【教程】工程材料課程實(shí)驗(yàn)

【教程】工程材料課程實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)一45鋼金相樣品制備及其平衡組織觀察實(shí)驗(yàn)二45鋼的熱處理實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)一45鋼金相樣品制備及其平衡組織觀察一、目的與要求1.初步掌握金相樣品制備的基本方法。2．熟悉金相顯微鏡的基本原理及使用方法。3．初步認(rèn)識金相顯微鏡下45鋼的組織特征。圖1.1XQT透反射顯微鏡主要技術(shù)參數(shù)：總放大倍數(shù)：125x~1560x

目鏡：10x平場目鏡、12.5x廣角平場目鏡、10x分劃目鏡物鏡：10x、40x、100x平場消色差物鏡二、主要設(shè)備與儀器

1、主要設(shè)備（1）XQT透反射顯微鏡（如圖1.1所示）圖1.2XJP-3A金相顯微鏡主要技術(shù)參數(shù)：總放大倍率：1250x目鏡：5x、10x、12.5x分劃目鏡：10x平場消色差物鏡：10x、40x、100x電源：220V，6V/15W鹵素?zé)簦?）XJP-3A金相顯微鏡（如圖1.2所示）圖1.3XJG-05大型金相顯微鏡圖1.4金相圖像分析系統(tǒng)（3）XJG-05型大型金相顯微鏡＋TDY－J金相分析軟件（如圖1.3、圖1.4所示）圖1.5PW-1B磨拋機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：砂紙直徑：230mm拋盤直徑：220mm轉(zhuǎn)速：50/1400r/min（無級）電動機(jī)：80變頻電機(jī)三相220V0～50Hz（4）PW-1B型柜式多能磨拋機(jī)（如圖1.5）（5）QG-3金相試樣切割機(jī)（如圖1.6所示）圖1.6QG-3切割機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：最大切割截面：Φ85mm轉(zhuǎn)速：2800/min砂輪片規(guī)格：

300×1.5×32mm電動機(jī)：Y100L2-2電源：380V功率：3kW2、其它儀器金相砂紙、4%的硝酸酒精溶液、吹風(fēng)機(jī)、醫(yī)用脫脂棉、鑷子等。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、金相試樣的制備金相樣品的制備過程一般包括取樣、鑲嵌、粗磨、細(xì)磨、拋光和腐蝕步驟。2、觀察金相試樣的顯微組織金相試樣制備好后，用吹風(fēng)機(jī)對其干燥，然后準(zhǔn)備觀察其顯微組織結(jié)構(gòu)。（1）根據(jù)觀察試樣所需的放大倍數(shù)，選擇物鏡和目鏡；（2）然后將試樣放在載物臺中心，使載物臺中心與物鏡中心對正，試樣被觀察面向下；（3）轉(zhuǎn)動粗調(diào)焦距手輪降低載物臺，使試樣表面接近物鏡；再慢慢反向轉(zhuǎn)動手輪至目鏡中出現(xiàn)模糊的影像；最后輕輕轉(zhuǎn)動微調(diào)焦距手輪，直至看到清晰的組織；（4）使載物臺前后左右移動，觀察試樣的不同部位，找出具有代表性的顯微組織，并畫出試樣的顯微組織示意圖。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析碳鋼合金的顯微組織是研究鋼鐵材料性能的基礎(chǔ)。碳鋼合金平衡狀態(tài)的組織是指合金在極為緩慢的冷卻條件下（如退火狀態(tài)）所得到的組織，其相變過程均按相圖進(jìn)行，因此可以根據(jù)該相圖來分析碳鋼合金的平衡組織。含碳量小于2.11％的合金為碳鋼，含碳量大于2.11％的合金為白口鑄鐵。所有碳鋼和白口鑄鐵在室溫下的組織均有鐵素體（Fe）和滲碳體（Fe3C）這兩個(gè)基本相。只是因含碳量不同，鐵素體和滲碳體的相對數(shù)量及分布形態(tài)有所不同，因而呈不同的組織形態(tài)。1、碳鋼的基本組織

（1）鐵素體（F）是碳在中的固溶體。鐵素體為體心立方格。具有磁性及良好的塑性，硬度較低。用3％～4％硝酸酒精溶液侵蝕后，在顯微鏡下呈現(xiàn)明亮色的多邊形晶粒。

（2）滲碳體（Fe3C）是鐵與碳形成的一種化合物，含碳量為6.69％。用3％～4％硝酸酒精溶液侵蝕后，滲碳體呈亮白色，若用苦味酸鈉溶液侵蝕，則滲碳體呈黑色而鐵素體仍為白色。

（3）珠光體（P）是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，其組織是共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。由杠桿定律可以求得鐵素體與滲碳體的含量比為8：1。因此，鐵素體厚，滲碳體薄。2、鐵碳合金室溫下顯微組織

