金属学及热处理实验指导书Word格式.doc

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2、为了使结晶速度大些,可以将滴有溶液之玻璃片置于电炉上（或酒精灯上加热片刻（约一分钟左右,烘烤时间不可太久,不得将溶液烘干,或者将玻璃片加热后在滴Pb（NO32溶液。

六实验报告内容:

1、说明本次实验目的。

2、简述进行实验方法。

3、绘出一滴Pb（NO32接警后的组织图,并注明结晶物质名称及放大倍数。

组织图画在直径约为30mm左右的圆内,并将各结晶带的名称以箭头引出标明。

实验二金相显微镜的使用及金相试样的制备

一、实验目的

（一了解普通金相显微镜的构造与使用方法。

（二了解金相试样的制备方法。

（三学习使用金相显微镜观察金相组织。

二、实验概述:

（一金相显微镜

显微镜是由两组透镜所组成。

靠近被观察物体的透镜叫物镜。

而靠近人眼的透镜叫目镜。

借助物镜和目镜的两次放大,就能将的体放大到很高的倍数（~2000倍,图II所示是在显微镜中得到放大物像的光学原理图。

被观察的物体AB放在物镜之前距其焦距略远处,由物体反射的光线穿过物镜。

经折射后得到一个放大了的倒立实像A'

B'

再经目镜将实像AB放大成倒立虚像A'

'

。

这就是人们在显微镜下研究实物时所观察到的经过二次放大后的物像。

在显微镜设计时,让目镜的焦点位置与物镜放大所成的实像位置接近,并使最终的倒立虚像在距眼睛250毫米（约是人眼的正常明视距离处成像,这样就可以看得最为清晰。

显微镜质量的好坏,主要取决于:

①放大倍数;

②透镜的质量;

③显微镜的鉴别能力。

2、显微镜的放大倍数:

图II物镜的放大倍数:

N物=L/F1目镜的放大倍数:

N目=D/F2

显微镜的总放大倍数应为物镜放大倍数与目镜放大倍数的乘积,即:

2

1FFD

LNNN**⨯=

=目物总

其中:

L-------显微镜的光学筒长度（物镜后焦点与目镜前焦点的距离。

D-------明视距离（250mmF1-----物镜焦距。

F2-----目镜焦距。

3、透镜成象的质量

单个透镜在成象过程中,由于几何光学条件的限制,映象会变得模糊不清或发生畸变,这种缺陷称为象差。

象差主要包括球面明差和色象差。

球面差的产生是由于透镜的表面呈球曲形。

通过透镜中心及边缘的光线折射以后不能交于一点,而形成几个映象前后分布。

有校正球面象差的采用多片透镜组成透镜组,即将凸透镜和凹透镜组合在一起（称为复合透镜,由于两种透镜有性质相反的球面象差,因此可以相互抵消。

色象差的产生是由于组成白光的各种不同波长的光线在穿过透镜时折射率不同。

这些光在平面上成的象不能集中于一点,而呈现带有彩边的光环。

通常采用单色光源（或加滤光片。

也可使用复合透镜来消除色象差。

4、显微镜的鉴别能力

显微镜的鉴别能力是显微镜也是物镜最重要的特性,它是指显微镜对于试样上最细微部分,能获得最清晰映象的能力。

通常用可以辨别的物体上两点间的最小距离d来表示。

被分辨的距离越短,表示显微镜的鉴别能力越高。

显微镜的鉴别能力可由下式求得:

（

ANd*=

2λ

式中:

λ——入射光源的波长

N﹡A——物镜的数值孔径,表示物镜的聚光能力数值孔径可由下式求出:

（Φ*=*sinηAN式中:

ŋ——物镜与物体间介质的折射率。

Ф——通过物镜边缘的光线与物镜轴线所成的角度。

一般情况物镜与物体之间的介质是空气,光线在空气中的折射率ŋ=1,若一物镜的角孔径为60oC,则其数值孔径为:

（（

5.030sin130sin00=*=*=*ηAN

若在物镜与试样之间滴入一种松柏油（ŋ=1.52,则其数值孔径为:

N﹡A=1.52*Sin30°

=0.76,可用这种方法提高显微镜的鉴别能力。

物镜的数值孔径与放大倍数一起刻在镜头的外壳上,例如镜头上刻有25/0。

50或在65×

的下面刻有0.75等数字,这个0.50或0.75即表示物镜的数值孔径。

高倍物镜通常都为油浸系,油镜头用“油”（或OIL,OL,HL或外壳涂一黑圈来表示。

5、金相显微镜的使用及维护

金相显微镜是精密、贵重的光学仪器,必须细心谨慎使用,注意做到下列各点:

（1显微镜应放置于平稳的桌面上。

（2在使用显微镜以前必须将手上污物洗净擦干。

（3旋转显微镜支柱上的粗调螺丝或细调螺丝可调节焦距。

先放置粗调螺丝,当呈

现出模糊的映象时,再转动细调螺丝,直到所观察的象清晰为止。

在旋转粗调或细调螺丝时,必须缓慢,不可骤然上升或下降。

（4移动样品的位置,可推移载物盘。

（5物镜或目镜不得用手指或其它粗糙物品接触,其玻璃部分如附有污物应以擦镜低或细绒布抹擦之,但不得使用酒精,以防透镜被溶解。

（6在调节焦距时,应先旋转粗调螺丝降低载物台。

使样品很接近物镜,但切勿与之相碰,防止物镜损坏,然后再先后放置粗调和细调螺丝,使载物台缓慢上移,并在目镜中观察图象。

（7显微镜上所装各种部件不得取下。

（8金相样品的观察面不得用手指抚摸。

当样品不在显微镜上观察时,应将观察面朝上。

（二金相样品制备规程不同介质对物镜聚光能力的比较

制备显微试样包括取样、磨光、抛光及浸蚀四个步骤。

本实验只进行金相样品的磨光、抛光和浸蚀。

1、取样

取样时应根据被分析材料或零件的特点。

选择有代表性的部分。

例如研究零件破裂原因时,应在破裂部位及正常部位取样,进行比较分析。

试样最适合的尺寸是直径为12mm,高为10mm的圆柱体或面积为12*12mm2,高10mm的长方体。

根据材料性质不同,可用手锯、用车床切削、用锤子击碎以及用砂轮切割等方法截取试样。

在取样过程中应注意防止试样受热组织发生变化。

取得试样后,应将试样表面制成平面,同时边缘要倒成圆角（如分析化学热处理表面组织时则不能倒角。

2、磨光

试样抹平后,须用清水冲洗干净并擦干,然后进行磨光,磨光可用手工或机械两种方法。

（1手工磨光手工磨光是在不同号数的金相砂纸上进行。

砂纸号数由01,02,03,04四种。

01砂纸最粗,04号砂纸最细。

磨光时所用砂纸从粗到细顺序进行,磨光过程中,磨削压力不宜过大,用力要均匀。

在一张砂纸上磨好后,应将试样冲洗干净,然后将试样转90O换细一号的砂纸再磨。

这样,又粗到细依次磨削,磨好后将试样洗净,然后在抛光机上抛光。

（2机械磨光一般是在预磨机上进行,即把砂纸用水玻璃粘在预磨盘上使用,试样易从粗砂纸到细砂纸依次分别进行磨光。

3、抛光

抛光的目的是除去试样表面的细磨痕,最后得到一个光亮的镜面。

抛光分为机械抛光、电机抛光和化学抛光三种方法,其中以机械抛光应用最广。

机械抛光是在抛光机上进行。

抛光机是由电机和水平抛光盘（直径200~250mm组成。

抛光盘上铺有固紧的抛光织物,抛光钢试样时一般使用细呢绒,抛光铸铁时则使用如帆布、白色的确良等绒毛较短的抛光织物,以防止灰口铸铁中的石墨脱落,抛光铝、镁、铜等有色金属可用细丝绒。

在抛光过程中,应不断将抛光也洒在抛光盘上,抛光液是由抛光粉与水配成细的悬浮液。

抛光钢和铸铁使用的抛光粉为氧化铝和氧化铬,有色金属等软材料可用细粒度的氧化镁。

抛光时压力不宜过大,抛光时间取决于试样表面磨光的质量,一般约为5~15分钟。

金相试样经抛光后,其磨面应光亮无痕,且石墨或夹杂物等不应抛掉或有拽尾现象。

这时试样先用清水冲洗,在用无水酒精清洗磨面,然后用吹风机吹干。

4、显微试样的浸蚀

金相试样经抛光后,在显微镜下观察只能看到光亮的表面和夹杂物、石墨、孔洞、裂纹等。

要观察金属的组织,必须经过适当的腐蚀,使显微组织能正确的显示出来。

浸蚀方法有化学浸蚀方法和电解法两种。

化学浸蚀是将抛光好的试样磨面在化学浸蚀剂（常用酸、碱、盐的酒精或水溶液中浸

润或拭擦一定时间。

由于金属材料中各相的化学成分和结构不同,故具有不同的电极电位,在浸蚀剂中就构成了许多微电池,电极电位的相位为阳极而被溶解,电极电位高的相位阴极而保持不变。

故浸蚀后就形成凹凸不平的表面,在显微镜下,由于光线在各处的反射清款不同,就能观察到金属的组织特征。

纯金属及单相合金浸蚀时由于晶界原子排列较乱,缺陷及杂质较多,具有较多的能量,故晶界易被浸蚀而呈沟壑。

在显微镜下观察时,使光线在晶界处被浸射而不能进入物镜,因次显示出一条条黑色的晶界。

应当指出,纯金属与单相合金中各个晶粒的成分虽然相同,但由于其原子排列位相不同,也会使磨面上个晶粒的浸蚀程度不一致,在垂直光线照射下,个个经历就呈现出明暗不一的颜色。

