金屬材料熱處理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)超級(jí)集合講解

1、實(shí)驗(yàn)一 鋼材成份、熱處理工藝與性能之間關(guān)系的認(rèn)識(shí)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、初步了解熱處理工藝（退火、正火、淬火、回火）的基本操作方法；2、初步了解在相同熱處理?xiàng)l件下，碳鋼的含碳量與硬度之間的關(guān)系；3、初步了解在成份相同的條件下，熱處理工藝對(duì)硬度的影響；4、掌握測(cè)量硬度方法。二、 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明在純鐵中加入 2.11%以下的碳， 既為碳鋼。碳鋼的性能除了與生產(chǎn)條件和含碳量有關(guān)外， 還與其熱加工工藝有密切的關(guān)系。 鋼的熱處理是指將鋼在固態(tài)下施以不同的加熱、 保溫冷卻， 以改變其組織和性能的一種工藝。普通熱處理有退火、正火、淬火、回火等。現(xiàn)用鋸條作演 示，觀察“四火”的差異。三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、熱處理工藝試驗(yàn) 退火：

2、加熱到 780，保溫 10后，隨爐冷卻，此時(shí)鋸條柔軟，極易彎曲。 正火： 加熱到 780，保溫 10后， 出爐在靜止的空氣中冷卻， 此時(shí)鋸條較硬， 仍可彎曲， 但反復(fù)幾次后就斷成兩截。 淬火： 加熱到 780，保溫 10后，迅速出爐在水中或油中冷卻， 此時(shí)鋸條性能又硬又脆， 極易折斷不彎曲。 回火：把淬火后的鋸條，再加熱到420，保溫 1h 后，出爐空冷此時(shí)鋸條強(qiáng)韌性高，脆性降低。2、硬度試驗(yàn)生產(chǎn)中常用的硬度有和布氏硬度洛氏硬度。 布氏硬度：主要設(shè)備有布氏硬度計(jì)和讀數(shù)顯微鏡。常用 HB-3000 型布氏硬度計(jì)。試驗(yàn)時(shí)， 將試樣放到載物臺(tái)上，選擇一載荷 P（公斤）加載，把直徑 D（ mm）的鋼球

3、，壓入試樣表面 并保持一定時(shí)間，然后卸去載荷，用讀數(shù)顯微鏡（ 20 倍）測(cè)出壓痕直徑 d（mm），查表即得 硬度值（見(jiàn)附錄） 。注意：布氏硬度計(jì)只能測(cè)量硬度較軟的退火、 正火工件， 不能測(cè)硬度較硬的淬火、 回火工件。 洛氏硬度：主要設(shè)備有洛氏硬度計(jì)。一般常用 HR-100 型洛氏硬度計(jì)，其原理是測(cè)量試樣 表面“殘留”的壓印深度，最常用兩種洛氏硬度： HRC壓頭為金剛石圓錐體，沿直徑截面的頂角為120o，總載荷為 150 公斤，適用于淬火鋼、回火鋼、鈦合金等硬度較高的試樣HRB 壓頭采用直徑為 1.6mm 的鋼球，總載荷為 100公斤，適用于退火鋼、銅合金、鋁 合金等硬度較軟的試樣。硬度值可直接

4、從硬度計(jì)的表盤(pán)刻度上讀出。 洛氏硬度的壓印很小，可測(cè)較薄材料，但對(duì)鑄鐵、軸承合金等材料，不宜采用。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料1、加熱爐、淬火水槽、淬火油槽、布氏硬度計(jì)、讀數(shù)顯微鏡、洛氏硬度計(jì)；2、鋸條、 20、 45、T8 或 T12 鋼試樣。五、 實(shí)驗(yàn)方法及步驟 全班分成四組，進(jìn)行下列試驗(yàn)：1、鋸條的熱處理演示；2、每組領(lǐng)取三個(gè)退火試樣，測(cè)量布氏硬度；3、每組領(lǐng)取四個(gè)試樣（經(jīng)淬火和不同溫度回火），測(cè)量洛氏硬度。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、把硬度值記錄在表 1-1 和表 1-2 中，表 1-1 不同成份鋼退火后硬度鋼號(hào)2045T8 （T12 ）布氏硬度 HB表 1-2 45 鋼淬火及回火硬度熱處理工藝正常淬火

5、 840低溫回火 180中溫回火 420高溫回火 600洛氏硬度 HRC2、問(wèn)題：在相同的熱處理?xiàng)l件下，含碳量對(duì)鋼材性能有何影響？成份相同的鋼材，在不同熱處理?xiàng)l件下，性能有何變化？實(shí)驗(yàn)二 鋼中顯微組織缺陷及非金屬夾雜物的鑒定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解鋼中常見(jiàn)的幾種顯微組織缺陷的特征；2、了解鋼中常見(jiàn)非金屬夾雜物的特征及金相鑒定方法。二、實(shí)驗(yàn)說(shuō)明（一）鋼的顯微組織缺陷 鋼的顯微組織缺陷對(duì)其機(jī)械性能、工藝性能均有很大的影響。常見(jiàn)的缺陷有下列幾種：1、脫碳鋼在加熱和保溫時(shí)， 由于氧化作用是表層的碳全部或部分喪失的現(xiàn)象。 全脫碳的組織為 鐵素體， 部分脫碳后的組織為鐵素體加滲碳體。 鋼的脫碳大大降低表面硬度

