《工程材料》实验指导书金属

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1、实验一实验一 铁碳合金平衡组织观察铁碳合金平衡组织观察一、实验目的一、实验目的 1观察和识别铁碳合金平衡组织的特征。 2了解铁碳合金的成分、组织和性能之间的对应变化关系。 3学习金相显微镜的使用。 二、实验设备及材料二、实验设备及材料 1金相显微镜； 2铁碳合金试样一套； 3金相图谱。 三、实验原理及方法三、实验原理及方法 （一）显微组织概述 铁碳合金的显微组织是研究和分析钢铁材料性能的基础，所谓平衡状态显微组织是指合金在极为 缓慢的冷却条件下（如退火状态，即接近平衡状态）所得到的组织。我们可根据 Fe-Fe3C 相图来分析 铁碳合金在平衡状态下的显微组织。图 1-1 Fe-Fe3C 相图铁碳

2、合金的平衡组织主要是指碳钢和白口铸铁组织，它们的性能与其显微组织密切相关。对碳钢 和白口铸铁显微组织的观察和分析，有助于加深对相图的理解。 从相图上可以看出，所有碳钢和白口铸铁的室温组织均由铁素体（F）和渗碳体（Fe3C）这两个 基本相组成。但由于含碳量不同，结晶条件不同，铁素体和渗碳体的相对数量、形态、分布和混合情 况均有所不同，因而呈现不同的组织形态。其基本特征如下： 1铁素体（F） 是碳溶于 -Fe 中的固溶体。具有良好的塑性，硬度较低。用 3-4硝酸酒精浸蚀后，在显微镜 下呈现明亮的等轴晶粒；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。

3、 2渗碳体（Fe3C） 是铁与碳形成的一种化合物，其碳含量为 6.69%，质硬而脆，耐腐蚀性强，经 3-4硝酸酒精浸蚀后，渗碳体呈亮白色，若用苦味酸钠溶液浸蚀，则渗碳体能被染成暗黑色或棕红色，而铁素体仍为 白色，由此可区别铁素体和渗碳体。按照成分和形成条件的不同，渗碳体可以呈现不同的形态：一次 渗碳体是直接由液体中析出的，故在白口铸铁中呈粗大的条片状；二次渗碳体是从奥氏体中析出的， 往往呈网络状沿奥氏体晶界分布；三次渗碳体是由铁素体中析出的，通常呈不连续薄片状存在于铁素 体晶界处，数量极微，可忽略不计。 3珠光体（P） 是铁素体和渗碳体的机械混合物，在一般退火处理情况下是由铁素体与渗碳体相互混

4、合交替排列 形成的层片状组织。珠光体强度和塑性介于铁素体和渗碳体之间。经硝酸酒精溶液浸蚀后，在不同放 大倍数的显微镜下可以看到具有不同特征的珠光体组织（图 1-2） 。在高倍放大时能清楚地看到珠光 体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体；当放大倍数较低时，由于显微镜的鉴别能力小于渗碳体片 厚度，这时珠光体中的渗碳体就只能看到是一条黑线；当放大倍数更低时，珠光体的片层就不能分辨， 而呈黑色。(a) 500 (b)1500(c) 7000 图 1-2 T8 钢在不同放大倍数下的显微组织 4莱氏体（Ld） 是在室温时珠光体及二次渗碳体和渗碳体所组成的机械混合物。含碳量为 4.3%的共晶白口铸铁 在 1

5、147时形成由奥氏体和渗碳体组成的共晶体，其中奥氏体冷却时析出二次渗碳体，并在 723以 下分解为珠光体。莱氏体的显微组织特征是在亮白色的渗碳体基底上相间地分布着暗黑色斑点及细条 状的珠光体。二次渗碳体和共晶渗碳体连在一起，从形态上难以区分。莱氏体硬度很高，性脆。 （二）各种铁碳合金在室温下的显微组织 表 1-1 各种铁碳合金在室温下的显微组织类型含碳量 （）显微组织特征工业纯铁0.02铁素体（等轴晶粒）和少量渗碳体（薄片状） ，见图 1-3。碳亚共析钢0.02-0.8铁素体（块状）和珠光体，见图 1-4，1-5。共析钢0.8珠光体，宽条状铁素体与细条状渗碳体相间交替排列。见图 1-2。钢过共

