金屬學(xué)與熱處理實驗指導(dǎo)書

1、金屬學(xué)與熱處理實驗指導(dǎo)書張學(xué)萍 高景龍沈 陽 理 工 大 學(xué) 二O 一二 年 九 月前言 本書是根據(jù)金屬學(xué)與熱處理課程的有關(guān)內(nèi)容為提高實驗教學(xué)質(zhì)量、加強實驗教學(xué)環(huán)節(jié)而編寫的。在內(nèi)容上基本符合教學(xué)大綱的要求。本實驗指導(dǎo)書內(nèi)容側(cè)重于金相實驗技術(shù)基本操作方法、熱處理及金相顯微組織的觀察，使學(xué)生在金相實驗基本技能方面得到初步訓(xùn)練并有利于鞏固和深化課堂學(xué)到的知識，而熱處理綜合實驗不僅能使學(xué)生建立起完整的知識體系，還能有效地提高學(xué)生的整體思維能力和總結(jié)概括能力。本實驗指導(dǎo)書使用于：材料成型及控制專業(yè) 目錄實驗一 金屬的磨片實驗4實驗二 鐵碳合金的平衡組織觀察14實驗三 鋼的熱處理綜合實驗21實驗一 金屬的

2、磨片實驗一、實驗?zāi)康?掌握金相顯微試樣的制備過程和基本方法，并觀察、認(rèn)識其金相顯微組織；2初步學(xué)會用比較法測定工業(yè)純鐵的晶粒度。二、實驗儀器及材料1儀器：臺式金相顯微鏡、予磨機、拋光機、吹風(fēng)機等。2材料；45鋼待磨試樣(Ø1215)每人一塊；各號金相砂紙(或水磨砂紙)一套；腐蝕劑；4硝酸酒精；制備好的工業(yè)純鐵試樣，棉球、鑷子等。三、實驗內(nèi)容 在利用金相顯微鏡觀察、分析和研究金屬材料的金相顯微組織時，需要在該材料的典型部位截取樣塊，然后通過一系列的制備過程，制成符合要求的金相顯微試樣。即在金相顯微鏡下可以觀察到很清晰的金相顯微組織，其整個過程即為磨片。磨片的方法與步驟如下： 1取樣 取

3、樣的部位及磨面的選擇 根據(jù)被檢驗金屬材料或零件的特點，加工工藝及研究目的進行選擇，如： 研究另件破裂的原因時，應(yīng)在破裂部位取樣，再在離破裂處較遠(yuǎn)的部位取樣，以做比較。研究鑄造合金時，由于組織不均勻，從鑄件表層到中心必須分別截取幾個樣品。研究軋材時，如研究材料表層的缺陷、非金屬夾雜物的分布等。應(yīng)在垂直于軋制方向上截取橫向試樣如研究夾雜物的形狀、類形，材料的的形變程度、晶粒拉長的程度、帶狀組織等，應(yīng)在平行于軋制方向上截取縱向試樣。 研究焊縫組織時，應(yīng)在焊縫及熱影響區(qū)周圍取樣。研究熱處理后的零件時，固其組織較均勻，可任選一斷面試樣。若研究氧化、脫碳表面處理(如滲碳)的情況，則應(yīng)在橫斷面上觀察。試樣的

4、截取方法 截取試樣時，應(yīng)保持不使試樣觀察面的金相組織發(fā)生變化。軟材料可用鋸、車、刨等方法截??；硬材料可用水冷砂輪切片機、電火花切割等方法截?。挥捕嗟牟牧?如白口鑄鐵)也可用錘擊法獲取。 圖11 斜面截取試樣尺寸 以具體情況而定，一般可取高為1015mm，方形試樣邊長為1525mm，圓柱形試樣直徑為1525mm，對于觀察表層組織的試樣，可采用斜面截取的方法，以擴大表層觀察范圍，如圖1-1。2. 鑲樣 對于尺寸過于細(xì)小、形：比特殊的材料，如材料、薄片、粉末、細(xì)管等制備試樣時非常困難，可以將其鑲嵌成規(guī)則試樣，然后再進行制備。具體鑲嵌的方法有： 低熔點鑲嵌法、熱壓鑲蔽法和機械鑲嵌法等。熱壓鑲嵌法有專

5、門的鑲樣機，將試樣放入電木粉或塑料粒中加熱到180。C左右進行熱壓。由于熱壓鑲嵌時要加一定的溫度和壓力，容易使馬氏體回火和軟金屬產(chǎn)生塑性變形等。為避免這種情況，可改用機械鑲嵌法，即用夾具夾持試樣。 3. 磨制 磨制可分粗磨和細(xì)磨兩步 粗磨 對于軟材料可用銼刀銼于，一般材料都用砂輪機磨平；磨砂輪時應(yīng)利用砂輪側(cè)面，以保證試樣磨干，試樣要不斷用水冷卻，以防溫度升高造成內(nèi)部組織發(fā)生變化，最后倒角，以防細(xì)磨時劃破砂紙。但對于需要觀察脫碳、滲碳等表面層情況的試樣不能倒角，有時還要采用電鍍敷蓋來防止這些試樣邊緣倒角。 細(xì)磨 細(xì)磨方法分手工磨光和機械磨光兩種，本實驗進行手工磨光。手工磨光是用手拿持試樣直接在金

