金屬學(xué)及熱處理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、金屬材料工程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書河北理工大學(xué)冶金與能源實(shí)驗(yàn)中心金屬材料工程實(shí)驗(yàn)室2005年6月65目錄實(shí)驗(yàn)一 金相樣品的制備與顯微組織的顯露3實(shí)驗(yàn)二 金屬鑄錠組織7實(shí)驗(yàn)三 金屬的變形與再結(jié)晶10實(shí)驗(yàn)四 鐵碳合金平衡組織觀察12實(shí)驗(yàn)五 碳鋼熱處理操作、硬度測(cè)定及組織觀察21實(shí)驗(yàn)六 鋼中非金屬夾雜物的金相鑒定39實(shí)驗(yàn)七 合金鋼及有色金屬顯微組織觀察44實(shí)驗(yàn)八 鑄鐵的顯微組織及碳鋼中常見的顯微缺陷50實(shí)驗(yàn)九 定量金相56實(shí)驗(yàn)十 晶粒度的測(cè)定59實(shí)驗(yàn)十一 退火溫度對(duì)冷軋鋼板顯微組織和硬度的影響63實(shí)驗(yàn)一 金相樣品的制備與顯微組織的顯露一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、掌握金相樣品的制備過程；2、熟悉顯微組織的顯露方法。利用金相

2、顯微鏡來研究金屬和合金的組織的方法叫顯微分析法。它可以解決金屬組織方面的很多問題，如非金屬夾雜物，金屬與合金的組織，晶粒的大小和形狀，偏析、裂紋以及熱處理操作是否合理等。金相樣品是用來在顯微鏡下進(jìn)行分析、研究的試樣，所以對(duì)金相樣品的觀察面光潔度要求較高，要求達(dá)到鏡面一樣光亮，無一點(diǎn)劃痕。二、金相樣品的制備過程：金相樣品的制備過程包括：取樣、磨光、拋光、腐蝕以及觀察等步驟。1、取樣 金相樣品的取樣部位對(duì)金相分析較為重要。取樣的部位及觀察面的選擇應(yīng)根據(jù)被檢驗(yàn)材料或零件的特點(diǎn)、加工工藝及分析研究的目的來確定，一定要具有代表性以達(dá)到研究金屬或合金的目的。例如：對(duì)于鑄造合金，考慮到組織的不均勻性，樣品應(yīng)

3、從表層到中心的各典型部位截取，研究零件的失效原因時(shí)，應(yīng)在失效部位和完好的部位分別取樣，以便對(duì)比分析；對(duì)于軋材，研究表層缺陷，如夾雜物分布時(shí)，應(yīng)橫向取樣，研究夾雜物類型、形狀，材料的變形程度，晶粒拉長程度，帶狀組織時(shí)，應(yīng)橫向取樣；研究熱處理件時(shí)，因組織較為均勻可隨意取樣；對(duì)于表面處理的零件，樣品主要取自表面層。取樣時(shí)應(yīng)保證試樣觀察面不發(fā)生組織變化。軟材料取樣用鋸、車、刨等方法截??；硬質(zhì)材料可用金剛砂輪片切割；硬脆材料可用錘擊取樣。必須用電、氣焊切割時(shí)，應(yīng)防止過熱和過燒。切口應(yīng)距試樣面50100。試樣的大小應(yīng)以手拿操作方便及便于觀察即可。樣品的形狀一般大小如圖1-1所示。 圖1-1 試樣的尺寸形狀

4、不規(guī)則或太小的（細(xì)絲和薄片）試樣，為了便于制備，應(yīng)將樣品用試樣夾夾住或用低熔點(diǎn)金屬、電木粉或環(huán)氧樹脂鑲嵌成尺寸適合手握的試樣。如圖1-2所示。2、磨光 磨光分人工磨光和機(jī)械磨光兩種方法。2.1人工磨光：截取的試樣表面凹凸不平，首先用4060目的砂輪進(jìn)行初次整平（或用鋼銼銼平），稱為粗磨，粗磨時(shí)要防止樣品過熱，引起組織變化，常用水冷卻；為防止在細(xì)磨中刮壞砂紙，應(yīng)將樣品的棱角倒掉（表面熱處理試樣除外）。細(xì)磨在粒度不同的水砂紙和金相砂紙上按由粗到細(xì)的順序進(jìn)行（常用的水砂紙為200400#越大粒度越細(xì)）；金相砂紙為（1#5#）。磨制時(shí)要注意：每換一號(hào)砂紙，樣品要掉轉(zhuǎn)90º（也就是與上一號(hào)砂紙

5、的磨痕方向相垂直），將上一號(hào)砂紙的磨痕全部磨掉后，再更換更細(xì)一號(hào)砂紙。注意事項(xiàng)：磨樣時(shí)要把砂紙墊平，用力要均勻，方向要一致，防止來回磨和左右磨，以便觀察上一道砂紙的磨痕是否完全被磨掉。磨軟材料時(shí)，可在砂紙上涂一層潤滑油，如機(jī)油、煤油、甘油、肥皂水等，以免砂粒嵌入樣品表面。 圖1-2 試樣的鑲嵌2.2機(jī)械磨光：磨削過程與人工磨光過程相同，機(jī)械磨光是將粒度不同的水砂紙貼在預(yù)磨機(jī)的轉(zhuǎn)盤上，磨光時(shí)對(duì)樣品的壓力不可過大，并及時(shí)加水冷卻。同樣每換一號(hào)砂紙時(shí)將樣品用水洗凈，以防粗砂粒被帶到下一道砂紙上。3、拋光 拋光是磨光的繼續(xù)，使磨光表面更加光亮平滑，獲得象鏡面一樣光亮的觀察面。拋光可以采用機(jī)械拋光、電解

6、拋光、化學(xué)和機(jī)械拋光等方法，使用最廣泛的是機(jī)械拋光，3.1機(jī)械拋光：樣品經(jīng)砂紙磨制后要用水沖洗干凈，防止砂?；蚪饘傩紟霋伖獗P中，拋光是在拋光機(jī)上進(jìn)行的，分為粗拋光和細(xì)拋光兩道工序。試樣磨好用水沖洗后首先進(jìn)行粗拋光，在拋光盤上放置帆布或呢子，在帆布或呢子上撒拋光劑（2%的AI2O3或Cr2O3的水懸濁液）。拋光機(jī)由一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)拋光盤逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，試樣磨面均勻平整地壓在旋轉(zhuǎn)的拋光盤上，隨著拋光盤不停的旋轉(zhuǎn)（拋光液中的AI2O3或Cr2O3起砂粒磨削樣品的作用，水起冷卻作用）。樣品不停的被磨削直到原來砂紙的磨痕全部被拋掉為止。粗拋光完成后進(jìn)行細(xì)拋光，拋光劑為水，細(xì)拋光過程同粗拋光，直到樣品表面象鏡面

7、一樣光亮為止。注意事項(xiàng)：拋光時(shí)要不間斷地向拋光盤上撒拋光劑，頭一定要抬起來，身子站直，手要握穩(wěn)試樣，防止拋光過程中試樣飛出發(fā)生意外。 3.2電解拋光：對(duì)于軟金屬和容易發(fā)生加工硬化的合金，特別是有易剝落的夾雜物的合金，應(yīng)采用電解拋光。電解拋光時(shí)，將試樣放入電解槽中作陽極，以不銹鋼或鋁板做陰極。要使拋光的表面與陰極表面成相對(duì)位置，通過直流電，使樣品表面凸起部分被溶解而達(dá)到拋光目的，電解拋光的速度快，表面光潔，并可以免除機(jī)械拋光所形成的塑性變形，但工藝規(guī)范不易控制。電解拋光所用的電解液成分，陰極材料以及電壓、電流密度、電解時(shí)間等，要根據(jù)被拋光的材料來確定。常用電解拋光液及規(guī)范見表1-1。表1-1常用

