金属材料热处理 实验指导 超级集合汇总Word文档格式.docx
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2、锯条、20、45、T8或T12钢试样。
五、实验方法及步骤
全班分成四组，进行下列试验：
1、锯条的热处理演示；
2、每组领取三个退火试样，测量布氏硬度；
3、每组领取四个试样（经淬火和不同温度回火），测量洛氏硬度。
六、实验报告要求
1、把硬度值记录在表1-1和表1-2中，
表1-1不同成份钢退火后硬度
钢号
20
45
T8（T12）
布氏硬度HB
表1-245钢淬火及回火硬度
热处理工艺
正常淬火840℃
低温回火180℃
中温回火420℃
高温回火600℃
洛氏硬度HRC
2、问题：
1在相同的热处理条件下，含碳量对钢材性能有何影响？
2成份相同的钢材，在不同热处理条件下，性能有何变化？
实验二钢中显微组织缺陷及非金属夹杂物的鉴定
1、了解钢中常见的几种显微组织缺陷的特征；
2、了解钢中常见非金属夹杂物的特征及金相鉴定方法。
（一）钢的显微组织缺陷
钢的显微组织缺陷对其机械性能、工艺性能均有很大的影响。
常见的缺陷有下列几种：
1、脱碳
钢在加热和保温时，由于氧化作用是表层的碳全部或部分丧失的现象。
全脱碳的组织为铁素体，部分脱碳后的组织为铁素体加渗碳体。
钢的脱碳大大降低表面硬度、耐磨性和疲劳极限。
在保护气氛中加热或缩短钢材在炉中高温停留时间，均可减轻脱碳现象。
2、过热过烧
热处理时，加热温度过高引起使晶粒长大现象称过烧。
它使钢的机械性能尤其是冲击韧性下降，可以通过退火予以矫正。
当晶界发生氧化或熔化现象时，即为过烧。
过烧后的工件只能报废而无法使用。
3、三次渗碳体
含碳量接近0.02％的碳钢，热处理过程中，在700℃～300℃实行缓慢冷却，三次渗碳体将沿铁素体晶界析出，它的出现使钢的塑性显著降低。
在上述温度范围内快速冷却，可防止发生。
4、魏氏组织
铁素体或二次渗碳体沿奥氏体晶界析出，成方向性分布即魏氏组织。
魏氏组织的存在板由晶粒粗大，使钢的机械性能下降，可通过退火或正或予以消除。
5、带状组织
热加工后的低碳钢显微组织中铁素体和珠光体沿加工方向呈层状平行交替排列，称为带状组织。
带状组织使钢的性能呈各向异性，并降低塑性和韧性，硬度不均匀。
由合金元素偏析带来的带状组织可通过高温长时间加热后快冷的方法予以改善。
6、网状碳化物
碳素工具钢、和经哦年工具钢、铬轴承钢等材料若热加工时温度过高、冷速过慢，碳化物就会沿晶界析出呈网状碳化物。
网状碳化物的存在削弱了金属间的结合，降低了钢的冲击韧性，增加了钢的脆性。
可通过政会予以改善和消除。
7、碳化物不均匀性
高速钢、合金工具钢钢锭凝固后，由于偏析，晶热加工后组织中呈现碳化物不均匀分布，称碳化物不均匀性。
常见有粗大碳化物聚集和碳化物呈条带现象。
它可导致工具热处理后产生裂纹，降低刀具的红硬性和耐磨性。
改善浇铸条件和反复锻造有利于降低碳化物不均匀性。
8、带状碳化物
它是钢锭中显微组织偏析在热加工变形过程中延伸而成的碳化物富集带。
带状碳化物的出现会造成零件回火后硬度、组织不均匀性。
9、碳化物液析
在GC15轴承钢和CM、CWM等低合金高碳钢中，由于浇铸条件不良或锭型设计不合理，使凝固后的钢碳含量很高，组织中存在部分莱氏体，这一现象称为碳化物液析。
