實(shí)驗(yàn)三碳鋼的熱處理及組織實(shí)驗(yàn)四 金相顯微試樣制備

1、實(shí)驗(yàn)三 碳鋼的熱處理及組織、性能分析一：實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)觀察和研究碳鋼經(jīng)不同形式熱處理后顯微組織的特點(diǎn)。(2)了解熱處理工藝對(duì)碳鋼硬度的影響。二：實(shí)驗(yàn)說(shuō)明碳鋼經(jīng)熱處理后的組織可以是接近平衡狀態(tài)(如退火、正火)的組織，也可以是不平衡組織(如淬火組織)。因此在研究熱處理后的組織時(shí)，不但要用鐵碳相圖，還要用鋼的C曲線來(lái)分析。圖1為共析碳鋼的C曲線，圖2為45鋼連續(xù)冷卻的CCT曲線。圖1 共析碳鋼的c曲線 圖2 45鋼的CCT曲線曲線能說(shuō)明在不同冷卻條件下過(guò)冷奧氏體在不同溫度范圍內(nèi)發(fā)生不同類型的轉(zhuǎn)變過(guò)程及能得到哪些組織。1碳鋼的退火和正火組織亞共析碳鋼(如40、45鋼等)一般采用完全退火，經(jīng)退火后可得接

2、近于平衡狀態(tài)的組織，其組織形態(tài)特征已在實(shí)驗(yàn)l中加以分析和觀察(圖3)過(guò)共析碳素工具鋼(如T10、T12鋼等)則采用球化退火，T12鋼經(jīng)球化退火后，組織中的二次滲碳體和珠光體中的滲碳體都呈球狀(或粒狀)，圖中均勻分散的細(xì)小粒狀組織就是粒狀滲碳體。2鋼的淬火組織含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)相當(dāng)于亞共析成分的奧氏體淬火后得到馬氏體。馬氏體組織為板條狀或針狀，20鋼經(jīng)淬火后將得到板條狀馬氏體。在光學(xué)顯微鏡下，其形態(tài)呈現(xiàn)為一束束相互平行的細(xì)條狀馬氏體群。在一個(gè)奧氏體晶粒內(nèi)可有幾束不同取向的馬氏體群，每束條與條之間以小角度晶界分開(kāi)，束與束之間具有較大的位向差，如圖4所示。圖3 T12 鋼球化退火組織 圖4 低碳馬氏體組織

3、45鋼經(jīng)正常淬火后將得到細(xì)針狀馬氏體和板條狀馬氏體的混合組織，如圖5所示。由于馬氏體針?lè)浅＜?xì)小，故在顯微鏡下不易分清。45鋼加熱至860后油淬，得到的組織將是馬氏體和部分托氏體(或混有少量的上貝氏體)，如圖6所示。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)相當(dāng)于共析成分的奧氏體等溫淬火后得到貝氏體，如T8鋼在550350及350 Ms溫度范圍內(nèi)等溫淬火，過(guò)冷奧氏體將分別轉(zhuǎn)變?yōu)樯县愂象w和下貝氏體。上貝氏體是由成束平行排列的條狀鐵素體和條間斷續(xù)分布的滲碳體所組成的片層狀組織，當(dāng)轉(zhuǎn)變量不多時(shí)，在光學(xué)顯微鏡下可看到成束的鐵素體在奧氏體晶界內(nèi)伸展，具有羽毛狀特性，如圖7所示。圖5 45鋼正常淬火組織 圖6 45鋼油淬組織 圖7 上貝氏

4、體組織特征下貝氏體是在片狀鐵素體內(nèi)部沉淀有碳化物的組織。由于易受浸蝕，所以在顯微鏡下呈黑色針狀特征，如圖8所示。在觀察上、下貝氏體組織時(shí)，應(yīng)注意為顯示貝氏體組織形態(tài)，試樣的處理?xiàng)l件一般是在等溫度下保持不長(zhǎng)的時(shí)間后即在水中冷卻因此只形成部分貝氏體，顯微組織中呈白亮色的基體部分為淬火馬氏體組織。含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)相當(dāng)于過(guò)共析成分的奧氏體淬火后除得到針狀馬氏體外，還有較多的殘余奧氏體。T12碳鋼在正常溫度淬火后將得到細(xì)小針狀馬氏體加部分未溶人奧氏體中的球形滲碳體和少量殘余奧氏體，如圖49所示。但是當(dāng)把此鋼加熱到較高溫度淬火時(shí)，顯微鏡組織中出現(xiàn)粗大針狀馬氏體，并在馬氏體針之間看到亮白色的殘余奧氏體，如圖10

