鋼的淬透性測定

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試驗一：鋼的淬透性測定

試驗學時：3

試驗類型：綜合性試驗試驗要求：必修一、試驗目的

（一）把握鋼的淬透性的試驗方法，重點末端淬火法。

（二）了解化學成分、奧氏體化溫度及晶粒度對鋼的淬透性的影響。

二、試驗內(nèi)容、試驗原理、方法和手段

（一）淬透性的概念及其影響因素

在實際生產(chǎn)中，零件一般通過淬火得到馬氏體，以提高機械性能。鋼的淬透性是指鋼經(jīng)奧氏體化后在一定冷卻條件下淬火時獲得馬氏體組織的能力。常用淬透性曲線、淬硬層深度或臨界淬透直徑來表示。淬透性與淬硬性不同，它是淬硬層深度的尺度而不是獲得的最大的硬度值。它決定淬火后從表面到心部硬度分布的狀況。一般規(guī)定“由鋼的表面至內(nèi)部馬氏體占50％（其余的50％為珠光體類型組織）的組織處的距離〞為淬硬層深度。淬硬層越深，就說明該鋼的淬透性越好。假使淬硬層嘗試達到心部，則說明該鋼全部淬透。

影響淬透性的因素好多，最主要的是鋼的化學成分，其次為奧氏體化溫度、晶粒度等等。鋼的淬透性與過冷奧氏體穩(wěn)定性有密切的關(guān)系。當奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的速度越慢，也就是等溫轉(zhuǎn)變開始曲線越向右移，鋼的淬透性越大，反之就越小，可見影響淬透性的因素與影響奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的因素是一致的。

溶入奧氏體的大多數(shù)合金元素除Co以外，都增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使曲線右移，降低臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性。

鋼中含碳量對臨界冷卻速度的影響為：亞共析鋼隨含碳量的增加，臨界冷卻速度降低，淬透性增加；過共析鋼隨含碳量的增加，臨界冷卻速度增高，淬透性下降。含碳量超過1.2％～1.3％時，淬透性明顯降低。

（二）淬透性的測定方法

淬透性的測定可以大致分為計算法和試驗法兩類。目前使用的方法還是試驗法，它主要是通過測定標準試樣來評價鋼的淬透性。具體的試驗方法有多種，現(xiàn)將其中尋常采用的四種方法概述如下。

1、斷口檢驗法

根據(jù)GB227—63《炭素工具鋼淬透性試驗法》（低合金工具鋼也可參照此標準）的規(guī)定，在退火鋼棒截面中部截取2～3個試樣，方形試樣的橫截面尺寸為20mm×20mm(±0.2)，圓形截面為φ22～33mm，長度為100±5mm，試樣中間一側(cè)開一個深度為3～5mm的V形槽，以利于淬火后打斷觀測斷口。試樣分別在760℃、800℃、840℃溫度下加熱15～20min，然后淬入10～30℃的水中。通過觀測斷口上淬硬表層（脆斷區(qū)）深度，對照相應的評級標準圖來評定淬透性等級（GB227—63規(guī)定分成0～5級）。

2、U曲線法

用長度為直徑的4～6倍一組直徑不同的試樣，經(jīng)奧氏體化后在一定的淬火介質(zhì)（如水、鹽水、油等）中冷卻，然后沿試樣中縱向剖開，磨平后自試樣表面向內(nèi)每隔1～2min距離測定一處硬度值，并將所測結(jié)果畫成硬度分別曲線（圖15-1）。淬透性的大小可用淬硬層深度h或DH／D來表示，D為試樣直徑，DH為未淬硬區(qū)域直徑。用這種方法測量出來的數(shù)值依試樣尺寸、淬火介質(zhì)的冷卻能力的不同而變化，因此應用較少，但此法比較直觀。

