2022年金屬材料綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告概要

1、加工硬化對(duì)中碳鋼組織和性能的影響一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.1 通過(guò)金屬材料實(shí)驗(yàn)全過(guò)程，根據(jù)給定的實(shí)驗(yàn)條件，自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，確定實(shí)驗(yàn)方法，選定實(shí)驗(yàn)器材，擬定實(shí)驗(yàn)操作程序，自己加以實(shí)現(xiàn)并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析處理，是學(xué)生進(jìn)一步加深對(duì)金屬材料課程所學(xué)內(nèi)容的理解，熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備，掌握實(shí)驗(yàn)基本方法。提高動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)合作的意識(shí)，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和進(jìn)行科學(xué)研究能力的目的。1.2 掌握金屬材料塑性變形,熱處理工藝,組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。1.3 運(yùn)用已學(xué)的金屬材料理論知識(shí)，參考有關(guān)資料，以預(yù)定性能指標(biāo)為依據(jù)，正確制定合理的實(shí)施方案。二 課程內(nèi)容：2.1 初步了解金屬材料選擇的原則，并選取實(shí)驗(yàn)材料；2.2 掌握主要

2、熱處理工藝方法，熟悉主要熱處理設(shè)備的結(jié)構(gòu)與爐溫的控制儀表；2.3 熟練掌握金相試樣的制備方法，能使用金相顯微鏡觀察，分析金相顯微組織；2.4 掌握金屬力學(xué)性能及其影響因素；2.5 選擇電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)及硬度計(jì)，了解其特征和使用方法。2.6 了解鑲嵌機(jī)的使用及操作規(guī)程。三 實(shí)驗(yàn)原理 3.1 金屬塑性變形金屬塑性變形的基本方式有滑移和孿生兩種。在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿某一晶面相對(duì)于另一部分滑動(dòng)，這種變形方式稱為滑移；在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿某一晶面相對(duì)另一部分產(chǎn)生剪切變形，且變形部分與未變形部分的位向形成了鏡面對(duì)稱關(guān)系，這種變形方式稱為孿生。一、單晶體金屬的塑性變形 單晶體受力后，外力在

3、任何晶面上都可分解為正應(yīng)力和切應(yīng)力。正應(yīng)力只能引起彈性變形及解理斷裂。只有在切應(yīng)力的作用下金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。塑性變形有兩種形式：滑移和孿生。在多數(shù)情況下，金屬的塑性變形是以滑移方式進(jìn)行的。 （一）滑移1.滑移與滑移帶1)滑移是指晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對(duì)于另一部分發(fā)生滑動(dòng)位移的現(xiàn)象?；谱冃蔚奶攸c(diǎn)：滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生。產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力稱臨界切應(yīng)力。滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。因?yàn)樵用芏茸畲蟮木婧途蛑g原子間距最大，結(jié)合力最弱，產(chǎn)生滑移所需切應(yīng)力最小。沿其發(fā)生滑移的晶面和晶向分別叫做滑移面和滑移方向。通常是晶體中的密排面和密排方向。 滑移時(shí)，晶

4、體兩部分的相對(duì)位移量是原子間距的整數(shù)倍。2)滑移帶滑移的結(jié)果在晶體表面形成臺(tái)階，稱滑移線，若干條滑移線組成一個(gè)滑移帶。2 .滑移系一個(gè)滑移面和其上的一個(gè)滑移方向構(gòu)成一個(gè)滑移系。金屬的塑性，面心立方晶格好于體心立方晶格，體心立方晶格好于密排六方晶格。3.滑移時(shí)晶面的轉(zhuǎn)動(dòng): 外力錯(cuò)動(dòng)力偶使滑移面轉(zhuǎn)動(dòng)滑移面拉伸軸。以滑移面的法線為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)滑移方向最大切應(yīng)力方向。 孿生 孿生是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對(duì)于另一部分所發(fā)生的切變。發(fā)生切變的部分稱孿生帶或?qū)\晶，沿其發(fā)生孿生的晶面稱孿生面，孿生的結(jié)果使孿生面兩側(cè)的晶體呈鏡面對(duì)稱。 與滑移相比：孿生使晶格位向發(fā)生改變；所需切應(yīng)力比滑移大得多, 變形速

5、度極快, 接近聲速；孿生時(shí)相鄰原子面的相對(duì)位移量小于一個(gè)原子間距。二、多晶體金屬的塑性變形單個(gè)晶粒變形與單晶體相似。而多晶體變形比單晶體復(fù)雜得多。 晶界及晶粒位向差的影響 1、晶界的影響 當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界附近時(shí)，受到晶界的阻礙而堆積起來(lái)，稱位錯(cuò)的塞積。要使變形繼續(xù)進(jìn)行，則必須增加外力，從而使金屬的塑性變形抗力提高。2、晶粒位向的影響 由于各相鄰晶粒位向不同，當(dāng)一個(gè)晶粒發(fā)生塑性變形時(shí)，為了保持金屬的連續(xù)性，周?chē)木ЯＨ舨话l(fā)生塑性變形，則必以彈性變形來(lái)與之協(xié)調(diào)。這種彈性變形便成為塑性變形晶粒的變形阻力。由于晶粒間的這種相互約束，使得多晶體金屬的塑性變形抗力提高。 多晶體金屬的塑性變形過(guò)程 多晶體中

