《工程材料实验实验指导书》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程材料实验实验指导书（19页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、工程材料实验指导书刘贤坤五邑大学机电工程系2011.31目录实验一 铁碳合金平衡组织观察与分析2实验二 碳钢的热处理及其性能分析52实验一 铁碳合金平衡组织观察与分析一、 实验目的1观察和分析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的平衡组织的影响，加深对 相图的理解。CFe33.了解与掌握金像显微镜的构造和使用。二、 实验原理认识铁碳合金的平衡组织是分析鉴别钢铁材料质量及性能的基础。所谓平衡组织是指铁碳合金以极为缓慢的冷却速度冷至室温所得到的组织。在一般工业生产及实验条件下，经退火的碳钢组织可以看成是平衡组织。铁碳合金的平衡组织主要是指工业纯铁、碳钢和白口铸铁组织。由 相图可以
2、看出，铁碳合金的室温平衡组织组成物有铁素体、CFe3渗碳体、珠光体、莱氏体，而组成相主要是铁素体和渗碳体两个基本相。由于含碳量不同，铁素体和渗碳体的析出条件、质量分数、形态与分布均有所不同，因而呈现各种不同的组织形态。1、工业纯铁含碳量小于 0.0218%的铁碳合金，室温显微组织为铁素体和少量三次渗碳体，铁素体硬度在 80HB 左右，而渗碳体硬度高达 800HB，工业纯铁中的渗碳体量很少，故塑性、韧性好，而硬度、强度低,不能用作受力零件。2、碳钢含碳量在（0.02182.11）%之间的铁碳合金，高温下为单相的奥氏体组织，塑性好，适应于锻造和轧制，广泛应用于工业上，根据含碳量和室温组织，可将其分
3、为三类：亚共析钢、共析钢和过共析钢。1）亚共析钢含碳量在（0.02180.77）%之间的铁碳合金，室温组织为铁素体和珠光体，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的增加，3显微组织中铁素体呈白色，珠光体呈暗黑色或层片状。2）共析钢含碳量为 0.77%，其显微组织由单一的珠光体组成，即铁素体和渗碳体的混合物，在光学显微镜下观察时，可看到层片状的特征，即渗碳体呈细黑线状和少量白色细条状分布在铁素体基体上，若放大倍数低，珠光体组织细密或腐蚀过深时，珠光体片层难于分辨，而呈现暗黑色区域3）过共析钢含碳量在（0.772.11）%之间，室温组织为珠光体和网状二次渗碳体，含碳量越高，渗
4、碳体网愈多、愈完整。当含碳量小于 1.2%时，二次渗碳体呈不连续网状，强度、硬度增加，塑性、韧性降低，当含碳量大于或等于 1.2%时，二次渗碳体呈连续网状，使强度、塑性、韧性显著降低，过共析钢含碳量一般不超过（1.31.4）%，二次渗碳体网用硝酸酒精溶液腐蚀呈白色，若用苦味酸钠溶液热腐蚀后，呈暗黑色。3、白口铸铁含碳量在（2.116.69）%之间，室温下碳几乎全部以渗碳体形式存在，故硬度高，但脆性大，工业上应用很少。按含碳量和室温组织将其分为三类。1）亚共晶白口铸铁含碳量在（2.114.3）%之间，室温组织为珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体 Ld组成。用硝酸酒精溶液腐蚀后，在显微镜下呈现枝晶状的
5、珠光体和斑点状的莱氏体，其中二次渗碳体与共晶渗碳体混在一起，不易分辨。2）共晶白口铸铁含碳量为 4.3%，室温组织由单一的莱氏体组成，经腐蚀后，在显微镜下，变态莱氏体呈豹皮状，由珠光体，二次渗碳体及共晶渗碳体组成，珠光体呈暗黑色的细条状及斑点状，二次渗碳体常与共晶渗碳体连成一片，不易分辨。呈亮白色。3）过共晶白口铸铁是含碳量大于 4.3%的白口铸铁，在室温下的组织由一次渗碳体和莱氏体组成，经硝酸酒精溶液腐蚀后，显示出斑点状的莱氏体基体上分布着亮白色粗大的片状的一次渗碳体。4几种典型铁碳合金的平衡组织序号 材料名称 处理状态 侵蚀剂 放大倍数 平衡组织1 工业纯铁 退火 4%硝酸酒精溶液 400