圖15-1截面上的U形硬度

3、臨界直徑法

所謂“臨界淬透直徑〞是指鋼在一定介質(zhì)中淬火時，中心能獲得半馬氏體組織的最大直徑。用U曲線法做試驗時，總可以找到在一定的淬火介質(zhì)中冷卻時心部恰好能夠淬透（截面中心的硬度為半馬氏體硬度，即組織恰好對應含50％馬氏體組織）的臨界直徑，用D0表示。但D0與淬火介質(zhì)有關(guān)。為了排除冷卻條件的影響，假定淬火介質(zhì)的冷卻強度值H為無窮大，試樣淬火時其表面溫度馬上冷卻到淬火介質(zhì)的溫度，此時所能淬透的最大直徑稱為理想臨界直徑（Di），顯然Di僅取決于鋼的成分，因此可用它作為判別不同鋼種淬透性的依據(jù)。理想臨界直徑可以通過試驗得出的半馬氏體區(qū)厚度d在特定的曲線圖中查出。依此還可以進一步求出該鋼種在各種介質(zhì)中的臨界直徑等。

4、末端淬火法

目前測定鋼的淬透性最常用的方法是末端淬火（又稱頂端淬火法，簡稱端淬法）。它簡便而經(jīng)濟，又能較完整地提供鋼的淬火硬化特性，戰(zhàn)勝了上述方法的缺點。廣泛適

用于優(yōu)質(zhì)炭素鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、彈簧鋼、軸承鋼及合金工具鋼等的淬透性測量。我國GB235—63規(guī)定的試樣形狀尺寸及試驗原理如圖15-2所示。試驗時將試樣按規(guī)定的奧氏體化條件加熱后（注意防止氧化脫碳）迅速取出放入試驗裝置。因試樣的末端被噴水冷卻，故水冷端冷得最快，越向上冷得越慢，頭部的冷速相當于空冷，因此沿試樣長度方向?qū)⑤钡酶鞣N冷卻條件下的組織和性能。冷卻完畢后沿試樣縱向兩側(cè)各磨去0.4mm，并自水冷端1.5mm處開始測定硬度，繪出硬度與至水冷端距離的關(guān)系曲線，即所謂端淬曲線（圖15-3）。

圖15-2末端淬透性試驗示意圖

圖15-3端淬曲線

試樣和冷卻條件是規(guī)定的，所以試樣各占的冷卻速度也是固定的，這樣端淬法就排除了試樣的具體形狀和冷卻條件的影響，歸結(jié)為冷卻速度與淬火后硬度之間的關(guān)系。假使再對各點進行金相組織觀測，那么借助于端淬曲線就可知道冷卻速度，金相組織和硬度之間的關(guān)系。根據(jù)GB225—63規(guī)定，鋼材的淬透性用J（HRC／d）表示，其中J表示端淬試驗，d為距水冷端距離，HRC為在該處測定的硬度值。

四、試驗組織運行要求

由試驗指導教師現(xiàn)場組織和實施上述試驗內(nèi)容。

五、試驗條件

（一）設備：箱式電阻爐；洛氏硬度計，端淬試驗機。（二）試樣：T10、45、40Cr端淬試樣一套；

六、試驗步驟

在指導教師的安排下，學生逐個將試樣置于箱式電阻爐進行加熱，待加熱保溫完成后，將端淬試樣置于端淬試驗機進行端淬，然后測定硬度，計算鋼的淬透性。

七、思考題

1、試述鋼的淬透性的測定方法及意義；2、鋼的成分不同對淬透性有哪些影響？

八、試驗報告

按試驗報告的標準格式及所要求的內(nèi)容完成。

試驗二：掃描電子顯微鏡結(jié)構(gòu)與樣品分析

試驗學時：5試驗類型：演示性試驗試驗要求：必修一、試驗目的

（一）了解掃描電鏡的結(jié)構(gòu)；

（二）通過實際分析，明確掃描電鏡的用途。

二、試驗內(nèi)容、試驗原理、方法和手段

（一）掃描電子顯微鏡結(jié)構(gòu)與工作原理簡介

掃描電鏡的主要構(gòu)造分五部分：電子光學系統(tǒng)，掃描系統(tǒng)，信號接收、放大與顯示系統(tǒng)，試樣微動及更換系統(tǒng)，真空系統(tǒng)。圖20-1是掃描電鏡主機構(gòu)造示意圖。試驗時將根據(jù)實際設備具體介紹。