液析莱氏体中含有大量碳化物，在随后的热加工过程中破碎成大块丛聚，烟渣制方向分布。
将钢锭进行均热或扩散退火再开坯轧制，可以消除。
（二）属夹杂物的显微组织
钢中非金属夹杂物的存在，破坏了金属基体的连续性，降低其机械性能、物理性能、化学性能及工艺性能。
其影响的程度主要取决于夹杂物的性质、形状、大小、数量及分布状态。
利用金相方法鉴别非金属夹杂物，常用夹杂本身在明场、暗场、偏振光下的一些特征来判断。
1、明场下非金属夹杂物的特征
（1）夹杂物的形状、大小和分布：
由表面张力作用而形成的球状；
由结晶学因素作用而形成的多变性及树枝状；
呈连续或断续的形式沿晶界分布的条带状；
先生成相周围分布着后生成相。
（2）夹杂物的反射本领：
夹杂物在明场下的颜色。
如果夹杂物的光泽与金属基体表面接近，认为其反射能力强；
若暗黑无光，则反射能力弱；
介于二者之间，则反射能力中等。
（3）夹杂物的化学性能：
夹杂物被侵蚀后，将产生：
●完全被侵蚀掉夹杂物处留下坑洞；
●染上颜色或改变颜色；
●不赔侵蚀，不发生变化。
（4）夹杂物的力学性能：
可用硬度计来测量夹杂物的硬度。
工件表面的压痕形状、夹杂物的剥落情况及磨制试样后留下的“慧星尾”等均可间接反映出其硬度、脆性和塑性。
2、暗场及偏振光下非金属夹杂物的特征
（1）夹杂物的透明度及色彩：
根据夹杂物的透明程度，可分为透明、不透明和半透明三种。
不透明夹杂有一亮边，这是由于杂物折射到金属交界处后的一部分光由交接处反射出来所致。
若夹杂物是透明有色彩的，则在暗场下呈现其固有的颜色。
（2）夹杂物的各向同性及各向异性效应：
在正交偏光镜下将显微镜载物台转动一周后无亮度变化，而各向异性夹杂物在转动一周载物台中有四次消光、四次明亮现象。
某些弱各向异性的夹杂物，则在转动载物台一周中只有一次消光、二次明亮。
一般结晶成等轴晶系的夹杂物基本上是光学各向同性的，而非等轴晶系的夹杂物则具有明显的光学各向异性。
（3）加杂物的黑十字现象：
凡球状透明夹杂物，在正交偏振光下都产生中间贯以黑十字形的明暗交替断续的同心环。
这一现象是由于透明夹杂物的规则球状外形所引起的，当球状外形遭破坏时，黑十字现象也即消失。
3、钢中常见夹杂物：
夹杂物主要有：
氧化物、硫化物、硅酸盐、氮化物四大类。
三、实验内容及步骤
1、每人轮流观察脱碳、过热过烧、三次渗碳体、魏氏组织、带状组织、网状碳化物、碳化物不均性、碳化物液析等试样；
2、每人轮流观察三氧化二铝、氧化铁、二氧化硅、硫化铁、硫化锰、氮化钛、硅酸盐等夹杂试样，并用明暗场进行鉴定；
3、轮流在偏光镜下观察夹杂物的各向异性和黑十字现象。
1、带偏光暗场的金相显微镜；
2、制备好的显微组织缺陷及夹杂物试样。
五、实验报告要求
1、绘出各显微组织缺陷示意图，并说明其特征；
2、绘出夹杂物显微组织示意图，并说明其特征。
实验三浇注条件对铸锭组织的影响
一、实验目的
1、了解铸锭组织特征；
2、研究不同浇注条件下对铸锭组织的影响。
液态金属在凝固过程中，由于不同的结晶条件，导致不同的组织形貌。
典型金属铸锭组织的截面由三个晶区所组成：
（1）表层细晶区：
由细小等轴晶粒构成；
（2）柱状晶区：
由垂直于模壁层柱状晶构成；
（3）中心等轴晶区：
由粗大等轴晶构成。