8、電解拋光液及規(guī)范電解液組分（體積比）拋光材料拋光規(guī)范備注電流密度（A/2）時(shí)間電解液溫度H3PO438%甘油53%H2O9%不銹鋼0.51.537分50100i1 A/2純鋼0.10.25310分1530I=0.22 A/25分最佳HClO420%甘油10%酒精70%不銹鋼1.515秒小于50要求有較高的槽壓電解液不得超過50超過有危險(xiǎn)碳鋼1.252.515秒鋁等0.5510秒H3PO4100ml甘油6 ml銅銅合金0.10.115510分1530電解液溫度高，表面易氧化。H3PO488 mlH2SO412 ml鉻酐6克鋁1211.5分7090磷酸鉻酐不銹鋼126080奧氏體鋼46分。馬氏體鋼

9、、珠光體鋼23分。合金鋼碳鋼0.360703.3化學(xué)拋光：化學(xué)拋光是依靠化學(xué)試劑對(duì)樣品的選擇性溶解作用，將磨痕去除的一種方法，化學(xué)拋光一般總不是太理想的。若和機(jī)械拋光結(jié)合，利用化學(xué)拋光劑邊腐蝕邊機(jī)械拋光可以提高拋光效能。常用的化學(xué)拋光液的成分見表1-2。4、腐蝕即金相組織的顯露，其原理如下：化學(xué)浸蝕劑對(duì)金屬或合金樣品表面所起的浸蝕作用，可以說是簡單的化學(xué)溶解作用或是電化學(xué)作用。純金屬及單相合金的浸蝕是一個(gè)化學(xué)溶解過程，磨面表層原子被溶于浸蝕劑中。在溶解中由于晶粒和晶粒之間，晶粒和晶界之間溶解速度不同，組織就被顯示出來。由于晶界上原子排列的規(guī)律性差、位于晶界上的原子具有較高的自由能，所以晶界處容

10、易被浸蝕成溝壑，因此，在金相顯微鏡下能夠看到多邊形的固溶體晶粒，若使浸蝕繼續(xù)進(jìn)行，則浸蝕劑對(duì)晶粒本身起溶解作用，金屬原子的溶解多是沿著原子排列最密的面進(jìn)行，由于磨面上各個(gè)晶粒中原子排列的位向不同，而浸蝕后各晶粒傾斜了不同的角度在垂直光線的照射下，將顯示出明暗不一的晶粒。浸蝕順序如下：拋光后的樣品表面，用水和酒精洗滌干凈，然后進(jìn)行浸蝕。樣品拋光面浸入浸蝕劑中，拋光面呈暗灰色即可。腐蝕時(shí)間最短的僅需幾秒鐘，長的需10多分鐘，據(jù)樣品的成分、外界溫度及浸蝕劑的配比不同而不同。腐蝕好的試樣經(jīng)酒精洗滌，用熱風(fēng)吹干即可進(jìn)行顯微組織觀察。表1-2 化學(xué)拋光液的成分編號(hào)拋光液成分適用材料1草酸2.5g硫酸1.5

11、ml過氧化氫10 g水100 mlAI2O3或Cr2O3粉1020 g碳鋼、鋼鐵2鉻酐10 g水100 mlAI2O3或Cr2O31020 g鋼鐵、非金屬夾雜、不銹鋼3草酸5 g過氧化氫（30%）46 ml硫酸銅0.5 g水100 ml高錳鋼、奧氏體不銹鋼4HCl5 ml過氧化氫（30%）3 ml氫氟酸（<12%）5 ml同上三、實(shí)驗(yàn)所用儀器設(shè)備：低碳鋼試樣，水砂紙，金相砂紙，玻璃板，金相拋光機(jī)，拋光粉，腐蝕用酒精、硝酸，金相顯微鏡等。四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1、簡述金相樣品的制備及顯微組織的顯露過程，2、畫出自己制備的金相樣品的顯微組織。本實(shí)驗(yàn)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)：GB2975-82鋼材力學(xué)及工藝性能

12、試驗(yàn)取樣規(guī)定GB/T13298-91金屬顯微組織檢驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)二 金屬鑄錠組織金屬的結(jié)晶，是形核和長大的過程，鑄錠結(jié)晶后的組織，其晶粒大小決定于形核率和長大速率，也就是取決于過冷度的大小和非自發(fā)形核的作用。而晶粒的形狀還與結(jié)晶過程中的散熱條件有關(guān)。柱狀晶與粗大等軸晶區(qū)的發(fā)展程度與下列因素有關(guān)：A、冷卻速度：冷卻速度越大，則表面與中心的溫差越大，柱狀晶體越能向內(nèi)發(fā)展，中心等軸晶區(qū)也就越小，可以改變鑄模的溫度，使鑄錠的組織發(fā)生變化。如選用導(dǎo)熱良好的銅模，比之用導(dǎo)熱稍差的鋼模、水冷的金屬模和比之空氣冷卻的金屬模、壁厚的金屬模比之用同一材料做成的壁薄的金屬模，柱狀晶的發(fā)展均較顯著。反之，如果使用預(yù)熱的砂

13、模，則甚至可以出現(xiàn)全部粗大的等軸晶。B、澆鑄條件：提高澆鑄時(shí)的液體溫度以及提高澆鑄速度，則促使柱狀晶區(qū)發(fā)展。因?yàn)樵谶@樣的澆鑄條件下，注入錠模內(nèi)的液體溫度高，內(nèi)外溫度梯度大，促使柱狀晶長大，柱狀晶向內(nèi)長大時(shí)，如要內(nèi)部液體要結(jié)晶，其溫度必須降低到熔點(diǎn)以下，才能產(chǎn)生等軸軸晶晶核，故要放出較多的熱量。即需要更長的時(shí)間，這樣柱狀晶就有充分的時(shí)間向內(nèi)生長而不受阻。此外，由于內(nèi)部液體溫度高，即過熱大，非自發(fā)的形核機(jī)會(huì)也就減少，這也促使柱狀晶發(fā)展的一個(gè)原因。C、凝固條件：澆鑄時(shí)，把液體進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)或用超聲波振動(dòng)，可以使柱狀晶區(qū)大大減少，當(dāng)振動(dòng)的頻率足夠大或鑄錠的體積不大。脆弱的樹枝晶震碎，這些細(xì)的枝晶可作為晶

14、核。D、外來雜質(zhì)的影響：澆鑄時(shí)，在液體中加入少量可以作為變質(zhì)劑的元素，合金或化合物從而促使非自發(fā)形核，使鑄錠組織細(xì)化，這一過程稱之為變質(zhì)處理。如在A1的熔液中加入細(xì)的Ti粉，結(jié)晶后使晶粒大大細(xì)化，這可能是由于Ti在A1中形成TiA1，而促使非自發(fā)形核的緣故。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、觀察金屬鑄錠的三個(gè)晶區(qū)的形態(tài)；2、分析澆注條件（鋼錠模的厚薄、錠模的材料、錠模的溫度、液體金屬的過熱度）對(duì)三個(gè)晶區(qū)的影響。二、實(shí)驗(yàn)步驟：本實(shí)驗(yàn)用純鋁做樣品，坩堝內(nèi)放入鋁塊，在箱式爐內(nèi)加熱，加熱溫度要高于鋁的熔點(diǎn)150，使之融化。待試樣完全熔化后澆注，觀察其三種晶區(qū)的分布和形態(tài)。試驗(yàn)前將厚薄不同的金屬模、砂模準(zhǔn)備好，并擺放整

