机自 05-5 代银 吴源重 李富平（模版） - 图文

工程材料综合实验

机械设计制造及其自动化10-5

实验者：陈海霞 学号：10131105

徐艳婷 学号：05041522 赵海文 学号：05046205

一 实验目的

1、区别和研究铁碳合金在平衡状态下的显微组织；

2、分析含碳量对铁碳合金显微组织的影响，加深理解成分、组织与性能之间的相互关系；

3、了解碳钢的热处理操作；

4、研究加热温度、冷却速度、回火温度对碳钢性能的影响； 5、观察热处理后钢的组织及其变化；

6、了解常用硬度计的原理，初步掌握硬度计的使用。

二 实验设备及材料

1、显微镜、预磨机、抛光机、热处理炉、硬度计、砂轮机等； 2、金相砂纸、水砂纸、抛光布、研磨膏等；

3、三个形状尺寸基本相同的碳钢试样（低碳钢20＃、中碳钢45＃、高碳钢T10）

三 实验内容

三个形状尺寸基本相同的试样分别是低碳钢、中碳钢和高碳钢，均为退火状态，不慎混在一起，请用硬度法和金相法区分开。

4、实验方案：三种碳钢的热处理工艺（加热温度、保温时间、冷却方式）。 样 品 加热温度 保温时间 冷却方式 20# 880℃ 25min 空冷 45# 淬火880℃ 淬火25min 水冷 高温回火 600℃ 高温回火25min T10 900℃ 30min 水冷 5、测试硬度 样 品 20# 45# T10 硬 度 HRB50 HRC20 HR63 6、热处理前后的金相组织观察、硬度的测定。 7、分析碳钢成分—组织—性能之间的关系。 样 品 成分 组织 性能 20# 马氏体 F+P 冲压性与焊接性良好 45# 马氏体 F+P 经热处理后可获得良好的综合机械性能 T10 马氏体+奥氏体 P+Fe3CII 硬度高，韧性适中 四 实验步骤：

8、观察平衡组织并测硬度：

（1） 制备金相试样（包括磨制、抛光和腐蚀）； （2） 观察并绘制显微组织； （3） 测试硬度。 9、进行热处理。

10、 观察热处理后的组织并测硬度：

（1） 制备金相试样（包括磨制、抛光和腐蚀）；

（2） 观察并绘制显微组织。

五 实验报告

11、 样 品 20# 45# 三种材料在退火状态下显微组织和性能（硬度）的异同； 显微组织 性能（硬度） 白色颗粒为铁素体，黑色块状为珠光体(F+P) 冲压性与焊接性良好 灰黑色区为细片状及粗片状珠光体，沿晶界析经热处理后可获得良好的出白色条状铁素体。(F+P) 综合机械性能 组织为珠光体和二次渗碳体(P+Fe3CII) 硬度高，韧性适中 T10 12、 每种材料在热处理前后显微组织和性能（硬度）的异同； 样 品 显 微 组 织 性能（硬度） 20# 热处理前 F+P HRB71 热处理后 回火M +A’ HRB50 45# 热处理前 F+P HRC7.5 热处理后 回火S HRC20 T10 热处理前 P+Fe3CⅡ HRC6.5 热处理后 回火M +A’ HRC63 13、 总结出碳钢成分—组织—性能—应用之间的关系。 样 品 成 分 组 织 性 能 应 用 20# W(C)=0.20% F+P 冲压性与焊接性良好 冲压件及焊接件，经过热处理(如渗碳)也可以制造轴，销等零件。 45# W(C)=0.45% F+P 经热处理后可获得良好齿轮，轴类，套筒等 的综合机械性能 T10 W(C)=1.0% P+Fe3CⅡ 优质钢，硬度高，韧性钻头，刨刀，丝锥，手适中 锯条等刃具及冷作模具等。

