1、 1 工程材料及热处理 实验指导书 机械与能源工程系2 实验 6 铁碳合金 平衡 状态 的显微 组织 分析 一、 实验目的 1、 认识铁碳合金平衡组织的特征，初步识别各种铁碳合金在平衡状态下的显微组织。 2、 分析和认识碳钢的含碳量与其平衡组织的关系。 3、 进一步认识对平衡状态下碳钢的成分、组织、性能间的关系。 二、实验原理 碳钢和铸铁是工业上最重要、最基本、应用最广的金属材料，通常把钢和铸铁统称为铁碳合金，他们的性能与组织有着密切的关系，因此熟悉并掌握它们的组织，对于合理使用钢铁材料具有十分重要的 实际指导意义，也是对钢铁材料使用者最基本的要求。 1、 碳钢和白口铸铁的平衡组织 平衡组织一
2、般是指合金在极为缓慢冷却的条件下（如退火状态）所得到的组织。铁碳合金在平衡状态下的显微组织可以根据 Fe-Fe3C 相图来分析。由相图可知，所有碳钢和白口铸铁在室温时的显微组织均由铁素体 （ F）和渗碳体（ Fe3C）组成。但是，由于碳质量分数的不同、结晶条件的差别，铁素体和渗碳体的相对数量、形态、分布的混合情况均不一样，因而呈现各种不同特征的组织组成物。 2、 各种相组分或组织组分的特征 碳钢和白口铸铁的金相试样经 浸 蚀后，其平衡 组织中各种相组分或组织组分的形态特征和性能如下所述。 铁素体： 铁素体是碳溶于 -Fe 中形成的间隙固溶体。经 3% 5%的硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下为白亮
3、色多边形晶粒。在亚共析钢中，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。 铁素体具有良好的塑性及磁性，硬度较低，一般为80HBS 120HBS。 渗碳体：抗 浸 蚀能力较强，经 3% 5%酒精溶液 浸 蚀后，在显微镜下观察同样呈白亮色。一次渗碳体呈长白条状分布在莱氏体之间；二次渗碳体呈网状分布于珠光体的边界上；三次渗碳体分布在铁素 体晶界处；珠光体中的渗碳体一般呈片状。另外，经不同的热处理后，渗碳体可以呈片状、粒状或断续网状。渗碳体的硬度很高，可达 800HV 以上，但其强度、塑性都很差，是一种硬而脆的相。 珠光体：是由铁素体片和渗碳体片相互交替排列形成的
4、层片状组织。经 3% 5%酒精溶液浸蚀后，在显微镜下观察其组织中的铁素体和渗碳体都呈白亮色，而铁素体和渗碳体的相界被浸蚀后呈黑色线条。实际上，珠光体在不同放大倍数的显微镜下观察时，具有不大一样的特征。 在高倍 (600以上 )下观察时，珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体都呈亮白色，而其边 界呈黑色；在中倍 (400左右 )下观察时，白亮色的渗碳体被黑色边界所“吞食”，而成为细黑条，这时看到珠光体是宽白条铁素体和细黑条渗碳体的相间混合物；在低倍 (200以下 )下观察时，连宽3 白条的铁素体和细黑条的渗碳体也很难分辨，这时珠光体为黑色块状组织。 由此可见，在其他条件相同情况下，当放大倍数不
5、同时，同一组织所呈现的特征会不一样，所以在显微镜下鉴别金相组织首先要注意放大倍数。 珠光体硬度为 190 230HBS，且随层间距的变小硬度升高。强度较好，塑性和韧性一般。 莱氏体：在室温下是珠光体 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，两种渗碳体相联在一起，没有边界线，无法分辨开来。经 3% 5%酒精溶液侵蚀后，其组织特征是在白亮色渗碳体基体上分布着许多黑色点块状或条状珠光体。莱氏体硬度为 700HV，性脆。它一般存在于含碳量大于 2.11%的白口铸铁中，在某些高碳合金钢的铸造组织中也常出现。 三、 实验 仪器和用具 1、 光学 金相显微镜 2、 各种铁碳合金的平衡组织
