材料实验指导 - 图文

实验一 铁碳合金平衡组织观察

实验目的 概述 实验内容 实验方法 实验报告 思考题

一、实验目的

1. 观察和识别铁碳合金(碳钢和白口铸铁)在平衡状态下的显微组织特征； 2. 认识铁碳合金中成分、组织和性能之间的变化规律； 3. 应用杠杆定律计算碳钢中的含碳量； 4. 了解金相显微镜的原理及其使用方法； 5. 了解金相试样的制作过程。

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二、概述

1. 铁碳合金的平衡组织

合金在极缓慢冷却条件(如退火状态)下得到的组织为平衡组织。铁碳合金的平衡组织可 以根据Fe-Fe3C状态图来分析。从状态图可知，所有碳钢和白口铸铁在室温时的组织均由铁素

体相和渗碳体相组成。但由于含碳量的不同，结晶条件的差异，铁素体和渗碳体的相对数量、形态、分布和混合情况不一样，因而将组成各种不同特征的组织。

图1-1 Fe-Fe3C合金状态图

2. 各种基本组织特征

① 铁素体(F) 是碳溶入a-Fe中的间隙固溶体，有良好的塑性，硬度低(HB80～100)，经3%～5%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈白色大颗粒状或块状(如图1-2)。随着钢中含碳量的增加，铁素体量减少。铁素体量较多时呈块状分布(如图1-3、1-4)；当含碳量接近于共析成分时，往往呈断续网状，分布在珠光体的周围(如图1-5)。

图1-2 工业纯铁的显微组织(250×) 1-3 20钢的显微组织(400×)

组织一全部为F 组织一F(白块)+P(黑块))

图1-4 45钢的显微组织(200×) 图1-5 60钢的显微组织(400×) 组织一F+P 组织一P(黑色)+F(白色网状)

② 渗碳体(Fe3C)：是铁与碳的化合物，含碳量为6.69％，抗浸蚀能力较强。经3%～5％硝酸酒精溶液浸蚀后呈白亮色(如图1-6、1-7)。若用苦味酸钠溶液热侵蚀则被染成黑褐色，而铁素体仍为白色，由此可区别开铁素体和渗碳体。渗碳体的硬度很高，达到HB800以上，脆性很大，强度和塑性很差。平衡状态下，渗碳体可以呈片状、断续网状或针状。(如图1-6、1-7、1-8 1-11所示)

图1-6 T8钢的显微组织(400×) 图1—7 T8钢的显微组织(1000×)

组织一P(片状) 组织一P(片状)

图1-8 T10钢的显微组织(400X) 图1-9 亚共晶白口铸铁显微组织(150X)

3％硝酸酒精溶液腐蚀 组织一P(黑色树枝状)+Ld 组织一Fe3CⅡ(白色网状)+P(片层状) (小黑条、块和白色基体)

③ 珠光体(P)：是铁素体和渗碳体的机械混合物。有片状珠光体和球状珠光体之分。且片状珠光体(P) 一般经退火得到，是铁素体和渗碳体交替分布的层片状组织，疏密程度不同。经3%～5%硝酸酒精溶液浸蚀后，铁素体和渗碳体皆呈白亮色。在不同放大倍数下观察时，珠光体组织具有不太一样的特征。样的特征。样的特征。

在高倍（600倍以上）下观察时，珠光体中平行相间的宽条为铁素体，凸起细条为渗碳体它们皆白亮色，而边界为黑色阴影(如图1-7所示)。在中倍(400倍左右)观察时，白亮色的渗碳体细条被两边黑色边界所“吞噬”。而成为细黑色层片状。此时珠光体是宽白条的铁素体和细黑条的渗碳体相间的混合物(如图1-6、1-8所示)。在低倍(200倍以下)观察时，由于显微镜的放大倍率低，连白亮色的宽条铁索体和黑色细条的渗碳体也难以分辨，此时珠光体是呈暗黑色多边形块状组织(如图1-3、1-4所示)。

④ 变态莱氏体(Ld′)：是珠光体和渗碳体的混合物。此时，渗碳体中包括共晶渗碳体和二次渗碳体两种，但它们相连在一起而分辨不开。经3%～5%硝酸酒精溶液浸蚀后，变态莱氏体的组织特征是，在白亮色的渗碳体基体上均匀分布着许多黑点(块)状或条状珠光体(如图1-10)。

