机械制造技术基础11.10.15 - 图文

《机械制造技术基础》

实 验 指 导 书

材料实验室 编 写

适用专业: 工业工程

物流管理 工商管理

江苏科技大学材料科学与工程学院

2008年9月

前 言

本课程是管理类专业一门主要学科基础课，实验内容是:钢的热处理工艺操作、硬度测试及热处理后组织观察综合实验，通过实验教学,可使学生掌握碳钢基本热处理工艺操作方法及性能测试,学会识别普通碳钢热处理后的显微组织形貌特征，训练及培养学生分析判断材料成分、组织、性能之间相互关系的综合能力。

实验1：钢的热处理工艺操作、硬度测试及热处理后组织

观察

实验学时：4 实验类型：综合 实验要求：选修 一、实验目的

（1） 了解碳钢的热处理操作；

（2） 研究碳钢加热温度、冷却速度、回火温度对钢性能的影响； （3） 观察热处理后的组织及其变化；

（4） 了解硬度计的原理、初步掌握洛氏硬度计的使用。 二、实验内容

1、按表1中的热处理工艺进行操作，并对热处理后的各样品进行硬度测定,将硬度值填入表1中。

表1 各种热处理工艺 加热温度℃ 45钢 T12 920 780 860 780 860 780 860 780 860 冷却 方式 水冷 水冷 灰冷 空冷 油冷 水冷 20钢 学号 硬度 45钢回火工艺 学 号 回火温度℃ 回火前硬度 回火后硬度 200 300 400 500 600 45钢 学号 硬度 T12钢 学号 硬度 注：保温时间可按1分钟/每毫米直径计算；回火保温时间均为30分钟，然

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后取出空冷。

2、观察下列表2热处理后的金相试样，并画出组织示意图。

表2 热处理后的金相试样

编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 钢号 20 45 45 45 45 45 T12 T12 T12 处理状态 920℃水淬 退火 正火 860℃油淬 860℃水淬 780℃水淬 1000水淬+180℃回火 780℃水淬 780℃水淬+180℃回火 760℃球化退火 860℃水淬低温回火 860℃水淬中温回火 860℃水淬高温回火 板条M F + P F + P M + B上 + T + F少 M M + F 竹叶状M + Ar 隐晶M+颗粒状Fe3C+Ar 回火M + 颗粒状Fe3C 球状P 回火M 回火T 回火S 显微组织 腐蚀剂 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 10 T12 11 45 12 45 13 45

三、实验原理、方法和手段 （一） 钢的热处理工艺：

钢的热处理基本工艺有退火、正火、淬火和回火。进行热处理时，加热是第一道工序，目的是为了得到奥氏体，因为钢的最终组织珠光体、贝氏体 和马氏体都是由奥氏体转变来的。二是保温、目的使奥氏体均匀化。三是冷却，是改变组织和性能的重要因素。因此，正确选择三个基本因素是热处理成功的基本保证。

1．加热温度的选择

（1）退火加热温度：根据Fe-Fe3C相图确定。对亚共析钢，其加热温度为；共析钢和过共析钢加热至AC1+（20～30）℃（球化退火），目的是得到球状渗碳体，降低硬度，改善切削性能。

（2）正火加热温度：一般亚共析钢加热至AC3+（30～50）℃；过共析钢加热至+（30～50）℃，即加热到奥氏体单相区。

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（3）淬火加热温度：一般亚共析钢加热至AC3+（30～50）℃，淬火后的组织为均匀细小的马氏体。如果加热温度不足（如低于AC3）,则淬火组织中将出现铁素体，造成淬火后硬度不足；共析钢和过共析钢加热至AC1+（30～50）℃，淬火后的组织为陷晶马氏体与粒状二次渗碳体。未溶的粒状二次渗碳体可以提高钢的耐摩性。的粒状二次渗碳体可提高钢的硬度和耐磨性。过高的加热温度（高于ACCM），会因得到粗大的马氏体，过多的残余奥氏体而导致硬度和耐磨性下降，脆性增加。

（4）回火温度：钢淬火后都要回火，回火温度决定于最终所要求的组织和性能（工厂中常常是根据硬度的要求）。按加热温度不同，回火可分为三类：

低温回火：在150～250℃回火，所得组织为回火马氏体，硬度约为HRC57-60，其目的是降低淬火应力，减少钢的脆性并保持钢的高硬度。一般用于切削工具、量具、滚动轴承以及渗碳和氰化件。

