工程材料實驗課

1、工程材料實驗材料實驗教學(xué)中心張旭茗實驗一 平衡組織與非平衡組織觀察 1. 平衡組織觀察 2. 非平衡組織觀察實驗二 金屬硬度實驗實驗注意事項1.室內(nèi)保持安靜、整潔； 2.珍惜儀器；3.一周左右交實驗報告。實驗三 金屬表面硬度實驗一、實驗?zāi)康?. 了解材料表面硬度的測試方法2. 掌握布氏硬度、洛氏硬度及維氏硬度方法3. 測試給定材料的布氏硬度、洛氏硬度二、實驗儀器1.HRD-150型電動洛氏硬度計2.HB-3000C電子布氏硬度計金屬硬度試驗硬度試驗方法 硬度是材料機械性能的一種整體綜合指標(biāo)。硬度是材料機械性能的一種整體綜合指標(biāo)。 硬度值不僅與材料的彈性極限、彈性模量、硬度值不僅與材料的彈性極限

2、、彈性模量、屈服極限、脆性、還與材料結(jié)晶狀態(tài)、原子屈服極限、脆性、還與材料結(jié)晶狀態(tài)、原子間鍵結(jié)合力和原子結(jié)構(gòu)等都有關(guān)系。間鍵結(jié)合力和原子結(jié)構(gòu)等都有關(guān)系。 硬度測定的特點是不損壞工件、操作方便、硬度測定的特點是不損壞工件、操作方便、迅速、效率高。迅速、效率高。硬度試驗應(yīng)用硬度試驗方法分類 靜壓入試驗靜壓入試驗 用以測定材料對永久變形的抗力。用以測定材料對永久變形的抗力。布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、顯微硬度布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、顯微硬度 劃痕試驗劃痕試驗 測定材料對破裂的抗力。觀察一種材測定材料對破裂的抗力。觀察一種材料是否能被另一種材料劃痕，料是否能被另一種材料劃痕， 馬氏劃痕硬度、莫

3、氏馬氏劃痕硬度、莫氏劃痕硬度劃痕硬度 犁槽試驗犁槽試驗 將一鈍頭元件（通常為金剛石）以一將一鈍頭元件（通常為金剛石）以一定的載荷和相似條件下劃過表面，以劃痕寬度作為硬定的載荷和相似條件下劃過表面，以劃痕寬度作為硬度的度量標(biāo)準(zhǔn)。度的度量標(biāo)準(zhǔn)。BierbaumBierbaum硬度試驗硬度試驗 硬度試驗方法分類 回跳試驗回跳試驗 或稱彈性回跳法，測定材料對彈性變或稱彈性回跳法，測定材料對彈性變形的抗力。使一標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量和尺寸的物體由試驗表面彈形的抗力。使一標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量和尺寸的物體由試驗表面彈回，取回跳高度作為硬度標(biāo)準(zhǔn)。肖氏硬度回，取回跳高度作為硬度標(biāo)準(zhǔn)。肖氏硬度 阻尼試驗阻尼試驗 也稱搖擺試驗，測定材料對永

4、久變形也稱搖擺試驗，測定材料對永久變形的抗力。搖擺法硬度的抗力。搖擺法硬度 磨損試驗?zāi)p試驗 將試樣壓在一正在轉(zhuǎn)動的圓盤上，以將試樣壓在一正在轉(zhuǎn)動的圓盤上，以磨耗率作為硬度的度量標(biāo)準(zhǔn)磨耗率作為硬度的度量標(biāo)準(zhǔn) 沖蝕試驗沖蝕試驗 在標(biāo)準(zhǔn)條件下將磨料沖射到試驗表面在標(biāo)準(zhǔn)條件下將磨料沖射到試驗表面上，以在一定時間內(nèi)損失的材料重量作為硬度的度量上，以在一定時間內(nèi)損失的材料重量作為硬度的度量標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)靜壓入硬度試驗定義：定義：抵抗永久壓痕的能力。抵抗永久壓痕的能力。原理：原理：在一定的時間間隔里，將硬質(zhì)壓頭壓入所要在一定的時間間隔里，將硬質(zhì)壓頭壓入所要 測試的金屬表面，然后測量壓痕的深度測試的金屬表面，然后

5、測量壓痕的深度 或大小?；虼笮　?yōu)點：優(yōu)點：材料的硬度和其他物理特性之間存在著某種材料的硬度和其他物理特性之間存在著某種 關(guān)系，是一種非破壞性試驗。關(guān)系，是一種非破壞性試驗。分類：宏觀硬度分類：宏觀硬度 通常載荷在通常載荷在1KG 1KG 以上以上 顯微硬度顯微硬度 通常載荷小于通常載荷小于1KG(1g-500g)1KG(1g-500g) 納米硬度納米硬度 通常在更小的載荷范圍通常在更小的載荷范圍1.1.硬度試驗的特點及應(yīng)用硬度試驗的特點及應(yīng)用l 試樣制備簡單，可在各種不同尺寸的試樣試樣制備簡單，可在各種不同尺寸的試樣上進行試驗，試驗后試樣基本不受破壞；上進行試驗，試驗后試樣基本不受破壞；l

