《工程材料与热处理》实验指导书.doc

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1、 工程材料与热处理 实 验 指 导 书 曾豪华 编 广东技术师范学院机电学院 目 录 实验一: 硬度计和金相显微镜的使用：3实验二：碳钢和白口铁的显微组织观察10实验三：碳钢的淬火和回火热处理.16实验四：铸铁的显微组织观察27实验五：有色金属和合金钢的显微组织观察31.课程类型：学科专业基础课 课程代码： 课程总学时：48 实验课程性质： 基础实验 课程实验学时： 8 综合性、设计性实验项目数： 个学时 适用专业：机电、CAD、汽车 开课时间： 二 年级 二 学期 开课单位： 金相热处理实验室 撰写人： 曾豪华 审定人： 实验一：硬度计和金相显微镜的介绍及使用一、实验目的与要求：1.了解HB

2、RVU187.5型布洛维光学硬度计的工作原理和使用方法；2.了解和熟悉机械式HR150A型洛氏硬度计的工作原理和使用方法；3.了解和熟悉新MDJ200金相显微镜互动系统的工作原理和使用方法。二、实验类型：观察型、验证型。三、实验原理及说明：1. HBRVU187.5型布洛维光学硬度计的简介和使用说明：本仪器具有多种试验力和压头，用于测定金属材料或试件的布氏、洛氏、维氏硬度。适用于黑色金属（钢材、铸铁件、软铁件、软钢、淬火钢等）和有色金属（铝合金、铜合金等）的硬度测定，并可测定硬质合金、渗碳层和化学处理层的硬度。 HBRVU187.5型布洛维光学硬度计采用了旋转式试验力变换机构和光学测量指示系统

3、，在机体上装有显微镜测量装置。使用方便，加试验力测量系统灵敏可靠，示值精度高。 HBRVU187.5型布洛维光学硬度计如下图所示：1.读数投影屏、2.测量显微镜、3.微调旋钮、4.压头、5.试件、6.溜板试验台、7.防尘罩、8.升降旋转轮、9.光源调节手轮、10.缓冲器调节手轮、11.加载试验力手柄、12.变试验力手轮、13.电源插座、14.保险丝座、15.电源开关。1.HBRVU187.5型布洛维光学硬度计的使用步骤：1) 插上电源，将硬度计右下方的开关旋钮（15）旋至“洛氏”位置，硬度计正面上的读数投影屏（1）灯亮。2）按读数投影屏（1）提示装上目前唯一的一个1.588mm的金刚石球压头，

4、此时，硬度计右下方的变试验力手轮（12）已预先选择在980N的位置上（总试验力）。3）将硬度计右上方的加载试验力手柄（11）按顺时针方向拉向前方，使试验力处于卸荷状态。4）将79.4mm的小圆洛氏硬度试验块放在工作台上，缓慢地转动升降旋转轮（8）使试验工作台上升。（注意：顺时针向上，逆时针向下）。当金刚石球压头与硬度试验块接触时，读数投影屏（1）上的标尺上升，最后使标尺基线与读数投影屏上的固定标准线重合。5）将加载试验力手柄（11）按顺时针方向推向前方，此时硬度计处于加载状态。读数投影屏（1）上显示出来的标尺由上而下地移动，直至标尺停止为止，此时读数投影屏（1）上显示出来的左边的读数值就是该硬

5、度试验块的洛氏硬度值。（即时可记录下该洛氏硬度值的数据）6）降下升降旋转轮（8），将硬度计右上方的加载试验力手柄（11）按逆时针方向拉向前方，使试验力处于卸荷状态。2.HR150A洛氏硬度计的实验原理和使用说明：洛氏硬度计试验原理如右下图所示：既在规定的载荷作用下，将金刚石圆锥体或钢球压头压入试样表面，根据压痕深度来确定其硬度值。实验时，先加初载荷9.8N（1kgf ），压痕深度为h1，然后再加主载荷，压痕深度为h2，卸去主载荷，保留初载荷，由于材料弹性变形的恢复，实际压痕深度为h。由压痕深度h确定硬度值，压痕越深，则硬度值越小。为了照顾习惯上数值越大，硬度越高的概念，因而采用一常数减去压痕深

