新编工程材料及热加工实验指导书

新编工程材料及热加工实验指导书内容摘要：

体 室温下，莱氏体是珠光体和渗碳体的机械混合物，渗碳体含 Fe3C 共晶 及 Fe3CⅡ 两者没有边界，连成一体，呈白亮色的基体，珠光体则呈黑色的点状，短条状及小块状。 灰铸铁的显微形貌 灰铸铁的显微组织可根据其基体与石墨的形态来鉴别，灰铸铁的基体有铁素体基，珠光体 基及铁素体十珠光体基三类，石墨的形态主要有片状，球状及团絮状几种。 ① 普通灰铸铁 普通灰铸铁基体有铁素体，铁素体十珠光体，珠光体，其石墨为片状。 ② 球墨铸铁 球墨铸铁基体也有三类，与普通灰铸铁相同，其石墨为球状。 ③ 可锻铸铁 可锻铸铁基体为铁素体，珠光体两类，其石墨为团絮状。 五、各种金属材料的组织及分析 碳素钢室温下平衡组织及分析 ① 亚共析钢： 20 钢， 45 钢 a、材料： 20 钢 状态：退火 浸蚀剂： 4％硝酸酒精溶液 组织及说明： 20 钢在显微组织中，白色块状为铁素体，暗色的层片状为 珠光体，组织的组成物铁素体和珠光体的质量分数依照杠杆原理分别为 F%=% P%=% 相组成物为 F 和 Fe3C，其质量分数分别为： F％＝ 97％ Fe3C％＝ 3％ b、材料： 45 钢 状态：退火 浸蚀剂： 4％硝酸酒精溶液 组织及说明：黑色块状部分为珠光体，白色块状部分为铁素体，组成物铁素体和珠光体的质量分数为： F%＝ % P%＝ % ② 共析钢 材料： T8 钢 状态：退火 浸蚀剂： 4％硝酸酒精溶液 组织及说明：片状为珠光体，即铁素 体与渗碳体成层片状相间排列，形如指纹，室温下组织组成物为珠光体，则 P％＝ 100％，相组成物为铁素体和渗碳体，质量分数分别为： F%＝ % Fe3C%＝ % ③ 过共析钢 材料： T12 状态：退火 浸蚀剂： 4％硝酸酒精溶液 组织及说明：基体为片状珠光体，晶界上的白色网状为二次渗碳体（由于放大倍数低，片状珠光体未能显示出来），组织组成物为 Fe3CⅡ 和 P，其质量分数分别为： Fe3CⅡ ％＝ 7％ P％＝ 93％ 碳钢热处理组织 ① 材料： 45 钢 状态 ：调质（淬火＋高温回火） 浸蚀剂： 4％硝酸酒精溶液 12 组织及说明：回火索氏体在白色铁素基体上分布着细小的线黑色片状渗碳体。 ② 材料： T12 钢 状态：淬火后低温回火 浸蚀剂： 4％硝酸酒精溶液 组织及说明：回火马氏体及残余奥氏体 ③ 材料： 20 钢 状态：渗碳 浸蚀剂： 4％硝酸酒精溶液 组织及说明：低碳钢经渗碳后表层含碳量增高，成为过 共 析成份 ， 在该层组织中，白色网络状都分为二次渗碳体，黑色部分为片状珠光 体 ，由表层向 里，含碳量逐渐降低，组织为 共 析组织，并过渡到亚共析组织，再向里即为原材料 20 钢的组织。 铸铁组织观察 ① 材料：灰口铸铁（ HT） 状态：铸态 浸蚀剂： 4％销酸酒精溶液 组织及说明：在线黑色细片状珠光体上分布着片状石墨 ② 材料：球墨铸铁（ QT） 状态：铸态 浸蚀剂： 4％硝酸酒精溶液 组织及说明：在白色铁素体及 浅 黑色珠光体基体上分布着球状石墨 其它材料组织说明 材料 状态 浸蚀剂 放大倍数 组织及说明 亚共晶白口铸铁 铸态 4％硝酸酒精溶液 400 基 体为共晶莱氏体组织，黑色枝晶状组织为珠光体系 共晶白口铸铁 铸态 4％硝酸酒精溶液 400 共晶莱氏体组织，白色基体为共晶渗碳体黑色圆粒及长条为珠光体 过共晶白口铸铁 铸态 4％硝酸酒精溶液 400 在黑色回火马氏体基体上分布着白色的粒状碳化物 W18Cr4V 淬火后低 温回火 4％硝酸酒精溶液 500 在黑色回火马氏体基体上分布着白色的粒状碳化物 H62 黄铜 退火 4％硝酸酒精溶液 200 白色部分为 固溶体，黑色部 分 为β固溶体 六、实验报告 分析讨论合金成份、组织、性能间的关系。 绘 出碳素钢室温下平衡组织 ，并标注材料名称、状态、浸蚀剂、放大倍数和组织说明（用箭头标明图中各个组成物的名称） 亚共析钢： 20 钢 45 钢 共析钢： T8 过共析钢 T12 碳钢在热处理状态下的组织特征 及性能分析。 