6、X F2 20 号钢 退火 4%硝酸酒精溶液 400X F+P3 45 号钢 退火 4%硝酸酒精溶液 400X F+P4 T8 退火 4%硝酸酒精溶液 400X P5 T12 退火 4%硝酸酒精溶液 400X P+ 3eC6 亚共晶白口铸铁 退火 4%硝酸酒精溶液400X P+ +FLd7 共晶白口铸铁 退火 4%硝酸酒精溶液400X 8 过共晶白口铸铁 退火 4%硝酸酒精溶液400X +3IeC三、 实验内容及要求1、观察上表所列样品的显微组织及其特征；2、分析不同含碳量对组织形成的影响；3、绘出所观察样品的显微组织、标出其组织物，并分析其形成过程。5实验二 碳钢的热处理及其性能分析一、实验
7、目的1.熟悉碳钢的几种基本热处理操作；2.了解材料硬度的测定方法，学会正确使用硬度计；3.了解与掌握金像试样制备的过程；4.分析与研究加热温度、冷却速度及热处理温度等主要因素对碳钢组织和性能的影响。二、实验说明钢的热处理就是利用钢在固态范围内的加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要的物理、化学、机械和工艺性能的一种操作。普通热处理的基本操作有退火、正火、淬火、回火等。加热温度、保温时间和冷却方式是热处理最重要的三个基本工艺因素。正确合理选择这三者的工艺规范，是热处理质量的基本保证。1. 加热温度选择（1）退火加热温度一般亚共析钢加热至 AC3(2030)（完全退火） ；共析钢和过共
8、析钢加热至 AC1(2030)（球化退火） ，目的是得到球化体组织，降低硬度，改善高碳钢的切削性能，同时为最终热处理做好组织准备。（2）正火加热温度一般亚共析钢加热至 AC3(3050)；过共析钢加热至 ACm(3050)，即加热到奥氏体单相区。退火和正火加热温度范围选择见图 2-1。（3）淬火加热温度一般亚共析钢加热至 AC3(3050)；共析钢和过共析钢则加热至AC1(3050)，加热温度范围选择见图 2-2。6淬火按加热温度可分为两种：加热温度高于 AC3时的淬火为完全淬火；加热温度在 AC1和 AC3（亚共析钢）或 AC1和 ACCm（过共析钢）之间是不完全淬火。在完全淬火时，钢的淬火
9、组织主要是由马氏体组成；在不完全淬火时亚共析钢得到马氏体和铁素体组成的组织，过共析钢得到马氏体和渗碳体的组织。亚共析钢用不完全淬火是不正常的，因为这样不能达到最高硬度。而过共析钢采用不完全淬火则是正常的，这样可使钢获得最高的硬度和耐磨性。在适宜的加热温度下，淬火后得到的马氏体呈细小的针状；若加热温度过高，其形成粗针状马氏体，使材料变脆甚至可能在钢中出现裂纹。（4）回火加热温度钢淬火后都需要进行回火处理，回火温度取决于最终所要求的组织和性能（工厂常根据硬度的要求） ，通常按加热温度的高低，回火可分为以下三类。低温回火：加热温度为 150250。其目的主要是降低淬火钢中的内应力，减少钢的脆性，同时
10、保持钢的高硬度和耐磨性。常用于高碳钢制的切削工具、量具和滚动轴承件及渗碳处理后的零件等。中温回火：加热温度为 350500。其目的主要是获得高的弹性极限，同时有高的韧性。主要用于各种弹簧热处理。高温回火：加热温度为 500650。其目的主要是获得既有一定的强度、硬度，又有良好的冲击韧性的综合机械性能。通常把淬火后加高温回火的热处理称做调质处理。主要用于处理中碳结构钢，即要求高强度和高韧性的机械零件，如轴、连杆、齿轮等。图 2-1 退火和正火的加热温度范围 图 2-2 淬火的加热温度范围72. 保温时间的确定为了使工件内外各部分温度均达到指定温度，并完成组织转变，使碳化物溶解奥氏体成分均匀化，必