铁素体 图1 工业纯铁 珠 光 体 铁 素 体 图3 亚共析钢 珠 光 体 图5共析钢 调质处理

铁素体 渗碳体

图2 工业纯铁

珠 光 体 铁 素 体 图4 20钢 正火处理（加热至900后空冷）Fe3CⅠ 莱氏体

图6 过共晶白口铸铁

珠光体 Fe3CⅡ 图7 亚共晶白口铸铁 珠光体 Fe3CⅡ 图9 过共析钢 铁素体 珠光体 图11 20# 正火（加热到860℃+空冷）

珠光体 共晶渗碳体 图8 共晶白口铸铁

珠 光 体 Fe3CⅡ

图10 T10 正火处理

珠光体 铁素体

图12 45# 调质处理

珠光体 Fe3CⅡ

T10 碳质量分数为1.00%（千分之十）的优质碳素工具钢，硬度高，韧性适中。热处理后为回火马氏体和残余奥氏体。

热处理方式：淬火＋低温回火

黑色的粗针状马氏体和白亮的残余奥氏体，硬度为58.0HRC

性能：低温回火降低了淬火应力，提高了工件的韧性，减少钢的脆性并 保持钢的高硬度，主要用于制造各种工具模具和冷做模具

正火作为一种常化处理，一般应用于以下方面：

1. 作为最终热处理得到对于机械性能要求不是很高的普通钢构件。可以细

化晶粒，使组织均匀化，从而提高钢的强度，硬度和韧性。

2. 最为预先热处理获得细小均匀的组织，为后面的其它处理做准备。 3. 改善切削加工性能，提高低碳钢的硬度，便于进行切削加工。 图像分析：整体图像较暗，产生此现象的原因可能是由于照相时光亮不足所造成；抛光后的过度腐蚀或使用稀硝酸腐蚀不均匀导致；还有其他人为因素。

试验心得：通过本实验，我巩固和加深了对课堂所学理论的理解，掌握了基本的实验方法和技能。更主要的是对铁碳合金各种组成相和组织组成物的特征有了明确的认识

实验者：代银

珠光体 铁素体

20#钢：碳质量分数为0.20%（万分之二十）的优质碳素结构钢。含碳量为0.20%（万分之二十）为亚共析钢，加热到860℃后，达到Ac3线以上，铁素体转化为奥氏体，再经过空冷后，20#钢的过冷A在高温是将有一部分转化为铁素体。而且此过程属于过冷A的高温转变，有索氏体产生。

在热处理前后显微组织是铁素体和珠光体。硬度较高。20#钢冷冲压性与焊接性能良好，可用作冲压件及焊接件，经过热处理(如渗碳)也可以制造轴，销等零件。

热处理方式：加热至880℃，保温30分钟左右后，正火处理。得到的显微组织：P（珠光体）+F（铁素体）。其中图中层片状的是P（S）珠光体；白色块状的是F（铁素体）。正火后，组织细化晶粒，使组织均匀化，提高了钢的强度，硬度与韧性。正火提高其硬度，改善其切削加工性能。

其中珠光体按层间距珠光体组织习惯上分为珠光体P，索氏体S、屈氏体T。他们的大致形成温度及性能见表1。

表1 过冷奥氏体高温转变产物的形成温度及性能 组织名称 表示符号 形成温度范围/℃ 硬度 能分辨其片层的放大倍数 珠光体 P A1～650 170～200HB 〈500X 索氏体 S 650～600 25～35HRC 〉1000X 屈氏体 T 600～550 35～40HRC 〉2000X 实验分析与讨论：由上图可知，P（珠光体，为黑色块状）较明显的可以看出；而F（铁素体，为白色块状）显得有点黑，呈灰色。产生该现象的原因可能是由于抛光后的过度腐蚀或使用稀硝酸腐蚀不均匀导致，晶面受损，致使不能观察到易损的珠光体组织，并且亮度有点暗，不十分清晰；手工磨制不够精细，还有可能是由于加热温度不够所致。

正火作为一种常化处理，一般应用于以下方面：

1.作为最终热处理得到对于机械性能要求不是很高的普通钢构件。可以细化晶粒，使组织均匀化，从而提高钢的强度，硬度和韧性。

2.最为预先热处理获得细小均匀的组织，为后面的其它处理做准备。 3.改善切削加工性能，提高低碳钢的硬度，便于进行切削加。

实验者：李富平

珠光体 铁素体 45#钢：是含碳质量分数为0.45%（万分之四十五）的优质碳素结构钢。

在热处理前的显微组织是珠光体和铁素体，其硬度为HRC7.5；经过热处理后，显微组织转变为回火索氏体，其硬度为HRC20。由于45#钢经调质处理后得到的是回火索氏体，其渗碳体为粒状，硬度也相应提高，使它获得了良好的综合机械性能，即强度、塑性和韧性都比较好，它广泛适用于各种重要的机器结构件，特别是受交变载荷的零件，如：齿轮、轴类、套筒等零件。