6、首先發(fā)生滑移的是滑移系與外力夾角等于或接近于45的晶粒。當(dāng)塞積位錯(cuò)前端的應(yīng)力達(dá)到一定程度，加上相鄰晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，使相鄰晶粒中原來(lái)處于不利位向滑移系上的位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)，從而使滑移由一批晶粒傳遞到另一批晶粒，當(dāng)有大量晶粒發(fā)生滑移后，金屬便顯示出明顯的塑性變形。晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響 金屬的晶粒越細(xì)，其強(qiáng)度和硬度越高。因金屬晶粒越細(xì)，晶界總面積越大，位錯(cuò)障礙越多；需要協(xié)調(diào)的具有不同位向的晶粒越多，使金屬塑性變形的抗力越高。金屬的晶粒越細(xì)，其塑性和韌性也越高。因晶粒越細(xì)，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多，參與變形的晶粒數(shù)目也越多，變形越均勻，使在斷裂前發(fā)生較大的塑性變形。強(qiáng)度和塑性同時(shí)增加，金屬在斷裂前消耗的功也

7、大，因而其韌性也比較好。 通過(guò)細(xì)化晶粒來(lái)同時(shí)提高金屬的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性的方法稱細(xì)晶強(qiáng)化。 3.1.1 冷塑性變形對(duì)金屬組織與性能的影響若金屬在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行塑性變形，稱為冷塑性變形。冷塑性變形不僅改變了金屬材料的形狀與尺寸，而且還將引起金屬組織與性能的變化。金屬在發(fā)生塑性變形時(shí)，隨著外形的變化，其內(nèi)部晶粒形狀由原來(lái)的等軸晶粒逐漸變?yōu)檠刈冃畏较蛏扉L(zhǎng)的晶粒，在晶粒內(nèi)部也出現(xiàn)了滑移帶或?qū)\晶帶。當(dāng)變形程度很大時(shí)，晶粒被顯著地拉成纖維狀，這種組織稱為冷加工纖維組織。同時(shí)，隨著變形程度的加劇，原來(lái)位向不同的各個(gè)晶粒會(huì)逐漸取得近于一致的位向，而形成了形變織構(gòu)，使金屬材料的性能呈現(xiàn)出明顯的各向異性。

8、圖3-1為工業(yè)純鐵經(jīng)不同程度變形的顯微組織。圖3-1 工業(yè)純鐵冷塑性變形后組織(150X)a)變形程度20% b)變形程度50% c)變形程度70%金屬經(jīng)冷塑性變形后，會(huì)使其強(qiáng)度、硬度提高，而塑性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱為加工硬化。此外，在金屬內(nèi)部還產(chǎn)生殘余應(yīng)力。一般情況下，殘余應(yīng)力不僅降低了金屬的承載能力，而且還會(huì)使工件的形狀與尺寸發(fā)生變化。3.1.2 冷塑性變形后金屬在加熱時(shí)組織與性能的變化3.1.2.1 顯微組織變化金屬經(jīng)過(guò)塑性變形，會(huì)發(fā)生加工硬化現(xiàn)象，而且內(nèi)部產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力。為了去除內(nèi)應(yīng)力，或者為了消除加工硬化現(xiàn)象以便繼續(xù)變形，需要對(duì)冷變形金屬進(jìn)行加熱處理。由于變形金屬內(nèi)部存在嚴(yán)重的晶格

9、畸變，原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，本身就有向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變的傾向。加熱時(shí)，原子的活動(dòng)擴(kuò)散能力提高了，促使其向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變，并使金屬的組織結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化。這種變化可分為回復(fù)（recovery）、再結(jié)晶（recrystallization）和晶粒長(zhǎng)大（grain growth）這三個(gè)階段 , 圖 3.11 回復(fù)再結(jié)晶如圖 3.11所示。3.1.2.2 儲(chǔ)存能釋放與性能變化冷變形時(shí)，外力所作的功尚有一小部分儲(chǔ)存在形變金屬內(nèi)部，這部分能量叫儲(chǔ)存能，加熱過(guò)程中，原子活動(dòng)能力增強(qiáng)，偏離平衡位置大，能量高的原子將向低能的平衡位置遷移，將儲(chǔ)存能逐步釋放出來(lái)，使內(nèi)應(yīng)力松馳，純金屬儲(chǔ)存能釋放少，合金儲(chǔ)存能釋放多，儲(chǔ)存能

10、的釋放使金屬的對(duì)結(jié)構(gòu)敏感的性質(zhì)發(fā)生不同程度的變化。右圖給出幾種性能的變化與儲(chǔ)存能的關(guān)系3.1.3 回復(fù)回復(fù)是指冷變形金屬在加熱溫度較低時(shí)，金屬中的一些點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)的遷移，使晶格畸變逐漸減小，內(nèi)應(yīng)力逐漸降低的過(guò)程。這時(shí)因?yàn)樵踊顒?dòng)能力不大，所以金屬的晶粒大小和形狀尚無(wú)明顯的變化，因而其強(qiáng)度、硬度和塑性等機(jī)械性能變化不大，而只會(huì)使內(nèi)應(yīng)力及電阻率等理化性能顯著降低。工業(yè)上，對(duì)冷變形后金屬要保持其因加工硬化而提高的強(qiáng)度、硬度，又需消除殘余內(nèi)應(yīng)力的，則可在低溫回復(fù)階段加熱保溫，以基本去除其內(nèi)應(yīng)力，這種熱處理稱為去應(yīng)力退火。例如，用冷拉鋼絲繞制彈簧，繞成后應(yīng)在280300消除應(yīng)力退火使其定形。3.1.3.

