工程材料綜合實(shí)驗(yàn)(基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)+鋼的熱處理)實(shí)驗(yàn)報(bào)告.doc

工程材料綜合實(shí)驗(yàn)處理報(bào)告單位：過(guò)程裝備與控制工程10-1班實(shí)驗(yàn)者: 侯鵬飛 學(xué)號(hào)10042107胡興文 學(xué)號(hào)10042108李東升 學(xué)號(hào)10042110【實(shí)驗(yàn)名稱】工程材料綜合實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹窟\(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能以及現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通過(guò)自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、獨(dú)立實(shí)驗(yàn)并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，達(dá)到進(jìn)一步深化課堂內(nèi)容，加強(qiáng)對(duì)工程材料課程理論的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，并提高分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。 通過(guò)做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生們可以充分了解以下知識(shí)，并學(xué)會(huì)操作一些必要的儀器和設(shè)備： 1、研究鐵碳合金在平衡狀態(tài)下的顯微組織； 2、分析含碳量對(duì)鐵碳合金顯微組織的影響，加深理解成分、 組織與性能之間的相互關(guān)系； 3、了解碳鋼的熱處理操作； 4、研究加熱溫度、冷卻速度、回火溫度對(duì)碳鋼性能的影響； 5、觀察熱處理后鋼的組織及其變化； 6、了解常用硬度計(jì)的原理，初步掌握硬度計(jì)的使用?！緦?shí)驗(yàn)材料及設(shè)備】1、顯微鏡、預(yù)磨機(jī)、拋光機(jī)、熱處理爐、硬度計(jì)、砂輪機(jī)等； 2、金相砂紙、水砂紙、拋光布、研磨膏等； 3、三個(gè)形狀尺寸基本相同的碳鋼試樣（低碳鋼20、中碳鋼 45、高碳鋼T10）【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】三個(gè)形狀尺寸基本相同的試樣分別是低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼，均為退火狀態(tài)，不慎混在一起，請(qǐng)用硬度法和金相法區(qū)分開(kāi)。 1、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案：三種碳鋼的熱處理工藝（加熱溫度、保溫時(shí)間、冷卻方式）。做實(shí)驗(yàn)前完成。樣 品加熱溫度保溫時(shí)間冷卻方式20#88025min空冷45#淬火880高溫回火 600淬火25min高溫回火25min水冷T1090030min水冷2、選定硬度測(cè)試參數(shù)，一般用洛氏硬度。樣 品20#45#T10硬 度HRB50HRC20HR633、熱處理前后的金相組織觀察、硬度的測(cè)定。 4、分析碳鋼成分組織性能之間的關(guān)系。樣 品成分組織性能20#馬氏體F+P沖壓性與焊接性良好45#馬氏體F+P經(jīng)熱處理后可獲得良好的綜合機(jī)械性能T10馬氏體+奧氏體P+Fe3CII硬度高，韌性適中【實(shí)驗(yàn)步驟】1、觀察平衡組織并測(cè)硬度： （1）制備金相試樣（包括磨制、拋光和腐蝕）； （2）觀察并拍攝顯微組織； （3）測(cè)試硬度。 2、進(jìn)行熱處理。 3、觀察熱處理后的組織并測(cè)硬度： （1）制備金相試樣（包括磨制、拋光和腐蝕）； （2）觀察并拍攝顯微組織?！緦?shí)驗(yàn)處理】1、三種材料在退火狀態(tài)下顯微組織和性能（硬度）的異同；樣 品顯微組織性能（硬度）20#白色顆粒為鐵素體，黑色塊狀為珠光體(F+P)沖壓性與焊接性良好45#灰黑色區(qū)為細(xì)片狀及粗片狀珠光體，沿晶界析出白色條狀鐵素體。