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文檔簡介

【教程】工程材料課程實驗實驗內(nèi)容實驗一45鋼金相樣品制備及其平衡組織觀察實驗二45鋼的熱處理實驗實驗一45鋼金相樣品制備及其平衡組織觀察一、目的與要求1.初步掌握金相樣品制備的基本方法。2.熟悉金相顯微鏡的基本原理及使用方法。3.初步認識金相顯微鏡下45鋼的組織特征。圖1.1XQT透反射顯微鏡主要技術(shù)參數(shù):總放大倍數(shù):125x~1560x

目鏡:10x平場目鏡、12.5x廣角平場目鏡、10x分劃目鏡物鏡:10x、40x、100x平場消色差物鏡二、主要設備與儀器

1、主要設備(1)XQT透反射顯微鏡(如圖1.1所示)圖1.2XJP-3A金相顯微鏡主要技術(shù)參數(shù):總放大倍率:1250x目鏡:5x、10x、12.5x分劃目鏡:10x平場消色差物鏡:10x、40x、100x電源:220V,6V/15W鹵素燈(2)XJP-3A金相顯微鏡(如圖1.2所示)圖1.3XJG-05大型金相顯微鏡圖1.4金相圖像分析系統(tǒng)(3)XJG-05型大型金相顯微鏡+TDY-J金相分析軟件(如圖1.3、圖1.4所示)圖1.5PW-1B磨拋機主要技術(shù)參數(shù):砂紙直徑:230mm拋盤直徑:220mm轉(zhuǎn)速:50/1400r/min(無級)電動機:80變頻電機三相220V0~50Hz(4)PW-1B型柜式多能磨拋機(如圖1.5)(5)QG-3金相試樣切割機(如圖1.6所示)圖1.6QG-3切割機主要技術(shù)參數(shù):最大切割截面:Φ85mm轉(zhuǎn)速:2800/min砂輪片規(guī)格:

300×1.5×32mm電動機:Y100L2-2電源:380V功率:3kW2、其它儀器金相砂紙、4%的硝酸酒精溶液、吹風機、醫(yī)用脫脂棉、鑷子等。三、實驗內(nèi)容與步驟1、金相試樣的制備金相樣品的制備過程一般包括取樣、鑲嵌、粗磨、細磨、拋光和腐蝕步驟。2、觀察金相試樣的顯微組織金相試樣制備好后,用吹風機對其干燥,然后準備觀察其顯微組織結(jié)構(gòu)。(1)根據(jù)觀察試樣所需的放大倍數(shù),選擇物鏡和目鏡;(2)然后將試樣放在載物臺中心,使載物臺中心與物鏡中心對正,試樣被觀察面向下;(3)轉(zhuǎn)動粗調(diào)焦距手輪降低載物臺,使試樣表面接近物鏡;再慢慢反向轉(zhuǎn)動手輪至目鏡中出現(xiàn)模糊的影像;最后輕輕轉(zhuǎn)動微調(diào)焦距手輪,直至看到清晰的組織;(4)使載物臺前后左右移動,觀察試樣的不同部位,找出具有代表性的顯微組織,并畫出試樣的顯微組織示意圖。四、實驗結(jié)果與分析碳鋼合金的顯微組織是研究鋼鐵材料性能的基礎。碳鋼合金平衡狀態(tài)的組織是指合金在極為緩慢的冷卻條件下(如退火狀態(tài))所得到的組織,其相變過程均按相圖進行,因此可以根據(jù)該相圖來分析碳鋼合金的平衡組織。含碳量小于2.11%的合金為碳鋼,含碳量大于2.11%的合金為白口鑄鐵。所有碳鋼和白口鑄鐵在室溫下的組織均有鐵素體(Fe)和滲碳體(Fe3C)這兩個基本相。只是因含碳量不同,鐵素體和滲碳體的相對數(shù)量及分布形態(tài)有所不同,因而呈不同的組織形態(tài)。1、碳鋼的基本組織

(1)鐵素體(F)是碳在中的固溶體。鐵素體為體心立方格。具有磁性及良好的塑性,硬度較低。用3%~4%硝酸酒精溶液侵蝕后,在顯微鏡下呈現(xiàn)明亮色的多邊形晶粒。

(2)滲碳體(Fe3C)是鐵與碳形成的一種化合物,含碳量為6.69%。用3%~4%硝酸酒精溶液侵蝕后,滲碳體呈亮白色,若用苦味酸鈉溶液侵蝕,則滲碳體呈黑色而鐵素體仍為白色。

