《金属材料综合实验指导书》金属12级

-金属材料工程专业金属材料综合实验指导书材料科学与工程学院2015年8月1目录实验一冷却速度对碳钢连续冷却转变组织及其性能的影响第02页实验二淬火碳钢经不同温度回火后的显微组织和性能变化第07页实验三热处理工艺对高速钢组织和性能的影响第13页实验四碱性次磷酸盐化学镀镍第19页实验五酸性次磷酸盐化学镀镍第21页实验六钢铁的化学氧化第24页2实验一冷却速度对碳钢连续冷却转变组织及其性能的影响一、实验目的1．通过观察和分析碳钢在不同的冷却速度下发生的连续冷却转变，了解冷却速度对碳钢的显微组织和力学性质的影响规律，加深对钢的连续冷却转变曲线和淬火临界冷却速度等概念的理解；2．熟悉碳钢的基本热处理工艺（退火、正火、淬火等）的操作要领；3．掌握碳钢热处理温度的选定原则，加深对Fe-Fe3C相图的认识和理解；4．了解奥氏体连续冷却转变动力学曲线的意义及其在制定热处理工艺时的应用。三、实验原理在实际生产中，零件在热处理时，奥氏体大多是在连续冷却过程中进行转变的。过冷奥氏体以不同冷却速度连续冷却时发生的转变，可用连续冷却转变曲线来表示。图1所示为45钢(0.45％C)的连续冷却转变曲线，可以代表连续冷却转变曲线的一般型式。图145钢的连续冷却转变动力学曲线从图l中可以看到代表不同冷却速度的冷却曲线、铁素体析出线，珠光体转变开始和终了线，贝氏体转变开始线和马氏体转变开始线。这些线将图形分割成不同的区域，即过冷奥氏体区、铁素体析出区、珠光体转变区，贝氏体转变区和马氏体转变区。在转变完成后，高温区转变产物是珠光体，中温区转变产物是贝氏体，低温区转变产物是马氏体，与等温转变基本相同。所不同的是，等温转变得到的组织产物是均匀的，而连续冷却转变是在一个温度范围内发生的转变过程，因此转变产物是不均匀的。在某些冷却速度条件下，会得到混合的组织。如45钢在一定的冷速下可得到“铁素体+细珠光体（即屈氏体）+贝氏体+马氏体”的混合组织。奥氏体冷却转变时全部得到珠光体类型组织的最快的冷却速度叫做上临界冷却速度，冷却速度超过上临界冷却速度就开始有马氏体出现。奥氏体冷却转变时全部得到马氏体组织的最低的冷却速度叫做下临界冷却速度，即一般而言的临界冷却速度。因此，冷却速度低于上临界冷却速度得到不均匀的珠光体类型的组织，高于下临界冷却速度则全部得到马氏体组织。在上、下临界冷却速度之3间得到的为混合组织。在连续冷却转变曲线上，一般还标出个中冷却组织的转变量。此外，还给出不同冷却速度下冷却产物的硬度值。碳钢的连续冷却转变曲线因含碳量不同而有所不同。由于碳是阻碍贝氏体转变的元素，因此在大于0.8％C的过共析钢中，没有中温贝氏体转变部分，只有高温和低温转变。在上下临界冷却速度之间的冷却速度下，在高温区，奥氏体先部分转变为珠光体，然后中止转变，在中温区不发生转变，直到Ms点以下才发生马氏体转变。在共析钢中，可以发生少量的贝氏体转变，但数量较少，因此在有的共析钢的连续冷却转变曲线中常常被忽略而未画出。在低、碳钢中，贝氏体转变则是很明显的。在实际生产中，钢的连续冷却转变有退火、正火和淬火等几种形式。1．退火常用的退火工艺有完全退火、球化退火、去应力退火等。完全退火的主要目的是改善组织、细化晶粒、降低硬度、改善切削加工性。一般常用于一些对强度要求不高的亚共析成分的碳钢及合金钢零件的最终热处理，也常作为某些重要零件的预先热处理。经过完全退火以后，亚共析钢的室温组织为“块状铁素体+珠光体”；球化退化的目的主要是改善组织、降低硬度、改善切削加工性，为后面的淬火做准备，以减少工件淬火时的变形和开裂。主要用于共析成分和过共析成分的碳钢及合金钢，它能使钢中的层片状珠光体和网状渗碳体发生球化，得到硬度更低韧性更好的粒状珠光体组织。在T12钢球化退火后的组织中，亮白色的圆颗粒为渗碳体，亮白色的基体为铁素体。画组织示意图时，只需画出圆颗粒渗碳体，其余的基体就是铁素体。2．正火正火与退火明显的区别就是冷却速度较快，得到的组织要比退火组织细。