6、設(shè)備簡便，操作方便，測量速度快；設(shè)備簡便，操作方便，測量速度快；l 測量范圍大測量范圍大: :可大可大( (多晶體多晶體) )可小可小( (單個晶粒、單個晶粒、表面渡層、手表內(nèi)部小零件等表面渡層、手表內(nèi)部小零件等) )、可軟可硬、可軟可硬各種金屬件都可做硬度試驗；各種金屬件都可做硬度試驗；l硬度與強度之間有近似的換算關(guān)系，根據(jù)測出硬度與強度之間有近似的換算關(guān)系，根據(jù)測出的硬度值就可以粗略地估算強度極限值的硬度值就可以粗略地估算強度極限值( (如碳鋼如碳鋼b b0.36HB)0.36HB)。l測定材料的硬度測定材料的硬度, ,定性分析材料的組織、性能定性分析材料的組織、性能; ;l測定脫碳層深度

7、測定脫碳層深度; ;l定性分析夾雜物性質(zhì)定性分析夾雜物性質(zhì), , 組成相的性質(zhì)等。組成相的性質(zhì)等。2.洛氏硬度測定法2.1 2.1 洛氏硬度的測量原理洛氏硬度的測量原理 用頂角為用頂角為120120的金剛石圓錐或的金剛石圓錐或為為1.588mm1.588mm的淬火鋼球為壓頭的淬火鋼球為壓頭, ,在規(guī)定載荷在規(guī)定載荷（初載荷及主載荷）的作用下壓入材料表（初載荷及主載荷）的作用下壓入材料表面面, ,經(jīng)規(guī)定保持時間后經(jīng)規(guī)定保持時間后, ,卸除主試驗力，根卸除主試驗力，根據(jù)壓痕深度來確定硬度值。圖據(jù)壓痕深度來確定硬度值。圖1 1表示了洛氏表示了洛氏硬度的測量原理。硬度的測量原理。圖1.洛氏硬度試驗原理

8、示意圖0-00-0：未加載荷，壓頭未接觸試件時的位置。：未加載荷，壓頭未接觸試件時的位置。1-11-1：壓頭在預(yù)載荷：壓頭在預(yù)載荷P P0 0(98.1N)(98.1N)作用下壓入試件深作用下壓入試件深度為度為h h0 0時的位置。時的位置。 h h0 0包括預(yù)載所引起的彈形變包括預(yù)載所引起的彈形變形和塑性變形。形和塑性變形。2-22-2：加主載荷：加主載荷P P1 1后，壓頭在總載荷后，壓頭在總載荷P= PP= P0 0+ P+ P1 1 的的作用下壓入試件的位置。作用下壓入試件的位置。3-33-3：去除主載荷：去除主載荷P P1 1后仍保留預(yù)載荷后仍保留預(yù)載荷P P0 0 時壓頭的時壓頭的

9、位置，壓入深度為位置，壓入深度為h h1 1。由于。由于P P1 1所產(chǎn)生的彈性變所產(chǎn)生的彈性變形被消除，所以壓頭位置提高了形被消除，所以壓頭位置提高了h h，主載荷引，主載荷引起的塑性變形深度為起的塑性變形深度為:h= h:h= h1 1- h- h0 0 h h值越大，試件越軟，值越大，試件越軟，h h值越小，試件越硬。值越小，試件越硬。 為適應(yīng)數(shù)值越大硬度越高的概念，用一常數(shù)為適應(yīng)數(shù)值越大硬度越高的概念，用一常數(shù)K K減去減去h h表示硬度的高低。并規(guī)定每表示硬度的高低。并規(guī)定每0.002mm0.002mm為一個洛氏硬為一個洛氏硬度單位，用符號度單位，用符號HRHR表示，則：表示，則：

10、測量值直接在表盤上讀出。測量值直接在表盤上讀出。 用金剛石圓錐壓頭時，常數(shù)用金剛石圓錐壓頭時，常數(shù)K K為為0.2mm0.2mm，硬度值由黑，硬度值由黑色表盤表示色表盤表示 ; ; 用鋼球用鋼球(=1.588mm)(=1.588mm)壓頭時，常數(shù)壓頭時，常數(shù)K K為為0.26mm0.26mm，硬度值由紅色表盤表示，硬度值由紅色表盤表示. . 0.002K hHR 為了擴大洛氏硬度的測量范圍，可用不同的壓為了擴大洛氏硬度的測量范圍，可用不同的壓頭和不同的總載荷配成不同標(biāo)尺的洛氏硬度。頭和不同的總載荷配成不同標(biāo)尺的洛氏硬度。洛氏硬度共有洛氏硬度共有1515種標(biāo)尺供選擇，它們分別為：種標(biāo)尺供選擇，它

