金属材料学实验指导书87p

金属材料工程专业实验指导书PAGEPAGE89目录目录 1试验一铁碳相图平衡组织分析 2实验二二元、三元合金的显微组织分析 10实验三钢中常见几种马氏作与贝氏体组织形态的金相观察 19实验四金属的塑性变形与再结晶 24实验五奥氏体晶粒度大小的测定 30图5-1晶粒度大小评级示意图 33实验六钢的临界点测定 36实验七钢的淬透性的测定 40实验八碳钢热处理及热处理炉炉温校验 45实验九钢的渗碳层的测定 52实验十金属材料学综合实验 55实验十一利用磁性测定钢中的残余奥氏体 57实验十二金属及合金的电阻测量 63实验十三用示差热分析法测定钢在加热和冷却过程中的相变温度 69实验十四X射线衍射仪与物相定性分析 74实验十五透射电子显微镜的构造、操作与观察 78实验十六扫描电镜构造与断口形貌观察 80实验十七电子探针构造及微区成分分析 82实验十八合金凝固动态曲线的测定 83

试验一铁碳相图平衡组织分析实验目的观察和分析铁碳合金的平衡组织；分析铁碳合金显微组织的形成过程。概述图1-1铁碳平衡相图Fe―Fe3C平衡相图是铁系二元相图中最重要的一个。根据相图，可以分析铁碳合金平衡组织的相和组织特点。所谓平衡组织，是指符合平衡相图的组织，即在一定温度，一定成分和一定压力下合金处于最稳定状态的组织，要获得这样的组织，必须使合金发生的相变在非常缓慢的条件下进行，通常将缓冷（退火）后的铁碳合金组织看作为平衡组织。铁碳合金是目前应用最广泛的工程材料，铁碳合金的平衡组织是研究铁碳合金的性能及相变机理的基础。因此认识和分析铁碳合金的平衡组织有十分重要的意义。此外，观察和分析铁碳合金的平衡组织有助于帮助我们理解Fe―Fe3C平衡相图的建立和进一步借助相图来分析问题。铁碳合金的分类铁碳合金可分为碳钢和白口铸铁两大类，表1―1列出了铁碳合金的分类和组织情况。表1―1铁碳合金的分类和组织分类含碳量（%）平衡显微组织碳钢亚共析钢0.02—0.77铁素体+珠光体共析钢0.77珠光体过共析钢0.77—2.11珠光体+二次渗碳体白口铸铁亚共晶白口铸铁2.11—4.30珠光体+莱氏体+二次渗碳体共晶白口铸铁4.30莱氏体过共晶白口铸铁4.30—6.69莱氏体+一次渗碳体从表1—1中可以看出，铁碳合金是以其含碳量来分类的，其中含碳量小于2.11%的称碳钢，大于2.1%的称白口铸铁。由于含碳量的不同，它们的平衡显微组织也有很大的不同。铁碳合金的平衡组织表1—1中已经列出，铁碳合金的平衡组织共有四种：铁素体（α相），渗碳体（Fe3C），珠光体和莱氏体，但是从Fe―Fe3C相图上可以看出，铁碳合金在常温下只有两相，即铁素体和渗碳体，由于含碳量的不同，这两个基本相的相对量，形状和分布情况有很大的不同，因此呈现各种不同的组织形态。下面介绍一下各种显微组织的基本特征：（1）铁素体：是碳在α—Fe中的固溶体，碳的浓度是可变的，在727℃时达到最大溶解度，为0.0218%，在常温下，碳的浓度为0.008%左右，铁素体的硬度很低，塑性好，经4%硝酸酒精浸蚀后呈白亮色（如图1-2所示）。含碳量较低时，铁素体呈块状分布，随含碳量增加，铁素体量减少，在接近共析成分时，铁素体呈网状分布在珠光体周围。（2）渗碳体：是碳与铁的一种化合物，化学式为Fe3C，含碳量很高，达6.69%，坚硬而脆，抗浸蚀能力很强，经4%硝酸酒精浸蚀后成白亮色。在过共晶白口铸铁中的一次渗碳体是从液态中直接结晶成的，故呈条状分布（如图1-10所示）。在过共析钢和亚共晶白口铸铁中的二次渗碳体（如图1-11所示）是从奥氏体中沿晶界析出的，所以呈网状分布在珠光体的周围。由于渗碳体硬度很高，所以在磨面上是突起的。铁素体和渗碳体经4%硝酸酒精浸蚀后都呈白亮色，为了加以区别，可改用苦味酸钠溶液浸蚀（苛性钠25克，苦味酸2克，加水100毫升，在100℃煮沸5—10分钟）。这时渗碳体被染成暗褐色（接近黑色），铁素体仍呈白亮色。如图1-12所示。（3）珠光体：是铁素体和渗碳体的两相混合物，有片状珠光体和球状珠光体两类。如图1-7，1-11。片状珠光体是经一般退火后得到的铁素体和渗碳体的片层交叠组织，经4%硝酸酒精浸蚀后，这种组织在显微镜下由于放大倍数不同而有不同的特征，在600倍以上观察时，可见珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体都呈白亮色，而边界呈黑色；在400倍左右观察时，由于显微镜鉴别率降低，白亮的细条渗碳体被黑色的边界所“吞没”而呈黑色，这时看到的珠光体是宽条白亮色铁素体和细条渗碳体相间；在200倍以下观察时，宽条白亮色的铁素体也难以区分了，这时的珠光体特征是暗黑色，低碳钢中的珠光体量很少，片间距细小，即使在较高倍观察时也是暗黑色的。球状珠光体是过共析钢球化退火后的组织，片状分布的渗碳体变成了球状，经4%硝酸酒精浸蚀后，球状珠光体的特征是在白亮色的铁素体基体上分布着白色的渗碳体颗粒，它们的边界是黑色的。（4）莱氏体：是奥氏体和渗碳体的共晶体，刚由液体中结晶出来的莱氏体是渗碳体的基体上分布着颗粒状的奥氏体。从共晶温度冷却时，从奥氏体中析出二次渗碳体，二次渗碳体和基体渗碳体连接起来，所以在组织中很难区分。当冷却到共析温度时，奥氏体转变为珠光体。在常温中观察到的组织已不是渗碳体和奥氏体，而是渗碳体和珠光体，但一般仍称为莱氏体或变态莱氏体（如图1-9所示）。经4%硝酸酒精浸蚀后，莱氏体的组织特征是在白色的渗碳体基体上分布着许多黑色颗粒状的小条状珠光体。在亚共晶白口铸铁中，莱氏体被黑色树枝状珠光体所分割，在珠光体周围可看到一圈白亮色的二次渗碳体，在过共晶白口铸铁中，莱氏体则被粗大的白色条状一次渗碳体所分割。如图1-8所示。各组织的机械性能为了掌握铁碳合金的机械性能，必须控制各种组织的相对量，已知铁素体软而塑性好，渗碳体硬而脆，珠光体是这两相的机械混合物，莱氏体则是渗碳体和珠光体的混合物。铁素体、渗碳体、和珠光体的机械性能如表1—2。表1-2铁素体、渗碳体、和珠光体的机械性能硬度（HB）抗拉强度（MPa）延伸率（δ%）铁素体50—90190—25040—50渗碳体750—880300珠光体190—230860—9009—12碳钢中含碳量的计算在熟悉了碳钢中各种组织分布特征后，就可以借助于显微镜来估算碳钢中的含碳量。首先，估计在某一视场中各种组织所占有的面积百分比，令：n：铁素体所占面积百分比K：珠光体所占面积百分比B：渗碳体所占面积百分比根据Fe―Fe3C相图，已知常温下铁素体中含碳量约为0.008%，珠光体含碳量约为0.77%，渗碳体含碳量约为6.69%，那么，根据杠杆定律，可以得到下列：对于亚共析钢，有：对于过共析钢，有：上述计算，是假定各组织的比重是相等的，事实上它们的比重也是近似相等的，对于球状珠光体的面积很难目测，所以不能估算它的含碳量。实验设备和材料碳钢试样（亚共析、共析、过共析），球状珠光体试样白口铸铁试样（亚共晶、共晶、过共晶）金相显微镜实验内容和步骤每人轮流在置有各种标准样品的显微镜下观察样品的形貌特征并绘图。调节显微镜的放大倍数，观察珠光体特征变化情况。对某一碳钢试样，估计它各组织所占的面积百分比，估算出它的含碳量，并和标准样品含碳量对比估算误差。思考讨论题什么是平衡组织？怎样得到平衡组织？铁碳合金中主要有几个相？几个基本组织？根据相图，叙述不同含碳量的铁碳合金的结晶过程。根据各铁碳合金的显微组织，估计它们的机械性能。决定铁碳合金组织的因素是什么？为什么？在哪些铁碳合金中出现三次渗碳体？如何产生？显微组织照片图1-2纯铁图1-320钢图1-445钢图1-560钢图1-6共析钢图1-7T12球状珠光体图1-8亚共晶白口铸铁图1-9共晶白口铸铁图1-10过共晶白口铸铁图1-11T12片状珠光体图1-12T12片状珠光体*（1-12）腐蚀剂为苦味酸，其余均为4%硝酸酒精

