工程材料金相实验指导.docx
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工程材料金相实验指导
《工程材料》课程
实验指导书
实验一45钢金相样品制备及其平衡组织观察………………2
实验二45钢的热处理实验……………………………………7
实验一45钢金相样品制备及其平衡组织观察
一、目的与要求
1.初步掌握金相样品制备的基本方法。
2.熟悉金相显微镜的基本原理及使用方法。
3.初步认识金相显微镜下45钢的组织特征。
二、主要设备与仪器
1、主要设备
(1)XQT透反射显微镜(如图1.1所示)
主要技术参数:
总放大倍数:
125X-1560X
目镜:
10×平场目镜、12.5×广角平场目镜、10×分划目镜
物镜:
10、40、100×平场消色差物镜
(2)XJP-3A金相显微镜(如图1.2所示)
主要技术参数:
总放大倍率:
1250倍
目镜:
5x、10x、12.5x
分划目镜:
10×
平场消色差物镜:
10×、40×、100×
电源:
220V,6V/15W卤素灯
(3)XJG-05型大型金相显微镜+TDY-J金相分析软件(如图1.3、图1.4所示)
图1.3XJG-05大型金相显微镜
图1.4金相图像分析系统
(4)PW-1B型柜式多能磨抛机(如图1.5)
主要技术参数:
砂纸直径:
230mm
抛盘直径:
220mm
转速:
50/1400r/min(无级)
电动机:
80变频电机
三相220V0~50Hz
(5)QG-3金相试样切割机(如图1.6所示)
主要技术参数:
最大切割截面:
Φ85mm
转速:
2800/min
砂轮片规格:
300×1.5×32mm
电动机:
Y100L2-2
电源:
380V
功率:
3kW
2、其它仪器
金相砂纸、4%的硝酸酒精溶液、吹风机、医用脱脂棉、镊子等。
三、内容与步骤
1、金相试样的制备
金相样品的制备过程一般包括取样、镶嵌、粗磨、细磨、抛光和腐蚀步骤。
(1)常用金相样品制备的基本方法如下表1-1:
表1-1金相样品制备的基本方法
序号
步骤
方法
注意事项
1
取样
在要检测的材料或零件上截取样品,取样部位和磨面根据分析要求而定,截取方法视材料硬度选择,有车、刨、砂轮切割机,线切割机及锤击法等,尺寸以适宜手握为宜。
无论用哪种方法取样,都要尽量避免和减少因塑性变形和受热所引起的组织变化现象。
截取时可加水等冷却。
2
镶嵌
若由于零件尺寸及形状的限制,使取样后的尺寸太小、不规则,或需要检验边缘的样品,应将分析面整平后进行镶嵌。
热镶嵌要在专用设备上进行,只适应于加热对组织不影响的材料。
3
粗磨
用砂轮机或挫刀等磨平检验面,若不需要观察边缘时可将边缘倒角。
粗磨的同时去掉了切割时产生的变形层。
若有渗层等表面处理时,不要倒角,且要磨掉约1.5mm,如渗碳。
4
细磨
按金相砂纸号顺序:
120、280、01、03、05或120、280、02、04、06将砂纸平铺在玻璃板上,一手拿样品,一手按住砂纸磨制,更换砂纸时,磨痕方向应与上道磨痕方向垂直,磨到前道磨痕消失为止,砂纸磨制完毕,将手和样品冲洗干净。
每道砂纸磨制时,用力要均匀,一定要磨平检验面,转动样品表面,观察表面的反光变化确定,更换砂纸时,勿将砂粒带入下道工序。
5
粗抛光
用绿粉(Cr203)水溶液作为抛光液在帆布上进行抛光,将抛光液少量多次地加入到抛光盘上进行抛光。
注意安全,以免样品飞出伤人。
初次制样时,适宜在抛光盘约半径一半处抛光,感到阻力大时,就该加抛光液了。
6
细抛光
用红粉(Fe2O3)水溶液作为抛光液在绒布上抛光,将抛光液少量多次地加入到抛光盘上进行抛光。
同上。
(2)金属材料常用腐蚀剂见表1-2,其它材料的腐蚀剂可查阅有关手册。
表1-2金属材料常用腐蚀剂
序号
腐蚀剂名称
成分ml(g)
腐蚀条件
适应范围
1
硝酸酒精溶液
硝酸1~5
酒精100
室温腐蚀数秒
碳钢及低合金钢,能清晰的显示铁素体晶界
2
苦味酸酒精溶液
苦味酸4
酒精100
室温腐蚀数秒
碳钢及低合金钢,能清晰的显示珠光体和碳化物
2、观察金相试样的显微组织
金相试样制备好后,用吹风机对其干燥,然后准备观察其显微组织结构。
(1)根据观察试样所需的放大倍数,选择物镜和目镜;
(2)然后将试样放在载物台中心,使载物台中心与物镜中心对正,试样被观察面向下;
(3)转动粗调焦距手轮降低载物台,使试样表面接近物镜;再慢慢反向转动手轮至目镜中出现模糊的影像;最后轻轻转动微调焦距手轮,直至看到清晰的组织;