中温回火：在350～500℃回火，所得组织为回火屈氏体，硬度约为HRC40-48，其目的是获得高的弹性极限，同时有高的韧性。因为它主要用于各种弹簧及热锻模。

高温回火：在500～650℃回火，所得组织为回火索氏体，硬度约为HRC25 -35，其目的是获得既有一定强度、硬度、又有良好的冲击韧性的综合机械性能，常把淬火后经高温回火的处理称为调质处理，因此一般用于各种重要零件，如柴油机连杆螺栓、汽车半轴以及机床主轴等。

2．保温时间的确定

为了使钢件内外各部分温度均匀一致，并完成组织转变，使碳化物溶解和奥氏体成分均匀化，就必须在淬火加热温度下保温一定时间，通常将钢件升温和保温所需的时间计算在一起，统称为加热时间。

在具体生产条件下，工件加热时间与钢的成分、原始组织、工件几何形状和尺寸，加热介质、炉温、装炉方式等许多因素有关。

对于本实验中的碳钢，保温时间为：工件的有效加热厚度?1分钟/毫米。如果是火焰炉、电炉所需加热及大约直径，如果是盐浴炉则缩短1-2倍。合金钢加热时间要增加25-40%。

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回火时的加热、保温时间，应与回火温度结合起来考虑。一般来说，低温回火时，由于组织不稳定，内应力消除不充分，为了稳定组织、消除内应力，使零件在使用过程中性能与尺寸稳定，回火时间要长一些，一般不少于1.5-2小时。高温回火时间不宜过长，过长会使钢过分软化，对有的钢种甚至造成严重的回火脆性，所以一般为0.5-1小时。

3． 冷却速度的影响

冷却是淬火的关键工序，一方面冷却速度要大于临界冷却速度，以保证得到马氏体，另一方面又希望冷却速度不要太大，以减小内应力，避免变形和开裂，为此，根据c曲线考虑，淬火工件必须在过于奥氏体最不稳定的温度范围（650～ 550℃）进行快冷，以超过临界冷却速度，而在MS(300～200℃)点以下，尽可能慢冷以减小内应力。为了保证淬火质量，应适当选用适当的淬火介质和淬火方法,见表3常用淬火介质的冷却能力

表3常用淬火介质的冷却能力

淬 火 冷 却 速 度 ℃/秒

介 质 650～ 550℃ 300～200℃

18℃的水 600 270 20℃的水 500 270 50℃的水 100 270 74℃的水 30 200 10%NaCl水溶液18℃ 1100 300 10%NaOH水溶液18℃ 1200 300 10%NaCO3水溶液18℃ 800 270 肥皂水 30 200 矿物油 150 30 变压器油 120 25

（二）钢热处理后的基本特征：

共析钢连续冷却曲线如图1所示。

炉冷得到100%珠光体，空冷得到细片状珠光体或称索氏体。油冷得到少量屈氏体和马氏体。水冷得到马氏体和少量残余奥氏体。随着成分和热处理条件不同，钢热处理后的组织各不相同，基本组织特征如下：

（1）索氏体（s）是铁素体与片状渗碳体的机械混合物，其层片分布比珠光体更细密，在显微镜的高倍（700 左右）放大下才能分辨出片层状，它

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比珠光体具有更高的强度和硬度。

（2）屈氏体（T）也是铁素体与片状渗碳体的机械混合物，片层分布比索氏体更细密，在一般光学显微镜下无发分辨，只能看到黑色组织如墨菊状，当其少

A1空冷水冷Vk油冷MsMf时间(lgτ)炉冷

图1 共析钢连续冷却曲线

量析出时，沿晶界分布呈黑色网状包围马氏体，当析出量较多时则呈大块黑色晶粒状。只有在电子显微镜下才能分辨出其中的片层状。

（3）贝氏体（B）贝氏体也是铁素体与渗碳体的两相混合，但其金相形态与珠光体不同，因钢的成分和形成温度不同，其组织形态主要有三种：

上贝氏体 是由成束平行排列的条状铁素体和条间断断续续地分布着细条状渗碳体所组成。当转换量不多时，在光学显微镜下可以观察到成束的铁素体条向奥氏体晶界内伸展，具有羽毛状特征，如图2所示。在电子显微镜下可看到铁素体以几度到十几度的小位向差相互平列着，渗碳体沿条的长轴方向排列成行。上贝氏体中铁素体的亚结构是位错。