实验二二元、三元合金的显微组织分析实验目的了解和熟悉最基本的二元合金相图研究和分析共晶型和匀晶型合金的结晶过程和组织了解和熟悉三元共晶型合金相图研究三元共晶型合金中典型成分合金的结晶过程和组织实验原理二元合金合金至少由两个组元组成，由两个组元组成的合金称为二元合金。二元合金相图大致可分为匀晶型、共晶型、包晶型、偏晶型和形成化合物型五类。其中最基本的是匀晶型和共晶型。共晶型图2-1Pb—Sn二元合金相图Pb—Sn二元合金相图是一个典型的共晶型相图。其中tAEtB为液相线，tAMNtB为固相线，ME和NG分别为Sn溶于Pb中和Pb溶于Sn中的溶解曲线，也叫固溶线。在这个合金系中有三个最基本的相L、α和β，其中L为高温相，冷凝后就不存在了。α相是Sn溶解于Pb中的固溶体，β是Pb溶解于Sn中的固溶体。从相图可以看到，这两种固溶体在常温下的溶解度很小，特别是β相，在常温下已经基本上没有溶解度了。E点称为共晶点，它的成分为38.1%Pn+61.9%Sn。该成分的合金称为共晶合金（如图2-7所示），在冷却到tE（183ºC）时，成分为E的液相同时转变为成分为M的α相和成分为N的β相，即得到两个固溶体的共晶。L↔α+β，经盐酸浸蚀后，α相呈黑色，β相呈白色，其组织为黑白相间的两相共晶混合物。成分在M点左面，即含Sn量小于19.5%的合金，冷却时首先析出α固溶体，随着温度下降，液体温度下降，液体全部结晶为α固溶体。当温度继续冷却时，由于Sn在Pb中的固溶度逐渐减少，从α固溶体中析出过剩的Sn，它以β固溶体的形式出现，称为次生β固溶体，或称为βⅡ，以区别从液相中直接结晶的初生β固溶体，该合金的纤维组织为黑色的α固溶体基体上分布着白色颗粒状的βⅡ固溶体。如图2-5所示。成分在M点和E点之间的合金称为亚共晶合金（如图2-6所示）。冷却时首先从液相中析出α固溶体，冷却到共晶温度时，α相停止结晶，发生共晶转变，其组织为α+(α+β)共晶，冷却至室温，其组织为α+βⅡ+(α+β)。其中α固溶体呈黑色树枝状，在晶内可看到次生β固溶体的白色小颗粒，在枝晶间黑白相间的是(α+β)的共晶体。成分在E点和N点之间的合金称为过共晶合金（如图2-8所示），这类合金的结晶过程和亚共晶合金相似，所不同的是先共晶相是β固溶体，结晶后的组织为β+(α+β)共晶，其中β固溶体为白色圆形。由于Pb在Sn中的溶解度非常小，(183℃时最大才为0.6％)。所以在β固溶体上看不到次生α固溶体。2、匀晶型所谓匀晶型即二个组元在液态和固态都是完全互溶的。由液态缓慢冷却时，可得到均匀的单相固溶体组织。但在快速冷却时，由于两个组元的熔点不一致，扩散速度赶不上结晶速度，容易产生晶内偏析。由于固溶体的结晶总是以枝晶方式成长，所以又称枝晶偏析。高温退火(固相线以下100℃长时间保温缓冷)即可消除枝晶偏析，得到均匀的固溶体晶粒。Cu-Zn合金，又称黄铜，它们的二元系相图是非常复杂的，但是在含Cu量大于70％时，Zn在Cu内可以完全溶解。Cu-Zn相图的富铜部分完全符合匀晶相图的特征，这样成分的合金在结晶后即可得到Zn在Cu内溶解的单相固溶体α-黄铜，其组织为均匀的等轴晶粒。图2-2Cu-Zn合金二元系相图(二)三元合金三元合金指由三个组元组成的合金。由于三个组元中每两个组元所组成的合金相图具有不同的类型，在组成三元合金后形成了各种不同类型的三元合金相图。三元合金相图和二元合金相图一样有的很简单，有的很复杂。为此，熟悉和掌握三元相图中最基本的三元共晶型相图，观察和分析典型成分合金的显微组织，对进一步掌握其它类型的三元合金相图是十分有意的。相图分析如图2-3所示，其中A、B、C三组元在液态完全互溶，在固态完全不互溶。图2-3三元共晶型合金相图(投影图)的示意图投影图上的三个顶点分别代表纯组元A、B、C；三条边分别代表三个二元共晶型合金A-B、B-C、A-C，它们的共晶点分别为E1、E2、E3，E点代表三元共晶点，即成分为E合金，在一定温度下液相和A、B、C平衡存在，其转变式可写为：L(E)=A+B+C。三条实曲线(E1E、E2E、E3E)和三条虚直线(AE、BE、CE)把投影图分为六个三角形区域。在投影图上确定成分点的位置后，便可根据成分点的位置分析合金的冷凝过程和确定最终组织成分。成分点位置和组织组成物的关系列于下表2-1中。表2-1成分点位置和组织组成物的关系成分点位置组织组成物Ⅰ晶体A“+”二元共晶（A+C）“+”三元共晶（A+B+C）Ⅱ晶体A“+”二元共晶（A+B）“+”三元共晶（A+B+C）Ⅲ晶体B“+”二元共晶（B+A）“+”三元共晶（A+B+C）Ⅳ晶体B“+”二元共晶（B+C）“+”三元共晶（A+B+C）Ⅴ晶体C“+”二元共晶（C+B）“+”三元共晶（A+B+C）Ⅵ晶体C“+”二元共晶（A+B）“+”三元共晶（A+B+C）AE晶体A“+”三元共晶（A+B+C）BE晶体B“+”三元共晶（A+B+C）CE晶体C“+”三元共晶（A+B+C）E1E二元共晶（A+B）“+”三元共晶（A+B+C）E2E二元共晶（B+C）“+”三元共晶（A+B+C）E3E二元共晶（C+A）“+”三元共晶（A+B+C）E点三元共晶（A+B+C）从上表中可以明确地看到，不管是什么成分的合金，在结晶完成后的组织中都有三元共晶。另外，还可以看出，实曲线是不同的单元晶体的分界线，虚直线则是不同的二元共晶的分界线。结晶过程和组织图2-4Bi—Pb—Sn三元合金相图（投影图）为了直观地分析合金的结晶过程和组织情况，选择有代表性的Bi—Pb—Sn三元共晶型合金作为研究对象，分析其典型成分合金的结晶过程。从Bi—Pb—Sn三元合金相图（投影图）的富Bi角部分可以看出，这是一种典型的三元共晶型合金。A、B、C、D四点代表四种典型成分合金，它们的精确成分分别为：A：66%Bi+5%Pb+29%SnB：60%Bi+25%Pb+15%SnC：58%Bi+16%Pb+26%SnD：51%Bi+32%Pb+17%Sn下面简单分析这四种成分合金的结晶过程。合金A位于三角形BiEE2区域内，在结晶过程中，首先析出晶体Bi，继续冷却时，晶体Bi停止析出，而开始析出（Bi+Sn）二元共晶，再冷却到三元共晶温度时，形成细小的（Bi+Pb+Sn）三元共晶，结晶后的最终组织应为晶体Bi”+”二元共晶(Bi+Sn)”+”三元共晶（Bi+Pb+Sn）。如图2-12。合金B位于虚直线BiE上，在晶体Bi停止析出后，便形成三元共晶，它的最终组织是晶体Bi“+”三元共晶（Bi+Pb+Sn）。如图2-10。合金C位于实曲线E1E，在结晶的开始阶段，首先析出的是(Bi+Sn)二元共晶，当二元共晶析出停止后，再形成三元共晶，因此它的最终组织是二元共晶(Bi+Sn)“+”三元共晶（Bi+Pb+Sn）。如图2-11。合金D的位置和E点重合，在结晶后形成的组织中只有三元共晶（Bi+Pb+Sn）。如图2-9。实验设备和材料标准试样Pb-Sn合金：38.1%Pb+61.9%Sn90%Pb+10%Sn70%Pb+30%Sn20%Pb+80%SnCu-Zn合金：70%Cu+30%ZnBi-Pb-Sn合金：66%Bi+5%Pb+29%Sn60%Bi+25%Pb+15%Sn58%Bi+16%Pb+26%Sn51%Bi+32%Pb+17%Sn金相显微镜实验内容及步骤对已制备好的标准试样进行观察并绘制组织图。思考讨论题二元共晶型相图有什么特征？先共晶相是如何产生的，有什么特征？Pb-Sn亚共晶合金中如何产生次生β固溶体，为什么会产生？三元共晶型相图有什么特征？为什么在三元共晶投影图上实曲线两侧形成不同的单元晶体，虚直线两侧形成不同的二元共晶？如果出现比重偏析，合金组织是否会出现变化，为什么？试计算A成分合金结晶后三种组织的相对量，并验证。显微组织照片图2-5α+βⅡ图2-6α+（α+β）+βⅡ图2-7α+β图2-8β+（α+β）图2-9三元共晶图2-10Bi+三元共晶图2-11(Bi+Sn)+三元共晶图2-12Bi+(Bi+Sn)+三元共晶*腐蚀剂均为盐酸