（a）

（b）

圖20－2高強鋼斷口形態(tài)(a)韌窩斷口；(b)沿晶斷口

圖20-1掃描電鏡主機構(gòu)造示意圖

（二）樣品觀測與分析1、二次電子像

二次電子像常用來做斷口及高倍組織觀測。圖是沿晶和穿晶斷口形態(tài)。待觀測斷口要保持新鮮，不可用手或棉紗擦拭斷口。假使要長期保存，可在斷口表面貼一層AC紙。在觀測時將試樣放在丙酮中使AC紙充分溶解掉。圖20-2是結(jié)晶組織的二次電子像。

2、背散射電子像和吸收電子像

掃描電鏡接收背散射電子像的方法是將背散射電子檢測器送入鏡筒中，將信號選擇開關(guān)轉(zhuǎn)到R·E位置接通背散射電子像的前置放大器。圖實是他Al2Cu相的背散射電子像。在背散射電子像中，A12Cu相的平均原子序數(shù)高于基體Al，所以A12Cu相有明顯的亮度和浮凸效果。由于背散射電子像信號弱，所以在觀測時要加大束流，采用慢速掃描。

當斷開樣品臺接地線，接通吸收電子附件，將信號選擇開關(guān)轉(zhuǎn)到A·E位置時，將進行吸收電子像觀測。圖20-3是A12Cu相的吸收電子像。其襯度與背散射電子像相反。

圖20-34Cr5MoVSi鋼結(jié)晶組織及A12Cu相背散射電子像

3、選擇典型的金屬塑性斷口、脆性斷口、疲乏斷口等，在掃描電鏡上攝取二次電子像（分8組，每組6人），每組同學所得到的斷口形貌像不同。

4、金相表圖20-4腐蝕之后金相

（a）

（b）

圖20-4金相表面的二次電子像（a）珠光體組織（b）析出碳化物

面觀測為經(jīng)拋光樣品的二

次電子像，可以看出其分辯率及立體感均遠好于光學金相照片。光學金相上顯示不清的細節(jié)在這里可以明了地顯示出來，如珠光體中的Fe3C與鐵素體的層片狀形態(tài)及回火組織中析出的細小碳化物等。

三、試驗組織運行要求

由教師講解掃描電子顯微鏡基本結(jié)構(gòu)和工作原理，學生應了解掃描電鏡的基本結(jié)構(gòu)和工作原理及測定方法。

四、試驗報告

按試驗報告的標準格式及所要求的內(nèi)容完成。

試驗三：金屬拉伸、壓縮屈服性能的測定

試驗學時：4

試驗類型：綜合性試驗試驗要求：必修一、試驗目的

（一）把握金屬材料拉伸、壓縮屈服性能的測定方法和壓力傳感器的標定。（二）比較一致金屬材料拉伸、壓縮狀態(tài)下屈服性能的差異。

（三）了解表面摩擦對金屬材料屈服性能的影響，以及屢屢加載、卸載對抗力、硬化的

影響。

（四）學會繪制應力-應變曲線。

二、試驗內(nèi)容

（一）熟悉材力機的操作規(guī)程。（二）壓力傳感器的標定。（三）壓縮屈服性能的測定。（四）拉伸屈服性能的測定。

三、試驗原理、方法和手段

金屬材料拉伸、壓縮試驗是金屬材料力學性能測試中最重要的方法之一。即對一定

形狀的試樣施加軸向上的力，拉伸或壓縮，便可測出表征金屬材料的物理屈服性能指標：屈服點σs、上屈服點σsU、下屈服點σsL；規(guī)定微量塑性伸長應力指標：規(guī)定非比例伸長應力σp、規(guī)定總伸長應力σt、規(guī)定剩余伸長應力σr；強度性能指標：抗拉強度σb；塑性性能指標：斷后伸長率δ、屈服點伸長應力δs、最大力下的總伸長δgt、最大力下的非比例伸長率δg、斷面收縮率φ，從而得到自開始加載到試樣破壞的全過種的應力—應變曲線。這條曲線的形狀表征著材料的力學行為。不同的材料，應力—應變曲線各不一致（見圖22-1、圖22-2），甚至有很大差異。