化学浸蚀剂的种类很多,浸蚀剂的选用是根据试剂材料的性质及浸蚀的目的来决定。

对于碳钢及铸钢,最常用的浸蚀剂为4%硝酸酒精溶液或4%苦味酒精溶液。

浸湿时,应将试样浸入一盛有浸蚀剂的容器内,并不断的轻微移动。

待浸蚀适度后取出试样,迅速用水冲洗,再用无水酒精冲洗,然后用吹风机吹干,其表面须严格保持清洁。

浸蚀时间取决于金属的性质、浸蚀剂的浓度以及显微镜下观察时的放大倍数。

总之,浸蚀时间以在显微镜下能清晰地揭示出组织的细节为准。

若浸蚀不足,可再继续进行浸蚀,但一旦浸蚀过度。

试样则需要重新抛光再进行浸蚀。

三、实验设备:

金相显微镜、砂轮机、抛光机、吹风机、玻璃板、培养皿、镊子。

四、材料:

金相试样、砂纸一套、抛光液（Al2O3、腐蚀剂（4%硝酸酒精溶液、药棉

（一按上述说明制作金相样品。

（二利用金相显微镜观察浸蚀前与浸蚀后的金相试样。

六、实验报告要求:

画出金相试样浸蚀后的显微组织示意图（画显微组织时应选择其典型区域,并抓住其组织特征。

实验三铁碳合金平衡组织的显微分析

1、观察和分析铁碳合金（碳钢和白口铸铁在平衡状态下的显微组织,

2、结合课堂内容了解含碳量对铁碳合金中的相及组织组成物的本质、状态和相对量的影响。

3、熟悉金相显微镜的基本原理、构造及使用。

二、概述:

铁碳合金的显微组织是研究和分析钢铁材料性能的基础。

所谓平衡状态的显微组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下（如实际生产中的退火状态,即接近平衡状态所得到的组织。

根据课堂讲授的Fe-Fe3C相图中可以看出,所有碳钢和白口铸铁的室温组织均由铁素体（F和渗碳体（Fe3C的这两个基本相组成。

但由于含碳量不同,铁素体和渗碳体的相对量、析出条件以及分布情况均有所不同,因而呈现各种不同的组织形态。

各种不同成分的铁碳合金在室温下（接近平衡状态得到的试样的显微组织见表2-1。

用浸蚀显露的碳钢和白口铸铁,在金相显微镜下具有下面几种基本组成物。

①铁素体（F——用3~4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈现明亮的等轴晶粒;

亚共析钢中铁素体呈块状分布,当含碳量接近于共析成分时,铁素体则呈断续的网状分布于珠光体周围。

②渗碳体（Fe3C——是Fe与C的化合物,含量为6.69%,质硬而脆,耐腐蚀。

经3--4%硝酸酒精溶液浸蚀后,Fe3C呈亮白色;

若用苦味酸钠浸蚀,则Fe3C被染成暗黑色或综红色。

按成分和形成条件的不同,Fe3C可呈现不同的形态。

一次Fe3C（或Fe3Cr是直接从液体中析出的,故在白口铸铁中呈粗大的条件片状;

二次Fe3C（或Fe3CⅡ是从奥氏体中析出的,往往呈网络状沿奥氏体晶界分布;

三次Fe3C是由铁素体中析出,通常呈不边疆薄片状存在于铁素体晶界处,数量极微,可忽略不计。

③珠光体（P——是F与Fe3C的机械混合物,在一般退火处理情况下（近于平衡状态是由铁素体与渗碳体相互混合交替排列形成的层片状组织。

经硝酸酒精溶液浸蚀后,在不同放大倍数的显微镜下可以看到具有不同特征的珠光体组织（如图2--1所示。

在高倍放大时能清楚地看到珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体;

