实验指导书工程材料.docx
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实验指导书工程材料
《工程材料》
实验指导书
适用专业:
汽车学院各专业
课程代码:
6008989
总学时:
32总学分:
2
编写单位:
材料科学与工程学院
编写人:
向军
审核人:
审批人:
目录
实验一铁碳合金平衡组织的观察…………………………………………………………2
实验二钢的热处理操作……………………………………………………………………5
附录金属材料的硬度实验………………………………………………………………9
注释………………………………………………………………………………………13
主要参考文献…………………………………………………………………………………13
实验一铁碳合金平衡组织观察
一、实验目的和任务
1.观察和熟悉铁碳合金平衡状态下的显微组织特征；
2.了解含碳量对铁碳合金平衡组织的影响，加深对成分、组织与性能之间关系的理解。
二、实验仪器、设备及材料
1.金相显微镜；
2.金相图谱；
3.各种铁碳合金的显微样品，包括：
工业纯铁、20钢、45钢、T7、T8、T12、亚共晶白口铁、共晶白口铁、过共晶白口铁
三、实验原理
1.铁碳合金的各种基本组织特征：
（1）铁素体：
碳在α－Fe中的固溶体，呈白色块状。
（2）渗碳体：
铁和碳组成的间隙化合物。
抗蚀性强，故是白亮的。
一次渗碳体由液相结晶呈粗大片状，分布在莱氏体之间；二次渗碳体由奥氏体中析出，网状分布在晶界上：
三次渗碳体由铁素体中析出，分布在铁素体边界上，量少且分散，一般看不到。
铁素体和渗碳体经3～5％的硝酸酒精溶液浸蚀后都呈白色。
若用苦味酸钠侵蚀，渗碳体呈褐色，这样可以区分铁索体和渗碳体。
（3）珠光体：
铁素体和渗碳体的机械混合物。
铁素体和渗碳体均为片状，边界易腐蚀，故在显微镜下看到的是黑白相间的层状组织（高倍观察）或灰色块状组织（低倍观察）。
（4）莱氏体：
珠光体分散在渗碳体基体上形成的混合物。
在显微镜下，作为基体的渗碳体呈白亮色，而作为分散相的珠光体则为暗黑色斑点或不规则的团块。
2、铁碳合金的组织组成
（1）工业纯铁：
含碳量小于0.0218％，室温组织由铁素体和少量三次渗碳体构成,工业纯铁的显微组织中黑色线条是铁素体的晶界，而亮白色基体则是铁素体的不规则等轴晶粒。
在某些晶界处可以看到不连续的薄片状三次渗碳体。
（2）钢：
含碳量0.0218～2.11％，高温组织为单相奥氏体，727℃发生共折转变。
其低温组织因成分而异。
根据低温组织的不同，钢分为亚共析钢、共析钢、过共析钢：
①亚共折钢：
含碳量0.0218～0.77％，室温组织为铁素体加珠光体，如图3所示，其中白亮色为铁素体，暗黑色为珠光体。
②共析钢：
含碳量0.77％，由单一珠光体组成，如图4所示。
③过共析钢：
含碳量0.77～2.11％，室温组织为珠光体和二次渗碳体组成，如图5所示。
其中珠光体呈暗黑色，二次渗碳体呈白色网状。
（3）白口铁：
含碳量2.11～6.69％，液相结晶时，都要经历共晶反应，共晶反应所得到的组织是莱氏体（奥氏体＋渗碳体，以渗碳体为基体组织），其低温组织因成分而导，根据其低温组织的不同，白口铁分为亚共晶白口铁、共晶白口铁、过共晶白口铁。
①亚共晶白口铁；含碳量2.11～4.3％，在室温下的组织为珠光体，二次渗碳体和莱氏体组成，如图6所示，其中珠光体呈黑色枝晶状，莱氏体呈斑点状。
②共晶白口铁：
含碳量4.3％，在室温下的组织为单一的共晶莱氏体，如图7所示，其中暗黑色细条及斑点为珠光体，白亮色为渗碳体。
③过共晶白口铁：
含碳量4.3～6.69％，在室温下的组织由一次渗碳体和莱氏体组成，如图8所示，其中一次渗碳体呈白亮色粗大条片状，莱氏体呈暗色斑点状。
四、实验步骤
1.观察试样，根据铁碳合金状态图判断各组织组成物，区分显微镜下看到的各种组织。
2.在直径为30mmm的圆内画出所有试样的显微组织示意图：
写上试样名称、处理条件、侵蚀剂、放大倍数，并在示意图上用箭头指出各组织的名称
五、实验报告要求
1.明确试验目的；
2.附上所画钢的平衡组织图；
3.分析铁碳合金平衡结晶时相和组织的变化过程；