6、相砂紙上進行金相砂紙按粗細(xì)排列順序為·280號。0l號、02號、03號、04號、05號。細(xì)磨時依次由280號到05號，一般鋼鐵試樣磨到04號砂紙，軟材料如鋁、鎂等合金可磨到05號砂紙。磨制的方法及注意事項： A.把砂紙放在玻璃板上，玻璃板下最好再放一塊海綿，使磨面與金相砂紙完全接觸，以保證試樣磨面不產(chǎn)生弧度； B.每更換一號砂紙，應(yīng)將試樣轉(zhuǎn)90。再磨，使新磨制磨痕的方向與上一道磨痕方向垂直，以便觀察前一道磨痕是否被消除，直到完全消除為止； C.更換砂紙時，應(yīng)把試樣、工作臺和手洗擦干凈，以免把粗砂粒帶到下一道細(xì)砂紙上去； D.磨制軟材料時，可在砂紙上涂一層潤滑劑，如機油、汽油、肥皂水等

7、，以免砂粒鑲?cè)胲浗饘賰?nèi)。 機械磨光時，應(yīng)用預(yù)磨機。預(yù)磨機有一個或兩個轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤分臘盤和砂紙盤兩種。臘盤是把混有金剛砂的熔化石蠟澆在轉(zhuǎn)盤上，可做成不同粗細(xì)的金剛砂的臘盤，用臘盤磨制試樣速度快，效率高在生產(chǎn)檢驗中大量被應(yīng)用。砂紙盤是把水砂紙剪成圓形然后用水玻璃粘在予磨機的轉(zhuǎn)盤上使用。水磨砂紙按粗細(xì)排列有：200號、300號、400號、500號、600號、700號、800號、900號、1000號等。一般用200號、500號、1000號或200號、600號、1000號即可。用臘盤或砂紙盤磨制時，要不斷加水冷卻，在整個磨制過程中，樣品必須拿住，以免飛出傷人。4拋光拋光的目的是去除試樣磨面上經(jīng)細(xì)磨后留下的

8、細(xì)微磨痕，最終使磨面呈光亮而無磨痕的鏡面。拋光的方法有機械拋光，電解拋光，化學(xué)拋光等。機械拋光機械拋光可分為粗拋和細(xì)拋兩個步驟，均在拋光機上進行。拋光機由一個電機帶動一個或兩個拋光盤，轉(zhuǎn)速為200600轉(zhuǎn)/分。粗拋時轉(zhuǎn)速要高些，細(xì)拋或拋軟材料時轉(zhuǎn)速要低些，所用拋光材料由拋光布和拋光粉，拋光布蒙在拋光盤上，不同要求應(yīng)適當(dāng)選用不同的拋光布。粗拋時常用帆布、粗呢等，精拋時常用絨布、細(xì)呢、絲綢等。拋光粉也稱拋光磨料，常用的拋光粉由氧化鋁、氧化鉻、氧化鎂，還有金剛砂、金剛鉆粉等。機械拋光的方法及注意事項如下：A 拋光粉要配制成拋光液使用，比例大約為 水：粉20：1左右。B 拋光時應(yīng)使試樣磨面均衡地壓在旋

9、轉(zhuǎn)著地拋光盤上，壓力不宜過大，并應(yīng)使試樣沿拋光 盤的半徑方向從中心到邊緣來回移動。C 拋光過程中要不斷注入適量的拋光液，拋光布上的拋光液不宜太多或太少，以試樣表面 提起后幾秒內(nèi)能干為宜。D 拋光后期，應(yīng)使試樣在拋光盤上各方向轉(zhuǎn)動，以防止鋼中夾雜產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象。E 拋光時間不宜過長，以防拋光表面層金屬變形。電解拋光由于電解拋光純系電化溶解作用，無機械力影響，不致引起表層金屬變形或流動，所以電解拋光的金相試樣能顯示材料的真實組織。因此，對于硬度低、單相合金、極易加工變形的合金，像奧氏體不銹鋼、高錳鋼等材料來說采用此法為宜。電解拋光速度快，對拋光前的磨光操作要求比較低，效率高，但不適用于偏析顯著的金屬

10、材料（鑄造偏析、軋制偏析）鑄鐵及作夾雜物檢驗的金相試樣，電解拋光的原理如圖12。圖12 電解拋光裝置與電解拋光原理1 陽極；2陰極；3溫度計；4攪拌器；5冷卻水；6電解液電解拋光的方法是把試樣放入電解液中，接通試樣（陽極）與陰極間的電源，在一定條件下可以使試樣磨面產(chǎn)生選擇性的溶解，逐漸使磨面變到光滑平整，如圖23。圖1-3 電解拋光過程中磨面的變化化學(xué)拋光化學(xué)拋光是靠化學(xué)試劑的溶解作用，得到光亮的拋光表面，操作簡單、成本低廉。拋光時將試樣浸在合適的拋光液中，進行適當(dāng)攪動即可，或用棉花沾取化學(xué)拋光液，在試樣磨面上來回擦動即可?；瘜W(xué)拋光兼有化學(xué)浸蝕的作用，能顯示出金相組織，因此試樣經(jīng)化學(xué)拋光后可直