下贝氏体 是在具有一定过饱和的针状铁素体的内部沉淀 有碳化物的组织，由于下贝氏体易受浸蚀，所以在显微镜下观察呈黑色针状。

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图2上贝氏体显微组织（羽毛状）

在电镜下观察可以看到，它是以片状铁素体为基，其中分布着很细的s碳化物片，这些碳化物片大致与铁素体片的长轴呈55-65°的角度。下贝氏体中的铁素体亚结构是位错。

粒状贝氏体 粒状贝氏体是最近十几年才被确定的组织。在低中碳合金钢中，特别是在连续冷却时（如 正火、热轧空冷或焊接热影响区）往往回出现这种组织，在等温冷却时也可能形成。其特征是较粗大的铁素体块内有一些孤立的小岛状组织，原先富碳的奥氏体区在其随后的转变可以有三种情况（a）分解为铁素体和碳化物，（b）发生马氏体转变，(c)仍然保持为富碳的奥氏体。

(4) 马氏体（M） 是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，马氏体的组织形态是多种多样的，归纳起来分为两大类，即板条状马氏体和片状马氏体。

板条状马氏体 在光学显微镜下，板条马氏体的形态呈现一束束相互平行的细长条状马氏体群，在一个奥氏体晶粒内可有几束不同取向的马氏体群。每束内的条与条之间的小角度晶界分开，束与束之间具有较大的相位差，如图3所示，由于条状马氏体形成温度较高，在形成过程中常有碳化物析出，即产生自回火现象，故在金相实验时，易被腐蚀而呈现较深的颜色。在透射电镜下观察可以看到马氏体群是由许多平行的板条所组成，且发现板条马氏体晶内亚结构是高密度的位错，因此条状马氏体又称为位错马氏体，因含碳低的奥氏体形成的马氏体呈板条状，故板条马氏体又称低碳马氏体。

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图 3条状马氏体显微组织

片状马氏体 在光学显微镜下，片状马氏体呈现针状或竹叶状，其立体形态为双透镜状，因此成温度较低没有自回火现象故其显微组织不易被浸蚀，所以颜色较浅，在显微镜下呈白亮色。透射电镜观察片状马氏体晶体内部为孪晶亚结构，故片状马氏体又称孪晶马氏体，因含较高的奥氏体形成的马氏体呈片状，故片状马氏体又可称高碳马氏体。

马氏体的粗细取决于原奥氏体晶粒的大小，即取决于淬火加热温度如高碳钢在正常温度下淬火加热，淬火后可得到细小针状的马氏体，在光学显微镜下，仅能隐约见其针状，故又称为陷晶马氏体。如淬火温度较高，奥氏体晶粒粗大，则得到粗大针状如图4所示。

（5）残余奥氏体（Ar） 当奥氏体中含碳量>0.5%时，淬火时总有一定量的奥氏体不能转变为马氏体，而保留到室温，这部分奥氏体就是残余奥氏体，它不易受硝酸酒精腐蚀剂的浸蚀，在显微镜下呈白亮色，分布在马氏体之间，无固定形态，淬火后未经回火，Ar与马氏体很难区分，都呈白亮色，只有马氏体回火后才能分辨出马氏体间的残余奥氏体。

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图4 粗大竹叶状马氏体+Ar

（6）回火马氏体（Mr） 高碳马氏体经低温回火后，马氏体分解，析出了与母相共格的极细小弥散的碳化物。这种组织称为回火马氏体。由于极小的碳化物析出使回火马氏体易受浸蚀，所以在光学显微镜下观察回火马氏体仍保持针状马氏体形态，只是颜色比淬火马氏体深，但极细小的碳化物分辨不清。在电子显微镜下则可观察到细小的碳化物。

（7）低碳条状马氏体 低温回火以后，马氏体只发生碳原子的偏聚，尚未析出碳化物，在光学和电子显微镜下观察，低碳回火马氏体仍然保持条状形态。中碳钢淬火以后得到条状马氏体和片状马氏体的混合组织，回火后其中片状马氏体易受浸蚀，颜色变深。

（8）回火屈氏体 淬火钢进行中温回火以后，得到回火屈氏体。它的金相组织特征是：在铁素体基体上弥散分布着微小的粒状渗碳体，铁素体，铁素体仍然基本保持原来的条状或片状马氏体的形态，渗碳体颗粒很细小，在光学显微镜下不易分辨清楚，故呈暗黑色。用电子显微镜可以肯到这些渗碳体的质点，而且回火屈氏体仍然保持针状马氏体的位向。