6、析钢0.8-2.06珠光体和二次渗碳体（网状） ，见图 1-6。亚共晶白口铁2.06-4.3珠光体（暗黑色椭圆形枝状分布） 、莱氏体和二次渗碳体，见图 1-7。共晶白口铁4.3莱氏体（亮白色渗碳体基体上分布着暗黑色粒状珠光体） ，见图 1- 8。白 口 铸 铁过共晶白口铁4.3-6.69一次渗碳体（亮白色粗大片条状）分布在莱氏体基体上，见图 1- 9。图 1-3 工业纯铁显微组织（200） 图 1-4 20 钢显微组织（200）图 1-5 45 钢显微组织（200） 图 1-6 T12 钢显微组织（200）图 1-7 亚共晶白口铸铁显微组织（200） 图 1-8 共晶白口铸铁显微组织（200）

7、图 1-9 过共晶白口铸铁铁显微组织（200） 四、实验内容及步骤四、实验内容及步骤 1 观察铁碳合金显微组织，并注意建立组织与铁碳相图之间的关系。 2 观察时应比较随含碳量的增加，组织的形状、大小和分布的特征。 3 观察组织时可用不同的放大倍数，开始用低倍，然后用高倍。 五、实验报告要求五、实验报告要求 1 数据记录及处理：画出表 1-2 中的显微组织图，并注明合金牌号，材料成分，处理情况，浸蚀剂， 放大倍数和组织物名称。显微组织图画在直径为 30mm 的圆内，并将组织组成物名称以箭头引出 标明。 2 完成思考讨论题： （1）根据所观察的组织说明含碳量对铁碳合金的组织和性能影响的大致规律。

8、（2）怎样鉴别碳钢的网状铁素体和碳钢的网状渗碳体。表 1-2 几种碳钢和白口铸铁的显微组织编号材料热处理浸蚀剂放大倍 数显微组织显微组织图1工业纯铁退火FFe3C（可忽略）220 钢退火F+P345 钢退火F+P4T8 钢退火P5T12 钢退火P+Fe3C 6亚共晶白口铁铸态LdP+Fe3C 7共晶白口铁铸态Ld 8过共晶白口铁铸态4硝酸 酒精溶 液LdFe3C 注：本实验所示图片均用 4硝酸酒精溶液浸蚀实验二实验二 碳钢的热处理及硬度测试碳钢的热处理及硬度测试一、实验目的一、实验目的 1熟悉基本热处理工艺及操作方法。 2学会硬度计的使用。 3了解热处理工艺参数（加热温度、冷却速度）对组织和性

9、能的影响。 二、实验设备及材料二、实验设备及材料 1箱式电炉及控温仪表； 2洛氏硬度计； 3冷却槽； 3冷却剂：水，油； 4试样：45 钢，T12 钢； 5粗砂纸。 三、实验原理及方法三、实验原理及方法 1、碳钢的热处理 钢的热处理是将钢加热到一定的温度，经一定时间的保温，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。钢的热处理基本工艺方法可分为退火、正火、淬火和回火。 退火通常是把钢加热到临界温度 Ac1或 Ac3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而得到比较接近平衡状态的组织。经退火后组织稳定，硬度较低，有利于下一 步进行切削加工。 正火

10、则是将钢加热到 AC3或 Acm以上 30-50，保温后进行空冷。由于冷却速度稍快，与退火组 织相比，组织中的珠光体相对量较多，且片层较细密，所以性能有所改善。 淬火是将钢加热到 Ac3（亚共析钢）或 Ac1（过共析钢）以上 30-50，保温后放入各种不同的冷 却介质中快速冷却，以获得马氏体组织。碳钢经淬火后的组织由马氏体及一定量的残余奥氏体组成。 回火是将淬火后的工件重新加热到低于相变点的某一温度保温一定时间后冷却，以改善钢的组织 和性能的热处理工艺。 2、热处理工艺的选择 任何热处理工艺都包括加热温度、保温时间以及冷却方式三个基本的工艺因素。 加热温度的选择见图 2-1、图 2-2。淬火加

11、热温度的控制很重要，对亚共析钢加热温度是 Ac3（30-50），加热温度不足时，组织中会出现铁素体使淬火后硬度不足。共析钢和过共析钢正 常淬火加热温度是 Ac1（30-50） ，加热时有未完全溶解的二次渗碳体，可以提高淬火后的硬度 和耐磨性。如加热温度过高时会因为得到粗大马氏体以及过多的残余奥氏体而使硬度和耐磨性下降、 脆性增加。图 2-1 退火和正火的加热温度范围 图 2-2 淬火加热温度范围加热时间实际上是将试样加热到淬火温度所需的时间以及在淬火温度停留所需时间的总和。加热 时间与钢的成分、工件的形状尺寸、所用的加热介质、加热方法等因素有关。 冷却方式直接影响到钢淬火后的组织和性能。退火时