(F+P)經(jīng)熱處理后可獲得良好的綜合機(jī)械性能T10組織為珠光體和二次滲碳體(P+Fe3CII)硬度高，韌性適中2、三種材料在退火狀態(tài)下顯微組織和性能（硬度）的異同；樣 品顯微組織性能（硬度）20#白色顆粒為鐵素體，黑色塊狀為珠光體(F+P)沖壓性與焊接性良好45#灰黑色區(qū)為細(xì)片狀及粗片狀珠光體，沿晶界析出白色條狀鐵素體。(F+P)經(jīng)熱處理后可獲得良好的綜合機(jī)械性能T10組織為珠光體和二次滲碳體(P+Fe3CII)硬度高，韌性適中3、總結(jié)出碳鋼成分組織性能應(yīng)用之間的關(guān)系；樣 品成 分組 織性 能應(yīng) 用20#W(C)=0.20%F+P沖壓性與焊接性良好沖壓件及焊接件，經(jīng)過(guò)熱處理(如滲碳)也可以制造軸，銷(xiāo)等零件。45#W(C)=0.45%F+P經(jīng)熱處理后可獲得良好的綜合機(jī)械性能齒輪，軸類(lèi)，套筒等T10W(C)=1.0%P+Fe3C優(yōu)質(zhì)鋼，硬度高，韌性適中鉆頭，刨刀，絲錐，手鋸條等刃具及冷作模具等。4、采集出所觀察顯微組織示照片，并注明材料名稱、含碳量、浸蝕劑和放大倍數(shù)，并將組成物名稱以箭頭引出標(biāo)明；珠光體鐵素體鐵素體珠光體圖1 工業(yè)純鐵（C）0.0218% (400) 圖2 工業(yè)純鐵（C）0.0218% (400)珠光體鐵素體鐵素體珠光體圖3 亞共析鋼0.0218%（C）0.77%(400) 圖4 20#鋼（C）=0.2%，正火處理（加熱至900后空冷）（400）鐵素體萊氏體一次滲碳體 珠光體圖5共析鋼調(diào)質(zhì)處理 （C）=0.8% （400）圖6 過(guò)共析鋼0.8%（C）2.06%（400珠光體二次滲碳體共晶滲碳體珠光體圖7亞共晶白口鑄鐵2.06%（C）4.3%（400） 圖8 共晶白口鑄鐵（C）=4.3% （400）珠光體二次滲碳體圖9過(guò)共析鋼4.3（C） 669（400） 5、每個(gè)學(xué)生做一種熱處理試樣（ 20鋼、 45鋼、 T10鋼），三人為一小組，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)共享。完成實(shí)驗(yàn)后，要對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行認(rèn)真分析，進(jìn)行討論，最后寫(xiě)出詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告 從以下幾點(diǎn)進(jìn)行分析討論： （1）三種材料在退火狀態(tài)下顯微組織和性能（硬度）的異同； （2）每種材料在熱處理前后顯微組織和性能（硬度）的異同； （3）總結(jié)出碳鋼成分組織性能應(yīng)用之間的關(guān)系。20#鋼 實(shí)驗(yàn)者：侯鵬飛碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20%（萬(wàn)分之二十）的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。含碳量為0.20%（萬(wàn)分之二十）為亞共析鋼，加熱到860后，達(dá)到Ac3線以上，鐵素體轉(zhuǎn)化為奧氏體，再經(jīng)過(guò)空冷后，20#鋼的過(guò)冷A在高溫是將有一部分轉(zhuǎn)化為鐵素體。而且此過(guò)程屬于過(guò)冷A的高溫轉(zhuǎn)變，有索氏體產(chǎn)生。在熱處理前后顯微組織是鐵素體和珠光體。硬度較高。20#鋼冷沖壓性與焊接性能良好，可用作沖壓件及焊接件，經(jīng)過(guò)熱處理(如滲碳)也可以制造軸，銷(xiāo)等零件。 熱處理方式：加熱至880，保溫30分鐘左右后，正火處理。得到的顯微組織：P（珠光體）+F（鐵素體）。其中圖中層片狀的是P（S）珠光體；白色塊狀的是F（鐵素體）。正火后，組織細(xì)化晶粒，使組織均勻化，提高了鋼的強(qiáng)度，硬度與韌性。正火提高其硬度，改善其切削加工性能。其中珠光體按層間距珠光體組織習(xí)慣上分為珠光體P，索氏體S、屈氏體T。他們的大致形成溫度及性能見(jiàn)表1。 