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1、实验一钢材成份、热处理工艺与性能之间关系的认识一、实验目的1、 初步了解热处理工艺（退火、正火、淬火、回火）的基本操作方法；2、 初步了解在相同热处理条件下，碳钢的含碳量与硬度之间的关系；3、 初步了解在成份相同的条件下，热处理工艺对硬度的影响；4、 掌握测量硬度方法。二、实验说明在纯铁中加入2.11%以下的碳，既为碳钢。碳钢的性能除了与生产条件和含碳量有关外，还与其热加工工艺有密切的关系。钢的热处理是指将钢在固态下施以不同的加热、保温冷却，以改变其组织和性能的一种工艺。普通热处理有退火、正火、淬火、回火等。现用锯条作演示，观察“四火”的差异。三、实验内容1、热处理工艺试验退火：加热到780，
2、保温10后，随炉冷却，此时锯条柔软，极易弯曲。正火：加热到780，保温10后，出炉在静止的空气中冷却，此时锯条较硬，仍可弯曲，但反复几次后就断成两截。淬火：加热到780，保温10后，迅速出炉在水中或油中冷却，此时锯条性能又硬又脆，极易折断不弯曲。回火：把淬火后的锯条，再加热到420，保温1h后，出炉空冷此时锯条强韧性高，脆性降低。2、硬度试验生产中常用的硬度有和布氏硬度洛氏硬度。布氏硬度：主要设备有布氏硬度计和读数显微镜。常用HB-3000型布氏硬度计。试验时，将试样放到载物台上，选择一载荷P（公斤）加载，把直径D（mm）的钢球，压入试样表面并保持一定时间，然后卸去载荷，用读数显微镜（20倍）
3、测出压痕直径d（mm），查表即得硬度值（见附录）。注意：布氏硬度计只能测量硬度较软的退火、正火工件，不能测硬度较硬的淬火、回火工件。洛氏硬度：主要设备有洛氏硬度计。一般常用HR-100型洛氏硬度计，其原理是测量试样表面“残留”的压印深度，最常用两种洛氏硬度： HRC压头为金刚石圆锥体，沿直径截面的顶角为120，总载荷为150公斤，适用于淬火钢、回火钢、钛合金等硬度较高的试样HRB压头采用直径为1.6mm的钢球，总载荷为100公斤，适用于退火钢、铜合金、铝合金等硬度较软的试样。硬度值可直接从硬度计的表盘刻度上读出。洛氏硬度的压印很小，可测较薄材料，但对铸铁、轴承合金等材料，不宜采用。四、实验设备
4、及材料1、加热炉、淬火水槽、淬火油槽、布氏硬度计、读数显微镜、洛氏硬度计；2、锯条、20、45、T8或T12钢试样。五、实验方法及步骤全班分成四组，进行下列试验：1、锯条的热处理演示；2、每组领取三个退火试样，测量布氏硬度；3、每组领取四个试样（经淬火和不同温度回火），测量洛氏硬度。六、实验报告要求1、把硬度值记录在表1-1和表1-2中，表1-1 不同成份钢退火后硬度钢号2045T8（T12）布氏硬度HB表1-2 45钢淬火及回火硬度热处理工艺正常淬火840低温回火180中温回火420高温回火600洛氏硬度HRC2、问题： 在相同的热处理条件下，含碳量对钢材性能有何影响？ 成份相同的钢材，在不
5、同热处理条件下，性能有何变化？实验二 钢中显微组织缺陷及非金属夹杂物的鉴定一、实验目的1、 了解钢中常见的几种显微组织缺陷的特征；2、 了解钢中常见非金属夹杂物的特征及金相鉴定方法。二、实验说明（一）钢的显微组织缺陷 钢的显微组织缺陷对其机械性能、工艺性能均有很大的影响。常见的缺陷有下列几种：1、 脱碳 钢在加热和保温时，由于氧化作用是表层的碳全部或部分丧失的现象。全脱碳的组织为铁素体，部分脱碳后的组织为铁素体加渗碳体。钢的脱碳大大降低表面硬度、耐磨性和疲劳极限。在保护气氛中加热或缩短钢材在炉中高温停留时间，均可减轻脱碳现象。2、 过热过烧 热处理时，加热温度过高引起使晶粒长大现象称过烧。它使
