實驗一平衡態(tài)鐵碳合金成分、組織、性能之間關(guān)系的分析

PAGEPAGE3實驗一平衡態(tài)鐵碳合金成分、組織、性能之間關(guān)系的分析1.1典型鐵碳合金的平衡組織觀察與分析一、實驗目的1．通過實驗能識別鐵碳合金在平衡狀態(tài)下的顯微組織。2．掌握碳含量對鐵碳合金平衡組織形貌及相組成比例的影響。二、實驗原理簡介利用金相顯微鏡觀察金屬的內(nèi)部組織和缺陷的方法稱為顯微分析（或金相分析）。合金在極其緩慢的冷卻條件（如退火狀態(tài)）下所得到的組織稱為平衡組織。鐵碳合金平衡組織的觀察與分析，要依據(jù)Fe-Fe3C1．室溫下鐵碳合金基本組織特征（1）鐵素體（F）鐵素體是碳溶于-Fe中形成的間隙固溶體。經(jīng)3%～5%的硝酸酒精溶液浸蝕后，在顯微鏡下呈現(xiàn)白亮色多邊形晶粒。在亞共析鋼中，鐵素體呈塊狀分布，當合金的含碳量接近于共析成分時，鐵素體則呈斷續(xù)的網(wǎng)狀分布于珠光體晶界上。（2）滲碳體（Fe3C）滲碳體是鐵與碳形成的一種化合物。經(jīng)3%～5%的硝酸酒精溶液浸蝕后，在顯微鏡下為白亮色；若用苦味酸鈉溶液浸蝕，則滲碳體呈暗黑色，而鐵素體仍為白亮色，由此可以區(qū)別鐵素體和滲碳體。由于鐵碳合金的成分和形成條件不同，滲碳體可以呈現(xiàn)不同的形狀, （3）珠光體（P）珠光體是鐵素體和滲碳體的兩相復合物。在平衡狀態(tài)下，它是由鐵素體和滲碳體相間排列的層片狀組織。經(jīng)3%～5%的硝酸酒精溶液浸蝕后，鐵素體和滲碳體皆為白亮色，而兩相交界呈暗黑色線條。在不同的放大倍數(shù)下觀察時，組織特征有所區(qū)別。如在高倍（600倍以上）下觀察時，珠光體中平行相間的寬條鐵素體和細條滲碳體都呈白亮色，而兩相交界為暗黑色；在中倍（400倍左右）下觀察時，白亮色的滲碳體被暗黑色交界所“吞食”，而呈現(xiàn)為細黑條，這時看到的珠光體是寬白條鐵素體和暗黑細條滲碳體的相間復合物；在低倍（200倍以下）下觀察時，無論是寬白條的鐵素體還是暗黑細條的滲碳體都很難分辨，這時珠光體呈現(xiàn)暗黑色塊狀組織。 （4）變態(tài)萊氏體（Ld）變態(tài)萊氏體是珠光體和滲碳體組成的復合物。經(jīng)3%～5%的硝酸酒精溶液浸蝕后，變態(tài)萊氏體的組織特征是，在白亮色滲碳體基體上相間分布著暗黑色塊狀或暗黑色條狀和點狀珠光體。 2．室溫下典型鐵碳合金的平衡組織特征 （1）工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵的碳質(zhì)量分數(shù)小于0.0218%，組織為單相鐵素體。鐵素體呈白亮多邊形晶粒，晶界呈暗色的網(wǎng)絡，并在晶界的局部區(qū)域分布有微量亮白窄條狀三次滲碳體（Fe3CⅢ （2）亞共析鋼亞共析鋼的碳質(zhì)量分數(shù)為0.0218%～0.77%，組織為鐵素體（白亮多邊形塊狀）加珠光體（暗色層狀）。 （3）共析鋼共析鋼的碳質(zhì)量分數(shù)為0.77%，其室溫組織為單一的珠光體。其中白亮鐵素體和暗色滲碳體以層狀相間。 （4）過共析鋼過共析鋼的碳質(zhì)量分數(shù)為0.77%～2.11%，在室溫下的平衡組織為珠光體加二次滲碳體。其中，二次滲碳體呈白亮網(wǎng)狀分布在暗色珠光體的晶界上。 （5）亞共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵的碳質(zhì)量分數(shù)為2.11%～4.3%，室溫下的平衡組織為珠光體、二次滲碳體加變態(tài)萊氏體。