11、1回復(fù)機(jī)理低溫回復(fù)主要涉及點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)?？瘴换蜷g隙原子移動(dòng)到晶界或位錯(cuò)處消失，空位與間隙原子的相遇復(fù)合，空位集結(jié)形成空位對(duì)或空位片，使點(diǎn)缺陷密度大大下降。中溫回復(fù)時(shí)隨溫度升高原子活動(dòng)能力增強(qiáng)，位錯(cuò)可以在滑移面上猾移或交滑移，使異號(hào)位錯(cuò)相通相消，位錯(cuò)密度下降，位錯(cuò)纏結(jié)內(nèi)部重新排列組合，使亞晶規(guī)整化。高溫回復(fù)，原子活動(dòng)能力進(jìn)一步增強(qiáng)，位錯(cuò)除滑移外，還可攀移。主要機(jī)制是多邊化。冷變形使平行的同號(hào)位錯(cuò)在滑移面上塞積，致使晶格彎曲，所增殖的位錯(cuò)雜亂分布。高溫回復(fù)過(guò)程中，這些刃位錯(cuò)便通過(guò)攀移和滑移，由原來(lái)能量較高的水平塞積。3.1.4 再結(jié)晶冷變形金屬的加熱溫度高于回復(fù)階段以后，當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，由于原子

12、活動(dòng)能力增大，金屬的顯微組織發(fā)生明顯的變化，由破碎拉長(zhǎng)或壓扁的晶粒變?yōu)榫鶆蚣?xì)小的等軸晶粒。這一過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)新晶粒重新形核和長(zhǎng)大的過(guò)程，故稱為“再結(jié)晶”。再結(jié)晶以后，只是晶粒外形發(fā)生了變化，而晶格類型并未變，仍與原始晶粒相同。再結(jié)晶的晶核一般是在變形晶粒的晶界或滑移帶及晶格畸變嚴(yán)重的地方形成，晶核形成后，依靠原子的擴(kuò)散移動(dòng)，向附近周?chē)L(zhǎng)大，直至各晶核長(zhǎng)大到相互接觸，形成新的等軸晶粒為止。通過(guò)再結(jié)晶，金屬的顯微組織發(fā)生了徹底的改變，故其強(qiáng)度和硬度顯著降低，而塑性和韌性大大提高，加工硬化現(xiàn)象得以消除，變形金屬的所有機(jī)械和物理性能全部恢復(fù)到冷變形以前的狀態(tài)。因此，再結(jié)晶在工業(yè)上主要用于金屬在冷變形

13、之后或在變形過(guò)程中，使其硬度降低，塑性升高，以便于進(jìn)一步加工，這樣的熱處理稱為再結(jié)晶退火。3.1.4.1 形核機(jī)制(1) 小變形量的弓出形核機(jī)制當(dāng)形量較小的，由于變形不均勻，相鄰晶粒的位錯(cuò)密度相差可以很大，此時(shí)晶界中的一小段會(huì)向位錯(cuò)密度高的一側(cè)突然弓出(2) 亞晶合并機(jī)制變形量較大的高層錯(cuò)能金屬再結(jié)晶核心通過(guò)亞晶合并來(lái)產(chǎn)生的。(3) 亞晶蠶食機(jī)制變形量很大的低層錯(cuò)能金屬擴(kuò)展位錯(cuò)寬度大，不易束集，交滑移困難，位錯(cuò)密度很高，在位錯(cuò)密度很大的小區(qū)域，通過(guò)位移的攀移和重新分布，形成位錯(cuò)密度很低的亞晶，這個(gè)亞晶便向周?chē)诲e(cuò)密度高的區(qū)域生長(zhǎng)。相應(yīng)的，亞晶界的位錯(cuò)密度逐漸增大，亞晶與周?chē)胃呋w取向差逐漸變

14、大，最終由小角度晶界演變成大角度晶界，大角度晶界一旦形成，可突然弓出，遷移，蠶食途中所遇位錯(cuò)，留下無(wú)畸高晶體，成為再結(jié)晶核心。3.1.4.2 再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)對(duì)恒溫再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)人們作過(guò)大量研究。下圖為純鐵經(jīng)98冷軋，在不同溫度下 等溫再結(jié)晶已經(jīng)再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù)xv與等溫時(shí)間t的關(guān)系曲線。具有典型的形核，長(zhǎng)大過(guò)程的動(dòng)力學(xué)特征。等溫溫度越高，孕育期越短，再結(jié)晶速度越快。等溫的每個(gè)溫度下，再結(jié)晶速度開(kāi)始很小，隨xv的增加而逐漸增大，并在大約50處達(dá)到最大，然后又逐漸減小。3.1.5 晶粒長(zhǎng)大再結(jié)晶完成以后，若再繼續(xù)升高加熱溫度或過(guò)分地延長(zhǎng)加熱時(shí)間，金屬的晶粒便會(huì)繼續(xù)長(zhǎng)大。因?yàn)橥ㄟ^(guò)晶粒長(zhǎng)大可減少晶界的面積

15、，使表面能降低，所以晶粒長(zhǎng)大是一個(gè)降低能量的自發(fā)過(guò)程。只要溫度足夠高，使原子具有足夠的活動(dòng)能力，晶粒便會(huì)迅速長(zhǎng)大。晶粒長(zhǎng)大實(shí)際上是一個(gè)晶界遷移的過(guò)程，即通過(guò)一個(gè)晶粒的邊界向另一晶粒的遷移，把另一晶粒中的晶格位向逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榕c這個(gè)晶粒相同的晶格位向，于是另一晶粒便逐步地被這一晶?！巴滩ⅰ保喜⒊梢粋€(gè)大晶粒。如圖 3.12 所示圖 3.12 晶粒長(zhǎng)大示意圖通常在再結(jié)晶后獲得細(xì)小均勻的等軸晶粒的情況下，晶粒長(zhǎng)大的速度并不很大，但如果原來(lái)的變形不均勻，經(jīng)過(guò)再結(jié)晶后得到的是大小不均勻的晶粒，那么，由于大小晶粒之間的能量相差懸殊，便很容易發(fā)生大晶粒吞并小晶粒而愈長(zhǎng)愈大的現(xiàn)象，從而得到異常粗大的晶粒，使金屬的

