工程材料实验报告(中国石油大学)

1、 . . 15/15工程材料综合实验报告班级：装控班小组成员 学号实验日期：工程材料综合实验碳钢成分-组织-性能实验金相显微镜的构造与使用金相显微试样的制备铁碳合金平衡组织观察碳钢的热处理操作、组织观察与硬度测定一、实验目的1、别和研究铁碳合金在平衡状态下的显微组织；2、分析含碳量对铁碳合金显微组织的影响，加深理解成分、组织与性能之间的相互关系；3、了解碳钢的热处理操作；4、研究加热温度、冷却速度、回火温度对碳钢性能的影响；5、观察热处理后钢的组织与其变化；6、了解常用硬度计的原理，初步掌握硬度计的使用。二、实验设备与材料显微镜、预磨机、抛光机、热处理炉、硬度计、砂轮机等；金相砂纸、水砂纸、抛

2、光布、研磨膏等；三个形状尺寸基本一样的碳钢试样（低碳钢20、中碳钢45、高碳钢T10）。三、实验容概述1钢的热处理热处理是将钢加热到一定温度，经过一定时间的保温，然后以一定速度冷却下来的操作，通过这样的工艺过程钢的组织和性能将发生改变。通常加热、保温的目的是为了得到成分均匀的细小的奥氏体晶粒，亚共析碳钢的完全退火、正火、淬火的加热温度围是AC3+3050，过共析钢的球化退火与淬火加热温度是AC1+3050，过共析钢的正火温度是ACcm+3050，保温时间根据钢种，工件尺寸大小，炉子加热类型等由经验公式决定。 碳钢的过冷奥氏体在Ac1550围发生珠光体转变，形成片状铁素体和渗碳体的机械混合物。依

3、据片层厚薄的不同有粗片状珠光体（P），细片状珠光体索氏体（S）和极细片状珠光体屈氏体（T）之分。硬度随片距的减小（转变温度的降低）而升高。碳钢的过冷奥氏体在550350之间发生贝氏体转变，生成由平行铁素体条和条间短杆状渗碳体构成的上贝氏体（B上）。在光学显微镜下呈黑色羽毛状特征。过冷奥氏体在350Ms之间等温得到黑色针状的下贝氏体（B下），它是由针状铁素体和其上规则分布的细小片状碳化物组成。过冷奥氏体以超过临界速度的快冷至Ms以下温度，将发生马氏体转变，生成碳在-Fe中的过饱和固溶体马氏体。常见的有板条马氏体（碳1.0%）马氏体以与由它们构成的混合组织（碳为0.2%1.0%）。随转变温度的降低

4、钢的硬度升高。普通热处理分为退火、正火、淬火和回火。钢加热到一定温度保温后缓慢冷却（通常随炉冷却）至500以下空冷叫退火，得到接近平衡态的组织。奥氏体化的钢在空气中冷却叫正火，得到先共析钢铁素体（或渗碳体）加伪珠光体。过冷奥氏体快冷（大于临界冷速）叫淬火，得到马氏体组织。淬火钢再加热到A1以下会发生回火转变，随回火温度的升高分别得到回火马氏体，回火屈氏体和回火索氏体。随冷却速度增加，钢的硬度升高。硬度是指材料对另一更硬物体（钢球或金刚石压头）压入其表面所表现的抵抗力。硬度的大小对于工件的使用性能与寿命具有决定性意义。由于测量的方法不同常用的硬度指标有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)、维氏硬度

5、(HV)和显微硬度(HV)。布氏硬度适用于硬度较低的金属，如退火、正火的金属、铸铁与有色金属的硬度测定。洛氏硬度又有HRA、HRB、HRC三种，其中HRC适合于测定硬度较高的金属如淬火钢的硬度。维氏硬度测定的硬度值比布氏、洛氏精确，可以测定从极软到极硬的各种材料的硬度，但测定过程比较麻烦。显微硬度用于测定显微组织中各种微小区域的硬度，实质就是小负荷(9.8N)的维氏硬度试验，也用HV表示。2试样制备要在金相显微镜下对金属的组织进行观察和摄影，必须制备平整、光亮、清洁、无划痕、并用适当的方法显示出真实组织的试样(1) 手工磨样试样在金相砂纸上由粗到细磨制。磨样时用力均匀，待磨面上旧磨痕消失，新磨

6、痕均匀一致时就更换细一号的砂纸，并且试样转90o再磨。一般磨制到4号（粒度800）砂纸即可。(2) 抛光本实验采用化学抛光与机械抛光相结合的方法。PG2金相制样抛光机化学抛光：靠化学药剂对试样表面不均匀溶解而得到光亮的抛光面，凸起部分溶解速度快，而凹下部分溶解速度慢。具体操作是用竹筷夹住浸有抛光剂的棉球均匀的擦试磨面，待磨痕基本去掉后，立即用水冲洗。机械抛光：在专用的抛光机上进行，抛光织物（如呢料、金丝绒等）固定在抛光盘上，洒以抛光粉悬浮液，试样轻压于旋转的抛光盘上。靠嵌于抛光织物中的抛光粉的磨削作用和滚压作用，得到平整、光亮无划痕的磨面。(3) 化学浸蚀试样在浸蚀剂作用下，组织中电位低的部分

