钢的淬透性测定

本文格式为Word版，下载可任意编辑——钢的淬透性测定

试验一：钢的淬透性测定

试验学时：3

试验类型：综合性试验试验要求：必修一、试验目的

（一）把握钢的淬透性的试验方法，重点末端淬火法。

（二）了解化学成分、奥氏体化温度及晶粒度对钢的淬透性的影响。

二、试验内容、试验原理、方法和手段

（一）淬透性的概念及其影响因素

在实际生产中，零件一般通过淬火得到马氏体，以提高机械性能。钢的淬透性是指钢经奥氏体化后在一定冷却条件下淬火时获得马氏体组织的能力。常用淬透性曲线、淬硬层深度或临界淬透直径来表示。淬透性与淬硬性不同，它是淬硬层深度的尺度而不是获得的最大的硬度值。它决定淬火后从表面到心部硬度分布的状况。一般规定“由钢的表面至内部马氏体占50％（其余的50％为珠光体类型组织）的组织处的距离〞为淬硬层深度。淬硬层越深，就说明该钢的淬透性越好。假使淬硬层尝试达到心部，则说明该钢全部淬透。

影响淬透性的因素好多，最主要的是钢的化学成分，其次为奥氏体化温度、晶粒度等等。钢的淬透性与过冷奥氏体稳定性有密切的关系。当奥氏体向珠光体转变的速度越慢，也就是等温转变开始曲线越向右移，钢的淬透性越大，反之就越小，可见影响淬透性的因素与影响奥氏体等温转变的因素是一致的。

溶入奥氏体的大多数合金元素除Co以外，都增加过冷奥氏体的稳定性，使曲线右移，降低临界冷却速度，提高钢的淬透性。

钢中含碳量对临界冷却速度的影响为：亚共析钢随含碳量的增加，临界冷却速度降低，淬透性增加；过共析钢随含碳量的增加，临界冷却速度增高，淬透性下降。含碳量超过1.2％～1.3％时，淬透性明显降低。

（二）淬透性的测定方法

淬透性的测定可以大致分为计算法和试验法两类。目前使用的方法还是试验法，它主要是通过测定标准试样来评价钢的淬透性。具体的试验方法有多种，现将其中寻常采用的四种方法概述如下。

1、断口检验法

根据GB227—63《炭素工具钢淬透性试验法》（低合金工具钢也可参照此标准）的规定，在退火钢棒截面中部截取2～3个试样，方形试样的横截面尺寸为20mm×20mm(±0.2)，圆形截面为φ22～33mm，长度为100±5mm，试样中间一侧开一个深度为3～5mm的V形槽，以利于淬火后打断观测断口。试样分别在760℃、800℃、840℃温度下加热15～20min，然后淬入10～30℃的水中。通过观测断口上淬硬表层（脆断区）深度，对照相应的评级标准图来评定淬透性等级（GB227—63规定分成0～5级）。

2、U曲线法

用长度为直径的4～6倍一组直径不同的试样，经奥氏体化后在一定的淬火介质（如水、盐水、油等）中冷却，然后沿试样中纵向剖开，磨平后自试样表面向内每隔1～2min距离测定一处硬度值，并将所测结果画成硬度分别曲线（图15-1）。淬透性的大小可用淬硬层深度h或DH／D来表示，D为试样直径，DH为未淬硬区域直径。用这种方法测量出来的数值依试样尺寸、淬火介质的冷却能力的不同而变化，因此应用较少，但此法比较直观。

图15-1截面上的U形硬度

3、临界直径法

所谓“临界淬透直径〞是指钢在一定介质中淬火时，中心能获得半马氏体组织的最大直径。用U曲线法做试验时，总可以找到在一定的淬火介质中冷却时心部恰好能够淬透（截面中心的硬度为半马氏体硬度，即组织恰好对应含50％马氏体组织）的临界直径，用D0表示。但D0与淬火介质有关。为了排除冷却条件的影响，假定淬火介质的冷却强度值H为无穷大，试样淬火时其表面温度马上冷却到淬火介质的温度，此时所能淬透的最大直径称为理想临界直径（Di），显然Di仅取决于钢的成分，因此可用它作为判别不同钢种淬透性的依据。理想临界直径可以通过试验得出的半马氏体区厚度d在特定的曲线图中查出。依此还可以进一步求出该钢种在各种介质中的临界直径等。