实验三钢中常见几种马氏作与贝氏体组织形态的金相观察实验目的了解常见马氏体的组织形态了解常见贝氏体的组织形态二、实验原理马氏体是钢中较常见和使用较广泛的组织形态。高碳、低碳、和中碳三种马氏体作具有不同的机械性能，这是与其不同的组织状态有关。钢中马氏体的典型形态是板条马氏体和片状马氏体两种。低碳钢（低碳合金钢）淬火可得到板条状马氏体，高碳钢（高碳高合金）淬火可得到片状马氏体。而中碳钢（中碳合金钢）往往得到两种马氏体的混合组织。光学显微镜下观察马氏体组织的金相特征是：板条马氏体：马氏体以尺寸大致相同的板条为单元，定向的平行排列的板条结合成马氏体束，在同一个奥氏体晶粒中，可以有几个不同取向的马氏体束。片状马氏体：相邻马氏体片单元互不平行，不规则地分布于母相奥氏体中。先后形成的马氏体片尺寸差别很大。先形成的马氏体片可以跨越整个奥氏体晶粒，并连续地分割奥氏体，从而限制了随后形成的马氏体片的大小。有时在片状中还可观察到“脊骨”，有的马氏体片组成闪电花样。奥氏体化温度愈高，只会使马氏体愈粗愈明显。在有些钢中，随着淬火温度的升高，形成板条马氏体的倾向会愈大。淬火时，由于零件尺寸增大而受到淬透性的限制，往往会得到马氏体与贝氏体的混合组织。或者当零件采用等温淬火时也获得贝氏体组织。钢中常见的贝氏体组织形态有上贝氏体、下贝氏体。上贝氏体的高温抗蠕变性能较好，而下贝氏体具有效好的综合机械性能。近年研究得较多的是粒状贝氏体。其它还有柱状贝氏体、反常贝氏体。这几个组织状态都在一定的成分和热处理条件下才能获得。光学显微镜下观察几种贝氏体组织的特征是：上贝氏体：成束的铁素体条互相平行，一般是羽毛状特征。铁素体条之间分布的不连续碳化物在光学显微镜下分辨不清。下贝氏体：铁素体呈单个片状，片与片常常相交。在铁素体片内沉淀有碳化物粒子，但碳化物粒子在光学显微镜下分辨不清。粒状贝氏体：白块状的铁素体与岛状的组成物组成。马氏体与贝氏体组织的精细结构必须借助于电子显微镜以及X射线等方法来鉴别。通过光学显微镜只能观察到金相组织的主要特征及形态。实验设备和材料金相试样（20钢、60钢、T8钢、T12钢、60Si2Mn、18CrNiW、铸铁）、金相显微镜实验内容每人观察下列经各种热处理后的试样的金相组织，并填写各个试样的金相组织。见表3—１。思考讨论题试分析含碳量、奥氏体化温度对马氏体形态的影响。简述上贝氏体、下贝氏体、粒状贝氏体的组织特征。表3—1不同钢种经各种热处理后的试样的金相组织序号钢种热处理工艺组织120钢940℃加热，淬冰盐水220钢1100℃加热，淬冰盐水3Ｔ8钢780℃加热，淬冰盐水4Ｔ8钢1100℃加热，淬冰盐水560钢1100℃加热，淬冰盐水6铸铁淬火7Ｔ12钢780℃加热，淬火860Si2Mn900℃加热，420℃等温9Ｔ8钢900℃加热，300℃等温5分钟水冷1018CrNiW870℃加热，100℃／时炉冷显微组织照片图3-1图3-2图3-3图3-4图3-5图3-6图3-7图3-8图3-9图3-10*腐蚀剂均为4%硝酸酒精