珠光体组织在低倍观察和中倍观察时有何不同。 为什么 ? 13 实验三 碳钢的热处理 一、实验目的 （ 1）了解普通热处理（退火、正火、淬火、回火）的方法。 （ 2）分析碳钢热处理时的冷却速度及回火温度对其组织与硬度的影响。 （ 3）分析碳钢的含碳量对淬 火后硬度的影响。 （ 4）观察碳钢在普通热处理后的组织，并识别其组织特征。 （ 5）加深认识碳钢的成分、热处理工艺与其组织、性能间的关系。 二、实验概述 钢的热处理是指将钢在固态下施以不同的加热、保温与冷却，以改变其组织和性能的一种工艺。 普通热处理有退火、正火、淬火及回火等。 （一）碳钢热处理工艺 加热温度 碳钢普通热处理的加热温度，在生产中，应根据工件实际情况作适当调整。 热处理加热温度不能过高，否则会使工件的晶粒粗大，氧化，脱碳严重，变形、开裂倾向增加。 但加热温度过低，也达不到要求。 加热时间 热处 理的加热时间（包括升温时间与保温时间）与钢的成分、原始组织、工件的尺寸与形状、使用的加热设备与装炉方式及热处理方法等许多因素有关。 因此，要确切计算加热时间是比较复杂的。 在实验室中，通常按工件有效厚度，用下列经验公式计算加热时间： t=α D 式中 t ――加热时间（ min） α ――加热系数（ min/mm） D――工件有效厚度（ mm） 当碳钢工件的有效厚度 D≤ 50mm，在 800960℃ 箱式电阻加热炉中加热时， α＝ （ min/mm）。 回火的保温时间，要保证工件穿透加 热，并使组织充分转变。 组织转变时间一般不大于 ，但穿透加热时间则随回火温度、工件有效厚度、装炉量及加热方式而异。 生产中，一般为 13h。 由于实验所用试样较小，故可用。 冷却方法 钢退火一般采用随炉冷却到 600℃以下再出炉空冷。 正火采用空气中冷却。 淬火时，钢在过冷奥氏体最不稳定的范围内（ 650500℃）的冷却速度应大于马氏临界冷却速度，以保证工件不转变为珠光体型组织；而在 Ms 附近的冷却速度应尽可能低，以降低淬火内应力，减少工件变形与开裂。 因此，淬火时除了要选用合适的淬火冷却介质外，还应改进 淬火方法。 对形状简单的单液淬火法，碳钢用水或盐水溶液作冷却介质，合金钢常用油作冷却介质。 回火一般在空气中冷却。 （二）碳钢热处理后的组织与性能 珠光体型组织 它是过冷奥氏体高温（ Ar1 与 C 曲线鼻尖）转变的产物。 随奥氏体冷却时过冷度的增加，依次得到珠光体、索氏体、托氏体。 它们都是铁素体与渗碳体的层状细密混合物，但铁素体与渗碳体片层间距离依次变小，使强度和硬度递增。 由于正火的冷却速度较快，过冷度较大，因而发生了伪共析转变，使组织中珠光体量增多，片层间距减小。 托氏体是极细珠光体，在光学金显微镜下不能分辨其层状 形态，易浸蚀成黑色团絮状。 贝氏体型组织 它是过冷奥氏体中温（ C 曲线鼻尖至 Ms 处）转变的产物。 上贝氏体与下贝氏体是同含碳过饱的铁素体与渗碳体组成的两相混合物。 上贝氏体在光学显微镜下呈羽毛状。 下贝氏体在光学显微镜下呈黑色针片状。 下贝氏体的性能与上贝氏体相比较，它不仅具有较高的硬度、强度与耐磨性，而且下贝氏体的 14 韧性与塑性均高于上贝氏体。 马氏体组织 它是过冷奥氏体低温（ Ms 以下）转变的产物。 马氏体是碳在 α － Fe 中的过饱和固溶体。 低碳马氏体组织呈板条状，它不仅具有较高的强度与硬度，同时还具有良好的塑性与 韧性。 高碳马氏体组织呈针片状，性能硬而脆。 通常，共析钢和过共析钢在正常加热淬火后，得到的马氏体是很细小的，在光学显微镜下不易分辨出它的形态。 回火组织 淬火组织为马氏体（带有少量残余奥氏体）的碳钢，在低温回火后获得回火马氏体。 它是由含碳过饱和的 α固溶体与其共格的η碳化物组成。 回火马氏体仍保留着原来马氏体的针片状或板条状形态，但由于在过饱和α固溶体上分布着大量高度弥散的η碳化物，使回火马低体比淬火状态马氏体容易被腐蚀，故在光学显微镜下呈暗黑色。 回火马氏体性能基本上与淬火马氏体相同，但脆性较低。 中温回火获 得回火托氏体。 