組織名稱表示符號(hào)形成溫度范圍/硬度能分辨其片層的放大倍數(shù)珠光體PA1650170200HB500X索氏體S6506002535HRC1000X屈氏體T6005503540HRC2000XF鐵素體P珠光體 實(shí)驗(yàn)分析與討論：由上圖可知，P（珠光體，為黑色塊狀）較明顯的可以看出；而F（鐵素體，為白色塊狀）顯得有點(diǎn)黑，呈灰色。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因可能是由于拋光后的過(guò)度腐蝕或使用稀硝酸腐蝕不均勻?qū)е?，晶面受損，致使不能觀察到易損的珠光體組織，并且亮度有點(diǎn)暗，不十分清晰；手工磨制不夠精細(xì)，還有可能是由于加熱溫度不夠所致。正火作為一種常化處理，一般應(yīng)用于以下方面：1.作為最終熱處理得到對(duì)于機(jī)械性能要求不是很高的普通鋼構(gòu)件?？梢约?xì)化晶粒，使組織均勻化，從而提高鋼的強(qiáng)度，硬度和韌性。2.最為預(yù)先熱處理獲得細(xì)小均勻的組織，為后面的其它處理做準(zhǔn)備。3.改善切削加工性能，提高低碳鋼的硬度，便于進(jìn)行切削加。 45#鋼 實(shí)驗(yàn)者:李東升含碳量為0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)用鋼，冷熱加工性能好，硬度為35HRC，易于切削加工，但是45#鋼淬透性較差，具有良好的加工工藝性能。45#鋼經(jīng)過(guò)熱處理以后，可以獲得良好的綜合機(jī)械性能，用來(lái)制造齒輪、軸類(lèi)、套筒等零件。45#鋼的熱處理：理論分析：將亞共析鋼淬火加熱880到Ac3線以上,F（鐵素體）和P（珠光體）全部轉(zhuǎn)變?yōu)锳(過(guò)冷奧氏體)，然后進(jìn)行600高溫回火，在高溫轉(zhuǎn)變區(qū)過(guò)冷奧氏體現(xiàn)有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，剩余的過(guò)冷奧氏體再轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w型組織，最后全部轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w（S）。實(shí)際處理：45號(hào)鋼的淬火溫度大約為880 ，偏高的淬火溫度可以使工件加熱速度加快，表面氧化減少。為使工件的奧氏體均勻化，需要600保溫25min消除淬火應(yīng)力。細(xì)片狀珠光體P條狀鐵素體F 灰黑色區(qū)為細(xì)片狀及粗片狀珠光體(P)，沿晶界析出白色條狀鐵素體(F)試驗(yàn)分析：結(jié)果分析 從圖中可以明顯的看到黑白相間分布的P和F，經(jīng)過(guò)淬火處理的45#組織細(xì)致均勻，使用性能大大改善，硬度，塑韌性明顯提高。 圖象分析 45鋼淬火后硬度不足，主要原因有兩方面： 45鋼加熱溫度偏低，或保溫時(shí)間不足。 在此狀態(tài)下，組織中奧氏體的碳和合金元素含量不夠，甚至組織中還殘存著未轉(zhuǎn)變的珠光體或未溶鐵素體，導(dǎo)致45號(hào)鋼淬火后硬度達(dá)不到; 45號(hào)鋼加熱溫度過(guò)高，或保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成45號(hào)鋼表面脫碳，導(dǎo)致硬度變低。45#鋼金相圖制備的表面不夠光滑，導(dǎo)致了在金相顯微鏡下觀察不太清晰,試驗(yàn)時(shí)要嚴(yán)格控制淬火和保溫時(shí)間，這對(duì)45#鋼的硬度起決定性作用，金相的制作比較繁瑣，每個(gè)過(guò)程都要充分的研磨，最后還要用酸腐蝕表面，表面越光滑，腐蝕的越慢，要控制好腐蝕的時(shí)間，大約為12s，如果拋光后的表面不夠光滑，或者腐蝕時(shí)間控制的不夠好，會(huì)導(dǎo)致腐蝕不均勻?qū)е?，晶面受損，觀察不到珠光體組織，因此，要合理把握好每個(gè)過(guò)程，每個(gè)環(huán)節(jié)控制不好都會(huì)對(duì)結(jié)果造成一定的影響。 T10鋼 實(shí)驗(yàn)者 :胡興文碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.00%（千分之十）的優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，硬度高，韌性適中。熱處理后為回火馬氏體和殘余奧氏體。