但在实际情况下，三晶区的相对量及晶粒大小，随浇注条件的不同而不同。
表层细晶区由于很薄，对铸锭性能影响不大，可忽略不计。
次表层的柱状晶区组织致密，但在柱状晶交界处，聚集着低熔点夹杂，形成脆弱的结合面，轧制时易在此开裂，所以对于杂质多、塑性差的金属，不希望得到柱状晶，单纯度高、塑性好的金属则无害。
中心粗大的等轴晶区组织不够致密易导致铸锭疏松。
根据不同的需要，可通过改变浇注条件来控制三晶区的大小和细化晶粒。
晶粒细化的基本途径是形成足够数量的晶核及限制晶核的长大。
1、改变铸模的冷却能力
增加铸锭冷却能力，提高温度梯度，可加速柱状晶区的发展。
但以极快的速度冷却（如水冷模壁）而铸模体积又很小时，可获得全部的细小等轴晶，但此受到铸锭尺寸的限制；
如果降低铸锭的冷却能力，减小温度梯度，则有利于中心等轴晶的长大。
2、改变形核条件
在液态金属中加入变质剂，，增加非均匀形核的核心，可使中心等轴晶区扩大并使晶粒细化；
采用过热方法，将液态金属中难溶质点的“活性”去处，导致非均匀性核的核心数目减少，可获得较粗大的柱状晶区。
3、改变液态金属的结晶组织
用电磁搅拌、机械振动、加压浇注等方法，加强液态金属在铸模中的运动冲碎已生长的晶粒以形成更多的晶核而使晶粒细化。
1、将铝块放入坩埚炉内，在电炉或马弗炉内加热溶化；
2、加热到表中给定的浇注温度后，用钳子把坩埚取处，迅速浇注到铸模内；
3、将冷却的铝锭取出水冷至室温，铸出表3-1中给定条件下的铝锭（铸模尺寸：
内径30mm，高100mm），并打上记号；
4、将铝锭用虎钳钳住，用锯子沿纵轴和横轴锯开，再用锉刀锉平，按上表编号；
对断面用280号、320号砂纸磨光，用水冲洗，酒精擦洗吹干；
5、将制好的磨面侵入王水侵蚀，并来回移动，待铝锭组织露出时，取出，用水清洗、吹干；
6、用肉眼或放大镜逐块观察分析组织的变化。
表3-1铝锭的不同浇注条件
序号
铸模材料
铸模厚度
（mm）
铸模温度
（℃）
浇注温度
组织
备注
模壁
模底
钢
3
水冷
900
三晶带
1~2
10
室温
780
柱状晶
（柱晶间界）
3~4
细小等轴晶
变质剂
5~8
耐
柱状+等轴晶
9~10
11~12
500
等轴粗晶
13~14
1、坩埚炉、坩埚、钳子、砂模、夹钳手锯、锉刀、30倍放大镜；
2、纯铝块、变质剂、金相砂纸、抛光呢、王水。
1、简述铝锭粗型试片制备过程；
3、按1：
1比例绘出不同浇注条件下纯铝锭的宏观组织示意图，说明组织特点及形成原因。
六、实验注意事项
1、浇注时对准模子连续注入，不能断续或停歇，如铝液中有溶渣，必须用铁板挡住，不能进入模内；
2、锯样品时，尽量不偏斜，横截面要与纵轴垂直，纵截面要沿中心锯开；
3、侵蚀时要在烟橱中进行，千万不要将侵蚀剂溅到衣服和皮肤上。
实验四金相样品制备
掌握金相样品制备过程。
用于金相检验的试样，表面必须平滑、无划痕及其他缺陷，同时还必须能代表要检验部分的组织特征。
所以试样必须进行精心制备，制备过程一般包括取样、镶嵌、磨光、抛光、侵蚀等。
1、取样
金相试样最合适的尺寸为直径12mm、高10mm的圆柱体，或底面积为12X12mm、高10mm的正方柱体。
对零件或材料进行分析，根据目的或国家标准，在其有代表部位截取一小块试样，在截取过程中，要设法避免试样因截取加工不当而引起金相组织变化。
