工程材料实验指导书.docx
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工程材料实验指导书
实验一金相试样制备
（第一个实验参考内容较全面，主要是为拓宽同学们的知识面而备，写实验报告时大家可根据当时做实验的实际情况进行删减）
一、实验目的
掌握金相试样制备的基本方法。
二、实验仪器与设备
砂轮机、金相砂纸、水砂纸、抛光机、抛光剂（三氧化二铬悬浮水溶液）、吹风机、4%硝酸酒精溶液、无水乙醇、金相显微镜。
三、实验步骤
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。
（一）取样（本次试验省略）
从需要检测的金属材料和零件上截取试样称为“取样”。
无论采取何种截取方法截取试样，都必须保证不使试样观察面的金相组织发生变化。
取样的部位和磨面的选择必须根据分析要求而定。
截取方法有多种，对于软材料可以用锯、车、刨等方法；对于硬材料可以用砂轮切片机或线切割机等切割的方法，对于硬而脆的材料可以用锤击的方法。
试样的尺寸度列统一规定，从便于握持和磨制角度考虑，一般直径或边长为15~20mm，高为12~18mm比较适宜，对那些尺寸过小，形状不规则和需要保护边缘的试样，可以采取镶嵌或机械夹持的办法。
（二）磨制
试样的磨制一般分为粗磨和细磨两道工序。
（1）粗磨：
粗磨的目的是为了获得一个平整的表面。
钢铁材料试样的粗磨通常在砂轮机上进行，在磨制时应注意：
试样对砂轮的压力不宜过大，否则会在试样表面形成很深的磨痕，增加精磨和抛光的困难；要随时用水冷却试样，以免受热引起组织变化；试样边缘的棱角若无保留必要，可进行倒角，以免在细磨及抛光时撕破砂纸或抛光布，甚至造成试样从抛光机上飞出伤人。
（这一步骤已替大家提前完成）
（2）细磨：
经粗磨后试样表面虽平整，但还存在有较深的磨痕，细磨的目的就是为了消除这些磨痕，以得到平整而光滑的磨面，为下一步的抛光作好准备。
将粗磨好的试样用水冲洗干净后就开始进行细磨，细磨是在一套粗细程度不同的金相砂纸上，由粗到细依次顺序（A180、W28、W14、W10、W7、1500目水砂纸）进行。
金相砂纸有干砂和水砂（1500目）之分，磨粒相应为天然刚玉和碳化硅颗粒，水砂纸磨光效率高、变形浅，常用水做润滑剂磨制试样。
细磨的要点：
a、细磨时将砂纸平放在玻璃板或地板上，凸凹不平的地板上无法磨出条纹均匀的试样；
b、压力力求均衡。
用力不均易使试样前倾或后仰跌倒；
c、单程磨制。
在回程时，应提起试样不与砂纸接触，以保证磨面平整而不产生弧度；
d、每更换一号砂纸时，须将试样的研磨方向调转90°，即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除为止；
e、砂纸的次序严格遵循由粗到细的顺序。
f、磨制铸铁试样时，为了防止石墨脱落或产生曳尾现象，可在砂纸上涂一薄层石墨或肥皂作为润滑剂。
磨制软软的有色金属试样时，为了防止磨粒嵌入软金属内和减少磨面的划损，可在砂纸上涂一层机油、汽油、肥皂水溶液或甘油水溶液作润滑剂。
（三）抛光
抛光的目的是去除细磨后遗留在磨面上的细微磨痕，得到光亮无痕的镜面。
抛光的方法有机械抛光、电解抛光物化学抛光三种，其中最常用的是机械抛光。
机械抛光就是靠极细的抛光粉与磨面间产生相对磨削和滚压作用来消除磨痕的。
机械抛光在抛光机上进行，将抛光织物（粗抛常用帆布，精抛常用毛呢）用水浸湿、铺平、绷紧后固定在抛光盘上。