5、所示。圖8 下貝氏體組織特征 圖9 T12鋼正常淬火組織 圖10 T12鋼1000油淬組織碳鋼回火后的組織淬火鋼經(jīng)不同溫度回火后所得到的組織不同，通常按組織特征分為一下三種。 (1)回火馬氏體。淬火鋼經(jīng)低溫回火(150250),馬氏體內(nèi)脫溶沉淀析出高度彌散的碳化物質(zhì)點(diǎn)，這種組織成為回火馬氏體。回火馬氏體仍保持針狀特征，但容易浸蝕，故顏色比淬火馬氏體深些，是暗黑色的針狀組織，如圖11所示。回火馬氏體具有高的強(qiáng)度和硬度，而韌性和塑性叫淬火馬氏體有明顯改善。(2)回火托氏體。淬火鋼經(jīng)中溫回火(350500) 得到在鐵素體基體中彌散分布著微小狀滲碳體的組織，稱為回火托氏體。回火托氏體中的鐵素體仍然基本

6、保持原來(lái)針狀馬氏體的形態(tài)，滲碳體則呈細(xì)小的顆粒狀，在光學(xué)顯微鏡下不易分辨清楚，故呈暗黑色，如圖12所示?；鼗鹜惺象w有較好的強(qiáng)度、硬度、韌性和很好的彈性。(3)回火索氏體。淬火鋼高溫回火(500650)得到的組織稱為回火索氏體，其特征是已經(jīng)聚集長(zhǎng)大了的滲碳體顆粒均勻分布在鐵素體基體上。回火索氏體中的鐵素體已不呈針狀形態(tài)而呈等軸狀，如圖13所示?；鼗鹚魇象w具有強(qiáng)度、韌性和塑性較好的綜合機(jī)械性能。 圖11 回火馬氏體組織 圖12 回火托氏體組織 圖13 回火索氏體組織三：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容典型牌號(hào)碳鋼經(jīng)不同熱處理后的狀態(tài)如表1所示試樣號(hào)碼鋼號(hào)熱處理?xiàng)l件浸蝕劑放大倍數(shù)145860爐冷(退火)3硝酸酒精溶液200

7、450245860空冷(正火)3硝酸酒精溶液200450345860加熱、油淬3硝酸酒精溶液450600445860加熱、油淬3硝酸酒精溶液450600545860水淬、200回火3硝酸酒精溶液450600645860水淬、400回火3硝酸酒精溶液450600745860水淬、600回火3硝酸酒精溶液4506008201000加熱、水淬3硝酸酒精溶液4506009T8440等溫lls、水冷3硝酸酒精溶液45060010T8290等溫3min、水冷3硝酸酒精溶液45060011T12l000加熱、水淬3硝酸酒精溶液45060012T12780加熱、水淬3硝酸酒精溶液45060013T12球化退火

8、3硝酸酒精溶液450600四：實(shí)驗(yàn)方法指導(dǎo)(1)領(lǐng)取一套金相試樣，在金相顯微鏡下觀察。觀察時(shí)要根據(jù)FeFe3C相圖和鋼的C曲線來(lái)分析確定不同熱處理?xiàng)l下各種組織的形成原因。2)對(duì)于經(jīng)過(guò)不同熱處理后的組織，要采用對(duì)比的方式進(jìn)行分析研究，例如，退火與正火、水淬與油淬、淬火馬氏體與回火馬氏體等。(3)畫出所觀察到的、指定的幾種典型顯微組織形態(tài)特征，并注明組織名稱、熱處理?xiàng)l件及放大倍數(shù)等。(4)在了解洛氏硬度計(jì)的構(gòu)造及操作方法之后，測(cè)定45鋼經(jīng)不同熱處理后的硬度，并記錄所測(cè)得的硬度數(shù)據(jù)。五：實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求(1)寫出實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?2)運(yùn)用鐵碳相圖及相應(yīng)鋼種的C曲線，根據(jù)具體的熱處理?xiàng)l件分析所得組織及特征，并畫

9、出所觀察試樣的顯微組織示意圖。(3)列出全部硬度測(cè)定數(shù)據(jù)，分析冷卻方法及回火溫度對(duì)碳鋼性能(硬度)的影響，畫出回火溫度同硬度的關(guān)系曲線，并闡明硬度變化的原因。 六：思考題 (1)45鋼淬火后硬度不足，如何用金相分析來(lái)判定是淬火加熱溫度不足還是令卻速度不夠？(2)45鋼調(diào)質(zhì)處理得道的組織和T12球化退火得到的組織在本質(zhì)、形態(tài)、性能和用途上有何差異？(3)指出下列工件的淬火及回火溫度，并說(shuō)明回火后多獲得的組織。45鋼的小軸 60鋼的彈簧 T12鋼的銼刀實(shí)驗(yàn)四金相顯微樣品的制備及金相顯微鏡的使用一,實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握金相樣品的制備過(guò)程和基本方法;2. 了解金相顯微鏡的基本原理,構(gòu)造,掌握顯微鏡的正確