7、为阳极，电位高的部分为阴极，低电位处于溶解较快而呈现凹陷从而显示出组织特征。碳钢常用34%硝酸酒精溶液浸蚀。3观察金相显微组织四. 实验步骤设计与数据记录与金相显微组织图样处理：1、实验中对低碳钢20、中碳钢45、高碳钢T10进行如下表热处理表1 实验中钢热处理工艺参数样品热处理工艺加热温度/摄氏度加热时间冷却方式20#钢正火86015min空冷45#钢淬火+高温回火860 回火温度60015min淬水T10钢淬火100015min淬水2、实验中测量三种钢的热处理前后硬度值如下表所示表2 实验中样品硬度测试参数测试样品热处理前热处理后压头类型刻度颜色硬度值压头类型刻度颜色硬度值20#钢钢球红线

8、钢球红线45#钢钢球红线金刚石圆锥黑线T10钢钢球红线金刚石圆锥黑线3、制备金相试样（包括磨制、抛光和腐蚀，具体步骤如实验容概述中2所示）4、组织观察与显微摄影制好的试样放在显微镜下观察。使用显微镜时，动作轻、速度慢，由低倍到高倍进行观察，结合试样热处理工艺，观察与分析组织。选择能说明组织特征的典型视场，确定合适的放大倍数与图象采集。五、实验结果处理珠光体铁素体铁素体1X400纯铁 含碳量0.02% 2X400i铁素体+珠光体 含碳量0.02%0.77%4%硝酸酒精溶液 4硝酸酒精溶液铁素体珠光体铁素体珠光体3X400铁素体+珠光体(F+P) 含碳量0.02%0.77% 4X400铁素体+珠光

9、体(网状F+P) 4硝酸酒精溶液 含碳量0.02%0.77%4硝酸酒精溶液珠光体珠光体Fe3C5X400珠光体（P） 含碳量0.8% 6X400珠光体+网状渗碳体(P+Fe3C) 含碳量0.8%2.06%4硝酸酒精溶液4硝酸酒精溶液低温莱氏体Fe3C低温莱氏体珠光体7X400亚共晶白口铸铁 含碳量2.06%4.3% 8X400共晶白口铸铁 含碳量 4.3%4硝酸酒精溶液 4硝酸酒精溶液Fe3C低温莱氏体9X400 过共晶白口铸铁 含碳量4.3%6.67%4硝酸酒精溶液20钢实验处理（）珠光体铁素体20钢X400 正火处理：加热至900后空冷。正火处理后获得的正常组织：白色块状体为铁素体，黑色块

10、状体为索氏体 ，其成分为铁素体和渗碳体。含碳量2%，4硝酸酒精溶液20钢热处理前后成分组织性能分析：20钢属于亚共析钢，下面把亚共析钢平衡态组织和20钢正火后组织对照，分析其成分、组织、性能的变化 1 2 3平均值处理前硬度处理后硬度由亚共析钢平衡二者的组织不同：亚共析钢平衡态组织为：铁素体珠光体，20钢正火后组织为铁素体索氏体，从相图上我们可以看出：正火处理后亚共析钢的组织得到细化。热处理前，20钢的硬度为81.3HRB，正火处理后硬度为72.6 HRB，可见，热处理后组织的硬度比热处理前组织的硬度减小了。45钢实验数据处理（）铁素体回火索氏体 45钢调质之前的组织是珠光体+铁素体（P+F）

11、，调质之后为大部分的回火索氏体和少量的铁素体，拿调质处理后的金相图与未处理前的图相比较，发现45纲的晶粒得到细化，组织变的更加均匀。 1 2 3平均值处理前硬度 处理后硬度比较处理前后的硬度值，经过调质处理的45钢的硬度变小了。相应的韧性也就增加了。经过调质之后，材料的强度、韧性和塑性都较好，因而可以获得较好的综合机械性能。鉴于45钢有着良好的综合机械性能，它可以做主轴、曲轴、齿轮、柱塞等对材料的综合性能要求较高的零件。T10钢实验处理（）针状马氏体残余奥氏体T10钢在淬火之前的组织为珠光体和二次渗碳体（P+Fe3C）在淬火处理之后的成分为针状马氏体和残余的奥氏体。 1 2 3平均值处理后硬度

12、55586760热处理方式：淬火低温回火 黑色的粗针状马氏体和白亮的残余奥氏体，硬度为60.0HRC图像分析：整体图像有点模糊，一方面是调焦没调好，两一方面是光线太亮了。残余奥氏体不明显，原因是位置选的不合适。性能：低温回火降低了淬火应力，提高了工件的韧性，减少钢的脆性并 保持钢的高硬度，主要用于制造各种工具模具和冷做模具。实验心得：通过本实验，我巩固和加深了对课堂所学理论的理解，掌握了基本的实验方法和技能。更主要的是对铁碳合金各种组成相和组织组成物的特征有了明确的认识。尤其是对T10钢的热处理工艺与所涉与的成分变化有了更深刻的理解。六、总结出碳钢成分组织性能应用之间的关系。对与在退火状态下，

13、随着C钢含C量的增加，组织中硬度高的Fe3C含量增加，硬度低的F减少，所以随着材料的含碳量的提高，材料的硬度也相应的提高，而由于Fe3C是极其脆的相，没有塑性，合金的塑性完全由F提供，所以随着C质量分数的提高，合金的塑性连续下降。材料的强度对组织形态很敏感，P的强度比较高，F的强度低，所以，亚共析钢的强度随含C量的增加而增加，当超过共析钢成分以后，由于强度很低的Fe3C沿着晶界出现，强度增高变慢，当C的含量达到0.9%时，Fe3C沿晶界出现完整的网，强度迅速降低，随C质量分数进一步增加，强度不断下降，直到趋于Fe3C的强度，约为20-30MPa。所以对于没有进行其它的处理的钢，如果要求有高的硬度而对强度和韧性没有高的要求，如机器的底座，可以用含