（9）回火索氏体 淬火钢高温回火得到回火索氏体，金相组织特征是已经聚集长大了的渗碳体颗粒均匀分布在再结晶的铁素体基体上。

但是某些合金钢经调质处理后，铁素体仍然保持针状形态，因合金元素对于铁素体的再结晶有阻碍作用，须更高的温度才能完成再结晶。 四、实验组织运行要求

根椐本实验的特点要求及具体条件，采用集中运行模式组织教学

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五、实验设备和材料

（1） 箱式电阻炉和控温仪表； （2） 金相显微镜： （3） 洛氏硬度计；

（4） 淬火水桶、油桶、火钳、砂纸等, 20钢、45钢、T12钢试样若

干，尺寸分别为 12×12mm、13×14mm；15×14mm

（5） 金相试样一套； （6） 金相图谱一套。 六、实验步骤

1、领取试样进行热处理工艺实验，炉冷试样由灰冷来代替。

2、同一加热温度的20钢、45钢和T12钢试样放入920℃、860℃、780℃、炉子内加热，保温后分别进行水冷、油冷、空冷和灰冷操作。 3、将水冷试样中取出5块45钢试样分别放入200℃300℃400℃500℃600℃的炉中进行回火、回火保温时间为30分钟。 4、洛氏硬度测试 七、思考题

1. 试分析T12钢780℃水淬200℃回火与T12钢1100℃水淬200℃回火

的组织区别,性能区别,说明过共析钢淬火温度如何选择？

2. 分析45钢760℃水淬与45钢860℃油淬组织区别。若45 钢淬火后硬

度不足，如何根据组织分析原因是淬火加热温度不足还是冷却速度不够

八、实验报告 1. 实验目的。

2. 根据实验测试数据及观察到的显微组织综合分析 a、加热温度与冷却速度对钢性能的影响；

b. 不同回火温度对材料性能的影响,绘制45钢回火温度与硬度关系曲线,

c. 观察热处理后的金相组织，并画出组织示意图 九、 其它说明

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（1）实验前仔细阅读实验指导书。 （2）热处理操作及注意事项

a、装取试样时炉子要断电，装取试样后炉门要及时关好，并立即通电。 b、试样加热时，尽量靠近热电偶测出的温度接近试样温度。 c、实验中注意计算保温时间；保温时要注意温度控制仪表是否正常，以免跑温或升温太慢，发现问题应报告老师检查。

d、淬火冷却时，将试样迅速入油或入水。并不停地移动试样，且不要拿出液面。

e、热处理后测定硬度，并填写在表2中。 f、测硬度前要将试样的氧化皮磨掉。 （3）观察显微试样的基本步骤：

b、根据试样的成分、热处理工艺，对照相图和 C曲线分析可能出现的组织。

c、正确选择放大倍数，组织粗的可选低倍，组织细的可选高倍。先用低倍。低倍观察视场，组织特征较明显，观察较全面，然后对其中有代表性的区域用高倍观察，高倍观察范围较局限，但能看到局部组织的细节。

d、显微镜观察时要根据观察重点深入的原则，选择其中有代表性的区域进行重点观察。

e、根据组织的形成特点和组织的特征画出组织示意图，注明材料、热处理工艺、放大倍数、腐蚀剂、组织名称等。

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实验2：热加工的常见宏观微观缺陷

实验学时：2 实验类型：验证 实验要求：选修 一、实验目的

(1)熟悉铸造、锻造、焊接、热处理等工艺中常见缺陷的类型； (2) 熟悉常见缺陷的宏观及微观组织的特征、形成原因及影响。 二、实验内容

1、提问与讨论相结合，弄清热加工过程中常见缺陷，形成原因，对材料质量的影响、消除办法。

2、观察若干宏观缺陷样品（见表１）及热加工显微缺陷试样，画下显微缺陷组织示意图。 表１

缺陷名称 集中缩孔 皮下气泡 一般疏松 比重偏析 锻件过烧 锻裂 淬火裂纹

形貌特征 分析原因 影响

三、实验原理、方法手段 1．铸锭、铸件、铸钢中常见缺陷

(1)缩孔 多数金属在凝固时均发生体积收缩，因此缩孔难以避免。缩孔可分为集中缩孔与分散缩孔。一般集中缩孔控制在钢锭或铸件的冒口处，然后加以切除。若缩孔较深切除不净时即成为残余缩孔或因铸型设计不当，铸锭上部而基本凝固，因心部在冷凝时未能及时得到液体金属的补充，即形成二次缩孔。

残余缩孔或二次缩孔呈中心树根状孔洞，在缩孔附近一般会出现密集的夹

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杂物、疏松或偏析，以此作为区别残余缩孔与各种内裂的依据。铸件中存在缩孔，显著地降低其力学性能，甚至在使用过程中发生断裂事故，有缩孔存在的钢锭，经轧制而未能良好焊合的缩孔，需完全切除，否则在继续加工中导致锻造裂纹或板材、带材的分层现象。

(2)气泡 凝固时由液体金属中释放的气体，因浇铸条件不良如铸型生锈、涂料中存在较多水分与金属液作用产生的气体，在金属已完全凝固时很难逸出，于是有一部分就包容在处于塑性状态的金属中而形成气孔即气泡。 铸件中最常见的气泡呈圆形或椭圆形。一般由液态金属中析出的气体而形成的气泡壁具有金属光泽，表面光滑，如图1所示。