实验四金属的塑性变形与再结晶一、实验目的1、了解工业纯铁经冷塑性变形后，变形度对硬度和显微组织的影响2、研究变形度对工业纯铝再结晶退火后晶粒大小的影响3、观察形变孪晶和退火孪晶二、实验原理和任务在外力作用下，应力超过金属的弹性极限时金属所发生的永久变形称为塑性变形。纯金属经受塑性变形后，不但其外形发生变化，而且晶粒内部也发生明显的变化。随着变形度增大，晶粒逐渐沿受力方向发生变形，如工业纯铁试样在经受压缩时，内部晶粒将由多边形等轴状压成扁平形状，其压扁方向与压力方向是一致的。在被压扁的晶粒内部可观察到一些滑移带，滑移带的数量和分布方向均随变形度而变化，变形度≥70％的工业纯铁（α－Fe），将呈现“纤维”组织。金属发生塑性变形主要是通过滑移方式进行的，而滑移则是由滑移面上的位错运动造成的，经冷塑性变形后的金属会增加结构缺陷，如位错密度将从106-8/cm2增至1012/cm2；随着变形度增加，可激发出取向不同的多系滑移，此时，位错就会产生交割，位错交割时，交点处的应力状态比较复杂，位借运动就会受到阻碍，从而造成明显的加工硬化现象。在本实验中，将测定变形度为0％、30％、50％、70％的工业纯铁试样的硬度，并在金相显微镜下观察其晶粒形状和滑移带数量及其取向情况，以便了解工业纯铁经冷塑性变形后，变形度对硬度和显微组织的影响。冷塑性变形后的金属组织是不稳定的，在加热时会发生回复、再结晶和晶粒长大等过程。当加热温度较高时，原子活动能力增加，此时晶粒外形开始发生变化，从变形拉长的晶粒变成无畸变的新等轴晶粒，这一变化过程实质上也是一个新晶粒重新形核和成长的过程，但它只是晶粒外形和内部滑移带发生变化，而新晶粒的点阵(晶格)类型仍与旧晶粒相同，因此称这一过程为再结晶，以此与重结晶相区别。再结晶完成后，变形金属的加工硬化现象得以消除。金属的机械性能将取决于再结晶后的晶粒大小，再结晶后的晶粒大小则受再结晶前的变形度、退火温度等因素所控制。金属的变形度愈大，则再结晶形核率愈高，再结晶后的晶粒便愈细，金属能进行再结晶的最小变形度通常在2—8%范围内，此时再结晶后的晶粒特别粗大，称此变形度为临界变形度。大于临界变形度后随着变形度增加，再结晶后晶粒逐渐细化。生产中应尽可能避免在临界变形度范围内加工，以免形成粗大晶粒而降低机械性能。在本实验中将研究变形度为0％、1％、2％、3％、4％、6％、8％、10％的工业纯铝拉伸试样，对在580℃温度下再结晶退火半小时后的晶粒大小的影响。金属发生塑性变形还可通过孪生方式进行。孪生是一个发生在晶体内部，产生孪晶的均匀切变过程，孪晶本身是一个晶体中的变形区域，它与相邻未变形区域的晶体取向互成镜面对称关系。形变孪晶的产生与金属的点阵类型和层错能高低等因素有关，如密排六方金属(Zn，Mg等)，易以孪生方式变形而产生孪晶，层错能低的奥氏体不锈钢亦产生形变孪晶。工业纯铁为体心立方金属，它只有在0℃以下受冲击载荷时，才易产生孪晶。在本实验中，可用金相显微镜观察到，经过塑性变形的锌中所产生的变形孪晶，其形貌犹如扁豆又如透镜。有些金属的形变孪晶很狭窄、只能在透射电子显微镜下得到分辨。某些形变金属在再结晶退火后，在纤维组织中常常可以看到退火孪晶，在本实验中，将用金相显微镜观察α黄铜的退火孪晶，其边很直而且彼此平行，并显示其颜色与基体不同。三、实验设备和材料(一)实验设备1、箱式电炉，热电偶及控温仪表2、洛氏硬度计[载荷980N（100kgf），用HRB标尺］3、卡尺，打记号工具4、小型手动拉伸机5、金相显微镜(二)实验材料l、变形度为0％、30％、50％、70％的工业纯铁试样两套，其中一套试样用于测定硬度，另一套为已制备好的金相标准试样，用于观察组织。2、具有纤维组织的工业纯铁的幻灯片。3、尺寸为160×20×0.5mm的退火状态工业纯铝试片。4、黄铜的退火孪晶的金相标准试样和幻灯片。5、锌的形变孪晶的金相标准试样和幻灯片。6、奥氏体不锈钢的形变孪晶(透射电镜幻灯片)。四、实验内容与步骤将全班学生分组轮流完成以下实验内容：(一)测定工业纯铁的硬度(HRB)与变形度的关系已知工业纯铁试样在经受压缩时的变形度分别为0％、30％、50％、70％，设ε为变形度，h0为试样的原始厚度(mm)，h1为试样压缩变形后的厚度(mm)，则变形度可用下列公式求得：测量变形试样和原始试样的硬度，每个试样至少测三点，取其平均值，然后将试验结果列入“变形与硬度关系”的表内。根据表中数据，以变形度为横坐标，硬度为纵坐标，绘出硬度与变形度关系曲线。(二)研究变形度对工业纯铝片再结晶退火后晶粒大小的影响每组学生领取8片工业纯铝(退火状态，具有均匀的微细晶粒)试样。在该试样中段划出相距100mm的刻度，然后分别在小型手动拉伸机上拉伸到指定的变形度(0％、l％、2％、3％、4％、6％、8％、10％)。拉伸时，速度要慢，施力应均匀，拉伸变形结束时，需停2－3分钟后才将试样取下。铝片试样打上记号，对不同变形度试样加以区别。接着将这一套变形铝片试样置于580℃电炉中加热半小时，进行再结晶退火。在炉中加热时，要保证所有铝片试样受热均匀，切忌将它们迭放在一起或放在炉底板上，最好在特制的支架上，将它们尽量分开并搁起，从炉内取出冷却后，即用混和酸[HCL45％、HNO315％、HF(浓度为48％)15％、H2O25％］进行侵蚀，当表面出现清晰的晶粒时，可用水冲洗并吹干。然后数出每个铝片试样上单位面积(1cm2)内的晶粒数目(N)，而晶粒大小可由(1／N)求得，将试验结果(N和1／N)列入“变形度与晶粒数目、晶粒大小关系”的表内，然后根据表中数据，以变形度为横坐标，晶粒大小(1／N)为纵坐标，绘出在580℃半小时再结晶退火后，工业纯铝片晶粒大小与变形度关系曲线。(三)在金相显微镜下观察以下显微组织并放映幻灯片压缩变形度为0％、30％、50％、70％工业纯铁的金相标准试样中晶粒形状、滑移带数量及其取向随变形度而变化的情况(绘出纤维组织变化示意图)变形度≥70％的工业纯铁中的纤维组织(幻灯片)锌的形变孪晶(绘出示意图)α黄铜的退火孪晶(绘出示意图)奥氏体不锈钢的形变孪晶(透射电镜幻灯片)*腐蚀剂为4％硝酸酒精溶液五、实验报告要求根据“变形度与硬度关系”表，绘出硬度与变形度的关系曲线，并对此曲线加以说明。根据“变形度与晶粒数目、晶粒大小关系”表，绘出晶粒大小与变形度的关系曲线，并对此曲线加以说明。绘出工业纯铁显微组织随变形度而变化的示意图。绘出锌的形变孪晶和α黄铜的退火孪晶的示意图。六、显微组织照片图4-1纯铁0%变形度图4-2纯铁30%变形度图4-3纯铁50%变形度图4-4纯铁70%变形度*腐蚀剂为4％硝酸酒精

实验五奥氏体晶粒度大小的测定一、实验目的

1、学会用直接腐蚀法显示奥氏体晶粒

2、掌握用比较法评定奥氏晶粒大小

二、实验原理和方法

晶粒大小对金属材料的机械性能和工艺性能有很大的影响。因此，晶粒度是表示材料性能的一个重要特征。钢材加热时形成奥氏体晶粒，它的大小对钢材性能有很大影响。例如：粗大的奥氏体晶粒冷却后得到粗大的转变产物，其塑性、韧性比细小的奥氏体晶粒差。奥氏体晶粒过分粗大，钢件易于在淬火时变形、开裂。所以，生产中常需要测定奥氏体晶粒的大小。

奥氏体晶粒大小的测定包括两个步骤：奥氏体晶粒的显示和奥氏体晶粒尺寸的测定或评级。本实验用直接腐蚀法显示奥氏体晶粒，用比较法评定奥氏体晶粒的大小。

绝大多数的钢，高温下才存在奥氏体相。当冷却时，就会转变成其它相，因此，要设法将高温状态的奥氏体晶粒轮廓在室温下重新显示出来。氧化法就是把钢加热到奥氏体状态，保温一定时间，使试样表面受到氧化。由于晶界比晶粒内具有更大的化学活性，在氧化气氛中加热的钢材，它的奥氏体晶界较晶粒内部更易于氧化，也即晶界处氧化较深，经过这样的处理，冷却后细心磨制，磨去试样表面氧化层，而保留下晶界上的氧化物，再经过抛光、浸蚀，就能在显微镜明场照明下显示出氧化的晶界。

直接腐蚀法就是选用合适的腐蚀剂，对于某种钢材亦能借浸蚀显示原奥氏体晶界。

比较法评定晶粒大小简单方便，是生产上常用的方法。它是放在100倍的显微镜下观察奥氏体晶粒，与冶金部颁布的YB27—64标准晶粒级别图相比较以确定其大小。

在显微镜下观察时，若奥氏体晶粒大小不均匀，应估计出不同大小晶粒在视场中各占面积的百分比。若占优势的晶粒所占面积≥90%，就可只记录这种晶粒级别。否则应该用不同级别来分别表示钢的晶粒度，例如：8级（75%）；4级（25%）。不同放大倍数下晶粒度的比较参照表5—1。

表5—1不同放大倍数下晶粒度的比较放大倍数晶粒度级别100×12345678400×56789101112三、实验设备和材料

65Mn试样、40Cr试样、电炉、砂纸、抛光盘、抛光剂、腐蚀剂、金相显微镜

四、实验内容和步骤

1、每人领取、40Cr试样一块。

2、将40Cr试样放入930℃±10℃的电炉内加热，保温30分钟后取出试样，淬入水中。

3、将淬火后的40Cr试样磨制成金相试样，抛光后用饱和苦味酸水溶液和海鸥洗涤剂混合煮沸后冷却至一定的温度进行腐蚀。

4、将腐蚀后的试样在金相显微镜下放大100倍观察，并与标准的奥氏体晶粒度级别图比较。

五、操作要点

结果的正确性与操作有很大的关系，因此操作过程要注意以下几点：

1、试样出炉后要快冷，避免铁素体呈块状析出，而与奥氏体晶界混淆。试样出炉后用水冷却得到马氏体组织。

2、掌握合适的磨量。试样热处理后磨量是能否显示奥氏体晶粒的关键，磨去量太少，只能看见氧化膜；磨去量太多；会将氧化晶界全部膜掉。可以有意把试样表面膜成一个倾斜面，一部分表面呈光亮，一部分呈暗黑，这样在过渡区即可找到合适磨量的部位，经抛光、浸蚀后，在显微镜下观察此部位。

六、思考讨论题

1、为何要将试样表面磨成一个倾斜面？分析用氧化法显示奥氏体晶粒度的准确性，根据已有的知识，再举出一种显示奥氏体晶粒度的方法。晶粒度大小评级示意图图5-1晶粒度大小评级示意图

