11级金属材料专业综合实验指导书

《专业综合实验》实验指导书李丽编沈阳大学机械工程学院1课程编码：11123181课程类别：集中试验必修课适用层次：本科适用专业：金属材料工程周数：2适用学期:第7学期撰写人：李丽审核人：张正贵教学院长：牛建平一、实验目的与要求专业综合实验是材料类各专业的一个重要的实践教学环节。由于它对前继课程的涵盖性以及与生产实际的密切联系，所以在培养学生的综合实验能力和提高综合素质方面具有不可替代的作用。专业综合实验是学生在校期间第一次较全面的实验能力训练，在学生总体培养目标中占有重要地位。通过对一般通用材料的化学成分、显微组织分析、建立热处理工艺与性能之间的联系，使学生掌握含碳量、加热温度、冷却速度、回火温度对组织性能的影响，熟悉材料分析的基本方法；对学生进行热处理工程师的基本训练，使学生学会现使用现代的实验方法。加深学生对以学过的专业基础及专业课的理解，为学生的毕业设计打下坚实的基础。要求学生查阅一定数量的相关资料，根据自己的题目制订热处理工艺及实验方案，自己动手实施热处理、测定材料的化学成分及强度、塑性、韧性、硬度等。照出的显微组织要清晰、典型，最后整理实验数据、写出实验报告。二、实验类型综合型实验三、实验原理及说明（一）退火及正火将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当的温度，保持一定时间，然后缓慢冷却以达到接近平衡状态组织的热处理工艺称为退火。退火的目的在于均匀化学成分、改善机械性能及工艺性能、消除或减少内应力，细化晶粒，改善组织，并为零件最终热处理准备合适的内部组织。按加热温度退火可分为两大类：一类是在临界温度(Ac1或Ac3)以上的退火，又称相变重结晶退火，包括完全退火、不完全退火、扩散退火和球化退火等；另一类是在临界温度以下的退火，包括软化退火、再结晶退火及去应力退火等。正火是将钢材或钢件加热到Ac3(或Accm)以上适当温度，保温适当时间后在空气中冷却（或风冷），得到珠光体类组织的热处理工艺。正火的目的是获得一定的硬度、细化晶粒，消除组织中的缺陷，如过共析钢，可消除连续的二次网状渗碳体，获得比较均匀的组织和性能。但正火组织中片状珠光体比退火要细，亚共析钢中珠光体数量多，铁素体数量少，强度、硬度较退火高。钢的退火工艺很多，主要有：扩散退火，完全退火，球化退火，再结晶退火，消除应力退火等。根据冷却方式不同，退火又可分为连续退火和等温退火等。各种退火方法的加热温2度与铁-碳相图的关系见图1-1。进行热处理时，加热温度、保温时间和冷却方式是最重要的三个基本工艺因素，正确选择这三者的规范，是热处理成功的基本保证。1.加热温度的选择退火加热温度一般亚共析钢加热至AC3十(20～30)℃；共析钢和过共析钢加热至AC1十(20～30)℃(球化退火)，目的是得到球状渗碳体，降低硬度，改善高碳钢的切削性能。正火加热温度一般亚共析钢加热至AC3十(30～50)℃；过共析钢加热至Accm十(30～50)℃，加热到奥氏体单相区。2.保温时间的确定完全退火：对于亚共析钢保温时间不宜过长，一般在箱式电炉保温，按经验公式加以估算，0.5～2min/mm。退火后的冷却速度应缓慢（一般随炉冷），以保证得到珠光体，避免温度过高。3.退火和正火的选用。生产上退火和正火工艺的选择根据钢种，冷热加工工艺，零件的使用性能及经济性能综合考虑，如要求热处理后有一定的强度、硬度，可选正火工艺；要求有一定的塑性，尽量降低强度、硬度，得到接近平衡组织，则应选择退火工艺。正火与退火相比较，正火的强度与韧性较高，塑性相仿。对过共析钢，完全退火时因有网状渗碳体存在，其强度、硬度、韧性均低于正火。球化退火，因其所得组织为球状珠光体，故其综合性能优于正火。正火与完全退火的主要区别在于冷却速度不同，导致性能上的差别。正火生产周期短，工艺成本低。