（1）工業(yè)純鐵含碳量﹤0.0218％，其顯微組織為鐵素體。

（2）碳鋼

①共析鋼：含鋼量為0.77％。其顯微組織由單一地珠光體組成。

②亞共析鋼：含鋼量在0.0218％～0.77％范圍內(nèi)的碳鋼合金其組織由共析鐵素體和珠光體所組成，隨著含碳量的增加，鐵素體的數(shù)量逐漸減少，而珠光體的數(shù)量則相應(yīng)地增多。

③過共析鋼：含碳量在0.77％與2.11％之間。其組織由珠光體和先共析滲碳體（即二次滲碳體）組成。鋼中含碳量越多，二次滲碳體數(shù)量就越多。組織中存在片狀珠光體和網(wǎng)絡(luò)狀二次滲碳體，經(jīng)侵蝕后珠光體成暗黑色，而二次滲碳體則呈白色網(wǎng)絡(luò)狀。3、45鋼金相試樣的顯微組織圖1.745鋼屬于亞共析鋼，其組織由鐵素體和珠光體組成。其中經(jīng)過侵蝕后的珠光體呈黃褐色片層狀結(jié)構(gòu)，鐵素體呈亮白色（如圖1.7所示）。圖1.745鋼室溫顯微組織實(shí)驗(yàn)二45鋼的熱處理實(shí)驗(yàn)一、目的與要求1、了解碳鋼普通熱處理（退火、正火、淬火、回火）的操作方法。2、掌握碳鋼在熱處理時(shí)加熱溫度、冷卻速度及回火溫度等主要因素對碳鋼熱處理后組織與性能的影響。3、掌握金屬材料的硬度試驗(yàn)方法。二、主要設(shè)備與儀器圖2.1SX-5-12變溫箱形電阻爐主要技術(shù)參數(shù)：工作室尺寸高×深×寬(mm):300×200×120電壓（V）:220相數(shù)：1功率（KW）:5最高溫度（℃）:12001、主要設(shè)備（1）SX-5-12箱式電阻加熱爐（如圖2.1所示）圖2.2HBRVU-187.5布洛維光學(xué)硬度計(jì)主要技術(shù)參數(shù)：初試驗(yàn)力（N）：98；總試驗(yàn)力（N）：588、980、1471；布氏硬度試驗(yàn)力（N）：306、613、1839；維氏硬度試驗(yàn)力（N）：294，588，980；顯微鏡放大倍率：37.5倍、75倍；（2）HBRVU-187.5布洛維硬度計(jì)（如圖2.2所示）主要技術(shù)參數(shù):初試驗(yàn)力（N）：98N總試驗(yàn)力（N）：588N、980N、1471N總試驗(yàn)力保持時(shí)間（S）：1-30讀數(shù)方式：數(shù)顯電源電壓：AC220V/50HZ試件允許最大高度：170mm硬度值范圍HRA：20～88HRB：20～100HRC：20～70（3）數(shù)顯洛氏硬度計(jì)（HRS-150）2、其它儀器：PHR-2便攜式洛式硬度計(jì)（如圖2.4所示）、熱處理用夾鉗、手套、水箱等。鋼的熱處理工藝特點(diǎn)是：將鋼加熱到一定的溫度，經(jīng)一段時(shí)間的保溫，然后以某種速度冷卻下來，通過這樣的工藝過程能使鋼的性能發(fā)生改變。

1、碳鋼的普通熱處理工藝方法

1）鋼的退火

鋼的退火通常是把鋼加熱到臨界溫度Ac1或Ac3線以上，保溫一段時(shí)間，然后緩慢地隨爐冷卻。此時(shí)，奧氏體在高溫區(qū)發(fā)生分解，從而得到比較接近平衡狀態(tài)的組織。一般中碳鋼（如40、45鋼）經(jīng)退火后消除了殘余應(yīng)力，組織穩(wěn)定，硬度較低（HB180～220）有利于下一步進(jìn)行切削加工。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟2）鋼的正火

鋼的正火通常是把鋼加熱到臨界溫度Ac3或Accm線以上，保溫一段時(shí)間，然后進(jìn)行空冷。由于冷卻速度稍快，與退火組織相比，組織中的珠光體量相對較多，且片層較細(xì)密，故性能有所改善，細(xì)化了晶粒，改善了組織，消除了殘余應(yīng)力。對低碳鋼來說，正火后提高硬度可改善切削加工性，提高零件表面光潔度；對于高碳鋼，則正火可消除網(wǎng)狀滲碳體，為下一步球化退火及淬火作好組織準(zhǔn)備。

3）鋼的淬火

鋼的淬火通常是把鋼加熱到臨界溫度Ac1或Ac3線以上，保溫一段時(shí)間，然后放入各種不同的冷卻介質(zhì)中快速冷卻(V冷＞V臨)，以獲得具有高硬度、高耐磨性的馬氏體組織。4）鋼的回火

