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《工程材料》课程实验聊城大学汽车与交通工程学院《工程材料》课程组张兰江实验内容实验一45钢金相样品制备及其平衡组织观察实验二45钢的热处理实验实验一45钢金相样品制备及其平衡组织观察一、目的与要求1.初步掌握金相样品制备的基本方法。2．熟悉金相显微镜的基本原理及使用方法。3．初步认识金相显微镜下45钢的组织特征。图1.1XQT透反射显微镜主要技术参数：总放大倍数：125x~1560x目镜：10x平场目镜、12.5x广角平场目镜、10x分划目镜物镜：10x、40x、100x平场消色差物镜二、主要设备与仪器1、主要设备（1）XQT透反射显微镜（如图1.1所示）图1.2XJP-3A金相显微镜主要技术参数：总放大倍率：1250x目镜：5x、10x、12.5x分划目镜：10x平场消色差物镜：10x、40x、100x电源：220V，6V/15W卤素灯（2）XJP-3A金相显微镜（如图1.2所示）图1.3XJG-05大型金相显微镜图1.4金相图像分析系统（3）XJG-05型大型金相显微镜＋TDY－J金相分析软件（如图1.3、图1.4所示）图1.5PW-1B磨抛机主要技术参数：砂纸直径：230mm抛盘直径：220mm转速：50/1400r/min（无级）电动机：80变频电机三相220V0～50Hz（4）PW-1B型柜式多能磨抛机（如图1.5）（5）QG-3金相试样切割机（如图1.6所示）图1.6QG-3切割机主要技术参数：最大切割截面：Φ85mm转速：2800/min砂轮片规格：300×1.5×32mm电动机：Y100L2-2电源：380V功率：3kW2、其它仪器金相砂纸、4%的硝酸酒精溶液、吹风机、医用脱脂棉、镊子等。三、实验内容与步骤1、金相试样的制备金相样品的制备过程一般包括取样、镶嵌、粗磨、细磨、抛光和腐蚀步骤。2、观察金相试样的显微组织金相试样制备好后，用吹风机对其干燥，然后准备观察其显微组织结构。（1）根据观察试样所需的放大倍数，选择物镜和目镜；（2）然后将试样放在载物台中心，使载物台中心与物镜中心对正，试样被观察面向下；（3）转动粗调焦距手轮降低载物台，使试样表面接近物镜；再慢慢反向转动手轮至目镜中出现模糊的影像；最后轻轻转动微调焦距手轮，直至看到清晰的组织；（4）使载物台前后左右移动，观察试样的不同部位，找出具有代表性的显微组织，并画出试样的显微组织示意图。四、实验结果与分析碳钢合金的显微组织是研究钢铁材料性能的基础。碳钢合金平衡状态的组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下（如退火状态）所得到的组织，其相变过程均按相图进行，因此可以根据该相图来分析碳钢合金的平衡组织。含碳量小于2.11％的合金为碳钢，含碳量大于2.11％的合金为白口铸铁。所有碳钢和白口铸铁在室温下的组织均有铁素体（Fe）和渗碳体（Fe3C）这两个基本相。只是因含碳量不同，铁素体和渗碳体的相对数量及分布形态有所不同，因而呈不同的组织形态。1、碳钢的基本组织（1）铁素体（F）是碳在中的固溶体。铁素体为体心立方格。具有磁性及良好的塑性，硬度较低。用3％～4％硝酸酒精溶液侵蚀后，在显微镜下呈现明亮色的多边形晶粒。（2）渗碳体（Fe3C）是铁与碳形成的一种化合物，含碳量为6.69％。用3％～4％硝酸酒精溶液侵蚀后，渗碳体呈亮白色，若用苦味酸钠溶液侵蚀，则渗碳体呈黑色而铁素体仍为白色。（3）珠光体（P）是铁素体和渗碳体的机械混合物，其组织是共析转变的产物。由杠杆定律可以求得铁素体与渗碳体的含量比为8：1。因此，铁素体厚，渗碳体薄。2、铁碳合金室温下显微组织（1）工业纯铁含碳量﹤0.0218％，其显微组织为铁素体。（2）碳钢①共析钢：含钢量为0.77％。其显微组织由单一地珠光体组成。②亚共析钢：含钢量在0.0218％～0.77％范围内的碳钢合金其组织由共析铁素体和珠光体所组成，随着含碳量的增加，铁素体的数量逐渐减少，而珠光体的数量则相应地增多。③过共析钢：含碳量在0.77％与2.11％之间。其组织由珠光体和先共析渗碳体（即二次渗碳体）组成。钢中含碳量越多，二次渗碳体数量就越多。组织中存在片状珠光体和网络状二次渗碳体，经侵蚀后珠光体成暗黑色，而二次渗碳体则呈白色网络状。3、45钢金相试样的显微组织图1.745钢属于亚共析钢，其组织由铁素体和珠光体组成。其中经过侵蚀后的珠光体呈黄褐色片层状结构，铁素体呈亮白色（如图1.7所示）。图1.745钢室温显微组织实验二45钢的热处理实验一、目的与要求1、了解碳钢普通热处理（退火、正火、淬火、回火）的操作方法。2、掌握碳钢在热处理时加热温度、冷却速度及回火温度等主要因素对碳钢热处理后组织与性能的影响。3、掌握金属材料的硬度试验方法。二、主要设备与仪器图2.1SX-5-12变温箱形电阻炉主要技术参数：工作室尺寸高×深×宽(mm):300×200×120电压（V）:220相数：1功率（KW）:5最高温度（℃）:12001、主要设备（1）SX-5-12箱式电阻加热炉（如图2.1所示）图2.2HBRVU-187.5布洛维光学硬度计主要技术参数：初试验力（N）：98；总试验力（N）：588、980、1471；布氏硬度试验力（N）：306、613、1839；维氏硬度试验力（N）：294，588，980；显微镜放大倍率：37.5倍、75倍；（2）HBRVU-187.5布洛维硬度计（如图2.2所示）图2.3RHS-150数显洛式硬度计主要技术参数:初试验力（N）：98N总试验力（N）：588N、980N、1471N总试验力保持时间（S）：1-30读数方式：数显电源电压：AC220V/50HZ试件允许最大高度：170mm硬度值范围HRA：20～88HRB：20～100HRC：20～70（3）数显洛氏硬度计（HRS-150）图2.4PHR-2便携式洛式硬度计2、其它仪器：PHR-2便携式洛式硬度计（如图2.4所示）、热处理用夹钳、手套、水箱等。