表3.2.2.1所示硬度：HRC 1234平均原始硬度27.829.028.528.328.4淬火57.358.959.356.758.1高溫回火28.728.829.428.928.9表3.2.2.13.2.3 T8鋼硬度測試結(jié)果T8鋼硬度測試結(jié)果如表3.2.3.1所示硬度：HRC1234平均原始硬度42.840.844.242.042.5淬火71.571.473.271.071.

21、8低溫回火58.957.659.359.658.9表3.2.3.14、 實驗結(jié)果分析4.1 組織結(jié)果分析4.1.1 20號鋼金相組織分析使用金相顯微鏡對熱處理前后的20號鋼材料進行組織分析，采用不同的顯微放大倍數(shù)。其顯微圖片如圖4.1.1.1所示。 20號鋼 200X 20號鋼 400X 20號鋼低溫回火 200X 20號鋼低溫回火 400X20號鋼低溫回火1000X圖4.1.1.1 4.1.2 45號鋼金相組織分析使用金相顯微鏡對熱處理前后的45號鋼材料進行組織分析，采用不同的顯微放大倍數(shù)。其顯微圖片如圖4.1.2.1所示。 45號鋼 200X 45號鋼 400X 45號鋼高溫回火 200X

22、 45號鋼高溫回火 400X45號鋼高溫回火1000X圖4.1.2.14.1.3 T8號鋼金相組織分析使用金相顯微鏡對熱處理前后的45號鋼材料進行組織分析，采用不同的顯微放大倍數(shù)。其顯微圖片如圖4.1.3.1所示。 T8鋼 200X T8鋼 400X T8鋼低溫回火 200X T8鋼低溫回火 400XT8鋼低溫回火1000X圖4.1.3.14.2顯微圖像分析熱處理之前三個試樣均為滲碳體和珠光體組成,白亮部分為鐵素體,黑暗部分為珠光體。20鋼和T8鋼和低溫回火后其組織為回火馬氏體，由成分不均勻的過飽和固溶體與高度彌散分布的碳化物FexC所組成。其顯微圖像應(yīng)呈現(xiàn)出板條狀，可能由于實驗操作不當導(dǎo)致其顯微結(jié)構(gòu)并未呈現(xiàn)出清晰板條狀，組織中混合著較多的殘余奧氏體，究其原因可能是回火溫度并未達到設(shè)定值，這與如之后測得的20鋼回火硬度比預(yù)期偏低相符。45鋼高溫回火后得到回火索氏體。在光學金相顯微鏡下放大500600倍以上才能分辨出來，其為鐵素體基體內(nèi)分布著碳化物（包括滲碳體）球粒的復(fù)合組織。它也是馬氏體的一種回火組織，是鐵素體與粒狀碳化物的混合物。此時的鐵素體已基本無碳的過