常用的截取方法是软性材料用手锯、锯床、车床、刨床，硬而脆的材料用捶击法，特别硬的材料用砂轮切割机。
2、镶嵌
对于尺寸很小或外观不规则的试样，就要进行镶嵌。
镶嵌可分为冷镶嵌和热镶嵌。
冷镶嵌指在室温下使镶嵌料固化，一般适宜于不受压的软材料及组织结构对温度变化敏感或熔点较低的材料。
热镶嵌在镶嵌机内进行，即把试样和镶嵌料一起放入镶嵌机内加热加压成型，冷却后脱摸。
目前，热镶嵌法使用较为广泛。
4、磨光
目的是为了获得平整光滑的观察面，消除或减小切割时在试样观察面上产生的变形。
磨光分为粗磨和细磨。
首先用砂轮或锉刀平整磨面然后用金相砂纸由粗到细进行磨制。
细磨时将砂纸平铺在玻璃板上，拇指和中指夹住试样，食指压牢，单方向进行磨削，待前次磨痕消除此次磨痕均匀时，再更换更细的砂纸，每换一次需将试样磨制方向转变90º
，直到磨痕在抛光时极易消除为止。
常用金相砂纸的规格如表2-1。
表2-1常用金相砂纸规格
编号
01
02
03
04
05
06
粒度序号
400（M28）
500（M20）
600（M14）
800（M10）
1000（M7）
1200（M5）
砂粒尺寸
28~20
20~14
14~10
10~7
7~5
5~3.5
注：
表中多为厂家所用编号，目前没有统一规格
4、机械抛光
在抛光机上进行，本质是借助磨料尖角锐利的刃部，切去试样表面隆起的部位。
将抛光织物用水浸湿、铺平、绷紧并固定在抛光盘上。
启动时，抛光盘逆时针旋转，洒些适量的抛光液即可。
抛光织物常用帆布、毛呢、金丝绒、丝绸等。
常用抛光粉是氧化铝、氧化铬、氧化镁粉等。
目前，常用人造金刚石研磨膏代替抛光液。
5、侵蚀
试样的显微组织，必须用适当的方法将组织显露出来，常用化学侵蚀剂来侵蚀。
把已抛光好的试样用水冲洗并同时用脱脂棉擦净，然后用酒精冲去磨面上的水，电吹风吹干后，将沾有侵蚀剂的脱脂棉在抛光面上反复擦拭，直到变灰色为止，立即用流动水冲洗观察面，滴些酒精，迅速用电吹风吹干，即完成整个试样置备过程。
常用侵蚀剂（见附录Ⅰ）。
1、每人领取一块试样，先在砂轮机上粗磨，再依次用金相砂纸细磨；
2、用水清洗试样并进行机械抛光，直到试样成镜面；
3、对抛光后的试样用流水冲洗，滴些酒精，立即用吹风吹干；
4、用沾有4%硝酸酒精的脱脂棉擦拭抛光面，直至浅灰色，然后用水冲洗，滴上酒精迅速吹干；
5、在显微镜下观察组织。
1、砂轮机、抛光机、吹风机、金相显微镜；
2、试样、金相砂纸、研磨膏、侵蚀剂、酒精、脱脂棉。
1、简述制备试样的目的、过程、技术要点等，就如何制备高质量金相试样谈谈个人体会；
2、绘出组织示意图，并注明材料、组织、放大倍数、侵蚀剂。
1、用砂轮粗磨时不可将试样压的太紧，避免试样飞出伤人。
为避免组织发生变化，应不断用水冷却；
5、砂纸磨制试样时，身体要端正、试样要拿平、用力要均匀，否则达不到要求；
6、砂纸的砂粒磨钝后不宜继续使用，否则砂粒对试样表面产生滚压，增加表面变形；
7、抛光前必须将手和试样清洗干净。
实验五冷塑性变形对金属再结晶退火前后
显微组织影响
1、认识金属冷变形加工后及经过再结晶退火后的组织性能和特征变化；
2、研究形变程度对再结晶退火前后组织和性能的影响。
1、金属冷塑性变形后的显微组织和性能变化
金属冷塑性变形为金属在再结晶温度以下进行的塑性变形。
