PAGE16工程材料及熱加工實驗指導(dǎo)書湖北文理學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院機械基礎(chǔ)教研室實驗一硬度實驗一、實驗?zāi)康?、了解布氏硬度計、洛氏硬度計、里氏硬度計的主要構(gòu)造及操作方法。2、初步掌握布氏硬度值、洛氏硬度值、里氏硬度值的測定方法。3、初步建立碳鋼的含碳量與其硬度間的關(guān)系和熱處理能改變材料硬度的概念。二、實驗概述硬度試驗設(shè)備簡單，操作迅速方便，不需要專門制備試樣，也不破壞被測試的工件。因此，在工業(yè)生產(chǎn)中，被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品質(zhì)量的檢驗。此外，硬度值與其他力學(xué)性能及某些工藝性能（如切削加工性、冷成形性等）都有一定的聯(lián)系，故在產(chǎn)品設(shè)計圖樣的技術(shù)條件中，硬度是一項主要技術(shù)指標(biāo)。目前，在測定硬度的方法中，最常用的是壓入硬度法。其中以布氏硬度和洛氏硬度應(yīng)用最廣。它們的試驗原理都是用一定幾何形狀的壓頭在一定載荷下壓入被測金屬材料的表面，根據(jù)壓頭被壓入的程度來測定其硬度值。1、布氏硬度布氏硬度試驗方法是將一直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球在規(guī)定載荷F的作用下壓入被測試金屬表面，停留一定時間后卸除載荷，在被測試金屬表面上形成一個直徑為d的壓痕。計算出壓痕單位面積所承受的平均壓力，以此作為被測試金屬的布氏硬度值。但實際試驗時都是用讀數(shù)顯微鏡測出壓痕直徑d，再根據(jù)d值，查對照表得出所測的硬度值。當(dāng)壓頭為淬火鋼球時，硬度符號為HBS，適用于布氏硬度值低于450的金屬材料；當(dāng)壓頭為硬質(zhì)合金球時，硬度符號為HBW，適用于布氏硬度值為450～650的金屬材料。在進(jìn)行布氏硬度試驗時，應(yīng)根據(jù)被測試金屬材料的種類和試樣厚度，選用不同大小的球體直徑D、施加載荷F和載荷保持時間。布氏硬度試驗法因壓痕面積較大，能反映出較大范圍內(nèi)被測試金屬的平均硬度，故試驗結(jié)果較準(zhǔn)確。但因壓痕較大，不宜測試成品或薄片金屬的硬度。2、洛氏硬度洛氏硬度試驗方法是以一個錐頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的鋼球為壓頭，在先后兩次截荷（初載荷與主載荷）作用下，壓入被測試金屬表面，然后卸除主截荷，在保留初載荷情況下，測出由主截荷引起的塑性變形的壓力深度h，再由h值確定洛氏硬度值。h值愈大時，被測試金屬的洛氏硬度值愈低；反之，則愈高。在實際試驗時，都是由硬度計的指示器表盤上直接讀出所測的硬度值。洛氏硬度試驗時，可用不同壓頭和不同的主載荷組成不同的洛氏硬度標(biāo)尺。最常用的是HRA、HRB、HRC三種，其中HRC適用于測量硬度值高于230HBS的較硬金屬；HRB適用于測量硬度值低于230HBS的較軟金屬；HRA適用于測量硬脆的金屬材料或淺層表面硬化的金屬。洛氏硬度試驗操作迅速簡便，且壓痕較小，可以測定成品或較薄金屬的硬度，故目前生產(chǎn)上應(yīng)用廣泛。退火狀態(tài)碳鋼的硬度一般是隨著含碳量的增加而逐漸增加。3、里氏硬度●工作原理用規(guī)定質(zhì)量的沖擊體在彈力作用下，以一定速度沖擊試樣表面，用沖頭在距試樣表面1mm處回彈速度與沖擊速度的比值計算硬度值。計算公式如下：HL＝1000×VB/VA式中：HL——里氏硬度值VB——沖擊體回彈速度VA——沖擊體沖擊速度●適用范圍碳鋼、鑄鐵、合金鋼●主要用途已安裝的機械或永久性組裝部件。模具型腔。重型工件。壓力容器、汽輪發(fā)電機組及其設(shè)備的失效分析。試驗空間很狹小的工件。軸承及其它零件。要求對測試結(jié)果有正規(guī)的原始記錄。金屬材料倉庫的材料區(qū)分。大型工件大范圍內(nèi)多處測量部位的快速檢驗。三、實驗設(shè)備及注意事項1、布氏硬度計布氏硬度試驗主要設(shè)備有布氏硬度計和讀數(shù)顯微鏡。常見的布氏硬度計有液壓式和機械式兩大類。