实验六钢的临界点测定实验目的学会用硬度法和金相法测定钢的临界点掌握用理论公式大致估计钢的临界点实验原理和方法钢的临界点是研究相变及确定热处理工艺的重要参数。测定临界点的方法很多，如已学习过的热分析法就是一种。此外，尚有硬度法、金相法、磁性法、膨胀法及X射线法等。不同条件可选用不同方法。本实验采用硬度法辅以金相法。组织状态不同的钢，它的硬度也不同，马氏体的硬度显著的高于铁素体、珠光体等组织的硬度。因此，钢在退火状态的硬度是很低的。如果加热温度低于临界点，加热过程中组织不发生变化，因此加热淬火后的硬度也不会发生变化。加热温度超过临界点，发生珠光体向奥氏体的转变，淬火后奥氏体转变为马氏体，硬度也因而显著提高。根据钢的硬度变化规律，即可求出钢的临界点。图6-1亚共析钢不同温度加热、淬火后的硬度变化硬度法测定临界点要受到一定的限制。当在软基体组织中出现少量马氏体时（2—3%），硬度会提高3—4HRC，此时硬度法测定AC3点是很敏感的。但是当基体组织大部分已转变为硬的马氏体后，即使残留10%的软的铁素体，对整个硬度值影响仍然是很小的，亦即硬度法测定AC3很不敏感，需要用金相法进行补充、对照。亚共析钢当加热温度达到AC1点时，珠光体转变为奥氏体，淬火后，这部分奥氏体转变为马氏体。如转变完全，这部分转变量与原始组织中的珠光体量相等。显微镜下观察到“F+M”组织。加热温度提高到AC1与AC3之间时，铁素体不断溶入奥氏体中，温度愈高，溶入量愈大，看到的白色的先共析铁素体量逐渐减少。当加热温度提高到先共析铁素体量降至1%以下的温度，则可认为加热温度已接近AC3点了，显微镜下观察到的几乎全部是M组织。加热温度超过AC3点，只是在显微镜下观察到的马氏体针更为粗大，并无其它组织变化。实验设备和材料40Cr试样、加热炉、硬度计、金相显微镜实验内容和步骤八人为一大组，四人为一小组。一组测AC1，另一组测AC3。每人领取40Cr试样一块，实验前检查试样的组织状态和硬度。根据钢材成分按经验公式计算AC1和AC3值，决定试验加热温度，每人做一个温度。试样放入加热炉，准确控制炉温。保温10分钟后，试样迅速淬入盐水。打磨淬火的样品，用砂轮或粗砂纸把表面氧化层、脱碳层去除，测定其硬度值。把试样制成金相试样，在显微镜下观察其组织。操作要点根据理论计算公式大致估计钢的临界点，从而确定奥氏体化加热温度，适用于一般低合金钢与碳钢的估计公式为：AC1=723+25Si-7Mn+15Cr+40Mo+15Ni+30W+50V(℃)AC3=854-180C+44Si-14Mn-1.7Cr-17.8Ni(℃)40Cr钢的化学成分合金元素ＣSiMnCr含量（重量%）０.37—0.450.20—0.400.50—0.800.80—1.10在计算值AC1和AC3点附近选定温度，间隙10℃左右，当然间隙愈小愈精确。２、金相观察时，会看到珠光体、马氏体和先共析铁素体共存的情况。这往往是由于在AC1温度下加热时间不足，奥氏体化不完全，部分珠光体来不及转变，因此还会保留了珠光体，也可能因淬火冷却速度不够，某些部位就形成了珠光体。六、思考讨论题试分析影响本实验准确性的因素有哪些？根据全组实验结果，绘出40Ｃr钢的硬度—加热温度曲线，并求出临界点AC1和AC3。显微组织照片图6-240Cr720℃水淬图6-340Cr750℃水淬图6-440Cr770℃水淬图6-540Cr790℃水淬图6-640Cr810℃水淬*腐蚀剂均为4%硝酸酒精

实验七钢的淬透性的测定实验目的掌握用端淬法测量钢的淬透性了解合金元素对钢淬透性的影响实验原理所谓淬透性，是指钢淬火能够得到的淬硬层深度，通常规定自钢的表面至半马氏体组织(即含50%M+50%T)的距离为淬透层深度。图7-1半马氏体硬度与含碳量的关系半马氏体的硬度取决于含碳量。合金元素对半马氏体硬度的影响不大，钢中含碳量愈高，半马氏体的硬度愈高。钢淬透性的大小取决于淬火临界冷却速度V临。V临愈小，淬透性愈大。凡是使C曲线右移的合金元素均能增加钢的淬透性。如：Cr、Mo、Mn、W、Ti等，Co则相反，它使C曲线左移，因而降低钢的淬透性。淬透性是决定钢的性质和用途的一个重要因素，同时，也是零件设计选用钢材时要考虑的重要指标之一。测定钢淬透性方法有两种：圆柱体截面硬度法与顶端淬火法。圆柱体截面硬度法图7-2圆柱体试样与硬度分布取一根足够长，且直径较大的钢棒进行淬火，然后自其中截取一切片，沿切片二相互垂直的直径上测量硬度，作出硬度—直径图。图中，D为试样直径，由图看出，试样表面硬度最大，自表面向中心处硬度降低。如果P-P为半马氏体硬度，h为淬透层硬度，则DH为未淬透的直径，淬透性大小可用h值或DH/D来表示。DH/D愈小，淬透性愈大。为了不受介质冷却速度的影响，引入“理想临界直径”，用D∞表示。它表示在以散热速度为无限大的理想介质中淬火时全部淬透的最大直径。如果D∞已知，则在其它如水、油、空气中淬火的D临可由布兰切尔图查出。测定理想临界直径最简单的方法是顶端淬火法。结构钢的顶端淬火法本法采用标准试样，试验前先将试样正火。试验时，将试样放入炉内加热，按该钢标准奥氏体化温度加热（加热时注意切勿使试样氧化和脱碳），保温30—40分钟，然后迅速取出放在专用的淬火设备上。试验时，水柱高度，试样的放置位置如图所示。图7-3末端淬透性试验用图7-4末端淬火法示意图标准试样尺寸由于试样由下而上冷却，所以下端冷速最大，随着与下端距离增加，冷速缓慢，因而组织和硬度都相应变化。若将冷却后的试样，沿长度方向测量表面硬度，则可绘出如图7—5所示的端淬曲线，根据端淬曲线，由半马氏体硬度与含碳量的关系图找出半马氏体硬度，就可找出该钢50%M点至顶端的距离X，已知X便可从布兰切尔图上找出D∞，同时按箭头方向，便可找到该钢在不同冷却介质冷却时的D临。图7-5端淬曲线图7-6布兰切尔淬透性图（简化）实验材料和设备材料：45钢、40Cr钢加热炉：箱式加热炉顶端淬火设备硬度计、钢皮尺实验方法及步骤全班分成八大组，每大组分二小组，每小组领取一个端淬试样（其中一个小组领取45钢，另一个小组领取40Cr钢）。将试样放在装有木炭的盒中于加热炉内加热（45钢为840℃，40Cr为860℃），保温30分钟，调整端淬设备的喷嘴水柱，使其为65±5毫米，同时使试样端部离喷嘴口距离12.5毫米。试样保温时间已到，用钳子夹牢试样的顶肩（Φ30毫米处）迅速放到试样支架上进行末端淬火，要求试样自炉内取出至水淬开始时间不得超过5秒钟，冷却时间不得小于10分钟，水淬时试样轴线应始终对准水口中心线，水压应固定。试样末端水淬大于10分钟后，应将试样整体投于水中冷透，以免试样余热散出，使试样发生自回火现象。淬火后，将试样在砂轮机上沿长度方向磨出0.2—0.5毫米深的相互平行的两平面，然后从端部开始，每隔1.5毫米测量一次硬度，直至硬度不降低为止。将记录之硬度与相应距离绘成图。实验报告内容简述顶端淬火法原理和方法。绘制硬度—距离曲线（即淬透性曲线）。比较两组钢的淬透性曲线。求出该钢的D临值。写出心得体会。