热处理方式：先淬火使其加热到880℃，保温25min后，再进行高温回火，使温度为600℃左右，保温25min。

图像分析与讨论：

整体图象比较暗，可能是由于光源亮度不够所造成；结构区分不十分明显，可能是由于热处理时未达到淬透要求致使过冷奥氏体转变不彻底所造成；图象比

较均匀，说明手工磨制很精细，做得很成功。

实验者：吴源重

实验分析 1.三种材料在退火状态下显微组织和性能（硬度）的异同； 样 品 20# 45# T10 显微组织 白色颗粒为铁素体，黑色块状为珠光体(F+P) 灰黑色区为细片状及粗片状珠光体，沿晶界析出白色条状铁素体。(F+P) 组织为珠光体和二次渗碳体(P+Fe3CII) 性能（硬度） 冲压性与焊接性良好 经热处理后可获得良好的综合机械性能 硬度高，韧性适中 2.每种材料在热处理前后显微组织和性能（硬度）的异同； 答：每种材料在热处理前后显微组织和性能（硬度）如下表所示： 样 品 显 微 组 织 性能（硬度） 20# 热处理前 F+P HRB71 热处理后 回火M +A’ HRB50 45# 热处理前 F+P HRC7.5 热处理后 回火S HRC20 T10 热处理前 P+Fe3CⅡ HRC6.5 热处理后 回火M +A’ HRC63 由上表可以看出，20号钢在正火后的组织基本没有变化，但是在正火后得到的是更细化的晶粒，从而提高了钢的强度硬度和韧性。

45号钢在经过淬火和高温回火调质，其显微组织由以前的（P+F），变成了回火索氏体，其综合机械性能最好，即强度、塑性和韧性都比较好。

T10钢在经过淬火和低温回火组织由以前的珠光体和二次渗碳体，变为回火马氏体、残余奥氏体和二次渗碳体。低温回火后，淬火应力降低，工件韧性提高，淬火后的硬度和耐磨性高。 3.总结出碳钢成分—组织—性能—应用之间的关系。 答：碳钢成分—组织—性能—应用之间的关系如下表所示： 样 品 成 分 组 织 性 能 应 用 20# W(C)=0.20% F+P 冲压性与焊接性良好 冲压件及焊接件，经过热处理(如渗碳)也可以制造轴，销等零件。 45# W(C)=0.45% F+P 经热处理后可获得良好齿轮，轴类，套筒等 的综合机械性能 T10 W(C)=1.0% P+Fe3CⅡ 优质钢，硬度高，韧性钻头，刨刀，丝锥，手适中 锯条等刃具及冷作模具等。 20号钢（含碳量0.17%—0.23%）是亚共析钢，在完全退火状态下得到的组织是F+P。

45号钢（含碳量0.42%—0.50%）也是亚共析钢，在同样的状态下得到的组织是和20号的一样（F+P），碳量的增加，钢的性能也在提升，所以45号钢的性能（硬度）高于20号钢。

T10钢：（含碳量0.42%—0.50%）是过共析钢。退火后组织为珠光体和二次

渗碳体，其性能（硬度）较退火前有所降低，但是其塑性和韧性均有提高。它的性能（硬度）还是高于亚共析钢（20、45）的。

对以上内容进行分析总结可知: 随着碳钢含碳量的增加，其组织的变化过程为 ：铁素体+珠光体（亚共析钢）→珠光体十二次渗碳体（过共析钢）。硬度增大，塑性降低。对于强度，亚共析钢的强度随含碳量的增大而增大，过共析钢的强度随含碳量的增大而减小。低碳钢可用来制造桥梁，机械，建筑物的构件。 高碳钢可用来制造量具，刀具等。

实验总结

通过实验，我们运用所学的理论知识和实验技能以及现有的实验设备，通过自己设计实验方案、独立实验并得出实验结果，达到进一步深化课堂内容的目的，加强对《工程材料》课程理论的系统认识，并提高分析问题和解决问题的能力，对热处理工艺有了更深一步的了解。通过处理实验报告，我们进一步学会并加深了对铁碳合金在平衡状态下的显微组织的研究；并且通过分析含碳量对铁碳合金显微组织的影响，加深理解成分、组织与性能之间的相互关系；

总之，通过此次实验我们学会了很多在课本上学不到的东西，它不仅提高了我们的动手能力，而且丰富了我们的知识，更重要的是培养了我们对《工程材料》课程的学习兴趣。

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