工程材料实验含钢的热处理淬火处理金相显微镜金相制备等文档格式.docx

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实际工作中多根据大致估算加热时间，一般规定，在空气介质中，升到规定温度后的保温时间，对碳钢来说，按工件厚度每毫米需1min到1.5min估算；

合金钢按每毫米2min估算。

在盐浴炉中，保温时间则可缩短为在空气介质中保温时间的三分之一到二分之一。

3、冷却方法

热处理时的冷却方法要适当，才能获得所要求的组织和性能。

淬火冷却方法非常重要，一方面冷却速度要大于临界冷却速度，以保证全部得到马氏体组织；

另一方面冷却应当尽量缓慢，以减少内应力，避免变形和开裂。

为了解决上述矛盾，可以采用不同的冷却介质和方法，使淬火工件在奥氏体最不稳定的温度范围内（550-650`C）快冷，超过临界冷却速度，而在Ms（100-300`C）点以下温度时冷却较慢，理想的冷却速度如习题册图3-16所示。

三、实验仪器

1、最高加热温度达1000℃的各种实验用箱式电阻炉

2、可供冷却的介质水和油

3、测试硬度的设备有洛氏硬度计

4、夹持试样的铁钳

四、实验步骤

1、每人一块45钢，检查实验样品，经确定为45钢。

2、将45钢采用860℃的电阻炉淬火，经保温12分钟后取出，采用空冷，油冷，水冷的方法进行冷却。

3、淬火时，试样要用钳子夹住，动作要快，并不断在水中（油中）搅动，以免影响热处理质量。

取放试样前先将炉子电源关闭。

五、注意事项

1、本实验加热所用设备为电炉，电炉一定要接地，在放、取试样时必须先切断电源。

2、往炉中放，取试样必须使用夹钳，夹钳必须擦干，不得沾有油和水。

3、试样由炉中取出淬火时，动作要迅速，以免温度下降，影响淬火质量。

4、试样在淬火液中应不断搅动，以免试样表面由于冷却不均而出现软化点。

5、淬火时水温应保持20～30℃左右，水温过高要及时换水。

6、淬火或回火后的试样均要用砂纸打磨表面，去掉氧化皮后再测定硬度值。

六、实验小结

本次实验是钢的热处理实验，实验时一定要按照老师要求的事项进行实验。

而且实验中必须要处处小心，取放试样时要慢慢放，而且在空冷、水冷、油冷时不要着急，不能贸然用手拿试样，以免发生意外。

七、思考题

1、45钢常用的热处理是什么？

它们的组织是什么？

多做什么工件？

答：

45钢常用的热处理是调质---淬火+高温回火，其组织是回火索氏体，调质处理后零件具有良好的综合机械性能，广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。

