工程材料金属热处理及硬度与金相分析实验指导书

1、金属热处理及硬度和金相分析实验一、实验目的1了解热处理设备及其操作过程2学会使用金相显微镜3学会使用硬度计4掌握金相试样制备的基本操作方法，了解影响金相试样检验效果的主要因素5了解碳钢的基本热处理（退火、正火、淬火）工艺方法，观察碳钢热处理后的显微组织形态6了解热处理工艺对碳钢硬度的影响二、实验材料45#钢试件、水槽、油槽、火钳、平板玻璃、金相砂纸、抛光剂、浸蚀剂等三、实验设备及使用方法 1箱式电炉1电炉 2控制器SX2-5-12实物图操作步骤如下：（1）打开炉门，用火钳将工件放入炉中，关好炉门。（2）按热处理工艺要求设置好控制程序并加热，具体操作方法详见附件三。2抛光机1抛光盘 2电源开关P

2、G-2实物图操作步骤如下：（1）用滴管将抛光液加入抛光盘绒布上，旋转电源开关至ON位置。（2）手持工件将抛光面朝下,在抛光盘半径一半处抛光，注意力度，不要让试件飞出。当感到阻力大时就要添加抛光液。（3）抛光完毕，旋转电源开关至OFF位置。 3金相显微镜 1微调手轮 2粗调手轮 3物镜 4目镜 5载物台 XJ-16B实物图 4X1实物图操作步骤如下：（1）察看所使用物镜3和目镜4的放大倍数，物镜和目镜的放大倍数刻在嵌圈上，显微镜放大倍数M=M物M目。（2）将试样放在载物台5上，使被观察表面倒置在载物台中间。（3）转动粗调手轮2，待看到组织后，再转动微调手轮1，直到所观察的图象清晰为止。4硬度计

3、1操纵手柄 2变换载荷旋钮 3指示表 4压头 5支承台 6手轮HR-150A实物图操作步骤如下：（1） 按下表选用压头和载荷，摇动操纵手柄1至卸荷位置。材料编号洛氏硬度符号压头种类载荷Kgf（N）表盘上刻度颜色常用硬度值范围1和2HRB直径1.588毫米钢球100（980）红线25100 （HB60230)3和4HRC金刚石圆锥压头150（1471）黑线2067 (HB230700)（2）将试样放在支承台5上，使被测面向上。（3）顺时针方向转动手轮6升起支承台，使压头4压入试样。指示表3的指针开始沿顺时针方向转，直到短针指到红点，长针基本向上垂直位置，（左右偏移不超过五格）此时表示压头已在10

4、kgf（98.1N）的预载荷下压入试样。（4）转动指示表的外环，使长针对准硬度值的起点。如试验HRB硬度时，使长针对准红色数字30（即B）；试验HRC时，使长针对准黑色字C。（5）摇动手柄1至加荷位置，主载荷便通过杠杆加于压头上，使压头压入试样，长指针则按逆时针方向回转，直至指针停止为止。（6）加荷后在试样上保持载荷时间约10秒，然后缓缓摇动手柄1卸除主载荷（在23秒钟内卸除完毕），而预载荷仍然作用在试样上。此时长指针则沿顺时针方向转动，静止位置所指的数字即表示所测的洛氏硬度值，HRC读外圈黑刻度，HRB读内圈红刻度。（7）逆时针方向转动手轮6卸除预载荷，取出试样。（8）测量硬度时，在同一试样

5、须进行三点以上试验。若计算硬度时应取平均值，但第一点的试验结果不应取用。四、实验步骤1学生分组领取试件：4人一组，每组领取试件一套(编号1、2、3、4的45钢试件各一件）和不同型号金相砂纸一套。2根据材料编号所选定的热处理工艺，进行热处理工艺操作。编号1：完全退火，从室温加热到830C，保温35分钟，然后随炉冷却。编号2：正火，从室温加热到830C，保温35分钟，然后在静止的空气中冷却。编号3：油淬，从室温加热到830C，保温35分钟，然后放入油中冷却。编号4：水淬，从室温加热到830C，保温35分钟，然后放入水中冷却。3制备金相试样（1）磨制先把金相砂纸平整的放在玻璃板上，手紧握试样并贴紧金