用機械式布氏硬度計試驗時，先將試樣放在工作臺上，按順時針方向轉(zhuǎn)動手輪，使工作臺上升至試樣與壓頭接觸，并在手輪打滑后，再開動電動機，經(jīng)二級蝸輪蝸桿減速器減速后，驅(qū)動連桿與搖桿向下運動，此時壓頭在砝碼通過大杠桿、小杠桿及壓軸作用下，以一定大小的載荷壓入試樣。停留一定時間后，電動機自動反轉(zhuǎn)，曲柄連桿帶動搖桿上升而卸除載荷。在關(guān)閉電動機后，反時針方向轉(zhuǎn)動手輪，使工作臺下降并取下試樣。最后用讀數(shù)顯微鏡測出壓痕直徑d，根據(jù)d的大小查表即可求得布氏硬度值。2、洛氏硬度實驗注意事項（1）清理試樣表面。被測表面應(yīng)無油脂、氧化皮、裂紋、凹坑、顯著的加工痕跡以及其它外來污物。（2）根據(jù)試樣材料選擇壓頭及載荷。根據(jù)試樣形狀選擇合適的工作臺。工作臺表面、試樣的支承面和壓頭表面均應(yīng)清潔。（3）把試樣穩(wěn)固地放在硬度計工作臺上，按洛氏硬度計的操作順序進(jìn)行試驗，試驗中心必須保證載荷平衡地垂直施加于試樣的測試表面，不得有沖擊或震動。然后由指示器上讀得硬度值并作好記錄。（4）移動試樣，并在另一位置繼續(xù)進(jìn)行試驗，兩相鄰壓痕中心距離或任一壓痕中心距試樣邊緣距離一般不得小于3mm，前后共測三點，計算后兩次試驗得出硬度值的平均值，并作好記錄。3、里氏硬度計使用前的準(zhǔn)備和檢查（1）在制備試樣表面過程中，應(yīng)盡量避免由于受熱、冷加工等對試樣表面硬度的影響。（2）被測表面過于粗糙，則會引起測量誤差。因此，試樣的被測表面必須露出金屬光澤，并且平整、光滑、不得有油污。（3）曲面：試樣的試驗面最好是平面。當(dāng)被測表面曲率半徑R小于30mm的試樣在測試時應(yīng)使用小支承環(huán)或異型支承環(huán)。（4）試樣應(yīng)有足夠的厚度四、實驗材料布氏硬度試驗退火狀態(tài)的低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼洛氏硬度試驗淬火狀態(tài)的低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼里氏硬度試驗鑄鋼、灰鑄鐵、鑄鋁合金五、實驗步驟1、布氏硬度試驗（1）清理試樣表面。被測表面應(yīng)是無氧化皮及外來污物的光潔平面，以保證能準(zhǔn)確測量壓痕直徑。（2）根據(jù)試樣材料及厚度，按布氏硬度試驗規(guī)范選擇鋼球壓頭的直徑、載荷大小及截荷保持時間。（3）把試樣穩(wěn)固地放在硬度計工作臺上，按布氏硬度計的操作順序進(jìn)行試驗，使試樣表面留下一個壓痕。試驗時，應(yīng)使載荷均勻平衡地垂直施加于試樣的測試表面，不得有沖擊或震動。（4）移動試樣后重做一次試驗，使試樣表面又留下一個壓痕。為了使實驗結(jié)果精確，相鄰兩壓痕的中心距離應(yīng)不小于壓痕直徑的4倍；壓痕中心距試樣邊緣的距離不小于壓痕直徑的2.5倍；壓痕直徑d的大小應(yīng)在0.24D～0.6D范圍內(nèi)；壓痕深度應(yīng)小于試樣厚度的1/10。（5）自工作臺上取下試樣，用讀數(shù)顯微鏡在相互垂直方向上測量壓痕直徑，然后計算其平均值并做好記錄。（6）根據(jù)壓痕直徑d，查對照表求得各試樣的布氏硬度值。2、洛氏硬度試驗步驟（1）硬度計試驗程序HBRV－187.5型（2）將機身后端電源插頭接上電源后，打開機身右側(cè)下方的光源開關(guān)，使在投影屏上能看到清晰的影像。（3）根據(jù)試驗要求選用壓頭（120°金剛石圓錐HRC），并將壓頭安裝在主軸的孔中，安裝時應(yīng)使壓頭的肩部與主軸端面緊密接觸，然后適當(dāng)擰緊緊固螺釘。（4）根據(jù)試驗需要選擇試驗負(fù)荷（1471NHRC），轉(zhuǎn)動機身右側(cè)的變換旋鈕，使所需負(fù)荷數(shù)字對正標(biāo)記。（5）將手柄推向后方，然后將試樣放在工作臺上，轉(zhuǎn)動手輪使試樣的試面與壓頭接觸，繼續(xù)轉(zhuǎn)動手輪，使試樣升高，直到投影屏上的基線與左邊刻度“100”接近重合。（6）旋轉(zhuǎn)投影屏下的調(diào)整旋鈕，使分劃板上的刻度100與投影屏橫線重合。