6、度后的数值表示洛氏硬度。按GB/T 230. 12004的规定，压头每压入0.002mm深度作为一个硬度单位，故洛氏硬度的计算公式为： HR = Ch / 0.002 。式中：C为常数。当金刚石圆锥作压头时，C = 100；当用1.588mm的淬火钢球作压头时，C = 130。洛氏硬度试验采用不同的压头和载荷，可以试验从软到硬的各种材料。最常用的三种洛氏硬度列于表中，其中HRC应用最多。洛氏硬度值无单位，硬度值可在读数表盘上直接读出。 图 12 洛氏硬度试验原理图（R的单位为 mm）常用洛氏硬度符号、试验条件和应用举例：硬度符号压头类型总载荷/N（kgf）有效硬度值范围应用举例HRA120金刚

7、石圆锥体588（60）7085硬质合金、表面淬火层或渗碳层HRB1.588mm淬火钢球980（100）25100非铁金属、退火钢HRC120金刚石圆锥体1470（150）2067淬火钢、调质钢常用的HR150A洛氏硬度计的结构如下图所示：1.加卸试验力手柄、2.旋轮、3.保护罩、4.螺钉、5.试验台、6.上盖、7.后盖、8.缓冲器调节手轮、9.表盘、10.上盖螺钉、11.压头紧固螺钉、12.压头、13.变载荷手轮。3.HR150A机械式洛氏硬度计的使用步骤：1） 120金刚石圆锥体压头安装在测杆中，贴紧支承面，把压头紧固螺钉略为拧紧,将79.4mm的小圆洛氏硬度试验块放在试验台（5）上。2）顺

8、时针方向地旋转旋轮（2），使试验工作台上升。注意：金刚石圆锥体压头与洛氏硬度试验块接触时，上升速度要缓慢平稳。小指针从黑点移到红点，此时大指针转动三圈至零位5HR分度处，这时初试验力开始施加。（由于该硬度计使用年限已久，不能按正常的操作规程来操作。只能按最外圈黑色数字0点为基准来操作，其余步骤不变。）3) 将微调表盘（9）对准零位，加卸试验力手柄（1）推向后，调节缓冲器流量，保证主试验力在48秒钟内施加。主试验力保持10秒，加卸试验力手柄（1）在2秒钟内平稳地朝前拉，卸去主试验力，从相应的标尺核度上读取洛氏硬度值。4） 降试验工作台，使洛氏硬度计恢复原态。4.MDJ200金相显微镜的介绍和使用

9、说明：一）.用途：MDJ系列金相显微镜按人体工程学设计，配置了专门的金相平场消色差物镜，具有外形美观、结构紧凑、稳定可靠、像质优异、使用便捷等优点，可广泛应用于工厂、学校和相关科研部门，是铸件质量检验、金属材料检验、鉴定以及金属材料处理后组织分析、研究的理想仪器。MDJ200型为双目式金相显微镜，还可选配互动双目组及专用数码装置组成MDJDM 200/320金相数码显微镜或金相互动用显微镜。二）.性能参数：1. 放大倍数：2. 物镜：注：20、40、100均为弹簧物镜。3.目镜：4.载物台：三层机械载物台尺寸：180mm180mm。纵、横移动范围：30mm30mm；游标最小读数：0.1mm；载

10、物片尺寸：68 mm；同时配有：10mm、20mm孔径载物片。5.滤色片：可配绿色、蓝色、灰色滤色片及磨砂玻璃。6.光源：6V/20W 卤钨灯，G4灯座，亮度可调。7.转换器：内定位四孔转换器。8.转轴双目组：45倾斜，瞳距调节范围为50mm75mm，视度调节5屈光度。 专用数码装置：130万、200万或310万像素。9.粗微动调焦：同轴调焦粗微动，粗动手轮行程：42.4mm/转，实际粗动行程：12mm； 微动手轮行程：0.2mm/转，格植：0.002mm。10.防霉装置：物镜、目镜及相关部位均采取了防霉、防雾措施或安装了防霉装置。11.电源：输入：85V265V，50/60Hz；保险管：2A

11、 250V （520）； 旋转电位器带开关。三）新MDJ200金相显微镜的使用要领：本仪器采用带开关的旋转电位器，可避免电源开启时亮度过高，灯泡不会有过高电流冲击，从而延长灯泡寿命。1. 旋转电位器旋转使电源接通，然后调节电位器亮度适中。2. 安放试样：先确认先前所载物片合适后，再将要观察的试样放置在载物片上。注意将被观察面向下，用压簧片将试样固定好。旋转载物台手轮将试样移入光路。3. 转动物镜转换器（手握转换器外圆的齿纹部分），将低倍物镜（常用10物镜）置入光路，慢慢转动粗动手轮，用左眼从左固定筒目镜观察，见物像大致轮廓后用微调手轮将图像调清晰，然后将高倍数物镜置入光路。4. 双目瞳距调整及