(4)使载物台前后左右移动,观察试样的不同部位,找出具有代表性的显微组织,并画出试样的显微组织示意图。
四、结果与分析
碳钢合金的显微组织是研究钢铁材料性能的基础。
碳钢合金平衡状态的组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下(如退火状态)所得到的组织,其相变过程均按相图进行,因此可以根据该相图来分析碳钢合金的平衡组织。
含碳量小于2.11%的合金为碳钢,含碳量大于2.11%的合金为白口铸铁。
所有碳钢和白口铸铁在室温下的组织均有铁素体(Fe)和渗碳体(Fe3C)这两个基本相。
只是因含碳量不同,铁素体和渗碳体的相对数量及分布形态有所不同,因而呈不同的组织形态。
1、碳钢的基本组织
(1)铁素体(F)是碳在中的固溶体。
铁素体为体心立方格。
具有磁性及良好的塑性,硬度较低。
用3%~4%硝酸酒精溶液侵蚀后,在显微镜下呈现明亮色的多边形晶粒。
(2)渗碳体(Fe3C)是铁与碳形成的一种化合物,含碳量为6.69%。
用3%~4%硝酸酒精溶液侵蚀后,渗碳体呈亮白色,若用苦味酸钠溶液侵蚀,则渗碳体呈黑色而铁素体仍为白色。
(3)珠光体(P)是铁素体和渗碳体的机械混合物,其组织是共析转变的产物。
由杠杆定律可以求得铁素体与渗碳体的含量比为8:
1。
因此,铁素体厚,渗碳体薄。
2、铁碳合金室温下显微组织
(1)工业纯铁含碳量﹤0.0218%,其显微组织为铁素体。
(2)碳钢
①共析钢:
含钢量为0.77%。
其显微组织由单一地珠光体组成。
②亚共析钢:
含钢量在0.0218%~0.77%范围内的碳钢合金其组织由共析铁素体和珠光体所组成,随着含碳量的增加,铁素体的数量逐渐减少,而珠光体的数量则相应地增多。
③过共析钢:
含碳量在0.77%与2.11%之间。
其组织由珠光体和先共析渗碳体(即二次渗碳体)组成。
钢中含碳量越多,二次渗碳体数量就越多。
组织中存在片状珠光体和网络状二次渗碳体,经侵蚀后珠光体成暗黑色,而二次渗碳体则呈白色网络状。
3、45钢金相试样的显微组织
45钢属于亚共析钢,其组织由铁素体和珠光体组成。
其中经过侵蚀后的珠光体呈黄褐色片层状结构,铁素体呈亮白色(如图1.7所示)。
实验二45钢的热处理实验
一、目的与要求
1、了解碳钢普通热处理(退火、正火、淬火、回火)的操作方法。
2、掌握碳钢在热处理时加热温度、冷却速度及回火温度等主要因素对碳钢热处理后组织与性能的影响。
3、掌握金属材料的硬度试验方法。
二、主要设备与仪器
1、主要设备
(1)SX-5-12箱式电阻加热炉(如图2.1所示)
主要技术参数:
工作室尺寸高×深×宽(mm):
300×200×120
电压(V):
220
相数:
1
功率(KW):
5
最高温度(℃):
1200
(2)HBRVU-187.5布洛维硬度计(如图2.2所示)
主要技术参数:
初试验力(N):
98;
总试验力(N):
588、980、1471;
布氏硬度试验力(N):
306、613、1839;
维氏硬度试验力(N):
294,588,980;
显微镜放大倍率:
37.5倍、75倍;
试件允许最大高度:
180mm;
压头中心到机身距离:
200mm;
硬度计外形尺寸(mm):
560×260×760;
电源电压:
AC220V/50HZ;
(3)数显洛氏硬度计(HRS-150)
主要技术参数
初试验力(N):
98N
总试验力(N):
588N、980N、1471N
总试验力保持时间(S):
1-30
读数方式:
数显
电源电压:
AC220V/50HZ
试件允许最大高度:
170mm
硬度值范围
HRA:
20~88
HRB:
20~100
图2.3RHS-150数显洛式硬度计
HRC:
20~70
2、其它仪器:
PHR-2便携式洛式硬度计(如图2.4所示)、热处理用夹钳、手套、水箱等。
三、内容与步骤
钢的热处理工艺特点是:
将钢加热到一定的温度,经一段时间的保温,然后以某种速度冷却下来,通过这样的工艺过程能使钢的性能发生改变。
1、碳钢的普通热处理工艺方法
1)钢的退火
钢的退火通常是把钢加热到临界温度Ac1或Ac3线以上,保温一段时间,然后缓慢地随炉冷却。
此时,奥氏体在高温区发生分解,从而得到比较接近平衡状态的组织。
一般中碳钢(如40、45钢)经退火后消除了残余应力,组织稳定,硬度较低(HB180~220)有利于下一步进行切削加工。
2)钢的正火
钢的正火通常是把钢加热到临界温度Ac3或Accm线以上,保温一段时间,然后进行空冷。