（7）拉動手柄，使主負(fù)荷緩慢施加在試樣上，投影屏上的刻線慢慢回行而停止在一定位置。（8）將手柄推向后方，使主負(fù)荷卸除，此時投影屏上橫線對準(zhǔn)標(biāo)尺的數(shù)字，即為洛氏硬度值（左邊讀HRC）。3、里氏硬度實驗（1）裝打印紙●用拇指和中指輕輕捏住打印倉蓋兩端的長條棱狀凸起部位，稍稍用力使打印倉蓋向上旋起。向前上方按打印機搬把，使出紙口抬起并處于打開狀態(tài)?！裣虼蛴}中裝入打印紙，拉起打印紙并對準(zhǔn)朝向打印倉一端的出紙口并裝入。（2）啟動●將沖擊裝置插頭插入位于儀器上的沖擊裝置插口?！癜存I接通電源，儀器進(jìn)入測量狀態(tài)。（3）加載●向下推動加載套鎖住沖擊體；對于DC型沖擊裝置，則可將加載桿吸于試驗表面，將DC型沖擊裝置插入加載桿，直到停止位置為止，此時就完成加截。●將沖擊裝置支承環(huán)緊壓在試樣表面上，沖擊方向應(yīng)與試驗面垂直。（4）測量●按動沖擊裝置上部的釋放按鈕，進(jìn)行測試。此時要求試樣、沖擊裝置、操作者均穩(wěn)定，并且作用力方向應(yīng)通過沖擊裝置軸線?！裨嚇拥拿總€測量部位一般進(jìn)行五次試驗。數(shù)據(jù)分散不應(yīng)超過平均值的±15HL。（5）讀取測量值（6）打印輸出結(jié)果（7）按鍵關(guān)機六、實驗報告（1）洛氏硬度數(shù)值項目試驗材料及其處理狀態(tài)試驗規(guī)范測得硬度值換算成布氏硬度值HBS壓頭總載荷F（kgf）硬度標(biāo)尺第一次第二次第三次平均硬度值（2）里氏硬度試驗結(jié)果處理用五個有效試驗點的平均值作為一個里氏硬度試驗數(shù)據(jù)。TH160里氏硬度計探頭型號：沖擊方向：平均次數(shù)：材料：測量值：平均值：（3）分析碳鋼的含碳量與硬度間關(guān)系，并畫出其關(guān)系曲線圖。（4）分析熱處理對硬度的影響（5）比較各種硬度計的原理及適用范圍。實驗二碳鋼的平衡組織分析及熱處理后的組織識別一、實驗?zāi)康蘑僮R別碳鋼平衡組織的顯微特征并分析成份對組織的影響。②明確化學(xué)成分與組織變化間的關(guān)系，加深對Fe－Fe3C相圖的理解③識別碳鋼熱處理后的顯微組織特征及其相與組織組成物的分布規(guī)律。④進(jìn)一步熟悉金相顯微鏡的使用與操作。二、金相顯微鏡的基本原理及使用1、金相顯微鏡的基本原理光學(xué)系統(tǒng)包括物鏡、目鏡及一些輔助光學(xué)零件。物鏡和目鏡分別由兩組透鏡組成。對著物體AB的一組透鏡組成物鏡O1；對著人眼的一組透鏡組成目鏡O2?，F(xiàn)代顯微鏡的物鏡、目鏡都由復(fù)雜的透鏡系統(tǒng)組成。物鏡使物體AB形成放大的倒立實像A′B′（稱中間像），目鏡再將A′B′放大成仍倒立的虛像A″B″，其位置正好在人眼的明視距離處（即距人眼250mm處），人眼在目鏡中看到的就是這個虛像A″B″。金相顯微鏡的主要性能如下：1）金相顯微鏡的放大倍數(shù)放大倍數(shù)由下式來確定：式中M——金相顯微鏡放大倍數(shù)；——物鏡的放大倍數(shù)；——目鏡的放大倍數(shù)；——物鏡的焦距；——目鏡的焦距；L——金相顯微鏡的光學(xué)鏡筒長度；D——明視距離（250mm）、越短或L越長，則金相顯微鏡的放大倍數(shù)越大。在使用時，顯微鏡的放大倍數(shù)就是物鏡和目鏡的放大倍數(shù)的乘積。2）金相顯微鏡的鑒別率金相顯微鏡的鑒別率是指它能清晰地分辨試樣上兩點間最小距離d的能力。在普通光線下，人眼能分辨兩點間的最小距離為0.15mm～0.30mm，即人眼的鑒別率d為0.15mm～0.30mm，而顯微鏡當(dāng)其有效放大倍數(shù)為1400倍時，其鑒別率d為0.21μm。顯然d值越少，鑒別率就越高。鑒別率是顯微鏡的一個最重要的性能。顯微鏡的鑒別率取決于使用光線的波長和物鏡的數(shù)值孔徑，與目鏡無關(guān)，光線的波長可通過濾色片來選擇，藍(lán)光的波長（λ＝0.44μm）比黃綠光（λ＝0.55μm）短，所以鑒別率較黃綠光的大25％。當(dāng)光線的波長一定時，可通過改變物鏡的數(shù)值孔徑來調(diào)節(jié)顯微鏡的鑒別率。3）物鏡的數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑A表示物徑的集光能力。