钢的热处理工艺特点是：将钢加热到一定的温度，经一段时间的保温，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。1、碳钢的普通热处理工艺方法1）钢的退火钢的退火通常是把钢加热到临界温度Ac1或Ac3线以上，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，从而得到比较接近平衡状态的组织。一般中碳钢（如40、45钢）经退火后消除了残余应力，组织稳定，硬度较低（HB180～220）有利于下一步进行切削加工。三、实验内容与步骤2）钢的正火钢的正火通常是把钢加热到临界温度Ac3或Accm线以上，保温一段时间，然后进行空冷。由于冷却速度稍快，与退火组织相比，组织中的珠光体量相对较多，且片层较细密，故性能有所改善，细化了晶粒，改善了组织，消除了残余应力。对低碳钢来说，正火后提高硬度可改善切削加工性，提高零件表面光洁度；对于高碳钢，则正火可消除网状渗碳体，为下一步球化退火及淬火作好组织准备。3）钢的淬火钢的淬火通常是把钢加热到临界温度Ac1或Ac3线以上，保温一段时间，然后放入各种不同的冷却介质中快速冷却(V冷＞V临)，以获得具有高硬度、高耐磨性的马氏体组织。4）钢的回火钢的回火通常是把淬火钢重新加热至Ac1线以下的一定温度，经过适当时间的保温后，冷却到室温的一种热处理工艺。由于钢经淬火后得到的马氏体组织硬而脆，并且工件内部存在很大的内应力，如果直接进行磨削加工则往往会出现龟裂，一些精密的零件在使用过程中将会引起尺寸变化从而失去精度，甚至开裂。因此，淬火钢必须进行回火处理。不同的回火工艺可以使钢获得各种不同的性能。2、碳钢普通热处理工艺1）加热温度碳钢普通热处理的加热温度，原则上按加热到临界温度Ac1或Ac3线以上30～50℃选定。但生产中，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、变形、开裂等倾向增加。但加热温度过低，也达不到要求。碳钢普通热处理的加热温度见下表所示。方法加热温度(℃)应用范围退火Ac3+(20~60)亚共析钢完全退火Ac1+(20~40)过共析钢球化退火正火Ac3+(50~100)亚共析钢Accm+(30~50)过共析钢淬火Ac3+(30~70)亚共析钢Ac1+(30~70)过共析钢低温回火150~250刃具、模具、量具、高硬度零件中温回火350~500弹簧、中等硬度零件高温回火500~650齿轮、轴、连杆等综合机械性能零件表2-1碳钢普通热处理的加热温度钢号临界点(℃)Ac1Ac320钢73585545钢724780T8钢730——T12钢730——表2-2常用碳钢的临界点2）加热时间热处理的加热时间（包括升温与保温时间）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，热处理加热时间（包括加热、保温时间）通常按工件有效厚度，用下列经验公式计算加热时间：T=αD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D≤50mm，在800~960℃箱式电阻炉中加热时，α=1~1.2（min/mm）。回火的保温时间要保证工件热透并使组织充分转变。实验时组织转变时间可取0.5h。3）冷却方法（1）退火冷却方式：钢退火时，一般采用随炉冷却到600～550℃以下再出炉空冷。（2）正火冷却方式：钢正火时，一般采用在空气中冷却。（3）淬火冷却方式：钢淬火时，钢在过冷奥氏体最不稳定的范围内（650～550℃）的冷却速度应大于临界冷却速度，从而保证工件不转变为珠光体型组织；而在Ms点附近的冷却速度应尽可能低，从而降低淬火内应力，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。对形状简单的工件，常采用简易的单液淬火法，如碳钢用水或盐水液作冷却介质，合金钢常用油作冷却介质。（4）回火冷却方式：碳钢回火时，一般采用在空气中冷却。3、实验步骤1）每组学生领取实验试样45钢3块，并打上钢号，以免混淆。2）测量每块45钢试样的初始硬度并作好记录。3）将45钢试样放到箱式电阻炉中加热到820～840℃，保温15分钟，然后分别进行炉冷、空冷和水冷，其后，分别测定其硬度，并作好记录。钢号初始硬度HRC加热温度（℃）保温时间（min）冷却方法硬度HRC1炉冷2空冷3水冷四、结果与分析1、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。但含碳量大于0.8%的钢，一般低碳钢淬后，硬度在HRC40左右；中碳钢淬火后，硬度可达HRC50～62；高碳钢淬火后，硬度高达HRC62～65。2、不同的回火温度对碳钢硬度的影响淬火钢在回火过程中发生了一系列的组织变化，这必然会引起机械性能发生相应的变化。淬火钢的回火，实质上是一个软化过程，性能变化的总趋势是，随着回火温度的升高，硬度、强度降低，而塑性、韧性提高。