11、接在顯微鏡下觀察?；瘜W(xué)拋光對試樣磨面的原來光潔度要求不很高，它只能做到試樣表面光滑，不能達到表面平整的要求，拋光后使磨面呈光滑的、起伏的波形。常用的化學(xué)拋光液可查表1-1。5化學(xué)浸蝕經(jīng)拋光后而沒有浸蝕的試樣在顯微鏡下除了能觀察到非金屬夾雜物（石墨、氧化物、硫化物等）及其本身所具有的孔洞、裂紋等缺陷之外，看不到金屬內(nèi)部的組織，必須經(jīng)過浸蝕。這是因為經(jīng)拋光后的試樣磨面是一個很平的平面，平面在顯微鏡下的反光能力是一樣的，故在顯微鏡下顯示不出組織。利用化學(xué)浸蝕劑，通過化學(xué)或電化學(xué)作用顯示金屬的組織，其浸蝕原理：試樣磨面與浸蝕劑接觸后，就產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，形成大量微小電極所組成的微電池，如圖14所示。對于

12、多相合金來說，具有較高負(fù)電位的合金相起著微小陽極作用，故被溶解速度快。而在試樣磨面上形成凹坑，具有較高正電位的合金相起著微小陰極作用，沒有什么改變，故浸蝕后的試樣磨面呈現(xiàn)一高低不平的表面，在顯微鏡下的反光能力不一樣，故顯示出組織，如圖15所示。圖14 純金屬及單相合金化學(xué)浸蝕時各階段情況1 未浸蝕；2晶界浸蝕 圖15 二相合金的浸蝕1 Sn-Sb合金；2珠光體組織純金屬及單相合金，雖然各晶粒的成分一樣，但各晶粒中的原子排列位向不同，因而受浸蝕的程度不同，垂直照射光線在各晶粒上的反射情況彼此各異，尤其在晶界處原子排列的不規(guī)則，特別易受浸蝕而凹下。若晶界有雜質(zhì)聚集時，這種現(xiàn)象更為顯著，于是光線在晶

13、界處散射特別強烈，使反射后的大部分光線不能進入視場內(nèi)（參看圖16），結(jié)果使晶界呈黑色。圖16 顯微鏡光學(xué)原理圖浸蝕方法：將已拋光好的試樣磨面先用輕水沖洗干凈，然后用酒精棉清擦一遍，再將試樣浸入浸蝕劑中，或用鑷子夾著蘸上浸蝕劑的棉球擦其磨面。浸蝕的時間依不同合金及不同組織而定，一般碳鋼和鑄鐵浸蝕的時間大約在1015秒內(nèi)即可。用酒精沖洗干凈，然后再用吹風(fēng)機吹干，將浸蝕完的試樣放在顯微鏡下，就可以觀察到金屬內(nèi)部的顯微組織?；瘜W(xué)浸蝕劑種類很多，具體可參看表1-2。一般碳鋼及鑄鐵所用浸蝕劑為35的硝酸酒精。另外，近幾年來彩色金相技術(shù)被廣泛應(yīng)用和發(fā)展。彩色金相技術(shù)就是用化學(xué)或物理的方法，在金屬表面形成一層

14、很薄的干涉膜，利用光的干涉效應(yīng)，使金屬的微觀組織顯示出不同的顏色，從而提高對金屬組織的鑒別力。2用比較法測定工業(yè)純鐵的晶粒度把預(yù)先已經(jīng)準(zhǔn)備好的工業(yè)純鐵試樣放在100倍的顯微鏡下進行觀察，然后與標(biāo)準(zhǔn)晶粒度級別表進行比較（如附表13）。把最近似的標(biāo)準(zhǔn)晶粒度級別定為試樣的晶粒度級別，如果顯微鏡的放大倍數(shù)不是100倍時，仍可按標(biāo)準(zhǔn)晶粒度級別圖測定觀察時的晶粒度，然后按表14換算成100倍時的標(biāo)準(zhǔn)晶粒度級別。四、試驗步驟1每人領(lǐng)取45鋼試樣一塊、金相砂紙一套；2將已粗磨好的顯微試樣一次在各號砂紙上細(xì)磨；3細(xì)磨過的試樣，經(jīng)指導(dǎo)教師檢查合格后進行拋光；4用化學(xué)試劑浸蝕試樣的拋光磨面，并在顯微鏡下觀察其顯微組

15、織，熟悉顯微鏡的操作基本規(guī)程；5用比較法目測工業(yè)純鐵的顯微試樣晶粒度級別。五、實驗報告要求1.繪出自己制備樣品的金相顯微組織圖，并標(biāo)出其組織組成物名稱。2.繪出工業(yè)純鐵的顯微組織圖，測出晶粒度級別。表1-1 常用化學(xué)拋光液及適用范圍表1-2 常用浸蝕劑表六、實驗成績評定按照實驗指導(dǎo)書的具體要求，根據(jù)每個學(xué)生實驗前的預(yù)習(xí)情況、實驗過程中操作情況及實驗報告的質(zhì)量，綜合給出實驗成績。續(xù)表1-2 常用浸蝕劑附表1-3 標(biāo)準(zhǔn)晶粒度級別（100X）圖 附表11 不同放大倍數(shù)晶粒度級別表放大100倍其它放大倍數(shù)晶粒度級別表-101234567891050123456789102001234567830012