6、相砂纸，轻压试样并缓慢向前推，用力要均匀，一直磨到试样只有一个方向的磨痕为止。然后换更细一号的砂纸。更换后的磨制方向应与前一号砂纸留下的磨痕相垂直，以利于观察粗磨痕的消除情况。同时，每更换砂纸后，应用棉花把试样表面擦净，以免较粗砂粒带到细砂纸上擦伤试样的表面。（2）抛光抛光前应先把已经磨制好的试样用水清洗干净，以免砂粒划伤抛光面。抛光时应使试样与抛光圆盘旋转的线速度方向相垂直；抛光液要摇均匀并间断的加到抛光圆盘上去；抛光时要注意不要让试样飞出；抛光时间约25分钟，不要太长。（3）浸蚀抛光后的试样要用水清洗干净，并吹干。把4%的硝酸酒精溶液用滴管吸出并置于试样表面，注意整个试样表面均要被浸蚀并没

7、有气泡，经几秒或几十秒（根据材料和组织）后，待试样表面变灰时迅速用水清洗，并立即吹干，再用毛巾擦去其它部位水迹。浸蚀的时间长短必须掌握好。时间过短，组织不能完全显示出来。时间过长，试样表面灰黑，组织模糊不清，必须重新抛光再浸蚀。4使用金相显微镜观察制备好的金相试样，同组之间相互交换试样进行观察，并画出或拍下所观察到的显微组织。5使用硬度计测量试样的硬度值。附录一：实验原理及背景知识附录二：硬度对照表附录三：SX2-5-12箱式电炉操作方法附录一实验原理及背景知识一、钢的热处理热处理是通过加热、保温、冷却的三个过程，使钢的内部组织发生变化，以获得所需要的钢的性能的一种加工工艺。常用的热处理方法主

8、要有退火、正火、淬火及回火等。实施热处理操作时，加热温度、保温时间和冷却方式是最重要的三个基本工艺因素，正确选择这三个工艺因素是热处理成功的基本保证。1加热温度的选择（1） 退火：一般亚共析钢加热至Ac3+（3050）（完全退火）；共析钢和过共析钢加热至Ac1+（1020）（球化退火），目的是得到球化组织、降你硬度、改善高碳钢的切削性能，同时为最终热处理作好组织准备。（2） 正火：一般亚共析钢加热至Ac3+（3050）；过共析钢加热至Acm+（3050），即加热到奥氏体单相区。（3） 淬火：一般亚共析钢加热至Ac3+（3050）；共析钢和过共析钢加热至Ac1+（3050）。需要指出，不论在退火

9、、正火及淬火时，均不能任意提高加热温度。温度过高晶粒容易长大，而且增加氧化脱碳和变形的倾向。各种不同成分碳钢的临界温度列于表1中。表1 各种碳钢的临界温度（近似值）类别钢号临界温度（）或碳素结构钢207358556808353073281367783540724790680796457247806827605072576069075060727766695721碳素工具钢T7730770700743T8730-700-T10730800700-T12730820700-（4） 回火：钢经过正常淬火后，必须进行及时回火。因为在淬火中急冷时产生较大内应力和淬火马氏体本身较

10、脆，不能直接使用。低温回火，回火温度在120250度，淬火组织中只有淬火马氏体转变为回火马氏体，其它组成物不发生变化，因此钢的淬火硬度保持不变。中温回火，回火温度在350500度，淬火马氏体和残余奥氏体都分解为回火托氏体，因此钢的硬度下降。高温回火，回火温度在500650度，称为调质处理，得到的是回火索氏体，具有良好的综合力学性能。2保温时间的确定淬火加热时间实际上是将试样加热到淬火所需的时间及淬火温度停留所需时间的总和。加热时间与钢的成分、工件的形状尺寸、所用的加热介质、加热方法等因素有关，一般按照经验公式加以估算，碳钢在电炉中加热时间列于表2。 表2 碳钢在箱式电炉中加热时间的确定加热温度