金属在发生塑性变形时，外观和尺寸发生了永久性变化，其内部晶粒由原来的等轴晶逐渐沿加工方向伸长，在晶粒内部也出现了滑移带或孪晶带，当变形程度很大时，晶界消失，晶粒被拉成纤维状。
相应的，金属材料的硬度、强度、矫顽力和电阻等性能增加，而塑性、韧性和抗腐蚀性降低。
这一现象称为加工硬化。
为了观察滑移带，通常将已抛光并侵蚀的试样经适量的塑性变形后再进行显微组织观察。
在显微镜下滑移带与磨痕是不同的，一般磨痕穿过晶界，其方向不变，而滑移带出现在晶粒内部，并且一般不穿过晶界。
2、冷塑性变形后金属加热时的显微组织与性能变化
金属经冷塑性变形后，在加热时随着加热温度的升高会发生回复、再结晶、和晶粒长大。
（1）回复当加热温度较低时原子活动能力尚低，金属显微组织无明显变化，仍保持纤维组织的特征。
但晶格畸变已减轻，残余应力显著下降。
但加工硬化还在，固其机械性能变化不大。
（2）再结晶金属加热到再结晶温度以上，组织发生显著变化。
首先在形变大的部位（晶界、滑移带、孪晶等）形成等轴晶粒的核，然后这些晶核依靠消除原来伸长的晶粒而长大，最后原来变形的晶粒完全被新的等轴晶粒所代替，这一过程为再结晶。
由于金属通过再结晶获得新的等轴晶粒，因而消除了冷加工显微组织、加工硬化和残余应力，使金属又重新恢复到冷塑性变形以前的状态。
金属的再结晶过程是在一定的温度范围能进行的，通常规定在一小时内再结晶完成95％所对应的温度为再结晶温度，实验证明，金属熔点越高，再结晶温度越高，其关系大致为：
T＝0.4T熔。
（3）晶粒长大再结晶完成后，继续升温（或保温），则等轴晶粒以并容的方式聚集长大，温度越高，晶粒越大。
当再结晶退火温度一定时，变形量大小对再结晶的晶粒大小起决定性的影响。
当变形量很小时晶粒大小毫不变化。
当达到某一变形量时，再结晶获得异常粗大的晶粒，对应着一组大晶粒的变形度，称为临界变形度。
一般铁5-10％，钢约为5％，铝2-3％。
由于粗大晶粒将显著降低金属的机械性能，故应避免金属材料在临界变形程度范围内进行压力加工。
超过临界变形量，由于各晶粒变形愈趋均匀，再结晶时形核率愈大，因而再结晶的晶粒越细。
三、实验设备及材料
1、拉力试验机、加热炉、吹风机；
2、工业纯铝片一套（试样尺寸200х101mm）、NaON碱液、王水。
四、实验内容及步骤
1、每组一套铝片，经350℃、30ˊ退火，以消除内应力；
2、于铝片两端打上组号，在其中部垂直纵轴的方向画两条相距100mm的平行线，定出原始长度L0；
3、按规定的变形量在拉伸机上进行拉伸
组号
1
2
4
5
6
7
8
伸长量％
2.5
12
15
4将经不同变形后的试样在550℃加热保温半小时后空冷，侵入20％NaOH溶液数分钟用水洗吹干，再用王水（三份盐酸、一份硝酸）腐蚀数秒，显出晶粒后用水洗吹干；
5目测（或用放大镜）样品的晶粒大小，数出每平方厘米内的晶粒数，求平均值（N），算出每一晶粒占的面积（1／N）。
1、作出铝的晶粒尺寸（1／N）~形变量曲线，找出临界形变量，并讨论之;
2、回答：
（1）怎样制作样品才能在显微镜下看到滑移带，为什么？
（2）化学成分相同的材料，其再结晶温度为什么不是一个固定值？
（3）为什么原始铝片要处理成退火状态？
退火时为什么可以空冷？
1、对试样不要擅自弯曲、敲击；
2、试样两端号码如在拉伸时损坏，应及时在作记号；