16、34567400123456實驗二 鐵碳合金的平衡組織觀察一、實驗?zāi)康?認(rèn)識碳鋼和白口鐵的室溫平衡組織；2了解金相顯微鏡的構(gòu)造基本原理及其使用方法；3加深理解鐵碳合金中成份、組織和性能之間的關(guān)系。二、實驗材料及設(shè)備材料：碳鋼和白口鐵的典型金相樣品一套。設(shè)備：臺式金相顯微鏡。三、實驗內(nèi)容1金相顯微鏡的構(gòu)造及其使用方法介紹 (1)金相顯微鏡的構(gòu)造 金相顯微鏡是用來觀察金屬材料顯微組織的基本儀器，金相顯微鏡和生物顯微鏡的外觀形貌有些相似。其不同點在于生物顯微鏡是利用透射光來觀察透明物體。而金相顯微鏡則是利用反射光將不透明物體放大后進行觀察的，不同類型的金相顯微鏡(臥式、立式、臺式等)在構(gòu)造上是不一樣

17、的?，F(xiàn)主要介紹一下本實驗所用的臺式金相顯微鏡的構(gòu)造基本原理。 在光學(xué)系統(tǒng)里，金相顯微鏡主要包括物鏡、目鏡及一些輔助光學(xué)元件，其成像原理如圖21所示。物鏡和目鏡分別由兩組透鏡所組成，對著物體的一組透鏡組成物鏡，對著眼睛的一組透鏡組成目鏡。物鏡、目鏡都各由復(fù)雜的透鏡系統(tǒng)組成。 物鏡使物體AB形成放大的倒立的實像AB，目鏡再把AB放大成仍然倒立的虛像A"B"，其位置正好在人眼的明視距離處，即距人眼睛250mm處。我們在顯微鏡中看到的就是這個虛像A"B"。圖2-1 顯微鏡中得到放大物像的光學(xué)簡圖 物鏡的作用是把物體放大，它是顯微鏡中最主要的部件。物鏡質(zhì)量的高低是

18、決定顯微鏡成像時清晰與否的主要因素。目鏡的作用是將物體己放大的實像再進一步放大，物鏡和目鏡都是由特制的光學(xué)玻璃制成的。在金相顯微鏡下觀察到的金屬金相顯微組織是金屬表面組織,是通過物鏡和目鏡兩次放大都的像,故金相顯微鏡總的放大倍數(shù)應(yīng)是物鏡的單獨放大倍數(shù)乘以目鏡的單獨放大倍數(shù). 即 其中：M顯微鏡的放大倍數(shù)；M物物鏡的放大倍數(shù)；M目目鏡的砍大倍數(shù)；D明視距離250mm處；f目目鏡的焦距；f物物鏡的焦距；L顯敬鏡的光學(xué)鏡筒長度。附表2-1為臺式金相顯微鏡的放大倍數(shù)物鏡目鏡10(8)40(45)100550(40)200(225)50010100(80)400(450)100015150 (120)6

19、00(675)1500 臺式金相顯微鏡的光學(xué)路線如圖2-2所示。在顯微鏡的底座后安裝一個6V、15W的白熾燈泡作為反射光源。光線通過聚光鏡組先變成一束平行光，由反光鏡反上來，經(jīng)過放有濾光片(綠色、黃色、蘭色的特制玻璃)的孔徑光欄，使光線變成單色光以減少透鏡的色差。根據(jù)需要光的強弱不同，孔徑光欄可放大也可縮小，它可以限制邊緣光線，再進一步消除透鏡的球面差，減少鏡頭的色差和球面差，有助于提高成像的質(zhì)量和清晰度?？傻玫揭恍∈叫袉紊獯┻^視場光欄，射到與鏡體軸線成45。角的半反射鏡上，半反射鏡把一部分光線反射上來，穿過物鏡的孔徑照到金相顯微樣品的表面上，使顯微組織得到均勻的照明。光線自試樣表面反射后

20、再進入物鏡，透過半反射鏡到達棱鏡，經(jīng)過折后 再進入物鏡，透過半反射鏡到達棱鏡，經(jīng)過 折射后到達目鏡。機械系統(tǒng)是金相顯微鏡的另一個組成部分，不同類型的金相顯微鏡的機械系統(tǒng)差別很大。臺式金相顯微鏡的機械系統(tǒng)較簡單， 圖22 臺式金相顯微鏡的光學(xué)線路圖主要有：鏡架，鏡筒、底座、載物臺和裝物 1-燈泡；2-聚光鏡組(一)；3-聚光鏡組(二)；4-半反射鏡; 鏡用的物鏡轉(zhuǎn)換盤，以及凋解焦距用的粗動 5-補助透鏡;6-物鏡組;7-反光鏡;8孔徑光欄;9-視場光欄; 和微動螺旋等基本部件，有的帶有照相裝置， 10-補助透鏡;11-棱鏡;12-棱鏡;13-場鏡;14-接目鏡.需要時可將其裝上進行拍攝。 (2)

