【教程】工程材料课程实验

【教程】工程材料课程实验实验内容实验一45钢金相样品制备及其平衡组织观察实验二45钢的热处理实验实验一45钢金相样品制备及其平衡组织观察一、目的与要求1.初步掌握金相样品制备的基本方法。2．熟悉金相显微镜的基本原理及使用方法。3．初步认识金相显微镜下45钢的组织特征。图1.1XQT透反射显微镜主要技术参数：总放大倍数：125x~1560x

目镜：10x平场目镜、12.5x广角平场目镜、10x分划目镜物镜：10x、40x、100x平场消色差物镜二、主要设备与仪器

1、主要设备（1）XQT透反射显微镜（如图1.1所示）图1.2XJP-3A金相显微镜主要技术参数：总放大倍率：1250x目镜：5x、10x、12.5x分划目镜：10x平场消色差物镜：10x、40x、100x电源：220V，6V/15W卤素灯（2）XJP-3A金相显微镜（如图1.2所示）图1.3XJG-05大型金相显微镜图1.4金相图像分析系统（3）XJG-05型大型金相显微镜＋TDY－J金相分析软件（如图1.3、图1.4所示）图1.5PW-1B磨抛机主要技术参数：砂纸直径：230mm抛盘直径：220mm转速：50/1400r/min（无级）电动机：80变频电机三相220V0～50Hz（4）PW-1B型柜式多能磨抛机（如图1.5）（5）QG-3金相试样切割机（如图1.6所示）图1.6QG-3切割机主要技术参数：最大切割截面：Φ85mm转速：2800/min砂轮片规格：

300×1.5×32mm电动机：Y100L2-2电源：380V功率：3kW2、其它仪器金相砂纸、4%的硝酸酒精溶液、吹风机、医用脱脂棉、镊子等。三、实验内容与步骤1、金相试样的制备金相样品的制备过程一般包括取样、镶嵌、粗磨、细磨、抛光和腐蚀步骤。2、观察金相试样的显微组织金相试样制备好后，用吹风机对其干燥，然后准备观察其显微组织结构。（1）根据观察试样所需的放大倍数，选择物镜和目镜；（2）然后将试样放在载物台中心，使载物台中心与物镜中心对正，试样被观察面向下；（3）转动粗调焦距手轮降低载物台，使试样表面接近物镜；再慢慢反向转动手轮至目镜中出现模糊的影像；最后轻轻转动微调焦距手轮，直至看到清晰的组织；（4）使载物台前后左右移动，观察试样的不同部位，找出具有代表性的显微组织，并画出试样的显微组织示意图。四、实验结果与分析碳钢合金的显微组织是研究钢铁材料性能的基础。碳钢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，其相变过程均按相图进行，因此可以根据该相图来分析碳钢合金的平衡组织。含碳量小于2.11％的合金为碳钢，含碳量大于2.11％的合金为白口铸铁。所有碳钢和白口铸铁在室温下的组织均有铁素体（Fe）和渗碳体（Fe3C）这两个基本相。只是因含碳量不同，铁素体和渗碳体的相对数量及分布形态有所不同，因而呈不同的组织形态。1、碳钢的基本组织

（1）铁素体（F）是碳在中的固溶体。铁素体为体心立方格。具有磁性及良好的塑性，硬度较低。用3％～4％硝酸酒精溶液侵蚀后，在显微镜下呈现明亮色的多边形晶粒。

（2）渗碳体（Fe3C）是铁与碳形成的一种化合物，含碳量为6.69％。用3％～4％硝酸酒精溶液侵蚀后，渗碳体呈亮白色，若用苦味酸钠溶液侵蚀，则渗碳体呈黑色而铁素体仍为白色。

（3）珠光体（P）是铁素体和渗碳体的机械混合物，其组织是共析转变的产物。由杠杆定律可以求得铁素体与渗碳体的含量比为8：1。因此，铁素体厚，渗碳体薄。2、铁碳合金室温下显微组织

（1）工业纯铁含碳量﹤0.0218％，其显微组织为铁素体。

（2）碳钢

①共析钢：含钢量为0.77％。其显微组织由单一地珠光体组成。

②亚共析钢：含钢量在0.0218％～0.77％范围内的碳钢合金其组织由共析铁素体和珠光体所组成，随着含碳量的增加，铁素体的数量逐渐减少，而珠光体的数量则相应地增多。

③过共析钢：含碳量在0.77％与2.11％之间。其组织由珠光体和先共析渗碳体（即二次渗碳体）组成。钢中含碳量越多，二次渗碳体数量就越多。组织中存在片状珠光体和网络状二次渗碳体，经侵蚀后珠光体成暗黑色，而二次渗碳体则呈白色网络状。3、45钢金相试样的显微组织图1.745钢属于亚共析钢，其组织由铁素体和珠光体组成。其中经过侵蚀后的珠光体呈黄褐色片层状结构，铁素体呈亮白色（如图1.7所示）。图1.745钢室温显微组织实验二45钢的热处理实验一、目的与要求1、了解碳钢普通热处理（退火、正火、淬火、回火）的操作方法。2、掌握碳钢在热处理时加热温度、冷却速度及回火温度等主要因素对碳钢热处理后组织与性能的影响。3、掌握金属材料的硬度试验方法。二、主要设备与仪器图2.1SX-5-12变温箱形电阻炉主要技术参数：工作室尺寸高×深×宽(mm):300×200×120电压（V）:220相数：1功率（KW）:5最高温度（℃）:12001、主要设备（1）SX-5-12箱式电阻加热炉（如图2.1所示）图2.2HBRVU-187.5布洛维光学硬度计主要技术参数：初试验力（N）：98；总试验力（N）：588、980、1471；布氏硬度试验力（N）：306、613、1839；维氏硬度试验力（N）：294，588，980；显微镜放大倍率：37.5倍、75倍；（2）HBRVU-187.5布洛维硬度计（如图2.2所示）主要技术参数:初试验力（N）：98N总试验力（N）：588N、980N、1471N总试验力保持时间（S）：1-30读数方式：数显电源电压：AC220V/50HZ试件允许最大高度：170mm硬度值范围HRA：20～88HRB：20～100HRC：20～70（3）数显洛氏硬度计（HRS-150）2、其它仪器：PHR-2便携式洛式硬度计（如图2.4所示）、热处理用夹钳、手套、水箱等。钢的热处理工艺特点是：将钢加热到一定的温度，经一段时间的保温，然后以某种速度冷却下来，通过这样的工艺过程能使钢的性能发生改变。