但表面硬度较低，不耐磨。

可用调质+表面淬火提高零件表面硬度。

2不同成分的试样采用相同的热处理工艺处理，各种试样所得硬度为什么不同？

因为含碳量不同。

3 

同一种成分的试样，分别经过正火、淬火等处理，所得硬度为什么不同？

不同处理方法，有不同的温度、不同的冷却方法得到的试样内部结构不同，因此硬度不同。

实验名称金相试样的制备

1、实验目的

1、了解金相试样的制备过程

2、学会金相试样的制备技术

2、实验原理

光学金相显微分析的第一步是制备试样、将恃观察的试样表面磨制成光亮无痕的镜面，然后经过浸蚀才能分析组织形态。

如因制备不当，在观察面上出现划痕、凹坑、水迹、变形层或浸蚀过深过浅都会影响正确的分析。

因此制备出高质量的试样对组织分析是很重要的。

金相试样制备过程一般包括：

取样、粗磨、细磨，抛光和浸蚀五个步骤。

（1）取样

（2）粗磨1、修整2、磨平3、倒角

（3）细磨1、手工磨2、机械磨

（四）抛光

（五）浸蚀

3、实验仪器

待磨试样、金相砂纸及玻璃板、抛光机、抛光液、吹风机、金相显微镜、漫蚀剂、酒精、夹子、脱脂棉、吸水纸等。

4、实验步骤

1.每个学生实验前认真阅读实验指导书，明确实验目的、任务。

2.认真了解所使用的仪器型号，操作方法及注意事项。

3.按实验内容制备一个合格的金相试样。

4.认真观察制备的试样，并画出组织示意图。

五、实验内容

制备一块45钢（淬火后）的金相试样

六、实验具体制备过程

（1）磨样领取待磨试样，用金相砂纸由粗砂纸到细砂纸开始磨，磨后开始进行机械抛光。

磨样分为粗磨和细磨。

（1）粗磨一般钢铁材料通常在砂轮机上磨平，磨样时应利用砂轮侧面，以保证试样磨平。

打磨过程中，试样要不断用水冷却，以防温度升高引起试样组织变化。

另外，试样边缘的棱角如没有保存的必要，可最后磨圆（倒角），以免在细磨和抛光时划破砂纸或者抛光布。

（2）细磨细磨分为手工磨和机械磨两种。

手工磨是手持试样，在金相砂纸上磨平手工细磨：

选用不同粒度的金相砂纸（400、600、800、1200、1600），由粗到细进行磨制。

磨时将砂纸放在玻璃板上，手持试样单方向向前推磨，切不可来回磨制，用力均匀，不宜过重。

每换一号砂纸时，试样磨面需转90°

，与旧划痕垂直，以此类推，直到旧划痕消失为止。

试样细磨结束后，用水将试样冲洗干净待抛。

机械细磨：

是在专用的机械予磨机上进行。

将不同号的水砂纸剪成圆形，置于予磨机圆盘上，并不断注入水，就可进行磨光，其方法与手工细磨一样，即磨好一号砂纸后，再换另一号砂纸，试样同样转90°

，直到800号为止。

（2）抛光

目的是去除试样磨面上经细磨留下的细微划痕，使试样磨面成为光亮无痕的镜面。

最常用的是机械抛光。

机械抛光在金相抛光机上进行。

抛光时，试样磨面应均匀的轻压在抛光盘上。

并将试样由中心至边缘移动。

并做轻微移动。

在抛光过程中要以量少次数多和由中心向外扩展的原则不断加入抛光微粉乳液，抛光应保持适当的湿度，因为太湿降低磨削力，使试样中的硬质相呈现浮雕。

湿度太小，由于摩擦生热会使试样生温，使试样产生晦暗现象，其合适的抛光湿度是以提起试样后磨面上的水膜在3～5秒钟内蒸发完为准。

抛光压力不宜太大，时间不宜太长，否则会增加磨面的扰乱层。

粗抛光可选用帆布、海军呢做抛光织物，精抛光可选用丝绒、天鹅绒、丝绸做抛光织物。

抛光前期抛光液的浓度应大些，后期使用较稀的，最后用清水抛，直至试样成为光亮无痕的镜面，即停止抛光。

用清水冲洗干净后即可进行浸蚀。