21、金相顯檄鏡的使用方法 將顯微鏡從木箱中輕輕取出后，把選擇好倍數(shù)的目鏡和物鏡分別裝到顯微鏡上，把制備好的金相顯微樣品放在載物臺上。 將變壓器接在220V的電源上，使光源插入變壓器的6V接頭上，然后打開變壓器開關(guān)使其亮燈。千萬不可將其直接插入220V電源，以免燒毀燈泡發(fā)生觸電事故。 調(diào)焦距時要避免物鏡與樣品接觸。應(yīng)先將載物臺下降，使樣品盡量靠近物鏡，然后用眼睛從目鏡中觀察，先用雙手旋轉(zhuǎn)粗凋焦手輪，使載物臺慢慢上升，待看到組織后，再調(diào)節(jié)細(xì)調(diào)焦手輪，直到圖像清晰為止。 為了擴大視野，可輕輕向前后左右移動載物盤，以達到全面觀察顯微組織的目的； 顯微鏡上的一切光學(xué)玻璃均需保持清潔，若有灰塵，應(yīng)用鏡頭紙或鏡

22、頭紙蘸二甲苯溶液擦凈，切勿用手紙或手帕等物擦。 金相顯微鏡屬于精密儀器，使用時應(yīng)特別細(xì)心，若帶照相裝置，則應(yīng)按其說明書認(rèn)真操作。 2觀察、分析碳鋼和白口鐵的平衡組織，然后在實驗報告中繪出五種組織示意圖，所取典型樣品如下表所列。 序號試 樣 名 稱腐 蝕 劑顯 微 組 織1工業(yè)純鐵4硝酸酒精F十 (Fe3CIII少量)20.2碳鋼4硝酸酒精F十P30.45碳鋼4硝酸酒精F十P40.8碳鋼4硝酸酒精P(片狀)51.2碳鋼4硝酸酒精P十Fe3CII6未知鋼4硝酸酒精F十P7亞共晶白口鐵4硝酸酒精P+Fe3CII十L e8共晶自口鐵4硝酸酒精Le9過共進晶白口鐵4硝酸酒精Fe3CI十Le根據(jù)鐵碳合金狀

23、態(tài)圖可知，組成鐵碳合金的室溫平衡組織均由兩個基本相F和Fe3C組成，但由于含碳量不同，鐵素體與滲碳體的析出條件，相對數(shù)量及分布情況不同，因而呈獻出各種不同的組織形態(tài)。 碳鋼的室溫平衡組織情況(0.02<C<2.11) 共析鋼(0.8C)；組織為100的珠光體(P)由于它自高溫奧氏體冷卻到723。C時發(fā)生共析反應(yīng)，所得到的F和Fe3C是交替形成層狀組織，所以叫片珠光體。在倍數(shù)低的顯微鏡下觀察到片狀珠光體中鐵素體呈白亮色，而滲碳體呈黑色條紋狀，當(dāng)倍數(shù)很高(電鏡下觀察)時，鐵素體和滲碳體的片狀形態(tài)都能真實地反映出來。滲碳體和鐵素體都保持成平面，由于滲碳體不易被浸蝕故凸出于鐵素體之上。而在

24、兩者交界處，由于浸蝕時電化學(xué)作用較劇烈產(chǎn)生凹陷，在直射光照射下光線被散射，呈黑色，片狀珠光體硬度為HBl90230，隨片層間距的變小硬度升高，如圖27。亞共析鋼(0.02<c<0.8)，組織均由F和P所組成。當(dāng)含碳量增加時，珠光體的相對百分?jǐn)?shù)便增大，而鐵素體便隨之減少，當(dāng)鐵素體量增多時，它呈塊狀分布。而當(dāng)鋼的含碳量接近共析成份時，F(xiàn)和P的邊界呈網(wǎng)狀分布，如圖24、25、26。 含碳量小于0.02的碳鋼為工業(yè)純鐵，其組織為100F，鐵素體硬度低，一般為HB80102，強度也較低，但塑性和韌性都好，所以低碳鋼是適合作冷沖壓材料的，如圖23。 過共析鋼(0.8<C<2.11)

25、，組織為P+Fe3CII、Fe3CII，由奧氏體中析出，由于量小而沿奧氏體晶界析出，隨后奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體，故Fe3Cli呈網(wǎng)狀分布在P的邊界上。滲碳體的硬度很高，HB達800。它是一種硬而脆的相，所以強度、塑性都很差，故單純Fe3C或以Fe3C為基體的鐵碳合金，沒有實用價值，只有在鐵素體上配合適量的Fe3C才可用，如圖28。 觀察白口鐵的室溫平衡組織(2.1l<C<6.77) 共晶白口鐵(4.3C)：組織全部為Le，其中黑色粒狀為珠光體，白色基體為滲碳體。二者的機械混合物為萊氏體，滲碳體中包括共晶Fe3C和Fe3CII，但由于連在一起而分辨不清。萊氏體的硬度很高，達HB700，性

26、脆，如圖210。亞共晶白口鐵(2.11<C<4.3)：組織為P+Fe3CII+Le,其中大塊黑色的組織為珠光體，其周圍白色區(qū)為二次滲碳體(量少，但與滲碳體連在起分辨不清)，點狀區(qū)為萊氏體組織，如圖29。 過共晶白口鐵(4.3<C<6.67)：組織由萊氏體及初生的一次滲碳體(白條狀)組成，由于一次滲碳體長大速度快，所以呈大的片狀，其它點狀區(qū)的組織為萊氏體，如圖211。 3估算亞共析鋼的含碳量，確定鋼號。亞共析鋼的平衡組織為F+P，已知P的平均含碳量為0.8，如果忽略鐵素體的含碳量(723'C時o 02C到室溫時o 006的變化)，根據(jù)杠桿定律，從顯微鏡下觀察到珠光