15、齊，注意便于澆注金屬液體。1、將鋁塊放入坩堝，放到箱式電阻爐中加熱到熔點(diǎn)以上100150熔化，保溫30分鐘；2、將鋁液分別澆注進(jìn)厚薄不同的金屬模、砂模、及預(yù)熱的金屬模中（取出熔化好的試樣時(shí)為防止?fàn)C傷帶石棉手套，夾緊化鋁坩堝，對(duì)準(zhǔn)好澆注口，緩慢地將鋁液澆入不同的坩堝）；3、在相同的冷卻條件下，鋁液完全結(jié)晶后脫掉金屬模和砂模。并立即在鑄錠上分別打上相應(yīng)條件的標(biāo)記；4、完全冷卻的鋁錠，夾在臺(tái)鉗上用手工鋼鋸沿中心線縱向剖開鋁錠至離下端1015處；5、距鋁錠下端1015處，垂直鋁錠軸線方向切斷鋁錠使其成三塊；6、用砂紙將鋁錠剖開面磨平；7、用王水（HCl:HNO3=3:1）熱浸腐蝕（注意在實(shí)驗(yàn)過程中防止

16、酸液噴濺污染衣物或燒傷皮膚）后用熱水洗滌，即可直接進(jìn)行觀察，分析澆鑄條件對(duì)三個(gè)不同晶區(qū)的影響。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容簡述：金屬結(jié)晶得到的三種晶區(qū)是由鑄錠冷卻條件確定的。液態(tài)金屬倒入鑄錠模中，結(jié)晶首先由模壁開始，在靠近模壁處，過冷度最大加上模壁凹凸不平，結(jié)晶核心產(chǎn)生的多，這些核心長大時(shí)，很快就互相碰撞，因此就形成了細(xì)小的等軸晶，這一晶區(qū)稱為細(xì)小等軸晶區(qū)或第一晶區(qū)。在第一晶區(qū)形成的過程中，模壁的溫度已經(jīng)升高，溫度梯度減少。與液體接觸的晶粒要長大，很快上、下、左、右互相碰撞，在這些方向長大受到限制，唯一不受限制的方向是向液體內(nèi)長大，而這時(shí)由于垂直模壁方向散熱最快，就形成了許多與模壁垂直的粗大晶粒柱狀晶，這一晶

17、區(qū)稱為柱狀晶區(qū)或第二晶區(qū)。由于模壁溫度繼續(xù)升高，溫度梯度減少，散熱速度逐漸下降，柱狀晶長大速度也逐漸減少，與金屬液體交錯(cuò)的柱狀晶的前沿被液體沖刷又溶于液體中，在金屬液體中又造成了很多結(jié)晶核心。由于各方向散熱速度基本相同，所以這些核心各自向各個(gè)方向長大，從而在鑄錠心部形成了許多位向不同的粗大等軸晶。這一晶區(qū)稱為粗等軸晶區(qū)或第三晶區(qū)。金屬鑄錠就是由這三個(gè)晶區(qū)組成，改變澆注條件將改變這三個(gè)晶區(qū)特別是柱狀晶區(qū)和粗等軸晶區(qū)的大小。生產(chǎn)上一般都希望鑄錠中柱狀晶區(qū)窄些，等軸晶區(qū)寬些，晶粒細(xì)小些。為了達(dá)到以上目的，生產(chǎn)上一般采用：（1）液體的過熱度盡量少，以便在液體中保留足夠的結(jié)晶核心，細(xì)化結(jié)晶后的晶粒；（2

18、）減少溫度梯度，阻止和減少柱狀晶的發(fā)展，促進(jìn)等軸晶的形成；（3）加強(qiáng)流動(dòng)運(yùn)動(dòng)，有利于破碎粗大晶粒，給各個(gè)晶粒造成相同的長大條件以利于等軸晶的發(fā)展；（4）人為地添加促進(jìn)結(jié)晶核心形成的元素或合金，提高形核率，細(xì)化晶粒。四、實(shí)驗(yàn)用的儀器設(shè)備：金屬坩堝箱式加熱爐及爐溫控制儀表純鋁塊厚壁金屬模2個(gè)，壁厚10mm，薄壁金屬模2個(gè) ，壁厚5mm（結(jié)構(gòu)見圖3）砂模2個(gè)，壁厚70mm鐵夾鉗2把鋼鋸4把臺(tái)鉗4部五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1、分析比較各種條件對(duì)三個(gè)晶區(qū)的影響；2、畫出所觀察不同澆注條件下鑄錠的縱、橫斷面的組織示意圖。 厚模 薄模圖3 金屬模結(jié)構(gòu)尺寸圖實(shí)驗(yàn)三 金屬的變形與再結(jié)晶一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^本實(shí)驗(yàn)要了解變

19、形金屬發(fā)生的再結(jié)晶現(xiàn)象及再結(jié)晶后晶粒大小與變形量和退火溫度間的關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容簡述：金屬的變形及再結(jié)晶行為是非常重要的冶金現(xiàn)象，對(duì)金屬的性能有很大的影響。金屬和合金冷塑性變形后，在組織、結(jié)構(gòu)和性能等方面都發(fā)生了相當(dāng)復(fù)雜的變化。顯微觀察證明：晶粒被拉長或壓扁；性能檢測(cè)顯示：硬度強(qiáng)度提高。為了提高金屬的塑性以便繼續(xù)加工，一般要進(jìn)行退火，使金屬的硬度、強(qiáng)度下降而塑性提高，原來變形后被拉長或壓扁的晶粒隨著退火溫度的升高或保溫時(shí)間的延長形核后由細(xì)小的等軸晶逐漸長大，這一形核和長大過程叫再結(jié)晶。變形后的再結(jié)晶過程分為：回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大三個(gè)階段。1、回復(fù)階段：加熱溫度低于再結(jié)晶溫度；1.1金相觀察：

20、顯微組織幾乎沒有發(fā)生變化，晶粒仍是被拉長或壓扁的，細(xì)長的和加熱前的沒有多大區(qū)別；1.2內(nèi)應(yīng)力有所消除；1.3硬度、強(qiáng)度緩慢下降，塑性有所提高；2、再結(jié)晶階段：加熱溫度達(dá)到再結(jié)晶溫度后金屬發(fā)生再結(jié)晶，對(duì)純金屬來講T再結(jié)晶=0.4T熔點(diǎn)。2.1顯微觀察：開始有小的等軸晶形成，并隨著溫度的升高直到完全由細(xì)小的等軸晶代替變形時(shí)被拉長或壓扁的細(xì)長的晶粒；2.2內(nèi)應(yīng)力很快下降，直到全部消除；2.3硬度、強(qiáng)度明顯下降，塑性顯著提高。3、長大階段：加熱溫度明顯的高于再結(jié)晶溫度或保溫時(shí)間過長，將會(huì)發(fā)生晶粒長大現(xiàn)象。3.1顯微觀察：由再結(jié)晶后的細(xì)小的等軸晶，隨著加熱溫度的升高，晶粒越來越大；3.2硬度、強(qiáng)度下降緩