12、一般采用工件随炉冷却到 600-550以下再 出炉空冷。正火时放于静止的空气中冷却。淬火常用的冷却介质为水、油等。淬火时应使冷却速度大 于临界冷却速度，以保证获得马氏体组织；在此前提下又应尽量缓慢冷却，以减小内应力，防止变形 和开裂。可根据 C 曲线（如图 2-3 所示）确定冷却速度。为了保证淬火效果，应选用适当的冷却介质 （如水、油等）和冷却方法（如双液淬火、分级淬火等） （图 2-4） 。图 2-3 C 曲线上冷却速度的影响 图 2-4 各种淬火冷却曲线示意图单液淬火双液淬火分级淬火等温淬火四、实验内容及步骤四、实验内容及步骤 1 每人领取一块试样，并进行分组；按表 2-1 所列工艺进行分

13、工，每人进行一种热处理工艺的操作；2 将试样分别放入 830和 760的炉内加热（炉温预先由实验老师升好） ，保温 15-20 分钟； 3 取出试样分别进行水冷、油冷和空冷的热处理操作； 4 试样冷却到室温后，用砂纸磨去两端面氧化皮； 5 测试硬度（HRC） ，每个试样测三点，取平均值。并记下原始数据； 注意事项： 1同组学生应分工合作，数据共享。 2取放试样时炉子要切断电源，操作者应戴上手套。 3淬火时，试样用钳子夹好，出炉，迅速放入冷却槽，并不断在水中或油中搅动，以充分冷却。表 2-1 实验数据记录表热处理工艺硬度值 HRC序号钢号加热温度冷却方式123平均1空冷2油冷3830水冷445

14、钢760水冷5空冷6油冷7760水冷8T12 钢830水冷5、实验报告要求实验报告要求 1数据记录及处理：（1）每一大组进行数据共享，完成表 2-1； （2）将每种材料的硬度与冷却速度的关系画在图上。 2 完成思考讨论题： （1）分析含碳量、加热温度、冷却速度对硬度和组织的影响。 （2）分析实验数据误差的原因。实验三实验三 碳钢热处理后的组织观察及合金钢、铸铁的组织观察碳钢热处理后的组织观察及合金钢、铸铁的组织观察一、实验目的一、实验目的 1.了解碳钢成分、组织和性能的特点以及它们的主要应用。 2.了解合金钢成分、组织和性能的特点以及它们的主要应用。 3.了解铸铁的成分、组织和性能的特点以及它

15、们的主要应用。 二、实验设备及材料二、实验设备及材料 1金相显微镜； 2碳钢、合金钢、铸铁试样一套； 3. 金相图谱。 三、实验原理及方法三、实验原理及方法 （一）碳钢热处理后的显微组织分析 钢的组织决定了钢的性能，在化学成分相同的条件下，改变钢的组织主要是通过热处理工艺来控 制钢的加热和冷却过程，从而获得我们所希望的组织和性能。钢加热到临界温度以上，获得均匀的奥 氏体组织，然后以很缓慢的速度冷却，所获得的组织称为平衡组织；如果快速冷却所获得的组织为非 平衡组织。 1、 钢的退火组织 完全退火热处理工艺主要适用于亚共析钢，经完全退火后钢的组织接近于平衡状态的组织。过共 析钢一般采用球化退火热处理工艺，T12 钢经球化退火后的组织如图 4-1。组织中的二次渗碳体和珠 光体中的渗碳体都呈球状或粒状。图 4-1 T12 球化退火组织（400） 2、钢的正火组织 由于正火的冷却速度大于退火的冷却速度，因此，在相同碳的质量分数的情况下，正火后得到的 金相组织一般要比退火后的组织要细，珠光体的相对含量也比退火组织中相对要多。45 钢正火后的 金相组织：铁素体珠光体，T12 钢正火后的组织：珠光体渗碳体。 3、钢的淬火组织 不同成分的钢在不同的加热、保温和冷却条件下会得到不同的淬火组织，典型的淬火组织有如下 几种： (1)贝氏体 贝氏体分上贝氏体和下贝氏体，上贝氏体由平行排列的板