工程材料金相实验指导 - 图文

《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

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

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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）

图1.1 XQT透反射显微镜 图1.2 XJP-3A金相显微镜

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、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＋TDY－J金相分析软件（如图1.3、图1.4所示）

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图1.3 XJG-05大型金相显微镜 图1.4 金相图像分析系统 （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：220mm

转速：50/1400r/min（无级）

电 动 机：80变频电机

三相220V 0～50Hz

图1.5 PW-1B磨抛机

（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：Φ85mm 转速：2800/min 砂轮片规格： 300×1.5×32mm 电 动 机：Y100L2-2 电源：380V

图1.6 QG-3切割机

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功率： 3kW

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 1 步骤 取样 方法 注意事项 在要检测的材料或零件上截取样品，取无论用哪种方法取样，都样部位和磨面根据分析要求而定，截取要尽量避免和减少因塑性方法视材料硬度选择，有车、刨、砂轮变形和受热所引起的组织切割机，线切割机及锤击法等，尺寸以变化现象。截取时可加水适宜手握为宜。 等冷却。 2 镶嵌 若由于零件尺寸及形状的限制，使取样热镶嵌要在专用设备上进后的尺寸太小、不规则，或需要检验边行，只适应于加热对组织缘的样品，应将分析面整平后进行镶嵌。 不影响的材料。 3 粗磨 用砂轮机或挫刀等磨平检验面，若不需若有渗层等表面处理时，要观察边缘时可将边缘倒角。粗磨的同不要倒角，且要磨掉约时去掉了切割时产生的变形层。 1.5mm，如渗碳。 每道砂纸磨制时，用力要4 细磨 按金相砂纸号顺序：120、280、01、03、05或120、280、02、04、06将砂纸均匀，一定要磨平检验平铺在玻璃板上，一手拿样品，一手按面，转动样品表面，观察住砂纸磨制，更换砂纸时，磨痕方向应表面的反光变化确定，更与上道磨痕方向垂直，磨到前道磨痕消换砂纸时，勿将砂粒带入失为止，砂纸磨制完毕，将手和样品冲下道工序。 洗干净。 5 粗抛光 用绿粉（Cr203）水溶液作为抛光液在帆初次制样时，适宜在抛光布上进行抛光，将抛光液少量多次地加盘约半径一半处抛光，感入到抛光盘上进行抛光。注意安全，以到阻力大时，就该加抛光免样品飞出伤人。 - 4 -

液了。

6 细抛光 用红粉（Fe2O3）水溶液作为抛光液在绒同上。 布上抛光，将抛光液少量多次地加入到抛光盘上进行抛光。 （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

序号 1 腐蚀剂名称 硝酸酒精溶液 成分ml（g） 硝酸 1～5 酒精 100 2 苦味酸酒精溶液 苦味酸4 酒精 100 室温腐蚀数秒 腐蚀条件 室温腐蚀数秒 适应范围 碳钢及低合金钢，能清晰的显示铁素体晶界 碳钢及低合金钢，能清晰的显示珠光体和碳化物 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

（Fe3C）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。

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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3％～4％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（Fe3C） 是铁与碳形成的一种化合物，含碳量为6.69％。用3％～4％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。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

①共析钢：含钢量为0.77％。其显微组织由单一地珠光体组成。

②亚共析钢：含钢量在0.0218％～0.77％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。

③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）。

图1.7 45钢室温显微组织（250×）

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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）

图2.1 SX-5-12变温箱形电阻炉

主要技术参数：

工作室尺寸高×深×宽(mm):300×200×120 电压（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；

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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）:560×260×760； 电源电压：AC220V/50HZ；

图 2.2 HBRVU-187.5布洛维光学硬度计

图2.4 PHR-2便携式洛式硬度计

（3）数显洛氏硬度计（HRS-150） 主要技术参数

初试验力（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： 20～88 HRB： 20～100 HRC： 20～70 2、其它仪器：

图2.3 RHS-150数显洛式硬度计

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。

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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（HB180～220）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30～50℃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。

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表2-1碳钢普通热处理的加热温度 方 法 退 火 加 热 温 度 (℃) Ac3+(20~60) Ac1+(20~40) Ac3+(50~100) Accm+(30~50) Ac3+(30~70) Ac1+(30~70) 150~250 350~500 500~650 应用范围 亚共析钢完全退火 过共析钢球化退火 亚共析钢 过共析钢 亚共析钢 过共析钢 刃具、模具、量具、高硬度零件 弹簧、中等硬度零件 齿轮、轴、连杆等综合机械性能零件 临 界 点 (℃) Ac1 735 724 730 730 Ac3 855 780 —— —— Accm —— —— —— 820 正 火 淬 火 低温回火 回火 中温回火 高温回火 表2-2 常用碳钢的临界点 钢号 20钢 45钢 T8钢 T12钢 2）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时间：

T =αD

式中：T——加热时间（min）； α——加热系数（min/mm）； D——工件有效厚度（mm）。

当碳钢工件D≤50 mm，在800~960℃箱式电阻炉中加热时，α=1~1.2（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

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（1）退火冷却方式：钢退火时，一般采用随炉冷却到600～550℃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（650～550℃）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820～840℃，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 1 2 3 初始硬度 HRC 加热温度 （℃） 保温时间 （min） 冷却方法 炉 冷 空 冷 水 冷 硬 度 HRC 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HRC50～62；高碳钢淬火后，硬度高达HRC62～65。

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。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/tjo3.html