级金属材料实验安工大资料Word格式.docx
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6.1-数据分析·
6.2-结论·
20
七、心得体会·
8、参考文献·
21
1、绪论
1.1-T8钢简介
1、化学成分
C
Si
Mn
S
P
0.75～0.84
≦0.35
≦0.40
≤0.030
≦0.035
2、物理性能①
T8钢的物理性能如下表，其密度γ=7.83t/m3;
导磁率μm≈0.90mH/m;
矫顽力H=397.9～1114.1A/m;
饱和磁感Bs=1.98～2.02T;
电阻率ρ=0.14×
10-6Ω·
m
表1-1T8钢临界温度
临界点
Ac1
Ar1
温度/℃
730
700
表1-2T8钢线膨胀系数
20～100
20～200
20～300
20～400
线膨胀系数/℃
11.5×
10-6
12.3×
13.0×
13.8×
3、性能及用途
T8钢是淬硬型塑料模具用钢。
淬火回火后有较高硬度和耐磨性但热硬性低、淬透性差、易变形及强度较低。
加热时容易过热,变形也大,塑性强度也较低。
因此，T8钢并不适合做模具，但淬透性较好，可用于制造断面较大的工具，且热处理后，因具有较高的硬度与耐磨性，适合用于制造承受一定冲击而要求较高的刃具，用作需要具有较高硬度和耐磨性的各种工具，比如形状简单的模子和冲头、切削金属的刀具、打眼工具、木工用的铣刀、埋头钻、斧、凿、纵向手用锯、以及钳工装配工具、铆钉冲模等次要工具。
1.2-钢的淬火工艺②
将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，然后以大于临界速度的速度冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体组织的热处理工艺称为淬火。
淬火是热处理工艺中最重要的工艺，经过淬火后可以提高工件的强度、硬度和耐磨性。
淬火得到的组织主要为马氏体，此外存在少量的残留奥氏体。
1、淬火的目的
淬火的目的就是得到马氏体，提高钢的强度和硬度。
但淬火必须和回火相配合，否则淬火后得到的组织硬度和强度高，但塑性、韧性低，不能得到优良的综合性能。
由于淬火可获得马氏体组织，使钢得到强化，因此淬火是钢的重要强化手段。
也是挖掘和发挥钢铁材料性能的潜力的有效方法。
2、淬火加热温度
碳素钢的淬火加热温度可用Fe-Fe3c相图来选择，如图1-1所示。
亚共析钢的淬火加热温度为Ac3以上30～50℃，因为淬火的目的是提高钢的强度和硬度，得到马氏体组织。
若加热温度低于Ac1，则淬火冷却时得不到马氏体；
如果加热到Ac1～Ac3之间，则淬火冷却后有铁素体出现，使钢的强度降低；
温度太高将使晶粒粗大，钢的性能变差。
因此淬火温度不能过低，也不能太高。
共析钢和过共析钢的淬火加热温度为Ac1以上30～50℃，该温度下共析钢组织为奥氏体，而过共析钢由于在淬火前一般要经过正火或球化退火处理，当加热到Ac1以上30～50℃时钢中有奥氏体和少量的球状渗碳体。
淬火后的组织为马氏体和颗粒状渗碳体，这时可使钢的强度、硬度和耐磨性达到较好的效果。
如果将过共析钢加热到Accm以上，Fe3cⅢ溶入奥氏体，使其含碳量增加，降低了钢的Ms点和Mf点，结果使钢的晶粒粗大，同时使钢中残留奥氏体量增加。
在一般情况下，它们都钢的性能变坏，有软点和脆性增加的现象，也增加了钢件变形和开裂的倾向。
图1-1碳素钢淬火加热温度范围图1-2钢的理想淬火冷却曲线
3、淬火冷却介质
从C区线得知，如要淬火成马氏体，只有在C曲线鼻尖附近快速冷却，使冷却曲线不与C曲线相交，保证过冷奥氏体不被分解。
而在鼻尖上部和下部要缓慢冷却，以减少热应力和组织应力。
理想的冷却速度应如图2-1所示，但到目前为止还没有十分理想的淬火冷却介质能符合这一理想冷却速度的要求。
目前常用的淬火冷却介质如下：
（1）水
（2）盐水
（3）油
（4）熔融盐、碱
4、淬火方法
图1-3钢的常用淬火方法
1-单液淬火法2-双液淬火法
3-分级淬火法4-等温淬火
二、实验目的
1、了解T8钢在不同淬火温度下显微组织和硬度的不同。
2、掌握调研文献及综合能力。
3、熟练金相制作的步骤和硬度计的操作。
4、学会独自处理数据、得出结论。
3、实验原理
3.1-铁碳相图组织分析③
1、
上半部分图形（二元共晶相图）
两个基本相：
F、Fe3C
共晶转变：
1148℃727℃
L4.3→A2.11+Fe3C→P+Fe3C
2、下半部分图形（共析相图）
共析转变：
727℃
A0.77→F0.0218+Fe3C图3-1Fe-Fe3C相图
3、三条重要的特性曲线
①GS线---又称为A3线它是在冷却过程中由奥氏体析出铁素体的开始线或者说在加热过程中铁素体溶入奥氏体的终了线.