A＝nsinφ式中n——物鏡與試樣之間介質(zhì)的折射率；φ——物鏡孔徑角的一半n越大或φ角越大，則A越大。由于φ總是小于90°的，所以在空氣介質(zhì)（n＝1）中使用時，A一定小于1，這類物鏡稱干系物鏡。當(dāng)物鏡與試樣之間充滿松柏油介質(zhì)（n＝1.5時），A值最高可達(dá)1.4。這就是顯微鏡在高倍觀察時用的油浸系物鏡（簡稱油鏡頭）。每個物鏡都有一個設(shè)計額定的A值，它標(biāo)刻在物鏡體上。4）放大倍數(shù)、數(shù)值孔徑、鑒別率之間的關(guān)系顯微鏡的同一放大倍數(shù)可由不同倍數(shù)的物鏡和目鏡來組合。如45倍的物鏡乘10倍的目鏡或15倍的物鏡乘30倍的目鏡都是450倍，所以對于同一放大倍數(shù)，存在著如何合理選用物鏡和目鏡的問題。這里，應(yīng)該首先確定物鏡，然后根據(jù)計算選定目鏡，并必須使顯微鏡的放大倍數(shù)在該物鏡數(shù)值孔徑的500～1000倍之間，即M＝（500～1000）A這個范圍稱有效放大倍數(shù)范圍。若M＜500A，則未能充分發(fā)揮物鏡的鑒別率。若M＞1000A，則造成虛偽放大，細(xì)微部分將分辨不清。5）透鏡成像的缺陷（1）球面像差當(dāng)來自A點的單色光（即一定波長的光線）通過透鏡后，由于透鏡表面呈球形，光線不能交于一點，而使放大后的像模糊不清。此現(xiàn)象稱為球面像差。降低球面像差的辦法，除了制造物鏡時采取不同透鏡的組合進(jìn)行必要的校正外，在使用顯微鏡時，也可采取調(diào)節(jié)孔徑光欄，適當(dāng)控制入射光束粗細(xì)，減少透鏡表面面積等方法，把球面像差降低到最低程度。（2）色像差白色光是由7種單色光組成，當(dāng)來自A點的白色光通過透鏡后，由于各單色光的波長不同，折射率不一樣，使光線折射后不能交于一點。紫光折射最強，紅光折射最弱，結(jié)果使成像模糊不清。此現(xiàn)象稱為色像差。消除色像差的方法，一是制造物鏡時進(jìn)行校正。根據(jù)校正程序，物鏡可分為消色差物鏡和復(fù)消色差物鏡。消色差物鏡常與普通目鏡配合，用于低倍和中倍觀察；復(fù)消色差物鏡與補償目鏡配合，用于高倍觀察。二是使用濾色片得到單色光。常用的濾色片有藍(lán)色、綠色或黃色等。2、金相顯微鏡的構(gòu)造金相顯微鏡的種類和形式很多，但最常見的形式有臺式、立式和臥式三大類。金相顯微鏡的構(gòu)造通常由光學(xué)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)以及機械系統(tǒng)三大部分組成。有的顯微鏡還附帶有照相攝影裝置?，F(xiàn)以國產(chǎn)XJP－3A型雙目金相顯微鏡為例進(jìn)行說明。由燈泡發(fā)出一束光線經(jīng)過聚光鏡組1及反光鏡，被會聚在孔徑光欄上，然后經(jīng)過聚光鏡組2，再將光線聚集在物鏡的后焦面上。最后光線通過物鏡，用平行光照明樣品，使其表面得到充分均勻的照明。從物體表面上散射的成像光線，復(fù)經(jīng)物鏡、輔鏡物鏡片1、半透反光鏡、輔助物鏡片2、棱鏡，造成一個物體的放大實像。該像被目鏡再次放大。XJP－3A型雙目金相顯微鏡采用倒置式。其優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)緊湊，體積較??；重心低，安放穩(wěn)定；目鏡筒成45°傾斜，觀察舒適。由于試樣放在載物片上（試樣被觀察表面與截物片上表面重合），其觀察面必然垂直于光軸，并且與試樣高度無關(guān)，所以操作較方便。其各部分結(jié)構(gòu)分述如下：1）底座組底座后端裝有低壓燈泡作為光源，利用燈座孔上面兩邊斜向布置的兩個滾花螺釘，可使燈泡作上下和左右移動；轉(zhuǎn)松壓有直紋的偏心圈，燈座就可帶著燈泡前后移動，然后轉(zhuǎn)緊偏心圈，燈座就可堅固在燈座孔內(nèi)。燈前有聚光鏡，反光鏡和孔徑光欄組成的部件，這組裝置是照明系統(tǒng)的一部分，其余尚有視場光欄及另外安裝在支架上的聚光鏡。通過以上一系列透鏡及物鏡本身的作用，從而使試樣表面獲得充分均勻的照明。2）調(diào)焦機構(gòu)粗動、微動調(diào)焦機構(gòu)采用的是同軸式調(diào)焦機構(gòu)。