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烟台大学环境与材料工程学院金属材料工程专业材料加工方向实验指导书烟台大学环境与材料工程学院烟台大学环境与材料工程学院目录实验一金相样品的制备与显微组织的显露1实验二碳钢热处理后显微组织观察（一）4实验三焊接工艺实验6实验四碳钢的热处理工艺实验7实验五有色金属及其合金的显微组织观察11实验六焊口样品制备与组织分析观察14实验七碳钢及合金钢热处理后的显微组织观察（二）17实验八45钢金相组织中晶粒度的测量及定量金相19实验九制定高碳钢的正常淬火热处理工艺22实验十制定铝合金的固溶和时效热处理工艺23实验十一制定低碳钢的双相热处理工艺24实验十二碳素钢的热处理与硬度关系25实验十三焊缝内部裂纹超声波无损检测实验27实验十四表面裂纹渗透(着色)、磁粉检测实验30实验十五盐雾腐蚀实验......................................................................42实验十六铝的阳极氧化与着色..........................................................44注：实验一至八为实验室实施操作性实验；实验九至十一为设计性实验；实验十二为知识复习性实验，因受限于学院各种硬度计数量不足；实验十三和十四为知识扩展性实验，可约赵相金老师做开放性实验；实验十五和十六为知识扩展性实验，可约宋曰海老师做开放性实验。烟台大学环境与材料工程学院实验一金相样品的制备与显微组织的显露一、实验目的1.掌握金相样品的制备过程；2.熟悉显微组织的显露方法；3.学习利用金相显微镜进行显微组织分析。二、实验原理利用金相显微镜来研究金属和合金组织的方法叫显微分析法。它可以解决金属组织方面的很多问题，如金属夹杂物、金属与合金的组织，晶粒的大小和形状、偏析、裂纹以及热处理操作是否合理等。金相样品是用来在显微镜下进行分析、研究的试样，所以对金相样品的观察面光洁度要求很高，要求达到镜面一样的光亮，无一点划痕。金相样品的制备过程包括取样、磨制、抛光、腐蚀等步骤。三、实验设备及用品1.M-2型金相预磨机2.P-2B型金相试样抛光机3.XJP-100型金相显微镜4.45钢试样5.水砂纸、金相砂纸、玻璃板6.抛光粉、呢子、绒布、医用脱脂棉、滤纸7.无水酒精、硝酸8.烧杯、镊子、吹风机四、实验内容及方法1.取样根据研究的目的，要取具有代表性的部位，如检查轧制材料应截取纵横两个截面的样品；对于一般热处理的零件，由于金相组织比较均匀，试样的截取可在任意截面进行。试样的尺寸通常采用￠12～15mm，高12～15mm的圆柱体或边长12～15mm的方形试样。在截取试样时不宜使试样温度过于升高，以免引起金属组织的变化，影响分析结果。形状不规则或太小的试样，为了便于制备，应将样品用试样夹夹住或用低熔点金属、烟台大学环境与材料工程学院2电木粉或环氧树脂镶嵌成尺寸适合手握的试样。2.磨制试样截取后，将试样的磨面在砂轮上（或用锉刀）制成平面。在砂轮上磨制时，应握紧试样，使试样受力均匀，压力不要太大，并随时用水冷却，以防受热引起金属组织变化。磨平的试样用水洗净，在预磨机上顺序用用150、240、360水磨砂纸磨制，将水砂纸贴在预磨机的转盘上，磨制时对样品的压力不可过大，并及时加水冷却。每换一号砂纸时将试样用水洗净，以防粗砂粒被带到下一道砂纸上。将预磨机上处理过的试样用水洗净吹干后，随即依次在由粗到细的400、600、800、1000号金相砂纸上磨制，磨制时砂纸应平铺于玻璃板上，左手按住砂纸，右手握住试样，使磨面朝下并与砂纸接触，在轻微压力作用下把试样向前推磨，用力要均匀，务求平稳，否则会使磨痕过深，并且造成试样磨面的变形。试样退回时不能与砂纸接触。这样“单程单向”地反复进行，直至磨面上旧的磨痕被去掉，新的磨痕均匀一致时为止。