6、标准金相试样 四、 实验 方法与 步骤 1、 在显微镜下仔细观察辨认下表中所列试样组织， 研究每个样品的组织特征，并结合铁碳相图分析其组织形成过程。 表 5-1 钢铁平衡组织试样 材料 碳质量分数 w(C)/% 处理方法 组织 亚共析钢 0.02180.77 退火 铁素体 +珠光体 共析钢 0.77 退火 片状珠光体 过共析钢 0.772.11 退火 珠光体 +渗碳体（） 亚共晶白口铸铁 2.114.3 铸态 珠光体 +莱氏体 +渗碳体（） 共晶白口铸铁 4.3 铸态 莱氏体 过共晶白口铸铁 4.36.69 铸态 渗碳体（） + 莱氏体 2、 绘出所观察样品的显微组织示意图（绘在规定的圆圈内）
7、，并用箭头和代表符号标明各组织组成物。注意 要点是，绘图时要 抓住各种组织组成物形态的特征，用示意的方法去画 。绘制组织示意图一律用铅笔，绘制组织图必须在实验室内完成。 3、 实验结束后将显微镜照明灯关闭，交回试样，清整实验场地。 五 、 实验 分析及结论 1、 实验目的。 2、 实验内容。 3、 画出所观察组织示意图， 示意图按统一规格画，并 标明各组织。 材料名称 金相组织 图 5-1 金相显微组织记录格式 4 处理方法 放大倍数 浸 蚀 剂 4、 根据所观察的组织，说明碳含量对铁碳合金的组织和性能影响的大致规律。 六、注意事项 1、在观察显微组织时，可先用低倍全面地进行观察，找出典型组织
8、，然后再用高倍放大，对部分区域进行详细观察。 2、在移动金相试样时，不得用手指触摸试样表面或将试样表面在载物台上滑动，以免引起显微组织模糊不清，影响观察效果。 3、画组织示意图时，应抓住组织形态的特点，画出典型区域的组织。注意不要将磨痕或杂质画在图上。 七、思考题 1、 渗碳体有哪几种？它们的形态有什么差别 ？ 2、 珠光体组织在低倍观察和高倍观察时有何不同？ 3、 怎样区别铁素体和渗碳体组织？ 5 实验 7 金属材料的硬度试验 一、实验目的 1、 了解布氏、洛氏和维氏硬度试验机的 使用方法 和 试验原理 。 2、 初步掌握布氏、洛氏硬度的测定方法和应用范围。 二、实验原理 硬度是指金属材料抵
9、抗比它硬的物体压入其表面的能力 。 硬度越高，表明金属抵抗 塑性 变形的能力越大。它是重要的力学性能指标之一，它与强度、塑 性 指标之间有着内在的联系。硬度试验简单易行，又不会损坏零件，因此在生产和科研中应用广泛。 常用的硬度试验方法有： 布氏硬度试 验 主要用于黑色、有色金属原材料检验，也可用于退火、正火钢铁零件的硬度测定。所用设备为布氏硬度计。 洛氏硬度试验 主要用于金属材料热处理后的产品性能检测。所用设备为洛氏硬度计。 维氏硬度试验 主要用于薄板材或金属表层的硬度测定，以及较精确的硬度测定。所用设备为维氏硬度计。 显微硬度试验 主要用于测定金属材料的组织组成物或相的硬度。所用设备为显微硬
10、度计。 1、布氏硬度试验原理 布氏硬度试验是将一直径为 D 的淬火钢球或硬质合金球，在规定的试验力 P 作用下压入被测金属表面，保持一定时间 t 后卸除试验力，并测量出 试样表面的压痕直径 d，根据所选择的试验力 P、球体直径 D 及所测得的压痕直径 d 的数值，求出被测金属的布氏硬度值 HBS 或 HBW，布氏硬度的测试原理如图 6-1 所示。 布氏硬度值的大小就是压痕单位面积上所承受的压力。单位为kg/mm2 或 N/mm2，但一般不标出。硬度值越高，表示材料越硬 。 在实验测量时，可由测出的压痕直径 d直接查压痕直径与布氏硬度对照表而得到所测的布氏硬度值。 设压痕深度为 h 则压痕球面积