粗動調(diào)焦手輪和微動調(diào)焦手輪是安裝在粗微動座的兩側(cè)，位于儀器下部。旋轉(zhuǎn)粗動調(diào)焦手輪，能使載物臺迅速地上升或下降，旋轉(zhuǎn)微動調(diào)焦手輪，能使載物臺作緩慢的上升或下降，這是物鏡精確調(diào)焦所必需的。在粗調(diào)旋鈕的一側(cè)有制動裝置，用以固定調(diào)焦正確后載物臺的位置。微動旋鈕轉(zhuǎn)動內(nèi)部一組齒輪，使其沿著滑軌緩慢移動。在右側(cè)旋鈕上刻有分度，每小格表示微動升降2μm，估讀值為1μm。鏡體齒輪上刻有兩條白線，相連支架上有一條白線，用以表示微動升降的極限位置。微調(diào)時不可超出這一范圍。否則將會損壞機件。3）物鏡轉(zhuǎn)換器旋動轉(zhuǎn)換器可使物鏡鏡頭進(jìn)入光路，轉(zhuǎn)換器呈球面形，上面有三個螺孔，可安裝不同放大倍數(shù)的物鏡，用手指捏住轉(zhuǎn)換器外圓，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換器，就可實現(xiàn)更換不同倍數(shù)的物鏡，并與不同的目鏡搭配使用，即獲得各種放大倍數(shù)。4）載物臺XJP－3型載物臺采用的是手推式，方形（其前方帶弧形）結(jié)構(gòu)，與儀器主體協(xié)調(diào)。載物臺連接面采用粘性油膜與托盤聯(lián)結(jié)。用雙手拇指和食指按住載物臺兩側(cè)，輕輕用力推動，就可使載物臺前后、左右在水平面上作一定范圍的移動，以改變試樣的觀察部位。載物臺與托盤之間有四方導(dǎo)架，目的是避免載物臺滑出托盤之外。載物臺上可安裝試樣壓片組，用以壓緊試樣。XJP－3A雙目金相顯微鏡采用的機械移動式載物臺，使用更為方便。5）物鏡與目鏡XJP－3型雙目顯微鏡是采用消色差物鏡（40×為半平場消色差物鏡）配合平場目鏡（5×為惠更斯目鏡）可獲得良好像質(zhì)。XJP－3A型雙目金相顯微鏡是采用的平場消色差物鏡（100×為半平場消色差物鏡）配合平場目鏡（5×為惠更斯目鏡），像面平坦，像質(zhì)更佳，觀察更為舒適，攝影質(zhì)量更高。XJP－3、XJP－3A型雙目金相顯微鏡配的是雙筒目鏡組。6）孔徑光欄和視場光欄孔徑光欄裝在照明反射鏡座上面，刻有0～5分刻線，它表示孔徑大小的毫米數(shù)。視場光欄裝在物鏡支架下面，可以旋轉(zhuǎn)滾花套圈來調(diào)節(jié)視場光欄大小。在套圈上方有兩個滾花螺釘，用來調(diào)節(jié)光欄中心。通過調(diào)節(jié)孔徑和視場光欄的大小，可以提高最后映像的質(zhì)量。表一中列出了XJP－3A型金相顯微鏡的物鏡和目鏡不同配合情況下的放大倍數(shù)。表一XJP－3A型金相顯微鏡的放大倍數(shù)光學(xué)系統(tǒng)目鏡物鏡5×10×12.5×干燥系統(tǒng)10×50×100×125×干燥系統(tǒng)40×200×400×500×油浸系統(tǒng)100×500×1000×1250×3、顯微鏡使用注意事項金相顯微鏡是貴重的精密光學(xué)儀器，在使用時必須十分愛護(hù)，自覺遵守實驗室的規(guī)章制度和操作程序。1）初次操作顯微鏡前，應(yīng)首先了解顯微鏡的基本原理、構(gòu)造以及各主要附件的作用等，并要了解顯微鏡使用注意事項。2）金相試樣要干凈，不得殘留有酒精和浸蝕劑，以免腐蝕物鏡的透鏡。使用時不能用手觸摸透鏡。擦鏡頭要用鏡頭紙。3）照明燈泡電壓一般為6V。必須通過降壓變壓器使用，千萬不可將其燈炮插入直接插入220V電源，以免燒毀燈泡。4）操作要細(xì)心，不得有粗暴和劇烈的動作。安裝、更換鏡頭及其他附件時要細(xì)心。嚴(yán)禁拆卸顯微鏡和鏡頭等重要附件。5）調(diào)焦距時應(yīng)先將載物臺下降，使樣品盡量靠近物鏡（不能接觸），然后用目鏡觀察。先用雙手旋轉(zhuǎn)粗調(diào)焦旋鈕，使載物臺慢慢上升，待看到組織后，再調(diào)節(jié)微調(diào)焦旋鈕直至圖像清晰為止。6）使用時如出現(xiàn)故障應(yīng)立即報告老師，不得自行處理。7）使用完畢，關(guān)閉電源。將顯微鏡恢復(fù)到使用前狀態(tài)，蓋上儀器罩，經(jīng)老師檢查無誤后，方可離開實驗室。