16、機(jī)械性能顯著降低。為了區(qū)別于通常的晶粒正常長(zhǎng)大，常把晶粒的這種不均勻急劇長(zhǎng)大的現(xiàn)象稱為“二次再結(jié)晶”。3.1.5.1 晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力，從整體上看，是晶粒長(zhǎng)大前后總的界面能差。從個(gè)別晶粒長(zhǎng)大的微觀過(guò)程來(lái)說(shuō)，晶界具有不同的曲率則是造成晶界遷移的直接原因。3.1.5.2 影響晶粒長(zhǎng)大的因素(1)溫度溫度越高晶粒長(zhǎng)大速度越快。一定溫度下，晶粒長(zhǎng)到極限尺寸后就不再長(zhǎng)大，但提高溫度后晶粒將繼續(xù)長(zhǎng)大。(2)雜質(zhì)與合金元素雜質(zhì)及合金元素滲入基體后能阻礙晶界運(yùn)動(dòng)。(3)第二相質(zhì)點(diǎn)彌散分布的第二相粒子阻礙晶界的移動(dòng)，可使晶粒長(zhǎng)大受到抑制。晶粒的異常長(zhǎng)大異常晶粒長(zhǎng)大又稱不連續(xù)晶粒長(zhǎng)大或二次再結(jié)晶，

17、是種特殊的晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象。發(fā)生異常長(zhǎng)大的條件是，正常晶粒長(zhǎng)大過(guò)程被分散相粒子，織構(gòu)或表面熱蝕溝等強(qiáng)烈阻礙，能夠長(zhǎng)大的晶粒數(shù)目較少，致使晶粒大小相差懸殊。晶粒尺寸差別越大，大晶粒吞食小晶粒的條件越有利，大晶粒的長(zhǎng)大速度也會(huì)越來(lái)越快，最后形成晶粒大小極不均勻的組織。二次再結(jié)晶形成非常粗大的晶粒及非常不均勻的組織，從而降低了材料的強(qiáng)度與塑性。因此在制定冷變形材料再結(jié)晶退火工藝時(shí)應(yīng)注意避免發(fā)生二次再結(jié)晶。 3.1.5.3 再結(jié)晶溫度和再結(jié)晶晶粒大小的影響因素3.1.5.3.1 再結(jié)晶溫度及其影響因素再結(jié)晶不是一個(gè)恒溫過(guò)程，而是在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的。工程上規(guī)定，大變形量（70%以上）的冷變形金屬經(jīng)一小

18、時(shí)保溫，能完成再結(jié)晶（95%轉(zhuǎn)變量）的最低溫度，稱為該金屬的再結(jié)晶溫度。每種金屬的再結(jié)晶溫度都各不相同，即便是同一種金屬，其再結(jié)晶溫度也不是固定的，而是受到諸多因素影響：(1)冷變形程度：冷變形程度越大，金屬畸變能越高，向低能量狀態(tài)變化的傾向也越大，因此再結(jié)晶溫度越低，如圖 3.13 所示。當(dāng)變形達(dá)到一定程度之后，再結(jié)晶溫度將趨近某一最低極限值，稱為“最低再結(jié)晶溫度”。實(shí)驗(yàn)證明，工業(yè)純金屬的熔點(diǎn)與最低再結(jié)晶溫度之間有如下關(guān)系T再 (0.35 0.40)T熔式中溫度按熱力學(xué)溫度（絕對(duì)溫度）計(jì)。圖 3.13 金屬的再結(jié)晶溫度與變形量的關(guān)系(2)保溫時(shí)間：加熱時(shí)保溫時(shí)間越長(zhǎng)，原子的擴(kuò)散移動(dòng)越能充分進(jìn)

19、行，再結(jié)晶溫度就越低。(3)原始晶粒度：原始晶粒越粗大，變形阻力越小，變形后內(nèi)能集聚較少，所以再結(jié)晶溫度較高。(4)金屬純度及成分：金屬中加入的合金元素或所含的雜質(zhì)元素，常會(huì)阻礙原子的擴(kuò)散與晶界的遷移，推遲再結(jié)晶的進(jìn)行，因此金屬的純度低，可以明顯提高再結(jié)晶溫度?？紤]到以上各因素的影響，為了縮短退火周期，在工業(yè)上選擇再結(jié)晶退火溫度，一般比最低再結(jié)晶溫度高 100200。3.1.5.3.2 再結(jié)晶后晶粒大小的因素變形金屬在再結(jié)晶退火后得到的晶粒大小，不僅影響到金屬的強(qiáng)度和塑性，還影響到金屬的韌性，因此控制再結(jié)晶后的晶粒大小是非常重要的。影響再結(jié)晶后晶粒大小的因素主要有以下幾種：(1)退火加熱溫度：

20、再結(jié)晶退火時(shí)加熱溫度越高，金屬的晶粒尺寸越大，如圖 3.14 所示。當(dāng)加熱溫度一定時(shí)，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也會(huì)使晶粒長(zhǎng) 大，但其影響不如溫度的影響大。(2) 冷變形程度：金屬的冷變形程度是影響再結(jié)晶晶粒大小的另一重要因素。圖 3.15 表明再結(jié)晶后的晶粒大小與冷變形程度的關(guān)系。當(dāng)金屬的冷變形量在2%10%的范圍內(nèi)時(shí)，再結(jié)晶后的晶粒會(huì)異常粗大。通常把再結(jié)晶時(shí)晶粒異常粗大所對(duì)應(yīng)的冷變形量稱為“臨界變形量”。當(dāng)變形量超過(guò)臨界變形量后，隨著變形量的增加，再結(jié)晶的晶粒逐漸變細(xì)。因此，為了獲得優(yōu)良的組織和性能，在制定壓力加工工藝時(shí)，必須避免在臨界變形量附近進(jìn)行冷變形。 3.2 洛氏硬度試驗(yàn)的基本原理洛氏硬度試驗(yàn)常用的

