机械工程材料实验与实践教学.docx

1、机械工程材料实验与实践教学机械工程材料实验与实践教学实验一 铁碳合金平衡组织分析一、实验目的1. 熟练运用铁碳合金相图，提高分析铁碳合金平衡凝固过程及组织变化的能力。2. 掌握碳钢和白口铸铁的显微组织特征。二、原理概述铁碳合金相图是研究碳钢组织、确定其热加工工艺的重要依据。按组织标注的铁碳相图见图。铁碳合金在室温的平衡组织均由铁素体（F）和渗碳体（Fe3C）两相按不同数量、大小、形态和分布所组成。高温下还有奥氏体（A）和固溶体相。利用铁碳合金相图分析铁碳合金的组织时，需了解相图中各相的本质及其形成过程，明确图中各线的意义，三条水平线上的反应及反应产物的本质和形态，并能做出不同合金的冷却曲线，从

2、而得知其凝固过程中组织的变化及最后的室温组织。根据含碳量的不同，铁碳合金可分为工业纯铁、碳钢及白口铸铁三大类，现分别说明其组织形成过程及特征。1. 工业纯铁 碳的质量分数小于0.0218%的铁碳合金称为工业纯铁。见图1-1。当其冷到碳在-Fe中的固溶度线PQ以下时，将沿铁素体晶界析出少量三次渗碳体，铁素体的硬度在80HB左右，而渗碳的硬度高达800HB，因工业纯铁中的渗碳体量很少，故硬度、强度不高而塑性、韧性较好。图1-1 工业纯铁组织 2. 碳钢 碳的质量分数在（0.02182.11）%之间的铁碳合金称为碳钢，根据合金在相图中的位置可分为亚共析、共析和过共析钢。 （1）共析钢 成分为，在72

3、7以上的组织为奥氏体，冷至727时发生共析反应： 将铁素体与渗碳体的机械混合物称珠光体（P）。室温下珠光体中渗碳体的质量分数约为12%，慢冷所得的珠光体呈层片状。图1-2 珠光体电镜组织 图1-3 珠光体光镜组织采用电子显微镜高倍放大能看出Fe3C薄层的厚度，图1-2中窄条为Fe3C，宽条为F基体，两者有明显的分界线。在普通光学显微镜下观察时，只能看到Fe3C成条条细黑线分布在铁素体上，见图1-3。位向相同的一组铁素体加渗碳体片层，称一个共析领域。当放大倍数低，珠光体组织细密或浸蚀过深时，珠光体中的片层难以分辨，呈一片暗色区域。（2）亚共析钢 成分为0.0218%0.5%，珠光体成为钢的基体，

4、铁素体呈连续或断续的网络状围绕着珠光体分布，这是由于先共析铁素体是沿原奥氏体边界优先析出，至一定量后，剩余奥氏体才转变为珠光体，不同含碳量的亚共析钢的显微组织见图1-4。 （a） 20钢 （b）40钢图1-4 亚共析钢显微组织（3）过共析钢 成分为0.77%2.11%，但实用钢的最大含碳量只到1.3%，因碳量再高，二次渗碳体量增多，使钢变脆。过共析钢的组织由珠光体及二次渗碳体所组成，二次渗碳体呈网状，碳量愈高，渗碳体网愈多、愈完整。与先共析铁素体网很容易区别，若经硝酸酒精溶液浸蚀后，两者虽均为亮色，但二次渗碳体网要细得多；若用碱性苦味酸钠溶液热浸蚀后，渗碳体变成暗色，铁素体仍为亮色。经不同方法

5、浸蚀后的T12钢组织见图1-5a.b。 图1-5 过共析钢显微组织 （a）共晶白口铁 （b）亚共晶白口铁（C）过共晶白口铁 图1-6 白口铸铁组织3. 白口铸铁（1）共晶白口铁（=4.3%）此合金由液态冷却到1148时，全部发生共晶反应：，所得产物称莱氏体（Ld），呈豹皮状，其中奥氏体呈短棒或小条状分布在渗碳体基体上，在以后继续冷却的过程中，只有奥氏体原地发生转变，先析出二次渗碳体，后在727形成珠光体。沿奥氏体边界析出的二次渗碳体，常与共晶渗碳体连成一片，不易分辨。室温组织是由奥氏体转变来的二次渗碳体、珠光体及原共晶渗碳体组成，称变态莱氏体（Ld）。所谓变态的实质是指共晶内部组成物改变，并非

6、形貌改观，在显微镜下观察变态莱氏体仍呈豹皮状，见图1-6a。（2）亚共晶白口铁（=2.11%4.3%） 这类合金凝固时先析出初生奥氏体，呈树枝状，剩余液体在1148发生共晶反应得到莱氏体，继续冷却时初生奥氏体及共晶体中的奥氏体各在原地发生相同的转变，即先析出二次渗碳体，后形成珠光体，室温组织是由初生奥氏体转变所得的二次渗碳体加珠光体（Fe3CII+P）及变态莱氏体Ld所组成，见图1-6b。（3）过共晶白口铁（=4.3%6.69%）过共晶白口铸铁的组织由粗大片状的一次渗碳体加变态莱氏体组成，见图1-6c。三、实验内容及步骤 1. 讨论Fe-Fe3C相图 1）分析各相及组织组成物的本质。 2）分析