(3)珠光體(P)是鐵素體和滲碳體的機械混合物,其組織是共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。由杠桿定律可以求得鐵素體與滲碳體的含量比為8:1。因此,鐵素體厚,滲碳體薄。2、鐵碳合金室溫下顯微組織

(1)工業(yè)純鐵含碳量﹤0.0218%,其顯微組織為鐵素體。

(2)碳鋼

①共析鋼:含鋼量為0.77%。其顯微組織由單一地珠光體組成。

②亞共析鋼:含鋼量在0.0218%~0.77%范圍內(nèi)的碳鋼合金其組織由共析鐵素體和珠光體所組成,隨著含碳量的增加,鐵素體的數(shù)量逐漸減少,而珠光體的數(shù)量則相應地增多。

③過共析鋼:含碳量在0.77%與2.11%之間。其組織由珠光體和先共析滲碳體(即二次滲碳體)組成。鋼中含碳量越多,二次滲碳體數(shù)量就越多。組織中存在片狀珠光體和網(wǎng)絡狀二次滲碳體,經(jīng)侵蝕后珠光體成暗黑色,而二次滲碳體則呈白色網(wǎng)絡狀。3、45鋼金相試樣的顯微組織圖1.745鋼屬于亞共析鋼,其組織由鐵素體和珠光體組成。其中經(jīng)過侵蝕后的珠光體呈黃褐色片層狀結(jié)構(gòu),鐵素體呈亮白色(如圖1.7所示)。圖1.745鋼室溫顯微組織實驗二45鋼的熱處理實驗一、目的與要求1、了解碳鋼普通熱處理(退火、正火、淬火、回火)的操作方法。2、掌握碳鋼在熱處理時加熱溫度、冷卻速度及回火溫度等主要因素對碳鋼熱處理后組織與性能的影響。3、掌握金屬材料的硬度試驗方法。二、主要設備與儀器圖2.1SX-5-12變溫箱形電阻爐主要技術(shù)參數(shù):工作室尺寸高×深×寬(mm):300×200×120電壓(V):220相數(shù):1功率(KW):5最高溫度(℃):12001、主要設備(1)SX-5-12箱式電阻加熱爐(如圖2.1所示)圖2.2HBRVU-187.5布洛維光學硬度計主要技術(shù)參數(shù):初試驗力(N):98;總試驗力(N):588、980、1471;布氏硬度試驗力(N):306、613、1839;維氏硬度試驗力(N):294,588,980;顯微鏡放大倍率:37.5倍、75倍;(2)HBRVU-187.5布洛維硬度計(如圖2.2所示)主要技術(shù)參數(shù):初試驗力(N):98N總試驗力(N):588N、980N、1471N總試驗力保持時間(S):1-30讀數(shù)方式:數(shù)顯電源電壓:AC220V/50HZ試件允許最大高度:170mm硬度值范圍HRA:20~88HRB:20~100HRC:20~70(3)數(shù)顯洛氏硬度計(HRS-150)2、其它儀器:PHR-2便攜式洛式硬度計(如圖2.4所示)、熱處理用夾鉗、手套、水箱等。鋼的熱處理工藝特點是:將鋼加熱到一定的溫度,經(jīng)一段時間的保溫,然后以某種速度冷卻下來,通過這樣的工藝過程能使鋼的性能發(fā)生改變。

1、碳鋼的普通熱處理工藝方法

1)鋼的退火

鋼的退火通常是把鋼加熱到臨界溫度Ac1或Ac3線以上,保溫一段時間,然后緩慢地隨爐冷卻。此時,奧氏體在高溫區(qū)發(fā)生分解,從而得到比較接近平衡狀態(tài)的組織。一般中碳鋼(如40、45鋼)經(jīng)退火后消除了殘余應力,組織穩(wěn)定,硬度較低(HB180~220)有利于下一步進行切削加工。三、實驗內(nèi)容與步驟2)鋼的正火

鋼的正火通常是把鋼加熱到臨界溫度Ac3或Accm線以上,保溫一段時間,然后進行空冷。由于冷卻速度稍快,與退火組織相比,組織中的珠光體量相對較多,且片層較細密,故性能有所改善,細化了晶粒,改善了組織,消除了殘余應力。對低碳鋼來說,正火后提高硬度可改善切削加工性,提高零件表面光潔度;對于高碳鋼,則正火可消除網(wǎng)狀滲碳體,為下一步球化退火及淬火作好組織準備。

