工程材料综合实验

/工程材料综合实验机自１１-1班机自１１-1班实验者:李坤(１1０4１107）刘康康(1104１112）龙秀森（1１04１11４）一、实验目的：1、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；ﻭ3、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及其变化；

6、了解常用硬度计的原理，初步掌握硬度计的使用.７。铁碳合金的显微组织是研究钢铁材料性能的基础。铁碳合金平衡状态的组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下（如退火状态)所得到的组织，其相变过程均按Fｅ—Fe3C相图进行，所以我们可以根据该相图来分析铁碳合金的平衡组织.ﻭ二、实验设备及材料:

1、金相显微镜、预磨机、抛光机、热处理炉、硬度计、砂轮机等；

2、金相图册、金相砂纸、水砂纸、抛光布、研磨膏等；ﻭ３、各种铁碳合金的显微样品(表４—3）、三个形状尺寸基本相同的碳钢试样(低碳钢20#、中碳钢4５＃、高碳钢T10)表4—3编号材料处理过程浸蚀剂放大倍数1工业纯铁ﻭ退火状态3~4%硝酸酒精溶液100～400

22０钢退火状态

3～４％硝酸酒精溶液1０0～4０0

3４5钢退火状态ﻭ３～４％硝酸酒精溶液100～４00

４60钢退火状态ﻭ3～4％硝酸酒精溶液100～4０0ﻭ５T8钢退火状态

3~４%硝酸酒精溶液100～400ﻭ6T１2钢退火状态ﻭ3～4％硝酸酒精溶液10０～400

７亚共晶白口铁

退火状态

3～４％硝酸酒精溶液100～4０0

8共晶白口铁ﻭ退火状态

３~４%硝酸酒精溶液100~４00

9过共晶白口铁

退火状态

3～4％硝酸酒精溶液10０～400

ﻭ

三、实验内容：三个形状尺寸基本相同的试样分别是低碳钢、中碳钢和高碳钢，ﻭ均为退火状态，不慎混在一起，请用硬度法和金相法区分开。１、铁碳合金平衡组织观察ﻭ２、设计实验方案：三种碳钢的热处理工艺（加热温度、保温时间、冷却方式）.做实验前完成。ﻭ3、选定硬度测试参数,一般用洛氏硬度.

４、热处理前后的金相组织观察、硬度的测定.ﻭ5、分析碳钢成分—组织—性能之间的关系.四、实验步骤:１、实验前学生应复习讲课中的有关内容和阅读实验指导书,为实验做好理沦方面的准备；ﻭ２、在显微镜下观察和分析表4-3铁碳合金的平衡组织,识别钢和铸铁组织形态的特征,根据Fe-Fe3Ｃ相图分析各合金的形成过程；建立成分,组织之间相互关系的概念.

３、绘出所观察的显微组织示意图，画时应抓住组织形态的典型特征，并在图中表示出来。

４、根据显微组织近似确定亚共析钢的含碳量:C%＝EQEQ\F（P×0.８,100）＋EQ\F(F×0.0008,100)式中：Ｐ和F分别为珠光体和铁素体所占面积(%).ﻭ5、观察平衡组织并测硬度:ﻭ(1）制备金相试样(包括磨制、抛光和腐蚀)；

（2）观察并拍摄显微组织；ﻭ（3）测试硬度.ﻭ6、进行热处理.ﻭ7、观察热处理后的组织并测硬度：ﻭ（1)制备金相试样（包括磨制、抛光和腐蚀）；

（2)观察并拍摄显微组织。ﻭ（20＃、４５＃、T10)碳钢热处理工艺:

五、实验现象、数据记录及分析处理:2#1#材料：亚共析钢（20#）含碳量:0。2%浸蚀剂:％4硝酸酒精溶液放大倍数:x400材料：工业纯铁含碳量:≦0．02%浸蚀剂：%4硝酸酒精溶液放大倍数：x4002#1#材料：亚共析钢（20#）含碳量:0。2%浸蚀剂:％4硝酸酒精溶液放大倍数:x400材料：工业纯铁含碳量:≦0．02%浸蚀剂：%4硝酸酒精溶液放大倍数：x400珠光体铁素体铁素体4＃3#材料:亚共析钢（60#）含碳量：0。６％浸蚀剂：％4硝酸酒精溶液放大倍数：x40０材料：亚共析钢(45＃）含碳量:0．45%浸蚀剂：％4硝酸酒精溶液放大倍数：x400铁素体珠光体4＃3#材料:亚共析钢（60#）含碳量：0。６％浸蚀剂：％4硝酸酒精溶液放大倍数：x40０材料：亚共析钢(45＃）含碳量:0．45%浸蚀剂：％4硝酸酒精溶液放大倍数：x400铁素体珠光体铁素体珠光体材料：过共析钢（T1２钢）含碳量:0．77％—2。１１%浸蚀剂:％4硝酸酒精溶液放大倍数：x400材料：共析钢（T8钢）含碳量:０。77%浸蚀剂：％4硝酸酒精溶液放大倍数：ｘ4００6＃材料：过共析钢（T1２钢）含碳量:0．77％—2。１１%浸蚀剂:％4硝酸酒精溶液放大倍数：x400材料：共析钢（T8钢）含碳量:０。77%浸蚀剂：％4硝酸酒精溶液放大倍数：ｘ4００6＃5#网状渗碳体珠光体珠光体8＃７＃材料：亚共晶白口铁含碳量：2．1１％—４.３％浸蚀剂：%4硝酸酒精溶液放大倍数:x4００材料：共晶白口铁含碳量:4．3％浸蚀剂:％4硝酸酒精溶液放大倍数:x40０8＃７＃材料：亚共晶白口铁含碳量：2．1１％—４.３％浸蚀剂：%4硝酸酒精溶液放大倍数:x4００材料：共晶白口铁含碳量:4．3％浸蚀剂:％4硝酸酒精溶液放大倍数:x40０莱氏体莱氏体二次渗碳体珠光体铁素体珠光体9#材料：45＃碳钢含碳量:0。45%浸蚀剂:%4硝酸酒精溶液放大倍数：x400调质处理材料:过共晶白口铁含碳量：４.3％—铁素体珠光体9#材料：45＃碳钢含碳量:0。45%浸蚀剂:%4硝酸酒精溶液放大倍数：x400调质处理材料:过共晶白口铁含碳量：４.3％—６.69％浸蚀剂:%4硝酸酒精溶液放大倍数：x4０0莱氏体一次渗碳体材料：2０＃碳钢含碳量:0.2%浸蚀剂：%４硝酸酒精溶液放大倍数：x400正火(加热到８60℃+空冷）材料：T1０碳钢含碳量:1%浸蚀剂：%4硝酸酒精溶液放大倍数：x4００正火处理材料：2０＃碳钢含碳量:0.2%浸蚀剂：%４硝酸酒精溶液放大倍数：x400正火(加热到８60℃+空冷）材料：T1０碳钢含碳量:1%浸蚀剂：%4硝酸酒精溶液放大倍数：x4００正火处理珠光体二次渗碳体铁素体珠光体测定(20#、４5＃、T1０)碳钢硬度数据表钢种热处理工艺硬度值HRB/HRＣ换算为HＶ显微组织加热温度℃冷却方式12３平均２0＃86０空冷8１HRB８3ＨRB81HRＢ8２HRB156珠光体+铁素体45#880水冷１3HＲC1３HRC1４HＲC1３。3HＲＣ21２珠光体+铁素体Ｔ10８８０水冷52HRＣ54HRC53ＨRC５３HRC56０珠光体+二次渗碳体1。根据所观察的显微组织近似确定一种亚共析钢的含碳量.由３#显微组织图得：Ｐ≈56，F≈44，代入公式Ｃ％＝EＱEQ\F(P×0.８，100）＋EQ\F（F×０．00０8，10０）得:C%＝ＥＱ\F（56×0．8,100）＋＼F(44×0。０008，100)≈0.４48352含碳量ω（C)≈０．44８%,接近于0.45%，所以3＃显微图为45＃碳钢铁碳合金的平衡组织显微图。2。(20#钢、4５＃钢、T10钢)热处理试样结果分析。20＃钢:碳质量分数为0．20％(万分之二十）的优质碳素结构钢.含碳量为0。２0%(万分之二十)为亚共析钢，加热到8６0℃后,达到Aｃ3线以上,铁素体转化为奥氏体，再经过空冷后，20＃钢的过冷Ａ在高温是将有一部分转化为铁素体.而且此过程属于过冷A的高温转变，有索氏体产生.在热处理前后显微组织是铁素体和珠光体。硬度较高。２０#钢冷冲压性与焊接性能良好,可用作冲压件及焊接件，经过热处理（如渗碳）也可以制造轴，销等零件。热处理方式:加热至8８0℃，保温３0分钟左右后，正火处理。得到的显微组织:P（珠光体）+F（铁素体）。其中图中层片状的是P(S）珠光体；白色块状的是Ｆ（铁素体）.正火后,组织细化晶粒,使组织均匀化，提高了钢的强度，硬度与韧性。正火提高其硬度，改善其切削加工性能。实验分析与讨论：由上图可知，(1）Ｐ(珠光体，为黑色块状）较明显的可以看出;而Ｆ（铁素体,为白色块状）显得有点黑，呈灰色。产生该现象的原因可能是由于抛光后的过度腐蚀或使用稀硝酸腐蚀不均匀导致，晶面受损，致使不能观察到易损的珠光体组织，并且亮度有点暗，不十分清晰;手工磨制不够精细，还有可能是由于加热温度不够所致；(2）画面不清晰,原因是没有将被观察物体放平。实验者：李坤4５＃钢：水淬后60０℃回火,得到回火索氏体。回火索氏体中的铁素体呈白亮色等轴晶粒,回火索氏体中的渗碳体呈粒状分布在铁素体基体上.４５＃钢是含碳质量分数为0.4５%（万分之四十五）的优质碳素结构钢。在热处理前的显微组织是珠光体和铁素体，其硬度为HＲC7.５；经过热处理后,显微组织转变为回火索氏体，其硬度为HRＣ27。由于４5＃钢经调质处理后得到的是回火索氏体,其渗碳体为粒状，硬度也相应提高,使它获得了良好的综合机械性能，即强度、塑性和韧性都比较好,它广泛适用于各种重要的机器结构件,特别是受交变载荷的零件，如:齿轮、轴类、套筒等零件。热处理方式：先淬火使其加热到８80℃，保温25ｍin后，再进行高温回火，使温度为600℃左右,保温25ｍｉn。图像分析与讨论：整体图象比较暗,可能是由于光源亮度不够所造成；结构区分不十分明显,可能是由于热处理时未达到淬透要求致使过冷奥氏体转变不彻底所造成;图象有很多沟壑，说明在磨制时有力过猛，最后没能将沟壑磨平，在磨制是不是十分的成功.实验者：龙秀森T1０:碳质量分数为1.0０%（千分之十)的优质碳素工具钢，硬度高，韧性适中。热处理方式:淬火＋低温回火热处理后组织为：黑色的粗针状马氏体+白亮的残余奥氏体+Fe3C粒。硬度为５４HＲC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，可制造钻、刨刀、丝锥、手锯条等刃具及冷作模具等图像分析:整体图像较暗，产生此现象的原因可能是由于照相时光亮不足所造成；抛光后的过度腐蚀或使用稀硝酸腐蚀不均匀导致,试样表面有太多沟壑,可能是在磨制的各个阶段没有磨好磨平，还有就是抛光时间太短,使得材料没有磨出像镜面那么光滑那么平。实验者:刘康康六、实验分析１.三种材料在退火状态下显微组织和性能(硬度）的异同；样品显微组织性能（硬度)２0＃白色颗粒为铁素体,黑色块状为珠光体（F+P）冲压性与焊接性良好４5#灰黑色区为细片状及粗片状珠光体,沿晶界析出白色条状铁素体.（F＋P）经热处理后可获得良好的综合机械性能T１０组织为珠光体和二次渗碳体（Ｐ＋Fｅ３ＣII）硬度高，韧性适中2。每种材料在热处理前后显微组织和性能(硬度)的异同；答：每种材料在热处理前后显微组织和性能（硬度）如下表所示:样品显微组织性能（硬度）２0＃热处理前F+PHRＢ71热处理后回火M+Ａ’ＨＲB934５#热处理前F+ＰHRC７．5热处理后回火SＨＲＣ27T10热处理前P+Fe３CⅡ

