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1、（实验报告）杨 蔚 翟封祥 焦建强 编工程材料与成型工艺基础工程材料与成型工艺基础 实验指导书实验指导书 （实验报告） 杨杨 蔚蔚 翟封翟封祥祥 焦建强焦建强 编编 学生学生姓名姓名 学学 号号 斑斑 级级 实验实验教师教师 成成 绩绩 大大 连连 交交 通通 大大 学学 2016 年年 3 月月 工程材料与成型工艺基础工程材料与成型工艺基础 1 目目 录录 工程材料与成型工艺基础实验守则 （3） 实验一 铁碳合金平衡组织观察 （3） 实验二 碳钢的热处理操作、 组织观察及硬度测定 （8） 实验三 焊接接头宏观及微观组织观察与分析（14） 附录 1 金相试样的制备 （19） 附录 2 金相显微
2、镜及多媒体互动教学系统的使用方法 （22） 附录 3 硬度计的使用方法 （27） 工程材料与成型工艺基础工程材料与成型工艺基础 2 实实 验验 守守 则则 1. 实验前认真做好预习，明确实验目的，了解实验内容、步骤及注意事项。 2. 实验不得迟到，无故迟到两次者实验成绩记为不及格。病假、事假需有医生、辅导员或班主任证明。无故旷课者，该次成绩记以零分。 3. 实验时必须听从实验教师的指导，严格遵守实验室规章制度和仪器设备操作规程，注意人身安全及设备安全，不得随意动用与本次实验无关的仪器设备。 4. 实验中损坏仪器、设备根据情节轻重按学校有关规定进行全部或部分赔偿。 5. 实验过程中认真做好实验记
3、录，实验数据及结果需经实验教师认可并签字。 6. 实验完毕后，仔细整理好仪器、设备，清理桌面及场地。 7. 认真做好实验报告，按时递交。 工程材料与成型工艺基础工程材料与成型工艺基础 3 实实验验一一 铁碳合金铁碳合金平衡平衡组织观察组织观察 一、实验目的 1. 了解铁碳合金在平衡状态下的组织转变过程。 2. 掌握不同成分铁碳合金在平衡状态下的显微组织特征。 3分析含碳量对铁碳合金显微组织的影响，加深理解成分、组织与性能的相互关系。 4. 了解金相样品的制备过程。 5. 了解光学显微镜的构造、成像原理及使用方法。 二、实验原理 铁碳合金的平衡组织是指铁碳合金在极其缓慢的冷却条件下所得到的组织，
4、即Fe-Fe3C 相所对应的组织。 但是， 在实际生产中要想获得一种完全的平衡组织是不可能的，退火条件下得到的组织比较接近于平衡组织， 因此可以借助退火组织来观察和分析铁碳合金的平衡组织。 根据 Fe-Fe3C 相图，铁碳合金可分为工业纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢、亚晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁。 1. 工业纯铁 碳的质量分数c0.5%时，淬火后总有一定量的奥氏体不能转变为马氏体而保留到室温， 这部分奥氏体称为残余奥氏体。 在显微镜下呈白亮色，分布在马氏体之间，无固定形态。 2. 硬度测试的原理 将压头利用杠杆在一定载荷作用下使压头压入试样内部， 通过测定压入深度来表征材料的硬
5、度。洛氏硬度是压入硬度法的一种，也是以压痕深度大小表示材料的硬度值。它的压痕较小，可测量较高和较低的硬度，直接读数，操作方便，生产检验效率高。 三、实验材料及仪器设备 1. 箱式电炉和控温仪表，光学金相显微镜，洛氏硬度计等； 2. 碳钢样品 45 碳素结构钢 （12mm20mm） 和 T12 碳素工具钢 （15mm20mm）及热处理工艺规程列于表 2.1。冷却介质如油、水以及金相样品制备用砂纸、浸蚀剂等。 工程材料与成型工艺基础工程材料与成型工艺基础 10 表 2.1 碳钢样品及热处理工艺规程 样品样品编号编号 材料材料名称名称 钢的临界点钢的临界点/ 热处理工艺规程热处理工艺规程 Ac1 A