三、實驗原理及概述認(rèn)識鐵碳合金的平衡組織是分析鑒別鋼鐵材料質(zhì)量及性能的基礎(chǔ)，所謂平衡組織是指鐵碳合金以極為緩慢的冷卻速度冷至室溫所得到的組織，在一般工業(yè)生產(chǎn)及實驗條件下，經(jīng)退火的碳鋼組織可以看成是平衡組織。由Fe－Fe3C相圖可以看出，鐵碳合金的室溫平衡組織組成物有鐵素體、滲碳體、珠光體、萊氏體而組成相主要是鐵素體，滲碳體（含F(xiàn)e3CI、Fe3CⅡ、Fe3CⅢ、Fe3C共晶、Fe3C共析等五種）兩個基本相。對于含碳量不同的鐵碳合金，由于鐵素體和滲碳體的析出條件、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、形態(tài)與分布都不同，從而使其經(jīng)WHNO3＝4％的硝酸酒精溶液浸蝕后，在顯微鏡下表現(xiàn)出不同的顯微形貌。1、碳鋼及白口鐵中的基本相及組成物的顯微形貌。（1）鐵素體在亞共析鋼的成分范圍內(nèi)，含碳量較低時鐵素體呈白色的塊狀若Wc≈0.6%，則鐵素體會由白色塊狀變成白色的斷續(xù)網(wǎng)狀。（2）滲碳體一次滲碳體呈白色條帶狀分布在萊氏體之間；二次滲碳體是從奧氏體晶界上析出的，當(dāng)奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體后，二次滲碳體便呈白色（或黑色）連續(xù)網(wǎng)狀分布在珠光體邊界上；三次滲碳體分布在鐵素體上會變成黑褐色，鐵素體仍呈白色。這樣就可以區(qū)分鐵素體和滲碳體。（3）珠光體在珠光體中鐵素體和滲碳體都為片層狀，因兩者的邊界易腐蝕，在顯微鏡分辨率較低的情況下，看到的只是較密的黑條與白條相間排布的形貌（稱層狀珠光體），若放大倍率較低，條間分不清楚，珠光體就表現(xiàn)為黑色的塊狀。（4）萊氏體室溫下，萊氏體是珠光體和滲碳體的機械混合物，滲碳體含F(xiàn)e3C共晶及Fe3CⅡ兩者沒有邊界，連成一體，呈白亮色的基體，珠光體則呈黑色的點狀，短條狀及小塊狀。2、灰鑄鐵的顯微形貌灰鑄鐵的顯微組織可根據(jù)其基體與石墨的形態(tài)來鑒別，灰鑄鐵的基體有鐵素體基，珠光體基及鐵素體十珠光體基三類，石墨的形態(tài)主要有片狀，球狀及團(tuán)絮狀幾種。①普通灰鑄鐵普通灰鑄鐵基體有鐵素體，鐵素體十珠光體，珠光體，其石墨為片狀。②球墨鑄鐵球墨鑄鐵基體也有三類，與普通灰鑄鐵相同，其石墨為球狀。③可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵基體為鐵素體，珠光體兩類，其石墨為團(tuán)絮狀。四、實驗設(shè)備及材料①臺式金相顯微鏡②各種金屬材料的金相試樣一套③金相圖譜五、各種金屬材料的組織及分析1、碳素鋼室溫下平衡組織及分析①亞共析鋼：20鋼，45鋼a、材料：20鋼狀態(tài)：退火浸蝕劑：4％硝酸酒精溶液組織及說明：20鋼在顯微組織中，白色塊狀為鐵素體，暗色的層片狀為珠光體，組織的組成物鐵素體和珠光體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)依照杠桿原理分別為F%=74.1%P%=25.9%相組成物為F和Fe3C，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：F％＝97％Fe3C％＝3％b、材料：45鋼狀態(tài)：退火浸蝕劑：4％硝酸酒精溶液組織及說明：黑色塊狀部分為珠光體，白色塊狀部分為鐵素體，組成物鐵素體和珠光體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：F%＝41.6%P%＝58.4%②共析鋼材料：T8鋼狀態(tài)：退火浸蝕劑：4％硝酸酒精溶液組織及說明：片狀為珠光體，即鐵素體與滲碳體成層片狀相間排列，形如指紋，室溫下組織組成物為珠光體，則P％＝100％，相組成物為鐵素體和滲碳體，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：F%＝88.5%Fe3C%＝11.5%③過共析鋼材料：T12狀態(tài)：退火浸蝕劑：4％硝酸酒精溶液組織及說明：基體為片狀珠光體，晶界上的白色網(wǎng)狀為二次滲碳體（由于放大倍數(shù)低，片狀珠光體未能顯示出來），組織組成物為Fe3CⅡ和P，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：Fe3CⅡ％＝7％P％＝93％2、碳鋼熱處理組織①材料：45鋼狀態(tài)：調(diào)質(zhì)（淬火＋高溫回火）浸蝕劑：4％硝酸酒精溶液組織及說明：回火索氏體在白色鐵素基體上分布著細(xì)小的線黑色片狀滲碳體。