1、工程材料课程实验指导书张兰江 编聊城大学汽车与交通工程学院2006 年 9 月- 1 -目 录实验一 45 钢金相样品制备及其平衡组织观察2实验二 45 钢的热处理实验7- 2 -图 1.1 XQT 透反射显微镜 图 1.2 XJP-3A 金相显微镜实验一 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。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）主要技术参数 ：总放大倍数： 125X-1560X 目镜： 10 平场目镜、 12.5广角平场目镜
2、、10分划目镜 物镜：10、40、100平场消色差物镜（2）XJP-3A 金相显微镜（如图 1.2 所示）主要技术参数：总放大倍率：1250 倍目镜：5x 、10x、 12.5x分划目镜：10 平场消色差物镜：10、 40 、100电源：220V， 6V/15W 卤素灯（3）XJG-05 型大型金相显微镜TDYJ 金相分析软件（如图 1.3、图1.4 所示）- 3 -图 1.3 XJG-05 大型金相显微镜 图 1.4 金相图像分析系统图 1.5 PW-1B 磨抛机图 1.6 QG-3 切割机（4）PW-1B 型柜式多能磨抛机（如图 1.5）主要技术参数：砂纸直径：230mm抛盘直径：220m
3、m转速：50/1400r/min（无级）电 动 机：80 变频电机 三相 220V 050Hz（5）QG-3 金相试样切割机（如图 1.6 所示）主要技术参数：最大切割截面：85mm转速：2800/min砂轮片规格：3001.532mm电 动 机：Y100L2-2电源：380V功率： 3kW- 4 -2、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、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。（1）常用金相样品制备的基本方法如下表 1-1：表 1-1 金相样品制备的基本方法序号 步骤 方法 注意事项1 取样 在要检测的材
4、料或零件上截取样品，取样部位和磨面根据分析要求而定，截取方法视材料硬度选择，有车、刨、砂轮切割机，线切割机及锤击法等，尺寸以适宜手握为宜。无论用哪种方法取样，都要尽量避免和减少因塑性变形和受热所引起的组织变化现象。截取时可加水等冷却。2 镶嵌 若由于零件尺寸及形状的限制，使取样后的尺寸太小、不规则，或需要检验边缘的样品，应将分析面整平后进行镶嵌。热镶嵌要在专用设备上进行，只适应于加热对组织不影响的材料。3 粗磨 用砂轮机或挫刀等磨平检验面，若不需要观察边缘时可将边缘倒角。粗磨的同时去掉了切割时产生的变形层。若有渗层等表面处理时，不要倒角，且要磨掉约1.5mm，如渗碳。4 细磨 按金相砂纸号顺序
5、：120、280、01、03、05 或120、280、02、04、06 将砂纸平铺在玻璃板上，一手拿样品，一手按住砂纸磨制，更换砂纸时，磨痕方向应与上道磨痕方向垂直，磨到前道磨痕消失为止，砂纸磨制完毕，将手和样品冲洗干净。每道砂纸磨制时，用力要均匀，一定要磨平检验面，转动样品表面，观察表面的反光变化确定，更换砂纸时，勿将砂粒带入下道工序。5 粗抛光 用绿粉（Cr 203）水溶液作为抛光液在帆布上进行抛光，将抛光液少量多次地加入到抛光盘上进行抛光。注意安全，以免样品飞出伤人。初次制样时，适宜在抛光盘约半径一半处抛光，感到阻力大时，就该加抛光液了。- 5 -6 细抛光 用红粉（Fe 2O3）水溶液
6、作为抛光液在绒布上抛光，将抛光液少量多次地加入到抛光盘上进行抛光。同上。（2）金属材料常用腐蚀剂见表 1-2，其它材料的腐蚀剂可查阅有关手册。表 1-2 金属材料常用腐蚀剂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
7、组织，并画出试样的显微组织示意图。四、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（Fe 3C）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。序号 腐蚀剂名称 成分 ml（g） 腐蚀条件 适应范围1 硝酸酒精溶液 硝酸 15酒精 100室温腐蚀数秒 碳钢及低合
8、金钢，能清晰的显示铁素体晶界2 苦味酸酒精溶液 苦味酸 4酒精 100室温腐蚀数秒 碳钢及低合金钢，能清晰的显示珠光体和碳化物- 6 -图 1.7 45 钢室温显微组织（250）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 34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（Fe 3C） 是铁与碳形成的一种化合物，含碳量为 6.69。用 34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。
9、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）碳钢共析钢：含钢量为 0.77。其显微组织由单一地珠光体组成。亚共析钢：含钢量在 0.02180.77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。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
10、呈白色网络状。3、45 钢金相试样的显微组织45 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）。- 7 -图 2.1 SX-5-12 变温箱形电阻炉实验二 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1、主要设备（1）SX-5-12 箱式电阻加热炉（如图 2.1 所示）主要技术参数：工作室尺寸高深宽(mm):300200120电
11、压（V）:220相数：1功率（KW）:5最高温度（）:1200（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）：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；- 8 -图 2.2 HBRVU-187.5 布洛维光学硬度计显微镜放大倍率：37.5 倍、75 倍；试件允许最大高度：180mm；压头中心到机身距离：200mm；硬度计外形尺寸（mm）:560260760；电源电压：AC220V/50HZ；（3）数显洛氏硬度计（HRS-150）主要技术参数 初试验力
12、（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： 2088 HRB： 20100 HRC： 20702、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。图 2.4 PHR-2 便携式洛式硬度计图 2.3 RHS-150 数显洛式硬度计- 9 -三、内容与步骤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
13、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（HB180220）有利于下一步进行切削加工。 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
14、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
15、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 3050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。 - 10 -表 2-1 碳钢普通热处理的加热温度方 法 加 热 温 度 () 应用范围Ac3+(2060) 亚共析钢完全退火退 火Ac1+(2040) 过共析钢球化退火Ac3+(50100) 亚共析钢正 火Accm+(3050) 过共析钢Ac3+(3070) 亚共析钢淬 火Ac1+(3070)
16、过共析钢低温回火 150250 刃具、模具、量具、高硬度零件中温回火 350500 弹簧、中等硬度零件回火高温回火 500650 齿轮、轴、连杆等综合机械性能零件表 2-2 常用碳钢的临界点临 界 点 ()钢号Ac1 Ac3 Accm20 钢 735 855 45 钢 724 780 T8 钢 730 T12 钢 730 8202）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
17、时间：T = D式中：T 加热时间（min ）； 加热系数（min/mm）；D工件有效厚度（mm）。当碳钢工件 D50 mm，在 800960箱式电阻炉中加热时，=11.2（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- 11 -（1）退火冷却方式：钢退火时，一般采用随炉冷却到 600550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（650550）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
18、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 820840，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、结果与分析1、碳钢含碳量对淬火后硬度的影响 在正常淬火条件下，钢的含碳量越高，淬火后的硬度也越高。但含碳量大于 0.8%的钢，一般低碳钢淬后，硬度在 HRC40 左右；中碳钢淬火后，硬度可达 HRC5062；高碳钢淬火后，硬度高达 HRC6265。 2、不同的回火温度对碳钢硬度的影响 淬火钢在回火过程中发生了一系列的组织变化，这必然会引起机械性能发生相应的变化。淬火钢的回火，实质上是一个软化过程，性能变化的总趋势是，随着回火温度的升高，硬度、强度降低，而塑性、韧性提高。
