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实验报告

郑州航院材料成型及控制工程专业

材料科学与工程基础实验

课设报告

学生专业：

材料成型及控制工程

学生班级：

学生姓名：

学生学号：

指导教师：

所在学院：

机电工程学院

报告日期：

2012年11月22日

一、综述-----------------------------------3页

二、实验目的-------------------------------10页

三、实验设备-------------------------------10页

四、实验过程-------------------------------10页

五、实验结果-------------------------------14页

六、实验结果分析---------------------------17页

七、结论-----------------------------------18页

八、参考文献-------------------------------18页

一、碳钢的热处理组织观察综述

钢的热处理原理主要是利用刚在加热和冷却时内部组织发生转变的基本规律。

根据这些基本规律和要求来确定加热温度、保温时间和冷却介质等相关参数，已达到改善材料性能的目的。

刚在热处理条件下所得到的组织与钢的平衡组织有很大的差别，钢加热到临界点（A1）以上时发生奥氏体转变，奥氏体在非常缓慢冷却时才能得到平衡组织状态的珠光体或珠光体+铁素体（或渗碳体），但大部分热处理工艺，如退火、正火、淬火、（回火或时效例外）都是将刚加热到奥氏体状态，然后以不同的冷却速度（或冷却方式）冷却到室温。

退火、正火、淬火的冷却速的不同，则会得到不同的组织，其力学性能或物理性能也不同。

热处理工艺加热温度的选择

退火加热温度：

一般亚共析钢加热至Ac3+（30～50）℃（完全退火）；共析钢和过共析钢加热至Ac1+（10～20）度（球化退火），目的之得到球状渗碳体、降低硬度、改善高碳钢的切削性能。

正火加热温度：

一般亚共析钢加热至Ac3（30～50）℃；过共析钢加热至Acm+（30～50）℃，即加热到奥氏体单相区。

退货和正火的加热温度范围选择如图所示

亚共析钢：

亚共析钢含碳量为0.0218%～0.77%，从液态结晶结束时得到的单相奥氏体，在以后的冷却过程中，因同素异构转变部分奥氏体转变为了铁素体，当温度打到727℃共析钢转变温度是剩下的奥氏体全部转变成了主缸体。

共析钢：

共析钢即T8钢，室温下组织全部为珠光体，在较大的放大倍数下，可一分辨出珠光体中的铁素体与渗碳体。

过共析钢：

含碳量超过0.77%的钢称为过共析钢，过共析钢从液态结晶结束得到单相奥氏体，在以后的冷却过程中，因奥氏体中的碳的溶解度变化，而沿着奥氏体晶界析出二次渗碳体，在过共析钢中二次渗碳体呈网状，过共析钢中的含碳量越高则二次渗碳体的网络就越粗越趋于完整。

由于渗碳体是硬而脆的相，当钢中有完整的二次渗碳体网络形成时常使钢的塑形韧性大大降低。

亚共析钢平衡组织图

过共析钢平衡组织图共析钢平衡组织图

退火和正火的加热温度范围

淬火加热温度：

一般亚共析钢加热至Ac3+（30～50）℃；共析钢和过共析钢加热至Ac1+（30～50）℃，如图所示

淬火的加热温度范围图

钢的成分，原始组织及加热速度等都影响临界点Ac1、Ac2、及Acm的位置。

在锅中热处理手册或材料手册中都可以查到各种钢的热粗粒温度，热处理时不能人以提高加热温度，因为加热温度过高时，晶粒容易长大，氧化、脱碳和变性严重，也不能任意降低温度，会影响钢的强度和硬度。

回火温度的选择：

钢淬火后都要回火，回火温度决定于最终要求的组织和性能（工厂里常常根据硬度要求）。

按加热温度高低，挥霍可分为3类。

（1）低温回火。

在150～250℃的回火称为低温回火，所的组织为回火马氏体，硬度约为60HRC，其目的是在降低淬火应力、保持钢的高硬度条件下，减少钢的脆性。

低温回火长用于高碳钢的切削工具、；量具和滚动轴承等。

1.马氏体组织综述

（1）马氏体是将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（淬火），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。