4.根据观察结果，讨论含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响。
六、实验注意事项
1.在观察显微组织时，可先用低倍全面地观察，找出典型组织，然后用高倍放大，对部分区域进行详细地观察；
2.在移动金相试验时，不得用手触摸试验表面或将试样重叠起来，以免引起显微组织模糊不清，影响观察；
3.画组织时，应抓住形态的特点，画出典型区域的组织，不要将磨痕和杂质画在图上。
七、思考题
1.珠光体组织在低倍观察和高倍观察有何不同？
为什么？
2.渗碳体有哪几种？
它们的形态有什么差别？
图3亚共析钢的室温显微组织
图4共析钢的室温显微组织图5过共析钢（T12）的室温显微组织
图6亚共晶白口铸铁图7共晶白口铸铁图8过共晶白口铸铁的
的室温显微组织的室温显微组织的室温显微例组织
实验二钢的热处理操作
一、实验目的和任务
1.能根据所学的热处理理论知识制定相关的热处理工艺参数。
2.了解碳钢的含碳量、加热温度、冷却速度、回火温度对热处理后钢性能（硬度）的影响。
3.熟悉和掌握碳钢的几种基本热处理操作方法（淬火、正火、回火等）。
二、实验仪器、设备及材料
1.箱式电阻炉及控温仪表
2.洛氏硬度计
3.布氏硬度计及读数显微镜
4.冷却剂：
水、油
5．实验用材料：
20钢，45钢，T8钢，T12钢等
三、实验原理
钢的热处理是通过加热、保温和冷却，改变其内部组织，从而获得所要求性能的工艺过程。
一般热处理的基本方法有退火、正火、淬火及回火等。
退火和正火是将钢加热到Ac3、Ac1或Accm以上，保温一段时间，然后通过缓慢炉冷和空气冷却的工艺操作。
一般用作钢的预备热处理。
正火也可作为结构钢的最终热处理。
淬火是将钢加热到Ac3或Acl以上，经过保温；然后以大于临界冷速进行冷却，获得马氏体（或下贝氏体）组织的工艺操作；回火则是把淬火钢加热到Ac1温度以下，经过保温后冷却，获得回火组织的工艺操作。
淬火和回火一般用作钢的最终热处理。
钢在热处理后的性能与钢的含碳量、加热温度、冷却速度和回火温度有重要关系。
1.含碳量对淬火钢硬度的影响
钢在淬火时进行的马氏体转变是无扩散型转变，没有碳化物出现，只发生面心立方的过冷奥氏体向体心正方的马氏体转变，奥氏体中的碳全部过饱和于马氏体中。
马氏体过饱和的碳量越大，晶格畸变越严重，其硬度愈高。
而马氏体的含碳量又取决于加热时奥氏体的含碳量。
一般来说，钢的含碳量愈高，经正常加热淬火后其硬度值愈高。
但当钢的含量大于共析成分后，由于加热温度是在Ac1以上，故加热后奥氏体的含碳量无明显增加，所以淬火后钢的硬度增加缓慢。
2.加热温度对淬火钢硬度的影响
碳钢的淬火加热温度由Fe-Fe3C相图决定（见图9）。
亚共析钢的加热温度为：
Ac3＋30～50℃，过共析钢的加热温度为Acl＋30～50℃。
不同的加热温度将有不同的加热组织和淬火冷却组织。
当亚共析钢加热到Ac3以上时，只有奥氏体，淬火后只出现马氏体组织，硬度高；当加热温度在Acl至Ac3之间时，加热组织和淬火组织中出现铁素体组织，硬度降低；当加热温度在Acl以下时，则组织保持原有状态不变，硬度仍然很低。
过共析钢正常加热温度在AC1以上，加热组织中还存在未溶碳化物，淬火后获得均匀细小马氏体和颗粒状渗碳体。
保温的目的是为了奥氏体组织均匀和钢各部分温度一致。
实际工作中保温时间多按经验估算，一般碳钢工件每毫米有效厚度需保温1～1.5分钟。
3.冷却介质和冷却速度对淬火钢硬度的影响
当钢加热到所要求温度时，决定钢淬火组织和硬度的是冷却速度，也即冷却介质
图10反映了共析钢在不同冷却介质中（不同冷却速度下）所得到的冷却组织及硬度。
随冷却速度的增加，组织分别为P、S、T＋M＋残A、M＋残A。
硬度也逐渐升高。
图9钢的淬火加热温度图10共析钢的各种冷却方式
4.回火温度的影响：
钢淬火后要回火，回火温度决定于最终所获得的组织和性能，按回火温度，回火分为低温、中温和高温回火三种。
碳钢回火后一般空冷。
低温回火在150～250℃进行，所得组织是回火马氏体，硬度约为58～62HRC。
中温回火在250～500℃进行，所得组织是回火屈氏体，硬度约为35～45HRC。
高温回火在500～650℃进行，所得组织是回火索氏体，硬度约为25～35HRC。
四、实验步骤