21、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1”/16（1.588mm）的淬火鋼球。據(jù)金屬材料軟硬程度不同，可選用不同的壓頭和負(fù)荷配合使用，最常用的是HRA、HRB、和HRC。這三種壓頭、負(fù)荷及應(yīng)用范圍可參考下表。 三種壓頭、負(fù)荷及應(yīng)用范圍表符號(hào)壓頭負(fù)荷（kgf）硬度值有效范圍使用范圍HRA120金剛石圓錐6070使用測(cè)量硬度質(zhì)合金、表面淬火層、滲碳層HRB1/16鋼球10025100（HB60230）使用測(cè)量有色金屬、退火及正火鋼HRC120金剛石圓錐1502067（HBC230700）使用測(cè)量調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼圖5-3 洛氏硬度實(shí)驗(yàn)原理圖洛氏硬度測(cè)定時(shí)，需先后兩次施加負(fù)荷（初負(fù)荷

22、和主負(fù)荷），施加初負(fù)荷的目的是使壓頭與試樣表面接觸良好，以保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，圖5-3中0-0為末加上主負(fù)荷的位置，1-1為加上10kgf初負(fù)荷后的位置，此時(shí)壓入深度為h1，2-2位置為加上主負(fù)荷后的位置，此時(shí)使壓入深度為h2，h2包括由加荷所引起的彈性變形和塑性變形。卸荷后，由于彈性變形恢復(fù)，壓頭提高到3-3位置，此時(shí)壓頭的實(shí)際壓入深度為h3。洛氏硬度就是以主負(fù)荷所引起的殘余壓入深度（h=h3-h1）來(lái)表示的，但這樣直接以壓入深度的大小表示硬度，將會(huì)出現(xiàn)硬的金屬硬度小，而軟的金屬硬度值大的現(xiàn)象，這與布氏強(qiáng)度所表示的硬度大小的概念相矛盾。為了與習(xí)慣上數(shù)值越大硬度越高的概念相一致，故需用一常數(shù)（K

23、）減去（h3-h1）的差值表示洛氏硬度值。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)又規(guī)定每0.002mm的壓入深度作為一個(gè)硬度單位（即表盤(pán)上一小格）。洛氏硬度值的計(jì)算公式如下：式中的常數(shù)K，當(dāng)采用金剛石圓錐時(shí)，K=0.2（用于HRA、HRC），采用鋼球時(shí)，K=0.26（用于HRB）。為此，上式可寫(xiě)為：3.2.1 洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)要求(1） 被測(cè)金屬表面必須平整光潔。(2） 試樣厚度應(yīng)不低于壓入深度的10倍。(3） 兩相鄰壓痕及壓痕距試樣邊緣的距離均不應(yīng)小于3mm。(4） 加初負(fù)荷時(shí)，應(yīng)謹(jǐn)防試樣與金剛石壓頭突然碰撞，以免將金剛石壓頭碰壞。3.2.2 洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)及操作HB-150型洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖5-4所

24、示。圖5-4 HB-150型洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)圖它是由加卸負(fù)荷和測(cè)量?jī)刹糠纸M成的。前者都是利用杠桿和砝碼，后者是用百分表測(cè)量壓痕深度的，即洛氏硬度值可直接由百分表盤(pán)上讀出。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將試樣置于試樣臺(tái)上，并對(duì)準(zhǔn)壓頭，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使試樣上升與壓頭接觸，繼續(xù)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)手輪使百分表刻度盤(pán)上的短時(shí)針順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)直到對(duì)準(zhǔn)紅點(diǎn)，然后再轉(zhuǎn)動(dòng)表盤(pán)使表盤(pán)上的長(zhǎng)針對(duì)準(zhǔn)0點(diǎn)，此時(shí)，壓頭利用彈簧壓縮的方法將10kgf的負(fù)荷加到了試樣上，然后將負(fù)荷手柄緩慢向后推（45秒鐘），于是主負(fù)荷加到試樣上，主負(fù)荷加上后，長(zhǎng)針由轉(zhuǎn)動(dòng)到停止，待持續(xù)一秒后，再將負(fù)荷手柄向前拉，回到原始位置，待長(zhǎng)針停止轉(zhuǎn)動(dòng)后，長(zhǎng)針?biāo)甘镜淖x數(shù)即為該材料的

25、硬度值。最后，逆時(shí)針回轉(zhuǎn)手輪，使試樣臺(tái)下降，取下試樣，放回原處。3.3 金相試樣制備金相試樣制備過(guò)程一般包括：取樣、粗磨、細(xì)磨、拋光和浸蝕五個(gè)步驟。3.3.1.取樣從需要檢測(cè)的金屬材料和零件上截取試樣稱為取樣。取樣的部位和磨面的選擇必須根據(jù)分析要求而定。截取方法有多種，對(duì)于軟材料可以用鋸、車(chē)、刨等方法；對(duì)于硬材料可以用砂輪切片機(jī)或線切割機(jī)等切割的方法，對(duì)于硬而脆的材料可以用錘擊的方法。無(wú)論用哪種方法都應(yīng)注意，盡量避免和減輕因塑性變形或受熱引起的組織失真現(xiàn)象。試樣的尺寸并無(wú)統(tǒng)一規(guī)定，從便于握持和磨制角度考慮，一般直徑或邊長(zhǎng)為1520mm，高為1218mm比較適宜。對(duì)那些尺寸過(guò)小、形狀不規(guī)則和需要