②ES线---是碳在奥氏体中的溶解度曲线当温度低于此曲线时就要从奥氏体中析出次生渗碳体通常称之为二次渗碳体因此该曲线又是二次渗碳体的开始析出线.也叫Acm线.
③PQ线---是碳在铁素体中的溶解度曲线.铁素体中的最大溶碳量于727º
C时达到最大值0.0218%.随着温度的降低铁素体中的溶碳量逐渐减少在300º
C以下溶碳量小于0.001%.因此当铁素体从727º
C冷却下来时要从铁素体中析出渗碳体称之为三次渗碳体记为Fe3CⅢ.
4、过程
①共析钢结晶过程
L→L+A→A→P（F+Fe3C）
②亚共析钢结晶过程
L→L+A→A→A+F→P+F
③过共析钢结晶过程
L→L+A→A→A+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ
④共晶白口铸铁结晶过程
L→Ld（A+Fe3C）→Ld（A+Fe3C+Fe3CⅡ）→Ld′（P+Fe3C+Fe3CⅡ）
⑤亚共晶白口铸铁结晶过程
L→Ld（A+Fe3C）+A→Ld+A+Fe3CⅡ→Ld′+P+Fe3CⅡ
⑥过共晶白口铸铁结晶过程
L→Ld（A+Fe3C）+Fe3C→Ld+Fe3C→Ld′+Fe3C
3.2-奥氏体过冷C曲线分析④
C曲线就是使加热至奥氏体区的钢过冷至Ac1以下，在不同温度和时间下等温转变得到各种结构组织的曲线，因为其形状像拉丁字母“C”，故常称为C曲线（也有的叫S曲线）又称为过冷奥氏体连续冷却曲线。
图3-2共析钢的CCT曲线
上图的横坐标代表时间（用对数标度），纵坐标代表温度。
在图上除了C曲线外，还有上临界温度线A1、马氏体转变开始线Ms和马氏体转变终了线Mz。
奥氏体等温转变图可分为四个区域。
以共析钢为例：
①区域Ⅰ，在A1以上，为稳定的奥氏体区域。
在这个温度区域里，奥氏体不随时间发生变化。
②区域Ⅱ，在A1线与Ms线之间，它被奥氏体转变开始线a和转变终了线b分成三个部分。
第一部分是纵坐标线与a线之间的部分，为不稳定的过冷奥氏体区域，其不稳定程度随温度发生变化。
曲线距纵坐标愈近，就意味着奥氏体愈不稳定。
这个区域其形状如鼻，故称C曲线鼻部；
第二部分是曲线a与b之间的部分，是产生过冷奥氏体和奥氏体等温转变的区域，其转变产物为铁素体与渗碳体的机械混合物，随着转变时间的延长，转变产物越来越多，到曲线b时，过冷奥氏体全部转变完了；
第三部分是曲线b的右边部分，在这个区域中奥氏体转变终了的产物为铁素体与渗碳体的各种混合物。
③区域Ⅲ，Ms与Mz之间，为马氏体与奥氏体共存区域。
随着温度的下降与转变时间的延长，奥氏体逐渐转变为马氏体，即马氏体逐渐增多。
④区域Ⅳ，Mz线以下，为马氏体和残余奥氏体区域。
亚共析钢或过共析钢的C曲线与共析钢的相似，不同之处是在开始转变线（a）之上，还有一条析出先共析铁素体线或析出二次渗碳体的线。
四、实验器材
4.1-实验器具
1.空气电阻炉；
2.抛光机；
3.洛氏硬度计；
4.金相显微镜及照相设备；
5.淬火用水槽；
6.钳子等其他设备若干。
4.2-实验材料
1、∅20×
20mmT8钢棒料5个；
2、抛光泥；
3、各型号砂纸若干；
4、4％硝酸酒精。
五、实验步骤及注意事项
5.1-热处理步骤
①将5个T8钢试样分别标记为1.、2、3、4，5.