21、慢，塑性開始緩慢下降。三、實(shí)驗(yàn)步驟：1、為了冷變形容易，及觀察組織方便，本實(shí)驗(yàn)選用低碳的08號(hào)鋼作為試樣，經(jīng)退火軟化得到等軸多邊形鐵素體晶粒組織。2、將退火后的08號(hào)鋼，經(jīng)不同程度的冷變形。變形量按下面公式計(jì)算：=式中：h0-變形前厚度 h1-變形后厚度 -變形量（%）本實(shí)驗(yàn)采用50%、70%兩個(gè)變形量的08號(hào)鋼。3、將不同變形量的試樣分別加熱到400、500、700，各保溫30分鐘使其分別進(jìn)行回復(fù)，再結(jié)晶和長大過程，然后出爐空冷至室溫。試樣編號(hào)、變形量、退火溫度間的關(guān)系見下表：試樣編號(hào)005054555770747577變形量 （ %）未變形5050505070707070退火溫度（）原始狀

22、態(tài)未退火400500700未退火400500700表中試樣號(hào)的第一位數(shù)字代表變形量；第二位數(shù)字代表退火溫度。4、將各條件試樣制成金相樣品，用金相顯微鏡觀察分析。5、測(cè)定原始組織、變形、回復(fù)、再結(jié)晶及長大各條件下的硬度值。四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1、畫出50%、70%變形量的：變形、回復(fù)、再結(jié)晶及長大的組織示意圖。2、記錄50%、70%變形量的各階段的硬度值。3、分析08號(hào)鋼變形、經(jīng)400、500、700退火的組織結(jié)構(gòu)變化及性能變化的原因。實(shí)驗(yàn)四 鐵碳合金平衡組織觀察一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、觀察和識(shí)別鐵碳合金（碳鋼和白口鑄鐵）在平衡狀態(tài)下的顯微組織特征；2、了解鐵碳合金成分（含碳量）對(duì)鐵碳合金顯微組織的影響

23、，從而加深理解成分、組織、性能之間的關(guān)系；3、熟悉金相顯微鏡的使用。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容簡述：FeFe3C狀態(tài)圖是研究鐵碳合金組織與成分關(guān)系的重要工具，了解和掌握FeFe3C狀態(tài)圖，對(duì)于制定鋼鐵材料的各種加工工藝有著很重要的指導(dǎo)意義。所謂平衡狀態(tài)的顯微組織是指合金在極緩慢的條件下冷卻到室溫所得到的組織。鐵碳合金的平衡組織主要是指碳鋼和白口鑄鐵的緩慢冷卻到室溫得到的組織，它們是（特別是碳鋼）工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的金屬材料，它們的性能與其顯微組織有密切的關(guān)系。從FeFe3C相圖可以看出，所有的碳鋼和白口鑄鐵的平衡組織都是鐵素體（F）滲碳體（Fe3C）這兩個(gè)基本的相組成。但由于含碳量不同，結(jié)晶條件的差異，鐵素體

24、和滲碳體的相對(duì)數(shù)量、形態(tài)、分布和混合情況不同，因此呈現(xiàn)各種不同特征的組織形態(tài)。根據(jù)FeFe3C狀態(tài)圖，組成FeFe3C合金的基本組織有以下幾種：1、鐵素體(F)：C%<0.02%的鐵碳合金通常稱為工業(yè)純鐵，它是由鐵素體(F)組成。鐵素體是碳在Fe中的固溶體，具有體心立方晶格，其硬度較低（HB80120）但塑性、韌性很好，經(jīng)3%5%的硝酸酒精浸蝕，鐵素體呈白亮色不規(guī)則的等軸晶粒，其中的黑色線條是鐵素體的晶界、隨著含碳量的升高，鐵素體逐漸減少，鐵素體較多時(shí)呈塊狀。當(dāng)含碳量接近共析成分時(shí)鐵素體呈斷續(xù)網(wǎng)狀，分布在珠光體周圍。2、滲碳體（Cm）：是鐵與碳的化合物，含碳量為6.69%、硬而脆（HB8

25、00以上）強(qiáng)度和塑性很差。經(jīng)3%5%的硝酸酒精浸蝕呈白亮色，若用苦味酸鈉水溶液浸蝕則被染成黑褐色。滲碳體有三種形態(tài)：一次滲碳體是從液體中直接析出的。呈長條狀；二次滲碳體是從奧氏體中析出的，當(dāng)奧氏體（A）轉(zhuǎn)變成珠光體（P）時(shí)，它呈網(wǎng)狀分布在珠光體周圍；三次滲碳體由鐵素體析出，量不多，在鐵素體邊界上或晶粒內(nèi)部。3、珠光體（P）：是鐵素體和滲碳體的共析混合物。它是雙相結(jié)構(gòu)組織，在一般退火情況下，珠光體是鐵素體和滲碳體交替分布的層狀組織，疏密程度不同，經(jīng)3%5%的硝酸酒精或苦味酸溶液浸蝕，鐵素體相和滲碳體相均為白亮的片層，其相界為黑線條。在不同的放大倍數(shù)下觀察，組織呈現(xiàn)出不太一樣的特征。在高倍（600

26、倍以上）觀察時(shí)，珠光體由白亮的寬條鐵素體和白亮的窄條滲碳體組成相界是黑色線條。在中倍（400倍左右）觀察時(shí)，由于放大倍數(shù)較低，顯微鏡的鑒別能力小于滲碳體片層厚度，將滲碳體及鐵素體的相界看成一條黑色線條，實(shí)際上這條黑線包括一片滲碳體和兩條相界。在低倍（200倍以下）觀察時(shí)，由于放大倍數(shù)更低，顯微鏡的鑒別能力低得連較寬的鐵素體片層也分不開了，珠光體就成為黑塊組織。4、萊氏體（Ld）：是含碳4.3%的共晶白口鐵緩冷到室溫的產(chǎn)物，在1148時(shí)它是有奧氏體和滲碳體組成的共晶體。繼續(xù)冷卻是由奧氏體析出二次滲碳體在727以下奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。經(jīng)3%5%的硝酸酒精浸蝕萊氏體黑點(diǎn)狀珠光體在白亮的滲碳基體上（滲

27、碳體基體包括二次滲碳體和共晶滲碳體，它連在一起分不開）。萊氏體硬而脆，HB可達(dá)700，一般存在含碳量大于2.11%的白口鑄鐵中和某些高碳合金鋼中。三、幾種鋼的組織特征：1、亞共析鋼含碳量在0.02%0.77%之間。經(jīng)3%5%的硝酸酒精浸蝕后，其組織為白亮的鐵素體黑白層相間的珠光體（其中白亮層為鐵素體層、黑層為一片滲碳體和兩個(gè)相界組成）；亞共析鋼隨著含碳量的增加鐵素體逐漸減少，珠光體逐漸增加。直到0.77%珠光體為100%時(shí)成為共析鋼。鐵素體和珠光體的含量可由杠桿定律求得，反之，估計(jì)出各組織組成物各自占面積的百分?jǐn)?shù)，可以近似計(jì)算出鋼的含碳量。2、共析鋼含碳量為0.77%，由100%的珠光體組成。