6、、 耐磨性和疲勞 極限。在保護(hù)氣氛中加熱或縮短鋼材在爐中高溫停留時(shí)間，均可減輕脫碳現(xiàn)象。2、過(guò)熱過(guò)燒熱處理時(shí)， 加熱溫度過(guò)高引起使晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象稱過(guò)燒。 它使鋼的機(jī)械性能尤其是沖擊韌 性下降，可以通過(guò)退火予以矯正。當(dāng)晶界發(fā)生氧化或熔化現(xiàn)象時(shí)， 即為過(guò)燒。過(guò)燒后的工件 只能報(bào)廢而無(wú)法使用。3、三次滲碳體含碳量接近 0.02的碳鋼，熱處理過(guò)程中，在 700 300實(shí)行緩慢冷卻，三次滲碳 體將沿鐵素體晶界析出， 它的出現(xiàn)使鋼的塑性顯著降低。 在上述溫度范圍內(nèi)快速冷卻， 可防 止發(fā)生。4、魏氏組織 鐵素體或二次滲碳體沿奧氏體晶界析出， 成方向性分布即魏氏組織。 魏氏組織的存在板 由晶粒粗大，使鋼的機(jī)械性

7、能下降，可通過(guò)退火或正或予以消除。5、帶狀組織 熱加工后的低碳鋼顯微組織中鐵素體和珠光體沿加工方向呈層狀平行交替排列， 稱為帶 狀組織。帶狀組織使鋼的性能呈各向異性，并降低塑性和韌性，硬度不均勻。由合金元素偏 析帶來(lái)的帶狀組織可通過(guò)高溫長(zhǎng)時(shí)間加熱后快冷的方法予以改善。6、網(wǎng)狀碳化物 碳素工具鋼、和經(jīng)哦年工具鋼、 鉻軸承鋼等材料若熱加工時(shí)溫度過(guò)高、 冷速過(guò)慢， 碳化 物就會(huì)沿晶界析出呈網(wǎng)狀碳化物。 網(wǎng)狀碳化物的存在削弱了金屬間的結(jié)合， 降低了鋼的沖擊 韌性，增加了鋼的脆性。可通過(guò)政會(huì)予以改善和消除。7、碳化物不均勻性 高速鋼、合金工具鋼鋼錠凝固后， 由于偏析， 晶熱加工后組織中呈現(xiàn)碳化物不均勻分

8、布， 稱碳化物不均勻性。 常見(jiàn)有粗大碳化物聚集和碳化物呈條帶現(xiàn)象。 它可導(dǎo)致工具熱處理后產(chǎn) 生裂紋，降低刀具的紅硬性和耐磨性。 改善澆鑄條件和反復(fù)鍛造有利于降低碳化物不均勻性。8、帶狀碳化物它是鋼錠中顯微組織偏析在熱加工變形過(guò)程中延伸而成的碳化物富集帶。 帶狀碳化物的 出現(xiàn)會(huì)造成零件回火后硬度、組織不均勻性。9、碳化物液析在 GC15 軸承鋼和 CM 、CWM 等低合金高碳鋼中，由于澆鑄條件不良或錠型設(shè)計(jì)不合 理，使凝固后的鋼碳含量很高， 組織中存在部分萊氏體， 這一現(xiàn)象稱為碳化物液析。液析萊 氏體中含有大量碳化物， 在隨后的熱加工過(guò)程中破碎成大塊叢聚， 煙渣制方向分布。 將鋼錠 進(jìn)行均熱或擴(kuò)

9、散退火再開(kāi)坯軋制，可以消除。（二） 屬夾雜物的顯微組織 鋼中非金屬夾雜物的存在，破壞了金屬基體的連續(xù)性，降低其機(jī)械性能、物理性能、化 學(xué)性能及工藝性能。 其影響的程度主要取決于夾雜物的性質(zhì)、 形狀、大小、 數(shù)量及分布狀態(tài)。利用金相方法鑒別非金屬夾雜物， 常用夾雜本身在明場(chǎng)、 暗場(chǎng)、 偏振光下的一些特征來(lái) 判斷。1、明場(chǎng)下非金屬夾雜物的特征（1）夾雜物的形狀、大小和分布：由表面張力作用而形成的球狀；由結(jié)晶學(xué)因素作用而形 成的多變性及樹(shù)枝狀； 呈連續(xù)或斷續(xù)的形式沿晶界分布的條帶狀； 先生成相周?chē)植贾笊?成相。（2）夾雜物的反射本領(lǐng)： 夾雜物在明場(chǎng)下的顏色。 如果夾雜物的光澤與金屬基體表面接近，

10、 認(rèn)為其反射能力強(qiáng)；若暗黑無(wú)光，則反射能力弱；介于二者之間，則反射能力中等。（3）夾雜物的化學(xué)性能：夾雜物被侵蝕后，將產(chǎn)生： 完全被侵蝕掉夾雜物處留下坑洞；染上顏色或改變顏色； 不賠侵蝕，不發(fā)生變化。（4）夾雜物的力學(xué)性能：可用硬度計(jì)來(lái)測(cè)量夾雜物的硬度。工件表面的壓痕形狀、夾雜物 的剝落情況及磨制試樣后留下的“慧星尾”等均可間接反映出其硬度、脆性和塑性。2、暗場(chǎng)及偏振光下非金屬夾雜物的特征（1）夾雜物的透明度及色彩：根據(jù)夾雜物的透明程度，可分為透明、不透明和半透明三種。 不透明夾雜有一亮邊，這是由于雜物折射到金屬交界處后的一部分光由交接處反射出來(lái)所 致。若夾雜物是透明有色彩的，則在暗場(chǎng)下呈現(xiàn)其