②按照表5-1的顺序，到达的温度T后，将对应试样用钳子放入热处理炉膛中部；
③从炉温再次达到相应温度T开始计时，保温15～20，迅速取出试样并置于水中冷却。
④对其余四个试样重复2、3步。
试样编号
加热温度/℃
保温时间/s
冷却方式
750
水冷
2
800
3
850
900
5
950
表5-1不同淬火温度
5.2-金相制备步骤⑤
1、试样的粗磨
取好样后，为了获得一个平整的表面，同时去掉取样时有组织变化的部分在不影响观察的前提下，可将棱角磨平，并将观察面磨平，一定要将切割时的变形层磨掉。
一般的钢铁材料常在砂轮机上磨制，压力不要过大，同时用水冷却，操作时要当心，防止手指等损伤。
而较软的材料可用挫刀磨平。
砂轮的选择，磨料粒度为40、46、54、60等号，数值越大越细，材料为白刚玉，棕刚玉、绿碳化硅、黑碳化硅等，代号分别为GB、GZ、GC、TH、或WA、A、TL、C，尺寸一般为外径×
厚度×
孔径=250×
25×
32，表面平整后，将样品及手用水冲洗干净。
2、试样的细磨
以消除粗磨存在的磨痕，获得更为平整光滑的磨面，是在一套粒度不同的金相砂纸上由粗到细依次进行磨制，砂纸号数一般为120、280、01、03、05、或120、280、02、04、06号，粒度由粗到细，对于一般的材料（如碳钢样品）磨制方式为：
①手工磨制
将砂纸铺在玻璃板上，一手按住砂纸，一手拿样品在砂纸上单向推磨，用力要均匀，使整个磨面都磨到，更换砂纸时，要把手、样品、玻璃板等清理干净，并与上道磨痕方向垂直磨制，磨到前道磨痕完全消失时才能更换砂纸。
也可用水砂纸进行手工湿磨，即在序号为240、300、600、1000的水砂纸上边冲水边磨制。
②机械磨
在预磨机上铺上水砂纸进行磨制与手工湿磨方法相同。
3、试样的抛光
目的是消除细磨留下的磨痕，获得光亮无痕的镜面。
方法有机械抛光、电解抛光、化学抛光和复合抛光等，最常用的是机械抛光。
①机械抛光
是在专用的抛光机上进行抛光，靠极细的抛光呢和磨面间产生的相对磨削和滚压作用来消除磨痕的，分为粗抛光和细抛光两种。
1）粗抛光
粗抛光一般是在抛光盘上铺以细帆布，抛光液通常为Cr2O3、Al2O3等粒度为1-5μ的粉末制成水的悬浮液，一般一升水加入5-10克，手握样品在专用的抛光机上进行。
边抛光边加抛光液，一般的钢铁材料粗抛光可获得光亮的表面。
2）细抛光
是在抛光盘上铺以丝绒，丝绸等，用更细的Al2O3、Fe2O3粉制成水的悬浮液，与粗抛光的方法相同。
②电解抛光
是利用阳极腐蚀法使样品表面光滑平整的方法，把磨光的样品浸入电解液中，样品作为阳极，阴极可用铝片或不锈钢片制成，接通电源，一般用直流电源，由于样品表面高低不平，在表面形成一层厚度不同的薄膜，凸起的部分膜薄，因而电阻小，电流密度大，金属溶解的速度快，而下凹的部分形成的膜厚，溶解的速度慢，使样品表面逐渐平坦，最后形成光滑表面。
电解抛光优点是只产生纯化学的溶解作用，无机械力的影响，所以能够显示金相组织的真实性，特别适应于有色金属及其它的硬度低、塑性大的金属。
如铝合金、不锈钢等，缺点是对非金属夹杂物及偏析组织、塑料镶嵌的样品等不适应。
③化学抛光
是靠化学试剂对样品表面凹凸不平区域的选择性溶解作用消除磨痕的一种方法。