27、體含量的面積百分?jǐn)?shù)(大約)乘以0.8，即為碳鋼含碳量，求出含碳量就可確定鋼號。例如：顯微組織中珠光體面積百分?jǐn)?shù)約占50(其余50為F)，則該試樣的含碳量約為：0.850=0.4，則確定為40號鋼。四、實驗報告要求1認(rèn)真觀察，認(rèn)識組織，并了解不同含碳量對其組織以及相的形態(tài)有什么影響。2認(rèn)真繪出五個顯微組織田，井用箭頭標(biāo)出各組織中的組織組成物。3估算出一種亞共析鋼的含碳量。六、實驗成績評定按照實驗指導(dǎo)書的具體要求，根據(jù)每個學(xué)生實驗前的預(yù)習(xí)情況、實驗過程中操作情況及實驗報告的質(zhì)量，綜合給出實驗成績。 圖2 圖2材料：工業(yè)純鐵 材料：20鋼狀態(tài)：退火 狀態(tài)：退火組織：鐵素體(F) 組織：鐵素體(F)+

28、珠光體(P)4%硝酸酒精溶液浸蝕 4%硝酸酒精溶液浸蝕 圖2 圖2 材料： 30鋼 材料： 45鋼狀態(tài)： 退火 狀態(tài)： 退火組織： F+P 組織： F+P4%硝酸酒精溶液浸蝕 4%硝酸酒精溶液浸蝕 圖2 圖2 材料： T8 材料： T12 狀態(tài)： 退火 狀態(tài)： 退火 組織： 片狀P P+二次滲碳體(Fe3CII) 4%硝酸酒精溶液浸蝕 4%硝酸酒精溶液浸蝕 圖2 圖2 材料：亞共晶白口鐵 材料：共晶白口鐵狀態(tài)：鑄造 狀態(tài)：鑄造組織：Le+Fe3CII+ 組織：Le(萊氏體)4%硝酸酒精溶液浸蝕 4%硝酸酒精溶液浸蝕圖2 材料：過共晶白口鐵狀態(tài)：鑄造組織：Le+Fe3CI(一次滲碳體) 4%硝酸

29、酒精溶液浸蝕實驗三 鋼的熱處理綜合實驗一、 實驗?zāi)康?. 全面熟悉鋼的熱處理綜合實驗過程；2. 掌握常用材料熱處理工藝規(guī)范的制定；3. 了解熱處理的操作方法；4研究熱處理對鋼的性能的影響；5認(rèn)識碳鋼經(jīng)各種熱處理后的顯微組織，.進一步了解碳鋼經(jīng)熱處理后，在組織和性能上有什么改變。二、 實驗設(shè)備和材料 設(shè)備 箱式電爐和控溫儀表 洛氏硬度計臺式金相顯散鏡預(yù)磨機、拋光機 材料 45、T10鋼樣45鋼、T10、T12、20鋼熱處理過試樣一套 各號金相砂紙、金剛石研磨膏三、 實驗內(nèi)容 (1)制定出表3-4所列材料的熱處理工藝規(guī)范。 (2)分組進行熱處理操作。 (3)測定熱處理后樣品的硬度值。（4）金相顯微

30、試樣的制備。 (5) 觀察各種熱處理后的顯微組組織，繪出組織示意圖。 (6)將測得的硬度值與應(yīng)得到的顯微組織一起填人實驗報告。 四、概述 (一)設(shè)計、制定熱處理工藝規(guī)范 鋼的熱處理是通過加熱、保溫和冷卻三個步驟來改變其內(nèi)部組織，而獲得所需性能的一種熱加工工藝，它的基本過程包括：將鋼加熱到選定溫度，在該溫度下保持一段時間，然后用選定的速度冷卻。由于工件的成份、形狀、大小不同，所以應(yīng)該選擇不同的加熱溫度、保溫時間和冷卻速度。熱處理的工藝參數(shù)主要包括：加熱溫度、保溫時間、冷卻速度。通常，工件的熱處理工藝規(guī)范均 圖3-1 熱處理工藝規(guī)范基本模式 圖3-2亞共析鋼完全退火工藝規(guī)范采用溫度與時間的坐標(biāo)表示

31、(見圖31)。圖31反映了鋼件熱處理加熱溫度的高低、加熱和冷卻速度的快慢、保溫時間的長短。圖32是5mm的亞共析鋼完全退火工藝規(guī)范圖，同學(xué)可參考圖31、圖32和表31制定本次實驗用鋼的熱處理工藝規(guī)范1加熱溫度的選擇(1)淬火加熱溫度根據(jù)FeFe3C相圖來確定，如圖33所示對亞共析鋼，合適的淬火加熱溫度為 圖3-3 碳鋼淬火加熱溫度范圍AC3+30 50，淬火后的組織為均勻細(xì)小的馬氏體。如果加熱溫度不足(低于AC3)則淬火組織中將出現(xiàn)鐵素體，造成淬火后硬度不足。對過共析鋼和共析鋼，合適的淬火加熱溫度為 ACl+3050。淬火后的組織為隱晶馬氏體與粒狀二次滲碳體，組織中的粒狀二次滲碳體可以明顯提高