11、为 2( 22 dDDDDhF ） 试样硬度值为： )(2 22 dDDDPFPHB 式中 P 施加的载荷， kg 或 N； D 压头（钢球）直径， mm； d 压痕直径， mm； F 压痕面积， mm2。 布氏硬度试验方法和技术条件有相应的国家标准。表 6-1 为布氏硬度的试验规范。实际测定图 6-1 布氏硬度计试验原理示意图 6 时，应根据金属材料种类、试样硬度范围和厚度的不同，按照标准试验规范，选择钢球直径、载荷及载荷保持时间。 表 6-1 布氏硬度试验规 范 金属类型 布氏硬度值范围(HBS) 试样厚度 / 载荷 P 与钢球直径D 的相互关系 钢球直径 D / 载荷 P /kgf 载荷
12、保持时间 t /s 黑 色 金 属 140 450 6 3 P=30D2 10 3000 10 4 2 5 750 2 2.5 187.5 140 6 P=10D2 10 1000 10 6 3 5 250 3 2.5 62.5 有 色 金 属 130 6 3 P=30D2 10 3000 30 4 2 5 750 2 2.5 187.5 36 130 9 6 P=10D2 10 1000 30 6 3 5 250 3 2.5 62.5 8 35 6 P=2.5D2 10 250 60 6 3 5 62.5 3 2.5 15.6 2、洛氏硬度试验原理 洛氏硬度试验是目前应用最广的试验方法，和布
13、氏硬度图 6-2 洛氏硬度计试验原理示意图 7 一样，也是一种压入硬度试验，但它不是测定压痕的面积，而是测量压痕的深度，以深度的大小表示材料的硬度值。 洛氏硬度试验是以锥角为 120的金刚石圆锥体或者直径 为 1.588mm 的淬火钢球为压头，在规定的初载荷和主载荷作用下压入被测金属的表面，然后卸除主载荷。在保留初载荷的情况下，测出由主载荷所引起的残余压入深度 h 值，再由 h 值确定洛氏硬度值 HR 的大小，其计算公式如下： HR =（ K h） /0.002 式中 h的单位为 mm。 K 为常数，当采用金刚石圆锥压头时， K=100；当采用淬火钢球压头时，K=130。 洛氏硬度试验试验原理
14、如图 6-2 所示。 为了能用同一硬度计测定从极软到极硬材料的硬度，可以通过采用不同的压头和载荷，组成15 种不 同的洛氏硬度标尺，其中最常用的有 HRA、 HRB、 HRC 三种。其试验规范如表 6-2 所示。 表 6-2 洛氏硬度的试验规范 标度符号 压头类型 总载荷 /kg 常用硬度值范围 应用举例 HRA 120金刚石圆锥 60 70 85 碳化物、硬质合金、表面硬化工件等 HRB 直径为 1.588的淬火 钢球 100 25 100 软钢、退火或正火钢、铜合金等等 HRC 120金刚石圆锥 150 20 67 适用淬火钢、调质钢等 3、 维氏硬度试验原理 维氏硬度的测定原理基本上和布
15、氏硬度相同，也是根据压痕单位面积上的载荷计量硬度值。维氏硬度试验原理图 6-3 所示。 所不同的是维氏硬度试验采用的压头为金刚石的锥面夹角为 136的正四棱锥体压头。试验时，在载荷 P（公斤力）的作用下，试样表面上压出一个四方锥形的压痕，测量压痕对角线长度 d（毫米），借以计算压痕的表面积 F（毫米 2） ,以 P/F 的数值表示试样的硬度值，用符号 HV 表示。 三、 实验仪器和用具 1、 HBRUV-187.5 型布洛维光学硬度计 图 6-3 维氏硬度计试验原理示意图 8 2、 碳钢试样和标准硬度块 四、 实验方法与步骤 （ 一 ）试验前的准备工作 1、 接通电源，根据试验方法，开启开关。