图1 气泡

图2 皮下气泡

在钢锭表面或附近的气泡称为皮下气泡。常由铸型生锈或涂料不当而产

生，呈圆形或椭圆形光滑孔洞，热加工后呈垂直于表面的裂纹。见图2。 气泡减少铸件的有效截面，由于缺口效应大大降低材料的强度；铸锭中的气泡通过热加工可以焊合，但压力加工中可能被氧化而不能焊合，导致细

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裂纹或裂缝或分层现象。

(3)疏松 凝固时枝晶间隙因得不到液体补充，而形成的显微缩孔。 大的疏松在经切削加工后的表面上用肉眼或低倍放大镜即能观察到，而小的疏松则经酸蚀后才能发现或用显微镜进行观察。疏松集中于钢坯轴心部分称为中心疏松。

钢锭中的疏松经压力加工可得到很大改善，但严重者，因压力加工时压缩比不够等原因仍存在，如在钢锭残余缩孔、气泡因焊合不良处仍可能存在疏松。

疏松的存在影响铸锭及铸件的致密度和机加工后的表面光洁度，降低其力学性能；对用作液体容器或管道的铸件，若存在相互联接的疏松时，不能通过水压试验或在使用中发生渗漏现象而报废。

(4)偏析 铸件或铸锭中化学成分不均匀的现象。常见有枝晶偏析、方框偏析、比重偏析。

① 枝晶偏析 固溶体合金凝固过程中，由于扩散不充分，使得同一个晶粒内后凝固的部分与先凝固的部分成分不同，愈靠近枝晶中心则富含高熔点的组元，愈靠近枝晶边缘则富含低熔点组元，因此凝固后便存在晶粒范围内的成分不均匀现象，经磨片浸蚀呈现树枝状分布。这种偏析在铸钢中尤其常见。

同理，各个树枝状晶体之间最后凝固的部分，通常为低熔点组成物和不可避免的杂质，它们与晶粒本身的成分不同，称为晶间偏析。

② 方框偏析 在钢锭的横截面上，因凝固时杂质被推向柱状晶的前沿，聚集在与中心等轴晶相遇处，酸蚀后出现腐蚀较深的方框区域。方框偏析是钢锭中的一种区域偏析。钢锭中存在区域偏析，特别是硫偏析(可富集达300～400%)、磷偏析(可富集达100—200%)强烈地降低钢的质量，并给以后的加工造成种种困难，导致材料的损害和机件的破坏。如硫偏析能破坏金属的连续性，在钢锻造时引起热脆，在轧制钢板时产生夹层，在承受交变载荷的零件中是引起疲劳断裂的主要原因之一。磷偏析使钢具有冷脆性，并促使钢的回火脆性。

③ 比重偏析 产生在凝固的早期，由于组成相之间比重相差悬殊，轻者上浮，

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重者下沉，从而导致上下成分不均匀的现象。例如Pb—Sb(15%)合金，在结晶过程中，先共晶的Sb相比重较小，而共晶(Pb+Sb)的比重较大，因而Sb晶体上浮，而(Pb+Sb)共晶下沉，结果合金的组织极不均匀，导致零件报废。铸铁中的石墨漂浮也是一种比重偏析。

增大铸件的冷却速度，使组成相来不及上浮下沉；加入第三种合金元素，使其形成高熔点的比重不同的固溶体或化合物，在结晶初期形成树枝状骨架晶体，阻止相的沉浮，均能有效地防止比重偏析。

(5)魏氏组织 是铸钢中常见的一种缺陷组织，如3所示。亚共析钢铸造后，在高温下形成的奥氏体晶粒往往比较粗大，并以一定速度冷却时，铁素体与奥氏体以一定的共格关系析出，铁素体由晶界向晶内呈针大，使材料冲击韧性下降，进行退火或正火可消除。

图3 魏氏组织

2．锻造缺陷

(１)带状组织 如图4所示。亚共析钢终锻温度过低，低于A3至A1之

间

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图4 带状组织

时，正处在奥氏体分解的情况下，使奥氏体按金属加工流动方向析出铁素体，而尚未分解的奥氏体也被带状分布的铁素体分割呈带状，当继续冷到A1以下时，则奥氏体分解的珠光体必然保持原奥氏体带状。此外，钢中非金属夹杂物的存在可促使带状组织的形成。因夹杂物被加工时按金属变形流动方向延伸排列，当温度降至A3以下时，它们可成为铁素体的结晶核心，所以铁素体围绕夹杂物呈带状分布，然后奥氏体分解的珠光体也必然存在于带状铁素体之间。