28、經(jīng)3%5%的硝酸酒精浸蝕后，為黑白相間的片層結(jié)構(gòu)。3、過共析鋼含碳量為0.77%2.11%，組織為珠光體和二次滲碳體。經(jīng)3%5%的硝酸酒精浸蝕二次滲碳體形成白亮的斷續(xù)網(wǎng)狀分布在黑白相間的珠光體周圍，隨著含碳量的增加二次滲碳體網(wǎng)越來完整，越來越粗。4、亞共晶白口鐵含碳量為2.11%4.3%，經(jīng)3%5%的硝酸酒精浸蝕為黑白層相間的珠光體和以白亮的滲碳體的基體分布著點(diǎn)狀珠光體的萊氏體以及塊狀珠光體周圍的一層白亮的二次滲碳體的基體組成。含碳量越接近4.3%塊狀珠光體越少，萊氏體越多。5、共晶白口鐵含碳量為4.3%，組織為100%的萊氏體。6、過共晶白口鐵，含碳量為4.3%6.69%，經(jīng)3%5%的硝酸酒

29、精浸蝕為白亮條狀一次滲碳體和白亮滲碳體基體分布著黑點(diǎn)狀珠光體的萊氏體組成。四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1、觀察下表中所列樣品的顯微組織，并聯(lián)系鐵碳平衡圖分析組織的形成過程。2、畫出所觀察金相樣品的顯微組織示意圖，并在圖中標(biāo)出組織，在圖下標(biāo)出：含碳量、組織、放大倍數(shù)、浸蝕劑。3、根據(jù)觀察的組織，說明含碳量對(duì)鐵碳合金的組織和性能影響的大致規(guī)律。4、本次實(shí)驗(yàn)的體會(huì)。表4-1 試樣號(hào)、成分、顯微組織和腐蝕條件試樣號(hào)樣品名稱狀態(tài)顯微組織浸蝕劑I1工業(yè)純鐵退火鐵素體3%硝酸酒精溶液I20.10%碳鋼退火鐵素體和珠光體3%硝酸酒精溶液I30.4%碳鋼退火鐵素體和珠光體3%硝酸酒精溶液I40.77%碳鋼退火珠光體3%硝

30、酸酒精溶液I51.2%碳鋼退火珠光體和網(wǎng)狀滲碳體3%硝酸酒精溶液I61.2%碳鋼退火珠光體和網(wǎng)狀滲碳體苦味酸鈉水溶液I7亞共晶白口鐵鑄造珠光體、二次滲碳體和萊氏體3%硝酸酒精溶液I8共晶白口鐵鑄造萊氏體3%硝酸酒精溶液I9過共晶白口鐵鑄造一次滲碳體和萊氏體3%硝酸酒精溶液附錄： 金相顯微鏡的結(jié)構(gòu)及使用方法一、顯微鏡的成象原理：研究金屬磨面的金相組織的光學(xué)顯微鏡稱為金相顯微鏡，它與生物顯微鏡的不同點(diǎn)在于金相試片的磨面不能透過光線，因此顯微鏡是利用可見光在試片磨面上的反射成象來觀察金屬的組織。眾所周知，放大鏡是最簡單的一種光學(xué)儀器，它實(shí)際上是一塊凸透鏡，利用它就可以將物體放大。其成象原理如圖4-1

31、所示。 圖4-1放大鏡的光學(xué)原理圖當(dāng)物體AB置于凸透鏡焦距以外時(shí)，得到倒立的放大實(shí)象AB 如圖1（a）所示，它的位置在2倍焦距以外。如果將物體AB放在凸透鏡焦距內(nèi)，就可看到一個(gè)放大了的正的虛象AB如圖（b）所示。映象的長度與物體長度之比（ AB/ AB ）就是放大鏡的放大倍數(shù)（放大率），由于放大鏡到物體之間的距離a近似地等于凸透鏡的焦距（a=f），而放大鏡到影像間的距離b近似地相當(dāng)于人眼的明視距離（250mm）故放大鏡的放大倍數(shù)為：N=250/a （4-1）由式（4=1）可知，透鏡的焦距f越短，則放大鏡的放大倍數(shù)越大，一般采用的放大鏡焦距在10100毫米范圍內(nèi)，因而放大倍數(shù)在2.525倍之間。

32、進(jìn)一步提高放大倍數(shù)，將會(huì)由于透鏡焦距縮短和表面曲率過分增大而使形成的映象變得模糊不清。為了得到更高的放大倍數(shù)，就要采用顯微鏡，顯微鏡可以使放大倍數(shù)達(dá)到15002000倍。顯微鏡不象放大鏡那樣由單個(gè)的透鏡組成，而是由兩組透鏡所組成?？拷挥^察物體的透鏡叫物鏡，而靠近人眼的透鏡叫目鏡。借助物鏡與目鏡的兩次放大，就能將物體放大到很高的倍數(shù)（2000倍）。圖4-2所示是在顯微鏡中得到放大物象的光學(xué)原理圖。圖4-2顯微鏡光學(xué)原理圖被觀察的物體AB放在物鏡之前距其焦距略遠(yuǎn)一些的位置，由物體反射的光線穿過物鏡，經(jīng)折射后得到一個(gè)放大了的倒立實(shí)象AB，再經(jīng)目鏡將實(shí)象AB放大成倒立虛象AB，這就是我們?cè)陲@微鏡下研

33、究實(shí)物時(shí)所觀察到的經(jīng)過二次放大后的物象。在顯微鏡設(shè)計(jì)時(shí)，讓目鏡的焦點(diǎn)位置與物鏡放大所成的實(shí)象位置接近，并使最終的倒立虛象在距眼睛250毫米（約等于人眼的正常明視距離）處成象，這樣就可以看得最為清晰。顯微鏡質(zhì)量的好壞，主要取決于：（1）放大倍數(shù)；（2）透鏡的質(zhì)量；（3）顯微鏡的鑒別能力。二、顯微鏡的放大倍數(shù)：顯微鏡包括兩組透鏡物鏡和目鏡。物鏡的放大倍數(shù)可由下式得出，即M物= L/ F1 （4-2）式中：L顯微鏡的光學(xué)鏡筒長度（即物鏡后焦點(diǎn)與前焦點(diǎn)的距離）； F1物鏡的焦距。 而AB經(jīng)放大后的放大倍數(shù)則可由公式（4-3）計(jì)算： M目= D/ F （4-3） 式中：D人眼的明視距離（250）；F目鏡

34、焦距。顯微鏡的總放大倍數(shù)應(yīng)為物鏡與目鏡放大倍數(shù)的乘積，即：M總=M物×M目=（L/ F1）×（D/ F） (4-4)顯微鏡的主要放大倍數(shù)通過物鏡來保證，物鏡的最高放大倍數(shù)可達(dá)100倍，目鏡的放大倍數(shù)可達(dá)25倍。放大倍數(shù)用符號(hào)“×”表示，例如物鏡的放大倍數(shù)為25×，目鏡的放大倍數(shù)為10×，則顯微鏡的放大倍數(shù)為25×10=250×。放大倍數(shù)均分別標(biāo)注在物鏡與目鏡的鏡筒上。在使用顯微鏡觀察物體時(shí)，應(yīng)根據(jù)其組織的粗細(xì)情況，選擇適當(dāng)?shù)姆糯蟊稊?shù)。以細(xì)節(jié)部分觀察得清晰為準(zhǔn)，不要盲目追求過高的放大倍數(shù)。因?yàn)榉糯蟊稊?shù)與透鏡的焦距有關(guān)，放大倍數(shù)