12、视度调节：4.1瞳距调整：（参见下图4）瞳距（眼距）因人而异，一般来讲，中国人比西方人瞳距大，所以使用双目显微镜前均需调整瞳距。双手分别握住双目左右支架转动，直至双目中看到的光环完全重合，此时瞳距已调好。4.2.视度调节：（同样参见上图4）双目观察调焦时，应先以固定筒（本仪器为右筒）一侧观察，即右眼从右筒观察，物像调清晰后再从左筒观察；同时调节左筒上的视度调节圈以补偿左右两眼视度上的差异，使两筒成像同样清晰。4.3.视场光栏调节：（参见图3和下图5） 转动视场光栏转圈，将视场光栏调至小于目镜的视场，此时视场中可看到完整的视场光栏图像。调整视场光栏中心调节螺钉，使视场光栏图像中心与目镜视场中心基

13、本重合。再将视场光栏图像开至略小于目镜视场再次调节，使光栏中心与视场中心更加吻合后，调大视场光栏，使视场光栏图像消失于目镜视场范围之外即可。4.5.孔径光栏的调整：（参见图3和下图6）转动孔径光栏调节圈即可改变孔径光栏的大小，从而改变被观察试样的衬度。 取下目镜直接从目镜观察，调整孔径光栏东西大小使其图像充满物镜出瞳直径的70%80%即可获得衬度较为良好的图像。4.6.滤色片的使用：选用合适的滤色片或磨砂玻璃，将其置于仪器集光镜上方二台孔上即可。 完成以上步骤后，即可根据所要观察试样的特点，选用适宜倍率的物镜、目镜，以及合适的滤色片，调节适合大小的孔径光栏及灯泡亮度，再调节微动调焦手轮使成像清

14、晰，即可获得满意的图像，进行显微镜观察。4.7.松紧调节手轮：（参见下图7）仪器长期使用后可能会出现载物平台自动下滑的现象。松紧调节圈可以调节粗微动组的松紧，防止载物台自行下滑，同时调节粗微动操作上的舒适感。顺时针旋转，可以锁紧；相反，可以放松。 切忌不要同时用力反向旋转左右粗、微动手轮，否则会损坏调焦机构。 变换不同倍率物镜时，切勿直接扳动物镜来转动物镜转换器。应手持转换器外圆的齿纹部分来转动转换器，使物镜准确定位并进入光路，否则会影响仪器的光学性能。 因高倍率物镜工作距离较小，为防止使用高倍率物镜时物镜与载物片其发生碰撞，应尽量将试样需观察部位置于载物片中心，并先用低倍物镜观察找图像，再换

15、用所需倍率物镜。不要在平台处于最低位置时切换物镜，这样容易损坏高倍物镜。5. 数码相机的使用：先将目视观察的图像调节清晰，取下目镜（双目产品取固定筒上的）。再将数码照相机接筒与相机连好，然后将接筒插入目头组上镜筒内（注意相机显示屏方向），用止紧螺钉止紧。打开相机电源，即可进行数码拍摄。如数码相机与目视观察同步稍有差异，可适当调节微动调焦手轮。6.浸油物镜的使用：本仪器所配100物镜为浸油物镜，使用时需在物镜前镜片与试样之间加适量的非树脂合成浸油，且油中不得有影响成像的气泡和杂质。使用浸油物镜时，加油量一定要适量，否则油会流入物镜座，影响物镜的光学性能。使用浸油观察完毕后，应立即用脱脂棉、镜头纸

16、、纱布或软棉布等蘸适量工业用酒精与乙醚的混合液（比例1：4）将物镜及试样上的浸油檫拭干净。 浸油虽无毒，但当其触及皮肤或进入人眼时，请采取以下措施：触及皮肤时：用水和肥皂冲洗干净。进入人眼睛时：用清水彻底冲洗（15分钟以上）。如果眼睛或皮肤持续疼痛或外观变化，请立即到就近医院检查。四、实验主要仪器设备和材料：序 号名 称主要用途1HBRVU187.5型布洛维光学硬度计主要用于实验试件布氏、洛氏、维氏硬度的测量2HR150A机械式洛氏硬度计主要用于实验试件洛氏硬度的测量3MDJ200金相显微镜主要用于实验试件金相组织结构的观察4联想扬天M2620电脑主要用于金相互动显微镜教学五、实验内容和步骤：