具有带状组织缺陷的钢材，其性能有显著的方向性。热加工引起的带状组织，可通过完全退火消除。

(２)过热 因加热温度超过正常锻造温度。一般显微组织表现为：晶粒粗大、铁素体沿晶界析出较粗和出现魏氏组织。使钢的冲击韧性和塑性显著下降。例如45钢锻制的曲轴，在锻造后机加工时断裂，其断口为萘状。显微组织为珠光体+铁素体沿粗大晶界分布，并出现魏氏组织和在铁素体晶界上有少量硫化物夹杂。

过热的本质：钢在高温加热过程中，硫化物等夹杂物逐渐向奥氏体中溶解，而在随后的冷却过程中，钢中的硫化物夹杂以细小的球状粒子重新在原奥氏体晶界上析出，奥氏体化的温度越高，时间越长，奥氏体晶粒长大的趋势越大，MnS粒子越多。晶界的结合力将大为减弱，易导致脆断。

(３)过烧 过烧是在过热基础上进一步恶化的结果，它和过热的区别在于过烧钢的粗大晶界已被脆性的硫化物等夹杂的质点和金属熔化的空洞所分隔开，即奥氏体晶界开始熔化。所以，锻件过烧会使金属内部和表面造成裂纹或龟裂。过烧严重的锻件、进行敲击时无金属响声。在进行锻打时，会使金属碎裂成豆渣状，锻件表面可看到极为严重的氧化皮。 过热可通过重结晶正火或退火消除，而过烧一般无法挽救。

(４)停锻温度过低 高合金钢在900℃以下还继续锻打，钢内发生相变，使钢的热塑性显著下降，而金属内部的相变应力不断增加，此时锻打变形时产生的应力超过材料强度，即发生开裂。高合金钢锻坯因停锻温度过低，冷却速度太快，使锻件沿切应力最大的对角线处开裂。

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3．热处理缺陷

热处理缺陷以淬火后的缺陷最重要，主要包括淬火裂纹、过热、过烧、淬火软点、硬度不足等。重要零件热处理淬火时，往往因淬火开裂而报废，全功尽弃，为此，这里着重介绍淬火裂纹的特征和形成。

(1)淬火裂纹 淬火裂纹是淬火冷却时形成的拉应力超过材料微裂纹扩展所需的临界应力时形成的宏观裂纹。 淬火裂纹的特征：

①多数情况裂纹由表面向心部扩展，宏观形态较平直。

②从宏观和微观看，裂纹两侧均无氧化、脱碳现象(淬火后在氧化气氛中进行过高温回火除外)，由于淬火裂纹是产生在马氏体转变之后，所以裂纹两侧无氧化脱碳现象。显微组织与其他部位毫无区别。

③在显微镜下看，淬火产生的裂纹，大多沿原奥氏体晶界和马氏体晶体所产生，裂纹由粗变细，尾部细尖。

特征②是区别淬火裂纹与非淬火裂纹的重要依据。

淬火裂纹产生的原因可从两方面来考虑，一是造成较大拉应力因素：二是材质有何缺陷，以致强度和韧性降低。 增大淬火内应力因素：

①零件设计不合理，如有尖角、截面突变，或销孔、键槽等均易引起应力集中。工件厚薄悬殊，有尖角，裂纹开始於尖角处，由于应力集中引起淬火裂纹。

②冷却太强烈，如淬油的淬了水；不该冷透的冷透了等等。 ③淬火时入水方式不当，以至冷却不均应力不均。 ④淬火后未能及时回火等等。

以上原因引起的淬火裂纹，显微组织无异常变化。 材料缺陷引起淬裂的原因：

①淬火温度偏高，产生过热，奥氏体晶粒粗大，淬火后形成粗大的马氏体，容易开裂，特别是高碳马氏体，常伴有微裂纹，危险更大。这种裂纹的特征是沿原奥氏体晶界扩展。

②钢材中存在着网状碳化物等脆性相，在淬火时易沿脆性碳化物网络开

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裂。

③钢材存在严重偏析，淬火后组织不均匀，且内应力较大，不均匀，容易开裂。

④零件表面脱碳，淬火时表层体积膨胀小，受到两向拉应力，容易形成龟裂。

(2)脱碳 钢件在氧化介质(如O2、CO2、H20等)中进行长时间加热保温，使其表面层中碳含量全部或部分损失的现象叫脱碳。脱碳是工具、弹簧、轴承等重要钢件的主要缺陷之一，它使其表面硬度、耐磨性、强度、疲劳强度都显著降低。一般脱碳层在技术条件许可的情况下可从工件上去掉，如果不能，只有报废。