实验八碳钢热处理及热处理炉炉温校验实验目的掌握热电偶、补偿导线与二次仪表的正确使用方法掌握炉温的综合误差计算和成套校验的方法观察碳钢热处理后的显微组织认识钢的热处理工艺对组织和性能（硬度）的影响了解淬火、回火工艺的的制定和基本操作技能实验原理热处理炉炉温的成套校验热处理炉的测温系统一般由感温元件（如热电偶、热电阻等）与二次仪表（如动圈仪表、电子电位差计等）组成。这些一次仪表和二次仪表出厂时都有一定的精度等级，即都规定了允许误差的范围，并且一次仪表和与之相配的二次仪表在使用中具有互换性。例如，将热电偶与以该热电偶分度号刻度的二次仪表可以互相配套使用，这样配套使用的测温系统在某一点测温时具有的总误差ΔZ（绝对误差）用下列公式计算：其中：ΔZ——系统总误差ΔR——热电偶的基本误差ΔB——补偿导线的基本误差ΔE——二次仪表的基本误差因此，单独检定合格然后成套使用时，系统积累的误差可能是较大的，为此工程上多采用成套检定法，就是用标准系统去校验被校系统。校验时，先从标准系统上读出某校验点的实际值（标准值），然后对照被校系统的指示值，两者的差值即为被校系统在该点上的误差。从而使被校系统获得一个统一的误差。这样系统中一些环节的误差有可能相互消除，而使整个系统的测量误差减小，提高系统的测量准确度。本实验中使用的感温元件是热电偶。一般常用的热电偶有铜―康铜热电偶(T型)，镍铬―康铜热电偶(E型)，镍铬―镍铝热电偶(K型)，铂铑―铂热电偶(S型)，双铂铑热电偶(B型)，钨铼热电偶(W-Re)等。本实验使用K型热电偶，此种热电偶线性好，抗氧化能力强，热电势稳定性好，是一种最通用的热电偶。碳钢的热处理热处理是改变金属（及其合金）性能的重要途径，不同的热处理工艺将使金属（及其合金）得到不同的内部组织结构，从而具有不同的性能。热处理工艺过程系将零件加热到一定温度，并保温一定时间，然后进行不同速度的冷却。热处理工艺一般可分为退火、正火、淬火和回火等。关于碳钢的退火组织，即平衡组织，已作过介绍，本实验则籍不同热处理方式来研究45钢的热处理后组织和性能（硬度）之间的关系。为此，同学们应复习一下有关C曲线章节，为使同学们熟悉热处理工艺的制定，在此对碳钢的淬火和回火作概略的说明：淬火碳钢的淬火加热温度如下：亚共析钢：Ac3+(30—50℃)℃共析钢、过共析钢：Ac1+(30—60℃)淬火的加热时间是指把钢件加热到指定淬火温度所需时间及在淬火温度下保温时间之和，淬火加热时间的长短随炉子的型式、加热介质、零件的形状和尺寸等而不同，现将在箱式电阻炉中的加热时间列于表中。碳钢淬火的冷却速度，取决于所要求的组织和性能，一般可从该钢种的C曲线上看出来，对于碳钢，常用的淬火剂为水和机油（矿物油）。由于碳钢的淬透性差，所以只有截面尺寸小于3—5毫米时可用油淬火，碳钢淬火后的组织为马氏体+残余奥氏体。碳钢在箱式电阻炉中的加热时间（分）工件加热温度圆工件（分钟/毫米直径）方形工件（分钟/毫米直径）600℃23700℃1.52.2800℃1.01.5900℃0.81.21000℃0.40.6回火回火是淬火的后继热处理，一般是零件的最后热处理。经回火，发生碳原子的偏聚，碳化物的沉淀析出，残余奥氏体的分解，马氏体基体的回复与再结晶等过程。回火后性能变化总的趋势是硬度、强度降低，塑性、韧性提高。回火温度不同，得到的组织和性能也不同，回火温度根据性能要求及用途而定，一般分为：低温回火：150—220℃，组织为回火马氏体+残余奥氏体中温回火：350—550℃，组织为回火屈氏体高温回火：500—650℃，组织为回火索氏体回火温度愈低，需要加热时间愈长，一般回火时间为1—3小时（由于实验用试样较小，故回火时间定为30分钟），回火后的冷却大都在空气中冷却。实验设备和材料标准系统(热电偶与直流电位差计)一套被校系统(热电偶、补偿导线、动圈仪表或电子电位差计)一套箱式炉一台水银温度计一根直径为20毫米的45钢试样、硬度计、金相显微镜实验方法及步骤将被校系统和标准系统的热电偶放在炉内的同一点上。使箱式炉温度升到第一个温度校验点上(如200℃)，然后恒温保持。用标准系统的直流电位差计测量这点的热电势，并换算成温度值，记下数据（在一个温度上重复三次）。观察被校系统的二次仪表的指示值，记下这点的温度值。重复步骤2，将炉温升至第二、三校验点，进行校验。待炉温校验完毕之后，全班分成4组，每组按下表作一套试样。编号热处理工艺1正火：加热830℃，空冷2淬火：加热830℃，水冷3淬火：加热830℃，油冷4淬火：加热780℃，水冷5淬火：加热1000℃，水冷6淬火+低温回火：830℃水冷+200℃回火30分钟7淬火+中温回火：830℃水冷+400℃回火30分钟8淬火+高温回火：830℃水冷+600℃回火30分钟各组中做相同条件试样的同学集中一起将试样入炉加热，以试样表面到温度时开始计算保温时间（按1分/毫米计算），待试验充分保温后取出迅速放入预定的冷却剂中冷却，回火时亦将同样温度回火的试样集中入炉。磨去氧化皮并将试样两端面磨平后测量硬度。硬度测好后，进行金相样品制备，显微组织观察和描绘。实验报告要求列出实验数据，进行计算分析，根据实验结果讨论。温度℃综合误差ΔZ（℃）校验结果误差（℃）平均值将本组实验结果整理后列表，分析组织与性能的关系。显微组织照片图8-1图8-2图8-3图8-4图8-5图8-6图8-7图8-8*腐蚀剂均为4%硝酸酒精

实验九钢的渗碳层的测定实验目的了解渗碳工艺了解钢渗碳时渗碳层深度与渗碳温度和渗碳时间的关系掌握用金相法测定渗碳层的厚度实验原理及方法增加钢件表面含碳量的化学热处理称为渗碳，渗碳的目的是使钢件获得硬的耐磨的表面，同时又保持韧的中心。进行渗碳的钢材其含碳量一般都小于0.3%，钢的渗碳温度一般取900—930℃，即使钢处于固溶大量碳的奥氏体状态，而又不使奥氏体晶粒显著长大。近年来，为了提高渗碳速度，也有使渗碳温度提高到1000℃左右，渗碳层的深度根据钢件的性能要求决定，一般常用的为1毫米左右。钢渗碳缓冷后的显微组织符合铁—碳平衡相图，表面到中心依次是珠光体和过剩渗碳体，珠光体，珠光体和铁素体，一直到钢材的原始组织。渗碳的过程是碳原子在γ铁中的扩散过程，根据扩散的费克第二定律，如炉内的碳势一定，则渗碳层深度与渗碳时间和渗碳温度有如下关系：其中，测量渗碳层深度可用显微硬度法和金相法。本实验采用金相法，在显微镜下通过测微目镜测量，渗碳层的深度是从表面量到刚出现钢材的原始组织为止。另外还可用显微硬度法测量渗碳层厚度，试样抛光后不要腐蚀，直接打显微硬度，最表面一点压痕离试样表面0.05mm为宜，这一点也可作为表面硬度值，然后向里每移动0.10mm测一压痕，一直测到心部或低于450HV处为止。然后将各点所测硬度值绘制成硬度分布曲线，并求有效硬化层深度，有效硬化层深度是由表面垂直测至550HV处，用DC表示。渗碳一般在气体或固体的渗碳介质中进行，煤油是常用的气体渗碳介质，气体渗碳的一个主要优点是碳势可以控制，控制碳势的方法现有用露点仪，红外CO2分析仪和氧探头等几种。实验设备和材料井式渗碳炉、20钢（直径为10—15毫米）、金相显微镜（带测微目镜）实验内容和步骤全班分三组，每个大组再分成两小组，一个小组做渗碳温度为880℃，另一个小组做渗碳温度为930℃，渗碳时间分别为0.5、1、2、4、8小时。先用砂纸将试样表面的红色铁锈磨去，然后用铁丝将五个试样扎成一串，上部铁丝约长500毫米，试样之间的铁丝约长20毫米，待炉温到达后，将这串试样从井式渗碳炉的试样孔中放入，并将小孔盖好，待渗碳时间到达后，从试样孔中按时间分别从上到下用铁丝钳钳下，冷却后用钢印作好不同渗碳温度和时间的记号。按照金相试样的方法来制备试样，为了防止边缘倒角须用试样夹，并注意开始用砂轮磨时须将这个面的渗碳层磨掉。在金相显微镜下观察试样的显微组织，并用测微尺测定其渗碳层深度。实验报告要求简述实验目的、内容和步骤列表记录两种渗碳温度下的渗碳时间与相应的渗碳层深度，并与理论值进行比较。画出两种渗碳温度下的渗碳层深度与渗碳时间的曲线，并分析实验结果。比较用显微硬度法和金相法测得的渗碳层深度。显微组织照片图9-1渗碳层的测定