11、們分別為：HRAHRA，HRBHRB，HRCHRC，HRDHRD，HREHRE，HRFHRF，HRGHRG，HRHHRH，HRKHRK，HRLHRL，HRMHRM，HRPHRP，HRRHRR，HRSHRS，HRVHRV；表面；表面洛氏硬度標(biāo)尺：洛氏硬度標(biāo)尺：HR45NHR45N、 HR30NHR30N、 HR15NHR15N和和HR45THR45T、 HR30THR30T、 HR15T HR15T 。其中常用的幾種標(biāo)。其中常用的幾種標(biāo)尺尺見表見表1 1。 標(biāo)度符號壓頭總載荷N(kg)表盤上刻度顏色常用硬度值范圍應(yīng)用舉例HRA金剛石圓錐588.6(60)黑色7085碳化物、硬質(zhì)合金、表面淬火鋼等

12、HRB1.588mm鋼球981(100)紅色25100軟鋼、退火鋼、銅合金HRC金剛石圓錐1471.5(150)黑色2067淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等HRD金剛石圓錐981(100)黑色4077薄鋼板、中等厚度的表面硬化工件HRE3.175mm鋼球981(100)紅色70100鑄鐵、鋁、鎂合金、軸承合金HRF1.588mm鋼球588.6(60)紅色40100薄板軟鋼、退火銅合金HRG1.588mm鋼球1471.5(150)紅色3194磷青銅、鈹青銅HRH3.175mm鋼球588.6(60)紅色 鋁、鋅、鉛表1.各種洛氏硬度值的符號及應(yīng)用 2.2 2.2 洛氏硬度測定的優(yōu)缺點洛氏硬度測定的優(yōu)缺點優(yōu)點優(yōu)點:

13、 : 操作簡便、迅速，適宜大生產(chǎn)；操作簡便、迅速，適宜大生產(chǎn)； 壓痕小，適宜測成品；壓痕小，適宜測成品； 適用范圍廣，從極軟到極硬、從極薄到極厚的適用范圍廣，從極軟到極硬、從極薄到極厚的材料都能測定。材料都能測定。缺點：缺點： 不同標(biāo)尺硬度值之間不能相互比較；不同標(biāo)尺硬度值之間不能相互比較； 對粗大組織的金屬不適用對粗大組織的金屬不適用。 硬度表示法如：硬度表示法如：38HRC38HRC、48HR30N48HR30N、68HR30T68HR30T等。等。 金屬洛氏試驗執(zhí)行的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為：金屬洛氏試驗執(zhí)行的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為： GB/T 230.1GB/T 230.12004 2004 金屬洛氏硬度試金屬

14、洛氏硬度試驗驗 第第1 1部分：試驗方法部分：試驗方法 注意事項注意事項 試樣表面要平滑干凈；試樣表面要平滑干凈； 試樣或試驗層最小厚度不小于金剛石壓試樣或試驗層最小厚度不小于金剛石壓頭頭h h的的1010倍或鋼球壓頭倍或鋼球壓頭h h的的5 5倍；倍； 試驗后試樣背面不得有肉眼可見的變形試驗后試樣背面不得有肉眼可見的變形痕跡；痕跡；3.布 氏 硬 度 測 試 法3.1 3.1 布氏硬度的測量原理布氏硬度的測量原理 加載荷加載荷P,P,使直徑為使直徑為D D的淬火鋼球壓頭的淬火鋼球壓頭壓入試件表面并保持一定時間，去載后，壓入試件表面并保持一定時間，去載后，測量壓痕直徑測量壓痕直徑d d，算出壓

15、痕面積，算出壓痕面積F F， P/FP/F即為布氏硬度，用符號即為布氏硬度，用符號HBHB表示。布氏表示。布氏硬度的測量原理如圖硬度的測量原理如圖2 2所示。所示。圖2.布氏硬度試驗原理示意圖 式中：P測試用的載荷(kg)； D壓頭鋼球的直徑(mm)； d壓痕直徑(mm)； F壓痕面積(mm2). 測出d,查表即可得HB值 公式)(222dDDDPDhPSPBHN 壓頭直徑有壓頭直徑有2.5mm2.5mm，5mm5mm，10mm10mm三種三種; ; 載荷有載荷有15.6kg15.6kg、62.5kg62.5kg、182.5kg182.5kg、250kg250kg、750kg750kg、100