图1-10 共晶白口铸铁显微组织400X 图1-11 过共晶白口铸铁显微组织200X

组织一Ld′ 组织一Fe3CⅠ+Ld′

(黑色块、点为P+白色为Fe3C基体) (白色宽长条)+(小黑色条、点和白色基体)

变态莱氏体组织硬度很高，达到HB700，脆性大。一般存在于含碳量大于2.11%的白口铸铁中，在某些高碳合金钢的铸造组织中也常可见到。

亚共晶白口铸铁的组织是变态莱氏体、呈黑色大块树枝状的珠光体及珠光体周围白亮圈的二次渗碳体(如图1—8)。二次渗碳体与变态莱氏体中的渗碳体相连、无界线，无法区分。 过共晶白口铸铁的组织：变态莱氏体和针状的一次渗碳体(如图1—11所示)。

图1-10（a）铁碳合金中组织组成物的相对变化

图1-10（b）铁碳合金中相组成物的相对变化

3．含碳量及组织（或相）的百分比含量计算

在每一类组织中，当含碳量不同时，其中组成物的数量发生相对增减，其数量关系如图1-10所示。利

用杠杆定律可计算钢的含碳量，可计算各组织(或相)的百分比含量。

例①： 求室温下含碳量为0.45％的碳钢 组织中组织组成物 P与F百分比含量?

例 ②：求室温下含碳量为0.45％碳钢的组 织中相组成物 F与Fe3C百分比含量?

例 ③： 从显微镜视场中观察到显微组织中有60%的面积为珠光体，40%的是F时，估算钢的含碳量。

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三、实验内容

观察分析铁碳合金平衡状态下的七种典型组织；绘制组织示意图。

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四、实验方法

1. 仔细观察所列试样，研究每个样品组织特征，注意含碳量与金相组织之间的关系； 2. 描绘试样显微组织的示意图；

3. 估测未知含碳量的亚共析钢试样中组织相对量，计算该试样的含碳量。

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五、实验报告

1. 写出实验目的；

2. 绘制试样组织示意图，用箭头标明各组织的名称，并在每个试样示意图下面注明试样成分，处理工艺、腐蚀剂，放大倍数；

3. 分析未知试样，指出其合金名称、组织、用杠杆定律估算未知牌号样品的含碳量； 4. 根据所观察的组织，分析铁碳合金在平衡状态下含碳量变化对其组织的影响。

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六、思考题

1. 珠光体组织在高倍镜下和低倍镜下观察时有什么不同？为什么？

2. 在铁碳合金显微组织中，铁素体和渗碳体有哪几种形态（形状）？它们分别在哪几种情况下出现？ 3. 何为相？何为组织？结合本次实验举例说明两者的区别与联系。

实验二 碳钢的热处理及硬度测定

实验目的 概述 实验内容 实验方法 实验报告 思考题

一、实验目的

1. 熟悉碳钢的几种基本热处理(退火、正火、淬火及回火)操作方法；

2. 了解含碳量、加热温度、冷却速度、回火温度等主要因素对碳钢热处理后性能(硬度)的

影响；

3. 了解洛氏硬度计的原理及使用方法。

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二、概述

不改变合金的化学成分，只是通过不同的加热、保温、和冷却，使合金内部组织发生变化，从而达到改变合金性能的目的，这种方法称为热处理。热处理在改善钢材性能，提高工件使用寿命方面起着重要的作用。

普通热处理的基本操作有退火、正火、淬火及回火等。

钢的退火通常是将钢加热到临界温度Ac1或Ac3线以上，保温后缓慢地随炉冷却的一种工艺。钢经过退火处理后，其组织比较接近平衡状态，硬度较低（约180～220HB），有利于进行切削加工。

钢的正火是将钢加热到Ac3或Accm线以上30～50℃保温后在空气中冷却的一种热处理工艺。由于冷却速度稍快，与退火组织相比，所形成的珠光体层片细密，固硬度有所提高，对低碳钢来说，正火后提高了硬度可改善其切削加工性能，提高表面粗糙度。对高碳钢来说，正火可消除网状渗碳体，为球化退火和淬火作准备。