②材料：T12鋼狀態(tài)：淬火后低溫回火浸蝕劑：4％硝酸酒精溶液組織及說明：回火馬氏體及殘余奧氏體③材料：20鋼狀態(tài)：滲碳浸蝕劑：4％硝酸酒精溶液組織及說明：低碳鋼經(jīng)滲碳后表層含碳量增高，成為過共析成份，在該層組織中，白色網(wǎng)絡(luò)狀都分為二次滲碳體，黑色部分為片狀珠光體，由表層向里，含碳量逐漸降低，組織為共析組織，并過渡到亞共析組織，再向里即為原材料20鋼的組織。合金鋼及鑄鐵組織觀察①材料：W18Cr4V狀態(tài)：淬火后低溫回火浸蝕劑：4％銷酸酒精溶液組織及說明：在黑色回火馬氏體基體上分布著白色的粒狀碳化物②材料：灰口鑄鐵（HT）狀態(tài)：鑄態(tài)浸蝕劑：4％銷酸酒精溶液組織及說明：在黑色細(xì)片狀珠光體基體上分布著片狀石墨③材料：球墨鑄鐵（QT）狀態(tài)：鑄態(tài)浸蝕劑：4％硝酸酒精溶液組織及說明：在白色鐵素體及淺黑色珠光體基體上分布著球狀石墨4、其它材料組織說明材料狀態(tài)浸蝕劑放大倍數(shù)組織及說明亞共晶白口鑄鐵鑄態(tài)4％硝酸酒精溶液200×基體為共晶萊氏體組織，黑色枝晶狀組織為珠光體系共晶白口鑄鐵鑄態(tài)4％硝酸酒精溶液200×共晶萊氏體組織，白色基體為共晶滲碳體黑色圓粒及長條為珠光體過共晶白口鑄鐵鑄態(tài)4％硝酸酒精溶液200×在黑色回火馬氏體基體上分布著白色的粒狀碳化物H62黃銅退火4％硝酸酒精溶液200×白色部分為固溶體，黑色部分為β固溶體六、實驗報告分析討論合金成份、組織、性能間的關(guān)系。1、繪出碳素鋼室溫下平衡組織，并標(biāo)注材料名稱、狀態(tài)、浸蝕劑、放大倍數(shù)和組織說明（用箭頭標(biāo)明圖中各個組成物的名稱）亞共析鋼：20鋼45鋼共析鋼：T8過共析鋼T122、碳鋼在熱處理狀態(tài)下的組織特征及性能分析。3、珠光體組織在低倍觀查和中倍觀察時有何不同？為什么？實驗三碳鋼的熱處理一、實驗?zāi)康模?）了解普通熱處理（退火、正火、淬火、回火）的方法。（2）分析碳鋼熱處理時的冷卻速度及回火溫度對其組織與性能的影響。（3）分析碳鋼的含碳量對淬火后硬度的影響。（4）加深認(rèn)識碳鋼的成分、熱處理工藝與其組織、性能間的關(guān)系。二、實驗概述鋼的熱處理是指將鋼在固態(tài)下施以不同的加熱、保溫與冷卻，以改變其組織和性能的一種工藝。普通熱處理有退火、正火、淬火及回火等。（一）碳鋼熱處理工藝1、加熱溫度碳鋼普通熱處理的加熱溫度，在生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)工件實際情況作適當(dāng)調(diào)整。熱處理加熱溫度不能過高，否則會使工件的晶粒粗大，氧化，脫碳嚴(yán)重，變形、開裂傾向增加。但加熱溫度過低，也達(dá)不到要求。2、加熱時間熱處理的加熱時間（包括升溫時間與保溫時間）與鋼的成分、原始組織、工件的尺寸與形狀、使用的加熱設(shè)備與裝爐方式及熱處理方法等許多因素有關(guān)。因此，要確切計算加熱時間是比較復(fù)雜的。在實驗室中，通常按工件有效厚度，用下列經(jīng)驗公式計算加熱時間：t=α×D式中t――加熱時間（min）α――加熱系數(shù)（min/mm）D――工件有效厚度（mm）當(dāng)碳鋼工件的有效厚度D≤50mm，工件形狀為圓柱形，在700℃、800℃、900℃箱式電阻爐中加熱時，α分別為1.5、1、0.8分鐘/毫米直徑?；鼗鸬谋貢r間，要保證工件穿透加熱，并使組織充分轉(zhuǎn)變。組織轉(zhuǎn)變時間一般不大于0.5h，但穿透加熱時間則隨回火溫度、工件有效厚度、裝爐量及加熱方式而異。生產(chǎn)中，一般為1-3h。由于實驗所用試樣較小，故可用0.5h。