熱處理方式：淬火低溫回火 黑色的粗針狀馬氏體和白亮的殘余奧氏體，硬度為58.0HRC性能：低溫回火降低了淬火應(yīng)力，提高了工件的韌性，減少鋼的脆性并 保持鋼的高硬度，主要用于制造各種工具模具和冷做模具正火作為一種常化處理，一般應(yīng)用于以下方面：1、作為最終熱處理得到對(duì)于機(jī)械性能要求不是很高的普通鋼構(gòu)件?？梢约?xì)化晶粒，使組織均勻化，從而提高鋼的強(qiáng)度，硬度和韌性。2、最為預(yù)先熱處理獲得細(xì)小均勻的組織，為后面的其它處理做準(zhǔn)備。3、改善切削加工性能，提高低碳鋼的硬度，便于進(jìn)行切削加工。二次滲碳體Fe3C珠光體 試驗(yàn)分析：結(jié)果分析T10鋼經(jīng)過(guò)淬火低溫回火處理之后，從圖中可以看到經(jīng)侵蝕后的珠光體呈暗黑色，而二次滲碳體則呈現(xiàn)白色網(wǎng)狀。圖象分析 整體圖像較暗，圖中劃痕較多。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是由于在侵蝕過(guò)程中用小木夾碰到了處理表面所造成的；拋光后的過(guò)度腐蝕或使用稀硝酸腐蝕不均勻?qū)е拢贿€有其他人為因素。 【實(shí)驗(yàn)分析】樣 品顯微組織性能（硬度）20#白色顆粒為鐵素體，黑色塊狀為珠光體(F+P)沖壓性與焊接性良好45#灰黑色區(qū)為細(xì)片狀及粗片狀珠光體，沿晶界析出白色條狀鐵素體。(F+P)經(jīng)熱處理后可獲得良好的綜合機(jī)械性能T10組織為珠光體和二次滲碳體(P+Fe3CII)硬度高，韌性適中1.三種材料在退火狀態(tài)下顯微組織和性能（硬度）的異同； 2.每種材料在熱處理前后顯微組織和性能（硬度）的異同；每種材料在熱處理前后顯微組織和性能（硬度）如下表所示：樣 品顯 微 組 織性能（硬度）20#熱處理前F+P HRB71 熱處理后回火M +AHRB5045#熱處理前F+P HRC7.5 熱處理后回火SHRC20T10熱處理前P+Fe3C HRC6.5 熱處理后回火M +AHRC63由上表可以看出，20號(hào)鋼在正火后的組織基本沒(méi)有變化，但是在正火后得到的是更細(xì)化的晶粒，從而提高了鋼的強(qiáng)度硬度和韌性。45號(hào)鋼在經(jīng)過(guò)淬火和高溫回火調(diào)質(zhì)，其顯微組織由以前的（P+F），變成了回火索氏體，其綜合機(jī)械性能最好，即強(qiáng)度、塑性和韌性都比較好。T10鋼在經(jīng)過(guò)淬火和低溫回火組織由以前的珠光體和二次滲碳體，變?yōu)榛鼗瘃R氏體、殘余奧氏體和二次滲碳體。低溫回火后，淬火應(yīng)力降低，工件韌性提高，淬火后的硬度和耐磨性高。3.總結(jié)出碳鋼成分組織性能應(yīng)用之間的關(guān)系。碳鋼成分組織性能應(yīng)用之間的關(guān)系如下表所示：樣 品成 分組 織性 能應(yīng) 用20#W(C)=0.20%F+P沖壓性與焊接性良好沖壓件及焊接件，經(jīng)過(guò)熱處理(如滲碳)也可以制造軸，銷(xiāo)等零件。45#W(C)=0.45%F+P經(jīng)熱處理后可獲得良好的綜合機(jī)械性能齒輪，軸類(lèi)，套筒等T10W(C)=1.0%P+Fe3C優(yōu)質(zhì)鋼，硬度高，韌性適中鉆頭，刨刀，絲錐，手鋸條等刃具及冷作模具等。20號(hào)鋼（含碳量0.17%0.23%）是亞共析鋼，在完全退火狀態(tài)下得到的組織是F+P。45號(hào)鋼（含碳量0.42%0.50%）也是亞共析鋼，在同樣的狀態(tài)下得到的組織是和20號(hào)的一樣（F+P），碳量的增加，鋼的性能也在提升，所以45號(hào)鋼的性能（硬度）高于20號(hào)鋼。T10鋼（含碳量0.42%0.50%）是過(guò)共析鋼。退火后組織為珠光體和二次滲碳體，其性能（硬度）較退火前有所降低，但是其塑性和韌性均有提高。它的性能（硬度）還是高于亞共析鋼（20、45）的。 對(duì)以上內(nèi)容進(jìn)行分析總結(jié)可知: 隨著碳鋼含碳量的增加，其組織的變化過(guò)程為 ：鐵素體+珠光體（亞共析鋼）珠光體十二次滲碳體（過(guò)共析鋼）。硬度增大，塑性降低。對(duì)于強(qiáng)度，亞共析鋼的強(qiáng)度隨含碳量的增大而增大，過(guò)共析鋼的強(qiáng)度隨含碳量的增大而減小。低碳鋼可用來(lái)制造橋梁，機(jī)械，建筑物的構(gòu)件。 高碳鋼可用來(lái)制造