11、须在热处理加热温度下保温一定的时间。通常将工件升温和保温所需时间算在一起，统称为加热时间。热处理加热时间必须考虑诸多因素，例如工件的尺寸和形状，使用的加热设备及装炉量，装炉时炉子的温度，钢的成分和原始组织，热处理的要求和目的等等。实际工作中常根据经验大致估算加热时间。一般规定，在空气介质中，升到规定温度后的保温时间，对碳钢来说，按工件厚度（或直径）每毫米一分钟到一分半钟估算；合金钢按每毫米两分钟估算。在盐浴炉中，保温时间则可缩短 1倍。对钢件在电炉中保温时间的数据可参考表 2-1。表 2-1 钢件在电炉中的保温时间选择参考数据材料 工件厚度或直径(毫米) 保温时间（分）25 202550 45
12、碳钢5075 6025 252550 60低合金钢5075 60当工件厚度或直径小于 25 毫米时，可按每毫米保温一分钟计算。3. 冷却方式和方法热处理时冷却方式（冷却速度）影响着钢的组织和性能。选择适当的冷却方式，才能获得所要求的组织和性能。退火一般采用随炉冷却。正火采用空气冷却，大件可采用风冷。淬火的冷却方法非常重要。冷却速度是钢在淬火过程中最主要的因素，它直接影响淬火产物和性能。一方面冷却速度要大于临界冷却速度，以保证全部得到马氏体组织；另一方面冷却应尽量缓慢，以减少内应力，避免工件变形和开裂。为了解决上述矛盾，可以采用不同的冷却介质和 图 2-3 淬火时的理想冷却曲线示意图8冷却方法，
13、使淬火工件在奥氏体最不稳定的温度范围内(650550)快冷，超过临界冷却速度，以防珠光体类型转变发生；而在马氏体转变区域范围内(300100)，则冷却减慢，以减少淬火工件产生的应力。理想的冷却速度如图 2-3 所示。淬火介质不同，其冷却能力不同，因而工件的冷却速度也就不同。合理选择冷却介质是保证淬火质量的关键。对于碳钢来说，用室温的水作淬火介质通常能保证得到较好的结果。目前常用的淬火介质和它们冷却能力见表 2-2。表 2-2 常用的淬火介质和其冷却能力数据冷却速度/秒淬火介质在 650450区间内 在 200300区间内水（18） 600 270水（20） 500 270水（50） 100 2
14、70水（74） 30 27010苛性钠水溶液（18） 1200 30010氯化钠水溶液（18） 110 30050矿物油 150 304. 硬度试验与硬度计的使用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
15、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。9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1) 原理用载荷为 P 的力,把直径为 D 的淬火钢球压入金属试件表面，并保持一定时间，而后卸除载荷，测量钢球在试件表面上所压出的压痕直径 d，据此计算出压痕球面积 F，然后再计算出单位面积所受的力（P/F 值） ，用此数字表示试件的硬度值，即为布氏硬度，用符号 HB 表示。布氏硬度试验原理如图2-4 所示。设压痕深度为 h 则压痕球面积为 2(dDF试样硬度值为： 2(2PHB式中 施加的载荷，kg 或 N；压头（钢球）
16、直径，mm；D压痕直径，mm；d压痕面积，mm 2。F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。实验室只要测出压痕直径d（毫米）,通过计算或查表即可得出 HB 值。由于金属材料又软又硬，工件有薄有厚，有大有小，为适应不同的情况，布氏硬度的钢球有 2.5mm、5mm、10mm 三种。载荷有15.6kg、62.5kg、187.5kg、250kg、750kg、1000kg、3000kg 七种。当采用不同大小的载荷和不同直径的钢球进行布氏硬度试验时，只要能满足 P/D2为常数，则同一种材料测得的布氏硬度是相同的。而不同材料所测的布氏硬度值也可以进行比较。国家标准规定