（三）浸蚀前观察对抛光后洗净，吹干的试样进行浸蚀前的检查，如有明显的划痕，再进行一次细磨和抛光；

（四）浸蚀将抛光合格的试样置于浸蚀剂中浸蚀；

（五）观察金相组织对浸蚀后的试样进行观察，联系化学浸蚀原理对组织形态进行分。

如浸蚀程度过浅，可重新浸蚀；

若过深，待重新抛光后才能浸蚀；

若变形层严重，反复抛光—浸蚀1—2次后再观察组织清晰度的变化。

六、注意事项

1、在抛光过程中，要经常滴加适量的抛光液或清水，以保持抛光盘的湿度，如发现抛光盘过脏或带有粗大颗粒时，必须将其冲刷干净后再继续使用。

2、抛光时间应尽量缩短，不可过长，为满足这一要求可分粗抛和精抛两步进行。

3、严禁在磨片机旋转时更换砂纸、砂布。

4、试片打磨，抛光时应拿紧，并力求与磨面接触平稳。

两人不得同时在一个旋转盘上操作。

七、数据处理

空冷金相：

125倍观察的空冷金相

500倍的空冷金相

水冷金相：

125倍的水冷金相

500倍的水冷金相

油冷金相：

125倍的油冷金相

500倍的油冷金相

八、实验小结

金相试样的制备实验，考查的主要就是学生的细心和耐心。

每磨一段时间，要看一下磨面的情况，而且每更换一次砂纸，要把试件旋转90度再磨。

9、思考题

由理论可得空冷应得F+P，油冷产物为F+T+M+B上，水冷产物F+M+A’。

可得45钢所得马氏体为针状马氏体。

实验名称金相显微镜的原理及使用

1、熟悉金相显微镜的基本原理、构造

2、了解金相显微镜的使用注意事项，掌握金相显微镜的使用方法。

二、金相显微镜的基本原理

由灯泡发出—束光线，经过聚光镜组

（一）及反光镜，被会聚在孔径光栏上，然后经过聚光镜组

（二），再度将光线聚集在物镜的后焦面上。

最后光线通过物镜，用平行光照明标本，使其表面得到充分均匀的照明。

从物体表面散射的成象光线，复经物镜、辅助物镜片

（一）、半透反光镜、辅助物镜片

（一）、棱镜与半五角棱镜，造成一个物体的放大实象。

该象被目镜再次放大照明部分的光学系统是按照库勒照明原理进行设计的，其优点在于视场照明均匀。

利用孔径光栏和视场光栏，可改变照明孔径及视场大小，减少有害漫射光，对提高象的衬度有很大好处。

放大系统是影响显微镜用途和质量的关键。

主要由物镜和目镜组成。

显微镜的放大率为：

M显=L/f物×

250/f目=M物×

M目式中[m1]M显——表示显微镜放大率；

[m2]M物、[m3]M目和[f2]f物、[f1]f目分别表示物镜和目镜的放大率和焦距；

L为光学镜筒长度；

250为明视距离。

长度单位皆为mm。

分辨率和象差透镜的分辨率和象差缺陷的校正程度是衡量显微镜质量的重要标志。

在金相技术中分辨率指的是物镜对目的物的最小分辨距离。

由于光的衍射现象，物镜的最小分辨距离是有限的。

德国人阿贝（Abb）对最小分辨距离d提出了以下公式。

d=λ/2nsinφ式中λ为光源波长；

n为样品和物镜间介质的折射系数（空气；

=1；

松节油：

=1.5）；

φ为物镜的孔径角之半。

从上式可知，分辨率随着和的增加而提高。

由于可见光的波长[kg2][kg2]在4000～7000之间。

在[kg2][kg2]角接近于90的最有利的情况下，分辨距离也不会比[kg2]0.2m[kg2]更高。

因此，小于[kg2]0.2m[kg2]的显微组织，必须借助于电子显微镜来观察，而尺度介于[kg2]0.2～500m[kg2]之间的组织形貌、分布、晶粒度的变化，以及滑移带的厚度和间隔等，都可以用光学显微镜观察。