11、固有的顏色。（2）夾雜物的各向同性及各向異性效應(yīng)：在正交偏光鏡下將顯微鏡載物臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)一周后無(wú)亮 度變化， 而各向異性?shī)A雜物在轉(zhuǎn)動(dòng)一周載物臺(tái)中有四次消光、 四次明亮現(xiàn)象。 某些弱各向異 性的夾雜物， 則在轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)一周中只有一次消光、 二次明亮。 一般結(jié)晶成等軸晶系的夾雜 物基本上是光學(xué)各向同性的，而非等軸晶系的夾雜物則具有明顯的光學(xué)各向異性。（3）加雜物的黑十字現(xiàn)象：凡球狀透明夾雜物，在正交偏振光下都產(chǎn)生中間貫以黑十字形 的明暗交替斷續(xù)的同心環(huán)。 這一現(xiàn)象是由于透明夾雜物的規(guī)則球狀外形所引起的， 當(dāng)球狀外 形遭破壞時(shí)，黑十字現(xiàn)象也即消失。3、鋼中常見(jiàn)夾雜物：夾雜物主要有：氧化物、硫化物、硅酸鹽、

12、氮化物四大類(lèi)。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、每人輪流觀察脫碳、過(guò)熱過(guò)燒、三次滲碳體、魏氏組織、帶狀組織、網(wǎng)狀碳化物、碳化 物不均性、碳化物液析等試樣；2、每人輪流觀察三氧化二鋁、氧化鐵、二氧化硅、硫化鐵、硫化錳、氮化鈦、硅酸鹽等夾 雜試樣，并用明暗場(chǎng)進(jìn)行鑒定；3、輪流在偏光鏡下觀察夾雜物的各向異性和黑十字現(xiàn)象。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料1、帶偏光暗場(chǎng)的金相顯微鏡；2、制備好的顯微組織缺陷及夾雜物試樣。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、繪出各顯微組織缺陷示意圖，并說(shuō)明其特征；2、繪出夾雜物顯微組織示意圖，并說(shuō)明其特征。實(shí)驗(yàn)三 澆注條件對(duì)鑄錠組織的影響一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解鑄錠組織特征；2、研究不同澆注條件下對(duì)鑄錠組織的影響。

13、二、 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明液態(tài)金屬在凝固過(guò)程中， 由于不同的結(jié)晶條件， 導(dǎo)致不同的組織形貌。 典型金屬鑄錠組 織的截面由三個(gè)晶區(qū)所組成：（1）表層細(xì)晶區(qū)：由細(xì)小等軸晶粒構(gòu)成；（2）柱狀晶區(qū)：由垂直于模壁層柱狀晶構(gòu)成；（3）中心等軸晶區(qū)： 由粗大等軸晶構(gòu)成。但在實(shí)際情況下， 三晶區(qū)的相對(duì)量及晶粒大小， 隨澆注條件的不同而不同。 表層細(xì)晶區(qū) 由于很薄， 對(duì)鑄錠性能影響不大，可忽略不計(jì)。次表層的柱狀晶區(qū)組織致密，但在柱狀晶交 界處，聚集著低熔點(diǎn)夾雜，形成脆弱的結(jié)合面，軋制時(shí)易在此開(kāi)裂，所以對(duì)于雜質(zhì)多、塑性 差的金屬， 不希望得到柱狀晶， 單純度高、塑性好的金屬則無(wú)害。 中心粗大的等軸晶區(qū)組織 不夠致密易導(dǎo)致鑄錠

14、疏松。根據(jù)不同的需要， 可通過(guò)改變澆注條件來(lái)控制三晶區(qū)的大小和細(xì)化晶粒。 晶粒細(xì)化的基 本途徑是形成足夠數(shù)量的晶核及限制晶核的長(zhǎng)大。1、改變鑄模的冷卻能力增加鑄錠冷卻能力， 提高溫度梯度， 可加速柱狀晶區(qū)的發(fā)展。 但以極快的速度冷卻 （如 水冷模壁） 而鑄模體積又很小時(shí)，可獲得全部的細(xì)小等軸晶， 但此受到鑄錠尺寸的限制；如 果降低鑄錠的冷卻能力，減小溫度梯度，則有利于中心等軸晶的長(zhǎng)大。2、改變形核條件在液態(tài)金屬中加入變質(zhì)劑， ，增加非均勻形核的核心， 可使中心等軸晶區(qū)擴(kuò)大并使晶粒 細(xì)化；采用過(guò)熱方法，將液態(tài)金屬中難溶質(zhì)點(diǎn)的“活性”去處，導(dǎo)致非均勻性核的核心數(shù)目 減少，可獲得較粗大的柱狀晶區(qū)。3

15、、改變液態(tài)金屬的結(jié)晶組織用電磁攪拌、機(jī)械振動(dòng)、加壓澆注等方法，加強(qiáng)液態(tài)金屬在鑄模中的運(yùn)動(dòng)沖碎已生長(zhǎng) 的晶粒以形成更多的晶核而使晶粒細(xì)化。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、將鋁塊放入坩堝爐內(nèi)，在電爐或馬弗爐內(nèi)加熱溶化； 2、加熱到表中給定的澆注溫度后，用鉗子把坩堝取處，迅速澆注到鑄模內(nèi)；3、將冷卻的鋁錠取出水冷至室溫， 鑄出表 3-1 中給定條件下的鋁錠 （鑄模尺寸： 內(nèi)徑 30mm ， 高 100mm ），并打上記號(hào)；4、將鋁錠用虎鉗鉗住，用鋸子沿縱軸和橫軸鋸開(kāi)，再用銼刀銼平，按上表編號(hào)；對(duì)斷面用280 號(hào)、320 號(hào)砂紙磨光，用水沖洗，酒精擦洗吹干；5、將制好的磨面侵入王水侵蝕，并來(lái)回移動(dòng)，待鋁錠組織露