马氏体通常有片状、板条状，但金相观察中通常表现为针状（如图2）。

一般当Wc<0.3%时，钢在马氏体形态同乎全为板条马氏体;当Wc>1.0%时，则几乎全为片状马氏体；当Wc=0.3%-1.0%时，为板条马氏体和片状马氏体的混合物，随含碳量的升高，淬火钢中板条马氏体的量下降，片状马氏体的量上升.高碳钢在正常温度淬火时，细小的奥氏体晶粒和碳化物都能使其获得细针状马氏体组织,这种组织在光学显微镜下无法分辨称为隐针马氏体.

（2）马氏体的主要特征之一是高的强度和硬度，通常低碳马氏体具有良好的强度和一定的韧性，高碳马氏体强度高、韧性大。

一般淬火钢经低温回火所得组织为回火马氏体（如图3）。

其目的是在保持淬火钢的高硬度和高耐磨性的前提下，降低其淬火内应力和脆性，以免使用时崩裂或过早损坏。

（3）它主要用于各种高碳的切削刃具、量具、冷冲模具、滚动轴承以及渗碳件等。

针状马氏体（500倍）4%硝酸酒精图

回火马氏体图片（200倍）

（2）中温回火。

在350～500℃的回火称为中温回火，得到组织回火托氏体，硬度誉为40～48HRC。

其目的是获得高屈服强度，弹性极限和较高的人性，主要用于各种弹簧和模具的处理。

（3）高温回火。

在500～650℃的回火称为高温回火，所的组织为回火索氏体，硬度约为25～35HRC。

其目的是获得强度、硬度、塑形、韧性都较好的综合力学性能。

所以把淬火后高温回火的处理称为调至处理、主要用于中碳钢，比如连杆、螺栓、齿轮和轴。

索氏体组织综述

索氏体是钢经正火或等温转变所得到的铁素体与渗碳体的机械混合物。

索氏体组织属于珠光体类型的组织，在光学金相显微镜下放大600倍以上才能分辨片层的细珠光体（GB/T7232标准）。

其实质是一种珠光体，但其组织比珠光体组织细，是钢的高温转变产物，是片层的铁素体与渗碳体的双相混合组织，其层片间距较小（250～350nm），碳在铁素体中已无过饱和度，是一种平衡组织。

索氏体具有良好的综合机械性能。

淬火钢高温回火（450-600℃）所得组织为回火索氏体（如图），习惯上将淬火钢加高温回火相结合的热处理工艺称为调质，其目的是获得强度，硬度、塑性和韧性都较好的综合机械性能。

因此，广泛用于汽车，拖拉机，机床等的重要结构零件，如连杆，螺栓，齿轮及轴类。

回火索氏体组织图（200倍）

洛氏硬度试验机的原理及主要结构及其操作方法

洛氏硬度机的原理：

洛氏硬度试验，是用特殊的压头（金刚石压头或钢球压头），在先后施加两个载荷（预载荷和总载荷）的作用下压入金属表面来进行的，总载荷P为预载荷P0和主载荷P1之和，即p=P0+P1。