17、每一批学生分成三组，一组先做布洛维光学硬度测试，另一组先做洛氏硬度测试，最后一组做金相显微镜先做试件金相组织观察实验。三组学生做完第一个项目后互相调换，直至把三个项目做完为止。实验内容和步骤如上所述。六、实验数据处理与分析：硬度测试一般是要在平整的试件表面上呈品字形地测量三个点，取其三个的平均值作为该试件的硬度测量值。同时也要注意测量点尽量取在中间位置，而且间隔要均匀，每次测量点的距离应大于3mm 。七、注意事项：因为硬度计和金相显微镜都是贵重的精密仪器，而且现在采用的是比较现代化的金相互动教学系统，同时配有相应的电脑。所以要求老师和同学们都要严格按照操作规程的要求来操作。发现问题和故障应立即

18、停止操作，及时向实验指导老师报告。为了保证金相互动教学系统的正常运行，严禁任何人未经批准带入未经杀毒处理的U盘、移动硬盘等外接设备。请老师和同学们自觉遵守该规定。请老师和同学们注意千万在电脑和显微镜工作期间切记不要拔动显微镜数码系统的USB 2.0插头，以免烧坏价值几千元的显微镜数码系统。违者后果自负！并按学校实验室管理条例追究其赔偿责任。八、实验报告要求：实验报告的要求要字体工整，严肃认真、实事求是。严禁互相抄袭、应付了事，每次做完实验的数据都要经实验指导老师认真检查认可。九、预习与思考题：每一位学生在做实验前都应该认真预习实验指导书，明白本次实验的内容、目的和所要达到的要求及注意事项。十、

19、实验思考问答题：1. 对比布洛维、洛氏两种硬度计有何异同？同一种金属材料用不同的硬度计来测量，硬度值有何变化？2. 如何辨认在用显微镜观察金相试样时的“假象”？3. 你对本次实验有何认识、意见和建议？实验二：碳钢和白口铁的显微组织观察一、实验目的与要求：1.观察和分析铁碳合金的平衡组织；2.分析铁碳合金显微组织的形成过程；3.分析碳钢、白口铸铁的组织与含碳量之间的关系，从而掌握铁碳合金成分、组织和性能之间的关系。 二、实验类型：观察形、验证形。三、实验原理及说明：实验原理：FeFe3C 平衡相图是铁基二元相图中最重要的相图之一。根据相图，可以分析铁碳合金的平衡组织及其特点。所谓平衡组织，是指符

20、合平衡相图的组织，即在一定温度、一定成分和一定压力下合金处于最稳定状态的组织。要获得这样的组织，必须使合金发生的相变在非常缓慢的条件下进行。通常将缓冷（退火）后的铁碳合金组织看做平衡组织。铁碳合金是目前应用最广泛的工程材料。铁碳合金的平衡组织是研究铁碳合金性能及相变机理的基础，因此认识和分析铁碳合金的平衡组织有着十分重要的意义。此外，观察和分析铁碳合金的平衡组织有助于立理解FeFe3C 平衡相图的建立和进一步借助相图来分析问题。1. 铁碳合金的分类：铁碳合金可分为碳钢和白口铸铁两大类，下表列出了铁碳合金的分类和组织情况。 表21铁碳合金的分类和组织分 类含碳量 /（）平衡显微组织碳钢亚共析钢0

21、.020.77铁素体珠光体共析钢0.77珠光体过共析钢0.772.11珠光体二次渗碳体白口铸铁亚共晶白口铸铁2.114.30珠光体莱氏体二次渗碳体共晶白口铸铁4.30莱氏体过共晶白口铸铁4.306.69莱氏体一次渗碳体 从上表中可以看出，铁碳合金是以其含碳量来分类的，其中含碳量小于2.11的称为碳钢，大于2.11的称为白口铸铁。由于含碳量的不同，它们的平衡组织也有很大的不同。2.铁碳合金的平衡组织：上表已列出，铁碳合金的平衡组织共有四种：铁素体（相），渗碳体（Fe3C），珠光体（P）和莱氏体（Ld）。但是从FeFe3C相图可以看出，铁碳合金在常温下只有两相，即铁素体和渗碳体。由于含碳量的不同，