实验十金属材料学综合实验实验目的通过金属材料学课程的学习，要求在掌握基本理论的基础上，自己设计实验，用实验结果来验证理论的正确性，进一步加深对材料成分，组织结构以及性能之间关系的理解。实验内容合金元素对组织的影响通过对合金元素Cr与C曲线淬透性的试验来考察合金元素对平衡组织的影响。实验材料：45#，40Cr，4Cr13常用合金元素对热作模具钢的二次硬化影响通过实验分析Cr、W、V等合金元素对钢相变规律及在四大过程中的行为。实验材料：3Cr2W8V合金元素对回火脆性的影响通过对含有Cr、Mn、Si的钢进行热处理，并对其冲击韧性进行考察，加深对第二类回火脆性的认识。实验材料：30CrMnSi和标准的冲击试样铝合金的时效复习铝合金的固溶时效强化原理，通过对该实验的实施，加深对其时效硬化现象的理解。实验材料：锻铝材料LD2实验设备器材加热炉、硬度计、冲击实验机、金相显微镜、砂纸、抛光机、腐蚀剂、相纸、底片、钢印。实验要求全班分四大组进行。每人预先按照实验要求，写好实验方案，制定出合理的热处理工艺，由指导教师检查认可后方能进实验室进行实施。执行所指定工艺后，认真记录实验数据（硬度值、断口形貌、金相组织），并要求拍摄相应的组织的金相照片。写一份有分析的实验报告。

实验十一利用磁性测定钢中的残余奥氏体实验目的掌握用冲击磁性仪测定钢的饱和强度的方法学会根据钢的饱和强度值计算钢中残余奥氏体量的方法研究热处理工艺对钢中残余奥氏体量的影响实验原理钢从奥氏体状态淬火到室温后，都会有一些残余奥氏体存在，残余奥氏体量的多少，决定于钢材本身的化学成分，淬火的加热温度及保温时间，冷却方式等，残余奥氏体量的多少与钢材的各种性能有很大的关系。例如：残余奥氏体量增多，会降低强度、硬度、耐磨性等。因此在要求获得高硬度的情况下，常要采取一些措施，尽量减少残余奥氏体量。又如一些精密零件，要求尺寸稳定，残余奥氏体的量就需严格控制。测定残余奥氏体量的方法也有很多种，如金相法，X射线分析法，膨胀法及磁性分析法等。这些方法各有优缺点，由于磁性分析法测量简单，使用方便，精度也较高，因而目前使用较多。磁性分析法的原理是鉴于奥氏体为顺磁性，而由奥氏体转变所得的产物，如珠光体，铁素体，贝氏体，马氏体等，在常温下均为铁磁相，当钢材中这些相混合共存时，其磁饱和强度的大小与铁磁相所占的数量多少成正比。设B0为标准试样的磁饱和强度，所谓标准试样是指试样中含100%的铁磁相。BX为待测试样的磁饱和强度。于是试样中残余奥氏体的数量，可用下列公式计算出来：测量的正确程度显然与所选择的标样有关，这是因为在理想的情况下，标样中应全部都是铁磁相，但这一点往往不容易做到，如常用的标样采取与试样相同的钢材，经退火或淬火加多次回火制成，这种标样内或多或少会含有少量的非铁磁相。而且，铁磁相的磁饱和强度与其化学成分有关，如α—Fe中溶入C、W、Cr、V等元素后，均使其磁饱和强度降低，故标样中的铁磁相应与试样中的铁磁相具有相同的化学成分，但这一点通常是比较难做到的。为了提高测量的精确度，常采用下述二种方法。（1）在测出试样的磁饱和强度的同时，测出其中的碳化物量和α固溶体的化学成分，然后根据合金元素与磁饱和强度的关系曲线，计算α相的磁饱和强度。通过上述公式求出试样中的顺磁相的数量，便可得出残余奥氏体量。（2）取与待测试样相同的材料，采用一定的热处理工艺制备一个特殊的接近理想情况的标准试样。不过此方法仅适用一般的碳钢或低合金钢，且淬火温度不能太高。总之，精确地测定残余奥氏体量是一项很复杂的工作，也需要通过不断在实践中摸索，得出一个既合理又简便，并为大家所乐于采用的方法。测量方法本实验采用电磁铁产生大磁场，将试样（Ф3mm×30mm）放入磁极间，根据冲击法原理进行测量。测量线路如图所示。测量线圈中放入一个试样，当磁铁中电流由-i→+i时，测量线圈中磁通量将为ΔΦ=S·ΔB，式中ΔB是试样内磁感应强度的变化，S是试样的截面积。图11-1冲击法测量磁性原理图当测量线圈中有磁通量变化时，则在线圈中产生感应电动势为e=n2·dΦ/dt,n2为线圈的匝数，dΦ/dt是磁通量对时间的变化率。因而在测量线圈中产生的感应（瞬时）电流：R是测量线路中的总电阻。∴将此式对时间积分，∴电量Q通过检流计，引起偏转α，即Q=C·α，C为冲击检流计的冲击常数，代入当测量线路固定后，是一个固定值，因此可简化为B=C，故测出α，可算出B。同样道理，如果需要测出电磁铁的磁场强度时，只要测量线路中不放任何试样，用同一个线路得：H=CH，根据铁磁材料磁化理论已知：B=H+4лI，I=(B-H)/4л如果两个试样中，一个是含有100%铁磁相的标样，测得B1=C1第二个试样B2=C2，则第二个试样中的非铁磁性相（相对于第一个试样）的含量为所以只要测出α1，α2，H都可根据上式计算出A%，但在实际测量时要保证：两试样体积（截面积和长度）相等，测量线路不允许改变，使用同一个n2，磁场强度固定（磁化电流固定），并为减少去磁因子影响使H≥2.8×104Am--1。实验设备及材料强磁场电磁铁及直流稳压源一套装置。检流计及电阻R1R2组成一套测量回路。一套经过不同温度淬火的T10钢试样和一套经淬火和不同次数回火的高速钢试样。实验步骤熟悉基本原理和测量方法，检查线路接线是否正确。领取标样和待测试样。接通电磁铁电流，调节整流器上手柄，使电流达到10A，以获得此电磁铁中的H≥2.8×104Am--1。打开K2，将标样放入线圈内，接通检流计电流，打开K1，调整检流计光点指零。K2从0→顺，待检流计光点回到零点，再将K2从顺→倒，观察检流计光点最大偏角，若超出或不到标尺60格格数时，可调节R1及R2使光点偏转最大格值（本实验为60格）。光点回到零点后，再将K2从倒→顺，观察检流计光点最大偏角，便左右偏角相等。闭合K1，记下α1左右偏角，此时是标准偏角。将K2→0，从n2中取出标样，在空载的情况下，打开K1，K2→顺，待检流计光点指零，K2顺→倒，观察偏角。待检流计光点指零，K2倒→顺再观察，记录下空载时αH的左右偏角。闭合K1，K2→0，在n2中装入待测试样。打开K1，K20→顺，待检流计光点指零，K2顺→倒，观察偏角。待检流计光点指零，K2倒→顺再观察偏角。记录下待测试样α2的左右偏角。按同样的方法，装入新试样，可测得一系列的α3，α4，……实验做到最后需要将所有的试样进行退磁。其方法是将试样放在n2线圈中后，闭合K1，使K2从顺→倒反复5—6次，同时调节整流器上的手柄，使电流缓慢地、连续地从10A降到0A。测量完毕按公式计算试样中的残余奥氏体量。10、将实验数据交指导老师审阅，收拾好实验仪器，经教师验收后方可离去。实验报告简述实验目的和基本原理。整理实验数据及绘制曲线（A%—回火次数，A%—C%）。对实验结果进行理论分析，提出改进意见。思考讨论题影响本实验测量精确度的因素有那些？如果磁场强度H小于2.8×104Am--1时，会给测量结果带来什么影响？