6、钢的机械性能尤其是冲击韧性下降，可以通过退火予以矫正。当晶界发生氧化或熔化现象时，即为过烧。过烧后的工件只能报废而无法使用。3、三次渗碳体含碳量接近0.02的碳钢，热处理过程中，在700300实行缓慢冷却，三次渗碳体将沿铁素体晶界析出，它的出现使钢的塑性显著降低。在上述温度范围内快速冷却，可防止发生。4、魏氏组织铁素体或二次渗碳体沿奥氏体晶界析出，成方向性分布即魏氏组织。魏氏组织的存在板由晶粒粗大，使钢的机械性能下降，可通过退火或正或予以消除。5、带状组织热加工后的低碳钢显微组织中铁素体和珠光体沿加工方向呈层状平行交替排列，称为带状组织。带状组织使钢的性能呈各向异性，并降低塑性和韧性，硬度不均
7、匀。由合金元素偏析带来的带状组织可通过高温长时间加热后快冷的方法予以改善。6、网状碳化物碳素工具钢、和经哦年工具钢、铬轴承钢等材料若热加工时温度过高、冷速过慢，碳化物就会沿晶界析出呈网状碳化物。网状碳化物的存在削弱了金属间的结合，降低了钢的冲击韧性，增加了钢的脆性。可通过政会予以改善和消除。7、碳化物不均匀性高速钢、合金工具钢钢锭凝固后，由于偏析，晶热加工后组织中呈现碳化物不均匀分布，称碳化物不均匀性。常见有粗大碳化物聚集和碳化物呈条带现象。它可导致工具热处理后产生裂纹，降低刀具的红硬性和耐磨性。改善浇铸条件和反复锻造有利于降低碳化物不均匀性。8、带状碳化物它是钢锭中显微组织偏析在热加工变形过
8、程中延伸而成的碳化物富集带。带状碳化物的出现会造成零件回火后硬度、组织不均匀性。9、碳化物液析在GC15轴承钢和CM、CWM等低合金高碳钢中，由于浇铸条件不良或锭型设计不合理，使凝固后的钢碳含量很高，组织中存在部分莱氏体，这一现象称为碳化物液析。液析莱氏体中含有大量碳化物，在随后的热加工过程中破碎成大块丛聚，烟渣制方向分布。将钢锭进行均热或扩散退火再开坯轧制，可以消除。（二） 属夹杂物的显微组织钢中非金属夹杂物的存在，破坏了金属基体的连续性，降低其机械性能、物理性能、化学性能及工艺性能。其影响的程度主要取决于夹杂物的性质、形状、大小、数量及分布状态。 利用金相方法鉴别非金属夹杂物，常用夹杂本身
9、在明场、暗场、偏振光下的一些特征来判断。1、明场下非金属夹杂物的特征（1）夹杂物的形状、大小和分布：由表面张力作用而形成的球状；由结晶学因素作用而形成的多变性及树枝状；呈连续或断续的形式沿晶界分布的条带状；先生成相周围分布着后生成相。（2）夹杂物的反射本领：夹杂物在明场下的颜色。如果夹杂物的光泽与金属基体表面接近，认为其反射能力强；若暗黑无光，则反射能力弱；介于二者之间，则反射能力中等。（3）夹杂物的化学性能：夹杂物被侵蚀后，将产生：完全被侵蚀掉夹杂物处留下坑洞；染上颜色或改变颜色；不赔侵蚀，不发生变化。（4）夹杂物的力学性能：可用硬度计来测量夹杂物的硬度。工件表面的压痕形状、夹杂物的剥落情况
10、及磨制试样后留下的“慧星尾”等均可间接反映出其硬度、脆性和塑性。2、暗场及偏振光下非金属夹杂物的特征（1）夹杂物的透明度及色彩：根据夹杂物的透明程度，可分为透明、不透明和半透明三种。不透明夹杂有一亮边，这是由于杂物折射到金属交界处后的一部分光由交接处反射出来所致。若夹杂物是透明有色彩的，则在暗场下呈现其固有的颜色。（2）夹杂物的各向同性及各向异性效应：在正交偏光镜下将显微镜载物台转动一周后无亮度变化，而各向异性夹杂物在转动一周载物台中有四次消光、四次明亮现象。某些弱各向异性的夹杂物，则在转动载物台一周中只有一次消光、二次明亮。一般结晶成等轴晶系的夹杂物基本上是光学各向同性的，而非等轴晶系的夹杂