其主要目的是细化组织，适当提高硬度和强度，改善切削加工性能。一般用于普通结构件作为最终热处理，或作为低碳钢的预先热处理，或消除过共析钢中的网状渗碳体。在45钢正火组织中，亮白色的铁素体比退火组织明显减少，暗黑色的组织为细珠光体或屈氏体。在T12钢正火组织中，二次渗碳体不再是退火态中的网状，而是不连续的网状或颗粒状，画组织示意图时，先画出不连续网状或颗粒状的渗碳体，再画出珠光体组织。3．淬火淬火的主要目的是获得马氏体组织，提高零件的硬度和耐磨性，是发挥钢铁材料性能潜力的重要手段之一。将45钢加热到760℃（即AC1以上），保温一定时间后在水中冷却，即为不完全淬火。根据Fe-Fe3C相图可知，在此温度下，45钢中有部分铁素体尚未转变为奥氏体，因此淬火后得到的显微组织为在暗黑色板条马氏体和针状马氏体基体上分布着亮白色块状铁素体，画组织示意图时，可以先画出亮白色块状的铁素体，再画出呈平行束状的暗黑色板条马氏体和“人”字形针状马氏体基体。45钢经正常淬火即加热到860℃（即AC3以上），保温一定时间后在水中冷却，将获得暗黑色板条马氏体和针状马氏体的混合组织。若将淬火温度提高到1200℃，即过热淬火，此时由于奥氏体晶粒长得比较粗大，经淬火后将得到粗大板条马氏体和针状马氏体组织。将45钢加热到正常淬火温度，然后在油中冷却，则由于冷却速度较慢，将得到细小的暗黑色马氏体和沿原奥氏体晶界呈网状分布的黑色团状屈氏体。画组织示意图时，可先画出网状分布的黑色团状屈氏体，再画马氏体。T12钢经正常温度760℃（即AC1以上）淬火后的显微组织为暗黑色细小的“人”字形针状马氏体和部分亮白色未溶的颗粒状渗碳体，在马氏体之间有一定数量的亮白色残余奥氏体。若将淬火温度提高到1000℃（即ACcm以上），即过热淬火，显微组织为暗黑色粗大的“人”字形针状马氏体和部分亮白色的残余奥氏体。三、实验内容1．钢的热处理热处理是将钢加热到一定温度，经过一定时间的保温，然后以一定的速度冷却下来的一种操作4方法，通过这样的工艺过程，钢的组织和性能将发生改变。加热、保温的目的是为了获得成分均匀的细小的奥氏体晶粒。亚共析碳钢的完全退火、正火、淬火的加热温度的范围是AC3+30℃~50℃，过共析钢的球化退火及淬火加热温度是AC1+30℃~50℃，过共析钢的正火温度是ACcm+30℃~50℃。保温时间则根据钢种，工件尺寸大小，炉子加热类型等由经验公式决定。碳钢的过冷奥氏体在AC1~550℃范围内发生珠光体转变，形成片状铁素体和渗碳体的整合组织。依据片层的薄厚不同有粗片状珠光体（P），细片状珠光体—索氏体（S）和极细片状珠光体—屈氏体（T）之分，硬度随其片间距的减小（转变温度的降低）而增大。碳钢的过冷奥氏体在550℃~350℃范围内发生上贝氏体转变，生成由平行铁素体条和条间短杆状渗碳体构成的上贝氏体（B上）。在光学显微镜下，上贝氏体呈黑色羽毛状。碳钢的过冷奥氏体在350℃~Ms之间等温得到的黑色针状的下贝氏体（B下），它是由针状铁素体和其上规则分布的细小片状碳化物组成。过冷奥氏体以超过临界速度快冷至Ms以下温度，将发生马氏体转变，生成碳在α-Fe中的过饱和固溶体—马氏体。常见的马氏体类型有板条马氏体（碳0.2%）、针（片）状（碳1.0%）马氏体以及由它们构成的混合组织（碳为0.2~1.0%）。随转变温度的降低，碳钢会发生以上不同类型的组织转变并伴随着性能的变化。2．硬度测试洛氏硬度常用的标尺有HRA、HRB、HRC三种。其中，HRC适合于测定硬度较高的金属如淬火钢的硬度，选用金刚石压头，总载荷为150kgf。HRB适合于测定硬度较低的有色金属、退火及正火钢等的硬度，选用淬火钢球，总载荷为100kgf。HRA则适合于测定硬度极高的碳化物、硬质合金表面淬火等的硬度，选用金刚石压头，总载荷为60kgf。3．金相试样制备要在金相显微镜下对金属的组织进行观察和摄影，必须制备平整、光亮、清洁、无划痕、并且用适当的方法显示出真实组织的试样。试样制备通常包括一下几个步骤：（1）手工磨样手持试样在金相砂纸上由粗到细磨制。