化学抛光液，多数由酸或混合酸、过氧化氢、及蒸馏水组成，酸主要起化学溶解作用，过氧化氢提高金属表面的活性，蒸馏水为稀释剂。
化学抛光优点是操作简单，成本低，不需专门设备，抛光同时还兼有化学浸蚀作用。
可直接观察。
缺点是样品的平整度差，夹杂物易蚀掉，抛光液易失效，只适应于低、中倍观察。
对于软金属如锌、铅等化学抛光比机械抛光、电解抛光效果更好。
备注：
常用研磨抛光设备全自动金相磨抛机ZMP-1000。
4、试样的浸蚀
经过抛光的样品，在显微镜下观察时，除非金属夹杂物、石墨、裂纹及磨痕等能看到外，只能看到光亮的磨面。
要看到组织必须进行腐蚀。
腐蚀的方法有多种，如化学腐蚀、电解腐蚀、恒电位腐蚀等，最常用的是化学腐蚀法。
下面分析化学腐蚀显示组织的基本过程。
①化学腐蚀法的原理
化学腐蚀的主要原理是利用浸蚀剂对样品表面引起的化学溶解作用或电化学作用（微电池作用）来显示组织。
②化学腐蚀的方式
化学腐蚀的方式取决于组织中组成相的性质和数量。
纯粹的化学溶解是很少的。
一般把纯金属和均匀的单相合金的腐蚀主要看作是化学溶解过程，两相或多相合金的腐蚀，主要是电化学溶解过程。
1）纯金属或单相合金的化学腐蚀
它是一个纯化学溶解过程，由于其晶界上原子排列紊乱，具有较高的能量，故易被腐蚀形成凹沟。
同时由于每个晶粒排列位向不同，被腐蚀程度也不同，所以在明场下显示出明暗不同的晶粒。
2）两相合金的侵蚀
主要是一个电化学的的腐蚀过程。
由于各组成相具有不同的电极电位，样品浸入腐蚀剂中，就在两相之间形成无数对微电池。
具有负电位的一相成为阳极，被迅速溶入浸蚀剂中形成低凹，具有正电位的另一相成为阴极，在正常的电化学作用下不受浸蚀而保持原有平面。
当光线照到凹凸不平的样品表面上时，由于各处对光线的反射程度不同，在显微镜下就看到各种的组织和组成相。
3）多相合金的腐蚀
一般而言，多相合金的腐蚀，同样也是一个电化学溶解的过程，其腐蚀原理与两相合金相同。
但多相合金的组成相比较复杂，用一种腐蚀剂来显示多种相难于达到，只有采取选择腐蚀法等专门的方法才行。
③化学腐蚀剂
是用于显示材料组织而配制的特定的化学试剂，多数腐蚀剂是在实际的实验中总结归纳出来的。
一般腐蚀剂是由酸、碱、盐以及酒精和水配制而成，钢铁材料最常用的化学腐蚀试剂是3%—5%硝酸酒精溶液，各种材料的腐蚀剂可查阅有关手册。
④化学腐蚀方法
一般有浸蚀法、滴蚀法和擦蚀法。
1）浸蚀法：
将抛光好的样品放入腐蚀剂中，抛光面向上，或抛光面向下，浸入腐蚀剂中，不断观察表面颜色的变化，当样品表面略显灰暗时，即可取出，充分冲水冲酒精，再快速用吹风机充分吹干。
2）滴蚀法：
是一手拿样品，表面向上，用滴管吸入腐蚀剂滴在样品表面，观察表面颜色的变化情况，当表面颜色变灰时，再过2—3秒即可充分冲水冲酒精，再快速用吹风机充分吹干。
3）擦蚀法：
用沾有腐蚀剂的棉花轻轻地摖拭抛光面，同时观察表面颜色的变化，当样品表面略显灰暗时，即可取出，充分冲水冲酒精，再快速用吹风机充分吹干。
经过上述操作后，腐蚀完成，金相样品的制备即告结束，这时候要将手和样品的所有表面都完全干燥后，方可在显微镜下观察和分析金相样品的组织。
5、观察与拍照
1、电子显微镜简介
①显微镜的光学系统
显微镜的光学系统主要包括物镜、目镜、反光镜和聚光器四个部件。
广义的说也包括照明光源、滤光器、盖玻片和载玻片等。