ＨRＣ6.5热处理后回火M+A'HRC64由上表可以看出,20号钢在正火后的组织基本没有变化,但是在正火后得到的是更细化的晶粒，从而提高了钢的强度硬度和韧性。45号钢在经过淬火和高温回火调质，其显微组织由以前的（P+F），变成了回火索氏体,其综合机械性能最好,即强度、塑性和韧性都比较好.T10钢在经过淬火和低温回火组织由以前的珠光体和二次渗碳体，变为回火马氏体、残余奥氏体和二次渗碳体。低温回火后,淬火应力降低，工件韧性提高，淬火后的硬度和耐磨性高.3。总结出碳钢成分-组织—性能—应用之间的关系。答：碳钢成分—组织—性能—应用之间的关系如下表所示：样品成分组织性能应用２0#W（C）＝0.20％F+P冲压性与焊接性良好冲压件及焊接件，经过热处理（如渗碳）也可以制造轴,销等零件。４５#W(C)=０.4５%F+P经热处理后可获得良好的综合机械性能齿轮,轴类，套筒等T10Ｗ（C）=1。0％P＋Fe3ＣⅡ优质钢,硬度高，韧性适中钻头，刨刀，丝锥，手锯条等刃具及冷作模具等。20号钢(含碳量０。１７%-0.23％)是亚共析钢，在完全退火状态下得到的组