最新工程材料及热处理实验指导书

《工程材料及热处理》

实验指导书

机械与能源工程系

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实验6 铁碳合金平衡状态的显微组织分析

一、实验目的

1、认识铁碳合金平衡组织的特征，初步识别各种铁碳合金在平衡状态下的显微组织。 2、分析和认识碳钢的含碳量与其平衡组织的关系。

3、进一步认识对平衡状态下碳钢的成分、组织、性能间的关系。 二、实验原理

碳钢和铸铁是工业上最重要、最基本、应用最广的金属材料，通常把钢和铸铁统称为铁碳合金，他们的性能与组织有着密切的关系，因此熟悉并掌握它们的组织，对于合理使用钢铁材料具有十分重要的实际指导意义，也是对钢铁材料使用者最基本的要求。

1、碳钢和白口铸铁的平衡组织

平衡组织一般是指合金在极为缓慢冷却的条件下（如退火状态）所得到的组织。铁碳合金在平衡状态下的显微组织可以根据Fe-Fe3C相图来分析。由相图可知，所有碳钢和白口铸铁在室温时的显微组织均由铁素体（F）和渗碳体（Fe3C）组成。但是，由于碳质量分数的不同、结晶条件的差别，铁素体和渗碳体的相对数量、形态、分布的混合情况均不一样，因而呈现各种不同特征的组织组成物。

2、各种相组分或组织组分的特征

碳钢和白口铸铁的金相试样经浸蚀后，其平衡组织中各种相组分或组织组分的形态特征和性能如下所述。

铁素体：铁素体是碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体。经3%～5%的硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下为白亮色多边形晶粒。在亚共析钢中，铁素体呈块状分布；当含碳量接近于共析成分时，铁素体则呈断续的网状分布于珠光体周围。铁素体具有良好的塑性及磁性，硬度较低，一般为80HBS～120HBS。

渗碳体：抗浸蚀能力较强，经3%～5%酒精溶液浸蚀后，在显微镜下观察同样呈白亮色。一次渗碳体呈长白条状分布在莱氏体之间；二次渗碳体呈网状分布于珠光体的边界上；三次渗碳体分布在铁素体晶界处；珠光体中的渗碳体一般呈片状。另外，经不同的热处理后，渗碳体可以呈片状、粒状或断续网状。渗碳体的硬度很高，可达800HV以上，但其强度、塑性都很差，是一种硬而脆的相。

珠光体：是由铁素体片和渗碳体片相互交替排列形成的层片状组织。经3%～5%酒精溶液浸蚀后，在显微镜下观察其组织中的铁素体和渗碳体都呈白亮色，而铁素体和渗碳体的相界被浸蚀后呈黑色线条。实际上，珠光体在不同放大倍数的显微镜下观察时，具有不大一样的特征。在高倍(600×以上)下观察时，珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体都呈亮白色，而其边界呈黑色；在中倍(400×左右)下观察时，白亮色的渗碳体被黑色边界所“吞食”，而成为细黑条，这时看到珠光体是宽白条铁素体和细黑条渗碳体的相间混合物；在低倍(200×以下)下观察时，连宽

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白条的铁素体和细黑条的渗碳体也很难分辨，这时珠光体为黑色块状组织。由此可见，在其他条件相同情况下，当放大倍数不同时，同一组织所呈现的特征会不一样，所以在显微镜下鉴别金相组织首先要注意放大倍数。珠光体硬度为190～230HBS，且随层间距的变小硬度升高。强度较好，塑性和韧性一般。

莱氏体：在室温下是珠光体和渗碳体的机械混合物。渗碳体中包括共晶渗碳体和二次渗碳体，两种渗碳体相联在一起，没有边界线，无法分辨开来。经3%～5%酒精溶液侵蚀后，其组织特征是在白亮色渗碳体基体上分布着许多黑色点〔块〕状或条状珠光体。莱氏体硬度为700HV，性脆。它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出现。