16、出時(shí)，取出，用水清洗、吹干；6、用肉眼或放大鏡逐塊觀察分析組織的變化。表 3-1 鋁錠的不同澆注條件序號(hào)鑄模材料鑄模厚度 （ mm ）鑄模溫度（）澆注溫度（）組織備注模壁模底0鋼鋼3水冷900三晶帶12鋼鋼10室溫780柱狀晶 （柱晶間界）34鋼鋼10室溫780細(xì)小等軸晶變質(zhì)劑58鋼耐10室溫780柱狀 +等軸晶910耐鋼10室溫780柱狀晶1112耐耐10500780等軸粗晶1314耐耐10室溫780細(xì)小等軸晶變質(zhì)劑四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料1、坩堝爐、坩堝、鉗子、砂模、夾鉗手鋸、銼刀、30 倍放大鏡；2、純鋁塊、變質(zhì)劑、金相砂紙、拋光呢、王水。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、簡(jiǎn)述鋁錠粗型試片制備過(guò)程；3、按

17、1：1 比例繪出不同澆注條件下純鋁錠的宏觀組織示意圖，說(shuō)明組織特點(diǎn)及形成原因。六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1、澆注時(shí)對(duì)準(zhǔn)模子連續(xù)注入，不能斷續(xù)或停歇，如鋁液中有溶渣，必須用鐵板擋住，不能 進(jìn)入模內(nèi)；2、鋸樣品時(shí)，盡量不偏斜，橫截面要與縱軸垂直，縱截面要沿中心鋸開(kāi)；3、侵蝕時(shí)要在煙櫥中進(jìn)行，千萬(wàn)不要將侵蝕劑濺到衣服和皮膚上。實(shí)驗(yàn)四 金相樣品制備、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆战鹣鄻悠分苽溥^(guò)程。二、 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明 用于金相檢驗(yàn)的試樣， 表面必須平滑、 無(wú)劃痕及其他缺陷， 同時(shí)還必須能代表要檢驗(yàn) 部分的組織特征。所以試樣必須進(jìn)行精心制備，制備過(guò)程一般包括取樣、鑲嵌、磨光、拋 光、侵蝕等。1、取樣 金相試樣最合適的尺寸為直徑 12mm

18、 、高 10mm 的圓柱體，或底面積為 12X12mm 、 高 10mm 的正方柱體。對(duì)零件或材料進(jìn)行分析， 根據(jù)目的或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)， 在其有代表部位截取一小塊試樣， 在 截取過(guò)程中，要設(shè)法避免試樣因截取加工不當(dāng)而引起金相組織變化。常用的截取方法是軟性材料用手鋸、鋸床、車(chē)床、刨床，硬而脆的材料用捶擊法，特 別硬的材料用砂輪切割機(jī)。2、鑲嵌 對(duì)于尺寸很小或外觀不規(guī)則的試樣， 就要進(jìn)行鑲嵌。 鑲嵌可分為冷鑲嵌和熱鑲嵌。 冷 鑲嵌指在室溫下使鑲嵌料固化， 一般適宜于不受壓的軟材料及組織結(jié)構(gòu)對(duì)溫度變化敏感或 熔點(diǎn)較低的材料。 熱鑲嵌在鑲嵌機(jī)內(nèi)進(jìn)行， 即把試樣和鑲嵌料一起放入鑲嵌機(jī)內(nèi)加熱加壓 成型，冷卻后脫

19、摸。目前，熱鑲嵌法使用較為廣泛。4、磨光 目的是為了獲得平整光滑的觀察面，消除或減小切割時(shí)在試樣觀察面上產(chǎn)生的變形。磨光分為粗磨和細(xì)磨。 首先用砂輪或銼刀平整磨面然后用金相砂紙由粗到細(xì)進(jìn)行磨制。 細(xì) 磨時(shí)將砂紙平鋪在玻璃板上，拇指和中指夾住試樣，食指壓牢，單方向進(jìn)行磨削， 待前次 磨痕消除此次磨痕均勻時(shí)，再更換更細(xì)的砂紙，每換一次需將試樣磨制方向轉(zhuǎn)變 90o，直 到磨痕在拋光時(shí)極易消除為止。常用金相砂紙的規(guī)格如表2-1 。表 2-1 常用金相砂紙規(guī)格編號(hào)010203040506粒度序號(hào)400 （M28 ）500（M20 ）600 （M14 ）800（ M10 ）1000（M7）1200（M5）

20、砂粒尺寸2820201414101077553.5注：表中多為廠家所用編號(hào)，目前沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)格4、機(jī)械拋光 在拋光機(jī)上進(jìn)行， 本質(zhì)是借助磨料尖角銳利的刃部， 切去試樣表面隆起的部位。 將拋 光織物用水浸濕、鋪平、繃緊并固定在拋光盤(pán)上。啟動(dòng)時(shí)，拋光盤(pán)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，灑些適量 的拋光液即可。拋光織物常用帆布、毛呢、金絲絨、絲綢等。常用拋光粉是氧化鋁、氧化 鉻、氧化鎂粉等。目前，常用人造金剛石研磨膏代替拋光液。5、侵蝕 試樣的顯微組織，必須用適當(dāng)?shù)姆椒▽⒔M織顯露出來(lái)，常用化學(xué)侵蝕劑來(lái)侵蝕。 把已拋光好的試樣用水沖洗并同時(shí)用脫脂棉擦凈， 然后用酒精沖去磨面上的水， 電吹 風(fēng)吹干后， 將沾有侵蝕劑的脫脂棉在拋