22、这两个相的相对量、形状和分布情况有很大的不同，因此呈现出各种不同的组织状态。下面介绍一下各种显微组织的基本特征。（1）铁素体：碳在 Fe中的固溶体，碳的溶解度（质量分数）是可变的，在727时达到最大的溶解度，为0.218 左右。铁素体的硬度很低，塑性好，经过4硝酸酒精腐蚀后呈白亮色（参阅本实验附录：图21）。含碳量较低时，铁素体呈块状分布，随含碳量增加，铁素体量减少，在接近共析成分时，铁素体呈网状分布在珠光体周围。（2）渗碳体：碳与铁的一种金属化合物，化学式为Fe3C，碳的质量分数很高，可达6.69，坚硬而脆，耐蚀能力很强，经过4硝酸酒精腐蚀后呈白亮色。在过共晶白口铸铁中的一次渗碳体是从液态中

23、直接结晶而成的，故呈条状分布，如本实验附录：图28所示。在过共析钢和亚共晶白口铸铁中的二次渗碳体（参见本实验中图27金属材料及热处理和图28）是从奥氏体中沿晶界析出的，所以呈网状分布在珠光体周围。由于渗碳体硬度很高，所以在磨面上是突起的。铁素体和渗碳体经过4硝酸酒精腐蚀后都呈白亮色，为了加以区别，可改用苦味酸钠溶液腐蚀（苛性钠25g，苦味酸2 g，加水100ml, 在100煮沸510min）。这时渗碳体被染成暗褐色（接近黑色），铁素体仍呈白亮色。（3）珠光体：铁素体和渗碳体的两相混合物，有片状珠光体和球状珠光体两类。片状珠光体是几经一般退火后得到的铁素体和渗碳体的片层交叠组织。经过4硝酸酒精浸

24、蚀后，这种组织在显微镜下由于放大倍数不同而有不同的特征：在用600倍以上金相显微镜观察时，可见珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体都呈白亮色，而边界呈黑色；在用400倍左右的金相显微镜观察时，由于显微镜的分辨能力降低，白亮的细条渗碳体被黑色的边界所“吞没”而呈黑色，这时看到的珠光体是宽条白亮色铁素体和细条渗碳体相间；在用200倍以下的金相显微镜观察时，宽条白亮色铁素体难以区分，这时的珠光体特征是暗黑色的。低碳钢中的珠光体量很少，片间距细小，即使在较高倍观察时也是暗黑色的。球状珠光体是过共析钢球化退火后的组织，片状分布的渗碳体变成了球状，经过4硝酸酒精腐蚀后，球状珠光体的特征是在白亮色的铁素

25、体基体上分布着白色的渗碳体颗粒，它们的边界是黑色的。（4）莱氏体：奥氏体和渗碳体的共晶体。刚从液态合金中结晶出来的莱氏体是渗碳体的基体上分布着颗粒状的奥氏体。从共晶温度冷却时，从奥氏体中析出二次渗碳体，二次渗碳体和基体渗碳体连接起来，所以在组织上很难区分。当冷却到共析温度时，奥氏体转变为珠光体。在常温下用金相显微镜观察到的组织已不是渗碳体和奥氏体，而是渗碳体和珠光体，但一般仍称为莱氏体或变态莱氏体。经过4硝酸酒精腐蚀后，莱氏体的组织特征是在白色的渗碳体基体上分布着许多黑色颗粒状的小条状珠光体。在亚共晶白口铸铁中，莱氏体被黑色树枝状珠光体所分割，在珠光体周围可看到一圈白亮色的二次渗碳体；在过共晶

26、白口铸铁中，莱氏体则被粗大的白色条状一次渗碳体所分割。根据碳的质量分数及组织特点的不同，铁碳合金可分为工业纯铁、钢和白口铸铁三大类。各种铁碳合金在室温下的平衡组织如下实验图21实验图28所示：实验图21 工业纯铁的显微组织（铁素体） 实验图22 20钢的显微组织白色等轴多边形晶粒为铁素体，深色线条为晶界。 （铁素体珠光体）白色晶粒为铁素体，深色块状为珠光体。实验图23 45钢的显微组织 实验图24 T8钢的显微组织（铁素体珠光体）同上，但珠光体增多。 （珠光体）组织全部为层状珠光体。实验图25 T12钢的显微组织 实验图26 共晶白口铸铁的显微组织（网状渗碳体珠光体）基体为层状珠光体， （莱氏

