《机械工程材料》实验指导书

《机械工程材料》实验指导书主编：孙维连班级：姓名：学号：2实验一铁碳合金平衡组织分析一、实验目的1)观察和研究铁碳合金在平衡状态下的显微组织。2)分析和研究碳的质量分数，在相形成过程中的影响，研究组织组成物的本质和特征。3)学会使用金相显微镜。二、概述碳素钢和铸铁材料，其显微组织与性能有密切的关系。“1．碳素钢和白口铸铁的平衡组织所谓平衡组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下所得到的组织。在铁碳合金中，平衡组织是指碳素钢和白口铸铁的显微组织。这些组织在室温时，均由铁素体和渗碳体两相组成。由于碳的质量分数不同，造成铁素体和渗碳体这两个基本相的相对数量，析出条件以及分布情况均不同，呈现各种不同的组织形态。铁碳合金在室温下的显微组织，见表1—1。表1-1铁碳合金在室温下的显微组织材料wc(％)显微组织工业纯铁0.0218F(见图5-6b)亚共析钢O．0218～0.77F+P(见图5-8b)碳钢共析钢O.77P(见图5-7b)过共析钢O．77～2.11P+Fe3CI(见图5-9b)亚共晶白口铸铁2.11～4.3P+Fe3CII＋L／d(见图5-11b)白口铸铁共晶白口铸铁4.3L／d(见图5-10b)过共晶自口铸铁4.3～6.69Fe3Cl+L／d((见图5-12b)2．各种相组成物和组织组成物特征．(1)铁素体(F)是碳固溶于—Fe中的固溶体。铁素体是体心立方晶格，有磁性，塑性好，硬度低。工业纯铁经过金相试样制备后，在金相显微镜下观察，可见多边形等轴晶粒(教材图5—6b)。随着钢中碳的质量分数增加，铁素体减少，增加了新的组织(即珠光体P)，铁素体呈块状分布(见教材图5—8b)40钢显微组织。当碳的质量分数接近共析成分时，铁素体呈断续的网状分布在珠光体周围。(2)渗碳体(Fe3C)是碳与铁形成的化合物，其碳的质量分数为6.69％，质硬而脆，耐腐蚀。用4％的硝酸酒精溶液浸蚀后，渗碳体呈亮白色，见教材图5—9b。渗碳体有多种形态：一次渗碳体Fe3CI。是直接从液相中析出来的，呈宽直白条状；二次渗碳体Fe3CII。是由奥氏体(A)中析出的，常呈网状分布在珠光体的边界上。此外，还有球粒状，小3条块等形态。渗碳体的硬度高，是硬而脆的相，强度和塑性差。(3)珠光体(P)是铁素体和渗碳体的机械混合物，即铁素体片与渗碳体片相互交替排列形成片层状组织。以不同的放大倍数显微镜进行金相观察，结果如下：在400倍时，为宽白条的铁素体和细黑条的渗碳体，类似人的指纹纹路。见图1—1400×下的珠光体。在高放大倍数时，为平行相间的宽条铁素体和窄条渗碳体均为白色，边界为黑色，见图1-22000×下的珠光体。图1—1400×下的珠光体图1—22000×下的珠光体(4)莱氏体(L／d)在室温时是珠光体和渗碳体的机械混合物。渗碳体中包括共晶渗碳体和二次渗碳体。两者相连无界线，无法分辨开。金相显微镜观察，莱氏体的组织特征是在亮白色的渗碳体的基体上分布着许多黑色点状或条状的珠光体(见教材图5—10b，共晶白口铸铁的显微组织)。莱氏体硬度高，性脆。一般存在于碳的质量分数大于2.11％的白口铸铁中，高合金钢的铸造绢织中也出现。在亚共晶白口铸铁中，莱氏体基体上分布着黑色树枝状和豆粒状的珠光体。其周围常有一圈白亮的二次渗碳体，但与L／d中的渗碳体混为一体，分辨不清，见教材图5—11b。在过共晶白口铸铁中，莱氏体基体上，分布着宽直白条的一次渗碳体，见图5—12b。三、实验内容及报告1)学会金相显微镜的使用。通过金相显微镜，观察平衡组织试样，研究组织特征。2)在直径36mm圆内绘制观察到的金相组织图，需用细实线标明组织构成物，注明浸蚀剂，试样材料，放大倍数，见表1—2。表1-2铁碳合金平衡组织试样编号材料热处理浸蚀剂1工业纯铁4％硝酸酒精溶液245退火3T84T125亚共晶白口铸铁铸态6共晶白口铸铁7过共晶白口铸铁4四、注意事项1)金相显微镜是精密光学仪器，操作要认真。