4、末端淬火法

目前测定钢的淬透性最常用的方法是末端淬火（又称顶端淬火法，简称端淬法）。它简便而经济，又能较完整地提供钢的淬火硬化特性，战胜了上述方法的缺点。广泛适

用于优质炭素钢、合金结构钢、弹簧钢、轴承钢及合金工具钢等的淬透性测量。我国GB235—63规定的试样形状尺寸及试验原理如图15-2所示。试验时将试样按规定的奥氏体化条件加热后（注意防止氧化脱碳）迅速取出放入试验装置。因试样的末端被喷水冷却，故水冷端冷得最快，越向上冷得越慢，头部的冷速相当于空冷，因此沿试样长度方向将荼得各种冷却条件下的组织和性能。冷却完毕后沿试样纵向两侧各磨去0.4mm，并自水冷端1.5mm处开始测定硬度，绘出硬度与至水冷端距离的关系曲线，即所谓端淬曲线（图15-3）。

图15-2末端淬透性试验示意图

图15-3端淬曲线

试样和冷却条件是规定的，所以试样各占的冷却速度也是固定的，这样端淬法就排除了试样的具体形状和冷却条件的影响，归结为冷却速度与淬火后硬度之间的关系。假使再对各点进行金相组织观测，那么借助于端淬曲线就可知道冷却速度，金相组织和硬度之间的关系。根据GB225—63规定，钢材的淬透性用J（HRC／d）表示，其中J表示端淬试验，d为距水冷端距离，HRC为在该处测定的硬度值。

四、试验组织运行要求

由试验指导教师现场组织和实施上述试验内容。

五、试验条件

（一）设备：箱式电阻炉；洛氏硬度计，端淬试验机。（二）试样：T10、45、40Cr端淬试样一套；

六、试验步骤

在指导教师的安排下，学生逐个将试样置于箱式电阻炉进行加热，待加热保温完成后，将端淬试样置于端淬试验机进行端淬，然后测定硬度，计算钢的淬透性。

七、思考题

1、试述钢的淬透性的测定方法及意义；2、钢的成分不同对淬透性有哪些影响？

八、试验报告

按试验报告的标准格式及所要求的内容完成。

试验二：扫描电子显微镜结构与样品分析

试验学时：5试验类型：演示性试验试验要求：必修一、试验目的

（一）了解扫描电镜的结构；

（二）通过实际分析，明确扫描电镜的用途。

二、试验内容、试验原理、方法和手段

（一）扫描电子显微镜结构与工作原理简介

扫描电镜的主要构造分五部分：电子光学系统，扫描系统，信号接收、放大与显示系统，试样微动及更换系统，真空系统。图20-1是扫描电镜主机构造示意图。试验时将根据实际设备具体介绍。

（a）

（b）

图20－2高强钢断口形态(a)韧窝断口；(b)沿晶断口

图20-1扫描电镜主机构造示意图

（二）样品观测与分析1、二次电子像

二次电子像常用来做断口及高倍组织观测。图是沿晶和穿晶断口形态。待观测断口要保持新鲜，不可用手或棉纱擦拭断口。假使要长期保存，可在断口表面贴一层AC纸。在观测时将试样放在丙酮中使AC纸充分溶解掉。图20-2是结晶组织的二次电子像。

2、背散射电子像和吸收电子像

扫描电镜接收背散射电子像的方法是将背散射电子检测器送入镜筒中，将信号选择开关转到R·E位置接通背散射电子像的前置放大器。图实是他Al2Cu相的背散射电子像。在背散射电子像中，A12Cu相的平均原子序数高于基体Al，所以A12Cu相有明显的亮度和浮凸效果。由于背散射电子像信号弱，所以在观测时要加大束流，采用慢速扫描。

当断开样品台接地线，接通吸收电子附件，将信号选择开关转到A·E位置时，将进行吸收电子像观测。图20-3是A12Cu相的吸收电子像。其衬度与背散射电子像相反。

图20-34Cr5MoVSi钢结晶组织及A12Cu相背散射电子像

3、选择典型的金属塑性断口、脆性断口、疲乏断口等，在扫描电镜上摄取二次电子像（分8组，每组6人），每组同学所得到的断口形貌像不同。

4、金相表图20-4腐蚀之后金相

（a）

（b）

图20-4金相表面的二次电子像（a）珠光体组织（b）析出碳化物

面观测为经抛光样品的二

次电子像，可以看出其分辩率及立体感均远好于光学金相照片。光学金相上显示不清的细节在这里可以明了地显示出来，如珠光体中的Fe3C与铁素体的层片状形态及回火组织中析出的细小碳化物等。