26、保護(hù)邊緣的試樣，可以采取鑲嵌或機(jī)械夾持的辦法。金相試樣的鑲嵌，是利用熱塑性塑料(如聚氯乙烯)，熱凝性塑料(如膠木粉)以及冷凝性塑料(如環(huán)氧樹(shù)脂+固化劑)作為填料進(jìn)行的。前兩種屬于熱鑲填料，熱鑲必須在專用設(shè)備一鑲嵌機(jī)上進(jìn)行。第三種屬于冷鑲填料，冷鑲方法不需要專用設(shè)備，只將適宜尺寸(約l520mm)的鋼管、塑料管或紙殼管放在平滑的塑料(或玻璃)板上，試樣置于管內(nèi)待磨面朝下倒入填料，放置一段時(shí)間凝固硬化即可。3.3.2.粗磨粗磨的目的主要有以下三點(diǎn)：1)修整 有些試樣，例如用錘擊法敲下來(lái)的試樣，形狀很不規(guī)則，必須經(jīng)過(guò)粗磨，修整為規(guī)則形狀的試樣；2)磨平 無(wú)論用什么方法取樣，切口往往不十分平滑，為了將

27、觀察面磨平，同時(shí)去掉切割時(shí)產(chǎn)生的變形層，必須進(jìn)行粗磨；3)倒角 在不影響觀察目的的前提下，需將試樣上的棱角磨掉，以免劃破砂紙和拋光織物。黑色金屬材料的粗磨在砂輪機(jī)上進(jìn)行，具體操作方法是將試樣牢牢地捏住，用砂輪的側(cè)面磨制。在試樣與砂輪接觸的一瞬間，盡量使磨面與砂輪面平行，用力不可過(guò)大。由于磨削力的作用往往出現(xiàn)試樣磨面的上半部分磨削量偏大，故需人為地進(jìn)行調(diào)整，盡量加大試樣下半部分的壓力，以求整個(gè)磨面均勻受力。另外在磨制過(guò)程中，試樣必須沿砂輪的徑向往復(fù)緩慢移動(dòng)，防止砂輪表面形成凹溝。必須指出的是，磨削過(guò)程會(huì)使試樣表面溫度驟然升高，只有不斷地將試樣浸水冷卻，才能防止組織發(fā)生變化。砂輪機(jī)轉(zhuǎn)速比較快，一般

28、2850r/min，工作者不應(yīng)站在砂輪的正前方，以防被飛出物擊傷。操作時(shí)嚴(yán)禁戴手套，以免手被卷入砂輪機(jī)。3.3.3.細(xì)磨粗磨后的試樣，磨面上仍有較粗較深的磨痕，為了消除這些磨痕必須進(jìn)行細(xì)磨。細(xì)磨，可分為手工磨和機(jī)械磨兩種。（1）手工磨手工磨是將砂紙鋪在玻璃板上，左手按住砂紙，右手握住試樣在砂紙上作單向推磨。金相砂紙由粗到細(xì)分許多種，其規(guī)格可參考表2-1。表2-1 常用金相砂紙的規(guī)格金相砂紙編號(hào)010203040506粒度序號(hào)M28M20M14M10M7M5砂粒尺寸/2820201414101077553.5表中為多數(shù)廠家所用編號(hào)，目前沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)格用砂輪粗磨后的試樣，要依次由01號(hào)磨至05號(hào)(或

29、06號(hào))。操作時(shí)必須注意：1)加在試樣上的力要均勻，使整個(gè)磨面都能磨到；2)在同一張砂紙上磨痕方向耍一致，并與前一道砂紙磨痕方向垂直。待前一道砂紙磨痕完全消失時(shí)才能換用下一道砂紙。3)每次更換砂紙時(shí)，必須將試樣、玻璃板清理干凈，以防將租砂粒帶到細(xì)砂紙上。4)磨制時(shí)不可用力過(guò)大，否則一方面因磨痕過(guò)深增加下一道磨制的困難，另一方面因表面變形嚴(yán)重影響組織真實(shí)性。5)砂紙的砂粒變鈍磨削作用明顯下降時(shí)，不宜繼續(xù)使用，否則砂粒在金屬表面產(chǎn)生的滾壓會(huì)增加表面變形。6)磨制銅、鋁及其合金等軟材料時(shí)，用力更要輕，可同時(shí)在砂紙上滴些煤油，以防脫落砂粒嵌入金屬表面。（2）機(jī)械磨目前普遍使用的機(jī)械磨設(shè)備是預(yù)磨機(jī)。電動(dòng)

30、機(jī)帶動(dòng)鋪著水砂紙的圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，磨制時(shí)，將試樣沿盤(pán)的徑向來(lái)回移動(dòng)，用力要均勻，邊磨邊用水沖。水流既起到冷卻試樣的作用，又可以借助離心力將脫落砂粒、磨屑等不斷地沖到轉(zhuǎn)盤(pán)邊緣。機(jī)械磨的磨削速度比手工磨制快得多，但平整度不夠好，表面變形層也比較嚴(yán)重。因此要求較高的或材質(zhì)較軟的試樣應(yīng)該采用手工磨制。3.3.4.拋光拋光的目的是去除細(xì)磨后遺留在磨面上的細(xì)微磨痕，得到光亮無(wú)痕的鏡面。拋光的方法有機(jī)械拋光、電解拋光和化學(xué)拋光三種，其中最常用的是機(jī)械拋光。機(jī)械拋光在拋光機(jī)上進(jìn)行，將拋光織物(粗拋常用帆布，精拋常用毛呢)用水浸濕、鋪平、繃緊并固定在拋光盤(pán)上。啟動(dòng)開(kāi)關(guān)使拋光盤(pán)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，將適量的拋光液(氧化鋁、氧化鉻