4、焊接过程形成的缺陷

焊接与其他热加工工艺相比，是最容易出现缺陷的一种工艺。在焊接过程中，由于材质和焊接工艺不当等因素，焊接接头会产生各种缺陷，主要有：裂缝、气孔、夹渣、未焊透等。 四、实验组织运行要求

根据本实验的特点、要求和具体条件，本实验采用集中授课形式。 五、实验条件

实验所需设备及材料

金相显微镜；放大镜、彩电、摄像机； 宏观缺陷样品一套； 显微缺陷样品一套； 缺陷金相图谱一套。 六、实验步骤

1、观察所列宏观缺陷的特征、分析其形成原因。

2、观察下列热加工显微缺陷、分析其特征、画出组织示意图。 七、思考题

1、如何识别锻裂、淬火裂纹、磨削裂纹。 八、实验报告要求

1、简述实验目的、实验内容。

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2、选画几种显微缺陷组织示意图，指出主要特征、形成原因，防止办法。 3、观察宏观缺陷试样并完成表１中的内容。

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实验3：焊接接头的组织和性能分析

实验学时：2 实验类型：验证 实验要求：选修 一、实验目的

1、观察焊缝和热影响区及母材金属的显微组织

2、分析焊接接头不同组织对性能的影响 二、实验内容

焊接工艺是一种应用极为广泛的热加工成型工艺。在现代船舶、石油、化工、电力、机器制造、桥梁和国防工程上，许多产品都使用焊接结构。为了仔细分析焊缝金属组织和检查焊缝质量，除了外部检查法、机械性能试验、X射线和γ射线透视法、电弧检查法以及水压试验等方法外，金相分析方法是一个重要的、占有突出地位的手段之一。焊接接头的金相检验一般也分为宏观分析和显微分析二种。利用宏观分析可以观察到焊缝柱状晶，检查焊缝组织是否存在裂缝、气泡、夹渣、偏析、未焊透等缺陷。利用微观分析可以观察到焊缝区、热影响区、母材的组织形貌,了解其性能，从而调整和进一步确定焊接工艺。本次实验重点是微观组织分析,检验焊接接头的焊缝区、热影响区及母材组织。对于焊接件来说，热影响区是影响焊接接头质量的最重要的区域。焊接件的损坏通常不在焊缝区而在热影响区内。因此研究和观察焊缝热影响区组织是这次实验的重要任务。 三、实验原理、方法和手段

焊接接头的形成过程实际上是利用电弧(热源)产生的高温(4000～7000℃)使被焊金属局部加热 发生熔化，同时加入填充的金属(焊条、焊丝)熔化滴入，形成金属液体溶池。当电弧移开时，由于周围冷金属导热，使熔池的温度迅速降低，熔池凝固成焊缝。熔池周围的母材金属，由于电弧的热作用，从室温以上一直被加热到熔化温度范围，这部分被加热的母材金属，也随电弧的移开而被冷却下来，于是形成一个焊接接头。

1、焊接接头的宏观组织 见图1,可分为三个部分；

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(1)中心为焊缝区；组织主要特征是形成柱状晶。其生长有明显的方向性，与散热最快的方向一致，即垂直于熔合线向焊缝中心发展。 (2)靠近焊缝的是热影响区；颜色略深的区域 (3)两边为未受影响的母材金属。

2、焊接接头的显微组织,见图a、b、c、d

(1)焊缝区的显微组织 见图a 从焊缝宏观组织观察，焊缝凝固后的组织主要特征之一是形成柱状晶。其生长有明显的方向性，与散热最快的方向一致，即垂直于熔合线向焊缝中心发展。对于常用的焊接结构钢(如低碳钢)从液态到固态的一次结晶形成柱状晶奥氏体，然后进一步冷至室温还要经历二次结晶过程,呈柱状晶的奥氏体在冷却过程中分解为铁素体和珠光体。见图a，由于含碳较低，有先共析铁索体沿奥氏体晶界析出，把原奥氏体柱状晶轮廓勾划出来，也称为柱状铁素体。柱状铁素体十分粗大，其间隙中为少量珠光体，往往呈魏氏组织形态。

若为多层焊接，焊缝二次结晶组织变为细小铁素体加少量珠光体组织。这是由于后一层焊缝相对前一层焊缝进行再加热，使其发生相变重结晶，从而柱状晶消失，形成细小的等轴晶。

合金钢焊缝二次结晶的组织，由于受到合金元素和焊接条件的影响而会出现不同的组织。一般焊缝中合金元素含量少时，类似于低碳钢焊缝组织，当焊缝中合金元素较多，淬透性较好或冷却速度较快时出现贝氏体—马氏体组织。