三、试验组织运行要求

由教师讲解扫描电子显微镜基本结构和工作原理，学生应了解扫描电镜的基本结构和工作原理及测定方法。

四、试验报告

按试验报告的标准格式及所要求的内容完成。

试验三：金属拉伸、压缩屈服性能的测定

试验学时：4

试验类型：综合性试验试验要求：必修一、试验目的

（一）把握金属材料拉伸、压缩屈服性能的测定方法和压力传感器的标定。（二）比较一致金属材料拉伸、压缩状态下屈服性能的差异。

（三）了解表面摩擦对金属材料屈服性能的影响，以及屡屡加载、卸载对抗力、硬化的

影响。

（四）学会绘制应力-应变曲线。

二、试验内容

（一）熟悉材力机的操作规程。（二）压力传感器的标定。（三）压缩屈服性能的测定。（四）拉伸屈服性能的测定。

三、试验原理、方法和手段

金属材料拉伸、压缩试验是金属材料力学性能测试中最重要的方法之一。即对一定

形状的试样施加轴向上的力，拉伸或压缩，便可测出表征金属材料的物理屈服性能指标：屈服点σs、上屈服点σsU、下屈服点σsL；规定微量塑性伸长应力指标：规定非比例伸长应力σp、规定总伸长应力σt、规定剩余伸长应力σr；强度性能指标：抗拉强度σb；塑性性能指标：断后伸长率δ、屈服点伸长应力δs、最大力下的总伸长δgt、最大力下的非比例伸长率δg、断面收缩率φ，从而得到自开始加载到试样破坏的全过种的应力—应变曲线。这条曲线的形状表征着材料的力学行为。不同的材料，应力—应变曲线各不一致（见图22-1、图22-2），甚至有很大差异。

图22-1不同材料拉伸时的应力-应变曲线

a）铸铁b）低碳钢c）橡胶

四、试验条件

（一）液压万能材料试验机。（二）压力传感器。（三）毫伏表（四）电源。（五）刻点机。（六）引伸计。

（七）测试材料：圆钢、铅棒、铜棒。

（八）使用工具：钢锯、游标卡尺、钢板尺、万用表。

五、试验步骤

（一）用万用表检查压力传感器的性能。

（二）将压力传感器、毫伏表、电源连接好后，装到万能材力试验机上。（三）开启材力试验机总开关。

（四）根据压力传感器的额定负荷，选择测量范围，在摆杆上挂上或取下相应的摆砣，并调整缓冲手柄，对准标线。

（五）开动油泵，调整指针对准度盘零点。

（六）在描绘器的转筒上，卷压好记录纸，选择好放大倍数。（七）将推杆上的描绘笔放下，进入描绘准备状态。

（八）缓慢开启送油阀，给传感器加额定容量的110％负荷三次，以减小滞后影响。（九）正式标定开始：将传感器加额定容量分成若干梯度，按此容量梯度分级逐级加载和卸载，记录此加、卸载的数据，重复二次。并记录于表22-1中。

（十）压缩屈服性能的测定：取已锯好的测试材料，两端磨平，用卡尺测量试件的原始直径D0和高度H0。

表22-1加、卸载荷数据记录

P/kN加输出/mV第一次其次次平均K＝卸加卸加卸加卸加卸加卸

（11）标定后的压力传感器不动，将试件放置在传感器的中央，依照上面操作程序进行。（12）当压下量Δh＝1时，测量压缩后试件的高度、压力P，填入表22-2中。（13）观测压缩变形形象，绘制应力σ-应变ε曲线。

（14）拉伸屈服性能的测定：用卡尺测量试件的横截面尺寸S0，标出试样标距长度L0。

（L0＝KS0K＝5.65或11.3）

（15）试件标距离围内均分10等份，打上标点。

（16）将试件正确地卡到材力机上，依照上面操作程序进行拉伸试验：

（1）测定非比例伸长应力σp0。2（逐级施力法）。把试件施加约相当于预期规定非比例伸长应力10％。

表22-2压缩试件数据记录D0原始数据H0压缩次数变形高度h/mm接触面积S/mm瞬时压力P/kN真实应力σ＝P/S真实应变ε＝lnH/h2H01234V?5?4H0D06

预期试验力F0，将引伸计装卡在试件上，调理好引伸什的零点（表22-3）。然后对试样采用逐级加载一致的量，测出规定非比例伸长力Fp。从引伸计上读出每一级施力条件下试样的伸长量。到所测的非比例伸长等于或微大于所规定值，取下引伸计（用内插法求出Fp值，计算σP＝Fp/S0）。将试样拉断，记录Fb。

（2）测定规定剩余伸长应力σr0。1（逐级卸力法）。测定规定剩余伸长应力是用引伸计采用卸力法来进行的。把试件施加约为预期规定剩余伸长应力的10％预试验力F0，然后上