图1-1退火及正火加热温度示意图选用的原则为：1.Wc=0.25~0.5%中碳用正火（代替退火），硬度稍高，但还可以加工，并且成本低。2.Wc=0.2~0.75%一般采用完全退火，降低硬度，改善切削加工。Wc0.75%一般采用球化退火作为预备热处理，如有网状Fe3C存在，则应先正火消除Fe3C网。（二）、钢的淬火与回火3把钢加热到临界点Ac1或Ac3以上保温并随之以大于临界冷却速度（Vc)冷却，以得到介稳状态的马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺方法称为淬火。淬火的主要目的是提高工具、渗碳零件和其它高强度耐磨机器零件等的硬度、强度和耐磨性；结构钢通过淬火和回火之后获得良好的综合机械性能；此外，还有很少数的一部分工件是为了改善钢的物理和化学性能。如提高磁钢的磁性，不锈钢淬火（固溶处理）可以消除第二相，从而改善其耐蚀性等。根据上述淬火的含义，实现淬火过程的必要条件是加热温度必须高于临界点以上，以获得奥氏体组织，其后的冷却速度必须大于临界冷却速度，而淬火得到的组织是马氏体或下贝氏体，后者是淬火的本质。因此，不能只根据冷却速度的快慢来判别是否是淬火。亚共析钢淬火后的组织为：马氏体＋残余奥氏体；过共析钢淬火后的组织为：马氏体＋粒状渗碳体＋残余奥氏体。热处理工艺要素为：加热温度（T）、保温时间（t），冷却速度（V）。1.加热温度对亚共析钢来说，加热温度不足，得到铁素体＋马氏体，出现软点，使硬度下降。加热温度过高，会引起奥氏体晶粒粗大，机械性能下降。对过共析钢来说，若加热温度超过Accm，使碳化物完全溶入奥氏体中，此时奥氏体晶粒粗大，将得到粗大马氏体。使钢容易变形和开裂。碳钢淬火的加热温度范围见图1-2。图1-2碳钢淬火的加热温度范围2.保温时间的确定主要考虑钢的化学成分、原始状态、工件的形状及尺寸、装炉量和装炉方式。淬火加热时间应包括工件整个截面加热到预定淬火温度，并使之在该温度下完成组织转变、碳化物溶解和奥氏体成分均匀化所需的时间。包括升温和保温两段时间。淬火加热时间常用经验公式计算：τ=α·K·D式中τ：加热时间，(mm)；α：加热系数，(min/mm)；K：装炉修正系数；4D：零件有效厚度(mm)。加热系数α表示工件单位厚度需要的加热时间，其大小与工件尺寸、加热介质和钢的化学成分有关。工件有效厚度D的计算，可按下述原则确定：圆柱体取直径，正方形截面取边长，长方形截面取短边长，板件取板厚，套筒类工件取壁厚，圆锥体取离小头2／3长度处直径，球体取球径的0．6倍作为有效厚度D。实际常按经验来估算，1~1.5min/mm厚度保温。3.冷却速度影响冷却速度直接影响到钢淬火后的组织和性能。选择淬火介质的第一个原则应是在满足工件淬透层深度要求的前提下，选择淬火烈度最低的淬火介质。在相当于被淬火钢的过冷奥氏体最不稳定区有足够的冷却能力，而在马氏体转变区（300~100℃）其冷却速度却又很缓慢。此外，淬火介质的冷却特性在使用过程中应该稳定，长期使用和存放不易变质，价格低廉，来源丰富，且无毒及无环境污染。回火是将淬火后的钢件加热到A1以下某一温度，经保温后冷却到室温，使其转变为稳定的回火组织。淬火后组织是不稳定的，随着回火温度的升高，组织和性能随之发生变化。主要目的消除内应力，降低脆性，改善机械性能。对碳钢来讲，回火工艺的选择主要考虑回火温度和保温时间这两个因素。随着回火温度升高，组织结构变化分四个阶段进行：马氏体的分解；残余奥氏体的转变；碳化物的转变；α相状态的变化及碳化物的聚集长大。按回火温度分回火可分为：低温回火、中温回火和高温回火。低温回火温度为150~250℃，组织是M回；中温回火温度为350~500℃，组织是T回；高温回火500~650℃，组织是S回。回火保温时间与材料尺寸、工艺条件等因素有关，通常采用0.5～3小时。