这对于分析合金性能、了解冶金过程、进行冶金产品质量控制及零部件失效分析等，都有重要作用。

象差的校正程度，也是影响成象质量的重要因素。

在低倍情况下，象差主要通过物镜进行校正，在高倍情况下，则需要目镜和物镜配合校正。

透镜的象差主要有七种，其中对单色光的五种是球面象差、彗星象差、象散性、象场弯曲和畸变。

对复色光有纵向色差和横向色差两种。

早期的显微镜主要着眼于色差和部分球面象差的校正，根据校正的程度而有消色差和复消色差物镜。

随着不断发展，金相显微镜对象场弯曲和畸变等象差，也给予了足够的重视。

物镜和目镜经过这些象差校正后，不仅图象清晰，并可在较大的范围内保持其平面性，这对金相显微照相尤为重要。

因而现已广泛采用平场消色差物镜、平场复消色差物镜以及广视场目镜等。

上述象差校正程度，都分别以镜头类型的形式标志在物镜和目镜上。

光源最早的金相显微镜，采用一般的白炽灯泡照明，以后为了提高亮度及照明效果，出现了低压钨丝灯、碳弧灯、氙灯、卤素灯、水银灯等。

有些特殊性能的显微镜需要单色光源，钠光灯、铊灯能发出单色光。

照明方式金相显微镜与生物显微镜不同，它不是用透射光，而是采用反射光成像，因而必须有一套特殊的附加照明系统，也就是垂直照明装置。

1872年兰（V.vonLang）创造出这种装置，并制成了第一台金相显微镜。

原始的金相显微镜只有明场照明，以后发展用斜光照明以提高某些组织的衬度。

金相显微镜原理图：

3、金相显微镜的结构

1．底座组，2、调焦机构，3．物镜转换器4．载物台5、物镜与目镜6、孔径光阑和视场光阑

4、金相显微镜的使用方法及操作步骤

1．一手握住灯座，一手转动压有直纹的偏心圈，即可抽出灯座，将灯泡插入灯座后，再将灯座插入底座孔内。

2．将底盘电源接好、并开亮灯泡。

3．XJP--3A型双目金相显锤微镜为双筒目镜组，需调整两目镜的中心距，使之与观察者两眼瞳孔距相适应，同时应转动目镜调节圈，使其示值与瞳孔距示值一致，否则会影响成象质量及齐焦性能。

4．把一个磨得很光亮，大约在100X下进行观察的试样，放在载物台上。

此时应考虑采用适宜孔径的载物片。

5．将10X物镜安装在工作位置上。

6．装上10X目镜，通过显微镜观察，转动粗调焦手轮，在见到所观察试样的象时，再转动微调焦手轮，直到象清晰为止。

7．旋转视场光栏圈，使光栏缩小，直至视场中出现比目镜视场光栏略小的可变光栏象。

8、利用两个调节螺钉，使视场中的可变光栏象的中心与目镜视场光栏中心大致重合。

9、打开视场光栏，使其象恰好消失于目镜视场光栏之外为止。

有时为了得到良好的衬度的象或者消除视场边缘模糊部分，有必要把视场光栏象适当小。

10．调节孔径光栏直径至10毫米（可按照光栏上刻度数定位），在其盖玻片面上放置磨砂玻璃，其磨砂面应向光栏一面。

调节灯泡位置（灯座前后、上下、左右移动），使孔径光栏获得最明亮而均匀的照明后，再转动偏心圈，将灯座固定在灯座孔中。

11．根据所观察试样的要求，调节孔径光栏的大小。

一般使用情况下，可使孔径光栏在物镜出射瞳孔上的象约占物镜出射瞳孔直径的2／3。

要进行这一调节工作，可把目镜移出镜管，并从镜管中观察物镜后面的情况。

五、注意事项

1、初次操作显微镜时，应该首先了解显微镜的基本原理、构造以及各个主要附件的作用等，并了解显微镜的使用注意事项。

2、金相试样要干净，不得残留有酒精和侵蚀液，以免腐蚀物镜的透镜。

使用时不得用手触摸透镜。

擦镜头要用镜头纸。

3、照明灯泡一般为6V,必须通过降压变压器使用，千万不可将其灯泡插头直接插入220V电源。

以免烧毁灯泡。

4、操作要细心，不能有粗暴和剧烈的动作。

安装、更换镜头及其它附件时要小心。

严禁拆卸显微镜和镜头等重要附件。

5、调焦距时应先将载物台下降，使样品尽量下降，使样品尽量靠近物镜（不能接触），然后用目镜观察。

先用双手旋转粗调焦旋钮，使载物台慢慢上升，待看到样品的显微组织后，在调节微调旋钮直至图像清晰为止。

6、使用时出现故障应该及时报告老师，不得自行处理。

使用完毕，关闭电源。

将显微镜恢复到使用前状态，盖上仪器罩，经老师检查无误后，方可离开实验室。

6、实验数据

水冷过的45钢金相组织：

七、结论

从金相显微镜观察，Q45钢经水淬后，得到的组织是针状马氏体。

实验名称热处理后的显微组织观察

1、熟悉钢的几种基本热处理操作：

退火，正火、淬火、回火。

2、了解加热温度、冷却速度、回火温度等主要因素对45钢热处理后的性能（硬度）的影响。

3、观察碳钢热处理后的显微组织。

碳钢经热处理后的组织可以是接近平衡状态（如退火、正火）的组织，也可以是不平衡组织（如淬火组织）。

因此在研究热处理后的组织时，不但要用铁碳相图，还要用钢的C曲线来分析。

C曲线能说明在不同冷却条件下过冷奥氏体在不同温度范围内发生不同类型的转变过程及能得到哪些组织。

1．碳钢的退火和正火组织亚共析碳钢（如40、45钢等）一般采用完全退火，经退火后可得接近于平衡状态的组织，其组织形态特征已在实验l中加以分析和观察（图3）过共析碳素工具钢（如T10、T12钢等）则采用球化退火，T12钢经球化退火后，组织中的二次渗碳体和珠光体中的渗碳体都呈球状（或粒状），图中均匀分散的细小粒状组织就是粒状渗碳体。