圖22-1不同材料拉伸時的應力-應變曲線

a）鑄鐵b）低碳鋼c）橡膠

四、試驗條件

（一）液壓萬能材料試驗機。（二）壓力傳感器。（三）毫伏表（四）電源。（五）刻點機。（六）引伸計。

（七）測試材料：圓鋼、鉛棒、銅棒。

（八）使用工具：鋼鋸、游標卡尺、鋼板尺、萬用表。

五、試驗步驟

（一）用萬用表檢查壓力傳感器的性能。

（二）將壓力傳感器、毫伏表、電源連接好后，裝到萬能材力試驗機上。（三）開啟材力試驗機總開關(guān)。

（四）根據(jù)壓力傳感器的額定負荷，選擇測量范圍，在擺桿上掛上或取下相應的擺砣，并調(diào)整緩沖手柄，對準標線。

（五）開動油泵，調(diào)整指針對準度盤零點。

（六）在描繪器的轉(zhuǎn)筒上，卷壓好記錄紙，選擇好放大倍數(shù)。（七）將推桿上的描繪筆放下，進入描繪準備狀態(tài)。

（八）緩慢開啟送油閥，給傳感器加額定容量的110％負荷三次，以減小滯后影響。（九）正式標定開始：將傳感器加額定容量分成若干梯度，按此容量梯度分級逐級加載和卸載，記錄此加、卸載的數(shù)據(jù)，重復二次。并記錄于表22-1中。

（十）壓縮屈服性能的測定：取已鋸好的測試材料，兩端磨平，用卡尺測量試件的原始直徑D0和高度H0。

表22-1加、卸載荷數(shù)據(jù)記錄

P/kN加輸出/mV第一次其次次平均K＝卸加卸加卸加卸加卸加卸

（11）標定后的壓力傳感器不動，將試件放置在傳感器的中央，依照上面操作程序進行。（12）當壓下量Δh＝1時，測量壓縮后試件的高度、壓力P，填入表22-2中。（13）觀測壓縮變形形象，繪制應力σ-應變ε曲線。

（14）拉伸屈服性能的測定：用卡尺測量試件的橫截面尺寸S0，標出試樣標距長度L0。

（L0＝KS0K＝5.65或11.3）

（15）試件標距離圍內(nèi)均分10等份，打上標點。

（16）將試件正確地卡到材力機上，依照上面操作程序進行拉伸試驗：

（1）測定非比例伸長應力σp0。2（逐級施力法）。把試件施加約相當于預期規(guī)定非比例伸長應力10％。

表22-2壓縮試件數(shù)據(jù)記錄D0原始數(shù)據(jù)H0壓縮次數(shù)變形高度h/mm接觸面積S/mm瞬時壓力P/kN真實應力σ＝P/S真實應變ε＝lnH/h2H01234V?5?4H0D06

預期試驗力F0，將引伸計裝卡在試件上，調(diào)理好引伸什的零點（表22-3）。然后對試樣采用逐級加載一致的量，測出規(guī)定非比例伸長力Fp。從引伸計上讀出每一級施力條件下試樣的伸長量。到所測的非比例伸長等于或微大于所規(guī)定值，取下引伸計（用內(nèi)插法求出Fp值，計算σP＝Fp/S0）。將試樣拉斷，記錄Fb。

（2）測定規(guī)定剩余伸長應力σr0。1（逐級卸力法）。測定規(guī)定剩余伸長應力是用引伸計采用卸力法來進行的。把試件施加約為預期規(guī)定剩余伸長應力的10％預試驗力F0，然后上

表22-3用逐級施力法測定試驗記錄表試驗加力次數(shù)1234加力等級力預試驗力F0大等級力ΔF＝讀數(shù)讀數(shù)增量平均每增加2kN試驗力彈性伸長增量為3.0分格即ΔL2＝3.0引伸計引伸計彈性伸長（分格）（分格）非比例伸長

5678910小等級力ΔF1＝

好引伸計，繼續(xù)加力到2F0，再卸到F0。調(diào)理引伸計記錄下來條件零點（表22-4）。用卸力法測定規(guī)定剩余伸長力Fr。從引伸計上讀出首次施力條件下試樣產(chǎn)生的剩余伸長量。以后每次加力產(chǎn)生的總伸長量，等于前一次總伸長量加上規(guī)定剩余伸長量，減去已產(chǎn)生的剩余伸長量的差，再加上1～2分格的彈性增量。保證在較少的加、卸力次數(shù)下測得結(jié)果。當實測的剩余伸長量等于或稍大于規(guī)定值為止，取下引伸計（用內(nèi)插法求出Fr值，計算σr＝Fr/S0）。將試樣拉斷，記錄Fb。