10、使用.二,實(shí)驗(yàn)原理利用金相顯微鏡觀察金相試樣的組織或缺陷的方法稱為金相顯微分析.它是研究金屬材料微觀結(jié)構(gòu)最基本的一種實(shí)驗(yàn)技術(shù),在金屬材料研究領(lǐng)域中占有很重要的地位.在現(xiàn)代金相顯微分析中,使用的主要儀器有光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡.這里僅對(duì)常用的光學(xué)金相顯微鏡作一般介紹.顯微鏡的基本原理,構(gòu)造及使用1. 顯微鏡的基本原理最簡(jiǎn)單的顯微鏡可以僅由兩個(gè)透鏡組成.圖1-1為相顯微鏡成像的光學(xué)原理示意圖.圖中AB為被觀察的物體,對(duì)著被觀察物體的透鏡O1叫物鏡;對(duì)著人眼的透鏡O2叫目鏡.物鏡使物體AB形成放大的倒立實(shí)像A''B'',目鏡再將A''B'

11、9;放大成仍然倒立的虛像A"B".其位置正好在人眼的明視距離約250mm處.在顯微鏡中所觀察的就是這個(gè)虛像A"B".1 顯微鏡的放大倍數(shù)放大倍數(shù)由下式確定:式中:M顯微鏡總放大倍數(shù);M物物鏡的放大倍數(shù);M目目鏡的放大倍數(shù);f物物鏡的焦距;f目目鏡的焦距;L顯微鏡的光學(xué)鏡筒長(zhǎng)度;D明視距離250mm.由上式可知:f物 ,f目越短或L越長(zhǎng),則顯微鏡的放大倍數(shù)越大.2 物鏡的鑒別率物鏡的鑒別率是指物鏡能清晰分辨試樣兩點(diǎn)間最小距離的能力.物鏡鑒別率的數(shù)學(xué)公式為:式中:d物鏡的鑒別率;入射光源的波長(zhǎng);A物鏡的數(shù)值孔徑,它表示物鏡的聚光能力.由公式可知,波長(zhǎng)越短,數(shù)

12、值孔徑A越大,則鑒別能力就越高d越小,在顯微鏡中就能看到更細(xì)微的部分.數(shù)值孔徑A可由下列公式求出:式中:物鏡與物體之間介質(zhì)的折射率;物鏡孔徑角的一半,即通過(guò)物鏡邊緣的光線與物鏡軸線所成的角度.越大或物鏡孔徑角越大,則數(shù)值孔徑越大,由于總是小于90,所以在空氣介質(zhì)=1中使用時(shí),數(shù)值孔徑A一定小于1,這類物鏡稱干系物鏡.當(dāng)物鏡上面滴有松柏油介質(zhì)=1.52時(shí),A值最高可達(dá)1.4,這就是顯微鏡在高倍觀察時(shí)用的油浸系物鏡,每個(gè)物鏡都有一個(gè)設(shè)計(jì)額定的A值,刻在物鏡體上.3 顯微鏡的有效放大倍數(shù)由M=M目·M物知,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(lái)組合.如45倍的物鏡乘以10倍的目鏡或

13、者15倍的物鏡乘以30倍的目鏡都是450倍.對(duì)于同一放大倍數(shù),如何合理選用物鏡和目鏡呢 應(yīng)先選物鏡,一般原則是使顯微鏡的放大倍數(shù)在該物鏡數(shù)值孔徑的5001000倍,即這個(gè)范圍稱為顯微鏡的有效放大倍數(shù)范圍,若M1000A,則形成"虛偽放大",組織的細(xì)微部分將分辨不清.待物鏡選定后,再根據(jù)所需的放大倍數(shù)選用目鏡.4 景深:即垂直鑒別率,反映了顯微鏡對(duì)于高低不同的物體能清晰成像的能力.式中:M放大倍數(shù);R半孔徑角;波長(zhǎng);n介質(zhì)折射率.由式可知n,R越大,景深越小;物距增加,景深增加.在進(jìn)行斷口分析時(shí),為獲得清晰的斷口凹凸圖像,景深不能太小.5 透鏡的幾何缺陷單色光通過(guò)透鏡后,由于