它是由尚未发生再结晶的铁素体与弥散分布的极细粒状渗碳体组成。 这些极细的粒状渗碳体在光学显微镜下无法分辨，且因铁素体尚未再结晶，故仍保持原来马氏体形态。 回火托氏体具有高的屈服点、弹性极限和较好的韧性。 高温回火得到回火索氏体，它是由已再结晶的铁素体与细粒状渗碳体所组成。 由于铁素体已发生再结晶，故基本上已失去马氏体的形态。 在放大 500倍以上的情况下，可以看到渗碳体微粒。 回火索氏体具有优良的综合力学性能。 回火温度更高时，形成回火珠光体，它是由多边形铁素体和较大的粒状渗碳体组成，其光学显微组织形态与球 化退化后的显微组织形态相似。 （三）碳钢含碳量对淬火后硬度的影响 在正常淬火条件下，钢的含碳量越高，淬火后的硬度也越高。 但碳的质量分散ω c％的钢，淬火后硬度增加不明显。 一般低碳钢淬火后，硬度在 40HRC左右；中碳钢淬火后，硬度可达 5060HRC；高碳钢淬火后，硬度高达 6265HRC. 三、实验设备、用品及试样 （一）实验设备 （ 1）实验用 可程式箱式电阻 炉 （ 2）布洛维硬度计 （ 3）金相显微镜。 （二）实验用品 （ 1）淬火水槽 （ 2）淬火油槽 （ 3）夹钳、砂纸、手套等。 （三）实验试样 试样材料 ① 数量（每组） 用途 退火状态的 T12钢 3块 分析钢加热奥氏体化后的冷却速度对其组 织、性能影响 淬火状态的 45钢 3块 分析回火温度对钢组织、性能的影响 退火状态的 20钢、 45钢、 T12钢 各 1块 分析含碳量对钢淬火硬度的影响 热处理状态的金相试样 1套（ 7种） 碳钢中各种不平衡组织的特征 四、实验方法与步骤 （ 1）学生按实验组领取实验试样，并打上钢号，以免混淆。 （ 2）决定 20钢 、 45钢 的热处理加热温度与保温时间。 调整好控温装置，并将三块 20钢 、 45钢 试 15 样放入已升到加热温度的电炉中进行加热与 保温后，分别进行空冷、油冷与水冷。 最后，测定它们的硬度，并作好记录。 （ 3）首先测定三块淬火状态 45钢的硬度，然后分别放入 200℃、 400℃、 600℃的电炉中回火 30min。 回火后的冷却，一般可用空冷。 测定回火后试样的硬度，并作好记录。 （ 4）各组将 20钢、 45钢 分别按它们的正常淬火温度加热、保温后取出在盐水中冷却，然后测定淬火后硬度，并作好记录。 （ 5）观察钢热处理状态的金相试样的显微组织，识别其组织组分及形态特征，并绘出实验报告中指定的几中组织示意图。 五、实验注意事项 （ 1）往炉中放、取试样时，应先 切断电炉的电源。 开、关炉门要快，以免炉门打开时间过长而使炉温下降。 （ 2）往炉中放、取试样时，操作者应戴上手套，并使用夹钳，以防烧伤。 夹钳必须擦干，不得沾有水或油。 （ 3）淬火冷却时，试样要用夹钳夹紧，动作要迅速，并要在冷却介质中不断搅动。 夹钳不要夹在测定硬度的表面上，以免影响硬度值。 （ 4）淬火水槽温度应保持在 2030℃左右，水温过高应及时更换冷却水。 （ 5）测定硬度前，必须用砂纸将试样表面的氧化皮除去并磨光。 每个试样应在不同部位测定三次硬度，计算后两次测得的平均值，并作好记录。 六、试验报告 钢加 热奥氏体化后的冷却速度对其组织与性能的影响 试样材料 热处理工艺参数 硬度值 HRC 显微组织 钢号 尺寸 （ mm） 加热温度 （℃） 保温时间 （ min） 冷却方法 第 1 次 第 2 次 第 3 次 平均值 空冷 油冷 水冷 （ 1）根据实验记录，填写上表。 （ 2）根据实验数据，说明钢加热奥氏体化后，冷却速度对钢组织与性能的影响。 回火温度对淬火钢组织、性能的影响 （ 1）根据实验记录，填写下表。 试样材料 回火工艺参数 硬度值 HRC 显微组 织 钢号 回火前硬度HRC 加热温度 （℃） 保温时间 （ min） 冷却介质 第 1 次 第 2 次 第 3 次 平均值 200 400 600 （ 2）根据实验数据，绘出回火温度与钢硬度的关系曲线，并联系组织，分析其性能变化的原因。 16 碳钢的含碳量对淬火后硬度的影响 （ 1）根据实验记录，。