洛氏硬度值是施加总载荷P并卸除主载荷P1后，在预载荷P0继续作用下，由主载荷P1引起的残余压入深度e来计算

图4洛氏硬度测量原理示意图

图4中，h0表示在预载荷P0作用下，压头压入被试材料的深度；h1表示施加总载荷P并卸除主载荷P1，但仍保留预载荷P0时，压头压入被试材料的深度。

深度差e=h1-h0，该值用来表示被测材料硬度的高低。

HR-150A型洛氏硬度计主要零部件

1.机身2.加荷手柄3.升降手把4.手轮5.丝杠保护套（内有丝杠）6.待测试件7主轴

8.小杠杆9.大杠杆10.调整块11.定位标记12.吊环13.螺钉14.砝码变换器15.砝码

16.油针17.油毡18.后盖19.缓冲器20.卸荷手柄21.压头22.上盖23.指示表

24变荷手柄25.工作台

硬度测试方法、过程

将经过热处理以后的钢试样用水砂子上擦磨去除表面污垢和氧化层后，置于洛氏硬度机上测量硬度，为了减小测量误差，应进行多次测量，记录数据。

擦磨方法：

先沿着一个方向擦磨直到表面氧化物去除完，然后再沿着垂直方向擦磨使端面平整。

洛式硬度机的使用方法

1）将试样上下两面磨平，然后置于载物台上。

2）选择压头及载荷。

3）加预载。

按顺时针方向转动升降机构的手轮，使试样与压头接触．并观察显示器上光标移动至满载为止。

4）加主载。

5）读硬度值。

6）卸主载。

7）下降载物台。

逆时针转动加载手柄至原来位置。

8）用同样的方法在试样的不同位置测三个数据，取其算术平均值为试样的硬度。

二、实验目的

1.学习热处理加热炉、硬度计、金相显微镜等设备的原理、结构以及操作规范。

2.学习正火、淬火、回火等热处理规范、硬度测试规范、金相试样加工规范、组织测试规范。

让我们理论联系实践更加充分的学习理解我们所学的知识。

三、实验设备

1、箱式电炉及控温仪表

 2、洛氏硬度机；

 3、冷却介质：

水、油（使用温度约20℃）；

 4、试样材料：

20钢，45钢，T8钢。

四、实验过程

1.热处理加工方法、过程

T8的热处理过程：

1、对T8钢进行淬火

（1）在进行淬火前先测量试样的硬度3次，将测量的数据计入表格中。

（2）将试样置于加热炉中打开加热炉。

使其温度上升到780ºC开始计时，保温15分钟。

（3）15分钟后，取出试样对其进行水冷。

测量试样的硬度一共3次。

并计入表格中。

（4）、待试样完全冷却，用磨砂纸将其表面磨平整光滑。

2、对T8钢进行低温回火

（1）将回火炉的温度设定在170ºC

（2）待温度升高到170ºC，将试样置于加热炉中保温30分钟左右。

（3）30分钟后取出试样空冷

测量试样的硬度一共3次。

并计入表格中。

（4）、待试样完全冷却，用磨砂纸将其表面磨平整光滑。

45钢的热处理过程：

1、对45钢进行淬火

（1）在进行淬火前先测量实验试样的硬度3次，将测量的数据计入表格中。

（2）、将试样放入加热炉中，打开加热炉。

使其温度上升到840ºC开始计时。

保温10分钟。

（3）、10分钟后，取出试样对其进行水冷。

测量试样的硬度一共3次。

并计入表格中。

（4）、待试样完全冷却，用磨砂纸将其表面磨平整光滑。

2、对45钢淬火后进行中温回火

（1）、将回火炉的温度设定在560ºC

（2）、待温度升到560ºC时，将试样放入加热炉中，并开始计时。

保温40分钟

（3）、40分钟后，取出试样放在指定位置进行空冷。

测量试样的硬度一共3次。

并计入表格中。

（4）、待试样完全冷却，用磨砂纸将其表面磨平整光滑。

20钢的热处理过程：

1、对20钢进行淬火

（1）在进行淬火前先测量实验试样的硬度3次，将测量的数据计入表格中。

（2）将试样置于加热炉中打开加热炉。