14、透鏡表面呈球形,光線不能交于一點(diǎn),則使放大后的象模糊不清,此現(xiàn)象稱球面象差.多色光通過(guò)透鏡后,由于折射率不同,使光線不能交于一點(diǎn)也會(huì)造成模糊圖像,此現(xiàn)象稱色象差.減小球面象差的辦法:可通過(guò)制造物鏡時(shí)采用不同透鏡組合進(jìn)行校正;調(diào)整孔徑光欄,適當(dāng)控制入射光束等辦法降低球面象差.減小色象差辦法:可通過(guò)物鏡進(jìn)行校正或采用濾色片獲得單色光的辦法降低色象差.2. 顯微鏡的構(gòu)造圖1-2為不同型式的金相顯微鏡的基本構(gòu)造及光學(xué)行程.圖1-2 金相顯微鏡的基本構(gòu)造及光學(xué)行程金相顯微鏡分為臺(tái)式,立時(shí)及臥式三種類型,各種類型又有許多不同的型號(hào).雖然顯微鏡的型號(hào)很多,但基本構(gòu)造大致相同,現(xiàn)以XJB-1型金相顯微鏡為例介

15、紹顯微鏡的構(gòu)造.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.圖1-3 XJB-1型金相顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)1-燈泡;2-聚光透鏡組;3-聚光鏡;4-半反射鏡;5-輔助透鏡;6-物鏡組;7-試樣;8-反光鏡;9-孔徑光闌;10-視場(chǎng)光闌;11-輔助透鏡;12,13-棱鏡;14-物鏡XJB-1型顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)如圖1-3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聚集到孔徑光欄9,再經(jīng)過(guò)聚光鏡3聚集到物鏡的后焦面,最后通過(guò)物鏡平行照射到試樣7的表面上,從試樣反射回來(lái)的光線又經(jīng)過(guò)物鏡組6和輔助透鏡5,由半反射鏡4轉(zhuǎn)向,經(jīng)過(guò)輔助透鏡以及棱鏡造成一個(gè)被觀察物體的倒

16、立的放大實(shí)像,該像再經(jīng)過(guò)目鏡的放大,就成為在目鏡視場(chǎng)中能看到的放大影像.照明系統(tǒng):由電源220V經(jīng)變壓器68V使燈泡6-8V,15w發(fā)光作為光源.還有聚光鏡,孔徑光欄,視場(chǎng)光欄等裝置,組成顯微鏡的照明系統(tǒng).機(jī)械系統(tǒng)及其它各部件:調(diào)焦裝置:在顯微鏡體兩側(cè)有粗調(diào)和微調(diào)旋鈕.隨粗調(diào)旋鈕的傳動(dòng),支撐載物臺(tái)的彎臂作上下移動(dòng).微調(diào)旋鈕使其沿滑軌緩慢移動(dòng).載物臺(tái)試樣臺(tái):用于放置金相試樣.載物臺(tái)和下面托盤之間有導(dǎo)軌,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.孔徑光欄:它是用于控制入射光束的粗細(xì),以保證物像達(dá)到清晰的程度.視場(chǎng)光欄:它的作用是控制視場(chǎng)范圍,使目鏡中視場(chǎng)明亮而無(wú)

17、陰影.在刻有直紋的套圈上還有兩個(gè)調(diào)節(jié)螺釘,用來(lái)調(diào)整光欄中心.3. 顯微鏡的使用規(guī)程及注意事項(xiàng)金相顯微鏡是一貴重精密光學(xué)儀器,使用時(shí)要細(xì)心謹(jǐn)慎.使用前應(yīng)先了解顯微鏡的基本原理,構(gòu)造及各主要部件的位置和作用,然后再按照使用規(guī)程和應(yīng)注意事項(xiàng)進(jìn)行操作.1 顯微鏡的使用規(guī)程:先將顯微鏡的插頭插在低壓68V變壓器上,通過(guò)變壓器接通電源.根據(jù)放大倍數(shù)選用所需物鏡和目鏡,分別安裝在物鏡座及目鏡筒上.將試樣放在載物臺(tái)中心,并使觀察面朝向物鏡.用雙手旋轉(zhuǎn)粗調(diào)旋鈕,將載物臺(tái)降下,使樣品靠近物鏡,但不接觸.然后邊觀察目鏡邊用雙手旋轉(zhuǎn)粗調(diào)旋鈕,使載物臺(tái)慢慢上升,待看到組織時(shí),再旋轉(zhuǎn)微調(diào)旋鈕,直至圖像清晰為止.2 使用注