16、0kg1000kg、3000kg3000kg七種七種; ; 材料的軟硬不同要配合使用。為了在不同直徑的材料的軟硬不同要配合使用。為了在不同直徑的壓頭和不同載荷下進行測試時，同一種材料的布壓頭和不同載荷下進行測試時，同一種材料的布氏硬度值相同。氏硬度值相同。D D與與P P之間要滿足相似原理。之間要滿足相似原理。 如圖如圖3 3所示。所示。圖3. 不同直徑的鋼球壓頭產(chǎn)生在幾何上相似的壓頭 2/sin2nndP DAAD推倒得出: 只要使P/D2為一常數(shù)，就可使保持不變，從而保持了幾何形狀相似的壓痕。 只要滿足P/D2為常數(shù)，則同一材料測得的HB值是相同的。且不同材料測得的HB值也可進行比較。 國

17、家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定P/D2的比值為30、10、5三種。 實驗規(guī)范見表2式中:A為常數(shù)表表2 2 布氏硬度的實驗規(guī)范布氏硬度的實驗規(guī)范金屬類型布氏硬度范圍HB試件厚度mm載荷P與壓頭直徑D的關(guān)系鋼球直徑D,mm載荷P,kg載荷保持時間，s黑色金=30D2105.02.53000750187.51066313063432P=30D2105.02.53000750187.530361309-363663175175Rm0.343HBRm0.343HB10MN/m10MN/m2 2Rm0.362HBRm0.362HB10MN/m10MN/m2 2鑄鋁合金鑄鋁合金Rm0.26HBRm0

18、.26HB10MN/m10MN/m2 2退火黃銅、青銅退火黃銅、青銅Rm0.55HBRm0.55HB10MN/m10MN/m2 2冷加工后黃銅、青銅冷加工后黃銅、青銅Rm0.40HBRm0.40HB10MN/m10MN/m2 2 l缺點缺點 由于壓痕大由于壓痕大, ,只宜測半成品只宜測半成品; ; 不宜測太薄，太軟、太硬不宜測太薄，太軟、太硬（0.25Dd0.6D）的材料；的材料； 對不同材料和厚度的試樣需更換壓頭和對不同材料和厚度的試樣需更換壓頭和試驗力，測壓痕直徑費時，還得查表，試驗力，測壓痕直徑費時，還得查表，所以效率低。所以效率低。3.5 3.5 測量注意事項測量注意事項: : d d

19、的范圍應(yīng)為的范圍應(yīng)為0.25Dd0.6D0.25Dd2%2%者，需要在硬度值后面注明。者，需要在硬度值后面注明。 維氏硬度表示法維氏硬度表示法 640 HV 30 640 HV 30 表示用表示用136136金剛石壓頭在金剛石壓頭在294.2N294.2N試驗力作用下保持試驗力作用下保持10101515秒測得秒測得的維氏硬度值為的維氏硬度值為640640。 640 HV 30/20 640 HV 30/20 表示用表示用136136金剛石壓金剛石壓頭在頭在294.2N294.2N試驗力作用下保持試驗力作用下保持2020秒測得秒測得的維氏硬度值為的維氏硬度值為640640。4.3 對試樣的要求

20、要求試樣經(jīng)過拋光，試樣厚度至少是要求試樣經(jīng)過拋光，試樣厚度至少是壓痕深度的壓痕深度的1010倍或者不小于壓痕對角倍或者不小于壓痕對角線的線的1.51.5倍，在滿足這個條件的情況下倍，在滿足這個條件的情況下盡可能選用較大載荷，可減少測量誤盡可能選用較大載荷，可減少測量誤差。差。4.4 優(yōu)缺點及注意事項優(yōu)缺點及注意事項優(yōu)點優(yōu)點 可測定從極軟到極硬各種金屬材料的硬可測定從極軟到極硬各種金屬材料的硬度度,且不同載荷下的維氏硬度值可以進行且不同載荷下的維氏硬度值可以進行比較。比較。 維氏硬度值測量精確可靠，在材料科學(xué)維氏硬度值測量精確可靠，在材料科學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用。研究中被廣泛應(yīng)用。4.4 優(yōu)缺點及注

21、意事項優(yōu)缺點及注意事項缺點缺點 維氏硬度需測量對角線的長度，然后通維氏硬度需測量對角線的長度，然后通過計算或查表才能得到硬度值。測量過過計算或查表才能得到硬度值。測量過程繁瑣，工作效率低。在測量過程中，程繁瑣，工作效率低。在測量過程中，采用計算機控制測量過程，采集和處理采用計算機控制測量過程，采集和處理數(shù)據(jù)，可能克服上述缺點并大大提高工數(shù)據(jù)，可能克服上述缺點并大大提高工作效率。作效率。注意注意 維氏硬度兩相鄰壓痕中心之間的距離，對于鋼、銅維氏硬度兩相鄰壓痕中心之間的距離，對于鋼、銅及銅合金至少應(yīng)為壓痕對角線長度的及銅合金至少應(yīng)為壓痕對角線長度的3 3倍；對于輕金屬、倍；對于輕金屬、鉛、錫及合金