启动开关使抛光盘逆时针转动，将适量的抛光液（氧化铝、氧化铬或氧化铁抛光粉加水的悬浮液）滴洒在盘上即可进行抛光，为防止抛光布局部磨损太快应不停地滴加抛光悬浮溶液，使织物保持一定的湿度，这样可以减弱抛光的磨痕。
操作时将试样磨面悬浮在旋转的抛光盘上方，抛光试样自转并沿抛光盘半径方向来回往复运动。
抛光时间一般为3~5分钟（为安全计，给大家缩短了使用时间），抛光时间不易过长，否则易产生腐蚀坑，需重新细磨去除腐蚀坑后再浸蚀。
抛光结束后，试样表面看不出任何磨痕而呈光亮的镜面。
试样先用清水冲诜，再用无水酒精清洗磨面，最后用吹风机吹干等待浸蚀。
抛光分粗抛和精抛，粗抛后黯淡无光，精抛后光亮如镜。
粗抛光是为了祛除磨制损伤层，比如较深的划痕，划痕粗细不均匀、紊乱等现象；要求用粗大的磨粒进行高速抛光，在抛光盘上越远离圆心转速越高。
细抛光的目的是祛除粗抛产生的表层损伤（即抛光损伤层），尽可能降低对金相组织的影响；要求改用细小的磨粒低速抛，这也是为什么在抛光最后要求试样回归圆心处的原因。
（四）浸蚀
抛光后的试样在金相显微镜下观察，只能看到光亮的磨面，如果有划痕、水迹等也可以看出来，但是要分析金相组织还必须进行浸蚀。
浸蚀的方法有多种，最常用的是化学浸蚀法，利用浸蚀剂对试样的化学溶解和电化学浸蚀作用将组织显露出来。
纯金属（或单相均匀固溶体）的浸蚀基本上为化学溶解过程。
位于晶界处的原子和晶粒内部原子相比，自由能较高，稳定性较差，故易受浸蚀形成凹沟，晶粒内部被浸蚀程度较轻，大体上仍保持原抛光平面。
在明场下观察，可以看到一个个晶粒被晶界（黑色网络）隔开。
如浸蚀较深，还可以发现各个晶粒明暗程度不同的现象，这是因为每个晶粒内部原子排列的位向不同，浸蚀后，以最密排面为主的外露面与原抛光面之间倾斜程度不同的缘故。
两相合金的浸蚀与单相合金不同，它主要是一个电化学浸蚀过程。
在相同的浸蚀条件下，具有较高负电位的相（微电池阳极）被迅速溶解凹陷下去；具有较高正电位的相（微电池阴tR）在正常电化学作用下不被浸蚀，保持原有的光滑平面，结果产生了两相之间的高度差。
多相合金的浸蚀，同样也是一个电化学溶解过程，原理与两相合金相同，如果一种腐蚀剂不能将全部金相组织显示出来，应采用两种或多种腐蚀剂依次腐蚀，使之逐项显示出各种组织，这种方法也叫选择腐蚀法。
化学浸蚀的方法虽然很简单，但是只有认真对待才能制备出高质量的试样，浸蚀时间根据要求确定，不能太深也不能太浅，将抛光后的试样用水冲洗同时用脱脂棉擦净磨面，然后吸水纸吸去磨面上过多的水，吹干后待用。
抛光面朝上，用滴管吸取4%的硝酸酒精溶液滴在抛光面上，观察表面颜色的变化。
这是浸蚀法。
也可以用沾有浸蚀剂的棉花轻轻擦拭抛光面，观察表面颜色的变化，此为擦蚀法。
待试样表面被浸蚀得略显灰暗时（银灰）即刻取出，用流水冲洗后在浸蚀面上滴些酒精，再用滤纸吸去过多的水和酒精，迅速用吹风机吹干，从而完成整个制备试样的过程。
要注意试样表面不能用纸或其它东西去擦，更不能用手去摸，否则表面就会受到损坏，无法观察。
浸蚀后的样品容易在潮湿空气下氧化，若氧化了只能重新抛光和浸蚀才能再进行观察；浸蚀过度成黑色时，也应重新抛光和浸蚀。
下图为浸蚀显示原理示意图。
图浸蚀显示原理示意图
（a）晶界处光线的散射（b）组织显示--直射光反映为亮色晶粒，散射光反映为晶界
四、实验内容
1）按粗磨一细磨一机械抛光一浸蚀的步骤制备金相试样；
2）对比观察浸蚀前，浸蚀后试样的金相形貌。
五、实验步骤（根据自己的体会写详细步骤及每步骤的注意事项）
1）讲解；
2）领取待磨试样，用分配的金相砂纸（A180，w28，W10，W7，1500目水砂纸）依次打磨；
3）在抛光机上进行机械抛光；