35、越大，焦距必須越小，結(jié)果會(huì)帶來許多缺陷，同時(shí)所看到的區(qū)域也越小。三、透鏡成象的質(zhì)量：單個(gè)透鏡在成象過程中，由于幾何光學(xué)條件的限制，映象會(huì)變得模糊不清或發(fā)生畸變，這種缺陷稱為象差。象差主要包括球面象差和色象差。象差的產(chǎn)生降低了光學(xué)儀器的精確性。球面象差的產(chǎn)生是由于透鏡的表面呈球曲形，通過透鏡中心及邊緣的光線折射以后不能交于一點(diǎn)（如圖4-3（a）所示），而分成幾個(gè)交點(diǎn)前后分布；來自透鏡邊緣的光線靠近透鏡交集，而靠近透鏡中心的光線則交集在較遠(yuǎn)的位置，這樣得到的映象顯然是不清晰的。球面象差的程度與光線通過透鏡的面積有關(guān)。光圈放得越大，則光線通過透鏡的面積越大，球面象差就越嚴(yán)重；反之，縮小光圈，限制邊緣

36、光線射入，使通過透鏡的光線只有中心的一部分，則可減小球面象差。但是光圈太小，也會(huì)由于透過的光線太少而影響成象的清晰度。校正透鏡球面差的方法采用多片透鏡組成透鏡組，即將凸透鏡和凹透鏡組合在一起（稱為復(fù)合透鏡），由于這兩種透鏡有著性質(zhì)相反的球面差，因此可以相互抵消。色象差的產(chǎn)生是由于組成白光的各種不同波長的光線在穿過透鏡時(shí)折射率不同，其中紫色光線的波長最短，折射率最大，在離透鏡最近處成象；紅色光線的波長最長，折射率最小，在離透鏡最遠(yuǎn)處成象；其余的黃、綠、藍(lán)等有色光線則在它們之間成象。這些光在平面上成的象不能集中一點(diǎn)，而呈現(xiàn)帶有彩色邊緣的光環(huán)（如圖4-3（b）所示）。色象差的存在也會(huì)降低透鏡成象的清

37、晰度，也應(yīng)予以校正。通常采用單色光源（或加濾光片），也可使用復(fù)合透鏡。圖4-3透鏡產(chǎn)生象差的示意圖顯微鏡的放大作用主要取決于物鏡，物鏡質(zhì)量的好壞直接影響顯微鏡成象的質(zhì)量，所以對(duì)物鏡的校正是很重要的。物鏡的類型，根據(jù)對(duì)透鏡球面象差和色象差的校正程度不同而分為消色差物鏡、復(fù)消色差物鏡和半復(fù)消色差物鏡等。目鏡也是顯微鏡的主要組成部分，它的主要作用是將由物鏡放大所得的實(shí)象再度放大，因此它的質(zhì)量將最后影響到物象的質(zhì)量。按照目鏡的構(gòu)造型式，一般可分為普通目鏡、補(bǔ)償目鏡和測(cè)微目鏡等。普通目鏡其映象未經(jīng)校正，應(yīng)與消色差物鏡配合使用。補(bǔ)償目鏡與復(fù)消色差物鏡或半復(fù)消色差物鏡配合使用，以抵消這些物鏡的殘余色象差。四

38、、顯微鏡的鑒別能力（鑒別率）：顯微鏡的鑒別能力是顯微鏡也是物鏡最重要的特性，它是指顯微鏡對(duì)于試樣上最細(xì)微部分所能獲得清晰映象的能力，通常用可以辨別的物體上兩點(diǎn)間的最小距離d來表示。被分辨的距離越短，表明顯微鏡的鑒別能力越高。顯微鏡的鑒別能力可由下式求得：d = = (4-5)式中：入射光源的波長；NA物鏡的數(shù)值孔徑，表示物鏡的聚光能力。可以看出，波長越短，數(shù)值孔徑越大，鑒別能力就越高，在顯微鏡中就能看到更細(xì)微的部分。數(shù)值孔徑可用下列公式求出：NA=·sin （4-6）式中：物鏡與物體間介質(zhì)的折射率； 通過物鏡邊緣的光線與物鏡軸線所成的角度。一般物鏡與物體之間的介質(zhì)是空氣，光線在空氣中

39、的折射率=1，若一物體的角孔徑為60º，則其數(shù)值孔徑為：NA=·sin=1·sin30º=0.5。這樣，如果增大孔徑角或增大介質(zhì)的折射率，就增大了物鏡的數(shù)值孔徑。物鏡在設(shè)計(jì)和使用中指定以空氣為介質(zhì)的稱為“干系物鏡”（或干物鏡），以油為介質(zhì)的稱為“油浸戲物鏡”（或油物鏡），油物鏡具有較高的數(shù)值孔徑，因?yàn)橥高^油進(jìn)入到物鏡的光線比透過空氣進(jìn)入的多，使物鏡的聚光能力增強(qiáng)，從而提高了物鏡的鑒別能力。物鏡的數(shù)值孔徑與放大倍數(shù)一起刻在鏡頭外殼，例如鏡頭上刻有25/0.50或65×的下面刻有0.75等數(shù)字，這個(gè)0.50或0.75即表示物鏡的數(shù)值孔徑。高倍物鏡通

40、常都為油浸系，油鏡頭用“油”（或OiL、OL、HL）或外殼涂一黑圈來表示。五、顯微鏡放大倍數(shù)的選擇：經(jīng)物鏡放大而得到的中間象，又經(jīng)目鏡放大，但目鏡放大倍數(shù)是有一定范圍限制的，近似計(jì)算顯微鏡的有效放大倍數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式如下：N有效=（5001000）NA例如：某40×物鏡其數(shù)值孔徑NA=0.65，則其有效放大倍數(shù)N有效為N總=N物×N目；N總= N有效=（5001000）NA=（5001000）×0.65=325650×N總=（325650）/40=816×所以選用的目鏡放大倍數(shù)為816×，均可滿足要求，目鏡倍率小于8時(shí)，不能充分發(fā)揮物鏡的

41、分辨能力。若大于16時(shí)，只是簡單的放大，而且使物象發(fā)暈。六、金相顯微鏡的構(gòu)造：金相顯微鏡的種類和型式很多，最常見的有臺(tái)式、立式和臥式三類。金相顯微鏡通常由光學(xué)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)三大部分組成，有的顯微鏡還附有攝影裝置。現(xiàn)以XJB1型臺(tái)式金相顯微鏡為例加以說明。XJB1型金相顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)如圖4-4所示，由燈泡1發(fā)出的光線經(jīng)聚光透鏡組2及反光鏡8聚集到孔徑光攔9，再經(jīng)過聚光鏡3聚集到物鏡的后焦面，最后通過物鏡平行照射到試樣7的表面，從試樣反射回來的光線復(fù)經(jīng)物鏡組6和輔助透鏡5，由半反射鏡4轉(zhuǎn)向，經(jīng)過輔助透鏡以及棱鏡造成一個(gè)被觀察物體的倒立的放大實(shí)象，該象再經(jīng)過目鏡15的放大，就成為在目鏡視