其中變態(tài)萊氏體為基體，在變態(tài)萊氏體基體上分布著暗色塊狀或橢圓狀的珠光體，在珠光體晶體邊緣有一薄層白亮二次滲碳體。（6）共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵的碳質(zhì)量分數(shù)為4.3%，其室溫下的顯微組織為變態(tài)萊氏體，其中滲碳體為白亮基體，珠光體以暗色細條狀和點狀嵌鑲分布在白亮滲碳體基體上。（7）過共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵的碳質(zhì)量分數(shù)為4.3%～6.69%，其室溫下的顯微組織為變態(tài)萊氏體加一次滲碳體。一次滲碳體呈白亮板條狀嵌鑲分布在變態(tài)萊氏體的基體上。以上七個典型鐵碳合金的平衡組織特征，請參閱金相實驗室《鐵碳合金室溫平衡組織》掛圖。三、實驗設備及實驗用品（只需寫需要什么設備就可，不必介紹設備）1.金相顯微鏡（參照圖1.1金相顯微鏡的成象原理）（了解內(nèi)容不用寫）金相顯微鏡的種類很多，通?？煞譃榕_式、立式和臥式三大類。（1）金相顯微鏡的成象原理最簡單的顯微鏡可看作是由兩片透鏡組成的光學系統(tǒng)，如圖1.1所示。靠近物體的透鏡L1叫物鏡，靠近眼睛的透鏡L2叫目鏡,F1是物鏡的前焦距，F(xiàn)2是目鏡的前焦距，F(xiàn)1′與F2間的距離稱為光學鏡筒長度，用表示。被觀察的物體AB放在物鏡的前焦距F1之外的位置，通過物鏡后可獲得一個倒立的放大實象A1B1，它恰好位于目鏡的前焦距F2之內(nèi)，目鏡將此象再次放大，在明視距離S處形成虛象A2B2，A2B2為眼睛這一光學系統(tǒng)的目標。人眼所見到的最終圖象，相對物體是倒立的，其放大倍數(shù)為物鏡倍數(shù)和目鏡倍數(shù)的乘積。（2）金相顯微鏡結(jié)構(gòu)金相顯微鏡的構(gòu)造一般由光學系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和攝影系統(tǒng)四部分組成。現(xiàn)以國產(chǎn)4X型臺式金相顯微鏡為例，其結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。其組成有：1）載物臺；2）物鏡；3）物鏡轉(zhuǎn)換器；4）傳動箱；5）微動調(diào)焦手輪；6）粗動調(diào)焦手輪；7）光源；8）偏心圈；9）樣品；10）目鏡；11）目鏡管；12）固定螺釘；13）調(diào)節(jié)螺釘；14）視場光闌；15)孔徑光闌（3）金相顯微鏡的使用規(guī)程與注意事項（參照圖1.24X型金相顯微鏡外形結(jié)構(gòu)圖）金相顯微鏡是一種精密、貴重的光學儀器，因此使用時要求細心、謹慎，要熟讀使用說明書。國產(chǎn)4X型金相顯微鏡的使用規(guī)程和注意事項如下：1）根據(jù)觀察試樣所需的放大倍數(shù)選用合適的物鏡和目鏡，并分別安裝在物鏡轉(zhuǎn)換器上及目鏡筒內(nèi)，并使物鏡進入光路。2）移動載物臺，使物鏡及由物鏡內(nèi)射出的光束位于載物片中心孔的位置。然后將試樣的觀察面正對著物鏡倒置在載物片的中心孔上，并用彈簧片壓住。3）將顯微鏡的光源插頭插在變壓器上，通過低壓（6V～8V）變壓器接通電源。切勿將插頭直接插在220V的電源插座上，以防燒損燈泡。4）轉(zhuǎn)動粗調(diào)手輪使載物臺下降，同時用眼睛觀察，使試樣觀察面盡可能接近物鏡（但不許與物鏡相碰），然后向相反方向轉(zhuǎn)動粗調(diào)手輪，使載物臺緩慢上升以調(diào)節(jié)焦距。