4）浸蚀前对抛光后的试样要洗净，吹干，然后用4%的硝酸酒精溶液浸蚀，待表面呈银灰色时立即投入水中搅拌清洗，随后用无水酒精清洗，再用吹风机吹干；
5）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析。
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，反复抛光一浸蚀1～2次后再观察组织清晰度的变化。
6）在显微镜下观察。
六、实验报告思考题
1）分析显微镜下有的组观察不出金相组织的原因
七、附录
实验二碳钢与铸铁的显微组织观察与分析
一：
实验目的
（1）学会使用显微镜，观察和研究碳钢、铸铁经不同形式热处理后显微组织的特点。
（2）了解热处理工艺对碳钢、铸铁硬度的影响。
二、实验设备与材料
金相显微镜，碳钢和铸铁标样，金相照片图集
三、实验说明
金相是专有学术名词，是指金属或合金在显微镜下观察到的客观、外在的、具体的形貌，因此，金相局限于亚宏观世界。
合金的相有固溶体、化合物和机械混合物三大类，铁素体F是C溶于α-Fe中形成的间隙固溶体，又称为α固溶体，用α或F表示，α常用在相图标注中，F在行文中常用，因为C的含量仅为0.02%左右，故室温下F的力学性能和纯铁相似，塑性韧性高，在显微镜下观察呈细小的、不规则的多边形。
奥氏体是C溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体，含碳量可达2.1%左右，用A表示，它只存在于高温（γ-Fe在727℃以上才能固溶碳），有些淬火钢因为冷却速度很快能使部分奥氏体保留到室温，这种奥氏体又称残余奥氏体，形貌也呈不规则的多边形，边棱较铁素体更平直一些。
马氏体是C溶于α-Fe中形成的过饱和固溶体，用M表示----把钢从能够固溶大量碳的奥氏体温度急剧冷却时，面心立方晶格的γ-Fe变成体心立方晶格的α-Fe，而C没有时间被析出，处于过饱和的固溶状态，这就是马氏体。
马氏体在钢里面是最硬的组织，而且脆，钢的淬火得到的就是这个组织。
M是为纪念其发现者德国冶金学家阿道夫.马腾斯而命名。
形貌类似针尖、板条状。
渗碳体Fe3C属于化合物，用其化学分子式表示，含碳量为6.69%，它的硬度高属于强化相，改变其在钢内的形态和分布，对提高钢的强度起到很大作用。
随着含碳量及热处理的不同变化，形状也有板条、球状、片状和网状之分，Fe3C由于不容易受硝酸酒精溶液腐蚀，因此在显微镜下呈白亮色（若腐蚀剂为苦味酸钠，则呈黑色）。
珠光体P（Pearlike的首写字母，取义在显微镜下观察时该组织呈珍珠般的色泽）是F（固溶体）和Fe3C（化合物）的混合，含碳量为0.77%，其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物，在珠光体中铁素体的质量分数为88%，渗碳体占12%，由于F含量大于Fe3C，所以F层片要比Fe3C厚得多。
在球化退火条件下，P中的Fe3C可呈球状，这种珠光体又称球状珠光体。
经硝酸酒精溶液腐蚀后，放大倍数不同观察到的P组织不同，倍数越大，可以清晰的看到平行排列分布的宽条铁素体和窄条渗碳体；倍数降低，Fe3C只能看到一条黑线；倍数继续降低，P的层片状结构就不能分辨，此时呈浅黑色的一团。
普通灰口铸铁中碳全部或部分以自由碳------片状石墨形式存在，由于片状石墨无反光能力，故试样未经腐蚀即可看出断口呈现灰色。
球墨铸铁的石墨呈球状，使其具有很高的强度，又有良好的塑性和韧性。
其综合机械性能接近于钢，因其铸造性能好，成本低廉，生产方便，在工业中得到了广泛的应用。