(2) 热影响区的显微组织 见图b图c图d ,在焊接过程热循环(加热和冷却)的作用下，焊缝附近的热影响区相当于经历了“特殊的热处理”过程一样。热影响区各部分由于离熔池距离不同而被加热到不同的温度，焊后冷却时又以不同的冷却速度冷却下来，因此，使该区组织变化复杂。

由于焊缝周围金属的导热作用，焊缝和热影响区的冷却速度很快，有时可达淬火的程度。冷却速度受材料的导热性、板厚和接头形状及钢板在焊前初始温度(包括环境温度或预热温度)等因素的影响。钢板尺寸越大，冷却越快，钢板初始温度越高(预热)，冷却越慢。

用于焊接的结构钢可分为两类：一类是低碳钢和普通低合金钢如20钢，

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A3钢，16Mn， 15MnTi等，另一类是中碳钢和调质合金钢等。前者叫不易淬火钢，后者叫易淬火钢。

不易淬火钢的热影响区组织 现以20钢为例，分析热影响区的组织变化。图2为热影响区和铁碳相图之间的关系。

热影响区可分为四个区域: 熔合区 , 即熔合线附近焊缝金属到基体金属的过渡部分，温度处在固相线与液相线之间，金属处于局部熔化状态，晶粒十分粗大，化学成分和组织极不均匀，冷却后的组织为过热组织，呈典型的魏氏组织，见照片b，照片上半部是焊缝组织为柱状结晶的铁索体和珠光体，照片下半部为热影响区半溶化段，温度最高，呈魏氏组织。这段区域很窄(0.1～lmm)，金相观察实际上很难明显的区分出来，但该区对于焊接接头的强度、塑性都有很大影响，往往熔合线附近是裂纹和脆断的发源地。 过热区(粗晶粒区) 加热温度范围

TKS~TmTKS(为晶粒开始急剧长大温

度，Tm为熔点)，当加热至l100℃以上至熔点，尤其在1300℃以上，奥氏体晶粒急剧粗化，焊后空冷条件下呈粗大的魏氏组织(见照片b下半部组织)，塑性韧性降低，使接头处易出现裂缝。

图2 焊接热影响区和铁碳相图的关系 (a)热影响区的组织示意图 (b)铁碳相图

细晶区(正火区) 即相变重结晶区，加热温度范围Ac3~Tks之间，约为900～

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1100℃，全部为奥氏体．，空冷后得到均匀细小的铁素体+珠光体组织，见照片c，相当于热处理中的正火组织，故又称正火区。

部分相变区，即不完全重结晶区，加热温度AC1~AC3，约750～900℃，钢被加热到奥氏体+部分铁素体区域，冷却后的组织为细小铁素体+珠光体+部分大块未变化的铁索体。见照片d，晶粒大小不均匀。

温度在AC1以下区域，组织保持母材的原始组织：铁素体+珠光体。见照片e。

四、实验组织运行要求

根据本实验的特点,要求和具体条件,采用集中授课形式组织教学 五、实验条件

1、20钢焊接接头,手工电弧焊,宏观及微观样品； 2、金相显微镜、电视机、投影仪；

3、有关金相图谱。硝酸、烧杯、砂纸、竹夹、棉球、塑料盆等 六、实验步骤

1、焊接接头的宏观组织观察:

将焊接接头在砂纸上磨光擦净,试样放入塑料盆中,观察面朝上,用竹夹夹住棉球,沾烧杯中的10%硝酸水溶液擦蚀,当观察看到明显的三个晶区时,冲洗试样, 观察检查焊接接头,本试样检查后未见气孔、夹渣、裂缝、未焊透等焊接缺陷,见焊接接头组织示意图。。

2、焊接接头的显微组织观察:先用低倍(80-100倍)观察整个焊接接头组织变化的特点,再用较高放大倍数(400倍)观察焊缝及热影响区各部位显微组织特征，并在30mm圆内,画出“焊缝”、“熔合区”、“过热区”、“正火区”、“部分相变区”、“母材”金相组织示意图。 七、思考题

简述魏氏组织的形成及对材料性能的影响?

八、实验报告 l、实验目的

2、画出焊接接头宏观组织示意图，注明不同区域。

3、画出焊接接头不同区域显微组织示意图，并注明名称、工艺、腐蚀剂

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放大倍数、区组织组成物。

4、分析焊接接头不同区域组织和常见缺陷对性能的影响。 九、其它说明

本课程的三份实验报告统一用学校标准实验报告簿,并装订成册

图1宏观组织 图b熔合区 、粗晶区

图d部分相变区

图a焊缝区

图c细晶区

图e母材

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