1、机械工程材料实验指导书机械工程类材料科学与工程学院2011 年 9 月实验室安全守则与注意事项材料检测与分析实验室中，许多设备在运行过程中涉及高温环境和力；有的化学试剂易燃、易爆甚至还有腐蚀性和毒性。所以进行实验时 ，必 须特别注意安全问题，绝对不能麻痹大意。为此，实验前应认真听辅导教师讲解，必须 掌握实验注意事项，实验过程中要严格遵守安全守则，避免事故的 发生。实验室安全守则与注意事项如下：1. 严禁在实验室内跑、跳、打闹等，应保持实验室的安静。2. 进入各实验室做实验时，必须遵守各实验室的具体要求。3. 严禁将零食及饮料水等带入实验室。4. 注意实验设备及其工作台，严禁将重物置于工作台上或
2、在工作台上施压，只有在指导教师许可的情况下方可打开设备电源。5. 离开实验室时应检查水、电等，并 经指导教师检查后方可离开。6. 做完实验后，必须由指导教师检查实验结果，然后关掉电源等，并将 实验现场收拾整齐。实验一 铁碳合金平衡组织观察与分析一、实验目的1 观察和识别铁碳合金（碳钢及白口铸铁）在平衡状态下的显微组织；2进一步了解 Fe-Fe3C相图在铁碳合金组织分析中的应用；二、概述（一）组织特征显微组织特征是指晶粒、相、组织的形状、大小、数量和分布。对于纯金属来说，指的是晶粒的形态、大小和分布，对于合金来说还要研究相和组织特征。铁碳合金的平衡组织是研究和分析钢铁材料的基础，所谓平衡状态的显
3、微组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下（如退火状态即接近平衡状态）所得到的组织。所有碳钢和白口铸铁的室温平衡组织均由铁素体（F）和渗碳体（Fe 3C）这两个基本相所组成。但由于含碳量不同，铁素体（F）和渗碳体（Fe 2C）相对数量、析出条件以及分布情况均有所不同，因为呈现各种不同的组织形态。在金相显微镜下平衡组织一般有下面几种基本组成物。（1）铁素体（F）是碳溶入 Fe 中的固溶体。铁素体为体心立方晶格、具有磁性及良好塑性，硬度低。用 4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现亮白色的等轴晶粒，亚共折钢中铁素体呈块状分布，当含碳量接近于共析成分时，铁素体则呈现断续的网状分布于珠光体周围。（2）渗碳体
4、（Fe 3C）是铁与碳形成的一种化合物，其碳含量为 6.69%，质硬而脆。耐腐蚀性强，经 4%硝酸酒清溶液浸蚀后，渗碳体呈亮白色，若用碱性苦味酸钠溶液浸蚀。则渗碳体能被染成暗黑色或棕红色，而铁素体仍为白色。由此可区别铁素体与渗碳体。按照成分和形成条件的不同，渗碳体可以呈现不同的形态。一次渗碳体（初生相）是直接由液体中析出的，故在白口铸铁中呈粗大的条片状；二次渗碳体（次生相）是从奥氏体中析出物，往往呈网络状沿奥氏体晶界分布；共晶渗碳体是由液体在发生共晶反应时得到的，呈层片状结构，与铁素体共同构成珠光体；三次渗碳体是由铁素体中析出的，通常呈不连续薄片状或粒状存在于铁素体晶界处，数量极微，可忽略不计
5、。（3）珠光体（P）是铁素体和渗碳体的机械混合物，在一般退火处理情况下是由铁素体与渗碳体相互混合交替排列形成的层片组织。经硝酸酒精溶液浸蚀后，在不同放大倍数的显微镜下可以看到具有不同特征的珠光体组织。在高倍放大进能清楚地看到珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体；当放大倍数较低时，由于显微镜的鉴别能力小于渗碳体片厚度而无法分辩，因此，当组织较细而放大倍数低时，珠光体的片层不能分辩，而呈黑色。（4）莱氏体（Ld）是在室温时珠光体及二次渗碳体和共晶渗碳体所组成的机械混合物。含碳量为 4.3%的共晶白口铸铁在 1148时形成由奥氏体和渗碳体组成的共晶体，其中奥氏体冷却时析出二次渗碳体，并在 727