3、冷卻方法鋼退火一般采用隨爐冷卻到600℃以下再出爐空冷。正火采用空氣中冷卻。淬火時，鋼在過冷奧氏體最不穩(wěn)定的范圍內(nèi)（650-500℃）的冷卻速度應(yīng)大于馬氏臨界冷卻速度，以保證工件不轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w型組織；而在Ms附近的冷卻速度應(yīng)盡可能低，以降低淬火內(nèi)應(yīng)力，減少工件變形與開裂。因此，淬火時除了要選用合適的淬火冷卻介質(zhì)外，還應(yīng)改進(jìn)淬火方法。對形狀簡單的單液淬火法，碳鋼用水或鹽水溶液作冷卻介質(zhì)，合金鋼常用油作冷卻介質(zhì)?；鼗鹨话阍诳諝庵欣鋮s。（二）碳鋼熱處理后的組織與性能1、珠光體型組織它是過冷奧氏體高溫（Ar1與C曲線鼻尖）轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。隨奧氏體冷卻時過冷度的增加，依次得到珠光體、索氏體、托氏體。它們都是鐵素體與滲碳體的層狀細(xì)密混合物，但鐵素體與滲碳體片層間距離依次變小，使強度和硬度遞增。由于正火的冷卻速度較快，過冷度較大，因而發(fā)生了偽共析轉(zhuǎn)變，使組織中珠光體量增多，片層間距減小。托氏體是極細(xì)珠光體，在光學(xué)金顯微鏡下不能分辨其層狀形態(tài)，易浸蝕成黑色團(tuán)絮狀。2、貝氏體型組織它是過冷奧氏體中溫（C曲線鼻尖至Ms處）轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。上貝氏體與下貝氏體是同含碳過飽的鐵素體與滲碳體組成的兩相混合物。上貝氏體在光學(xué)顯微鏡下呈羽毛狀。下貝氏體在光學(xué)顯微鏡下呈黑色針片狀。下貝氏體的性能與上貝氏體相比較，它不僅具有較高的硬度、強度與耐磨性，而且下貝氏體的韌性與塑性均高于上貝氏體。3、馬氏體組織它是過冷奧氏體低溫（Ms以下）轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。馬氏體是碳在α－Fe中的過飽和固溶體。低碳馬氏體組織呈板條狀，它不僅具有較高的強度與硬度，同時還具有良好的塑性與韌性。高碳馬氏體組織呈針片狀，性能硬而脆。通常，共析鋼和過共析鋼在正常加熱淬火后，得到的馬氏體是很細(xì)小的，在光學(xué)顯微鏡下不易分辨出它的形態(tài)。4、回火組織淬火組織為馬氏體（帶有少量殘余奧氏體）的碳鋼，在低溫回火后獲得回火馬氏體。它是由含碳過飽和的α固溶體與其共格的η碳化物組成?；鼗瘃R氏體仍保留著原來馬氏體的針片狀或板條狀形態(tài)，但由于在過飽和α固溶體上分布著大量高度彌散的η碳化物，使回火馬低體比淬火狀態(tài)馬氏體容易被腐蝕，故在光學(xué)顯微鏡下呈暗黑色?；鼗瘃R氏體性能基本上與淬火馬氏體相同，但脆性較低。中溫回火獲得回火托氏體。它是由尚未發(fā)生再結(jié)晶的鐵素體與彌散分布的極細(xì)粒狀滲碳體組成。這些極細(xì)的粒狀滲碳體在光學(xué)顯微鏡下無法分辨，且因鐵素體尚未再結(jié)晶，故仍保持原來馬氏體形態(tài)?；鼗鹜惺象w具有高的屈服點、彈性極限和較好的韌性。高溫回火得到回火索氏體，它是由已再結(jié)晶的鐵素體與細(xì)粒狀滲碳體所組成。由于鐵素體已發(fā)生再結(jié)晶，故基本上已失去馬氏體的形態(tài)。在放大500倍以上的情況下，可以看到滲碳體微粒?；鼗鹚魇象w具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能?；鼗饻囟雀邥r，形成回火珠光體，它是由多邊形鐵素體和較大的粒狀滲碳體組成，其光學(xué)顯微組織形態(tài)與球化退化后的顯微組織形態(tài)相似。（三）碳鋼含碳量對淬火后硬度的影響在正常淬火條件下，鋼的含碳量越高，淬火后的硬度也越高。但碳的質(zhì)量分散ωc>0.8％的鋼，淬火后硬度增加不明顯。一般低碳鋼淬火后，硬度在40HRC左右；中碳鋼淬火后，硬度可達(dá)50-60HRC；高碳鋼淬火后，硬度高達(dá)62-65HRC.三、實驗設(shè)備、用品及試樣（一）實驗設(shè)備（1）實驗用可程式箱式電阻爐（2）布洛維硬度計（3）金相顯微鏡。（二）實驗用品（1）淬火水槽（