钢的淬火是将钢加热到Ac3或Ac1线以上30～50℃保温后在不同介质中快速冷却，从而获得马氏体和（或）贝氏体组织的一种热处理工艺。马氏体的硬度和强度都很高，特别适用于有较高耐磨性能要求的工模具材料。淬火工艺包括3个重要的参数，淬火加热温度、保温时间和冷却速度。淬火加热温度过高时晶粒容易长大，而且还会产生氧化脱碳等缺陷，加热温度过低则会因组织中存在铁素体和珠光体而导致材料硬度不足；保温时间与钢的成分、工件的形状、尺寸及加热介质的因素有关；保温时间过长或过短都会对钢的组织及性能造成不利影响。冷却是淬火的关键工序，它直接影响到淬火后的组织和性能。

热处理操作中，加热温度、保温时间和冷却方式是最重要的三个关键工序，也称热处理三要素。正确选择这三种工艺参数，是热处理成功的基本保证。Fe—Fe3C相图和C曲线是制定碳钢热处理工艺的重要依据。

1. 加热温度

① 退火加热温度：完全退火加热温度，适用于亚共析钢，Ac3+(30～50℃)；球化退火加热温度，适用于共析钢和过共析钢，Ac1+(30～50℃)。

② 正火加热温度：对亚共析钢是Ac3+(30～50℃)；过共析钢是Accm。+(30～50℃)，也就是加热到单相奥氏体区。

退火和正火的加热温度范围见图2-1所示。

③ 淬火加热温度：对亚共析钢是Ac3+(30～50℃)；对共析钢和过共析钢是Ac1+(30～50℃)，见图2-2所示。

图2-1 退火与正火的加热温度范围 图2-2 淬火加热温度范围

次表面 表面

图3-26心部铁素体+珠光体中间为珠光体，表层为珠光体＋网状渗碳体 450×

b. 调质钢 所谓的调质就是先将钢淬火，然后高温回火，以获得均匀的索氏体组织的一种热处理工艺。目的是使钢获得一定的强度、塑性和韧性。具有良好的综合机械性能。故一般受到负荷的机械零件都必须经过调质处理后才能使用。40Cr是一种应用很广泛的调质钢种。经调质处理后具有良好的综合机械性能，用于制造曲轴、汽车后桥半轴等。退火状态为铁素体和珠光体（图3-27），调质后其组织为回火索氏体，如图3-28所示。

图3-27铁素体+珠光体 450× 图3-28 回火索氏体 500×

c. 弹簧钢 弹簧是一种常用的机械零件，它由于结构特点和材料本身的弹性，在受到允许范围内的作用时产生弹性形变，而外力消除则能恢复原形。因此弹簧材料应具有高的抗拉强度极限、屈服极限、弹性极限和疲劳极限，同时要求具有高的冲击韧性和塑性。65Mn是常用的锰弹簧钢，其淬透性比碳素弹簧钢高，脱碳倾向较小。经淬火＋中温回火处理后其组织为回火屈氏体（见图3-29），有很好的弹性、强度和硬度。多用于制造小尺寸圆、扁弹簧，离合器弹片等。

图3-29 回火屈氏体1000× 图3-30回火马氏体和未溶解的碳化物颗粒500×

d. 轴承钢 常用钢号为GCrl5。经淬油后低温回火为回火马氏体和未溶解的碳化物颗粒 及少量的残留奥氏体。如图3-30所示。

② 高速钢 高速钢是一种常用的高合金工具钢，例如W18Cr4V。因为它含有大量合金元素，使铁碳相图中的E点大大左移，虽然只含有0.7％～0.8％的碳，仍可获得莱氏体组织，所以又称为莱氏体钢。

图3-31 莱氏体+屈氏体+马氏体和残余奥氏体 图3-32索氏体+碳化物

图3-33 隐晶马氏体+未溶碳化物+残余奥氏体 图3-34 回火马氏体+碳化物+少

量残余奥氏体

高速钢在铸造状态下与亚共晶白口铸铁的组织相似。其中莱氏体由合金碳化物、马氏体屈氏体以及残余奥氏体组成。如图3-31所示。显然高速钢在铸态下的组织存在严重的成分和组织不均匀性，从而影响其性能，为此随后必须经过锻造和轧制，破碎莱氏体网络，促使其碳化物均匀分布。 高速钢锻造退火组织，在金相显微镜下观察其组织为索氏体+碳化物。其中粗大的亮色晶