6、以下分解为珠光体。菜氏体的显微组织特征是在亮白色的渗碳体基体上相间地分布着暗黑色斑点状或细条状的珠光体。二次渗碳体和共晶渗碳体连在一起，从形态上难以区分。（二）分类1. 工业纯铁（含碳量0.0218%）室温下它为两相组织，由等轴晶粒状铁素体和少量不连续薄片状或粒状三次渗碳体组成。铁素体图 1 工业纯铁的显微组织 图 2 20钢的显微组织硬度在 80HB 左右，而渗碳体硬度高达 800HB，工业纯铁中的渗碳体量很少，故塑性、韧性好，而硬度、强度低，不能用作受力零件。2. 碳钢（0.0218%含碳量2.11%）（1）共折钢（含碳量为 0.77%）室温下其显微组织由单一的珠光体组成，即铁素体和渗碳体
7、的混合物，在光学显微镜下观察时，可看到层片状的特征，即渗碳体呈细黑线状和少量白色细条状分布在铁素体基体上，若放大倍数低，珠光体组织细密或腐蚀过深时，珠光体片层难于分辨，而呈现暗黑色区域。图 3 40钢的显微组织 图 4 60钢的显微组织（2）亚共折钢（0.0218%含碳量为0.77%）室温组织为铁素体和珠光体，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的增加，显微组织中铁素体呈白色，珠光体呈暗黑色或层片状。对于亚共析钢，可以根据在显微镜下观察到的珠光体和铁素体各自所占的面积百分数，大体上估算出碳钢中碳的质量分数：cP0.77（式中 P表示珠光体所占的面积百分数 ），此计算式只
8、适于平衡状态。（3）过共折钢（0.77%含碳量2.11%）室温组织为珠光体和网状二次渗碳体，含碳量越高，渗碳体网愈多、愈完整。当含碳量小于 1.2%时，二次渗碳体呈不连续网状，当含碳量大于或等于 1.2%时，二次渗碳体呈连续网状，使强度、塑性、韧性显著降低， 过共析钢含碳量一般不超过（1.31.4）%。二次渗碳体网用硝酸酒精溶液腐蚀呈白色， 图 5 T8钢的显微组织 图 6 珠光体的显微组织图 7 T12钢的显微组织 图 8 亚共晶白口铁的显微组织图 9 共晶白口铁的显微组织 图 10 过共晶白口铁的显微组织若用苦味酸钠溶液热腐蚀后，呈暗黑色。 3、白口铸铁（含碳量2.11%）（1）共晶白口铁
9、（含碳量为 4.3%）室温组织由单一的莱氏体组成，经腐蚀后，在显微镜下，变态莱氏体呈豹皮状，由珠光体，二次渗碳体及共晶渗碳体组成，珠光体呈暗黑色的细条状及斑点状，二次渗碳体常与共晶渗碳体连成一片，不易分辨。呈亮白色。（2）亚共晶白口铁（2.11含碳量4.3%）室温组织为珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体 Ld。用硝酸酒精溶液腐蚀后，在显微镜下呈现枝晶状的珠光体和斑点状的莱氏体，其中二次渗碳体与共晶渗碳体混在一起，不易分辨。（3）过共晶白口铁（含碳量4.3%）室温下的组织由一次渗碳体和莱氏体组成，经硝酸酒精溶液腐蚀后，显示出斑点状的莱氏体基体上分布着亮白色粗大的片状的一次渗碳体。三、实验设备及材料1
10、. 金相显微镜 2. 观察样品几种碳钢和白口铁样品编号 材料 状态 组织名称及特征 浸蚀剂1 工业纯铁 退火 铁素体（呈等轴晶粒）和微量三次渗碳体（粒状）2 20钢 退火 铁素体（呈等轴晶粒状）和少量的珠光体（呈块状）3 45钢 退火 铁素体（呈块状）和相当数量的珠光体（呈等轴共粒状）4 60钢 退火 铁素体（呈网状）和大量的珠光体（呈等轴晶粒状）5 T8钢 退火 铁素体（宽条状）和渗碳体（细条状）相间交替排列6 T12钢 退火 珠光体（暗色基底）和细网络状二次渗碳体7 亚共晶白口铁 铸态珠光体（呈黑色枝晶状）、菜氏体（斑点状）和二次渗碳体（在枝晶周围）8 共晶白口铁 铸态菜氏体、即珠光体（黑