16、 2、 测 试件的表面应平整光洁，不得带有污物、氧化皮、裂缝、凹坑等显著的加工痕迹。 3、 根据试件的形状，选用合适的工作台 。 4、 将硬度计的加荷手柄按逆时针方向 拉向 前方，使负荷处于卸荷状态。 （ 二 ）试验步骤 1、 根据硬度试验方法，选择压头，将压头柄插入测杆轴孔中，轻微拧动固定螺钉。 2、 根据硬度试验方法，选择试验负荷，顺时针转动变荷手轮，使所需负荷数字对应于固定刻线。 3、 将试件稳妥地放置在工作台上，然后转动旋轮，使升降丝杆上升，当试件与压头接触，投影标尺相应上升，最后使标尺基线接近重合，可相差 5 个分度值，停止上升。 4、 用微调旋钮调整零位，使标尺基线与投影屏完全重合
17、。 5、 将加荷手柄心逆时针方向推向前，在加荷过程中，投影屏上显示出来的标尺刻线由上而下地移动，直至标尺停止下降，开始计算保荷时间。待保荷时间到，再扳动手柄到原位。 6、 投影屏上指示标尺刻线于固定标尺线的计数值即是被没试件的洛氏硬度值。下降丝杆，使试件脱离压头。 7、 其中布氏、维氏硬度试验以上述步骤完成之后，将上溜板与试件一起移至显微镜下，逐步微量上升丝杆，对准焦距，使压痕成像清晰，测量压痕直径或压痕对角线的长度，然后查附表得到布氏或维氏硬度值。 8、 测量显微镜对压痕的计算方法如下： L=nl 式中： L 压痕直径或对角线长度（微米） n 压痕测量所得格数（即第一次计数与第二次读数之差）
18、 l 测量显微镜鼓轮最小分度值，用 2.5X物镜时为 0.004 毫米 （三） 实验内容 1、 熟悉各种硬度计的构造原理、使用方法及注意事项。 2、 在硬度计上 测量碳钢试样或标准硬度块的压痕直径的 水平长度和垂直长度，再取平均值，然后查附表或计算得到布氏硬度值。 并记录 试验结果。 3、在硬度计上测定碳钢试样的洛氏硬度， 每个试样至少测三个试验点，再取 一个平均值，并记录 试验结果。 五、实验分析及结论 1、 实验目的。 9 2、 实验内容及结果。 3、简述布氏、洛氏、维氏硬度计的适用范围。 六、注意事项 1、试样的试验表面应尽可能是光滑的平面，不应有氧化皮及外来污物。 2、试样的坯料可采用
19、各种冷热加工方法从原材料或机件上截取，但试样在制备过程应尽量避免各种操作因素引起的试样过热，造成试样表面硬度的改变。 3、试样的厚度至少应为压痕深度的 10 倍。 七、思考题 1、布氏、洛氏、维氏硬度值能否进行比较？ 2、布氏、洛氏、维氏硬度值是否有单位，需要写单位吗？ 3、布氏、洛 氏、维氏硬度试验方法各有何优缺点？ 10 实验 8 碳钢的热处理 一、 实验目的 1、 了解普通热处理四把火（退火，正火，淬火，回火）的方法。 2、 分析碳钢在热处理时，加热温度、冷却速度及回火温度对其组织与硬度的影响。 3、 了解碳钢含碳量对淬火后硬度的影响。 二、 实验原理 热处理是一种很重要的热加工工艺方法
20、，也是充分发挥金属材料性能潜力的重要手段。热处理的主要目的是改变钢的性能，其中包括使用性能及工艺性能。钢的热处理工艺特点是将钢加热到一定的温度，经一定时间的保温，然后以某种速度冷却下来，通过这样的工艺过程能使钢 的性能发生改变。 1、 加热温度选择 （ 1）退火加热温度 钢的退火通常是把钢加热到临界温度 1cA 或 3cA 以上，保温一段时间，然后缓缓地随炉冷却。此时，奥氏体在高温区发生分解而得到比较接受平衡状态的组织。 一般亚共析钢加热至 AC3(30 50) （完全退火）；共析钢和过共析钢加热至 AC1 (20 30) （球化退火），目的是得到球化体组织，降低硬度，改善高碳钢的切削性能，同时为最终热处理做好组织准备。 （ 2）正火加热温度 正火则是将 钢加热到 3cA 或 cmA 以上 3050，保温后进行空冷。由于冷却速度稍快，与退火组织相比，组织中的珠光体相对量较多，且片层较细密，所以性能有所改善。 一般亚共析钢加热至 AC3 (50 70) ；过共析钢加热至 ACm (50 70) ，即加热到奥氏体单相区。退火和正火图 7-1 退火和正火的加热温度范围 图 7-2 淬火的加热温度范围