鋼的回火通常是把淬火鋼重新加熱至Ac1線以下的一定溫度，經(jīng)過適當(dāng)時(shí)間的保溫后，冷卻到室溫的一種熱處理工藝。

由于鋼經(jīng)淬火后得到的馬氏體組織硬而脆，并且工件內(nèi)部存在很大的內(nèi)應(yīng)力，如果直接進(jìn)行磨削加工則往往會出現(xiàn)龜裂，一些精密的零件在使用過程中將會引起尺寸變化從而失去精度，甚至開裂。因此，淬火鋼必須進(jìn)行回火處理。

不同的回火工藝可以使鋼獲得各種不同的性能。2、碳鋼普通熱處理工藝

1）加熱溫度

碳鋼普通熱處理的加熱溫度，原則上按加熱到臨界溫度Ac1或Ac3線以上30～50℃選定。

但生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)工件實(shí)際情況作適當(dāng)調(diào)整。

熱處理加熱溫度不能過高，否則會使工件的晶粒粗大、氧化、脫碳、變形、開裂等傾向增加。但加熱溫度過低，也達(dá)不到要求。

碳鋼普通熱處理的加熱溫度見下表所示。方法加熱溫度(℃)應(yīng)用范圍退火Ac3+(20~60)亞共析鋼完全退火Ac1+(20~40)過共析鋼球化退火正火Ac3+(50~100)亞共析鋼Accm+(30~50)過共析鋼淬火Ac3+(30~70)亞共析鋼Ac1+(30~70)過共析鋼低溫回火150~250刃具、模具、量具、高硬度零件中溫回火350~500彈簧、中等硬度零件高溫回火500~650齒輪、軸、連桿等綜合機(jī)械性能零件表2-1碳鋼普通熱處理的加熱溫度鋼號臨界點(diǎn)(℃)Ac1Ac320鋼73585545鋼724780T8鋼730——T12鋼730——表2-2常用碳鋼的臨界點(diǎn)2）加熱時(shí)間

熱處理的加熱時(shí)間（包括升溫與保溫時(shí)間）與鋼的成分、原始組織、工件的尺寸與形狀、使用的加熱設(shè)備與裝爐方式及熱處理方法等許多因素有關(guān)。因此，要確切計(jì)算加熱時(shí)間是比較復(fù)雜的。在實(shí)驗(yàn)室中，熱處理加熱時(shí)間（包括加熱、保溫時(shí)間）通常按工件有效厚度，用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算加熱時(shí)間：

T=αD

式中：T——加熱時(shí)間（min）；

α——加熱系數(shù)（min/mm）；

D——工件有效厚度（mm）。當(dāng)碳鋼工件D≤50mm，在800~960℃箱式電阻爐中加熱時(shí)，α=1~1.2（min/mm）。回火的保溫時(shí)間要保證工件熱透并使組織充分轉(zhuǎn)變。實(shí)驗(yàn)時(shí)組織轉(zhuǎn)變時(shí)間可取0.5h。

3）冷卻方法（1）退火冷卻方式：鋼退火時(shí)，一般采用隨爐冷卻到600～550℃以下再出爐空冷。（2）正火冷卻方式：鋼正火時(shí)，一般采用在空氣中冷卻。（3）淬火冷卻方式：鋼淬火時(shí)，鋼在過冷奧氏體最不穩(wěn)定的范圍內(nèi)（650～550℃）的冷卻速度應(yīng)大于臨界冷卻速度，從而保證工件不轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w型組織；而在Ms點(diǎn)附近的冷卻速度應(yīng)盡可能低，從而降低淬火內(nèi)應(yīng)力，減少工件變形與開裂。因此，淬火時(shí)，除了要選用合適的淬火冷卻介質(zhì)外，還應(yīng)改進(jìn)淬火方法。對形狀簡單的工件，常采用簡易的單液淬火法，如碳鋼用水或鹽水液作冷卻介質(zhì)，合金鋼常用油作冷卻介質(zhì)。

（4）回火冷卻方式：碳鋼回火時(shí)，一般采用在空氣中冷卻。3、實(shí)驗(yàn)步驟

1）每組學(xué)生領(lǐng)取實(shí)驗(yàn)試樣45鋼3塊，并打上鋼號，以免混淆。

2）測量每塊45鋼試樣的初始硬度并作好記錄。

3）將45鋼試樣放到箱式電阻爐中加熱到820～840℃，保溫15分鐘，然后分別進(jìn)行爐冷、空冷和水冷，其后，分別測定其硬度，并作好記錄。鋼號初始硬度HRC加熱溫度（℃）保溫時(shí)間（min）冷卻方法硬度HRC1爐冷2空冷3水冷四、結(jié)果