球墨铸铁的基体也有铁素体、珠光体和铁素体+珠光体三种，在后一种基体中球状石墨的周围总是铁素体，其外层才是珠光体，有如牛眼形状，其显微组织如下图所示：
铁素体+珠光体基球墨铸铁图
四、实验方法及过程
（1）、由指导教师讲解合金相中几种主要组织的形貌特征和性能特点，回顾复习相关知识点，并讲解显微镜的基本操作方法。
（2）、各小组领取一套金相试样，在显微镜下选择低倍镜观察，结合调焦以及移动载物台，在较大的视野范围内寻找典型清晰的组织区域。
（3）、认识碳钢和铸铁的组织特征后，择其中较具代表性的画出组织示意图，并标上材料、组织名称、放大倍数，尤其是金相组织要在图中予以标示。
五、实验报告分析与总结
（1）、你所在的小组分到的几个标样中都涉及到哪些组织？
（2）、显微镜的使用注意事项是什么？
（3）、试画出你所观察到的某一组织，并标注名称（用箭头在图形上予以指认）、材料和放大倍数。
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。
图545钢正常淬火组织
图645钢油淬组织
图7上贝氏体组织特征
图8下贝氏体组织特征
图9T12钢正常淬火组织
图10T12钢1000℃油淬组织
图11回火马氏体组织
图12回火托氏体组织
图13回火索氏体组织
三：
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典型牌号碳钢经不同热处理后的状态如表1所示
实验三钢的常规热处理工艺
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、分析冷却方式与钢性能的关系。
3、学会使用洛氏硬度计测硬度。
二、实验内容
1、45钢的淬火（水淬、油淬）、正火、退火实验演示；
2、将得到的以上试样在洛氏硬度计上打硬度，记录、分析数据并得出结论。
三、实验设备及材料
（1）箱式电阻炉及控温仪表；
（2）A80砂纸；
（3）洛氏硬度计；
（4）冷却剂：
水，油（使用温度约20℃）；
（5）试样：
45钢。
四、实验原理概述
热处理是充分发挥金属材料性能潜力的重要手段，主要目的是改变钢的使用性能及工艺性能。
钢的热处理是指把钢加热到一定的温度，经一定时间的保温，然后以某种速度冷却下来，根据冷却方式可将钢的热处理分为退火、正火、淬火和回火等。
热处理之所以能使钢的性能发生显著变化，主要是由于钢的内部组织结构可随冷却速度的快慢而发生一系列变化，组织结构决定外在性能。
钢的牌号、种类繁多，每一种钢都有固定的热处理工艺操作规范（可参考工具书，查阅相应的热处理工艺参数），本次实验采用45钢，其热处理工艺规范为加热到860℃，保温20min，然后从炉中取出快速投入水中冷却（水淬）、油中冷却（油淬）、放到空气中冷却（正火）、随炉子降温冷却（退火）、淬火后再加热到240—260℃保温（回火）等处理。
（一）、钢的退火和正火
钢的退火通常是把钢加热到临界温度
或
以上，保温一段时间，然后随炉冷却到500℃左右出炉放在空气中冷却。
一般中碳钢（如35、45钢）经退火后得到铁素体+珠光体组织，组织稳定硬度较低，有利于下一步进行切削加工。
正火则是将钢加热到
（针对亚共析钢）或
（针对过共析钢）以上30~50℃，保温后进行空冷。
得到的组织与退火相同，由于冷却速度稍快，与退火组织相比，硬度有所提高。
（铁素体+珠光体组织的力学性能取决于铁素体和珠光体的相对含量、铁素体的成分、珠光体片层间距的大小、晶粒大小等。
冷却速度越高，珠光体数量越多；其次，珠光体的片层间距越小。
）
（二）、钢的淬火
所谓淬火就是将钢加热到