采用球化退火，

2．钢的淬火组织含碳质量分数相当于亚共析成分的奥氏体淬火后得到马氏体。

马氏体组织为板条状或针状，20钢经淬火后将得到板条状马氏体。

在光学显微镜下，其形态呈现为一束束相互平行的细条状马氏体群。

在一个奥氏体晶粒内可有几束不同取向的马氏体群，每束条与条之间以小角度晶界分开，束与束之间具有较大的位向差，如图4所示45钢经正常淬火后将得到细针状马氏体和板条状马氏体的混合组织，如图5所示。

由于马氏体针非常细小，故在显微镜下不易分清。

45钢加热至860℃后油淬，得到的组织将是马氏体和部分托氏体（或混有少量的上贝氏体），如图6所示。

碳质量分数相当于共析成分的奥氏体等温淬火后得到贝氏体，如T8钢在550~350℃及350℃~Ms温度范围内等温淬火，过冷奥氏体将分别转变为上贝氏体和下贝氏体。

上贝氏体是由成束平行排列的条状铁素体和条间断续分布的渗碳体所组成的片层状组织，当转变量不多时，在光学显微镜下可看到成束的铁素体在奥氏体晶界内伸展，具有羽毛状特性，如图7所示。

下贝氏体是在片状铁素体内部沉淀有碳化物的组织。

由于易受浸蚀，所以在显微镜下呈黑色针状特征，如图8所示。

在观察上、下贝氏体组织时，应注意为显示贝氏体组织形态，试样的处理条件一般是在等温度下保持不长的时间后即在水中冷却，因此只形成部分贝氏体，显微组织中呈白亮色的基体部分为淬火马氏体组织。