三、实验仪器和用具 1、光学金相显微镜

2、各种铁碳合金的平衡组织标准金相试样 四、实验方法与步骤

1、在显微镜下仔细观察辨认下表中所列试样组织，研究每个样品的组织特征，并结合铁碳相图分析其组织形成过程。

表5-1 钢铁平衡组织试样

材料 亚共析钢 共析钢 过共析钢 亚共晶白口铸铁 共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁 碳质量分数w(C)/% 0.0218~0.77 0.77 0.77~2.11 2.11~4.3 4.3 4.3~6.69 处理方法 退火 退火 退火 铸态 铸态 铸态 组织 铁素体+珠光体 片状珠光体 珠光体+渗碳体（Ⅱ） 珠光体+莱氏体+渗碳体（Ⅱ） 莱氏体 渗碳体（Ⅰ）+ 莱氏体 2、绘出所观察样品的显微组织示意图（绘在规定的圆圈内），并用箭头和代表符号标明各组织组成物。注意要点是，绘图时要抓住各种组织组成物形态的特征，用示意的方法去画。绘制组织示意图一律用铅笔，绘制组织图必须在实验室内完成。

3、实验结束后将显微镜照明灯关闭，交回试样，清整实验场地。

五 、实验分析及结论 1、实验目的。 2、实验内容。

3、画出所观察组织示意图，示意图按统一规格画，并标明各组织。

材料名称 金相组织

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图5-1金相显微组织记录格式

处理方法 放大倍数

浸 蚀 剂

4、根据所观察的组织，说明碳含量对铁碳合金的组织和性能影响的大致规律。 六、注意事项

1、在观察显微组织时，可先用低倍全面地进行观察，找出典型组织，然后再用高倍放大，对部分区域进行详细观察。

2、在移动金相试样时，不得用手指触摸试样表面或将试样表面在载物台上滑动，以免引起显微组织模糊不清，影响观察效果。

3、画组织示意图时，应抓住组织形态的特点，画出典型区域的组织。注意不要将磨痕或杂质画在图上。

七、思考题

1、渗碳体有哪几种？它们的形态有什么差别？ 2、珠光体组织在低倍观察和高倍观察时有何不同？ 3、怎样区别铁素体和渗碳体组织？

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实验7 金属材料的硬度试验

一、实验目的

1、了解布氏、洛氏和维氏硬度试验机的使用方法和试验原理。 2、初步掌握布氏、洛氏硬度的测定方法和应用范围。 二、实验原理

硬度是指金属材料抵抗比它硬的物体压入其表面的能力。硬度越高，表明金属抵抗塑性变形的能力越大。它是重要的力学性能指标之一，它与强度、塑性指标之间有着内在的联系。硬度试验简单易行，又不会损坏零件，因此在生产和科研中应用广泛。

常用的硬度试验方法有：

布氏硬度试验——主要用于黑色、有色金属原材料检验，也可用于退火、正火钢铁零件的硬度测定。所用设备为布氏硬度计。

洛氏硬度试验——主要用于金属材料热处理后的产品性能检测。所用设备为洛氏硬度计。 维氏硬度试验——主要用于薄板材或金属表层的硬度测定，以及较精确的硬度测定。所用设备为维氏硬度计。

显微硬度试验——主要用于测定金属材料的组织组成物或相的硬度。所用设备为显微硬度计。

1、布氏硬度试验原理

布氏硬度试验是将一直径为D的淬火钢球或硬质合金球，在规定的试验力P作用下压入被测金属表面，保持一定时间t后卸除试验力，并测量出试样表面的压痕直径d，根据所选择的试验力P、球体直径D及所测得的压痕直径d的数值，求出被测金属的布氏硬度值HBS或HBW，布氏硬度的测试原理如图6-1所示。布氏硬度值的大小就是压痕单位面积上所承受的压力。单位为kg/mm2或N/mm2，但一般不标出。硬度值越高，表示材料越硬。在实验测量时，可由测出的压痕直径d直接查压痕直径与布氏硬度对照表而得到所测的布氏硬度值。

设压痕深度为h则压痕球面积为 F??Dh??D(D?D?d222）

试样硬度值为：

HB?PF?2P?D(D?D?d)

22式中 P——施加的载荷，kg或N；

D——压头（钢球）直径，mm；

d——压痕直径，mm； F——压痕面积，mm。

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图6-1 布氏硬度计试验原理示意图 布氏硬度试验方法和技术条件有相应的国家标准。表6-1为布氏硬度的试验规范。实际测定

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