磨制试样时用力要均匀，待磨面上旧磨痕消失，新磨痕均匀一致时，可更换细一号的砂纸，并且把试样转90º再磨。一般依次使用400号、600号、800号、1000号、1200号和1500号砂纸中的几种磨制即可。（2）机械抛光金相试样的机械抛光在专用的抛光机上进行，抛光织物（呢料、金丝绒等）固定在抛光盘上，洒以抛光粉悬浮液，试样则轻压在旋转的抛光盘上，依靠嵌在抛光织物中的抛光粉的磨削和滚压作用，得到平整、光亮无划痕的抛光面。（3）化学浸蚀在浸蚀剂的作用下，试样组织中电位低的部分成为阳极，电位高的部分成为阴极，因为阳极溶解较快而凹陷下去，从而显示出试样的组织特征。碳钢最常用的浸蚀剂为3~4%的硝酸酒精溶液。4．组织观察与显微摄影在光学显微镜下观察和分析组织，仔细选择典型的清洁无划痕的部位进行摄影。拍照时，组织的图像显示在计算机屏幕上，选好视场，调好焦距后，即可拍照并保存图像。四、实验步骤1.每组从所给的几种碳钢牌号中取一种成分的钢材，用金相试样切割机切取若干高度约25mm的中碳圆柱形试样，分为8组，每组3个。对试样的两个端面进行初步打磨，使两个端面保持平行，并在试样侧面打上编号。52．根据自己所选的钢材牌号查找有关资料，确定出本次实验的工艺方案，并把相应的热处理工艺参数填入表1中。表1试样的热处理工艺试样编号热处理工艺名称工艺参数加热温度/℃保温时间/min冷却方式1原始状态///2完全退火炉冷3正火空冷4油淬油冷5盐水淬火盐水冷6水淬水冷7两相区淬火水冷8过热淬火水冷2.热处理工艺方案经指导老师审查后，可进行热处理操作。将待处理试样（2~8号）按照各自的热处理工艺分别置于不同的试样盘上，等到炉温到达设定温度后，将试样盘放入炉中进行加热，待温度回升后开始计算保温时间。3.待试样在炉中完成保温后，即按照各自的处理方法或随炉冷却（退火），或出炉后分别施以空气中冷却（正火），油中冷却（油淬）、盐水中冷却（盐水淬）和水中冷却（水淬）等冷却操作。4．热处理操作完成后，将各试样的两端用砂纸进行打磨，在其中一个端面上用洛氏硬度计测量其硬度（另一端用于磨制金相试样）。每个试样测量3次，并记录硬度值（先用HRC测试，若硬度在HRC20以下时，则用HRB测试），最后取三次测量的算术平均值。5．将热处理后的试样制成金相试样，在显微镜下分析低、中、高碳钢经过不同热处理的组织特征，画出典型的显微组织图，并将组织名称填写在表2中。。6．选择各试样的显微组织中有代表性的区域进行摄影。最后，综合全班的实验数据和金相照片，进行全面分析，并完成实验报告。五、实验设备和材料1．实验设备中温箱式热处理炉、洛氏硬度计、数码金相摄影显微镜2．实验材料20钢、45钢、T8钢或T10钢六、实验组织1．每班按学号分为三个大组，第一组做20钢的实验，第二组做45钢的实验，第三组做T8或T10钢的实验。2．本实验分两次进行。第一次实验实施热处理操作，测量热处理组织硬度；第二次实验制备金相试样，进行金相摄影和组织分析。七、实验注意事项1．电阻炉使用时一定要接地，往炉中放、取试样时，必须先切断电源。2．往炉中放、取试样时，必须使用夹钳，而且夹钳必须擦干，不得沾有油和水。3．由炉中取出试样淬火时，动作要迅速，以免温度下降，影响淬火质量。64．试样在淬火液中淬火时要不断搅动，以免试样表面由于冷却不均而出现软化点。5．淬火时水温应保持在20℃～30℃左右，水温过高要及时换水。6．热处理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。八、实验报告要求1．简述本实验的目的。2．说明制定本实验中各工艺参数的依据，分别绘出各个热处理工艺的工艺曲线。3．将制定的热处理工艺和实验所得的硬度测试值填入下表：表2试样的热处理状态及其硬度测量试样编号热处理状态硬度值/HRC（或HRB）第一次第二次第三次平均值1原始状态23456784．绘制方块图比较1号（原始态）、2号（退火态）和3号（正火态）三个试样的硬度