1.实验分为四个方向的内容：
同学根据以下内容以及表3中常用钢的临界点先确定热处理相关工艺参数，填入表4中。
①钢的含碳量对淬火钢硬度的影响
②淬火温度对钢硬度的影响
③淬火冷却剂对钢硬度的影响
④回火温度对钢硬度的影响
表3常用碳钢的相变临界点
20钢
45钢
T8
T12
Ac1（℃）
735
724
730
730
Ac3（℃）
855
780
～
～
表4碳钢热处理操作实验表
内容
钢号
淬火
回火
加热温度℃
保温时间分
淬火剂
硬度HRC
回火温度℃
回火时间分
硬度HRC
①钢的含碳量对淬火钢硬度的影响
20
～
～
～
45
～
～
～
T8
～
～
～
T12
～
～
～
②淬火温度对钢硬度的影响
45
～
～
～
45
～
～
～
45
～
～
～
45
～
～
～
45
～
～
～
③淬火冷却剂对钢硬度的影响
T8
～
～
～
T8
～
～
～
T8
～
～
～
T8
～
～
～
④回火温度对钢硬度的影响
T12
T12
T12
T12
2.每个同学根据安排领取一个试样，按表1中要求的加热温度、保温时间和冷却介质进行加热、保温和冷却。
回火的同学还需按表中要求进行30分钟回火（在回火之前必须测定一次硬度）；
3.热处理后的试样在测硬度前应用砂纸磨去氧化皮；
4.测出硬度值，并将测试硬度值填入表4中；
5.根据全组的数据写实验报告。
五、实验报告要求
1.明确实验目的。
2.根据热处理实验所用钢材的相变临界点和材料的尺寸以及热处理方法，确定相应热处理工艺参数（加热温度和加热时间）以及选择正确的冷却介质。
3.列出表中硬度数据，统一测量单位（将HB换成HRC）。
4.根据表中数据：
（1）绘制出硬度－钢含碳量关系曲线
（2）绘制出硬度－加热温度关系曲线
（3）绘制出硬度－回火温度关系曲线
（4）说明冷却介质对淬火温度的影响。
5.讨论实验结果，分析硬度变化的本质。
六、实验注意事项
1.本实验加热所用都为电阻炉，由于炉内电阻丝距离炉膛较近，容易漏电，所以电炉一定要接地；在放、取试样时必须先切断电源。
2.往炉中放、取试样必须使用夹钳，夹钳必须擦干，不得沾有油和水。
开关炉门要迅速，炉门打开时间不宜过长。
3.试样由炉中取出淬火时，动作要迅速，以免温度下降，影响淬火质量。
4.试样在淬火液中应不断搅动，否则试样表面会由于冷却不均而出现软点。
5.淬火时水温应保持20～30℃左右，水温过高要及时换水。
6.淬火或回火后的试样均要用砂纸打磨表面，去掉氧化皮后再测定硬度值。
七、思考题
1.45钢、T12钢的主要用途是什么？
它们相应的热处理工艺是什么？
使用状态的组织是什么？
2.为什么淬火－回火是不可分割的工序，确定工件回火温度规范的依据是什么？
附录金属材料的硬度实验
硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。
一般认为硬度是金属表面抵抗局部压入变形或刻划破裂的能力。
硬度值越高，金属表面抵抗塑性变形或刻划破裂的能力就越大。
另外，金属的硬度与其它机械性能之间存在一定的内在联系。
例如，硬度和强度之间的联系，可用下式表示：
σb＝K•HB
式中：
σb——材料的抗拉强度值；HB——布氏硬度值；K——系数。
退火状态的碳钢K＝0.34～0.36
合金调质钢K=0.33～0.35
有色金属合金K＝0.33～0.53
利用硬度值还可估算材料的耐磨性。
通常，硬度值愈，材料的耐磨性愈好。
硬度测定迅速方便，试验后仅在金属局部表面留下微小压痕，不会损坏被测试对象。
因此，硬度试验作为测定材料性能、检验产品质量、制定加工工艺的一种简便方法，在生产中得到广泛应用，其中，以布氏硬度和洛氏硬度的应用比例最大。
一、布氏硬度
1、试验原理
在一定的压力下，将一定直径的球体，压入金属表面（图1），并保持一定的时间，然后卸除载荷，测量压痕直径，计算压痕单位面积上所受载荷的大小。
由此获得的材料硬度值便称为布氏硬度（值），用HB表示（当球体是淬火钢球时，HB标识符为HBS；当球体是硬质合金球时，HB标识符为HBW）：
图1布氏硬度试验原理图
HB＝P/F凹＝
式中：
P—试验载荷（10-1N）
F凹—压痕面积（mm2）
D—球体直径（mm）
d一压痕直径（mm）