实验十二金属及合金的电阻测量实验目的熟悉双电桥及电位差计测量金属电阻的方法。用电阻法研究成分或热处理对钢的电阻率ρ的影响。基本原理凡金属均能导电，其电阻R的大小与导体的长度成正比，与导体截面积S成反比，即。公式中的ρ称为电阻率，它是一个与导体的几何形状无关的数值，因此，金属的导电性能常以ρ来估量。上式可改写成。工程上常用的ρ单位为欧姆·毫米2/米=10-4欧姆·厘米。金属的电阻率与金属的成分、组织及其所处的温度有关。凡阻碍自由电子运动的因素，均使金属的电阻率增高，如金属及合金经淬火或固溶化处理时，由于第二相溶入，而使ρ增高，反之，回火或时效处理时，第二相析出，将使ρ降低。此外，如状态图上的固溶体溶解曲线，一般是比较难于测定的。金相法、热分析法及其他一些物理性能方法也都不容易测准，而电阻分析法却是很有效的。因为纯金属的电阻率最小，由于其它元素的溶入，形成固溶体时，ρ将激增，溶入的量愈多，ρ的增加也愈多，ρ与溶质的量成曲线关系。但如果某一合金的组织是二相机械混合物时，则随某一相的数量的改变，ρ将沿直线变化。由此可见，电阻分析方法也常被用来研究合金的相变。测量电阻的方法虽很多，但对金属及合金这类小电阻（<1Ω），则常用双电桥或电位差计来进行测量，现就本实验中所使用的电位差计及双电桥作简要的介绍。图12—1电位差计原理图电位差计的工作原理电位差计的原理图如图12—1所示。当开关S接通a点，从图12—1中可知，在接通的回路内，标准电池所产生的电流是逆时针方向流动，工作电流是顺时针方向流动。调节R1，改变工作电流I，使检流计G指零。此时E=IRN，将开关S接通b，调节R到RX，使G指零，则EX=IRX。因I为一定值，故EX可直接用RX之大小标出，所以一般电位差计中，都是直接测出EX之值。于是，，，如果换算成被测试样之电阻率，。此种方法的特点是不需要测量线路里流经各电阻的电流值，只要测得RX/RN之比即可，而在仪器平衡后，不从标准电池或被测电源取出电流，所以在标准电池、被测电源及导线上都无电压降落，因而被测电势值不会受干扰。QJ36型双臂电桥测定电阻的工作原理图12—2双臂电桥线路图QJ36双臂电桥使用时的线路如图12—2所示。通过R1、R2的选择，调节R外、R内后，使电桥平衡，流过检流计的电流为零，被测电阻RX即可通过下式求得：，（R1=R2）实验设备及材料UJ31低电势直流电位差计一台。QJ36型单双臂两用电桥一台。AC15/2直流复射式检流计两台。待测试样一套。（08、20、45、T8、T12试样5根，经850—870℃加热后，淬入5%NaCl水溶液中处理）操作步骤电位差计测定步骤测量用线路如图12—3所示。图12—3UJ13电位差计接线图用卡尺量出所测试样的平均截面积（取三点平均值），计算各截面积S及测量端试样的长度l。检查电位差计及测量线路上的各部位的接线。调节转盘T，使其F点与T转盘刷子之间的电阻适合。ET=E0-0.0000406（t-20）-0.00095（t-20）2E0=1.01864绝对伏（20℃）将倍率盘指在0.1倍上。调整工作电流。方法：将电位差计上切换开关转向标准，依次按下叩键2、1、0，调节转盘粗、中、细，使检流计光点指零，松开叩键。将双刀双掷开关接通RN，切换开关转向测量，依次按下叩键2、1、0，调节读数盘B、C，使检流计光点指零，记下电势数EN。将双刀双掷开关接通RX，依次按下叩键2、1、0，调节读数盘 B、C，使检流计光点再次指零，记下电势EX。当装上新的试样后，仍照5、6、7的步骤方法做。公式RX=RNEX/EN，计算RX，再根据ρ=RXS/l，算出电阻率。（本实验RN取0.001Ω）双臂电桥测定步骤图12—4QJ36单双臂两用电桥接线图（1）算待测电阻的大致数值，选择RN。（本实验取0.001Ω）（2）按图12—4将RN及RX接入线路中。（3）把可变电阻Rρ放在最大位置，当开关S合上后，再调节Rp，使电流小于RN及RX所允许通过的值。现取0.8A，因电流过大会使电阻发热，影响阻值。（4）根据说明书所里列表，选择R１=R２=1000。（5）接通检流计电源，按下电桥按钮“短”，调节检流计上分流器→x1。松开电桥按钮“短”，若检流计光点不在零点，此时可调节检流计的零点调节器使光点指零。再次按下按钮“粗”、“细”，调节电阻R２，使检流计指针指零，记下Ｒ数值。根据公式计算。实验报告要求简述实验目的及简单原理。整理实验数据，根据数据绘制ρ—成分或ρ—热处理工艺的关系曲线。分析实验结果，并指出改进意见。报告中应附实验原始记录数据。思考讨论题电位差计法与双电桥法各有什么优缺点？为什么选择RＮ要接近RＸ值才可以明显地减少测量误差？

实验十三用示差热分析法测定钢在加热和冷却过程中的相变温度实验目的1、了解示差热分析装置的结构和原理2、利用示差热分析方法，测定钢在加热和冷却时的相变温度基本原理热分析法是基于用示差热电偶测定待测试样和标准试样之间的温度而命名的。示差热电偶是由两对热电偶互相串联，极性反接而成的。在仪表上所指示的读数是示差热电偶两热端温度的热电势，当热端T1=T2时，由于两对热电偶材料相同，极性反接，故所产生的热电势相等，方向相反，互相抵消，在示差热电偶的回路中，热电势差等于零，毫伏计（数字电压表）指示为零。当T1≠T2时，则由于温度差（ΔT=T1—T2）而产生热电势，毫伏计的读数即为热电势的差值（ΔT），所以示差热分析法是测量加热或冷却过程中试样和标样之间的温度差与时间的关系曲线。图13-1示差热电偶在未发生组织转变时，试样与标样的温度相同，ΔT=0，当试样中发生组织转变时，转变的热效应使试样与标样之间产生温度差，所以示差热分析要测的热电势比普通热电分析的热电势值小很多，可提高测量精度。示差热分析装置及测量方法图13-2示差热分析装置示差热分析的装置如图所示，示差热电偶两端分别插入试样与标准试样中（试样和标准试样的几何尺寸相同，两者的热传导性能相近），标准试样要求在整个的加热和冷却温度区间内，不存在相变，标样和试样同时放入加热炉内，以一定的速度进行加热和冷却，当试样加热到某温度（某温度区间）发生相变时，假定此相变伴随吸热反应，那么试样的温度就不图13-3a：示差热电偶所指示的差热曲线b：标准在加热和冷却时的温度曲线再上升。于是示差热电偶两端的温度出现差值，产生热电势，回路中的毫伏计（数字电压表）开始有指示值。记录加热和冷却过程中的时间、温度及数字电压表的毫伏值，经整理得曲线。在基准线上方为吸热效应所产生的峰值，下方为散热效应的峰值。峰值所对应的温度可由温度—时间曲线上查得，一般取峰的前坡最大斜率点的切线与基线延长线的交点作为起始转变温度。实验设备与材料1、自制小型加热炉一台2、可调变压器一台3、PZ38型直流数字电压表一台4、600℃—1100℃毫伏表一台5、T8待测试样一支，标样（奥氏体不锈钢）二支操作步骤1、测定试样和标样尺寸（直径长度）。2、将示差热电偶的两热端分别插入试样和标样的测温孔中，并将测温热电偶插入另一标样中，为使试样加热均匀，套上镍管，并罩上炉子。3、将热电偶的冷端与相应的仪表相接。4、接通加热炉的电源，以稍快速度加热到600℃，以后调整加热速度，使加热速度为2—3℃/分。5、从700℃起，每隔1分钟记录试样的温度和电势值，710℃后改为30秒读一次数，直至800℃。6、调节加热炉电源，开始缓慢冷却，每隔1分钟记录温度和电势值，700℃后改为30秒记录一次数据，转变完后每隔1分钟测量一次试样的温度和电势值，直到试样温度降到660℃为止。7、将实验数据交实验指导教师审阅，收拾好实验所用的设备仪器，经指导教师验收后，方可离开实验室。实验报告要求1、简述实验目的及简单原理。2、整理实验数据，并做出ΔT—τ，T—τ曲线（如图13—3）。3、对实验结果进行分析（实验报告中，应用原始数据），提出改进意见。思考讨论题1、试分析那些因素影响实验曲线的真实性和相变温度的准确性。

实验十四X射线衍射仪与物相定性分析实验目的概括了解X射线衍射仪的结构与使用练习用PDF（ASTM）卡片及索引对多相物质进行物相分析X射线衍射仪简介传统的衍射仪由X射线发生器、测角仪、记录仪等几部分组成。自动化衍射仪是近几年才面世的新产品，它采用微计算机进行程序的自动控制。图14—1为日本理光光学电机公司生产的D/max—B型自动化衍射仪工作原理方框图。入射X射线经狭缝照射到多晶试样上，衍射仪的单色化可借助于滤波片或单色器。衍射仪被探测器所接收，电脉冲经放大后进入脉冲高度分析器，操作者在必要时可利用该设备自动画出脉冲高度分布曲线，以便正确选择基线电压与上限电压。信号脉冲可送到计数率仪，并在记