31、或氧化鐵拋光粉加水的懸浮液)滴灑在盤(pán)上即可進(jìn)行拋光，拋光時(shí)應(yīng)注意：1)試樣沿盤(pán)的徑向往返緩慢移動(dòng)，同時(shí)逆拋光盤(pán)轉(zhuǎn)向自轉(zhuǎn)，待拋光快結(jié)束時(shí)作短時(shí)定位輕拋。2)在拋光過(guò)程中，要經(jīng)常滴加適量的拋光液或清水，以保持拋光盤(pán)的濕度，如發(fā)現(xiàn)拋光盤(pán)過(guò)臟或帶有粗大顆粒時(shí)，必須將其沖刷干凈后再繼續(xù)使用。3)拋光時(shí)間應(yīng)盡量縮短，不可過(guò)長(zhǎng)，為滿足這一要求可分粗拋和精拋兩步進(jìn)行。4)拋有色金屬(如銅、鋁及其合金等)時(shí)，最好在拋光盤(pán)上涂少許肥皂或滴加適量的肥皂水。機(jī)械拋光與細(xì)磨本質(zhì)上都是借助磨料尖角銳利的刃部，切去試樣表面隆起的部分。拋光時(shí)，拋光織物纖維帶動(dòng)稀疏分布的極微細(xì)的磨料顆粒產(chǎn)生磨削作用，將試樣拋光。目前，人造金剛

32、石研磨膏(最常用的有W0.5 W1.0 W15 W25 W3.5五種規(guī)格的溶水性研磨膏)代替拋光液，正得到日益廣泛的應(yīng)用。用極少的研磨膏均勻涂在拋光織物上進(jìn)行拋光，拋光速度快，質(zhì)量也好。3.3.5.浸蝕拋光后的試樣在金相顯微鏡下觀察，只能看到光亮的磨面，如果有劃痕、水跡或材料中的非金屬夾雜物、石墨以及裂紋等也可以看出來(lái)，但是要分析金相, 組織還必須進(jìn)行浸蝕。浸蝕的方法有多種，最常用的是化學(xué)浸蝕法，利用浸蝕劑對(duì)試樣的化學(xué)溶解和電化學(xué)浸蝕作用將組織顯露出來(lái)。純金屬(或單相均勻固溶體)的浸蝕基本上為化學(xué)溶解過(guò)程。位于晶界處的原子和晶粒內(nèi)部原子相比，自由能較高，穩(wěn)定性較差，故易受浸蝕形成凹溝。晶粒內(nèi)部

33、被浸蝕程度較輕，大體上仍保持原拋光平面。在明場(chǎng)下觀察，可以看到一個(gè)個(gè)晶粒被晶界(黑色網(wǎng)絡(luò))隔開(kāi)。如圖1-19b所示。如浸蝕較深，還可以發(fā)現(xiàn)各個(gè)晶粒明暗程度不同的現(xiàn)象，如圖1-19d所示。這是因?yàn)槊總€(gè)晶粒原子排列的位向不同，浸蝕后，以最密排面為主的外露面與原拋光面之間傾斜程度不同的緣故。兩相合金的浸蝕與單相合金不同，它主要是一個(gè)電化學(xué)浸沒(méi)過(guò)程，在相同的浸蝕條件下，具有較高負(fù)電位的相(微電池陽(yáng)極)被迅速溶解凹陷下去；具有較高正電位的相(微電池陰極)在正常電化學(xué)作用下不被浸蝕，保持原有的光滑平面。結(jié)果產(chǎn)生了兩相之間的高度差。以共析碳鋼層狀珠光體浸蝕為例，層狀珠光體是鐵素體與滲碳體相間隔的層狀組織浸蝕

34、過(guò)程中，因鐵素體具有較高的負(fù)電位而被溶解，滲碳體因具有較高的正電位而被保護(hù)，另外在兩相交界處鐵素體一側(cè)因被嚴(yán)重浸蝕形成凹溝。這樣在顯微鏡下可以看到滲碳體周?chē)幸缓谌?，顯示出兩相的存在。多相合金的浸蝕，同樣也是一個(gè)電化學(xué)溶解過(guò)程，原理與兩相合金相同。但多相合金的組成相比較復(fù)雜，用一種浸蝕劑來(lái)顯示多種相是難以作到的，只有采用選擇浸蝕法及薄膜浸蝕法等專門(mén)方法才行?；瘜W(xué)浸蝕的方法雖然很簡(jiǎn)單，但是只有認(rèn)真對(duì)待才能制備出高質(zhì)量的試樣。將拋光后的試樣用水沖洗同時(shí)用脫脂棉擦凈磨面，然后用濾紙吸去磨面上過(guò)多的水，吹干后用顯微鏡檢查磨面上是否有道痕、水跡等。同時(shí)證明未經(jīng)過(guò)浸蝕的試樣是無(wú)法分析組織的。經(jīng)檢查后合格的

35、試樣可以放在浸蝕劑中，拋光面朝上，不斷觀察表面顏色的變化。這是浸蝕法。也可以用沾有浸蝕劑的棉花輕輕擦拭拋光面，觀察表面顏色的變化。此為擦蝕法。待試樣表面被浸蝕得略顯灰暗時(shí)即刻取出，用流動(dòng)水沖洗后在浸蝕面上滴些酒精，再用濾紙吸去過(guò)多的水和酒精，迅速用吹風(fēng)機(jī)吹干，完成整個(gè)制備試樣的過(guò)程。四 實(shí)驗(yàn)器材減壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī) 粗砂紙 金相砂紙 金相試樣鑲嵌機(jī) 金相試樣球磨機(jī) 金相試樣拋光機(jī) 硬度計(jì) 電子游標(biāo)卡尺 4%硝酸酒精溶液 電吹風(fēng) 箱式節(jié)能電阻爐 砂輪機(jī)金相研磨試劑五 實(shí)驗(yàn)步驟5.1、領(lǐng)取一實(shí)驗(yàn)材料，用粗砂紙磨去其兩端的氧化層，用硬度計(jì)測(cè)其硬度，測(cè)試多次并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取其平均值；5.2、用數(shù)字游標(biāo)卡