7、不同含碳量的铁碳合金的凝固过程、室温组织及其形貌特征。 3）总结铁碳合金的组织、性能与含碳量的关系。 2. 观察、分析并画出工业纯铁、不同碳钢及白口铸铁的组织示意图。3. 测定不同含碳量的碳钢的硬度（硬度试验方法见附录3）。四、材料及设备 1. 表1-1所列的金相试样2套，并附金相照片。 2. 金相显微镜16台。 3. 布氏硬度计4台。4. 测定组织组成物相对含量用的亚共析钢金相照片及透明方格纸各15张。表1-1 本实验所观察的合金类别合金牌号浸蚀剂显微组织类别合金牌号浸蚀剂显微组织工业纯铁工业纯铁4%硝酸酒精溶液F+Fe3CII过共析钢T124%硝酸酒精溶液P+Fe3CII亚共析钢204%硝

8、酸酒精溶液F+P碱性苦味酸钠溶液亚共析钢404%硝酸酒精溶液F+P白口铸铁亚共晶4%硝酸酒精溶液Fe3CII+P+Ld亚共析钢604%硝酸酒精溶液F+P共晶4%硝酸酒精溶液Ld共析钢T84%硝酸酒精溶液P过共晶4%硝酸酒精溶液Ld+Fe3CI五、实验报告要求1. 列表说明铁碳相图中各个相的本质，晶体结构，溶碳量，形成条件，形态等不同点。2. 画出所观察合金的显微组织示意图并加以注解。3. 分析20钢及亚共晶白口铁的凝固过程。4. 总结含碳量增加时钢的组织和性能的变化规律。5. 总结碳钢和铸铁中各种组织组成物的本质和形态特征。实验二 碳钢非平衡显微组织观察一、实验目的1. 观察和研究碳钢经不同形

9、式热处理后显微组织的特点。2. 了解热处理工艺对钢组织和性能的影响。二、概述表2-1 共析碳钢（T8）过冷奥氏体在不同温度转变的组织及性能转变类型组织名称形成温度范围（）金相显微组织特征硬度（HBC）珠光体型相变珠光体（P）650 在400500倍金相显微镜下可观察到铁素体和渗碳体的片层状组织20（HB180200）索氏体（S）600650在8001000倍以上的显微镜下才能分清片层状特征，在低倍下片层模糊不清2535屈氏体（T）550600 用光学显微镜观察时呈黑色团状组织，只有在电子显微镜（500015000）下才能看出片层组织3540贝氏体型相变上贝氏体（B上）350550 在金相显微镜

10、下呈暗灰色的羽毛状特征4048下贝氏体（贝下）220350 在金相显微镜下呈黑色针叶状特征4858马氏体型相变马氏体（M）230 在正常淬火温度下呈细针状马氏体（隐晶马氏体），过热淬火时则呈粗大片状马氏体6265 铁碳合金经缓冷后的显微组织基本上与铁碳相图所预料的各种平衡组织相符合，但碳钢在不平衡状态，即在快冷条件下的显镜组织就不能用铁碳合金相图来加以分析，而应由过冷奥氏体等温转变曲线图C曲线来确定。图2-1为共析碳钢的C曲线图。 按照不同的冷却条件，过冷奥氏体将在不同的温度范围发生不同类型的转变。通过金相显微镜观察，可以看出过冷奥氏体各种转变产物的组织形态各不相同。共析碳钢过冷奥氏体在不同温

11、度转变的组织特征及性能如表2-1所示。图2-1 共析碳钢的C曲线三、钢的退火的正火组织亚共析成分的碳钢（如40、45钢等）一般采用完全退火，经退火后可得到接近于平衡状态的组织，其组织特征已在实验一中加以分析和观察。过共析成分的碳素工具钢（如T10、T12钢等）一般采用球化退火，T12钢经球化退火后组织中的二次渗碳体及珠光体中的渗碳体都将变成颗粒状，如图2-2所示。图中均匀而分散的细小粒状组织就是粒状渗碳体。45钢经正火后的组织通常要比退火的细，珠光体的相对含量也比退火组织中的多，如图2-3所示，原因在于正火的冷却速度稍大于退火的冷却速度。 图2-2 T12钢球化退火组织 图2-3 45钢经正火

12、后的组织四、钢的淬火组织将45钢加热到760（即以上，但低于），然后在水中冷却，这种淬火称为不完全淬火。根据Fe-Fe3C相图可知，在这个温度加热，部分铁素体尚未溶入奥氏体中，经淬火后将得到马氏体和铁素体组织。在金相显微镜中观察到的是呈暗色针状马氏体基底上分布有白色块状铁素体，如图2-4所示。45钢经正常淬火后将获得细针状马氏体，如图2-5所示。由于马氏体针非常细小，在显微镜中不易分清。若将淬火温度提高到1000（过热淬火），由于奥氏体晶粒的粗化，经淬火后将得到粗大针状马氏体组织，如图2-6所示。若将45钢加热到正常淬火温度，然后在油中冷却，则由于冷却速度不足（HRC30时，K=11；HRC30时，K=12。 x所要求的硬度值（HRC）。保温时间：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13小时。由于实验所用试样较小，故回火保温时间可为30分钟，回火后在空气中冷却。六、实验方法指导1. 实验内容及步骤1) 淬火部分的内容及具体步骤：（1）根据淬火条件不同，分五个小组进行，见表3-7 表3-7 淬火实验组别淬火加热温度（）冷却方式20钢45钢T12钢处理前硬度处理后硬度处理前硬度