32、鋼的硬度和耐磨性。過高的淬火加熱溫度(高于ACCM)，會使淬火后得到粗大馬氏體和較多的殘余奧氏體組織使材料的耐磨性下降，脆性增加，這是因為共析鋼含碳量高，加熱到ACCM以上時，碳化物全部溶解，使奧氏體晶粒易于長大，淬火后的馬氏體粗大。同時，奧氏體內(nèi)的含碳量越高，則淬火后的馬試體量越少，殘余奧氏體量越多。（2）回火溫度將淬火后的鋼重新加熱到AC1一下某個溫度，在該溫度下保溫一定時間，然后在空氣或油中冷卻，這一操作過程叫回火?；鼗鸬哪康牡厥窍慊饡r產(chǎn)生的能應(yīng)力，降低鋼的脆性，提高鋼的韌性。按加熱溫度不同，回火可分為三類。見圖3-4。圖3-4 回火種類示意圖 圖3-6 在共析鋼C曲線上估計連續(xù)冷卻

33、速度的影響圖中：a低溫回火。主要用于高碳鋼和高碳合金鋼，回火后保持高硬度和高耐磨性，內(nèi)應(yīng)力和脆性降低。回火后的組織為回火馬氏體，硬度約為HRC5864。一般用于切削工具量具滾動軸承及滲碳和氰化。b中溫回火。主要用于0.50.7C的碳鋼和合金鋼，回火后內(nèi)應(yīng)力基本消除，有一定的韌性和較高的彈性于屈服強度。回火后的組織為回火屈氏體，硬度約為HRc3545.一般用于各種彈簧及熱鍛模。c高溫回火。主要用于0.30.5C的碳鋼和合金鋼，回火后既有較高的強度、硬度，又有較好的塑性和韌性?；鼗鸷蟮慕M織為回火索氏體。硬度約為HRc2035。一般用于軸、螺栓等重要零件。（3）鋼的退火和正火溫度對于不重要的工件，退

34、火、正火可作為最終熱處理。對于重要的工件，退火、正火是中間熱處理，用來消除或改善鑄、鍛、焊過程中的造成的缺陷，為下一道工序作組織準(zhǔn)備。表31 各種不同成分碳鋼的臨界溫度（部分）類別鋼 號臨 界 點（）Ac1Ac3 或 AccmAr1A r3碳素結(jié)構(gòu)鋼207358556808353073281367783540724790680796457247806827605072576069075060727770695721碳素工具T7730770700743T8730700T10730800700T12730820700鋼鋼的退火是將鋼加熱到Ac1或Ac3，以上保溫后隨爐冷卻

35、(見圖35)。鋼的正火是將鋼加熱到Ac3或Accm以上3050保溫后空冷(見圖35)。正火的冷卻速度比退火大正火得到的組織比退得到的組織細(xì)，強度、硬度也較高。 2保溫時間的確定為了使鋼件內(nèi)外各部分溫度均勻一致，并完成組織轉(zhuǎn)變，必須在加熱溫度下保溫一定時間。在具體生產(chǎn)件下，工件加熱、保溫時間與鋼的成分、原始組織、 圖3-5 正火和各種退火的加熱溫度范圍工件尺寸、加熱介質(zhì)、爐溫、裝爐方式等許多因素有關(guān)。對于碳鋼件，放進預(yù)先已加熱至選定加熱溫度的爐內(nèi)加熱。如果是火焰爐、電爐，所需保溫時間大經(jīng)為1分鐘/毫米（直徑或厚度），如果是鹽溶爐，時間可縮短l-2倍，合金鋼保溫時間應(yīng)增加2540?；鼗饡r的加熱、保

36、溫時間，應(yīng)與回火溫度結(jié)合起來考慮。一般來講，低溫回火時，為了穩(wěn)定組織、消除內(nèi)應(yīng)力，使零件在使用過程中性能與尺寸穩(wěn)定，回火時間要長一些，一般不少于1.52小時。高溫回火時可不宜過長，過長會使鋼過分軟化，對有的鋼種甚至造成嚴(yán)重的回火脆性，一般為1小時左右。3冷卻速度的選擇冷卻是熱處理的關(guān)鍵工序，它是決定鋼的最終組織與性能的重要工藝參數(shù)，同一種碳鋼在不同冷卻速度下冷卻，會得到不同的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（見圖36）。常采用的冷卻介質(zhì)有爐冷、空冷、風(fēng)冷、油冷、水冷、等溫鹽浴冷卻等，表3-2是常用淬火介質(zhì)的冷卻能力。表32常用淬火介質(zhì)的冷卻能力淬 火 的 介 質(zhì)冷 卻 速 度 /秒650550300200180的水6