6、c3/Accm Ar1 Ar3 加热温度加热温度 / 保温时间保温时间/min 冷却方式冷却方式 2-1 45 钢 742 780 682 760 860 15 空冷 2-2 45 钢 742 780 682 760 860 15 油冷 2-3 45 钢 742 780 682 760 860 15 水冷 2-4 45 钢 742 780 682 760 750 15 水冷 2-5 T12 730 820 700 750 15 水冷 四、实验内容及步骤 1. 实验前认真阅读实验指导书。 2. 热处理操作：根据制定好的热处理工艺规范进行热处理操作，当炉温达到设计温度后（或从控温仪表上读出），将试
7、样装入炉内，保温时要注意控温仪表是否正常，发现问题及时报告指导教师。 淬火冷却时， 应迅速地将试样放入水或油中， 并不停地搅拌试样，注意不要将试样露出液面。 3. 硬度测定：淬火处理后的试样用砂布磨掉氧化皮，然后在掌握洛氏硬度计操作方法（附录 3）的基础上，在洛氏硬度计上测定各试样的硬度值（HRB 和 HRC），同时将本次实验的全部硬度值记录在实验报告上。 4. 组织观察：完成全部热处理操作后，对各种热处理后的试样进行金相样品的制备，并在光学金相显微镜下观察、分析热处理后的显微组织。在识别各组织组成物的基础上，根据显微镜中组织的形态特征，确定不同热处理工艺条件下的组织类型。 五、实验报告及要求
8、 1. 实验结果实验结果 （1）热处理工艺规范 根据各碳钢热处理实验样品的技术要求，将制定的热处理工艺规范参数列于表 2.3。 表表 2.3 实际操作时的热处理工实际操作时的热处理工艺艺 样品样品编号编号 材料名称材料名称 热处理热处理工艺规程工艺规程 样品尺寸样品尺寸 加热温度加热温度/ 保温时间保温时间/min 冷却方式冷却方式 2-1 45 钢 2-2 45 钢 工程材料与成型工艺基础工程材料与成型工艺基础 11 2-3 45 钢 2-4 45 钢 2-5 T12 （2）硬度测定结果 经不同工艺条件进行热处理后各碳钢样品在洛氏硬度计上测出三个点的硬度数据， 然后将三个数据求平均值，得出该
9、材料淬火后的 HRC 或 HRB 列于表 2.4 中。测试 HRC 所用压头为 120金刚石圆锥，压力为 150kg（其中预加压力)100kgP 表表 2.4 硬度测试结果硬度测试结果 样品样品编号编号 材料名称材料名称 HRB 或或 HRC 技术要求技术要求 点点 1 点点 2 点点 3 平均平均 2-1 45 钢 HRB97 2-2 45 钢 HRC59 2-3 45 钢 HRC45 2-4 45 钢 HRC38 2-5 T12 HRC61 （3）金相显微组织 在方框中添入金相组织。 材质：45 钢 处理工艺： 860 空冷 材质：45 钢 处理工艺： 860 油冷 腐蚀剂：4%硝酸酒精
10、放大倍数：100 腐蚀剂：4%硝酸酒精 放大倍数： 400 工程材料与成型工艺基础工程材料与成型工艺基础 12 材质：45 钢 处理工艺：860 水冷 材质：45 钢 处理工艺： 750 水冷 腐蚀剂：4%硝酸酒精 放大倍数：400 腐蚀剂：4%硝酸酒精 放大倍数： 400 材质：T12 钢 处理工艺：750 水冷 腐蚀剂：4%硝酸酒精 放大倍数：400 2. 分析讨论分析讨论 （1）45 钢常用的热处理是什么？T12 钢常用的热处理是什么？这两种钢经热处理后的组织和硬度怎样? 工程材料与成型工艺基础工程材料与成型工艺基础 13 （2）本实验中采用哪几种淬火介质？说明哪种冷却介质的冷却速度最快