3)鋼的淬火

鋼的淬火通常是把鋼加熱到臨界溫度Ac1或Ac3線以上,保溫一段時間,然后放入各種不同的冷卻介質(zhì)中快速冷卻(V冷>V臨),以獲得具有高硬度、高耐磨性的馬氏體組織。4)鋼的回火

鋼的回火通常是把淬火鋼重新加熱至Ac1線以下的一定溫度,經(jīng)過適當時間的保溫后,冷卻到室溫的一種熱處理工藝。

由于鋼經(jīng)淬火后得到的馬氏體組織硬而脆,并且工件內(nèi)部存在很大的內(nèi)應力,如果直接進行磨削加工則往往會出現(xiàn)龜裂,一些精密的零件在使用過程中將會引起尺寸變化從而失去精度,甚至開裂。因此,淬火鋼必須進行回火處理。

不同的回火工藝可以使鋼獲得各種不同的性能。2、碳鋼普通熱處理工藝

1)加熱溫度

碳鋼普通熱處理的加熱溫度,原則上按加熱到臨界溫度Ac1或Ac3線以上30~50℃選定。

但生產(chǎn)中,應根據(jù)工件實際情況作適當調(diào)整。

熱處理加熱溫度不能過高,否則會使工件的晶粒粗大、氧化、脫碳、變形、開裂等傾向增加。但加熱溫度過低,也達不到要求。

碳鋼普通熱處理的加熱溫度見下表所示。方法加熱溫度(℃)應用范圍退火Ac3+(20~60)亞共析鋼完全退火Ac1+(20~40)過共析鋼球化退火正火Ac3+(50~100)亞共析鋼Accm+(30~50)過共析鋼淬火Ac3+(30~70)亞共析鋼Ac1+(30~70)過共析鋼低溫回火150~250刃具、模具、量具、高硬度零件中溫回火350~500彈簧、中等硬度零件高溫回火500~650齒輪、軸、連桿等綜合機械性能零件表2-1碳鋼普通熱處理的加熱溫度鋼號臨界點(℃)Ac1Ac320鋼73585545鋼724780T8鋼730——T12鋼730——表2-2常用碳鋼的臨界點2)加熱時間

熱處理的加熱時間(包括升溫與保溫時間)與鋼的成分、原始組織、工件的尺寸與形狀、使用的加熱設備與裝爐方式及熱處理方法等許多因素有關。因此,要確切計算加熱時間是比較復雜的。在實驗室中,熱處理加熱時間(包括加熱、保溫時間)通常按工件有效厚度,用下列經(jīng)驗公式計算加熱時間:

T=αD

式中:T——加熱時間(min);

α——加熱系數(shù)(min/mm);

D——工件有效厚度(mm)。當碳鋼工件D≤50mm,在800~960℃箱式電阻爐中加熱時,α=1~1.2(min/mm)?;鼗鸬谋貢r間要保證工件熱透并使組織充分轉(zhuǎn)變。實驗時組織轉(zhuǎn)變時間可取0.5h。

3)冷卻方法(1)退火冷卻方式:鋼退火時,一般采用隨爐冷卻到600~550℃以下再出爐空冷。(2)正火冷卻方式:鋼正火時,一般采用在空氣中冷卻。(3)淬火冷卻方式:鋼淬火時,鋼在過冷奧氏體最不穩(wěn)定的范圍內(nèi)(650~550℃)的冷卻速度應大于臨界冷卻速度,從而保證工件不轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w型組織;而在Ms點附近的冷卻速度應盡可能低,從而降低淬火內(nèi)應力,減少工件變形與開裂。因此,淬火時,除了要選用合適的淬火冷卻介質(zhì)外,還應改進淬火方法。對形狀簡單的工件,常采用簡易的單液淬火法,如碳鋼用水或鹽水液作冷卻介質(zhì),合金鋼常用油作冷卻介質(zhì)。

(4)回火冷卻方式:碳鋼回火時,一般采用在空氣中冷卻。3、實驗步驟

1)每組學生領取實驗試樣45鋼3塊,并打上鋼號,以免混淆。

2)測量每塊45鋼試樣的初始硬度并作好記錄。

3)將45鋼試樣放到箱式電阻爐中加熱到820~840℃,保溫15分鐘,然后分別進行爐冷、空冷和水冷,其后,分別測定其硬度,并作好記錄。鋼號初始硬度HRC加熱溫度(℃)保溫時間(min)冷卻方法硬度HRC1爐冷2空冷3水冷四、結(jié)果

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