22、至少應(yīng)為壓痕對角線長度的鉛、錫及合金至少應(yīng)為壓痕對角線長度的6 6倍。如果相倍。如果相鄰兩壓痕大小不同，應(yīng)以較大壓痕確定壓痕間距。鄰兩壓痕大小不同，應(yīng)以較大壓痕確定壓痕間距。 金屬維氏硬度試驗執(zhí)行的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為：金屬維氏硬度試驗執(zhí)行的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為： GB/T 4340.11999 金屬維氏硬度試驗金屬維氏硬度試驗 第第1部分：試部分：試驗方法。驗方法。 5 使用硬度計應(yīng)注意的事項 除了各種硬度計使用時特殊注意事項外，除了各種硬度計使用時特殊注意事項外，還有一些共同的應(yīng)注意的問題，現(xiàn)列舉還有一些共同的應(yīng)注意的問題，現(xiàn)列舉如下：如下：1)1)硬度計本身會產(chǎn)生兩種誤差：硬度計本身會產(chǎn)生兩種誤差：l 一是

23、其零件的變形、移動造成的誤差；一是其零件的變形、移動造成的誤差；l 二是硬度參數(shù)超出規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)所造成的誤差。二是硬度參數(shù)超出規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)所造成的誤差。對第二種誤差，在測量前需用標(biāo)準(zhǔn)塊對硬度計對第二種誤差，在測量前需用標(biāo)準(zhǔn)塊對硬度計進行校準(zhǔn)。進行校準(zhǔn)。l 洛氏硬度各標(biāo)度有一事實上的適用范圍，要根洛氏硬度各標(biāo)度有一事實上的適用范圍，要根據(jù)規(guī)定正確選用。例如，硬度高于據(jù)規(guī)定正確選用。例如，硬度高于HRB100HRB100時，時，應(yīng)采用應(yīng)采用HRCHRC標(biāo)度進行測試；硬度低于標(biāo)度進行測試；硬度低于HRC20HRC20時應(yīng)時應(yīng)用用HRBHRB標(biāo)度進行測試。因為超出其規(guī)定的測試標(biāo)度進行測試。因為超出其規(guī)定的測試

24、范圍時，硬度計的精確度及靈敏度較差，硬度范圍時，硬度計的精確度及靈敏度較差，硬度值不準(zhǔn)確，不宜使用。值不準(zhǔn)確，不宜使用。l 其他硬度測試法也都規(guī)定有相應(yīng)的校正標(biāo)準(zhǔn)。其他硬度測試法也都規(guī)定有相應(yīng)的校正標(biāo)準(zhǔn)。 2) 2) 壓頭避免撞擊壓頭避免撞擊, ,保持清潔保持清潔; ; 3) 3)在試件允許的情況下，一般選不同部位至少在試件允許的情況下，一般選不同部位至少測試三個硬度值，取平均值，取平均值作為試測試三個硬度值，取平均值，取平均值作為試件的硬度值。件的硬度值。4) 4) 對形狀復(fù)雜的試件要采用相應(yīng)形狀的墊塊，對形狀復(fù)雜的試件要采用相應(yīng)形狀的墊塊，固定后方可測試。對圓試件一般要放在固定后方可測試。

25、對圓試件一般要放在V V形槽形槽中測試。中測試。5) 5) 加載時動作要輕穩(wěn)，加載時不能移動試樣或加載時動作要輕穩(wěn)，加載時不能移動試樣或轉(zhuǎn)動壓頭。轉(zhuǎn)動壓頭。實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容1 1洛氏硬度：不同熱處理狀態(tài)的洛氏硬度：不同熱處理狀態(tài)的T10T10鋼或鋼或4545號鋼，每組號鋼，每組7 7塊試樣，每個樣打三個點取塊試樣，每個樣打三個點取平均值，做出材料熱處理狀態(tài)與硬度對應(yīng)平均值，做出材料熱處理狀態(tài)與硬度對應(yīng)的曲線圖或表。的曲線圖或表。2. 452. 45號鋼布氏硬度，測量壓痕的直徑，利用公式號鋼布氏硬度，測量壓痕的直徑，利用公式計算布氏硬度值。計算布氏硬度值。思思 考考 題題1 1最常用的硬度計有哪

26、幾類？其硬度用什么符號最常用的硬度計有哪幾類？其硬度用什么符號表示？表示？2 2洛氏硬度計的測量原理是什么？洛氏硬度計的測量原理是什么？3 3最常用的三種洛氏硬度標(biāo)準(zhǔn)的壓頭載荷是如何最常用的三種洛氏硬度標(biāo)準(zhǔn)的壓頭載荷是如何配合使用的？配合使用的？4 4布氏和維氏硬度的試驗原理是什么？布氏和維氏硬度的試驗原理是什么？5 5試說明布氏、洛氏、維氏硬度試驗的優(yōu)缺點、試說明布氏、洛氏、維氏硬度試驗的優(yōu)缺點、適用范圍及測量注意事項。適用范圍及測量注意事項。6 6符號符號130HBW10/1000/30130HBW10/1000/30、HRC50HRC50、640 HV640 HV3 30/20 0/20