11、物则具有明显的光学各向异性。（3）加杂物的黑十字现象：凡球状透明夹杂物，在正交偏振光下都产生中间贯以黑十字形的明暗交替断续的同心环。这一现象是由于透明夹杂物的规则球状外形所引起的，当球状外形遭破坏时，黑十字现象也即消失。3、钢中常见夹杂物：夹杂物主要有：氧化物、硫化物、硅酸盐、氮化物四大类。三、实验内容及步骤1、 每人轮流观察脱碳、过热过烧、三次渗碳体、魏氏组织、带状组织、网状碳化物、碳化物不均性、碳化物液析等试样；2、 每人轮流观察三氧化二铝、氧化铁、二氧化硅、硫化铁、硫化锰、氮化钛、硅酸盐等夹杂试样，并用明暗场进行鉴定；3、 轮流在偏光镜下观察夹杂物的各向异性和黑十字现象。四、实验设备及材
12、料1、 带偏光暗场的金相显微镜；2、 制备好的显微组织缺陷及夹杂物试样。五、实验报告要求1、 绘出各显微组织缺陷示意图，并说明其特征；2、 绘出夹杂物显微组织示意图，并说明其特征。实验三浇注条件对铸锭组织的影响一、实验目的1、 了解铸锭组织特征；2、 研究不同浇注条件下对铸锭组织的影响。二、实验说明液态金属在凝固过程中，由于不同的结晶条件，导致不同的组织形貌。典型金属铸锭组织的截面由三个晶区所组成：（1） 表层细晶区：由细小等轴晶粒构成；（2） 柱状晶区：由垂直于模壁层柱状晶构成；（3） 中心等轴晶区： 由粗大等轴晶构成。 但在实际情况下，三晶区的相对量及晶粒大小，随浇注条件的不同而不同。表层
13、细晶区由于很薄，对铸锭性能影响不大，可忽略不计。次表层的柱状晶区组织致密，但在柱状晶交界处，聚集着低熔点夹杂，形成脆弱的结合面，轧制时易在此开裂，所以对于杂质多、塑性差的金属，不希望得到柱状晶，单纯度高、塑性好的金属则无害。中心粗大的等轴晶区组织不够致密易导致铸锭疏松。根据不同的需要，可通过改变浇注条件来控制三晶区的大小和细化晶粒。晶粒细化的基本途径是形成足够数量的晶核及限制晶核的长大。1、 改变铸模的冷却能力 增加铸锭冷却能力，提高温度梯度，可加速柱状晶区的发展。但以极快的速度冷却（如水冷模壁）而铸模体积又很小时，可获得全部的细小等轴晶，但此受到铸锭尺寸的限制；如果降低铸锭的冷却能力，减小温
14、度梯度，则有利于中心等轴晶的长大。2、 改变形核条件 在液态金属中加入变质剂，增加非均匀形核的核心，可使中心等轴晶区扩大并使晶粒细化；采用过热方法，将液态金属中难溶质点的“活性”去处，导致非均匀性核的核心数目减少，可获得较粗大的柱状晶区。3、 改变液态金属的结晶组织用电磁搅拌、机械振动、加压浇注等方法，加强液态金属在铸模中的运动冲碎已生长的晶粒以形成更多的晶核而使晶粒细化。三、实验内容及步骤1、 将铝块放入坩埚炉内，在电炉或马弗炉内加热溶化；2、 加热到表中给定的浇注温度后，用钳子把坩埚取处，迅速浇注到铸模内；3、 将冷却的铝锭取出水冷至室温，铸出表3-1中给定条件下的铝锭（铸模尺寸：内径30mm，高100mm），并打上记号；4、 将铝锭用虎钳钳住，用锯子沿纵轴和横轴锯开，再用锉刀锉平，按上表编号；对断面用280号、320号砂纸磨光，用水冲洗，酒精擦洗吹干；5、 将制好的磨面侵入王水侵蚀，并来回移动，待铝锭组织露出时，取出，用水清洗、吹干；6、 用肉眼或放大镜逐块观察分析组织的变化。表3-1 铝锭的不同浇注条件序号铸模材料铸模厚度（mm）铸模温度（）浇注温度（）组织备注模壁模底0钢钢3水冷900三晶带12钢钢10室温780柱状晶（柱晶间界）34钢钢10室温780细小等轴晶变质剂58钢耐10室温