37、0027020的水50027050的水10027074的水3020010NaCl的水溶aOH的水溶aC O3的水溶液18800270肥皂水30200礦物油15030變壓器油12025(二)鋼熱處理后的質(zhì)量檢查鋼的硬度取決于鋼的含碳量及熱處理，同一種鋼在退火后的硬度最低，正火后硬度增高，而淬火后硬度最高。在實際生產(chǎn)中，工件熱處理后的質(zhì)量檢查都是通過硬度檢驗來實現(xiàn)的，因為硬度既不損壞試樣，又可通過查表或公式換算出強度或其它機械性能值)。對于較軟的鋼(如退火、正火)，可用洛氏硬度計測出HRB值。HRB的測量范圍：25100。對于較硬的鋼(如淬火、調(diào)

38、質(zhì))，可用洛氏硬度計測出HRc值。HRc的測量范圍：2057。無論HRc還是HRB都可通過查表，換算成HB值，以便進行硬度比較。(三)鋼經(jīng)熱處理后的基本組織概述索氏體：是片狀滲碳體與鐵索體的層片相間的機械混告物，層片分布的較珠光體細(xì)密高倍顯微鏡下才能分辨出來，是由奧氏體過冷直接得到的?；鼗鹚魇象w：淬火鋼在高溫回火后得到的組織具體的金相特征為鐵素體的基體上分布著細(xì)的顆粒狀滲碳體。這些小粒狀碳化物分布得很均勻，所以它的綜合機械性能好、碳鋼經(jīng)熱處理后可得到這種回火索氏體組織，其鐵素體己成等軸狀，已沒有針狀形態(tài)。屈氏體；也是珠光體類型的組織，是滲碳體和鐵素體層片相間的機械混合物，但它的層片比索氏體還細(xì)

39、密。在一般光學(xué)顯微鏡下無法分辨，只有在電子顯微鏡下才能分辨出其中的層片，是由奧氏體過冷直接得到。 回火屈氏體：淬火鋼經(jīng)中溫回火后得到的組織，其金相特征是；原來的條狀或片狀馬氏體的形態(tài)還未完全破壞，第二相滲碳體析出在其上，這些滲碳體顆粒很細(xì)小，以致在光學(xué)顯微鏡下難以分辨。馬氏體：它是碳在。aFe中過飽和固溶體。馬氏體形態(tài)按含碳高低分兩種，即板條馬氏體和片狀馬氏體。 板條馬氏體：低碳鋼或低碳合金鋼淬火后得到組織為板條馬氏體組織，其金相組織特征是：大小差不多的細(xì)馬氏體條定同平行排列成束狀，在束與束之間位相差較大，在一個原始奧氏體晶粒內(nèi)可形成幾個位向不同的馬氏體領(lǐng)域(束)，韌性較好。片狀馬氏體：在含碳

40、較高的鋼中經(jīng)淬火后得到馬氏體呈片狀(也叫針狀、透鏡狀、竹葉狀)，它與條狀馬氏體主要區(qū)別在于：條狀馬氏體中每束的一根根馬氏體之間是平行的，而且長度也大約相同，而片狀馬氏體中片間不互相平行。在一個奧氏體晶粒內(nèi)形成的第一片馬氏體較粗大，往往橫穿整個奧氏體晶粒，將奧氏體晶粒加以分割，使后形成的馬氏片大小受到限制，所以片狀馬氏體的大小尺寸不一，其間還殘留奧氏體?；鼗瘃R氏體：馬氏體經(jīng)低溫回火后，得到的組織為回火馬氏體組織。它仍保持原有片狀馬氏體的形態(tài)，但由于在低溫下回火，有極小的碳化物析出，所以回火馬氏體易受侵蝕，在金相顯微鏡下觀察比淬火馬氏體稍暗一些。 貝氏體：貝氏體分三種金相形態(tài)：上貝氏體、下貝氏體和

41、粒狀貝氏體。 上貝氏體：亦稱針狀貝氏體，其組織特征是：條狀鐵素體大致平行排列，滲碳體分布于鐵素體條間，其間距決定了鐵素體條的寬度，一般比珠光體間距大，但滲碳體條的分布是斷斷續(xù)續(xù)的。上貝氏體強度較低，故生產(chǎn)中應(yīng)盡置避免這一組織。 下貝氏體：亦稱針狀貝氏體，其組織特征是；針狀鐵素體內(nèi)有碳化物沉淀，碳化物的位向與鐵素體長軸約為5560°，針狀呈黑色，易腐蝕，與回火馬氏體相似。粒狀貝氏體：其組織是由鐵素體和鐵素體所包圍的小島狀所組成，島狀組織剛形成時為高碳奧氏體，其后轉(zhuǎn)變的三種情況是：分解為鐵素體和碳化物；發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變；仍保持富碳奧氏體。 碳鋼經(jīng)退火、正火后可得到接近平衡的組織而淬火后或淬火又進行不同溫度的回火后，則得到不平衡組織。這些不平衡組織與平衡組織相比，其性能發(fā)生了很大變化。如回火屈氏體、回火索氏體與屈氏體、索氏體由于組織的改變，而引起性能上的變化很大?；鼗鹎象w、回火索氏體都是由回火馬氏體經(jīng)不同溫度(中溫、高溫)回火得到組織，它的滲碳體都是顆粒狀的，但均勻地分布在a相(鐵素體)基體之上，其綜合機械性能好，尤其是回火索氏體綜合機械性能尤為突出。而一般所說的屈氏體和索氏體是由奧氏體過冷直接形成的組織，它的滲碳體呈片狀，其層片愈細(xì)，則塑性變形的抗力愈大，強度