11、。 （3） 生产中对 T12 钢进行正火处理(加热到 Accm 点以上)的实际意义是什么? 说明原因。 （3）为什么淬火-回火是不可分割的工序? 确定回火温度范围的依据是什么? 3. 学生学生实验体会实验体会 4. 实验教师评语实验教师评语 工程材料与成型工艺基础工程材料与成型工艺基础 14 实验三实验三 焊接接头宏观及微观组织观察与分析焊接接头宏观及微观组织观察与分析 一、实验目的 1. 了解电弧焊接方法。 2. 熟悉焊接接头宏观组织形貌特征。 3. 分析焊接接头微观组织及其对性能的影响。 4. 了解焊接接头中常见缺陷的形态和形成。 二、实验原理 1焊接接头的形成过程 焊接过程实际上是利用电
12、弧作为热源使被焊金属的局部加热熔化， 同时加入焊条或焊丝填充金属形成金属液态熔池。 当电弧移开时， 由于周围冷金属传热使熔池温度迅速降低并凝固后形成焊缝， 而熔池周围未发生熔化但受到焊接热作用的母材形成热影响区， 由焊缝、热影响区及其附近的母材金属组成了焊接接头。 2焊接接头的宏观组织 焊接接头的宏观组织如图 3.1 所示。由图 3.1可以看出，焊接接头可分为三个部分： （1）中心为焊缝区，呈柱状晶组织特征； （2）靠近焊缝部分为热影响区； （3）邻接热影响区且未受热作用的部分为母材金属。 3焊接接头的微观组织 （1）焊缝区的微观组织 焊接熔池完全结晶后形成的固态柱状晶焊缝，在随后的连续冷却过
13、程中将发生相变，形成最终的焊缝相变组织。 低碳钢焊缝的含碳量较低， 相变组织主要由铁素体和少量的珠光体组成。对于发生过热的低碳钢焊缝金属，还可能出现塑性很差的魏氏组织。魏氏组织是由先共析铁素体、 侧板条铁素体和少量珠光体混合而成的多相组织， 其主要特征是铁素体从原奥氏体晶粒 采用多层焊时，由于后一层焊道对前一层焊道的热处理作用，使得焊缝柱状晶消失，形成细小的等轴晶。 合金钢焊缝由于受到化学成分和冷却条件的影响而会形成不同的组织。 一般焊缝中合金元素少时，类似于低碳钢焊缝组织。当焊缝中合金元素较多，淬透性较好或冷却速度较快时会出现贝氏体、马氏体组织。 （2）热影响区的微观组织 图 3.1 焊接接
14、头宏观组织 工程材料与成型工艺基础工程材料与成型工艺基础 15 焊接热影响区是焊缝两侧未经熔化但组织与性能发生变化的区域。 由于热影响区不同部位所受的热作用不同， 造成其组织和性能的分布极不均匀， 以致于可能成为焊接接头的最薄弱环节。 对于低碳钢和普通低合金钢，如 Q235、Q345 等。其焊接热影响区可分为四个区域： a）熔合区 即熔合线附近焊缝金属到母材基体金属的过渡部分，温度处于固相线与液相线之间，金属处于局部熔化状态，晶粒十分粗大，化学成分和组织极不均匀，冷却后的组织为过热组织，呈典型的粗大魏氏组织。该区域尺寸很窄，但对焊接接头的强度、塑性都有很大影响， 往往是裂纹和脆断的发源地。 魏
15、氏组织的特征是铁素体在原奥氏体晶界呈网状析出， 或从原奥氏体晶粒内部沿着一定方向呈针状或片状析出， 形成许多平行的铁素体针片，在铁素体针片之间的剩余奥氏体最后转变为珠光体。 b）过热区 又称粗晶区，紧邻熔合区。该区加热温度达 1100以上至熔点，尤其是1300以上时，奥氏体晶粒急剧粗化，焊后空冷条件下呈粗大的魏氏组织，塑性、韧性降低，接头易于出现裂纹。 c）完全重结晶区 又称正火区或细晶区，温度范围约为 9001100。该区加热至峰值温度后全部转变为奥氏体，空冷后得到均匀细小的铁素体+珠光体组织，相当于热处理中的正火组织，故称正火区，具有较高的力学性能，甚至优于母材本身。 d）不完全重结晶区 又称部分相变区或不完全正火区，其峰值温度介于 Ac1Ac3 之间，约为 750900。该区金属只有一部分经历两次相变重结晶，形成细小的铁素体和珠光体， 而另一部分为始终未能发生重结晶的原始晶粒较为粗大的铁素体