11、色细条及斑点状）和共晶渗碳体（亮白色）9 过共晶白口铁 铸态 菜氏体（暗色斑点）和一次渗碳体（粗大条片状）4%硝酸洒精溶液四、实验报告要求1. 明确本次实验的实验目的；2. 画出所观察的组织示意图，并注明材料名称、含碳量、浸蚀剂和放大倍数。显微组织图画在直径为 30mm的圆内，并将组织组成物名称以箭头引出标明；3 据所绘组织示意图，估算 40钢的碳的质量分数；4说明碳的质量分数对铁碳合金组织和性能的影响；5. 写出本次实验的心得体会。实验二 碳钢热处理组织观察（必做）一、实验目的1、了解碳钢的基本热处理方法（退火、正火、淬火、回火）及意义；2、观察碳钢经不同形式热处理后显微组织的特点；3、了解
12、热处理工艺对碳钢组织和性能的影响。二、实验仪器设备及材料1、XDJ-200 型金相显微镜2、45 钢及 T12钢经不同热处理后的试样及其金相图谱三、实验原理概述图 2-1 铁碳合金加热和冷却临界点 图 2-2 共析钢过冷等温转变动力学曲线1、退火：常用的退火工艺有完全退火、球化退火、去应力退火等。完全退火的主要目的是改善组织、细化晶粒、降低硬度、改善切削加工性。一般常用于一些对强度要求不高的亚共析成分的碳钢及合金钢零件的最终热处理或作为某些重要零件的预先热处理。经完全退火以后，亚共析钢的室温组织为块状铁素体和珠光体组成，其显微组织见 “实验一 铁碳合金平衡组织观察与分析”；球画退化的目的主要是
13、改善组织、降低硬度、改善切削加工性，为以后淬火做准备，减少工件淬火变形和开裂。主要用于共析成分和过共析成分的碳钢及合金钢，使钢中的层片状珠光体和网状渗碳体发生球化，得到硬度更低韧性更好的球状珠光体组织。T12 钢球化退火以后的组织如图 2-3所示，其中亮白色的圆颗粒为渗碳体，亮白色的基体为铁素体，画组织示意图时，只需画出圆颗粒渗碳体，其余的基体就是铁素体。图 2-3 T12钢 780球化退火 图 2-4 45钢 860空冷4%硝酸酒精溶液 500 4%硝酸酒精溶液 5002、正火：与退火明显的区别就是冷却速度较快，得到的组织要比退火组织细。其主要目的是细化组织，适当的提高硬度和强度，改善切削加
14、工性。一般用于普通结构件作为最终热处理，低中碳钢的预先热处图 2-5 T12钢 空冷 4%硝酸酒精溶液 500 图 2-6 45钢 750水冷 4%硝酸酒精溶液 500理，过共析钢消除网状渗碳体。45 钢经正火后的显微组织如图 2-4所示，45 钢正火组织中亮白色的铁素体比退火明显少，暗黑色的组织为细珠光体或屈氏体。T12 钢正火组织中，二次渗碳体不再是退火态网状，而变为不连续的网状或颗粒状，画组织示意图时，先画出不连续网状或颗粒状的渗碳体，再画出珠光体组织。1、 淬火：淬火的主要目的是获得马氏体组织，提高硬度和耐磨性，是发挥钢铁材料性能潜力的重要手段之一。将 45钢加热到 760（即AC 1
15、以上） ，保温一定时间后在水中冷却，即为不完全淬火，根据Fe-Fe3C相图可知，在此温度 45钢中部分铁素体尚未转变为奥氏体，因此淬火后得到的显微组织为暗黑色板条马氏体和针状马氏体基体上分布着亮白色块状铁素体，显微组织如图 2-6 所示，画组织示意图时，可以先画出亮白色块状的铁素体，再画出平行束状的暗黑色板条马氏体和“人”字形针状马氏体基体；45 钢经正常淬火即加热到 860（即AC 3以上） ，保温一定时间后在水中冷却，将获得暗黑色板条马氏体和针状马氏体的混合组织，显微组织如图 2-7 所示。若将淬火温度提高到 1200，即过热淬火，此时由于奥氏体晶粒长的比较粗大，经淬火后将得到粗大板条马氏