27、 的含義？的含義？實驗一 鐵碳合金平衡組織觀察一、實驗?zāi)康?1. 學(xué)會使用光學(xué)顯微鏡； 2. 掌握鐵碳合金在平衡狀態(tài)下的組織特征。 實驗一 鐵碳合金平衡組織觀察二、實驗儀器 4A型金相顯微鏡鐵碳合金平衡組織 鐵碳合金平衡狀態(tài)的顯微組織是指合金在極為緩慢的條件下，即接近于平衡狀態(tài)下所得到的組織； 可以根據(jù)Fe-Fe3C平衡相圖來分析合金在平衡狀態(tài)下的顯微組織； 鐵碳合金在室溫下的平衡組織均由鐵素體（F）和滲碳體（Fe3C）兩相按不同數(shù)量、大小、形態(tài)和分布所組成。鐵碳合金的分類Fe-C平衡相圖鐵碳合金的分類 根據(jù)鐵碳合金的含碳量和組織的不同，可將其分為三類： 1.工業(yè)純鐵（含碳0.0218%）顯微

28、組織為鐵素體： 2.鋼（含碳0.02182.11% ）其特點是高溫組織為單相奧氏體，具有良好的塑性，適于鍛造。根據(jù)試問組織的不同，鋼又可分為三類： 亞共析鋼（含碳0.77%）組織為鐵素體和珠光體； 共析鋼（含碳量為0.77%）組織是珠光體； 過共析鋼（含碳0.77%）珠光體和滲碳體 3.白口鑄鐵（含碳量2.116.69%）特點是液態(tài)結(jié)晶時都有共晶轉(zhuǎn)變，具有好的鑄造性。但高溫組織中滲碳體量多，性脆，不適合鍛造。根據(jù)室溫組織的不同，白口鑄鐵又分為三類： 亞共晶白口鑄鐵（含碳4.3%）組織為珠光體、滲碳體與變態(tài)萊氏體； 共晶白口鑄鐵（含碳量為4.3%）組織是變態(tài)萊氏體； 過共晶白口鑄鐵（含碳4.3%

29、）組織是滲碳體與變態(tài)萊氏體。鐵碳合金的組織1.工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵組織 碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.0218%的鐵碳合金稱為工業(yè)純鐵； 白亮基底是鐵素體的不規(guī)則等軸晶。黑色線條是鐵素體的晶界； 在某些晶界可以看到少量不連續(xù)薄片狀三次滲碳體； 硬度、強度不高而塑性、韌性較好。 2.碳鋼（1）共析鋼 含碳量為0.77%，在727以上的組織為奧氏體，冷至727時發(fā)生共析反應(yīng)： CFeFACC3%0218. 0%77. 0珠光體電鏡照片珠光體光鏡照片 將鐵素體與滲碳體的機械混合物稱為珠光體（P）。室溫下珠光體中滲碳體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為12%； 慢冷所得到的珠光體呈層片狀； 采用電子顯微鏡高倍放大能看出Fe3C薄層的厚

30、度， Fe3C窄條與基體F兩者有明顯的分界線。普通光學(xué)顯微鏡下觀察時，只能看到Fe3C成細(xì)黑線條分布在鐵素體上； 位向相同的一組鐵素體加滲碳體片層，稱為一個共析領(lǐng)域； 當(dāng)放大倍數(shù)低，珠光體組織細(xì)密或浸蝕過深時，珠光體中的片層難以分辨，呈一片暗色區(qū)域。2.碳鋼（2）亞共析鋼亞共析鋼的含碳量為0.0218%0.77%，其組織為先共析鐵素體加珠光體。 20鋼 平衡組織40鋼 平衡組織 在顯微鏡下鐵素體呈亮色，珠光體呈暗色； 鐵素體的形態(tài)隨合金含碳量（即鐵素體的量）的多少而變化。例如20鋼，其組織的基體為等軸晶粒，少量暗色珠光體分布在鐵素體晶粒邊界或三叉晶界上，呈不規(guī)則島狀，40鋼珠光體與鐵素體量相當(dāng)

31、，當(dāng)碳含量大于0.5%時，珠光體成為鋼的基體，鐵素體呈連續(xù)或斷續(xù)的網(wǎng)絡(luò)狀圍繞著珠光體分布。2.碳鋼（3）過共析鋼 過共析鋼的含碳量為0.77%2.11%，但由于含碳量過高，二次滲碳體量增多，使鋼變脆，實用鋼的最大含碳量只到1.3%。 T12鋼 硝酸酒精腐蝕 過共析鋼的組織由珠光體及二次滲碳體組成，二次滲碳體呈網(wǎng)狀，分布在晶粒邊界，含碳量愈高，滲碳體網(wǎng)越多越完整；3.白口鑄鐵（1）共晶白口鑄鐵 共晶白口鑄鐵 共晶白口鑄鐵的含碳量為4.3%，此合金由液態(tài)冷卻到1148時，全部發(fā)生共晶反應(yīng)： 所得產(chǎn)物為萊氏體（Ld），呈豹皮狀，其中奧氏體呈短棒或小條狀分布在滲碳體基礎(chǔ)上，在以后的繼續(xù)冷卻過程中，只有