使其温度上升到840ºC开始计时，保温10分钟。

（3）15分钟后，取出试样对其进行水冷

测量试样的硬度一共3次。

并计入表格中。

（4）待试样完全冷却，用磨砂纸将其表面磨平整光滑。

。

2、对20钢进行低温回火

1）、将回火炉的温度设定在150ºC

（2）、待温度升到150ºC时，将试样放入加热炉中，并开始计时。

保温30分钟

（3）、30分钟后，取出试样放在指定位置进行空冷。

测量试样的硬度一共3次。

并计入表格中。

（4）、待试样完全冷却，用磨砂纸将其表面磨平整光滑。

观察金相

掌握金相显微试样的制备过程和基本方法，并观察、认识其金相显微组织；

1实验仪器及材料

1仪器：

台式金相显微镜、预磨机、砂纸、抛光机、吹风机等。

2材料；待磨试样每人一块；各号金相砂纸一套；腐蚀剂；无水乙醇；4％硝酸酒精；制备好的工业纯铁试样，棉球、镊子等。

2、内容

在利用金相显微镜观察、分析和研究金属材料的金相显微组织时，需要在该材料的典型部位截取样块，然后通过一系列的制备过程，制成符合要求的金相显微试样。

即在金相显微镜下可以观察到很清晰的金相显微组织，其整个过程即为磨片。

磨片的方法与步骤如下：

⑴取样：

试样尺寸通常采用直径为12~15㎜,高12~15㎜的圆柱体或边长为12~15㎜的方形式样。

⑵镶嵌：

当试样的尺寸太小时，直接用手来磨制很困难，需要使用试样夹或利用样品镶嵌机，把试样镶嵌在低熔点合金和塑料中。

⑶磨制：

分粗磨和细磨两道工序。

粗磨通常在砂轮机上进行;细磨在一套粗细不同的金相砂纸上由粗到细依次进行的。

每更换一号砂纸时，需将试样的研磨方向与上一道磨痕方向垂直，直到将上一号砂纸所产生的磨痕全部消失为止。

⑷抛光：

细磨后进行抛光，只要是去除细磨时留下来的细微磨痕而获得光亮的镜面。

金相试样的抛光方法一般可分为机械抛光、电解抛光和化学抛光。

本实验中只使用了机械抛光。

机械抛光

机械抛光可分为粗抛和细抛两个步骤，均在抛光机上进行。

粗抛时转速要高些，细抛或抛软材料时转速要低些，所用抛光材料由抛光布和抛光粉，抛光布蒙在抛光盘上，不同要求应适当选用不同的抛光布。

粗抛时常用帆布、粗呢等，精抛时常用绒布、细呢、丝绸等。

机械抛光的方法及注意事项如下：

A．抛光粉要配制成抛光液使用，比例大约为水：

粉＝20：

1左右。

B．抛光时应使试样磨面均衡地压在旋转着地抛光盘上，压力不宜过大，并应使试样沿抛光盘的半径方向从中心到边缘来回移动。

C．抛光过程中要不断注入适量的抛光液，抛光布上的抛光液不宜太多或太少，以试样表面提起后几秒内能干为宜。

D．抛光后期，应使试样在抛光盘上各方向转动，以防止钢中夹杂产生拖尾现象。

E．抛光时间不宜过长，以防抛光表面层金属变形。

（5）．化学浸蚀

经抛光后而没有浸蚀的试样在显微镜下除了能观察到非金属夹杂物（石墨、氧化物、硫化物等）及其本身所具有的孔洞、裂纹等缺陷之外，看不到金属内部的组织，必须经过浸蚀。

利用化学浸蚀剂，通过化学或电化学作用显示金属的组织：

浸蚀方法：

将已抛光好的试样磨面先用轻水冲洗干净，然后用酒精棉清擦一遍，再将试样浸入浸蚀剂中，或用镊子夹着蘸上浸蚀剂的棉球擦其磨面。

浸蚀的时间依不同合金及不同组织而定，一般碳钢和铸铁浸蚀的时间大约在10～15秒内即可。

用酒精冲洗干净，吹干，将浸蚀完的试样放在显微镜下，就可以观察到金属内部的显微组织。

化学浸蚀剂种类很多，一般碳钢及铸铁所用浸蚀剂为3～5％的硝酸酒精。

（6）电子摄像技术

将磨好的金相试样放在显微镜的载物台上，选好放大倍数以后，调整粗调手轮和微调手轮，直接在与显微镜相连的电脑显示屏幕上调清楚焦距，获得清晰的金相图片。

五、实验结果

1.热处理加工结果

T8钢

在780℃温度下淬火得到马氏体和残余的奥氏体，其硬度、强度高，塑性、韧性差。