42、場(chǎng)中能看到的放大映象。圖4-4 XJB1型金相顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)1、照明系統(tǒng)：在底座內(nèi)裝有一低壓（68V，15W）燈泡作為光源，由變壓器降壓供電，靠調(diào)節(jié)次級(jí)電壓（68V）來改變燈光的亮度。聚光鏡、孔徑光攔及反光鏡等裝置在圓形底座上，視場(chǎng)光欄及另一聚光鏡則安裝在支架上，它們組成顯微鏡的照明系統(tǒng)，使試樣表面獲得充分、均勻的照明。2、顯微鏡調(diào)焦裝置：在顯微鏡體的兩側(cè)有粗動(dòng)和微動(dòng)調(diào)焦手輪，兩者在同一部位。隨粗調(diào)手輪6的轉(zhuǎn)動(dòng)，支呈載物臺(tái)的彎臂作上下運(yùn)動(dòng)。在粗調(diào)手輪的一側(cè)有制動(dòng)裝置，用以固定調(diào)焦正確后載物臺(tái)的位置。微調(diào)手輪5使顯微鏡本體沿著滑軌緩慢移動(dòng)。在右側(cè)手輪上刻有分度格，每一格表示物鏡座上下移動(dòng)0.0

43、02毫米。與刻度盤同側(cè)的齒輪箱上刻有二條白線，用以指示微動(dòng)升降范圍，當(dāng)旋到極限位置時(shí)，微動(dòng)手輪就自動(dòng)被限制住，此時(shí)，不能在繼續(xù)旋轉(zhuǎn)而應(yīng)倒轉(zhuǎn)回來使用。3、載物臺(tái)（樣品臺(tái)）用于放置金相樣品，載物臺(tái)和下面托盤之間有導(dǎo)架，用手推動(dòng)，可使載物臺(tái)在水平面上作一定范圍的十字定向移動(dòng)，以改變?cè)嚇拥挠^察部位。4、孔徑光欄和視場(chǎng)光欄：孔徑光欄裝在照明反射鏡座上，調(diào)整孔徑光欄能夠控制入射光束的粗細(xì)，以保證物象達(dá)到清晰的程度。視場(chǎng)光欄設(shè)在物鏡支架下面，其作用是控制視場(chǎng)光欄范圍。使目鏡中視場(chǎng)明亮而無陰影。在刻有直紋的套圈上還有兩個(gè)調(diào)節(jié)螺釘，用來調(diào)整光欄中心。5、物鏡轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換器呈球面形，上有三個(gè)螺孔，可安裝不同放大倍

44、數(shù)的物鏡，旋動(dòng)轉(zhuǎn)換器可使各物鏡鏡頭進(jìn)入光路，與不同的目鏡搭配使用，可獲得各種放大倍數(shù)。6、目鏡筒：目鏡筒呈45º傾斜安裝在附有棱鏡的半球形座上，還可將目鏡轉(zhuǎn)向90º呈水平狀態(tài)以配合照明裝置進(jìn)行金相攝影。七、金相顯微鏡的使用規(guī)程：金相顯微鏡是一種精密的光學(xué)儀器，使用時(shí)要求細(xì)心謹(jǐn)慎。在使用顯微鏡工作之前首先應(yīng)熟悉其構(gòu)造特點(diǎn)及各主要部件的相互位置和作用，然后按照顯微鏡的使用規(guī)程進(jìn)行操作。1、顯微鏡的光源插頭插在變壓器上，通過低壓（68V）變壓器接通電源；2、根據(jù)放大倍數(shù)選用所需的物鏡和目鏡，分別安裝在物鏡座上及目鏡筒內(nèi)，并使轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)至固定位置（由定位器定位）；3、將試樣放在樣品臺(tái)

45、中心，使觀察面朝下并用彈簧片壓?。?、轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)手輪先使載物臺(tái)下降，同時(shí)用眼觀察，使物鏡盡可能接近試樣表面（但不得與試樣相碰）。然后向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)粗動(dòng)手輪，使載物臺(tái)漸漸上升以調(diào)節(jié)焦距，當(dāng)視場(chǎng)亮度增強(qiáng)時(shí)改用微調(diào)手輪調(diào)節(jié)，直到物象調(diào)整到最清晰程度為止；5、 調(diào)節(jié)孔徑光欄和視場(chǎng)光欄，以獲得最佳質(zhì)量的物象；6、如果使用油浸系物鏡，則可在物鏡的前透鏡上滴一點(diǎn)松柏油，也可以將松柏油直接滴在試樣上。油鏡頭用后應(yīng)立即用棉花沾取二甲苯溶液擦凈，再用擦鏡紙擦干。八、微鏡使用注意事項(xiàng)：1、作時(shí)必須特別細(xì)心，不能有任何劇烈的動(dòng)作。光學(xué)系統(tǒng)不允許自行拆卸。2、鏡鏡頭的玻璃部分和試樣磨面嚴(yán)禁手指直接接觸，若鏡頭中落有灰塵，

46、可用鏡頭紙或軟毛刷輕輕擦拭。3、 鏡的燈泡（68V）插頭，切勿直接插在220V的電源插座上，應(yīng)當(dāng)插在變壓器上否則燈泡立即燒壞。觀察結(jié)束后及時(shí)關(guān)閉電源。4、在旋轉(zhuǎn)粗調(diào)（或微調(diào)）手輪時(shí)動(dòng)作要慢，碰到某種阻礙時(shí)應(yīng)立即停止操作，報(bào)告指導(dǎo)教師查找原因，不得用力強(qiáng)行轉(zhuǎn)動(dòng)，否則會(huì)損壞機(jī)件。實(shí)驗(yàn)五 碳鋼熱處理操作、硬度測(cè)定及組織觀察一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、了解鋼的幾種熱處理操作(退火、正火、淬火、回火等)；2、研究碳含量、加熱溫度、冷卻速度、回火溫度對(duì)碳鋼熱處理后性能硬度的影響；3、掌握洛氏硬度計(jì)的使用方法(仔細(xì)閱讀附錄四)；4、觀察熱處理后鋼的組織特征，掌握其變化規(guī)律。二、實(shí)驗(yàn)原理： 1、鋼的熱處理二藝 鋼的熱處

47、理是利用鋼在固態(tài)范圍內(nèi)的加熱、保溫和冷卻，以改變其內(nèi)部組織，從而獲得所需要的物理、化學(xué)、機(jī)械和工藝性能的一種操作。鋼的熱處理基本操作有退火、正火、淬火、回火等。 進(jìn)行熱處理時(shí)，加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻方式是最重要的三個(gè)基本工藝因素，正確選擇這三者的規(guī)范，是熱處理成功的基本保證。 1.1加熱溫度的選擇 鋼的退火、正火、淬火加熱溫度根據(jù)FeFe3C相圖確定。 1.1.1退火加熱溫度 一般亞共析鋼加熱至Ac3十(2030)；共析鋼和過共析鋼加熱至Ac1十(2030)(球化退火)，目的是得到球狀滲碳體，降低硬度，改善高碳鋼的切削性能。 1.1.2正火加熱溫度 一般亞共析鋼加熱至Ac3十(305D)；過

48、共析鋼加熱至Accm十(3050)，即加熱到奧氏體單相區(qū)。 1.1.3淬火加熱溫度 一般亞共析鋼加熱至Ac3(3050)，淬火后的組織為均勻細(xì)小的馬氏體。如果加熱溫度不足(低于Ac3)，則淬火組織中將出現(xiàn)鐵索體，造成淬火后硬度不足，共析鋼和過共析鋼加熱至Ac1十(3050)，淬火后的組織為隱晶馬氏體與粒狀二次滲碳體。未溶的粒狀二次滲碳體可以提高鋼的硬度和耐磨性。過高的加熱溫度(高于Accm)，會(huì)因得到粗大的馬氏體，過多的殘余A而導(dǎo)致硬度和耐磨性的下降，脆性增加。 在各種熱處理手冊(cè)或材料手冊(cè)中，都可查到各種鋼的熱處理溫度。各種成分碳鋼的臨界溫度列于表5l中* 1.1.4回火溫度 鋼淬火后都要回火