32、奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變，先析出二次滲碳體，后在727形成珠光體。； 沿奧氏體邊界析出的二次滲碳體，常與共晶滲碳體連成一片，不易分辨； 室溫組織是由奧氏體轉(zhuǎn)變來的二次滲碳體、珠光體及原共晶滲碳體組成，稱變態(tài)萊氏體（Ld）。所謂變態(tài)的實質(zhì)是指共晶內(nèi)部組成物改變，并非形貌改觀，在顯微鏡下觀察變態(tài)萊氏體仍呈豹皮狀 。CFeALCC3)%11. 2()%3 . 4(3.白口鑄鐵（1）亞共晶白口鑄鐵 亞共晶白口鑄鐵 亞共晶白口鑄鐵含碳量為2.11%4.3%； 這類合金凝固時先析出初生奧氏體，呈樹枝狀，剩余液體在1148發(fā)生共晶反應(yīng)得到萊氏體，繼續(xù)冷卻時初生奧氏體及共晶體中的奧氏體各在原地發(fā)生相同的轉(zhuǎn)變，即先析出二

33、次滲碳體，后形成珠光體； 室溫組織是由初生奧氏體轉(zhuǎn)變所得的二次滲碳體加珠光體（Fe3CII+P）及變態(tài)萊氏體Ld所組成 。3.白口鑄鐵（1）過共晶白口鑄鐵 亞共晶白口鑄鐵 過共晶白口鑄鐵含碳量為4.3%6.69%； 過共晶白口鑄鐵的組織由粗大片狀的一次滲碳體加變態(tài)萊氏體組成。實驗所用材料 表中列出了觀察所用的金相試樣，共5套 類別合金牌號浸蝕劑顯微組織類別合金浸蝕劑顯微組織工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵35%硝酸酒精溶液F+Fe3CII白口鑄鐵亞共晶35%硝酸酒精溶液Fe3CII+P+Ld亞共析鋼4535%硝酸酒精溶液F+P共析鋼T835%硝酸酒精溶液P共晶35%硝酸酒精溶液Ld過共析鋼T1235%硝酸酒精

34、溶液P+Fe3CII過共晶35%硝酸酒精溶液Ld+Fe3CI實驗內(nèi)容 1. 學(xué)習(xí)顯微鏡的原理及操作過程； 2. 觀察、分析工業(yè)純鐵、亞共析鋼45鋼、共析鋼T8、過共析鋼T12、亞共析白口鑄鐵B亞、共析白口鑄鐵B、過共析白口鑄鐵B過的組織特征，并畫出各組織示意圖。思考題1. 簡述純鐵的室溫組織與其性能關(guān)系。2. 鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體的結(jié)構(gòu)、組織形態(tài)的特點。3. 簡述Fe-Fe3C相圖中三個基本反應(yīng)：包晶反應(yīng)、共晶反應(yīng)及共析反應(yīng)，寫出反應(yīng)式，注出含碳量及溫度。4. 何謂碳素鋼？何謂白口鑄鐵？兩者的成分、組織和性能有何差別？5. 變態(tài)萊氏體的塑性比珠光體的差，說明原因。實驗二 鐵碳

35、合金非平衡組織觀察一、實驗?zāi)康?1. 觀察和研究碳鋼經(jīng)不同形式熱處理后顯微組織的特征； 2. 了解熱處理工藝對鋼組織和性能的影響。 實驗原理 碳鋼在不平衡狀態(tài)，即快冷條件下的顯微組織不能用鐵碳合金相圖來加以分析，而應(yīng)由過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線圖C曲線來確定； 按照不同的冷卻條件，過冷奧氏體將在不同的溫度范圍發(fā)生不同類型的轉(zhuǎn)變。通過金相顯微鏡觀察，可以看出過冷奧氏體各種轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織形態(tài)各不相同。 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)生了一系列變化。 采用不同的熱處理工藝，將會使鋼得到不同的組織，從而獲得所需性能。 共析鋼C曲線轉(zhuǎn)變類型組織名稱形成溫度范圍（）金相顯微