21、光面上反復(fù)擦拭， 直到變灰色為止， 立即用流動(dòng)水 沖洗觀察面，滴些酒精，迅速用電吹風(fēng)吹干，即完成整個(gè)試樣置備過(guò)程。常用侵蝕劑（見(jiàn) 附錄）。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、每人領(lǐng)取一塊試樣，先在砂輪機(jī)上粗磨，再依次用金相砂紙細(xì)磨； 2、用水清洗試樣并進(jìn)行機(jī)械拋光，直到試樣成鏡面；3、對(duì)拋光后的試樣用流水沖洗，滴些酒精，立即用吹風(fēng)吹干；4、用沾有 4% 硝酸酒精的脫脂棉擦拭拋光面，直至淺灰色，然后用水沖洗，滴上酒精迅速 吹干；5、在顯微鏡下觀察組織。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料1、砂輪機(jī)、拋光機(jī)、吹風(fēng)機(jī)、金相顯微鏡；2、試樣、金相砂紙、研磨膏、侵蝕劑、酒精、脫脂棉。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、簡(jiǎn)述制備試樣的目的、過(guò)程、技術(shù)要

22、點(diǎn)等，就如何制備高質(zhì)量金相試樣談?wù)剛€(gè)人體會(huì)； 2、繪出組織示意圖，并注明材料、組織、放大倍數(shù)、侵蝕劑。六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1、用砂輪粗磨時(shí)不可將試樣壓的太緊，避免試樣飛出傷人。為避免組織發(fā)生變化，應(yīng)不斷 用水冷卻；5、砂紙磨制試樣時(shí)，身體要端正、試樣要拿平、用力要均勻，否則達(dá)不到要求；6、砂紙的砂粒磨鈍后不宜繼續(xù)使用，否則砂粒對(duì)試樣表面產(chǎn)生滾壓，增加表面變形；7、拋光前必須將手和試樣清洗干凈。實(shí)驗(yàn)五 冷塑性變形對(duì)金屬再結(jié)晶退火前后 顯微組織影響一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、認(rèn)識(shí)金屬冷變形加工后及經(jīng)過(guò)再結(jié)晶退火后的組織性能和特征變化；2、研究形變程度對(duì)再結(jié)晶退火前后組織和性能的影響。二、 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明1、金屬冷塑性

23、變形后的顯微組織和性能變化 金屬冷塑性變形為金屬在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的塑性變形。 金屬在發(fā)生塑性變形時(shí)， 外 觀和尺寸發(fā)生了永久性變化， 其內(nèi)部晶粒由原來(lái)的等軸晶逐漸沿加工方向伸長(zhǎng)， 在晶粒內(nèi)部 也出現(xiàn)了滑移帶或?qū)\晶帶，當(dāng)變形程度很大時(shí)，晶界消失，晶粒被拉成纖維狀。相應(yīng)的，金 屬材料的硬度、強(qiáng)度、矯頑力和電阻等性能增加，而塑性、韌性和抗腐蝕性降低。這一現(xiàn)象 稱為加工硬化。為了觀察滑移帶，通常將已拋光并侵蝕的試樣經(jīng)適量的塑性變形后再進(jìn)行顯微組織觀 察。注意：在顯微鏡下滑移帶與磨痕是不同的，一般磨痕穿過(guò)晶界，其方向不變，而滑移帶 出現(xiàn)在晶粒內(nèi)部，并且一般不穿過(guò)晶界。2、冷塑性變形后金屬加熱時(shí)的顯微

24、組織與性能變化金屬經(jīng)冷塑性變形后， 在加熱時(shí)隨著加熱溫度的升高會(huì)發(fā)生回復(fù)、 再結(jié)晶、 和晶粒長(zhǎng)大。（1）回復(fù) 當(dāng)加熱溫度較低時(shí)原子活動(dòng)能力尚低，金屬顯微組織無(wú)明顯變化，仍保持纖維 組織的特征。但晶格畸變已減輕，殘余應(yīng)力顯著下降。但加工硬化還在，固其機(jī)械性能變化 不大。（2）再結(jié)晶 金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上， 組織發(fā)生顯著變化。 首先在形變大的部位 （晶界、 滑移帶、孿晶等）形成等軸晶粒的核，然后這些晶核依靠消除原來(lái)伸長(zhǎng)的晶粒而長(zhǎng)大， 最后 原來(lái)變形的晶粒完全被新的等軸晶粒所代替， 這一過(guò)程為再結(jié)晶。 由于金屬通過(guò)再結(jié)晶獲得 新的等軸晶粒， 因而消除了冷加工顯微組織、 加工硬化和殘余應(yīng)力， 使金

25、屬又重新恢復(fù)到冷 塑性變形以前的狀態(tài)。金屬的再結(jié)晶過(guò)程是在一定的溫度范圍能進(jìn)行的，通常規(guī)定在一小時(shí)內(nèi)再結(jié)晶完成 95所對(duì)應(yīng)的溫度為再結(jié)晶溫度，實(shí)驗(yàn)證明，金屬熔點(diǎn)越高， 再結(jié)晶溫度越高，其關(guān)系大致為： T 0.4T 熔 。（3）晶粒長(zhǎng)大再結(jié)晶完成后， 繼續(xù)升溫 （或保溫），則等軸晶粒以并容的方式聚集長(zhǎng)大，溫度越高， 晶粒越大。 當(dāng)再結(jié)晶退火溫度一定時(shí)， 變形量大小對(duì)再結(jié)晶的晶粒大小起決定性 的影響。 當(dāng)變形量很小時(shí)晶粒大小毫不變化。 當(dāng)達(dá)到某一變形量時(shí)， 再結(jié)晶獲得異常粗大的 晶粒，對(duì)應(yīng)著一組大晶粒的變形度， 稱為臨界變形度。 一般鐵 5-10，鋼約為 5，鋁 2-3。 由于粗大晶粒將顯著降低金