當視場亮度逐漸增強并呈現(xiàn)出影象時，再改用微調(diào)手輪進一步調(diào)節(jié)，直到所觀察的物象清晰為止。在旋動粗微調(diào)手輪時，動作必須要緩慢，若碰到某種阻礙時應立即停止操作，并報告指導教師查找原因，不得用力強行動作，否則會損壞機件。5）選擇合適的濾色片，并適當調(diào)節(jié)孔徑光闌和視場光闌，以獲得最佳質(zhì)量的物象。6）若使用油浸系物鏡，要在物鏡的前透鏡上滴一滴松柏油或直接滴在試樣上。油浸系物鏡使用后應立即用脫脂棉或鏡頭紙沾取二甲苯溶液擦拭干凈。切忌不得用酒精，以防透鏡的膠粘部位被溶解損壞鏡頭。2．金相試樣（了解內(nèi)容不用寫）（1）金相試樣的制備方法金相試樣的制備過程包括：取樣、鑲樣、磨光、拋光、腐蝕五個步驟。1）取樣取樣部位的選擇，取決于被分析材料或零件的特點、加工工藝過程及熱處理方法，并結(jié)合分析目的選擇有代表性的部位。截取試樣時，應保證被分析部位的組織不發(fā)生變化，較軟的材料可用鋸、車、刨等加工方法；較硬的材料可采取砂輪切割機切割或電火花切割；硬而脆的材料，如白口鑄鐵可以用錘擊的方法取樣；在大工件上取樣可使用氧氣切割。試樣截取的大小以便于握持為準，一般直徑為15mm～20mm、高為15mm～20mm的圓柱體或邊長為15mm～20mm的立方體。試樣截取后，還要使用砂輪或銼刀將切割面磨平,并去掉毛刺。2）鑲樣（參照圖1.3金相試樣的鑲嵌方法）當試樣尺寸過小或形狀極不規(guī)則，如帶、絲、片、管等難以握持的試樣需要鑲嵌。鑲嵌的方法主要有機械鑲嵌、低熔點鑲嵌、塑料鑲嵌。3）磨光將截取和鑲嵌好的試樣先用砂輪磨平，然后在金相砂紙上進行磨光。磨光前要將經(jīng)砂輪修整的試樣用清水沖洗并吹干，然后依次在由粗到細（320號—1200號）的各號金相砂紙上把金相磨面磨光。磨光時將砂紙平放在玻璃板上，用左手按住砂紙，用右手兩指夾持試樣，使磨面朝下并與砂紙表面均勻接觸，在輕微按壓力的作用下，在砂紙上朝向一個方向進行磨制，直到磨面上僅留有一個方向的均勻磨痕為止，再更換較細一號的砂紙。每更換較細一號砂紙前，試樣都要進行水洗，以便沖洗掉殘留砂粒。為便于觀察前一號砂紙留下的磨痕的消除情況，在更換砂紙后磨面磨制的方向要與前一號砂紙磨痕方向成90或45。如此依次進行下去，直磨到最細一號（1200號）砂紙為止。4）拋光拋光的目的在于去掉金相磨面上的細微磨痕而獲得光亮鏡面。常用的拋光方法有機械拋光、電解拋光和化學拋光三種，其中以機械拋光應用最廣。機械拋光是在拋光機上進行的，它是靠拋光微粉磨料對磨面的機械作用而使其成為光亮的鏡面。拋光機主要由電動機和拋光盤組成。拋光盤上鋪以細帆布或呢絨、絲綢等拋光織物。拋光時，在旋轉(zhuǎn)的拋光盤上不斷地滴入由微粉磨料和軟水配成的拋光液。拋光常用的微粉磨料是極細粒度的AI2O3、Cr2O3、MgO，以及金剛石研磨膏。操作時，將試樣磨面朝向鋪有拋光織物的拋光盤，并均勻地按壓在旋轉(zhuǎn)的拋光盤上，并沿拋光盤的邊緣到中心不斷地做徑向往復運動。拋光結(jié)束后，先用清水沖洗，再用脫脂棉蘸無水乙醇輕輕擦拭磨面，以拭去磨面的灰霧，最后用吹風機吹干，從而獲得一個光亮無痕的鏡面。5）腐蝕拋光后的試樣鏡面在顯微鏡下只能看到夾雜物、石墨、孔洞、裂紋等，而看不到組織。要得到有關(guān)顯微組織的信息，還必須經(jīng)過組織的顯現(xiàn)。常用的顯現(xiàn)組織的方法主要有化學浸蝕和電解浸蝕?；瘜W浸蝕是利用浸蝕劑對試樣表面進行化學溶解作用或電化學作用，來顯示金屬的組織。對于純金屬或單相合金的浸蝕是一個化學溶解過程，試樣被浸蝕后表面呈現(xiàn)出凹凸狀，在顯微鏡光源光線的照射下，晶界與晶粒以明暗顯示出來。