在更换下一号更细砂纸时，应将试样上磨屑和砂粒清除干净，试样转动90o（也就是与上一号砂纸的磨痕方向相垂直），将上一号砂纸的磨痕全部磨掉后，再更换更细一号砂纸。3.抛光抛光的目的在于去除磨面上的细磨痕和变形层，以获得光滑的镜面。常用的抛光方法有机械抛光、电解抛光和化学抛光三种，其中以机械抛光应用最广，本实验仅介绍机械抛光。机械抛光是在抛光机上进行的，一般用P--2型抛光机来完成。试样经砂纸磨制后要用水冲洗干净，防止砂粒或金属屑带入抛光盘中，本实验的抛光操作分为粗抛光和细抛光两道工序。首先进行粗抛光，在抛光盘上放置呢子，在呢子上撒抛光剂（2%的Al2O3水悬浊液）。抛光机由电机带动抛光盘转动，试样磨面均匀平整地压在旋转的抛光盘上，随着抛光盘旋转要不停地滴加Al2O3抛光剂，试样被抛光直到原来砂纸的磨痕全部被抛掉为止。粗抛光完成后进行细抛光，在抛光盘上放置绒布，抛光剂为肥皂水，细抛光过程同粗抛光，直到试样表面像镜面一样光亮为止。注意事项：抛光时要不断地向抛光盘上撒抛光剂，头一定要抬起来，身子站直，手要握稳试样，防止抛光过程中试样飞出发生意外。4.腐蚀抛光好的试样磨面是光滑镜面，在显微镜下只能看到夹杂物、石墨、孔洞、裂纹等。要观察金属的组织，必须经过适当的腐蚀，使显微组织能正确的显示出来。目前最常用的烟台大学环境与材料工程学院3腐蚀方法是化学浸蚀法，本试验采用化学浸蚀法。化学浸蚀法是将抛光好的试样磨面在化学浸蚀剂（常用酸、碱、盐的酒精或水溶液，本实验用3%硝酸酒精溶液作浸蚀剂）中浸润或擦拭一定时间。由于金属材料中各相的化学成分和结构不同，故具有不同的电极电位，在浸蚀剂中就构成了许多微电池，电极电位低的相为阳极而被溶解，电极电位高的相为阴极而保持不变。故在浸蚀后就形成了凹凸不平的表面，在显微镜下，由于光线在各处的反射情况不同，就能观察到金属的组织特征。浸蚀顺序如下：抛光好的样品表面，用水和酒精洗涤干净，用吹风机吹干试样，然后进行浸蚀。试样抛光面浸入浸蚀剂中，并不断轻微移动，抛光面呈暗灰色即可。腐蚀适度后取出试样，迅速用无水酒精冲洗，然后用吹风机吹干（表面需要严格保持清洁），即可进行显微组织观察。腐蚀时间（最短的仅需几秒钟，长的需10多分钟，）取决于金属的性质、浸蚀剂的浓度以及外界温度。总之，浸蚀时间以在显微镜下能清晰地揭示出组织的细节为准，若浸蚀不足，可再继续进行浸蚀，而一旦浸蚀过渡，试样则需在最后一号砂纸上进行磨光，然后再重新抛光，再进行浸蚀。五、实验报告要求1.简述金相样品的制备及显微组织的显露过程；2.画出自己制备的金相样品的显微组织；3.写出在实验中所发现的问题和体会。烟台大学环境与材料工程学院4实验二碳钢热处理后的显微组织观察（一）一、实验目的1.了解基本热处理（退火、正火、淬火及回火）工艺制定的原理及实际操作；2.熟悉碳钢热处理后的组织形态特征。二、实验原理钢的热处理就是通过加热、保温和冷却改变钢的内部组织，从而获得要求的物理、化学、机械和工艺性能的一种极为重要的金属加工工艺方法。它主要包括：退火、正火、淬火和回火等，正确的选择热处理规范是热处理成功的基本保证。通过对热处理后的工件的显微组织的观察，可以知道制定的热处理工艺是否正确，热处理操作是否合理，热处理工件是否达到要求的性能。三、实验设备及用品1.XJP-100型金相显微镜2.钢热处理样品3.擦镜纸、洗耳球四、实验内容及方法1.观察表1给出的碳钢热处理后的显微组织的形态特征表1碳钢热处理样品（一）编号材料状态组织浸蚀剂2920钢铸态低碳铸钢组织1420钢淬火低碳马氏体3%硝酸酒精溶液1645钢淬火中碳马氏体220钢退火铁素体+珠光体345钢退火铁素体+珠光体实验145钢820℃淬火中碳马氏体实验245钢820℃淬火后200℃回火回火马氏体实验345钢820℃淬火后400℃回火回火屈氏体实验445钢820℃淬火后600℃回火回火索氏体实验545钢600℃退火铁素体+珠光体烟台大学环境与材料工程学院52.本次实验按表1给出的实验样品，在指定的显微镜上观察；3.