26、屬的機(jī)械性能， 故應(yīng)避免金屬材料在臨界變形程度范圍內(nèi)進(jìn)行壓 力加工。超過(guò)臨界變形量，由于各晶粒變形愈趨均勻，再結(jié)晶時(shí)形核率愈大，因而再結(jié)晶的 晶粒越細(xì)。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料1、拉力試驗(yàn)機(jī)、加熱爐、吹風(fēng)機(jī)； 2、工業(yè)純鋁片一套（試樣尺寸 200 101mm）、NaON 堿液、王水。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、每組一套鋁片，經(jīng) 350、 30退火，以消除內(nèi)應(yīng)力； 2、于鋁片兩端打上組號(hào)，在其中部垂直縱軸的方向畫(huà)兩條相距100mm的平行線，定出原始長(zhǎng)度 L0；3、按規(guī)定的變形量在拉伸機(jī)上進(jìn)行拉伸組號(hào)12345678伸長(zhǎng)量12.54681012154 將經(jīng)不同變形后的試樣在 550加熱保溫半小時(shí)后空冷，侵入2

27、0 NaOH溶液數(shù)分鐘用水洗吹干，再用王水（三份鹽酸、一份硝酸）腐蝕數(shù)秒，顯出晶粒后用水洗吹干；5 目測(cè)（或用放大鏡）樣品的晶粒大小，數(shù)出每平方厘米內(nèi)的晶粒數(shù)，求平均值（N），算出每一晶粒占的面積（ 1 N）。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、作出鋁的晶粒尺寸（ 1 N） 形變量曲線，找出臨界形變量，并討論之;2、回答：（1）怎樣制作樣品才能在顯微鏡下看到滑移帶，為什么？（2）化學(xué)成分相同的材料，其再結(jié)晶溫度為什么不是一個(gè)固定值？（3）為什么原始鋁片要處理成退火狀態(tài)？退火時(shí)為什么可以空冷？六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1、對(duì)試樣不要擅自彎曲、敲擊；2、試樣兩端號(hào)碼如在拉伸時(shí)損壞，應(yīng)及時(shí)在作記號(hào)；3、腐蝕時(shí)，特別要注意，不

28、要將王水和堿液濺到衣服、皮膚上；4、不要在耀光處數(shù)讀晶粒，讀晶粒時(shí)將鋁片微微移動(dòng)，以免讀漏。實(shí)驗(yàn)六 碳鋼及鑄鐵的平衡組織觀察一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、熟悉碳鋼及鑄鐵在平衡狀態(tài)下的顯微特征；2、分析鐵碳合金的平衡組織與含碳量的關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)說(shuō)明 鐵碳平衡相圖示分析鋼鐵材料性能的基礎(chǔ)， 所謂平衡組織， 是合金在極其緩慢冷卻條件 下得到的組織。如圖 5-1 所示。圖 5-1Fe- Fe3C 平衡組織相圖由 Fe- Fe3C 相圖可以看出，鐵碳合金的室溫平衡組織是有兩個(gè)基本相組成，即鐵素體 與滲碳體。但對(duì)不同含碳量的合金，由于這兩個(gè)基本相的相對(duì)數(shù)量、析出條件、形態(tài)、分布 不同， 因而呈現(xiàn)不同的顯微組織特征。其中

29、滲碳體對(duì)合金性能影響很大。在碳鋼中，滲碳體 一般可認(rèn)為是一個(gè)強(qiáng)化相。（一）碳合金室溫下基本組織特征1、鐵素體（ F）碳在 -Fe中的間隙固溶體，體心立方晶格，平衡態(tài)下含碳量低于0.02。具有磁性及良好塑性，硬度低，經(jīng) 3 4硝酸酒精侵蝕后，呈白色等軸晶粒，晶界呈黑色，亞共析鋼 時(shí)呈塊狀，當(dāng)含碳量接近于共析成分時(shí)，則呈連續(xù)網(wǎng)狀分布于珠光體周?chē)?、滲碳體（ Fe3C ）具有復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)的間隙化合物，平衡態(tài)下含碳量為6.69，用 3 4硝酸酒精侵蝕后，呈亮白色，若用苦味酸鈉溶液熱侵后，呈黑褐色，由此可區(qū)分鐵素體與滲碳體。由于形 成條件不同， 滲碳體又可分為 Fe3C（ 從液體中析出 ） 、Fe3C

30、（從奧氏體中析出） 、Fe3C（從 鐵素體中析出） 。3、珠光體（ P）鐵素體與滲碳體組成的細(xì)密機(jī)械混合物， 平衡態(tài)下其含碳量為 0.77 。在高倍 （600×） 顯微鏡下， 可看到珠光體中片層相間的滲碳體和鐵素體互相平行交替排列。在中等 （400 ×左右） 放大倍數(shù)下 ,由于物鏡的分辨率低于滲碳體層片厚度,滲碳體兩側(cè)邊緣線無(wú)法分辨而合成一條黑線。 在放大倍數(shù)更低時(shí)（ 200×左右），鐵素體與滲碳體的片層間距都不能分辨， 珠光 體呈暗黑一片。4、低溫萊氏體（ Ld）珠光體與滲碳體的機(jī)械混合物，在平衡狀態(tài)下，含碳量為 4.3 ，。其顯微組織特征為 滲碳體（包括共晶滲

31、碳體和二次滲碳體）白色基體上分布著暗黑色的珠光體。（二）鐵碳合金平衡組織的顯微分析 根據(jù)組織特點(diǎn)及碳含量不同，合金可分為工業(yè)純鐵、鋼、和鑄鐵三大類(lèi)。1、工業(yè)純鐵含碳量低于 0.02 的鐵碳合金。其顯微組織由單相鐵素體和沿晶界分布的少量三次滲 碳體。2、碳鋼含碳量 0.02-2.11 的鐵碳合金為碳鋼?？煞譃閬喒参鲣?、共析鋼、過(guò)共析鋼。（1）亞共析鋼含碳量為 0.02-0.77 的鐵碳合金。室溫下顯微組織為鐵素體和珠光體，經(jīng) 4硝酸酒精侵蝕后，鐵素體呈白色塊狀，珠光體呈暗黑色。隨含碳量的增加，珠光體量 增多，鐵素體量減少，當(dāng)含碳量大于0.60%時(shí), 鐵素體呈網(wǎng)狀分布在珠光體邊界上 .根據(jù)亞共析鋼