27、体）白色为渗碳体，黑色圆粒及条晶界上的白色网络为二次渗碳体。 状为珠光体。 实验图27 亚共晶白口铸铁的显微组织 实验图28 过共晶白口铸铁的显微组织 （珠光体二次渗碳体莱氏体） （一次渗碳体莱氏体）基体为黑白相间分布的变态莱氏体，黑色树枝 基体为黑白相间分布的变态莱氏体，状为初晶奥氏体转变成的珠光体。 白色板条状为一次渗碳体。附：奥氏体（A）的介绍：奥氏体是指Fe内固溶有碳和（或）其它元素所形成的晶体点阵为面心立方的固溶体，常用符号A（或）表示。奥氏体仍保持Fe的面心立方晶格，碳在Fe中的位置如下图左所示。奥氏体溶碳能力较大，在1148时溶碳量（WC=2.11）最大，随着温度下降，溶碳量逐渐

28、减少，在727时溶碳量WC=0.77。奥氏体具有一定的强度和硬度，塑性好（b400N/mm2,160220HBW,4050）。在机械制造中，钢材大多数要加热至格外高温奥氏体状态进行压力加工，因塑性好而便于成型。用高温金相显微镜观察，奥氏体的显微组织呈多边形晶粒状态，但晶界比铁素体的晶界平直些，如下图右所示。应该指出的是：稳定的奥氏体属于铁碳合金的高温组织，当铁碳合金缓慢冷却到727时，奥氏体将发生转变，转变为其它类型的组织。奥氏体是非铁磁性相。奥氏体的晶胞示意图 奥氏体的显微组织3.各组织的力学性能：为了掌握铁碳合金的力学性能，必须控制各种组织的相对量。已知：铁素体软而塑性好，渗碳体硬而脆，珠

29、光体是这两相的机械混合物，莱氏体则是渗碳体和珠光体的混合物。铁素体、渗碳体和珠光体的力学性能如下表22所示： 表22各相的力学性能硬度/HV抗拉强度/MPa延伸率/（）铁素体50901902504050渗碳体750880300珠光体190230860900912 4.碳钢中含碳量的计算：在熟悉了碳钢中各种组织分布特征后，就可以借助金相显微镜来估算碳钢中的含碳量。首先，估计在某一视场中各种组织所占有的面积百分比，令：n为铁素体所占面积百分比，K为珠光体所占面积百分比，B为渗碳体所占面积百分比。根据FeFe3C相图，已知常温下铁素体中碳的质量分数约为0.008，珠光体中碳的质量分数约为0.77，渗

30、碳体中碳的质量分数约为6.69，那么，根据杠杆定律，可以得到：对于亚共析钢，有：W（C）=（n0.008/100K0.77/100）100；对于过共析钢，有：W（C）=（B6.69/100K0.77/100）100。上述计算是假定各组织的密度是相等的，事实上它们的密度也是近似相等的；球状珠光体的面积很难目测，所以不能估算它的含碳量。四、实验主要仪器设备和材料:1. 碳钢（亚共析钢、共析钢、过共析钢试样）、球状珠光体的试样。2. 白口铸铁（亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁试样）。3. MDJ200金相显微镜；4. 联想扬天M2620电脑。五、实验内容和步骤：按下表的要求准备试样，并用

31、XJX1小型金相显微镜来观察各试样的金相显微组织的特征。（1）.实验内容： 表23 名称W（C）状 态浸 蚀 剂显微组织工业纯铁99.99 正火4硝酸酒精铁素体颗粒亚共析钢0.2 退火4硝酸酒精先共析铁素体珠光体0.45 退火4硝酸酒精先共析铁素体珠光体0.7 退火4硝酸酒精先共析铁素体珠光体共析钢0.8 退火4硝酸酒精珠光体过共析钢1.2 退火4硝酸酒精珠光体二次渗碳体试样种类：退火状态下的工业纯铁、20钢、45钢、T8钢、T12钢、铸态的亚共晶白口铁、过亚共晶白口铁。（2）.实验步骤：1. 全班分成若干批进行，每人一台金相显微镜，仔细观察和分析本实验所规定的全部试样，并通过电脑显示器可以清

32、晰地观察到它们的金相组织结构图；2. 通过对实验试样的观察和分析，了解非合金钢和白口铸铁的室温平衡组织及其相貌特征，了解铁碳合金的化学成分和组织之间的变化规律。六、实验数据处理与分析：碳钢中含碳量的计算一定要符合上述第4点所述方法进行，计算结果请参阅上表各种材料的含碳量W（C），并交老师检查。七、注意事项：因为金相显微镜是贵重的精密仪器，所以要求老师和同学们都要严格按照操作规程的要求来操作。切记在操作显微镜期间不要随意拔动显微镜数码插头，否则会导致显微镜数码严重的损坏。违者按学校有关规定追究其赔偿责任！如发现显微镜有问题或故障应立即停止操作，及时向实验指导老师报告。八、实验报告要求：（1）分析