11、（）工件形状圆柱形方形板形保温时间分钟/每毫米直径分钟/每毫米厚度分钟/每毫米厚度70080090010001.51.00.80.42.21.51.20.6321.60.83冷却速度经正常加热，并用不同速度冷却后，钢的性能就不同。因为冷却速度不同，所获得的组织不同。常用的冷却方法有空冷、炉冷、油冷和水冷。冷却速度依次为炉冷空冷油冷水冷.空冷获得的组织为铁素体和索氏体；油冷获得的组织为屈氏体和极少量铁素体；水冷（即以大于临界冷却速度），获得的组织为淬火马氏体和极少量残余奥氏体。马氏体是碳在体心立方体中的过饱和固溶液，它的硬度比其它组织的硬度高，而且随着过饱和程度的增加，其硬度也增高。钢经正常淬火

12、后的硬度，开始随含碳量的增加而增高，含碳量超过0.6%以后硬度的增加逐渐减慢。二、金属试样的制备制备好的合格的金属试样应该是：组织有代表性；无假像；表面无磨痕、麻点或锈斑与水迹等。金属试样的制备主要包括取样、研制光亮平整的镜面和浸蚀等几个步骤。1取样截取金相试样的部位必须根据实验的目的，能表征被检测材料或零件的特点。如对事故进行分析，应在零件的破损部位截取，同时也应该在远离破损处截取一参考试样，以便比较。各种材料经过的工艺过程或处理情况不同，截取试样的部位也应随机变化。金属试样的大小，较合适的尺寸是直径为1015cm、高1215cm的圆柱体或边长为12cm的正方体。2研制成平整光亮的镜面为了使

13、试样的观察表面呈平整光亮的镜面，可采用磨制和抛光来获得。光亮的镜面在金相显微镜下观察，只能看到一片白亮，也可观察到材料内部的某些杂质，一般看不到组织形貌。3浸蚀要观察到金属和合金的组织，必须采用适当的浸蚀剂对金属表面进行“浸蚀”才能使显微组织真实地、充分地、细致地显示出来。常用的是化学浸蚀法。化学浸蚀法主要是利用浸蚀剂对试样表面的化学与电化学作用来浸蚀试样的表面。这是由于金属材料各处的化学成分和组织不同，它们的原子排列情况和电极电位不同，所以腐蚀的性能也不同，造成浸蚀时各处的腐蚀速度不一样，使试样表面上呈现出微观的凹凸不平，在垂直光线的照射下，使光的反射程度不一样，从而在显微镜下观察到试样的表

14、面亮暗程度不同，依此来鉴别材料内部的组织。在单相合金中，由于晶界上原子排列的不规则，具有较高的能量，所以晶界较易浸蚀，而成凹沟，故在金相显微镜下看到黑色的晶界。对于两相或两相以上合金，具有负（或低）电位的相被浸蚀而形成凹洼，具有正（或高）电位的相不受浸蚀。因此在金相显微镜下能区分不同的组织和组成相。例如共析钢平衡状态下的珠光体组织是铁素体基体上分布着层片状的渗碳体。铁素体具有负电位，渗碳体具有正电位，因而在正常浸蚀条件下，铁素体被腐蚀而凹下，渗碳体却没有被腐蚀。因此在高倍金相显微镜下观察到渗碳体四周有一圈暗线，显示出存在两相。三、金相显微镜工作原理金相显微镜是用于鉴别和分析各种金属内部的结构组