3、腐蚀时，特别要注意，不要将王水和碱液溅到衣服、皮肤上；
4、不要在耀光处数读晶粒，读晶粒时将铝片微微移动，以免读漏。
实验六碳钢及铸铁的平衡组织观察
1、熟悉碳钢及铸铁在平衡状态下的显微特征；
2、分析铁碳合金的平衡组织与含碳量的关系。
二、实验说明
铁碳平衡相图示分析钢铁材料性能的基础，所谓平衡组织，是合金在极其缓慢冷却条件下得到的组织。
如图5-1所示。
图5-1Fe-Fe3C平衡组织相图
由Fe-Fe3C相图可以看出，铁碳合金的室温平衡组织是有两个基本相组成，即铁素体与渗碳体。
但对不同含碳量的合金，由于这两个基本相的相对数量、析出条件、形态、分布不同，因而呈现不同的显微组织特征。
其中渗碳体对合金性能影响很大。
在碳钢中，渗碳体一般可认为是一个强化相。
（一）碳合金室温下基本组织特征
1、铁素体（F）
碳在α-Fe中的间隙固溶体，体心立方晶格，平衡态下含碳量低于0.02％。
具有磁性及良好塑性，硬度低，经3－4％硝酸酒精侵蚀后，呈白色等轴晶粒，晶界呈黑色，亚共析钢时呈块状，当含碳量接近于共析成分时，则呈连续网状分布于珠光体周围。
2、渗碳体（Fe3C）
具有复杂晶格结构的间隙化合物，平衡态下含碳量为6.69％，用3－4％硝酸酒精侵蚀后，呈亮白色，若用苦味酸钠溶液热侵后，呈黑褐色，由此可区分铁素体与渗碳体。
由于形成条件不同，渗碳体又可分为Fe3CⅠ（从液体中析出）、Fe3CⅡ（从奥氏体中析出）、Fe3CⅢ（从铁素体中析出）。
3、珠光体（P）
铁素体与渗碳体组成的细密机械混合物，平衡态下其含碳量为0.77％。
在高倍（600×
）显微镜下，可看到珠光体中片层相间的渗碳体和铁素体互相平行交替排列。
在中等（400×
左右）放大倍数下,由于物镜的分辨率低于渗碳体层片厚度,渗碳体两侧边缘线无法分辨而合成一条黑线。
在放大倍数更低时（200×
左右），铁素体与渗碳体的片层间距都不能分辨，珠光体呈暗黑一片。
4、低温莱氏体（Ld′）
珠光体与渗碳体的机械混合物，在平衡状态下，含碳量为4.3％，。
其显微组织特征为渗碳体（包括共晶渗碳体和二次渗碳体）白色基体上分布着暗黑色的珠光体。
（二）铁碳合金平衡组织的显微分析
根据组织特点及碳含量不同，合金可分为工业纯铁、钢、和铸铁三大类。
1、工业纯铁
含碳量低于0.02％的铁碳合金。
其显微组织由单相铁素体和沿晶界分布的少量三次渗碳体。
2、碳钢
含碳量0.02-2.11％的铁碳合金为碳钢。
可分为亚共析钢、共析钢、过共析钢。
（1）亚共析钢含碳量为0.02-0.77％的铁碳合金。
室温下显微组织为铁素体和珠光体，经4％硝酸酒精侵蚀后，铁素体呈白色块状，珠光体呈暗黑色。
随含碳量的增加，珠光体量增多，铁素体量减少，当含碳量大于0.60%时,铁素体呈网状分布在珠光体边界上.
根据亚共析钢的平衡组织可用下式估算钢的百分数:
C%=P%×
0.77%式中:
C%=钢的含碳量
P%=珠光体所占面积
（2）共析钢含碳量为0.77％的铁碳合金。
其室温下的显微组织为珠光体。
（3）过共析钢含碳量为0.77-2.11％范围的铁碳合金。
其室温下的组织为珠光体和二次渗碳体。
经4%硝酸酒精侵蚀后，二次渗碳体呈白
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