在170℃低温回火得到稳定的回火马氏体组织，其强度、硬度高、耐磨性好，但塑性、韧性相对提高。

45钢

淬火后将得到细针状马氏体和板条状马氏体的混合组织。

560ºC高温回火后得到的是回火索氏体。

获得强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。

20钢

840ºC炉膛内淬火得到板条状马氏体。

低温回火后得到的是回火马氏体。

2.硬度测试结果

T8钢的硬度测试结果

淬火后的硬度

测量次数

1

2

3

平均值

硬度（HRC）

62.0

64.5

64.8

63.8

、回火后的硬度

测量次数

1

2

3

平均值

硬度（HRC）

60.0

60.5

6

63.8

45钢的硬度测试结果

淬火后的硬度

测量次数

1

2

3

平均值

硬度（HRC）

58.5

58.8

60.3

59.2

硬度（HRC）

62.8

63.4

63.2

63.1

硬度（HRC）

63.0

63.9

63.6

63.5

、回火后的硬度

测量次数

1

2

3

平均值

硬度（HRC）

31.0

32.1

32.5

31.8

硬度（HRC）

30.6

31.6

31.7

31.3

硬度（HRC）

31.4

32.0

31.8

31.7

20钢的硬度测试结果

淬火后的硬度

测量次数

1

2

3

平均值

硬度（HRC）

30.1

31.0

30.9

30.7

、回火后的硬度

测量次数

1

2

3

平均值

硬度（HRC）

28.8

30.9

28.8

29.5

3.组织分析结果

T8G钢的组织图（淬火加低温回火）片状马氏体

45钢的组织图（淬火加高温回火）马氏体和残余奥氏体

20钢的组织图（淬火加低温回火）

六、实验结果分析

1.T8钢的硬度、组织情况

将T8钢加热到淬后温度（即t=AC1+（30~50℃））保温，使珠光体全部转变为奥氏体，而后急速冷却。

即实际冷却速度V临。

使奥氏体过冷到Ms点以下，发生马氏体转变，淬火后的组织为马氏体+少量残留奥氏体，淬火后硬度值约为60～65HRC。

2.45钢硬度、组织情况

45钢淬火后的硬度应该达到HRC56～59，截面大的可能性低些，但不能低于HRC48，不然，就说明工件未得到完全淬火，组织中可能出现索氏体甚至铁素体组织，回火后得到组织为回火索氏体，硬度约为25～35HRC。

3.组织横向和纵向比较

硬度横向、纵向比较：

对实验数据分析可以得出，含碳量相同的钢（45钢或T8钢）随着热处理工序淬火、低温回火、中温回火、高温回火的进行，其硬度逐渐降低；含碳量不同的钢（45钢和T8钢），在相同实验条件下，其硬度值也是不相同的，随着含碳量的增加，硬度逐渐增加。

组织的横向、纵向比较：

含碳量相同的钢，在不同热处理条件（淬火、低温回火、中温回火、高温回火）后，其组织依次依次为：

马氏体、回火马氏体、回火屈氏体、回火索氏体。

这些组织的强度、硬度逐渐下降，塑性、韧性逐渐上升。

回火索氏体具有良好的综合机械性能。

七、结论

由不同型号的钢T8钢、20钢、45钢的热处理后磨抛光后利用仪器观察到的不同金相组织可以知道不同热处理得到的硬度和组织是不同的。

1.通常情况下，因为含碳量的不同，不同牌号的钢在相同的热处理条件下硬度和组织是不同的。

2.实际操作中应该根据对材料硬度和组织的要求选择不同的热处理工艺。

八、参考文献：

[1]作者：

刘芙张升才.材料科学科学与工程基础实验指导书.P28～P32P68

[2]作者：

向嵩材料科学与工程专业实验教程。

P15～P29