1、碳钢的普通热处理工艺方法

1）钢的退火

钢的退火通常是把钢加热到临界温度Ac1或Ac3线以上，保温一段时间，然后缓慢地随炉冷却。此时，奥氏体在高温区发生分解，从而得到比较接近平衡状态的组织。一般中碳钢（如40、45钢）经退火后消除了残余应力，组织稳定，硬度较低（HB180～220）有利于下一步进行切削加工。三、实验内容与步骤2）钢的正火

钢的正火通常是把钢加热到临界温度Ac3或Accm线以上，保温一段时间，然后进行空冷。由于冷却速度稍快，与退火组织相比，组织中的珠光体量相对较多，且片层较细密，故性能有所改善，细化了晶粒，改善了组织，消除了残余应力。对低碳钢来说，正火后提高硬度可改善切削加工性，提高零件表面光洁度；对于高碳钢，则正火可消除网状渗碳体，为下一步球化退火及淬火作好组织准备。

3）钢的淬火

钢的淬火通常是把钢加热到临界温度Ac1或Ac3线以上，保温一段时间，然后放入各种不同的冷却介质中快速冷却(V冷＞V临)，以获得具有高硬度、高耐磨性的马氏体组织。4）钢的回火

钢的回火通常是把淬火钢重新加热至Ac1线以下的一定温度，经过适当时间的保温后，冷却到室温的一种热处理工艺。

由于钢经淬火后得到的马氏体组织硬而脆，并且工件内部存在很大的内应力，如果直接进行磨削加工则往往会出现龟裂，一些精密的零件在使用过程中将会引起尺寸变化从而失去精度，甚至开裂。因此，淬火钢必须进行回火处理。

不同的回火工艺可以使钢获得各种不同的性能。2、碳钢普通热处理工艺

1）加热温度

碳钢普通热处理的加热温度，原则上按加热到临界温度Ac1或Ac3线以上30～50℃选定。

但生产中，应根据工件实际情况作适当调整。

热处理加热温度不能过高，否则会使工件的晶粒粗大、氧化、脱碳、变形、开裂等倾向增加。但加热温度过低，也达不到要求。

碳钢普通热处理的加热温度见下表所示。方法加热温度(℃)应用范围退火Ac3+(20~60)亚共析钢完全退火Ac1+(20~40)过共析钢球化退火正火Ac3+(50~100)亚共析钢Accm+(30~50)过共析钢淬火Ac3+(30~70)亚共析钢Ac1+(30~70)过共析钢低温回火150~250刃具、模具、量具、高硬度零件中温回火350~500弹簧、中等硬度零件高温回火500~650齿轮、轴、连杆等综合机械性能零件表2-1碳钢普通热处理的加热温度钢号临界点(℃)Ac1Ac320钢73585545钢724780T8钢730——T12钢730——表2-2常用碳钢的临界点2）加热时间

热处理的加热时间（包括升温与保温时间）与钢的成分、原始组织、工件的尺寸与形状、使用的加热设备与装炉方式及热处理方法等许多因素有关。因此，要确切计算加热时间是比较复杂的。在实验室中，热处理加热时间（包括加热、保温时间）通常按工件有效厚度，用下列经验公式计算加热时间：

T=αD

式中：T——加热时间（min）；

α——加热系数（min/mm）；

D——工件有效厚度（mm）。当碳钢工件D≤50mm，在800~960℃箱式电阻炉中加热时，α=1~1.2（min/mm）。回火的保温时间要保证工件热透并使组织充分转变。实验时组织转变时间可取0.5h。

3）冷却方法（1）退火冷却方式：钢退火时，一般采用随炉冷却到600～550℃以下再出炉空冷。（2）正火冷却方式：钢正火时，一般采用在空气中冷却。（3）淬火冷却方式：钢淬火时，钢在过冷奥氏体最不稳定的范围内（650～550℃）的冷却速度应大于临界冷却速度，从而保证工件不转变为珠光体型组织；而在Ms点附近的冷却速度应尽可能低，从而降低淬火内应力，减少工件变形与开裂。因此，淬火时，除了要选用合适的淬火冷却介质外，还应改进淬火方法。对形状简单的工件，常采用简易的单液淬火法，如碳钢用水或盐水液作冷却介质，合金钢常用油作冷却介质。

（4）回火冷却方式：碳钢回火时，一般采用在空气中冷却。3、实验步骤

1）每组学生领取实验试样45钢3块，并打上钢号，以免混淆。

2）测量每块45钢试样的初始硬度并作好记录。

3）将45钢试样放到箱式电阻炉中加热到820～840℃，保温15分钟，然后分别进行炉冷、空冷和水冷，其后，分别测定其硬度，并作好记录。钢号初始硬度HRC加热温度（℃）保温时间（min）冷却方法硬度HRC1炉冷2空冷3水冷四、结果