32、的平衡組織可用下式估算鋼的百分?jǐn)?shù) :C%=P×% 0.77%式中 :C%鋼= 的含碳量P%=珠光體所占面積（2）共析鋼 含碳量為 0.77 的鐵碳合金。其室溫下的顯微組織為珠光體。（3）過(guò)共析鋼含碳量為 0.77-2.11 范圍的鐵碳合金。其室溫下的組織為珠光體和二次滲碳體。經(jīng) 4%硝酸酒精侵蝕后，二次滲碳體呈白色網(wǎng)狀分布在珠光體周?chē)Ｈ艚?jīng)苦味酸液 煮沸侵蝕后， 則二次滲碳體網(wǎng)呈黑褐色， 而亞共析鋼中的鐵素體網(wǎng)仍呈白色， 此方法可區(qū)分 亞共析鋼和過(guò)共析鋼3、白口鑄鐵白口鑄鐵是含碳量在 2.11-6.69 之間的鐵碳合金。 其中的碳除極少量固溶于鐵素體中 外，幾乎全部與鐵形成滲碳體。

33、這種鑄鐵的斷口呈白亮色，故稱之為白口鑄鐵。按其含碳量 及平衡組織不同，又可分為亞共晶白口鑄鐵、共晶白口鑄鐵、過(guò)共晶白口鑄鐵三種。（1）亞共晶白口鑄鐵 含碳量為 2.11-4.3 之間的鐵碳合金 . 室溫下組織為珠光體、 二次滲 碳體和萊氏體，經(jīng) 4硝酸酒精侵蝕后，暗黑色塊狀或樹(shù)枝狀的珠光體（保留處境奧氏體的 枝晶形態(tài)）被一圈白色二次滲碳體所包圍，在其周?chē)植贾岛谏⒘钭儜B(tài)萊氏體。（2）共晶白口鑄鐵含碳量為 4.3 的鐵碳合金。其室溫下的顯微組織為變態(tài)萊氏體，即白色滲碳體基體上分布著暗黑色粒狀或棒狀珠光體。（3）過(guò)共晶白口鐵 含碳量為 4.3-6.69 的鐵碳合金。其室溫下顯微組織為白色板條

34、狀一 次滲碳體分布在變態(tài)萊氏體基體上。4、灰口鑄鐵、球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵含碳量大于 2.11的鐵碳合金。碳除少量溶解于基體外，大部分以游離態(tài)的石墨形式存 在。金屬基體分為珠光體、 鐵素體和珠光體鐵素體三種， 形狀大小不同的石墨分布在鋼的 基體上。（1）灰口鑄鐵碳以部分或全部片狀石墨狀態(tài)分布在三種基體上。 斷口呈暗灰色， 澆注的冷卻速度越慢，越有利于促進(jìn)石墨化。（2）球墨鑄鐵 在熔化的鑄鐵液中加入一定量的球化劑（鎂、鈣、稀土等）后再澆注，是石墨 呈球狀析出。球狀石墨分布在三種不同類(lèi)型基體上，石墨呈黑色， 鐵素體呈白色， 珠光體呈 墨色。（3）可鍛鑄鐵 白口鑄鐵經(jīng)退火而成。只有鐵素體和珠光體兩種基體

35、。基體上分布著團(tuán)絮 狀石墨，石墨由滲碳體分解而得。（三）實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料1、金相顯微鏡；2、按表 5-1 所給金相試樣。表 5-1 平衡狀態(tài)下碳鋼和鑄鐵的顯微組織特征類(lèi)型含碳量 （%）顯微組織侵蝕劑處理狀態(tài)工業(yè)純鐵0.02F+ 少量 Fe3C4%硝酸酒精退火碳鋼亞共析鋼<0.77F+P4%硝酸酒精退火共析鋼0.77P4%硝酸酒精退火過(guò)共析鋼0.772.11P+ Fe3C4%硝酸酒精 或苦味酸鈉退火白口鑄鐵亞共晶2.116.67P+Ld4%硝酸酒精鑄態(tài)共晶2.116.67Ld4%硝酸酒精鑄態(tài)過(guò)共晶2.116.67Ld + Fe3C4%硝酸酒精鑄態(tài)灰口鑄鐵F 基體2.116.67F+片狀石墨4

36、%硝酸酒精鑄態(tài)F+P 基體2.116.67F+P+ 片狀石墨4%硝酸酒精鑄態(tài)P 基體2.116.67P+片狀石墨4%硝酸酒精正火球墨鑄鐵F 基體2.116.67F+球狀石墨4%硝酸酒精鑄態(tài)F+P 基體2.116.67F+P+球狀石墨4%硝酸酒精鑄態(tài)P 基體2.116.67P+球狀石墨4%硝酸酒精正火可鍛鑄鐵F 基體2.116.67F+團(tuán)絮狀石墨4%硝酸酒精可鍛化退火P 基體2.116.67P+團(tuán)絮狀石墨4%硝酸酒精可鍛化退火三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、一人一組，在顯微鏡上觀察上述試樣的顯微組織；2、估測(cè)未知含碳量的亞共析鋼中珠光體所占視場(chǎng)百分?jǐn)?shù)。四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、 繪出各種試樣的金相顯微組織圖。