（亚共析钢）或
（过共析钢）以上30~50℃，保温后放入各种不同的冷却介质中快速冷却（
应大于
K），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：
淬火加热温度、保温时间和冷却速度。
1、加热温度的确定
正确选定加热温度是保证淬火质量的重要一环。
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。
过高的加热温度（如超过
）不仅无助于强度、硬度的增加，反而会由于产生过多的残余奥氏体而导致硬度和耐磨性的下降。
需要指出，不论在退火、正火及淬火时，均不能任意提高加热温度。
温度过高晶粒容易长大，而且增加氧化脱碳和变形的倾向。
2、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所需的时间及淬火温度停留所需时间的总和。
加热时间与钢的成分、工件的形状尺寸、所用的加热介质、加热方法等因素有关，一般按照经验公式加以估算，如碳钢在电炉中加热到800---900℃时是根据直径大小按0.8----1.0分钟/每毫米直径来进行估算。
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，以减小内应力，防止变形和开裂。
为了保证淬火效果，应选用适当的冷却介质（如水、油等）和冷却方法（如双液淬火、分级淬火等）。
表1几种常用淬火介质的冷却能力
冷却介质
在下列温度范围内的冷却速度（℃/秒）
650~550℃
300~200℃
26℃的水
500
270
10%NaCl水溶液（18℃）
1100
300
矿物机器油（50℃）
150
30
五、实验方法指导
1、实验内容及步骤
1）按表2要求进行45钢的热处理操作
表245号钢热处理工艺实验
组别
淬火加热温度（℃）
保温时间（min）
冷却
方式
45钢
处理前硬度
处理后硬度
1
860℃
20
空冷
14.3HRC
2
860℃
20
炉冷
14.3HRC
3
860℃
20
油冷
14.3HRC
4
860℃
20
水冷
14.3HRC
2）加热前先将全部试样测定硬度。
为便于比较，一律用洛氏硬度（单位HRC）测定。
3）确定保温时间为20min（可按1分钟/每毫米直径计算材料的保温时间）。
4）各组将淬火、退火、正火后的试样表面用砂纸（或砂轮）磨平，并测出硬度值（HRC）填入表2中。
2、注意事项
（1）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。
开关炉门要迅速，炉门打开时间不宜过长。
（2）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。
（3）试样在淬火液中应不断搅动，否则试样表面会由于冷却不均而出现软点。
（4）淬火时水温应保持20~30℃左右，水温过高要及时换水。
（5）试样均要用砂纸打磨，去掉氧化皮后再测定硬度值。
六、实验结果分析与总结
（1）根据硬度数据的对比，你得出什么结论？
（2）测硬度时为什么有的点数据偏差过大？
在计算该试块平均硬度值时该怎么处理？
七、附录
铁碳合金相图
A3线：
降温过程中奥氏体向铁素体转变的开始曲线；或升温过程中铁素体向奥氏体转变的终止曲线。
A1线：
共析反应水平线。
Acm线：
降温过程中奥氏体向渗碳体转变的开始曲线；或升温过程中碳在奥氏体中的溶解度曲线。
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