對于兩相以上合金的浸蝕，主要是一個電化學浸蝕過程。由于金屬組織各組成相的成分不同，所以具有不同的電極電位，試樣在浸蝕劑中就在兩相之間形成許多“微電池”。電極電位低的一相為陽極，被浸蝕劑溶解形成凹陷狀，電極電位高的一相為陰極，在正常電化學作用下不易被溶解，相對陽極相呈現(xiàn)凸狀，結(jié)果在顯微鏡下觀察到了不同的組織特征。進行化學浸蝕時，應將試樣拋面浸入浸蝕劑中，或用脫脂棉沾浸蝕劑涂擦試樣拋面進行浸蝕。浸蝕時間要適當，一般當試樣原光亮的鏡面失去原有的光澤而出現(xiàn)暗灰色時就可停止，并隨即用清水沖洗試樣，再用沾無水乙醇的脫脂棉輕輕擦拭，拭后用吹風機吹干，既可在顯微鏡下進行觀察和分析。常用的化學浸蝕試劑見表1.1。（2）按表1.2提供的金相樣品種類，備好金相試樣和顯微組織圖片。四、實驗步驟與方法通過電化教學的手段，使學生了解實驗用金相顯微鏡的原理、結(jié)構(gòu)、使用方法及注意事項；了解金相試樣的制備過程與方法。每一位同學，在金相顯微鏡下認真觀察表1.2中所列試樣的顯微組織，識別不同碳含量合金的組織特征，并分析總結(jié)碳含量對合金組織形貌及各相（F、Fe3C在金相顯微鏡下選擇每種合金顯微組織的典型區(qū)域，并根據(jù)組織特征描繪出顯微組織示意圖。4．記錄觀察試樣的合金名稱、碳含量、組織名稱、浸蝕劑、觀察倍數(shù)、組織特征。五、實驗報告內(nèi)容及要求1．通過觀察分析，畫出表1.2中所列每種鐵碳合金顯微組織示意圖，并用引線和符號標出各種組織的名稱，在組織示意圖下方填寫合金名稱、合金碳含量、顯微組織名稱、觀察倍數(shù)、浸蝕劑等各個項目內(nèi)容。2．分析總結(jié)碳含量對鐵碳合金組織中的兩個組成相（F、Fe3C平衡態(tài)碳素鋼的碳含量與組織、力學性能之間的關(guān)系一、實驗目的1．深入理解并掌握平衡態(tài)碳素鋼的碳含量與組織和力學性能之間的關(guān)系。2．了解常用布氏硬度計、洛氏硬度計的原理、構(gòu)造，并掌握其操作方法。3．了解各種硬度之間、硬度與強度之間的換算關(guān)系。掌握用硬度測試值估算強度的方法。二、實驗原理簡介由典型鐵碳合金平衡組織觀察可知，鐵碳合金室溫下的平衡組織均由鐵素體和滲碳體兩相組成，并且兩相組成的相對比例、形狀、大小及分布狀況均隨著合金碳含量的增加而發(fā)生變化。由于鐵素體和滲碳體兩相的力學性能相差懸殊，因此隨著合金碳含量的變化，合金的各項力學性能判據(jù)將發(fā)生變化。在常用的力學性能判據(jù)中，硬度是金屬材料最常用的性能判據(jù)之一。因為相對強度而言，硬度的測試既簡便迅速，又不破壞零件，所以用硬度值來推算強度值，即便是近似的，也有十分重要的實用價值。根據(jù)大量的實驗研究證明，各種硬度值之間，硬度值與強度值之間是有近似的相應關(guān)系的。這些近似的相應關(guān)系，便于工程技術(shù)人員通過材料硬度的測試數(shù)據(jù)，來分析判斷材料的強度。1.常見幾種硬度的近似換算公式（1）HB與HR關(guān)系：（2）HB與HV關(guān)系:當HB400時,HBHV當HB400時,HBHV（3）HV與HRC關(guān)系:2.硬度與強度之間的一些經(jīng)驗公式（1）有色金屬b與HB有如下關(guān)系：b=HB式中的大小與有色金屬的種類有關(guān)，見表1.3。（2）黑色金屬硬度與強度之間關(guān)系，見表1.4。三、實驗設備及實驗用品（（只需寫需要什么設備、用品就可，不必介紹設備））1．