37、標(biāo)出組織， 注明材料、 處理狀態(tài)、 侵蝕劑、 放大倍數(shù)；2、 估算未知含碳量的亞共析鋼含碳量；3、討論在平衡狀態(tài)下鐵碳合金的組織和含碳量的關(guān)系，并從定性和定量?jī)煞矫婕右苑治觯?、制表寫(xiě)出亞共析鋼、共析鋼和過(guò)共析鋼的相組成物和組織組成物。實(shí)驗(yàn)七 綜合性實(shí)驗(yàn)熱處理工藝對(duì)碳鋼的顯微組織和性能的影響一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解熱處理工藝對(duì)鋼的顯微組織和性能的影響； 2、熟悉熱處理的基本操作規(guī)程。二、 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明熱處理是一種很重要的金屬加工工藝方法。 熱處理的主要目的是改變鋼的性能， 熱處理 工藝的特點(diǎn)是將鋼加熱到一定溫度， 經(jīng)一定時(shí)間保溫， 然后以某種速度冷卻下來(lái)， 從而達(dá)到 改變鋼的性能的目的。 研究非平衡熱

38、處理組織， 主要是根據(jù)過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線來(lái)確定。熱處理之所以能使鋼的性能發(fā)生顯著變化， 主要是由于鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了的一系 列的變化。 采用不同的熱處理工藝， 將會(huì)使鋼得到不同的組織結(jié)構(gòu)， 從而獲得所需要的性能。鋼的熱處理基本工藝方法可分為退火、正火、淬火和回火等。（一） 碳鋼熱處理工藝1、加熱溫度亞共析鋼加熱溫度一般為 Ac3+30-50，過(guò)共析鋼加熱溫度一般為 Ac 130- 50（淬 火）或 Acm+50-100（正火）。淬火后回火溫度有三種，即：低溫回火（150- 250）、中溫回火（ 350- 500）、高溫回火（ 500- 650）。實(shí)際生產(chǎn)中可根據(jù)鋼種及要求作適當(dāng)調(diào)整。2

39、、保溫時(shí)間在實(shí)驗(yàn)室中，通常按工件有效厚度，用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算加熱時(shí)間：t=a?D式中 t 加熱時(shí)間（ min）a 加熱系數(shù)（ min/mm ）D- 工件有效厚度（ mm）淬火后回火保溫時(shí)間，要保證工件熱透，使組織充分轉(zhuǎn)變，一般為 13 小時(shí)，實(shí)驗(yàn)時(shí)， 可酌情減少。3、冷卻方式鋼退火采用隨爐冷卻到 600- 550以下再出爐空冷。正火采用空中冷卻。淬火時(shí)常用水 或鹽水冷卻，合金鋼常用油冷卻。（二） 碳鋼熱處理后的組織1、 珠光體型組織過(guò)冷奧氏體在高溫區(qū)（ Ar1至 C曲線鼻尖）轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。隨著奧氏體在冷卻時(shí)過(guò)冷度的 增加，依次得到珠光體、索氏體、屈氏體。他們都是鐵素體與滲碳體的細(xì)密機(jī)械混合物，但

40、 鐵素體與滲碳體的片層間距依次減小，組織的強(qiáng)度、硬度遞增。2、 貝氏體型組織過(guò)冷奧氏體在中溫區(qū)（ C 曲線鼻尖與馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn) M s）進(jìn)行等溫淬火轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。 貝氏體也是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物。（1）上貝氏體：是在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)稍下溫度等溫形成的。在光學(xué)顯微鏡下可觀察到成束的 鐵素體向奧氏體晶內(nèi)伸展，呈羽毛狀。（2）下貝氏體：是在馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn) （M s）稍上的溫度形成的。在光學(xué)顯微鏡下呈灰黑色針狀 或竹葉狀。與上貝氏體相比，下貝氏體不僅具有較高的硬度、強(qiáng)度、耐磨性，且有較高的韌 性及塑性。3、馬氏體組織過(guò)冷奧氏體在低溫區(qū) （Ms 以下） 轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。 馬氏體是碳在鐵素體中的過(guò)飽和固溶體。 馬

41、氏體組織形態(tài)主要有兩種：（1）片狀馬氏體：高碳馬氏體，主要在高碳鋼淬火組織中形成。在光學(xué)顯微鏡下觀察呈針狀或竹葉狀。馬氏體針的粗細(xì)程度取決于淬火加熱溫度。例如 T10 鋼在淬火加熱溫度較低 時(shí)（如 760）由于奧氏體中的碳濃度不均勻，在光學(xué)顯微鏡下分辨不出它的形態(tài)，稱之為 隱針馬氏體；淬火溫度稍高時(shí)（ 820）可見(jiàn)到短針狀馬氏體；若淬火溫度提高到1000，由于奧氏體晶粒粗大，從而獲得粗大的馬氏體。片狀馬氏體性能較硬且脆。（2）板條馬氏體：又稱低碳馬氏體。主要在低碳鋼淬火組織中形成。在光學(xué)顯微鏡下觀察 呈一束束相互平行的細(xì)長(zhǎng)條狀。 一個(gè)奧氏體晶粒內(nèi)可由幾束不同取向的馬氏體群， 且束與束 之間有較大的位相差。它不僅具有較高的強(qiáng)度與硬度，還具有良好的韌性與塑性。淬火組織中總會(huì)有一定數(shù)量的殘余奧氏體， 并且隨著鋼中含碳量的增加， 淬火溫度的提 高，殘余奧氏體的相對(duì)量也會(huì)增加， 殘余奧氏體不易受硝酸酒精的侵蝕， 在光學(xué)顯微鏡下呈 白亮色， 無(wú)固定形態(tài)， 難以與馬氏體區(qū)分， 因此常常需回火后才可分辨出馬氏體間的殘余奧 氏體。4、回火組織： 鋼淬火后一般都需要經(jīng)回火才能滿足性能要求。根據(jù)回火溫度的高低，回火組織可分 為以下幾類(lèi)：（1）回火馬氏體：在 150-250 回火時(shí)形成的組織為回火