49、、回火溫度決定于最終所要求的組織和性能(工廠中常常是根據(jù)硬度的要求)。按加熱溫度不同，回火可分為三類： 低溫回火 在150250回火，所得組織為回火馬天體硬度約為HRC5760，其目的是降低淬火應(yīng)力，減少鋼的脆性并保持鋼的高硬度。一般用于高碳鋼的切別刀具、量具、滾動(dòng)軸承、滲碳件。中溫回火 在350500回火，所得組織為回火屈氏體，硬度約為HRc4048，其目的是獲得高的彈性極限，同時(shí)有高的韌性。主要用于含碳0.50.8的彈簧鋼。高溫回火 在500650回火，所得組織為回火索氏體，硬度約為HRC2535。其目的是獲得既有一定強(qiáng)度、硬度，又有良好的沖擊韌性的綜合機(jī)械性能。常把淬火后經(jīng)高溫回火的處理

50、稱為調(diào)質(zhì)處理，用于中碳的結(jié)構(gòu)鋼，如柴油機(jī)連桿螺栓、汽車半袖以及機(jī)床主軸等重要零件。1.2保溫時(shí)間的確定 為了使鋼件內(nèi)外各部分溫度約達(dá)到指定溫度，并完成組織轉(zhuǎn)變，使碳化物溶解和奧氏體成分均勻化，必須在淬火加熱溫度下保溫一定時(shí)間。通常將鋼件升溫和保溫所需時(shí)間算在一起統(tǒng)稱為加熱時(shí)間。表51碳鋼的臨界點(diǎn) 熱處理加熱時(shí)間必須考慮許多因素，例如工件的尺寸和形狀，使用的加熱設(shè)備及裝爐量，裝爐時(shí)爐子溫度，鋼的成分和原始組織，熱處理的要求和目的等等。具體時(shí)間可參考熱處理手冊(cè)中的有關(guān)數(shù)據(jù)。 實(shí)際生產(chǎn)中多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)大致估算加熱時(shí)間。一般規(guī)定，在空氣介質(zhì)中，升到規(guī)定溫度后的保溫時(shí)間，對(duì)碳鋼來說，按工件厚度每毫米需一分鐘

51、到一分半鐘估算；合金鋼按每毫米二分鐘估算。在鹽浴爐中，保溫時(shí)間則可縮短l2倍。 回火時(shí)的加熱、保溫時(shí)間，應(yīng)與回火溫度結(jié)合起來考慮。一般來說，低溫回火為了穩(wěn)定組織，清除內(nèi)應(yīng)力，回火時(shí)間要長一些，一般不少于1.52小時(shí)。高溫回火時(shí)間不宜過長，一般為0.51小時(shí)。1.3冷卻方法 熱處理時(shí)的冷卻方式要適當(dāng)，才能獲得所要求的組織和性能退火一般采用隨爐冷卻， 正火采用空氣冷卻，大件可采用吹風(fēng)冷卻。淬火冷卻方法非常重要，一方面冷卻速度要大于臨界冷卻速度，以保證全部得到馬氏體組織；另一方面冷卻應(yīng)盡量緩慢，以減少內(nèi)應(yīng)力，避免變形和開裂。為了解決上述矛盾，可以采用不同的冷卻介質(zhì)和方法，使淬火工件在奧氏體最不穩(wěn)定的

52、溫度范圍內(nèi)(650550)快冷，超過臨界冷卻速度，而在MS(300200)點(diǎn)以下溫度盡可能慢冷，以減少內(nèi)應(yīng)力。常用淬火方法有：單液淬火、雙液淬火(先水冷后油冷)、分級(jí)淬火，等溫淬火。表52中列出了幾種常用淬火介質(zhì)的冷卻能力2鋼熱處理后的組織碳鋼經(jīng)熱處理后的組織，可以是平衡或接近平衡狀態(tài)(如退火、正火)，也可是不平衡組織(如淬火組織)。因此在研究熱處理后的組織時(shí)，不但要參考鐵碳相圖，還要利用鋼的C曲線或CCT曲線。鐵碳相圖能說明慢冷時(shí)不同碳含量的鐵碳合金的結(jié)晶過程和室溫下的組織以及相對(duì)量。C曲線或CCT曲線則能說明一定成分的鐵碳合金在不同冷卻條件下的轉(zhuǎn)變過程，以及轉(zhuǎn)變后能得到哪些組織表52常用淬

53、火介質(zhì)的冷卻能力 2.1鋼冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變 為簡便起見，這里用C曲線來分析過冷奧氏體連續(xù)冷卻后的顯微組織：2.1.1共析鋼過冷奧氏體慢冷(爐冷)時(shí)，(見圖51)將全部得到珠光體，冷卻速度增大(空冷)時(shí)，得到片層細(xì)的索氏體，冷卻速度又增大(油冷)時(shí)，得到片層更細(xì)的屈氏體和部分馬氏體，而冷卻速度再增大(水冷)時(shí)，奧氏體一下被過冷到馬氏體轉(zhuǎn)變開始點(diǎn)(Ms)以下，轉(zhuǎn)變成馬氏體。由于共析鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變終點(diǎn)在室溫下(一50)，所以在生成馬氏體的同時(shí)保留有部分殘余奧氏體。與C曲線鼻尖相切的冷卻速度Vk稱為淬火的臨界冷卻速度。圖51在共折鋼C曲線上估計(jì)連續(xù)冷卻速度的影響 2.1.2亞業(yè)共析鋼的C曲線與共析鋼的相比

54、，上部多了一條鐵素體析出線。當(dāng)奧氏體緩慢冷卻(如爐冷)時(shí)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物接近平衡狀態(tài)顯微組織，為珠光體和鐵素體，隨冷卻速度的增大(如空冷或風(fēng)冷)，奧氏體的過冷度越大，析出的鐵索體越少，而共析組織(珠光體)的量增加，碳的含量減少。共析組織變得更細(xì)。這時(shí)的共析組織為偽共析組織。析出的少量鐵素體多分布在晶粒的邊界上，因此冷卻速度逐漸增大，顯微組織的變化是： 鐵素體十珠光體鐵素體十索氏體鐵素體十屈天體。 當(dāng)冷卻速度再增大，如油冷時(shí)，析出的鐵素體極少，最后主要得到屈氏體和馬氏體及少量貝氏體。當(dāng)冷卻速度超過臨界冷卻速度Vk后，奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。碳含量大于0.5的鋼中，馬氏體間還有少量殘余奧氏體。 2.1.2過共析鋼的C曲線與亞共析鋼的相似，不同之處是亞共析鋼先析出的是鐵索體，而過共析鋼先析出的是滲碳體。所以隨著冷卻速度的增加，鋼的組織變化將是：滲碳體十珠光體滲碳體十索氏體滲碳體十屈氏體屈氏體馬氏體十殘余奧氏體馬氏體十殘余奧氏體。 2.2鋼冷卻后所得組織的形態(tài) 2.2.1素氏體(S) 是鐵素體與滲碳體的機(jī)械混合物。其片層比珠光體更細(xì)密，在顯微鏡的高倍(702×以上)放大下才能分辨。 2.2.2屈氏體(T) 也是鐵素體與片狀滲碳體的機(jī)械混合物，片層比索氏體更細(xì)，在一般光學(xué)顯微鏡下無法分辨，只能看到如墨菊狀的黑色組織。當(dāng)其少量析