表22-3用逐级施力法测定试验记录表试验加力次数1234加力等级力预试验力F0大等级力ΔF＝读数读数增量平均每增加2kN试验力弹性伸长增量为3.0分格即ΔL2＝3.0引伸计引伸计弹性伸长（分格）（分格）非比例伸长

5678910小等级力ΔF1＝

好引伸计，继续加力到2F0，再卸到F0。调理引伸计记录下来条件零点（表22-4）。用卸力法测定规定剩余伸长力Fr。从引伸计上读出首次施力条件下试样产生的剩余伸长量。以后每次加力产生的总伸长量，等于前一次总伸长量加上规定剩余伸长量，减去已产生的剩余伸长量的差，再加上1～2分格的弹性增量。保证在较少的加、卸力次数下测得结果。当实测的剩余伸长量等于或稍大于规定值为止，取下引伸计（用内插法求出Fr值，计算σr＝Fr/S0）。将试样拉断，记录Fb。

表22-4用卸力法测定试验记录表

加力次数预试验力F0加力时引伸计读书（分格）试验力卸力到F0引伸计读书（分格）剩余伸长量（分格）

（3）把拉断后的试样对好，测量标距L1，缩颈处最小直径d1，分别计算伸长率δ，断面率φ。

六、试验报告

按试验报告的标准格式及所要求的内容完成。

试验四：材料硬度测定

试验学时：4

试验类型：综合性试验试验要求：必修一、试验目的

（一）了解不同种类硬度测定的基本原理及应用范围；

（二）了解布氏、洛氏、维氏硬度试验的操作方法及设备特点；

（三）学会使用布氏、洛氏、维氏硬度计。二、试验内容、试验原理、方法和手段

金属的硬度可以认为是金属材料表面在接触应力作用下抗争塑性变形的一种能力。

硬度测量能够给出金属材料软硬度的数量概念。由于在金属表面以下不同深处材料所承受的应力和所发生的变形程度不同，因而硬度值可以综合地反映压痕附近局部体积内金属的弹性、微量塑变抗力、塑变加强能力以及大量形变抗力。硬度值越高，说明金属抗争塑性变形能力越大，材料产生塑性变形就越困难。另外，硬度与其他机械性能（如强度指标σb及塑性指标δ和φ）之间有着一定的内在联系，所以从某种意义上说硬度的大小对于机械零件或工具的使用寿命具有决定性意义。

硬度试验的方法好多，在机械工业中广泛采用压入法来测定硬度，压入法又可分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。

压入法硬度试验的主要特点是：

（1）试验时应力状态最软（最大切应力远远大于最大正应力），因而不管是塑性材料还是脆性材料均能发生塑性变形。

（2）从一定意义上用硬度试验结果表征其他有关的力学性能。金属的硬度与强度指标之间存在如下近似关系：

σb＝K?HB式中σb——材料的抗拉强度；K——系数；HB——布氏硬度。

退火状态的碳钢：K＝0.34～0.36合金调质钢：K＝0.33～0.35有色金属合金：K＝0.33～0.53

（3）硬度值对材料的耐磨性、疲乏强度等性能也有定性的参考价值，寻常硬度值高，这些性能也就好。在机械零件设计图纸上对机械性能的技术要求，往往只标注硬度值，其原因就在于此。

（4）硬度测定后由于仅在金属表面局部体积内产生很小压痕，并不损坏零件，因而适合于成品检验。

（5）设备简单，操作迅速便利。（一）布氏硬度

布氏硬度试验是施加一定大小写的载荷P，将直径为D的钢球压入被测金属表面（如图23-1所示）保持一定时间，然后卸除栽荷，根据钢球在金属表面上所奔出的凹痕面积F凹求出平均应力值，以此作为硬度值的计量指标，并用符号HB表示。

其计算公式如下：

HB＝P/F凹

式中HB——布氏硬度；P——施加外力，N；F凹——压痕面积，mm2.

根据压良面积和球面之比等于压痕深度h和钢球直径之比的几何关系，可知压痕部分的球面面积为：

F凹＝πDh式中D——钢球直径，mm；H——压痕深度，mm。

由于测量压痕直径d要比测定压痕深度h简单，故可将式中的h改换成d来表示，这样可以根据几何关系求出：

(D/2)-h=[(D/2)2-(d/2)2]1/2

H=[D-(D2-d2)1/2]/2

得：

HB?

P2P?22F?D(D?D?d)当试验力是P的单位是N时

P0.10