36、尺測(cè)量實(shí)驗(yàn)材料長(zhǎng)度，并計(jì)算出30%壓縮形變后的長(zhǎng)度，然后用減壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮變形；5.3、用硬度計(jì)測(cè)量形變后的硬度，測(cè)試多次并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取其平均值；5.4、由于形變后試樣較小，使金像制備難以進(jìn)行，因而用金像鑲嵌機(jī)進(jìn)行鑲嵌（加熱到180保溫40分鐘，然后冷卻至室溫）；5.5、用砂輪機(jī)將鑲嵌后的試樣一個(gè)端面打磨平整，然后用金相試相球磨機(jī)將該端面打磨光亮，再先后用粗細(xì)金相砂紙將該端面打磨光亮；5.6、將上述制備的式樣，用金相試相拋光機(jī)拋光，直到對(duì)著光，端面沒(méi)有明亮的劃痕為止；5.7、用自來(lái)水洗凈試樣上的拋光試劑，然后將試樣浸入4%的硝酸酒精溶液中，直到光亮的端面變暗為止；5.8、將上述試樣

37、從4%硝酸酒精溶液中取出，用清水沖凈附著在其表面的硝酸酒精溶液，然后用電吹風(fēng)吹干其表面的水，切忌用手觸摸該金相端面；5.9、用電子金相顯微鏡觀察試樣的金相組織并拍下該試樣的金相照片，以便實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析。六 數(shù)據(jù)記錄與處理 6.1、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄 6.1.1、測(cè)試環(huán)境無(wú)變化，實(shí)驗(yàn)儀器運(yùn)轉(zhuǎn)正常，試樣在壓縮操作過(guò)程中，因受實(shí)驗(yàn)儀器的限制，導(dǎo)致不能準(zhǔn)確的達(dá)到30%的形變量；另外，由于壓縮操作不當(dāng)，導(dǎo)致試樣形變后呈“S”形，因而壓縮應(yīng)變后的硬度測(cè)試值偏離理論值。 6.2、原始數(shù)據(jù)記錄 6.2.1 壓縮變形前的硬度（單位：HRB）原始材料變形量加熱溫度/變形前硬度值均值中碳鋼10%不加熱90.20 98.5

38、6 100.44 96.40 中碳鋼10%50095.30 94.20 93.70 94.40 中碳鋼10%64088.50 93.40 93.41 91.77 中碳鋼10%75095.20 97.20 98.90 97.10 中碳鋼20%不加熱94.60 97.20 93.95 95.25 中碳鋼20%50094.30 97.00 98.80 96.70 中碳鋼20%64092.50 94.60 92.65 93.25 中碳鋼20%75092.50 94.60 93.40 93.50 中碳鋼30%不加熱91.30 90.60 90.10 90.67 中碳鋼30%50090.60 94.30

39、93.71 92.87 中碳鋼30%64097.50 104.50 101.90 101.30 中碳鋼30%75092.40 89.60 95.50 92.50 中碳鋼40%不加熱90.50 93.20 91.31 91.67 中碳鋼40%50086.20 89.50 86.80 87.50 中碳鋼40%64087.50 90.60 89.80 89.30 中碳鋼40%75090.80 90.60 94.96 92.12 10鋼10%不加熱90.10 94.50 92.75 92.45 10鋼10%50092.30 88.60 92.55 91.15 10鋼10%64093.60 98.10

40、92.10 94.60 10鋼10%75099.20 89.30 92.90 93.80 壓縮變形后硬度（單位：HRB）原始材料變形量加熱溫度/變形后硬度值均值中碳鋼10%不加熱95.20 98.60 97.50 97.10 中碳鋼10%50095.60 94.30 95.40 95.10 中碳鋼10%64083.20 85.90 84.79 84.63 中碳鋼10%75089.90 90.70 92.61 91.07 中碳鋼20%不加熱72.30 76.30 76.70 75.10 中碳鋼20%50075.90 71.60 76.30 74.60 中碳鋼20%64085.90 87.20 8

41、6.91 86.67 中碳鋼20%75088.50 93.10 91.10 90.90 中碳鋼30%不加熱85.70 82.10 84.90 84.23 中碳鋼30%50085.30 88.70 84.39 86.13 中碳鋼30%64090.70 87.50 99.30 92.50 中碳鋼30%750104.50 108.70 101.80 105.00 中碳鋼40%不加熱94.50 95.80 110.30 100.20 中碳鋼40%50057.20 62.50 59.70 59.80 中碳鋼40%64084.60 88.80 82.20 85.20 中碳鋼40%75084.50 87.6

42、0 86.50 86.20 10鋼10%不加熱89.50 92.50 90.64 90.88 10鋼10%50094.50 90.50 87.40 90.80 10鋼10%64094.90 88.50 93.20 92.20 10鋼10%75085.60 88.00 86.50 86.70 6.2.3 退火處理后硬度（單位：HRB） 原始材料變形量加熱溫度/熱處理后硬度值均值中碳鋼10%不加熱中碳鋼10%50084.50 89.80 90.00 88.10 中碳鋼10%64074.60 77.60 77.21 76.47 中碳鋼10%75085.40 88.30 88.20 87.30 中碳鋼20%不加熱中碳鋼20%50083.40 86.30 89.20 86.30 中碳鋼2