33、上表中各种成分的铁碳合金的组织特征，注意含碳量和金相组织之间的关系并进行分析；（2）从电脑中复制出出观察试样的金相结构图，写明试样材料的名称、热处理状态、浸蚀剂、放大倍数和组织结构名称，用箭头标明示意图中所示的组织结构名称。九、预习与思考题：每一位学生在做实验前都应该认真预习实验指导书，明白本次实验的内容、目的和所要达到的要求及注意事项。实验问题与思考：1. 非合金钢与白口铸铁在组织构成与力学性能方面有何异同？2. 渗碳体有哪几种形态？如何分辨？3. 你对本次实验有何认识、意见和建议？实验三：碳钢的淬火和回火热处理一、实验目的与要求：1. 了解钢的普通热处理（退火、正火、淬火、回火）的操作方法

34、和过程；2. 分析碳钢在热处理时含碳量、加热温度、冷却速度及回火温度等主要因素对钢热处理后组织与性能和硬度的影响和变化；3. 观察碳钢在普通热处理后，其组织变化并区分其组织特征。二、实验类型：观察形、验证形。三、实验原理及说明：热处理是一种很重要的金属加工工艺方法，也是充分发挥金属材料性能潜力的重要手段。热处理的主要目的是改变金属材料的性能，其中包括使用性能及工艺性能。热处理之所以能使金属材料的性能发生显著的变化，主要是因为金属材料内部组织结构可以发生一系列的变化。采用不同的热处理工艺过程，将会使金属材料得到不同的组织结构，从而获得所需要的性能。钢的热处理工艺过程是：将钢加热到一定的温度，经过

35、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变化。1.钢的普通热处理：（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，缓慢地随炉冷却。箱式电阻炉断电后的冷却速度大约是每小时30120，随炉冷却是退火中最常用的冷却方法。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（亚共析钢）如40钢、45钢经退火后可以获得铁素体和珠光体组织，组织稳定，消除了残余应力，硬度较低（180220 HB）有利于进行下一步的切削加工。共析钢和过共析钢多采用球化退火。退火加热温度为AC1以上2030，保温后钢的组织为奥氏体和未溶的

36、颗粒状的二次渗碳体。缓慢冷却时，自奥氏体中析出的渗碳体沿着未溶颗粒状渗碳体结晶，结果得到铁素体基体上均匀分布着颗粒状的渗碳体组织，即：球状珠光体，如图31所示。球状珠光体不仅有利于切削加工，而且也为淬火作好了组织准备。 实验图31 T10钢球化退火组织球状珠光体。实验图32是以45钢为例的退火工艺曲线图： 实验图32 是以45钢为例的退火工艺曲线图（a）普通退火工艺曲线，（b）连续退火工艺曲线，（c）二段式退火工艺曲线，（d）等温退火工艺曲线。保温时间（min）的经验公式：K D。式中：T为保温时间，K为加热系数，一般K1.52.0 mm/min，若装炉量大，则可延长保温时间；D为工件的有效厚

37、度（mm）。操作步骤如下：入炉 保温 出炉 炉冷。退火硬度：45钢，197 HB。（2）钢的正火：钢的正火是指把工件加热奥氏体化后在空气中进行冷却的热处理工艺。通常是把钢加热到AC3或Acm线以上，保温一段时间，然后进行空冷。由于冷却的速度稍快，与退火相比，组织中的珠光体量相对较多，而且片层较细密，故性能有所改善，细化了晶粒，改善了组织，消除了残余应力。对于低碳钢，正火后提高了硬度，可改善切削加工性能，提高零件表面粗糙度；对于高碳钢，正火可消除网状渗碳体，为下一步球化退火及淬火做好组织准备。 图33所示的是以45钢为例的正火工艺曲线。 实验图33 是以45钢为例的正火工艺曲线图（a）普通正火工