粒为初生共晶碳化物，较细小的为次生碳化物以及索氏体基体中的极细共析碳化物，退火后的硬度为HB207～255，见图3-32所示。

高速钢淬火加热温度一般为1060～1080℃，高温加热的目的是使较多的碳化物溶解于奥氏体中，淬火后马氏体中合金元素含量高，回火后钢的红硬性高且耐磨性好。淬火采用油冷或空冷，其显微组织为马氏体＋未溶碳化物十残余奥氏体(尚有20％～30％)。马氏体呈隐针状，其针形很难显示出来，但可看出明显的奥氏体晶界及分布于晶粒内的未溶碳化物，淬火后的硬度约为HRC61～62，见图3-33所示。

高速钢淬火后需经三次回火，其组织为回火马氏体＋碳化物和少量残余奥氏体(约2％～3％)。回火后硬度为HRC63～65，见图3-34所示。

③ 不锈钢 不锈钢是在大气、海水及其它浸蚀性介质条件下能稳定工作的钢种，大都属于高合金钢。例如应用较广的1Crl8Ni9，其含碳量较低，因为碳不利于耐蚀性；高的含铬量是保证耐蚀性的主要元素；镍除了进一步提高耐蚀能力以外，主要是为了获得奥氏体组织。这种钢在室温下的平衡组织是奥氏体+铁素体十铬的碳化物(Cr23C6)。这种组织是产生晶间腐蚀的原因。为了提高耐蚀性以及其它性能，必须进行固溶处理。将钢加热到1050～350℃，使碳化物等全部溶解，然后水冷，室温下即可获得单一的奥氏体组织．如图3-35所示。

图3-35 奥氏体(晶内有孪晶) 500X

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三、实验内容

1. 观察、分析下列碳钢非平衡组织、铸铁、有色金属、合金钢的显微组织，（见表3-2）。

表3-2 金相试样一览表 试样编号 Ⅰ-03 Ⅱ-03 Ⅱ-04 Ⅱ-08 Ⅱ-09 Ⅱ-12 Ⅱ-02 Ⅱ-13 Ⅲ-02 Ⅱ-06 Ⅳ-01 Ⅳ-02 Ⅳ-03 Ⅳ-06 Ⅳ-07 Ⅳ-08 Ⅳ-09 Ⅳ-10 Ⅴ-01 Ⅴ-02 Ⅴ-03 Ⅴ-04 Ⅴ-05 Ⅰ-02 Ⅱ-14 Ⅲ-08 45钢 45钢 45钢 T8400℃ T8300℃ T12 20钢 T12高温 65Mn 45钢 灰口铸铁（P基体） 灰口铸铁（P＋F基体） 灰口铸铁（F基体） 球墨铸铁（P基体） 球墨铸铁（P＋F基体）球墨铸铁（F基体） 可锻铸铁（P基体） 可锻铸铁（F基体） ZL102(未变质) ZL102( (变质) H70α黄铜 H62(α+β)黄铜 ZchSnSb11-6轴承合金 20钢退火 20钢渗碳 1Cr18Ni9Ti 名称 热处理工艺 退火 正火 油淬 等温 等温 高温淬火 淬火 淬火＋低温回火 淬火＋中温回火 淬火＋高温回火 正火 铸态 退火 正火 铸态 退火 退火 退火 铸态 铸态 退火 退火 铸态 退火 渗碳退火 固溶处理 比较不同基体的可锻铸铁 比较不同基体的球墨铸铁 比较不同基体的灰口铸铁 比较不同温度的回火组织 观察目的 比较45钢不同热处理状态的组织 比较上贝氏体、下贝氏体 比较高碳马氏体、低碳马氏体 比较ZL102变质前、后的组织 比较单、双相黄铜的组织 观察典型轴承合金的组织 比较低碳钢渗碳前后的组织 观察典型不锈钢组织 Ⅲ-04 Ⅲ-05 Ⅲ-06 Ⅲ-07 W18Gr4V钢 W18Gr4V钢 W18Gr4V钢 W18Gr4V钢 铸态 锻造退火 淬火 回火 比较典型高速钢不同热处理状态的组织 TOP