含碳质量分数相当于过共析成分的奥氏体淬火后除得到针状马氏体外，还有较多的残余奥氏体。

T12碳钢在正常温度淬火后将得到细小针状马氏体加部分未溶人奥氏体中的球形渗碳体和少量残余奥氏体，如图4．9所示。

但是当把此钢加热到较高温度淬火时，显微镜组织中出现粗大针状马氏体，并在马氏体针之间看到亮白色的残余奥氏体，如图10所示。

℃油淬组织

3.碳钢回火后的组织淬火钢经不同温度回火后所得到的组织不同，通常按组织特征分为一下三种。

（1）回火马氏体。

淬火钢经低温回火（150~250℃）,马氏体内脱溶沉淀析出高度弥散的碳化物质点，这种组织成为回火马氏体。

回火马氏体仍保持针状特征，但容易浸蚀，故颜色比淬火马氏体深些，是暗黑色的针状组织，如图11所示。

回火马氏体具有高的强度和硬度，而韧性和塑性叫淬火马氏体有明显改善。

（2）回火托氏体。

淬火钢经中温回火（350~500℃）得到在铁素体基体中弥散分布着微小状渗碳体的组织，称为回火托氏体。

回火托氏体中的铁素体仍然基本保持原来针状马氏体的形态，渗碳体则呈细小的颗粒状，在光学显微镜下不易分辨清楚，故呈暗黑色，如图12所示。

回火托氏体有较好的强度、硬度、韧性和很好的弹性。

（3）回火索氏体。

淬火钢高温回火（500~650℃）得到的组织称为回火索氏体，其特征是已经聚集长大了的渗碳体颗粒均匀分布在铁素体基体上。

回火索氏体中的铁素体已不呈针状形态而呈等轴状，如图13所示。

回火索氏体具有强度、韧性和塑性较好的综合机械性能。

三、仪器、试剂

Q45钢、热处理炉、冷水、钳子、镊子、﹪4的硝酸酒精溶液、金相显微镜、棉花

（1）、全班分成3组，每组45钢试样9块。

（2）、将45钢试样放入热处理炉加热至800℃，并保温15～20min后，分别进行水冷、油冷、空冷等操作。

（3）、淬火时，试样要用钳子夹住，动作要快，并不断在水中搅动，以免影响热处理质量。

（4）、热处理后的试样用砂纸去两端两端氧化皮，然后测量硬度（HRC或HRB）。

（5）、继续用各种目数砂纸（从粗到细）的磨热处理过后去氧化皮的45钢，并进行抛光处理，用﹪4的硝酸酒精溶液腐蚀。

（6）、在金相显微镜下观察样品的显微组织。

五、实验原始数据和图片

45钢经水淬后得到的显微组织是针状马氏体（自己所做的水淬）。

45钢油冷后得到的显微组织是马氏体

45钢经空冷后得到的显微组织是索氏体

六、结论

钢经过水淬后的得到的是针状马氏体，钢经过油冷后得到的是马氏体，钢经过空冷后得到的组织是索氏体。

7、思考题

1、45钢常用的热处理处理后得到的组织是什么？

多用作什么工件？

调质处理后零件具有良好的综合机械性能，广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。

2、45钢调质处理得到的组织和T12球化退火得到的组织在本质、形态、性能和用途上有何差异？

45钢调质得到的组织为回火索氏体既铁素体基体上分布着颗粒状碳化物，T12球化退火后得到的组织为铁素体基体上分布着颗粒状碳化物和网状碳化物，这是因为T12球化退火时加热温度在A1以上20-30度，这时T12原始组织中网状碳化物不能完全溶解而保留下来。

回火索氏体综合机械性能最好，强度，塑性，韧性和硬度都较好，适合做机械构件。

T12球化退火后硬度低，便于切削加工，而且在淬火加热时，奥氏体晶粒不易长大，冷却时工件变形和开裂倾向小。

这种方法适用于共析钢和过共析钢这些不易加工的组织。

实验名称碳钢热处理后的硬度测试

测量热处理试样的洛氏硬度值

2、实验

Ⅰ.碳钢的热处理

1、钢的淬火所谓淬火就是将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上30～50℃，保温后放入各种不同的冷却介质中（V冷应大于V临），以获得马氏体组织。

碳钢经淬火后的组织由马氏体及一定数量的残余奥氏体所组成。

为了正确地进行钢的淬火，必须考虑下列三个重要因素：

淬火加热的温度、保温时间和冷却速度。

（1）淬火温度的选择选定正确的加热温度是保证淬火质量的重要环节。

淬火时的具体加热温度主要取决于钢的含碳量，可根据

Fe-Fe3c相图确定（如图4所示）。

对亚共析钢，其加热温度为Ac3＋30～50℃，若加热温度不足（低于Ac3），则淬火组织中将出现铁素体而造成强度及硬度的降低。

对过共析钢，加热温度为Ac1＋30～50℃，淬火后可得到细小的马氏体与粒状渗碳体。

后者的存在可提高钢的硬度和耐磨性。

（2）保温时间的确定淬火加热时间是将试样加热到淬火温度所需的时间及在淬火温度停留保温所需时间的总和。

加热时间与钢的成分、工件的形状尺寸、所需的加热介质及加热方法等因素有关，一般可按照经验公式来估算，碳钢在电炉中加热时间的计算如表1所示。

（3）冷却速度的影响---冷却是淬火的关键工序，它直接影响到钢淬火后的组织和性能。

冷却时应使冷却速度大于临界冷却速度，以保证获得马氏体组织；

在这个前提下又应尽量缓慢冷却，以减少钢中的内应力，防止变形和开裂。

为此，可根据C曲线图（如图2所示），使淬火工作在过冷奥氏体最不稳定的温度范围（650～550℃）进行快冷（即与C曲线的“鼻尖”相切），而在较低温度（300～100℃）时冷却速度则尽可能小些、为了保证淬火效果,应选用合适的冷却方法（如双液淬火、分级淬火等）.不同的冷却介质在不同的温度范围内的冷却速度有所差别。

各种冷却介质的特性见表2。

（4）钢淬火的作用实质是通过加热使钢组织结构中的铁素体和珠光体充分转变为成分均匀的奥氏体，然后急冷下来得到硬度很高的马氏体。

加強硬度。

Ⅱ.硬度试验

本次实验测的是钢热处理后的洛氏硬度（HR）。