2)绘图使用铅笔。不要将试样中杂质及划痕画出。3)不要触摸试样表面，如有模糊不清试样，请老师重新更换。实验二碳素钢的热处理一、实验目的1)了解碳素钢的基本热处理(退火、正火、淬火及回火)的工艺方法和主要设备。2)研究碳的质量分数，加热温度，冷却速度，回火温度对钢性能的影响。3)熟悉硬度计的使用。二、热处理工艺碳素钢热处理工艺主要有退火、正火、淬火及回火。加热温度、保温时间和冷却速度，是达到热处理良好效果的最重要工艺参数。1．加热温度(1)退火亚共析钢加热至Ac3+(30℃～50℃)(完全退火)；共析钢，过共析钢加热至Acl+(100C～200C)(球化退火)，得到粒状渗碳体，硬度降低，以利切削加工。(2)正火亚共析钢加热至Ac3+(30℃～50℃)；过共析钢加热至Accm+(30℃～50℃)。即加热到奥氏体单相区。退火和正火的加热温度范围，见图2—1。(3)淬火亚共析钢加热至Ac3+(30℃～50℃)；共析钢和过共析钢加热至Ac1+(30℃～50℃)，淬火的加热温度范围，见图2—2。钢的成分，原始组织及加热速度等皆影响临界点Ac1，Ac3，Accm的位置。热处理前需认真查阅有关的材料手册，按规范操作。否则，得不到预期的组织。若加热温度过高。晶粒容易长大，材料氧化，脱碳和变形而失去效能。几种碳素钢的临界点，见表2—1。图2—1退火和正火的加热温度范围(4)回火碳素钢淬火后需尽快回火，按加热温度的不同，可分为三种：1)低温回火加热温度150℃～250℃，目的是得到回火马氏体。降低淬火应力，减少脆性并保持淬火碳素钢的高硬度。用于切削工具、冷作模具、滚动轴承等。2)中温回火加热温度350℃～500℃，目的是得到回火托氏体，较多地降低淬火应力，有高的韧性和弹性极限。用于弹簧钢、热作磨具钢等热处理。3)高温回火加热温度550℃～650℃，目的是得到回火索氏体，消除淬火应力。强度、硬度、冲击韧度较好。淬火加上高温回火又称调质，用于要求具有良好综合力学性能的重要零件，如主轴，齿轮等。图2—2淬火的加热温度范围5表2-1几种碳素钢的临界点wc(％)临界点℃淬火温度℃AclAc3AccmO.2835+△T860～880O.4800+△T840～860O.6727750+△T790～800O.8727+△T780～8001.O850+△T760～8001.2895+△T760～800注：△T为过热度，取决于加热速度，一般为5℃～15℃。、2．保温时间为了保证工件内外均达到指定的温度，使碳化物溶解和奥氏体成分均匀化，工件升温和保温所需的加热时间要给予保证。保温的加热时间需考虑诸多因素，可参考有关手册数据。空气介质炉中每毫米碳素钢需1min～1.5min；合金钢则需2min左右。利用盐浴炉加热，时间可减半。3．冷却速度热处理时要充分注意不同的冷却方法，具体来说：退火一般采用随炉冷却；正火(又称常化)采用出炉置于空气中冷却，大件则常常还要加吹风。淬火工艺则较复杂。一方面要求工件冷却大于临界冷却速度，目的是得到全部马氏体组织或下贝氏体组织；另一方面又要求工件减缓冷却速度，避免淬火应力过大，造成开裂和变形。理想的冷却是过冷奥氏体在最不稳定的温度范围内(650℃～550℃)尽快冷却，迅速渡过危险区域，而在马氏体转变温度(300℃～20℃)尽量降低冷却速度。淬火时的理想冷却曲线示意图，见图2—3。图2－3淬火时的理想冷却曲线示意图三、实验要求及报告每6人一组进行工艺实验，填好表2—2。6表2-2碳素钢淬火+回火工艺表材料45T12淬前组织淬前硬度淬火温度加热时间淬火介质淬后硬度回火温度200℃400℃600℃200℃400℃600℃保温时间回火后硬度实验三常用金属材料的显微组织观察一、实验目的1)利用金相显微镜观察几种合金钢、铸铁及有色合金的显微组织。2)了解和分析这些合金的成分、显微组织对性能影响。二、概述为了提高钢的力学性能及工艺性能，在碳素钢中加入一定量的合金元素，则成为合金钢。铸铁的优点是熔点低，流动性好，易于铸造，且成本低。