布氏硬度計（參照圖1.4HB-187.5型布氏硬度計結(jié)構(gòu)簡圖）（1）布氏硬度計結(jié)構(gòu)以HB-187.5型布氏硬度計為例，布氏硬度計的結(jié)構(gòu)如圖1.4所示。其組成有：1）機身；2）手柄；3）手輪；4）絲杠；5）工作臺；6）壓頭；7）緊固螺釘；8）主軸；9）彈簧；10）調(diào)整旋扭；11）投影屏；12）頂罩；13）杠桿；14）推桿；15）砝碼臺；16）后蓋板；17）活塞；18.變換旋扭（2）布氏硬度計的操作方法（參照圖1.5布氏硬度計操作程序示意圖）1）將機身后端電源插頭接上電源，打開機身右側(cè)下方的電源開關(guān)，此時投影屏上顯示出圖1.5—Ⅰ所示圖象。2）將被測表面無氧化皮的試樣置放到工作臺上，然后順時針轉(zhuǎn)動手輪，使試樣的被測試表面與壓頭接觸，繼續(xù)緩慢轉(zhuǎn)動手輪，使置放試樣的工作臺繼續(xù)升高，直到投影屏上的橫向基準線與中線左面標尺刻度線100相重合（上下偏移不大于5個小格）。3）旋轉(zhuǎn)投影屏下方的微調(diào)旋鈕，使分劃板上標尺的100刻度線與投影屏上的橫向基準線相重合。此時，預負荷10公斤的力施加在試樣的表面上（如圖1.5—Ⅱ所示圖象）。4）拉動加荷手柄，使其離開死點位置，則主負荷將緩緩地施加在試樣上，此時投影屏上的標尺慢慢回行并停止在一定位置（如圖1.5—Ⅲ所示圖象）。5）將卸荷手柄板回到原位置，使主負荷卸除。此時投影屏上的橫向基準線處于標尺的某一位置（如圖1.5—Ⅳ所示圖象）。6）下降工作臺，并取下試樣，此時投影屏又恢復到圖1.5—Ⅰ的狀態(tài)（如圖1.5—Ⅴ所示圖象）。7）取下試樣后，使用讀數(shù)顯微鏡測量壓痕的直徑。再根據(jù)測得的壓痕直徑查閱布氏硬度數(shù)值表，即可獲得布氏硬度值。（3）讀數(shù)顯微鏡的使用方法（參照圖1.6讀數(shù)顯微鏡測量示圖）在讀數(shù)顯微鏡的測微目鏡組中裝有兩塊上下分劃板，上分劃板刻有0～6毫米長的標尺，見圖1.6a。標尺每格的格值為1毫米。下分劃板裝在上分劃板的下面，其上刻有一條長刻線，并和上分劃板的標尺相垂直，見圖1.6a。當旋動讀數(shù)指示套（見圖1.6b）時，下分劃板可左右移動，而上分劃板則固定不動。讀數(shù)指示套由0～100劃分了100個小格，每一小格的單位是0.01毫米。使用讀數(shù)顯微鏡測量壓痕直徑時，將儀器置于被測試樣上，并使讀數(shù)顯微鏡的入光孔朝向光線，被測試樣用自然光或燈光照射，然后調(diào)節(jié)目鏡焦距，使視場中同時看清分劃板和物象，如圖1.6a所示。進行測量時，先旋動讀數(shù)指示套，使刻有長絲的下分劃板移動，同時稍微移動讀數(shù)顯微鏡，使豎直長絲與被測壓痕的一邊相切，得一讀數(shù)，然后再旋動讀數(shù)指示套，使豎直長絲與被測壓痕的另一邊相切，又得一讀數(shù)，二者之差即為被測壓痕的直徑。2．洛氏硬度計（參照圖1.7HR-150A型洛氏硬度計結(jié)構(gòu)簡圖）（1）洛氏硬度計的結(jié)構(gòu)以HR-150A型洛氏硬度計為例，洛氏硬度計的結(jié)構(gòu)如圖1.7所示。其組成有：1）指示器；2）緊固螺釘；3）交換手柄；4）卸荷手柄；5）加荷手柄；6）齒條；7）緩沖器；8）油針；9）頂桿；10）砝碼交換架；11）砝碼；12）吊桿；13）調(diào)整塊；14）加荷杠桿；15）小杠桿；16）接桿；17）頂桿；18）主軸；19）試樣；20）工作臺；21）工作臺螺旋立柱；22）手輪；23）凸輪；24）大齒輪。（2）洛氏硬度計的操作方法1）清理試樣表面，使被測表面無油脂、氧化皮、裂紋、凹坑、顯著的加工痕跡以及其它外來污物等。2）根據(jù)被測材料的種類，選擇壓頭及