18、意事項(xiàng):操作時(shí)要細(xì)心,動(dòng)作要輕微.光學(xué)系統(tǒng)等重要部件不得自行拆卸.使用時(shí)如出現(xiàn)故障,應(yīng)及時(shí)報(bào)告指導(dǎo)教師進(jìn)行處理.顯微鏡各種鏡頭嚴(yán)禁用手指觸摸或用手帕等擦拭,擦拭鏡頭需用鏡頭紙.顯微鏡的燈炮電壓為68v,嚴(yán)禁直接插在220v的電源插座上.在旋轉(zhuǎn)聚焦旋鈕時(shí),動(dòng)作要慢,碰到阻礙時(shí)立即停止操作,并報(bào)告指導(dǎo)教師進(jìn)行處理.使用完畢,關(guān)閉電源,將顯微鏡恢復(fù)到使用前狀態(tài),經(jīng)指導(dǎo)老師檢查無(wú)誤后,方可離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室.金相顯微試樣的制備金相試樣的制備包括取樣,磨制,拋光和浸蝕等步驟.1.取樣試樣的選取應(yīng)根據(jù)被檢驗(yàn)材料或零件的特點(diǎn),取其有代表性的部位.例如研究零件的失效原因時(shí),應(yīng)在失效部位取樣,并在完好部位取樣,以便對(duì)比

19、分析.對(duì)于鑄造合金,考慮到組織的不均勻性,應(yīng)從表層到中心各個(gè)部位進(jìn)行選取.對(duì)于軋材,研究表層缺陷和夾雜物的分布時(shí)應(yīng)橫向取樣;研究夾雜物類型,形狀,變形程度,帶狀組織時(shí)應(yīng)縱向取樣.對(duì)一般熱處理后的零件,由于組織均勻,可任意取樣取樣時(shí)應(yīng)保證試樣觀察面不發(fā)生組織變化,軟材料取樣可用鋸,刨,車等方法,硬材料取樣可用砂輪切片機(jī)等方法,脆性材料可用錘擊等方法.試樣尺寸不宜過(guò)大或過(guò)小,一般以手拿方便即可,其形狀以便于觀察為宜.2.磨制1 粗磨:粗磨目的是為了獲得一個(gè)平整的表面,軟材料試樣可用銼刀銼平;鋼鐵材料可用砂輪機(jī)磨平.磨削時(shí)應(yīng)注意試樣對(duì)砂輪的壓力不宜過(guò)大,以免在試樣表面上形成較深的磨痕而增加細(xì)磨的困難

20、,磨削時(shí)應(yīng)不斷用水冷卻試樣,以免受熱引起組織變化,試樣邊緣要進(jìn)行倒角,以免在細(xì)磨和拋光時(shí)劃破砂紙和拋光絨布或造成試樣從拋光機(jī)上飛出傷人.2 細(xì)磨:細(xì)磨分手工磨光和機(jī)械磨光兩種.手工磨光是用手拿住試樣在金相砂紙上進(jìn)行.金相砂紙按粗細(xì)分為01,02,03,04,05號(hào)等.細(xì)磨時(shí)依次從01磨到05號(hào),鋼鐵材料一般磨到04號(hào)即可,軟材料如鋁,鎂等合金可磨到05號(hào)砂紙.細(xì)磨時(shí)必須注意:1 細(xì)磨時(shí)應(yīng)將砂紙放在光滑平整物體如玻璃板上,手指拿住試樣,并使磨面朝下,均勻用力由后向前推行磨削.在回程時(shí),提起試樣不與砂紙接觸,以保證磨面平整而不產(chǎn)生弧度.2 每換一號(hào)砂紙時(shí),應(yīng)將試樣轉(zhuǎn)90°再磨,使磨削方向與前道磨痕方向垂直,以便觀察前道磨痕是否全部消除.3 每更換一次砂紙之前,應(yīng)把試樣,玻璃和手洗凈,以免把粗砂粒帶到下一號(hào)細(xì)砂紙上去.另外,磨削軟材料時(shí),可在砂紙上涂一層潤(rùn)滑劑,如機(jī)油,甘油,肥皂水等,以免砂粒嵌入試樣磨面.機(jī)械磨光是在預(yù)磨機(jī)上進(jìn)行.預(yù)磨機(jī)是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤,轉(zhuǎn)盤分為蠟盤和砂紙盤兩種.蠟盤就是把混有金剛砂的熔化石蠟澆在轉(zhuǎn)盤上,待凝固車平后裝在預(yù)磨機(jī)上就可使用.做成不同粗細(xì)的金剛砂蠟盤,在生產(chǎn)檢驗(yàn)中被大量使用.砂紙盤是把水砂紙剪成圓形,用水