由于冷却速度稍快,与退火组织相比,组织中的珠光体量相对较多,且片层较细密,故性能有所改善,细化了晶粒,改善了组织,消除了残余应力。
对低碳钢来说,正火后提高硬度可改善切削加工性,提高零件表面光洁度;对于高碳钢,则正火可消除网状渗碳体,为下一步球化退火及淬火作好组织准备。
3)钢的淬火
钢的淬火通常是把钢加热到临界温度Ac1或Ac3线以上,保温一段时间,然后放入各种不同的冷却介质中快速冷却(V冷>V临),以获得具有高硬度、高耐磨性的马氏体组织。
4)钢的回火
钢的回火通常是把淬火钢重新加热至Ac1线以下的一定温度,经过适当时间的保温后,冷却到室温的一种热处理工艺。
由于钢经淬火后得到的马氏体组织硬而脆,并且工件内部存在很大的内应力,如果直接进行磨削加工则往往会出现龟裂,一些精密的零件在使用过程中将会引起尺寸变化从而失去精度,甚至开裂。
因此,淬火钢必须进行回火处理。
不同的回火工艺可以使钢获得各种不同的性能。
2、碳钢普通热处理工艺
1)加热温度
碳钢普通热处理的加热温度,原则上按加热到临界温度Ac1或Ac3线以上30~50℃选定。
但生产中,应根据工件实际情况作适当调整。
热处理加热温度不能过高,否则会使工件的晶粒粗大、氧化、脱碳、变形、开裂等倾向增加。
但加热温度过低,也达不到要求。
表2-1碳钢普通热处理的加热温度
方法
加热温度(℃)
应用范围
退火
Ac3+(20~60)
亚共析钢完全退火
Ac1+(20~40)
过共析钢球化退火
正火
Ac3+(50~100)
亚共析钢
Accm+(30~50)
过共析钢
淬火
Ac3+(30~70)
亚共析钢
Ac1+(30~70)
过共析钢
回火
低温回火
150~250
刃具、模具、量具、高硬度零件
中温回火
350~500
弹簧、中等硬度零件
高温回火
500~650
齿轮、轴、连杆等综合机械性能零件
表2-2常用碳钢的临界点
钢号
临界点(℃)
Ac1
Ac3
Accm
20钢
735
855
——
45钢
724
780
——
T8钢
730
——
——
T12钢
730
——
820
2)加热时间
热处理的加热时间(包括升温与保温时间)与钢的成分、原始组织、工件的尺寸与形状、使用的加热设备与装炉方式及热处理方法等许多因素有关。
因此,要确切计算加热时间是比较复杂的。
在实验室中,热处理加热时间(包括加热、保温时间)通常按工件有效厚度,用下列经验公式计算加热时间:
T=αD
式中:
T——加热时间(min);
α——加热系数(min/mm);
D——工件有效厚度(mm)。
当碳钢工件D≤50mm,在800~960℃箱式电阻炉中加热时,α=1~1.2(min/mm)。
回火的保温时间要保证工件热透并使组织充分转变。
实验时组织转变时间可取0.5h。
3)冷却方法
(1)退火冷却方式:
钢退火时,一般采用随炉冷却到600~550℃以下再出炉空冷。
(2)正火冷却方式:
钢正火时,一般采用在空气中冷却。
(3)淬火冷却方式:
钢淬火时,钢在过冷奥氏体最不稳定的范围内(650~550℃)的冷却速度应大于临界冷却速度,从而保证工件不转变为珠光体型组织;而在Ms点附近的冷却速度应尽可能低,从而降低淬火内应力,减少工件变形与开裂。
因此,淬火时,除了要选用合适的淬火冷却介质外,还应改进淬火方法。
对形状简单的工件,常采用简易的单液淬火法,如碳钢用水或盐水液作冷却介质,合金钢常用油作冷却介质。
(4)回火冷却方式:
碳钢回火时,一般采用在空气中冷却。
3、实验步骤
1)每组学生领取实验试样45钢3块,并打上钢号,以免混淆。
2)测量每块45钢试样的初始硬度并作好记录。
3)将45钢试样放到箱式电阻炉中加热到820~840℃,保温15分钟,然后分别进行炉冷、空冷和水冷,其后,分别测定其硬度,并作好记录。
钢号
初始硬度
HRC
加热温度
(℃)
保温时间
(min)
冷却方法
硬度
HRC
1
炉冷
2
空冷
3
水冷
四、结果与分析
1、碳钢含碳量对淬火后硬度的影响
在正常淬火条件下,钢的含碳量越高,淬火后的硬度也越高。
但含碳量大于0.8%的钢,一般低碳钢淬后,硬度在HRC40左右;中碳钢淬火后,硬度可达HRC50~62;高碳钢淬火后,硬度高达HRC62~65。
2、不同的回火温度对碳钢硬度的影响
淬火钢在回火过程中发生了一系列的组织变化,这必然会引起机械性能发生相应的变化。
淬火钢的回火,实质上是一个软化过程,性能变化的总趋势是,随着回火温度的升高,硬度、强度降低,而塑性、韧性提高。
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