四、实验仪器所需实验仪器及设备见表1。表1实验仪器及设备序号名称主要用途数量1电炉加热42硬度计测硬度23拉伸试验机测强度、塑性14冲击试验机测韧性15成份分析仪测化学成份16金相显微镜（带数码相机）组织观擦27砂纸、抛光机、砂轮切片机制样用若干五、实验内容和步骤1．查阅相关资料5学生到阅览室或图书馆，根据各自的实验题目收集相关的参考资料。包括材料的化学成分、各种热处理工艺曲线、等温或连续转变C曲线和相关的力学性能。也可以从网上查找。使学生掌握收集资料的途径及资料的来源。2．制订热处理工艺及实验方案对给定的实验材料，根据收集的参考资料制订出具体的加热温度、保温时间和冷却方式。其工艺包括退火、正火、淬火、回火。对不同的加热温度、保温时间和冷却速度下获得的组织和性能进行比较。安排好实验程序。3．实施热处理根据制订好的热处理工艺及实验程序对试样进行热处理。先对试样打号，再把打好号的试样分别进行不同温度下的退火、正火、淬火、回火处理。可以使学生了解热处理设备的组成、设备的操作及使用注意事项等。增强学生的动手能力。4．力学性能测试将进行不同热处理后的试样进行拉伸试验，测出抗拉强度、屈服强度、断面收缩率、延伸率。冲击试验测出冲击韧性，测出不同热处理后的硬度值。使学生掌握各种力学性能的测试过程及方法，参数的计算及硬度计的使用。5．试样制备及组织观察将力学性能测试后的试样先进行宏观断口观察，然后切成金相试样，用砂轮机、砂纸粗磨再进行抛光，最后用4%的硝酸酒精腐蚀。再将腐蚀好的试样在显微镜下观察其组织。可使学生掌握试样制备的全过程及显微镜的使用方法。同时测定组织的显微硬度值。6．照相及洗相将选好的组织进行照相，然后进行冲洗，再将负片印制成正片。可以使学生了解照相、洗相的全过程，如何配制显影、定影药，如何区分底片、相纸的药面等。7．整理实验数据、写出实验报告要求学生对实验结果（数据、照片）进行综合分析，写出材料的化学成分、不同的热处理工艺、显微组织与力学性能之间关系的综合报告。六、实验数据处理与分析画出各自钢号的热处理工艺曲线，将实验数据填入表中。写出显微组织特征及性能特点，分析显微组织与性能之间的关系，分析实验结果。七、注意事项1.取放试样时，炉子要断电，装取试样后炉门要及时关好，立即通电。2.当试样颜色和炉膛颜色一致时，开始计算保温时间，注意温度控制仪表是否正常。3.热处理后的试样用砂纸磨去两端面氧化皮，然后在老师指导下测量硬度(HRC或HRB)。4.测量硬度时每个试样打三点，并记下实验的全部数据以供分析。6八、有关说明实验须分组进行，在实验条件允许的情况下，每组不应超过6人。将试样加工标准拉伸、冲击试样，各种试样的数量见表2。后几种合金钢的试样视具体条件而定。每种工艺至少三个试样，测试性能时取平均值。对合金钢试样可以直接观察组织和组织缺陷，根据组织及组织缺陷分析其力学性能。综合实验报告要求用计算机打印，图、表也要求用计算机绘制，照片可以扫描也可以直接贴在报告上。答辩工作，应对每个学生单独进行，答辩以实验指导教师为主，答辩中所涉及的问题，主要以材料的成分、显微组织分析、热处理工艺和性能的内容为限，可就热处理工艺制定的原理、显微组织的特征、性能的测定等方面。表2试样的数量钢号试样类型数量（个）试样类型数量（个）45拉伸冲击1040Cr拉伸10冲击T10拉伸10冲击10九、进度安排1.课堂讲解（2学时）2.查阅相关资料（4学时）3.制订热处理工艺及实验方案（6学时）4.实施热处理（16学时）5.化学成分及力学性能测试（6学时）6.试样制备、组织观察及照相（12学时）7.整理实验数据、写出实验报告（12学时）8.答辩（6学时）十、预习与思考题1.退火和正火的主要区别是什么？2.退火与正火的选用原则是什么？3.淬火组织随着回火温度升高将发生哪些变化？预习实验指导书，讨论热处理工艺、组织与性能之间的关系。