由于金属材料有硬有软，所测工件有厚有薄，因此，在测定布氏硬度值时，就需要有不同载荷P和球体直径D。
为了得到统一的、可以相互比较的数值，必须使P和D之间维持某一比值关系。
对同一材料而言，只要能满足
＝常数（规定为30、10、2.5），所得的HB值是一样的。
对不同材料来说，所得的HB值也是可以进行比较的。
布氏硬度的试验条件及适用范围见表1。
表1布氏硬度实验规范
2、操作步骤
（1）将试样放在工作台上，顺时针转动手轮，使压头压向试样表面直至手轮对下面螺母产生相对滑动为止。
（2）按动加载按钮，启动电动机，开始加载荷。
此时，应紧压螺钉已拧松，圆盘并不转动，当红色指示灯闪亮时，迅速拧紧紧压螺钉，使圆盘转动。
达到所要求的持续时间后，转动即自动停止。
（3）逆时针转动手轮降下工作台，取下试样，用读数显微镜测出压痕直径，以此值查表即得HB值。
3、布氏硬度试验要求
（1）试样两端要平行，表面应平整，若有油污或氧化皮，可用砂纸打磨，以免影响测试；
（2）用读数显微镜测量压痕直径d时，应从相互垂直的两个方向上进行，取其平均值；
（3）为了表明试验条件，可在布氏硬度值后标注D／P／T，如HBSlO／30000／10，即表示此硬度值是在淬火钢球D=10mm，P=30000N，T=10秒的条件下得到的。
（4）加载时应细心操作，以免损坏压头；
（5）测完硬度值，卸掉载荷后，必须使压头完全离开试样后再取下试样；
（6）金刚石头压头系贵重物件，质硬而脆，使用时要小心谨慎，严禁与试样或其它物件碰撞；
二、洛氏硬度
1、试验原理
洛氏硬度同布氏硬度一样也是压痕试验法，但它不是测定压痕面积，而是根据压痕深度来确定硬度值（如图2所示）。
显然，金属愈硬，压痕深度愈浅。
为了与习惯一致，人为规定用一常数K减去压痕有效深度（h3－h1）来表示洛氏硬度值，并规定每0.002mm作为一个洛氏硬度单位。
洛氏硬度用HR表示。
图2洛氏硬度试验原理
洛氏硬度值的计算公式如下：
HR＝
式中：
h1－预加载荷压入试样的深度（mm）；
h3－卸除主载荷后压入试样的深度（mm）；
K－常数。
采用顶角为120°的金刚石圆锥时，K＝0.2（用于HRA、HRC）；采用直径为1/16”（1.588mm）的淬火钢球时K＝0.26（用于HRB）。
根据金属材料软硬程度不一，可选用不同的压头和载荷配合使用（见表2）。
表2洛氏硬度试验规范
符号
压头
负荷（N）
硬度值有效范围
适用范围
HRA
120℃金刚石圆锥
600
＞70
硬质合金、表面淬火层
HRB
1.588mm淬火钢球
1000
＜25（60～230HB）
有色金属、退火及正火钢
HRC
120℃金刚石圆锥
1500
20～67（230～700HB）
调质钢、淬火钢
2、洛氏硬度操作步骤
（1）将试样置于载物台上。
（2）加预载荷。
按顺时针方向转动升降机构的手轮，使试样与压头接触，并观察读数百分表上小指针转至小红点为止。
（3）调整读数表盘，使百分表盘上的长指针硬度计的起点。
如试验HRC、HRA硬度时，把长指针与表盘上黑色C处对准。
试验HRB时，使长指针与表盘上红色处B对准。
（4）加主载荷。
平稳地扳动加载手柄，手柄自动到达停止位置，并停留10S。
（5）卸主载荷。
扳回加载手柄至原来位置。
（6）读硬度值。
表上长指针指示的数字为硬度值。
HRC、HRA读黑数字，HRB读红数字。
（7）下降载物台。
当试样完全离开压头后，才能取下试样。
（8）用同样的方法在试样的不同位置测三个数据，取其算术平均值为试样的硬度。
3、洛氏硬度试验要求
（1）根据被测金属材料的硬度高低，按表2选定压头和载荷；
（2）试样表面应平整光洁，不得有氧化皮或油污以及明显的加工痕迹；
注释
1、本实验指导也适用于机械类或近机械类相关专业的《工程材料》课程的实验
2、根据学生人数进行分组，每组学生在40人以内。
主要参考文献
1、四川工业学院“工程材料”课程小组•机械工程材料实验指导及补充习题•自编
2、朱张校主编•工程材料习题与辅导（第二版）•北京：
清华大学出版社，2002.09
3、徐善国•机械工程材料辅导、习题、实验•大连：
大连理工大学出版社，1994.12
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