1）物镜
物镜是决定显微镜性能的最重要部件，安装在物镜转换器上，接近被观察的物体，故叫做物镜或接物镜。
物镜的分类：
物镜根据使用条件的不同可分为干燥物镜和浸液物镜；
其中浸液物镜又可分为水浸物镜和油浸物镜（常用放大倍数为90—100倍）；
根据放大倍数的不同可分为低倍物镜（10倍以下）、中倍物镜（20倍左右）高倍物镜（40—65倍）；
根据像差矫正情况，分为消色差物镜（常用，能矫正光谱中两种色光的色差的物镜）和复色差物镜（能矫正光谱中三种色光的色差的物镜，价格贵，使用少）。
物镜的主要参数：
物镜主要参数包括：
放大倍数、数值孔径和工作距离。
放大倍数是指眼睛看到像的大小与对应标本大小的比值。
它指的是长度的比值而不是面积的比值。
例：
放大倍数为100×
，指的是长度是1μm的标本，放大后像的长度是100μm，要是以面积计算，则放大了10,000倍。
显微镜的总放大倍数等于物镜和目镜放大倍数的乘积。
数值孔径也叫镜口率，简写NA或A，是物镜和聚光器的主要参数，与显微镜的分辨力成正比。
干燥物镜的数值孔径为0.05-0.95，油浸物镜（香柏油）的数值孔径为1.25。
工作距离是指当所观察的标本最清楚时物镜的前端透镜下面到标本的盖玻片上面的距离。
物镜的工作距离与物镜的焦距有关，物镜的焦距越长，放大倍数越低，其工作距离越长。
10倍物镜上标有10/0.25和160/0.17，其中10为物镜的放大倍数；
0.25为数值孔径；
160为镜筒长度（单位mm）；
0.17为盖玻片的标准厚度（单位mm）。
10倍物镜有效工作距离为6.5mm，40倍物镜有效工作距离为0.48mm。
物镜的作用是将标本作第一次放大，它是决定显微镜性能的最重要的部件——分辨力的高低。
分辨力也叫分辨率或分辨本领。
分辨力的大小是用分辨距离（所能分辨开的两个物点间的最小距离）的数值来表示的。
在明视距离（25cm）之处，正常人眼所能看清相距0.073mm的两个物点，这个0.073mm的数值，即为正常人眼的分辨距离。
显微镜的分辨距离越小，即表示它的分辨力越高，也就是表示它的性能越好。
显微镜的分辨力的大小由物镜的分辨力来决定的，而物镜的分辨力又是由它的数值孔径和照明光线的波长决定的。
2）目镜
因为它靠近观察者的眼睛，因此也叫接目镜。
安装在镜筒的上端。
目镜的结构：
通常目镜由上下两组透镜组成，上面的透镜叫做接目透镜，下面的透镜叫做会聚透镜或场镜。
上下透镜之间或场镜下面装有一个光阑（它的大小决定了视场的大小），因为标本正好在光阑面上成像，可在这个光阑上粘一小段毛发作为指针，用来指示某个特点的目标。
也可在其上面放置目镜测微尺，用来测量所观察标本的大小。
目镜的长度越短，放大倍数越大（因目镜的放大倍数与目镜的焦距成反比）。
目镜的作用:
是将已被物镜放大的，分辨清晰的实像进一步放大，达到人眼能容易分辨清楚的程度。
常用目镜的放大倍数为5—16倍。
目镜与物镜的关系:
物镜已经分辨清楚的细微结构，假如没有经过目镜的再放大，达不到人眼所能分辨的大小，那就看不清楚；
但物镜所不能分辨的细微结构，虽然经过高倍目镜的再放大，也还是看不清楚，所以目镜只能起放大作用，不会提高显微镜的分辨率。
有时虽然物镜能分辨开两个靠得很近的物点，但由于这两个物点的像的距离小于眼睛的分辨距离，还是无法看清。