当放大倍数较低时,由于显微镜的鉴别能力小于渗碳体片厚度,这时珠光体中的渗碳体就吸能看到是一条黑线,当组织较细或放大倍数再低时,珠光体的片层就不能分辩,而呈黑色。

莱氏体（Ld——是在室温时珠光体及二次渗碳体和渗碳体组成的机械混合物。

如含碳量为4.3%的共晶白口铸铁在1147℃时形成由奥氏体和渗碳体组成的共晶体,其中奥氏体冷却时析出Fe3CⅡ,并在727℃以下分解为珠光体。

莱氏体的显微组织特征是在亮白色的渗碳体基低上相间地分布着暗黑色斑点及细条状的珠光体。

二次渗碳体和共晶渗碳体连在一起,从形态上难以区分。

三、实验方法指导

（一实验内容及步骤

1、在本实验中,学生应根据Fe--Fe3C相图分析各类成分合金的组织形成过程,并通过对铁碳合金平衡组织的观察和分析,熟悉钢和铸铁的金相组织和形态特征,以进一步建立成分与组织之间相互关系的概念。

2、实验前学生应复习讲课中的有关部分并阅读实验指导书,为实验做好的理论方面的

准备。

3、在显微镜下对各种试样进行观察和分析,并确定其所属类型。

画出所观察到的显微组织图,抓住组织形态的特征,并在图中表示出来。

4、根据显微组织近似地确定亚共析钢（20钢或45钢中的平均含碳量。

（二实验设备及材料

1、金相显微镜

2、金相图谱

3、几种铁碳合金的显微样品见表2-3。

（三实验报告要求:

1、说明本次实验的目的。

2、画出所观察过的组织,并注明材料名称、含碳量、（浸蚀剂和放大倍样。

显微组织图画在直径为30mm的园内,并装组织组成物名称以箭头引出标明。

3、根据所观察的显微组织近似地确定和估算一种亚共析钢的含碳量。

实验四碳素工具钢（T8的热处理

比较钢经退火、正火、淬火后机械性质的差异,本次实验主要是比较碳工钢（T8经

退火、正火、淬火后的硬度，说明休学成分相同的钢组织不同性能也不同的原理。

二、实验原理：

（一碳工钢T8（含碳量0.3%）经过退火，其组织为珠光体（片状或球状）硬度低，约为HRC20左右。

较AC1温度MSV实V临过冷奥氏体等温冷却转变曲线

（二）将T8钢加热到淬后温度（即t=AC1+（30~50℃）保温，使珠光体全部转变为奥氏体，而后急速冷却。

即实际冷却速度V临。

使奥氏体过冷到Ms点以下，发生马氏体转变，淬火后的组织为马氏体+少量残留奥氏体，机械性质发生变化，即硬度、强度升高、韧性塑性下降。

淬火后硬度值约为HRC55~60。

三、实验设备及材料：

（一）设备：

SRTX-4-13型高温箱式电阴炉。

XCT--101型动圈式温度指示调节仪，淬火槽，坩埚钳，HR-1540型洛氏硬度机。

（二）材料：

T8钢试样Ø

25×

10，淬火液[清水或（5--10）%NaCl水溶液]，木炭四、实验步骤：

（一）取退火状态下T8钢试样并在洛氏硬度机测试硬度，测三点取平均值填入本实验指导书末的表格中。

（二）将试样放入已升高到淬火温度的电炉内进行加热。

1、加热温度：

T8钢为共析钢，AC1=730℃t加热=AC1+（30~50℃）=760~780℃2、加热时间：

（包括保温时间）T总=a×

Dτ总：

试样总加热时间a：

加热系数（分/毫米）D：

试样有效厚度（毫米）试样为碳钢且在空气介质中加热。

a=（1.5~2）分/毫米试样有效厚度D=10毫米。

τ总=（1.5~2）分/毫米×

10毫米=（15~20）分为了避免试样在加热过程中氧化，炉内放有木炭，其原理是木炭在炉内不完全燃烧（2C+O2=2CO），使炉内形成（CO+N2）保持性气氛。

（三正火和淬火：

打开炉门用坩埚坩夹出两块试样。

一块放在空气中冷却进行正火，另一块迅速投入淬火液中，直到试样冷到室温，注意操作要迅速，以防试样在打开炉门后温度降得过低。

760°

～780°

温度水或盐水冷却20分钟温度热处理工艺曲线（四）测试淬火后的硬度：

将试样由淬火液中取出并擦干净后于砂布上磨光，目的是除去试样表面氧化皮，以免影响硬度值的准确性。

用洛氏硬度试验机测定试样洛氏硬度Rc值（测三点求平均值填入报告表内）。

（五）测试正火后的硬度：

将空气中冷却后的试样在砂纸上磨光后，用洛氏硬度机测定试样的洛氏硬度Rc值（亦测三点。

求平均值填入报告表内）。

五、注意事项：

（一）、不要随意触动有关电炉及温度控制器的电源部分、以防触电或损坏设备。

（二）、试样由炉内取出注意夹牢（且不要碰到炉内碳硅棒）以免烫伤和影响实验的准确性。

六、实验报告要求：

（一）填写实验数据：

（二）问题讨论：

T8钢经退火和淬火处理后，它们的性能有何不同？

为什么？

实验五、实验五、金属材料综合性实验一、实验目的：

掌握金属材料的成分、组织、性能三者之间的变化规律，掌握合金钢（高速钢）的

显微组织与热处理之间的理论关系。

学会观察分析各类金属材料的显微组织，了解合金元素对钢的组织的影响。

二、实验设备：

金相显微镜三、实验材料：

铸造、退火、淬火、回火高速钢试样各一块，不锈钢（Cr18Ni9）、矽钢片、40碳钢、40铬钢试样各一块。

四、实验原理及方法：

（一）高速钢的显微组织与热处理的关系。

高速钢中含有大量的碳及合金元素W、Cr、V，它们在钢中能形成合金铁素体、合金渗碳体、及大量的特殊碳化物Fe2W2C，并增加回火稳定性，故高速钢具有高的热硬性。

W、Cr、V均能使铁碳平衡了图中的S点及E点左移。

铸造高速钢的组织：

高速钢属于莱氏体类钢，在铸造状其组织是由奥氏体+莱氏体（骨骼状，奥氏体+碳化物）+σ固溶体。

锻造和退火后高速钢的组织：

在锻造时，骨骼状的碳化物被破碎为粒状，所以锻造并经退火后，高速钢的组织是由索氏体（基体，铁素体+共析碳化物）+碳化物（其中粗大亮色晶粒为莱氏体中的碳化物，中型亮色晶粒为二次碳化物）组成。

高速钢的淬火组织：

高速钢在使用时应经淬火和回火。

淬火温度为1260——1300oC。

淬火剂为油或空气。

淬火后的组织是由马氏体+粒状的初生碳化稀+大量的（约40%）残余奥氏体组成。

在淬火加热时，初生碳化物不能溶解，它能阻止奥氏体晶粒长大。

残余奥氏体会降低硬度及导热性，必须采用回火来消除。

马氏体与残余奥氏体连在一起，在金相组织上很难显出。

高速钢的回火组织：

高速钢经淬火后须在560OC进行回火，在回火时，由残余奥氏体中析出碳化物，使奥氏体中合金元素减少，降低稳定性，因此在回火冷却时，残余奥氏体转变为马氏体。

为了消除大量的残余奥氏体，高速钢在淬火后必须进行三次回火。

高速钢经回火后的组织是由马氏体+粒状碳化物组成。

马氏体的针形特征看不出来。

（二）不锈钢（Cr18Ni9）-奥氏体类钢18-8不锈钢中含C<

0.12%,Cr17-20%,Ni8-11%.Cr加入钢中是为了赋予抗蚀性，Ni能扩大Fer存在的温度范围。

Ni加入是为了得到奥氏体组织。

18-8不锈钢经淬火后的组织是奥氏体。

（三）矽钢片（变压器钢，硅钢）——铁素体类钢。

约含0.06%C和3.8——4.4%Si，用于电机及变压器。

Si能与Fe组成固溶体，Si可剧烈地增加钢的电阻，减少涡流损失。

变压器钢属于铁素体类钢，FeγFea的同素异晶转变，无Si能扩大Fea存在的温度范围，所以可利用退火使晶粒细化，来增加变压器钢的磁性及减少涡流损失。

变压器钢的显微组织是粗大的合金铁素体晶粒。

（四）40碳钢及40铬钢40碳钢的含碳量约为0.40%，在退火状态下其显微组织为铁素体+珠光体。

40铬钢为合金结构钢（调质钢），含碳量亦约为0.40%，含Cr0.8~1.1%，由于合金元素（如Cr）使铁碳平衡图中的S点及E点左移，碳化物及珠光体的数量相应增多，而硬度、强度值随之增大。

40Cr钢的退火组织也是铁素体+珠光体。

在显微镜下仔细观察退火40碳素钢及40Cr钢的组织，并比较它们的差异。

五、实验内容：

观察上述八种样品的显微组织。

（一）依次绘出高速钢的铸态、退火、淬火、回火后的显微组织；

不锈钢、硅钢（变压器钢）、40碳钢及40Cr的显微组织。

（二）根据实验观察的结果，说明Ni、Si及Cr对钢的组织的影响。