四、实验方法

1. 每个同学轮流对每个试样进行观察；

2. 比较珠光体型（珠光体、屈氏体、索氏体）、贝氏体（上贝氏体、下贝氏体）、马氏体（低碳马氏体、高碳马氏体）组织的特征； 3. 比较碳钢回火组织特征；

4. 比较观察几种铸铁中石墨的形状、基本特征； 5. 比较单相与两相黄铜的显微组织特征； 6. 比较变质与未变质的硅铝明的显微组织；

7. 观察渗碳钢、调质钢、轴承钢、弹簧钢使用状态的组织特征； 8. 观察不锈钢固溶处理组织特征；

9. 观察高速钢不同热处理状态的组织特征； 10.绘制指定试样的金相组织示意图。

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五、实验报告 1. 实验目的；

2. 画出铸铁及有色合金显微组织示意图； 3. 实验结果讨论。

① 比较直接冷却得到的M、S、T和淬火得到的M回火、S回火、T回火组织形态和性能差异； ② 将灰口铸铁的组织与性能同碳钢进行比较； ③ 分析变质处理对硅铝明合金的作用； ④ 简述巴氏合金组织与性能的特点。

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六、思考题

1. 何为热处理？其主要环节是什么？

2. 试在C曲线上绘制T8钢欲得到下列组织时的连续冷却曲线。①珠光体、②索氏体、③马氏体＋屈氏体＋残余奥氏体、④马氏体＋残余奥氏体。连续冷却能否得到上贝氏体、下贝氏体？ 3. 为什么马氏体具有高硬度和强度？其数值上是否与含碳量有关？为什么？ 4. 影响奥氏体晶粒度的因素有哪些？如何在加热时获得细小的奥氏体晶粒度？

实验四 综合实验

实验目的 概述 实验内容 实验方法 实验报告 思考题

一、实验目的

1. 根据课堂教学的内容及前3次实验的实践，自行设计一个正确的热处理生产上的一般实验方案。解

决实践中提出的问题；

2. 进一步熟悉含碳量、加热温度、冷却方式、及回火温度对热处理组织转变的影响规律；

3. 熟悉实验基本步骤的编写、实验数据的收集和处理、实验图表的设计与绘制、实验报告的编写。

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二、概述

学习的目的在于应用，该实验的设置目的就是给大家一个将学到的知识用于实践的机会，在这个实验单元里，你可以将你在平时的学习中的疑问、实践中的问题设计一个实验方案，利用实验室现有的设备进行实施。通过实验，获得答案。让你在解决问题、克服困难的过程中得到学习的乐趣。

做实验前，必须认真阅读教材及实验指导书的有关章节，根据要求自定、选择全部或部分给定题目，自行拟定你认为可以达到解决问题的实验方案，并认证其可行性；设计实验报告的格式，其中包括实验目的、实验所需设备、仪器、及材料，实验步骤、及记录实验结果的图、表格式，交任课老师认可后方能进行实验。

必须以严谨、科学的态度认真完成实验的每个细节，认真做好实验原始记录，当验结果出现问题时要联系课堂讲授的内容分析其产生的原因，及时调整实验方案，严禁弄虚作假。当实验仪器设备发生异常情况时要及时向指导老师报告，不得自行拆卸。

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三、实验内容

1. 可根据你在平时学习和实践中发现的问题自行设计本次实验的内容和方案；

2. 由于保管员的失误，不慎将20钢、45钢、T12混同当45钢发出，制成一批齿轮，该齿轮需淬火回火处理，得以HRC35～38。问这批齿轮在生产和使用时将产生什么后果？为什么？试从组织和性能全面分析。

3. 你有几种方法可以将上题中的三种材料区别开来？ 4. 20钢、45钢、T12钢分别属于哪类钢？常作何用？

5. 为满足切削加工要求，它们应分别采用何种预先热处理？请作出三种钢的预先热处理工艺曲线，（加热温度、保温时间、冷却方式）加热时间按1分钟/mm计算。

6. 上题中如果将45钢、T12钢两种材料分别按对方的热处理方式进行工艺实施，你估计在工艺性能及机械性能上将会出现什么问题？请一试，并与试验后的结果对比。

7. 如果经热处理后20钢、45钢、T12的硬度过高或过低，不宜进行切削加工，你认为可有哪些方法可以改善其切削加工性能？

8. 如将20钢、45钢分别改用20Gr和40Gr，热处理工艺应该作何改变？改变后其组织和性能将发生哪些变化？为什么？

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四、实验方法

1. 4千瓦箱式电阻炉（最高加热温度1000℃）、8千瓦箱式电阻炉（最高加热温度1600℃）各一台； 2. 金相切割机、镶嵌机、预磨机、抛光机、各一台； 3. 金相显微镜若干台； 4. 布洛维硬度计若干台。

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五、实验报告 自定

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