38、艺曲线，（b）连续正火工艺曲线，（c）二段式正火工艺曲线，（d）等温正火工艺曲线。 保温时间（min）的经验公式如上所述。操作步骤如下：入炉 保温 出炉 空冷。正火硬度：45钢，241HB。不同碳的质量分数的非合金钢在退火及正火状态下的强度与硬度见下表31所示：实验表31非合金钢在退火及正火状态下的力学性能性 能热处理状态WC（）0.10.20.30.40.6硬度HBW退火120150160180220正火130140160180220250强度b/MPa退火300330420500560670正火340360480550660760（3）钢的淬火：钢的淬火是指工件加热奥氏体化后以适当的方式冷

39、却获得马氏体或（和）贝氏体组织的热处理工艺。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（冷临），以获得具有高硬度、高耐磨性的马氏体组织。图34所示的是以45钢为例的淬火工艺曲线：实验图 34是以45钢为例的淬火工艺曲线图 （a）普通淬火工艺曲线，（b）连续淬火工艺曲线，（c）二段式淬火工艺曲线，（d）等温淬火工艺曲线。淬火的步骤如下：入炉 保温 出炉 油冷（或水冷）。非合金钢在淬火后的组织为马氏体和少量的残留奥氏体，如实验图35所示；高碳钢淬火后的组织为片状马氏体和少量的残留奥氏体，如实验图36所示；中碳钢淬火后的组织为板条马氏体和片状马氏体及少量

40、残留奥氏体的混合组织，如实验图37所示。淬火温度的选择：淬火时，钢的具体加热温度主要取决于钢中碳的质量分数，并可以根据FeFe3C相图确定。保温时间的确定：淬火加热时间实际上是将试样加热到淬火温度所需要的时间及在淬火温度保温所需要的时间的总和。加热时间与钢的成分、工件的尺寸与形状、加热介质、加热方法等因素有关。冷却速度的影响：冷却是淬火的关键工序，它直接影响淬火后的组织和性能。冷却时既要使冷却速度大于临界冷却速度，以保证获得马氏体，又要尽量降低冷却速度，以减小内应力，防止变形和开裂。非合金钢一般采用水冷却，合金钢多采用油冷却。此外，还可以采用其它冷却介质和冷却方法，如双液淬火和马氏体分级淬火等

41、。（4）钢的回火：钢的回火是指工件淬硬后，即把淬火钢重新加热至AC1线以下的一定温度，经过适当的时间的保温后，冷却到室温的一种热处理工艺。由于钢经过淬火后得到的马氏体组织，硬而脆、内部存在很大的内应力，容易导致工件变形和开裂。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。通过回火可以降低和消除内应力，提高韧性。不同的回火工艺可以使钢获得不同的各种不同的性能。回火工艺按回火的温度的高低通常分为为低温回火（250以下）、中温回火（250450以下）和高温回火（500以上）三类，实验图38是45钢高温回火后的组织

42、形貌。实验图 35 20钢的淬火组织 实验图 36 T12钢的淬火组织（板条马氏体少量残留奥氏体） （片状马氏体少量残留奥氏体）实验图 37 45钢淬火组织 实验图 38 45钢调质组织（片状中碳马氏体板条马氏体少量残留奥氏体） （回火索氏体）黑色竹叶状互成120度夹角的针状马氏体，其余为板条状马氏体。在生产实际中，回火温度的选择，通常是依图纸上所要求的硬度作为依据，然后从各种钢材的不同回火温度与硬度之间的关系曲线中查出具体的回火温度。几种常用的非合金钢的回火温度和硬度的关系见实验表32所示：实验表32 几种常用的非合金钢材不同温度回火后的硬度值回火温度/45钢T8钢T10钢T12钢15020

43、060546460646265622003005450605562566257300400504055455647574940050040334535473849385006003324352738273828回火保温时间与工件材料及尺寸、工艺条件等因素有关，通常采用13h。实验时，因试样尺寸较小，可采用30 min。回火后一般在空气中冷却。四、实验主要仪器设备和材料:序 号名 称主要用途1HR150A机械式洛氏硬度计主要用于实验试件洛氏硬度的测量2SX2410箱式电阻炉主要用于实验试件的热处理工序3MDJ200金相显微镜主要用于实验试件的金相组织观察4联想扬天M2620电脑可借助电脑显示器更加清晰地观察和分析实验试件的金相组织五、实验内容和步骤： （1）将每批学生分成两组，各领45钢、T8钢实验试样各三件；（2）然后对实验试样用粗砂布、细砂布进行粗、精打磨；（3）打磨完后，把实验试样放在HR150A机械式洛氏硬度计进行硬度测量，把所测量的硬度值记录在实验报告上； （4）然后把实验试样：45钢和T8钢分别放