36、組織特征硬度（HBC）珠光體型相變珠光體（P）650 在400500倍金相顯微鏡下可觀察到鐵素體和滲碳體的片層狀組織20（HB180200）索氏體（S）600650在8001000倍以上的顯微鏡下才能分清片層狀特征，在低倍下片層模糊不清2535屈氏體（T）550600 用光學(xué)顯微鏡觀察時呈黑色團狀組織，只有在電子顯微鏡（500015000）下才能看出片層組織3540貝氏體型相變上貝氏體（B上）350550 在金相顯微鏡下呈暗灰色的羽毛狀特征4048下貝氏體（貝下）220350 在金相顯微鏡下呈黑色針葉狀特征4858馬氏體型相變馬氏體（M）230 在正常淬火溫度下呈細(xì)針狀馬氏體（隱晶馬氏體），過

37、熱淬火時則呈粗大片狀馬氏體6265一般有以下幾種熱處理方法熱處理工藝熱處理種類雖然很多，但各種熱處理都不外乎包括加熱、保溫、冷卻三個階段。熱處理工藝熱處理工藝曲線1.鋼的退火及正火組織 亞共析成分的碳鋼（如40、45鋼等）一般采用完全退火，經(jīng)退火后可得到接近于平衡狀態(tài)的組織； 過共析成分的碳素工具鋼（如T10、T12鋼等）一般采用球化退火，T12鋼經(jīng)球化退火后組織中的二次滲碳體及珠光體中的滲碳體都將變成顆粒狀 ； 正火是將鋼加熱到AC3或Acm以上3050，保溫后進行空冷，由于冷卻速度比退火稍快，組織中的珠光體相對量較高，且片層較細(xì)密； 對于低碳鋼來說，正火后提高了硬度，對于高碳鋼來說可消除網(wǎng)

38、狀滲碳體，為下一步球化退火及淬火做準(zhǔn)備。T12鋼球化退火組織 45鋼經(jīng)正火后的組織 圖中均勻而分散的細(xì)小粒狀組織就是粒狀滲碳體 。 45鋼經(jīng)正火后的組織通常要比退火的細(xì)，珠光體的相對含量也比退火組織中的多 ； 圖中黑的部分為索氏體組織，白色部分為鐵素體組織。 2.鋼的淬火組織 凡是淬透性好的材料經(jīng)過淬火處理后均獲得馬氏體組織，而馬氏體的形態(tài)又根據(jù)其本身的含碳量不同而有所區(qū)別。最常見的馬氏體有板條馬氏體和片狀馬氏體。 （1）板條馬氏體 板條狀馬氏體的立體形態(tài)為細(xì)長的板條狀，在低碳鋼中長度約幾微 米，橫截面近似橢圓形，平均直徑小于1m，通常為0.10.2m，在顯微鏡下表示為一束束細(xì)條狀的組織。每束

39、的條與條之間以小角度晶界分開，束與束之間有較大的位相差。這些有規(guī)則的成群堆集的馬氏體板條為成束的從奧氏體晶界中長出。 低碳馬氏體呈板條狀，因此稱低碳馬氏體為板條馬氏體，其亞結(jié)構(gòu)內(nèi)具有高密度位錯，也稱位錯馬氏體。2.鋼的淬火組織（2）片狀馬氏體 片狀馬氏體的立體形態(tài)是由許多厚度較小的凸透鏡狀晶體按不同角度分布所組成。在金相顯微鏡下觀察為片狀、竹葉狀或針狀，通常出現(xiàn)針狀和竹葉狀的幾率較大，所以一般稱針狀馬氏體； 當(dāng)金屬磨面與馬氏體平行相切時，可看到大馬氏體片。相鄰針狀馬氏體片之間互不平行，是這種組織的主要特征； 在一個奧氏體晶粒內(nèi)第一片形成的馬氏體往往貫穿整個奧氏體晶粒，將奧氏體晶粒加以分割，使以

40、后形成的馬氏體片受到限制。因此，片狀馬氏體大小不一，有的馬氏體片中有一條中脊面，在馬氏體片周圍往往有參與奧氏體； 片狀馬氏體晶內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)主要是孿晶，所以也叫做孿晶型馬氏體。 板條馬氏體顯微組織片狀馬氏體顯微組織2.鋼的淬火組織 淬火冷卻速度，有油冷和水冷；根據(jù)加熱溫度又分為不完全淬火，正常淬火和過熱淬火。（1）不完全淬火：將45鋼加熱到Ac1以上，但低于Ac3（760 ），然后在水中冷卻，這種淬火稱為不完全淬火。 在這個溫度加熱，部分鐵素體尚未溶入奧氏體中，經(jīng)淬火后將得到馬氏體和鐵素體組織。在金相顯微鏡中觀察到的是呈暗色針狀馬氏體基底上分布有白色塊狀鐵素體。（2）正常淬火：45鋼經(jīng)正常淬火（860）后將獲得細(xì)針狀馬氏體，由于馬氏體針非常細(xì)小，在顯微鏡中不易分清。（3）過熱淬火：若將淬火溫度提高到1000（過熱淬火），由于奧氏體晶粒的粗化，經(jīng)淬火后將得到粗大針狀馬氏體組織 。 45鋼不