16、体和针状马氏体组织；显微组织如图 2-8 所示。如将 45钢加热到正常淬火温度，然后在油中冷却，则由于冷却速度较慢，将得到细小的暗黑色马氏体及沿原奥氏体晶界呈网状分布的黑色团状屈氏体，显微组织如图 2-9 所示。画组织示意图时，先画出网状分布的黑色团状屈氏体，再画马氏体。图 2-7 45 钢 860水冷 4%硝酸酒精溶液 500 图 2-8 45 钢 1200水冷 4%硝酸酒精溶液 500T12钢经正常温度 760（即AC 1以上）淬火后的显微组织为暗黑色细小的“人”字形针状马氏体和部分亮白色未溶的颗粒状渗碳体，在马氏体之间有一定数量的亮白色残余奥氏体，显微组织如图 2-7 所示。若将淬火温度
17、提高到 1000（即ACcm以上） ，即过热淬火，显微组织为暗黑色粗大的“人”字形针状马氏体和部分亮白色的残余奥氏体，显微组织如图 2-8 所示。4、回火：淬火钢经不同温度回火后所得到的组织不同，通常按回火温度不同和组织特征及性能要求分为三种：低温回火、中温回火和高温回火。（1）低温回火：淬火钢经低温回火（150250）所得到的组织为回火马氏体，颜色要比正常淬火马氏体深。回火马氏体既保持了钢的高硬度、高强度和良好的耐磨性，又适当的提高了韧性，同时又降低了钢的淬火应力和脆性。因此通常适用于刀具、量具、滚动轴承、渗碳淬火件及高频表面淬火件等。图 2-9 45 钢 860油冷 4%硝酸酒精溶液 50
18、0 图 2-10 T12 钢 780水冷 4%硝酸酒精溶液 500图 2-11 T12 钢 1100水冷 图 2-12 45 钢 860水冷 200回火 4%硝酸酒精溶液 500 4%硝酸酒精溶液 50045钢的淬火后低温回火的显微组织如图 8-9所示。画组织示意图时，方法同画淬火组织示意图，但颜色较深。图 2-13 45 钢 860水冷 400回火 图 2-14 45 钢 860水冷 600回火4%硝酸酒精溶液 500 4%硝酸酒精溶液 500（2）中温回火：淬火钢经中温回火（350500 ）得到的组织为回火屈氏体。回火屈氏体是铁素体与粒状渗碳体组成的极细混合物，其形状基本上保持了原马氏体的
19、形态（板条状或针状） 。中温回火的目的是获得高的弹性极限，较高的强度和硬度，良好的塑性和韧性，淬火应力基本消失。因此，中温回火主要用于各种弹簧零件及热锻模具的热处理。45 钢淬火后中温回火的显微组织如图 2-10 所示，画组织示意图时，可先用铅笔轻轻地画出淬火马氏体的形态，然后再在马氏体形态的基础上，画出细小的颗粒状渗碳体。（3）高温回火：淬火钢经高温回火（500650）得到的组织为回火索氏体，其特征是已经聚集长大了的渗碳体颗粒均匀分布在铁素体基体上。淬火加高温回火称为调质，调质后的钢具有优良的综合机械性能，调质主要用于中碳结构钢或低合金结构钢，来制作曲轴、连杆、连杆螺栓、汽车拖拉机半轴、机床
20、主轴及齿轮等重要的机器零件。45 钢的淬火后高温回火的显微组织如图 2-11所示。画组织示意图时，方法同画T12 钢球画退火组织，但所画的渗碳体颗粒要比T12 钢球画退火组织细小得多，且分布比较均匀。四、实验步骤1、根据金相图谱，在高倍（400）观察和识别各试样的组织；2、在高倍仔细观察对比不同热处理工艺下的试样组织特征，必要时可借助油镜；3、根据组织特征，画出所观察试样的组织示意图；4、根据组织示意图，分析组织和性能及工艺用途之间的关系。五、实验要求1、明确本次实验的实验目的；2、画出所观察的组织示意图，并注明材料名称、热处理状态、浸蚀剂和放大倍数。显微组织图画在直径为 30mm的圆内，并将组织组成物名称以箭头引出标明；3、写出本次实验的心得体会。六、实验思考题1、 试比较回火索氏体和正火索氏体的组织特征及机械性能。2、 现有一批 45钢普通车床传动齿轮，其工艺路线为:锻造-热处理 1-机械加工-热处理 2，试问热处理 1和热处理 2分别为何种热处理，为什么？