用10X目镜与40X物镜构成400倍的显微观察。4.分析并区别不同材料的组织特点，描绘观察到的显微组织。5.观察结束后,先将光亮度调节钮推至最低位,而后切断电源,将金相显微镜复原。五、实验报告要求1.画出所观察金相样品的显微组织示意图，并在图中标出组织，在图下标出：编号、材料名称、处理状态、金相组织、浸蚀剂、放大倍数等。编号______材料名称____________________处理状态金相组织含碳量侵蚀剂放大倍数2.注明不同试样金相组织形态特征，并分析热处理工艺操作对材料金相组织的影响，金相组织特征如何影响材料的性能。烟台大学环境与材料工程学院6实验三焊接工艺实验一、实验目的1.掌握焊接工艺及方法2.了解碳钢、铸铁的焊接性能二、实验原理焊接是一种连接金属或热塑性塑料的制造或雕塑过程。焊接过程中，工件和焊料熔化形成熔融区域，熔池冷却凝固后便形成材料之间的连接。这一过程中，通常还需要施加压力。焊接的能量来源有很多种，包括气体焰、电弧、激光、电子束、摩擦和超声波等。金属的焊接,按其工艺过程的特点分有熔焊,压焊和钎焊三大类。熔焊是在焊接过程中将工件接口加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。熔焊时，热源将待焊两工件接口处迅速加热熔化，形成熔池。熔池随热源向前移动，冷却后形成连续焊缝而将两工件连接成为一体。压焊是在加压条件下，使两工件在固态下实现原子间结合，又称固态焊接。常用的压焊工艺是电阻对焊，当电流通过两工件的连接端时，该处因电阻很大而温度上升，当加热至塑性状态时，在轴向压力作用下连接成为一体。钎焊是使用比工件熔点低的金属材料作钎料，将工件和钎料加热到高于钎料熔点、低于工件熔点的温度，利用液态钎料润湿工件，填充接口间隙并与工件实现原子间的相互扩散，从而实现焊接的方法。三、实验设备及用品1.电焊机2.碳钢，铸铁3.焊条，切割机四、实验内容及方法分组采用电焊机进行碳钢与碳钢、碳钢与铸铁、铸铁与铸铁三种焊接接口方式的焊接实验。五、实验报告要求1.简述焊接工艺过程；2.说明焊条或焊丝选择的依据及焊接操作的体会。烟台大学环境与材料工程学院7实验四碳钢的热处理工艺实验一、实验目的1.了解碳钢的基本热处理（退火、正火、淬火及回火）工艺方法；2.研究冷却条件与钢性能的关系；3.分析淬火及回火温度对钢性能的影响。二、实验原理热处理是一种很重要的金属加工工艺方法，目的是改变钢的性能，包括使用性能及工艺性能，钢的热处理是通过加热和冷却的方法使金属内部组织结构发生变化，以获得预期工艺性能、机械性能、物理性能和化学性能的工艺方法。热处理工艺方法分为退火、正火、淬火和回火。1.钢的退火和正火退火：把钢件加热到临界温度（见表1所示）AC4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得到比较接近平衡状态的组织。表1各种碳钢的临界温度（近似值）类别钢号临界温度（℃）Ac1Ac3或AcmAr1Ar3碳素结构钢207358556808353073281367783540724790680796457247806827605072576069075060727766695721正火：将钢件加热到临界温度AC3或ACm以上，进行完全奥氏体化，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P相对量较多，且片层较细密，故性能有所改善。低碳钢正火后提高硬度改善切削加工性，提高零件表面光洁度；高碳钢正火后可消除网状渗碳体，为下一步球化退火及淬火作准备。烟台大学环境与材料工程学院82.钢的淬火将钢加热到AC3或AC1+30~50℃，保温后放入各种不同冷却介质中快速冷却，以获得以马氏体（M）组织，碳钢经淬火后的组织M+A残。1）淬火温度选择:根据Fe-Fe3C相图确定,亚共析钢淬火温度一般选择AC3+30~50℃,共析钢和过共析钢淬火温度选择AC1+