15、织，为金属物理学研究金相的重要工具。凡铸造、冶炼、热处理的质量研究，原材料的检验或材料处理后的分析等均可使用。仪器的光路系统见图一所示，灯源1的灯丝经集光镜2与反光镜3成像孔径光阑4上，接着由照明辅助透镜5、7，辅助物镜9成像在物镜10的后焦面附近，然后经物镜以近于平行的光束照明试样，装饰圈6位于照明辅助透镜7的焦面上，经辅助物镜9和物镜10成象在试样面11上。试样11经物镜10和辅助物镜9以平行光束射向半透反光镜8，然后，由辅助物镜12，棱镜13，双筒棱镜组14，成象在目镜15的前焦面上，最后以平行光束射向人眼供观察。1.灯源 2.集光镜 3.反光镜 4.孔径光阑 5、7照明辅助透镜6. 装

16、饰圈 8.半透反光镜 9、12.辅助透镜 10.物镜 11.试样 13.棱镜 14.双筒棱镜组 15.目镜图1光学原理图表3 45钢经不同热处理后的显微组织编号热处理工艺显微组织特征放大倍数1234退火：860炉冷正火：860空冷淬火：860油冷 860水冷珠光体+铁素体（呈亮白色块状）细珠光体+铁素体（块状）细针马氏体+屈氏体（暗黑色块状）细针马氏体+残余奥氏体（亮白色）400500500500四、洛氏硬度试验的基本原理洛氏硬度试验原理如图 3所示。先施加一个预载荷，然后在规定的主载荷作用下将压头压入被测材料的表面。洛氏硬度试验所用压头有两种：一种是顶角为120的金刚石圆锥，另一种是直径为

17、(1.588mm)1/16或1/8(3.176mm)的淬火钢球。根据金属材料软硬程度不一，可选用不同的压头和载荷配合使用，最常用的是HRA、HRB 和HRC。图 3 洛氏试验原理图洛氏硬度计算公式：HR=K-(h3-h1)/0.002式中:h1：为预加载荷压入试样的深度（mm）。h3：为卸除主载荷后压入试样的深度（mm)。k：为常数（120金刚石圆锥 HRA、HRC k=0.2；钢球时 HRB k=0.26 ）附录二45#钢的硬度参考值：退火硬度197HB正火硬度226HB淬火硬度5560HRC硬度对照表（参考）：洛氏硬度布氏硬度HB10/3000HRAHRBHRC（56.8）（97.0）（1

18、3.5）198（56.5）（96.5）（13.0）19660.2100.020.022578.4/55.053881.0/60.0/附录三SX2-5-12箱式电炉操作方法（程序控制）1、 顺时针旋动控制器面板下部的电源开关“Power”，打开电源，散热风机运转，仪表上电自检后处于待机状态。2、 按键，直到顶端的显示栏显示“FIX”，表示“定值控制”；按键，顶端的显示栏显示“FIX”，显示栏显示“ON”或“OFF”。按、键可在ON、OFF之间切换，当显示栏显示“OFF”时，表示定值控制关闭，此时按键确认。3、 按键，直到顶端的显示栏显示“PROG”，表示“程序控制”。4、 按键，直到顶端的显示栏

19、显示“PV_S”，此时显示栏无数据显示，显示栏显示“ON”或“OFF”。按、键可在ON、OFF之间切换，当显示栏显示“ON”时，表示程序控制打开，此时按键确认。5、 按键，显示栏显示“1”，表示加热的第1阶段。此时显示栏显示“SV”，显示栏的显示值为温度设定值，按、键调整到所需的温度设定值，如“300C”，按键确认。6、 按键，当显示栏显示“tim”时，显示栏为升温（或降温）时间，按、键调整到所需的时间设定值，如“01.30”，表示1小时30分钟。按键确认。7、 按键，显示栏显示“2”，表示加热的第2阶段。如果要保温，在显示栏显示“SV”的情况下，按、键调整所需的温度设定值到上一阶段的终点值，如“300C”，按键确认。8、 按键，按照第6步操作的方法，调整保温时间，如“01.30”，表示1小时30分钟，按键确认。9、 以后的加热阶段依次类推，共可设置10个阶段。10、 按键，直到顶端的显示栏显示温度值，如“