有色合金材料则各自具有特殊的物理化学性能。工业生产中，广泛使用上述三种材料。(一)合金钢合金钢的基本相有：合金铁素体、合金奥氏体、合金碳化物及金属间化合物等等，故其显微组织远比碳素钢复杂。1．高速钢以W18Cr4V为例，属高合金钢，特点是具有高红(热)硬性。在铸态下与亚共晶白口铸铁组织相似，其中莱氏体由合金碳化物和马氏体或托氏体组成，见教材7—11。需说明，呈鱼骨状的碳化物不能靠热处理消除，必须进行锻造打碎、退火，才能改善碳化物的分布状况。在退火状态下，高速钢的基体是索氏体，其上分布着许多亮白块是一次或二次碳化物。如图教材7—13所示，高速钢所需淬火温度高(如W18Cr4V为12700C～12800C)，促使奥氏体充分合金化。采用油冷或分级淬火，三次高温回火，组织为回火马氏体，碳化物及少量残余奥氏体，见教材图7—17，高速钢由于具有优异的力学性能，成为常用的切削工具材料。2．不锈钢以1Crl8Ni9为例，特点是耐大气，海水及腐蚀性液体的浸蚀，属高合金钢。其铬含量高，可产生材料表面钝化作用，阴极电位提高；加入镍可保证在室温下具有奥氏体组织。不锈钢固溶处理，加热到11000C左右，碳化物溶解，水冷，组织为单一奥氏体晶粒。固溶处理后的1Crl8Ni9钢的组织，见图3—1。需说明，1Crl8Ni9在室温下是过饱和的单相奥氏体，不稳定。加热到4000C～8000C(或从7高温冷却较慢时)，则有(Cr、Fe)23C6。从奥氏体晶界上析出，使晶间耐腐蚀能力下降。如加入与碳亲和力很强的元素Ti、Nb，可以较好地解决这一问题。(二)有色合金在工业生产中，还常常使用相当数量的有色合金以满足多种需要。1．铝合金按加工工艺分为铸造铝合金和变形铝合金两大类。铝硅合金是应用最广的铸造铝合金，俗称硅铝明。典型的牌号是含硅10％～13％的ZLl02。从A1一Si合金相图可知，其成分在共晶点附近，因而铸造流动性好，不易产生铸造裂纹。但其金相组织为固溶体和粗大的针状硅晶体所成的共晶体及少量呈多面体状的初生硅晶体。硅晶体极脆，图3—11Crl8Ni9钢固溶处理后的显微组织故合金的塑性和韧性降低了。通过变质处理，可改善这一状态。浇注前在合金液体中加入2％～3％的变质剂(2／3NaF+1／3NaCl)即可。钠盐的加入使其共晶点右移，原合金成为亚共晶成分，合金组织大大细化，变质后的组织由初生的α固溶体和细密的共晶体(+Si)组成，使合金的强度和塑性显著改善，见教材图9—7。2．铜合金以黄铜(Cu—Zn合金)和青铜(Cu—Sn合金)最为常用。此外，铜铝合金、铜铍合金、铜镍合金也有应用。由铜锌合金相图可知，锌的质量分数少于36％的黄铜组织为单相固溶体，称黄铜或单相黄铜。黄铜H70经过变形及退火加工后，其晶粒为多边形，并有明显的孪晶。单相黄铜的显微组织，见图3—3。锌的质量分数为36％～45％的黄铜具有+／两相组织，称双相黄铜。如双相黄铜H62的金相组织，相为亮白色，／相为黑色。／相是以CuZn电子化合物为基的有序固溶体，受温度影响大，在低温时较硬而脆；在高温时塑性良好，适于热加工。3．轴承合金在滑动轴承中，常常应用的是巴氏合金材料。锡基巴氏合金含83％Sn、11％Sb和6％Cu。轴承的轴瓦材料承载时，需兼有硬和软两种性质，即在软而有塑性的基体上分布着硬的质点。在金相显微镜下观察，巴氏合金显微组织中暗黑图3—3单相黄铜的显微组织色基体为软的α相；硬质点呈白色方块、三角型、梯型等几何形状为／相；和白色枝状析出物为Cu6Sn5化合物相，见教材图9—13。这种特殊的混合组织使轴承材料具有较好的强度、塑性和韧性，具有良好的抗振、减摩性能。(三)铸铁工业生产中，主要应用的铸铁是三种：灰铸铁(HT)，可锻铸铁(KT)和球墨铸铁(QT)。划分的主要依据是石墨的不同形态和分布。1.灰铸铁它的显微组织特征，见教材图8—3。是在钢的基体上有片状石墨。按基体组织和石墨化的程度不同，又细分为铁素体基体、铁素体+珠光体基体和珠光体基体的灰铸铁。其中，铁素体基体铸