表22-4用卸力法測定試驗記錄表

加力次數(shù)預試驗力F0加力時引伸計讀書（分格）試驗力卸力到F0引伸計讀書（分格）剩余伸長量（分格）

（3）把拉斷后的試樣對好，測量標距L1，縮頸處最小直徑d1，分別計算伸長率δ，斷面率φ。

六、試驗報告

按試驗報告的標準格式及所要求的內(nèi)容完成。

試驗四：材料硬度測定

試驗學時：4

試驗類型：綜合性試驗試驗要求：必修一、試驗目的

（一）了解不同種類硬度測定的基本原理及應用范圍；

（二）了解布氏、洛氏、維氏硬度試驗的操作方法及設備特點；

（三）學會使用布氏、洛氏、維氏硬度計。二、試驗內(nèi)容、試驗原理、方法和手段

金屬的硬度可以認為是金屬材料表面在接觸應力作用下抗爭塑性變形的一種能力。

硬度測量能夠給出金屬材料軟硬度的數(shù)量概念。由于在金屬表面以下不同深處材料所承受的應力和所發(fā)生的變形程度不同，因而硬度值可以綜合地反映壓痕附近局部體積內(nèi)金屬的彈性、微量塑變抗力、塑變加強能力以及大量形變抗力。硬度值越高，說明金屬抗爭塑性變形能力越大，材料產(chǎn)生塑性變形就越困難。另外，硬度與其他機械性能（如強度指標σb及塑性指標δ和φ）之間有著一定的內(nèi)在聯(lián)系，所以從某種意義上說硬度的大小對于機械零件或工具的使用壽命具有決定性意義。

硬度試驗的方法好多，在機械工業(yè)中廣泛采用壓入法來測定硬度，壓入法又可分為布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等。

壓入法硬度試驗的主要特點是：

（1）試驗時應力狀態(tài)最軟（最大切應力遠遠大于最大正應力），因而不管是塑性材料還是脆性材料均能發(fā)生塑性變形。

（2）從一定意義上用硬度試驗結(jié)果表征其他有關(guān)的力學性能。金屬的硬度與強度指標之間存在如下近似關(guān)系：

σb＝K?HB式中σb——材料的抗拉強度；K——系數(shù)；HB——布氏硬度。

退火狀態(tài)的碳鋼：K＝0.34～0.36合金調(diào)質(zhì)鋼：K＝0.33～0.35有色金屬合金：K＝0.33～0.53

（3）硬度值對材料的耐磨性、疲乏強度等性能也有定性的參考價值，尋常硬度值高，這些性能也就好。在機械零件設計圖紙上對機械性能的技術(shù)要求，往往只標注硬度值，其原因就在于此。

（4）硬度測定后由于僅在金屬表面局部體積內(nèi)產(chǎn)生很小壓痕，并不損壞零件，因而適合于成品檢驗。

（5）設備簡單，操作迅速便利。（一）布氏硬度

布氏硬度試驗是施加一定大小寫的載荷P，將直徑為D的鋼球壓入被測金屬表面（如圖23-1所示）保持一定時間，然后卸除栽荷，根據(jù)鋼球在金屬表面上所奔出的凹痕面積F凹求出平均應力值，以此作為硬度值的計量指標，并用符號HB表示。

其計算公式如下：

HB＝P/F凹

式中HB——布氏硬度；P——施加外力，N；F凹——壓痕面積，mm2.

根據(jù)壓良面積和球面之比等于壓痕深度h和鋼球直徑之比的幾何關(guān)系，可知壓痕部分的球面面積為：

F凹＝πDh式中D——鋼球直徑，mm；H——壓痕深度，mm。

由于測量壓痕直徑d要比測定壓痕深度h簡單，故可將式中的h改換成d來表示，這樣可以根據(jù)幾何關(guān)系求出：

(D/2)-h=[(D/2)2-(d/2)2]1/2

H=[D-(D2-d2)1/2]/2

得：

HB?

P2P?22F?D(D?D?d)當試驗力是P的單位是N時

P0.10