所以，目镜和物镜即相互联系，又彼此制约。
3）聚光器
聚光器也叫集光器。
位于标本下方的聚光器支架上。
它主要由聚光镜和可变光阑组成。
其中，聚光镜可分为明视场聚光镜（普通显微镜配置）和暗视场聚光镜。
光镜的主要参数:
数值孔径（NA）是聚光镜的主要参数，最大数值孔径一般是1.2—1.4，数值孔径有一定的可变范围，通常刻在上方透镜边框上的数字是代表最大的数值孔径，通过调节下部可变光阑的开放程度，可得到此数字以下的各种不同的数值孔径，以适应不同物镜的需要。
有的聚光镜由几组透镜组成，最上面的一组透镜可以卸掉或移出光路，使聚光镜的数值孔径变小，以适应低倍物镜观察时的照明。
聚光镜的作用:
聚光镜的作用相当于凸透镜，起会聚光线的作用，以增强标本的照明。
一般地把聚光镜的聚光焦点设计在它上端透镜平面上方约1.25mm处。
（聚光焦点正在所要观察的标本上，载玻片的厚度为1.1mm左右）.可变光阑:
可变光阑也叫光圈，位于聚光镜的下方，由十几张金属薄片组成，中心部分形成圆孔。
其作用是调节光强度和使聚光镜的数值孔径与物镜的数值孔径相适应。
可变光阑开得越大，数值孔径越大（观察完毕后，应将光圈调至最大）。
在可变光阑下面，还有一个圆形的滤光片托架。
4）反光镜
反光镜是一个可以随意转动的双面镜，直径为50mm，一面为平面，一面为凹面，其作用是将从任何方向射来的光线经通光孔反射上来。
平面镜反射光线的能力较弱，是在光线较强时使用，凹面镜反射光线的能力较强，是在光线较弱时使用。
反光镜通常一面是平面镜，另一面是凹面镜，装在聚光器下面，可以在水平与垂直两个方向上任意旋转。
反光镜的作用是使由光源发出的光线或天然光射向聚光器。
当用聚光器时一般用平面镜，不用时用凹面镜；
当光线强时用平面镜，弱时用凹面镜。
观察完毕后，应将反光镜垂直放置。
5）照明光源
显微镜的照明可以用天然光源或人工光源。
天然光源：
光线来自天空，最好是由白云反射来的。
不可利用直接照来的太阳光。
人工光源：
对人工光源的基本要求：
有足够的发光强度；
光源发热不能过多。
常用的人工光源：
显微镜灯；
日光灯
6）滤光器
安装在光源和聚光器之间。
作用是让所选择的某一波段的光线通过，而吸收掉其他的光线，即为了改变光线的光谱成分或削弱光的强度。
分为两大类：
滤光片和液体滤光器。
7）盖玻片和载玻片
盖玻片和载玻片的表面应相当平坦，无气泡，无划痕。
最好选用无色，透明度好的，使用前应洗净。
盖玻片的标准厚度是0.17±
0.02mm，如不用盖玻片或盖玻片厚度不合适，都回影响成像质量。
载玻片的标准厚度是1.1±
0.04mm，一般可用范围是1—1.2mm，若太厚会影响聚光器效能，太薄则容易破裂。
②显微镜的机械装置
显微镜的机械装置是显微镜的重要组成部分。
其作用是固定与调节光学镜头，固定与移动标本等。
主要有镜座、镜臂、载物台、镜筒、物镜转换器、与调焦装置组成。
1）镜座和镜臂
镜座作用是支撑整个显微镜，装有反光镜，有的还装有照明光源。
镜臂作用是支撑镜筒和载物台。
分固定、可倾斜两种。
2）载物台（又称工作台、镜台）
载物台作用是安放载玻片，形状
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