材料工程基礎(chǔ)實驗

1、昆明理工大學(xué)1=金屬材料工程基礎(chǔ)實驗指導(dǎo)書材冶學(xué)院實驗中心材料與冶金工程學(xué)院2006年7月實驗一鋼的熱處理及性能、實驗?zāi)康模?、了解熱處理設(shè)備結(jié)構(gòu)組成，掌握熱處理的基本操作方法。2、建立熱處理工藝與鋼的成分、組織及性能之間的關(guān)系。、實驗內(nèi)容：（一）、熱處理設(shè)備在實驗室中由教師針對設(shè)備進行介紹及講解。（二）、熱處理工藝參數(shù)的選擇：熱處理工藝參數(shù)包括：加熱溫度、加熱時間和冷卻方式等。各種鋼的加熱溫度，都是根據(jù)鋼的臨界點AC1、AC3、ACCm、來確定的。碳鋼及低合金鋼的加 熱經(jīng)驗公式如表21。其加熱時間通常根據(jù)零件的有效厚度來計算，但應(yīng)考慮裝爐量及裝爐 方式加以修正，其經(jīng)驗公式及數(shù)據(jù)如表22。表2

2、1加熱溫度的經(jīng)驗公式熱處理工藝亞共析鋼共析、鋼過共析鋼退火加熱溫度（C）Ac3+ (2050)Ac1+ (2050)正火加熱溫度（C）AC3+ (50150)Accm+ (3050)淬火加熱溫度（C）AC3+ (3070)AC1+ (3070)表22加熱時間經(jīng)驗公式熱處理 工藝加熱時間公式（min）加熱設(shè)備加熱系數(shù)K （min/mm）畚注碳素鋼低合金鋼退火T =KD箱式爐1.52T :加熱時間（min） K:加熱系數(shù)（min / mm）D：零件有效厚度（mm）正火T =KD箱式爐11.2鹽浴爐0.20.40.20.4淬火T =KD箱式爐11.21.5鹽浴爐0.20.40.4冷卻方式則根據(jù)零件的

3、材料、性能要求及熱處理的工藝不同而異。（三）、熱處理后的組織結(jié)構(gòu)類型：1、珠光體：珠光體是鐵素體和滲碳體的機械混合物，因熱處理工藝不同，珠光體中的滲碳體具有不同的 形態(tài)。（1）、若熱處理工藝為普通的退火或正火時，其顯微組織為片層狀，稱為片壯珠光體。由于 普通的退火或正火的冷卻速度不同，因而珠光體的片間距離也不同，正火的冷卻速度大于退 火的冷卻速度，因此正火后得到的組織比普通退火的細小，這些組織可能是索氏體或屈氏體。 根據(jù)片間距不同，珠光體類型的組織的性能也不同：a、珠光體（P）：片間距離 00.4p m,硬度為HB180左右它在光學(xué)顯微鏡下放大500倍下， 可清晰地看出片層狀情況.b、索氏體（

4、S）:片間距離 0=0.20.4p m，硬度為HB250左右，放大10001500倍時才能 分辨出其片層狀的特征。c、屈氏體（T）：片間距離 0V0.2p m，硬度為HB350400左右，它需在電子顯微鏡下放 大5000倍以上才能分辨出片層狀的特點。（2）、馬氏體：馬氏體是碳在a Fe中的過飽和固溶體。當(dāng)鋼的碳含量較低時，淬火后所得的是一束束尺寸 大體相同的平行條狀馬氏體，稱為板條馬氏體，又叫低碳馬氏體。若含碳量較高時，淬火后 得到的是針狀馬氏體，又叫高碳馬氏體。低碳馬氏體具有足夠的硬度、強度和高的塑性、韌性。高碳馬氏體硬度高，脆性大，塑性和 韌性差。（3）、殘余奧氏體：、殘余奧氏體是鋼在淬火

5、過程中殘留下來的未轉(zhuǎn)變的過冷奧氏體，它與一般奧氏體在本質(zhì)上 無任何區(qū)別，它同樣是碳在Y -Fe中的固溶體，其含碳量的多少與鋼的含碳量及熱處理工藝 有關(guān)。4、淬火鋼回火后的組織：淬火鋼經(jīng)不同溫度回火得到不同轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。（1）、回火馬氏體：淬火鋼在低溫（150250C ）回火后的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。因為馬氏體析出碳化物，馬氏體的碳濃度 降低，正方度減小?；鼗瘃R氏體比淬火馬氏體更容易腐蝕，故在顯微鏡下呈現(xiàn)暗黑色。回火 馬氏體硬而耐磨，強度高而韌性差。（2）、回火屈氏體：淬火鋼在中溫回火（350500C ）回火后的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。其組織狀態(tài)為極細的滲碳體和鐵素體 的機械混合物，但還保持了馬氏體的方向性?；鼗鹎象w的屈強

6、比6 s/6 b）高，彈性好。（3）、回火索氏體：淬火鋼在高溫（550650C ）回火的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。其組織狀態(tài)為粒狀滲碳體和鐵素體的機械混 合物，由于。相已進行了再結(jié)晶，因而無馬氏體的方向性。回火索氏體具有較高的綜合機械 性能。淬火加高溫回火的操作又稱調(diào)質(zhì)。熱處理后的組織及性能之間的關(guān)系是：奧氏體化后，隨著冷卻速度的增大，所得組織的硬度、 強度提高而塑性、韌性降低。淬火回火時，隨著回火溫度的升高，硬度和強度逐漸降低，而塑性、韌性逐步提高。三、實驗步驟：1、首先按照處理工藝規(guī)范進行退火、正火、淬火、回火（高、中、低）處理，每個人完成 其中的一項處理工藝過程。2、處理后測定每個試樣的硬度值，記入表8

7、3；四、實驗報告要求：1、實驗原始數(shù)據(jù)表（按表83的形式）。2、比較分析各種熱處理工藝條件下的試樣組織特征。3、分析珠光體型的索氏體、屈氏體與索氏體、回火屈氏體的組織、性能上有什么不同，它 們在什么條件下獲得的。材料名稱；45#、T12表83編號熱處理工藝參數(shù)浸蝕劑放大倍數(shù)硬度（HRC）45#退火：T1245#正火：T1245#水淬：T1245#水淬后200C低溫回火：T1245#水淬后400C中溫回火：45#水淬后600C高溫回火實驗二、鋁硅合金熔鑄及組織分析一、實驗?zāi)康模?、了解及學(xué)習(xí)合金的熔鑄全過程；2、掌握鋁硅合金的變質(zhì)處理；3、學(xué)會分析鋁硅合金變質(zhì)前后顯微組織特征及性能；二、實驗說明

8、：在鑄造合金中，以Ai-Si共晶為基的合金是最常用的，這主要是因為鑄造性能好，硅在結(jié)晶時象 石墨一樣體積是膨脹的，收縮小，降低了鑄件的熱裂傾向，此外線膨脹系數(shù)很低，導(dǎo)熱性好， 廣泛用于制造內(nèi)燃機和壓縮機的活塞。并且經(jīng)過變質(zhì)處理以后，可以提高強度和韌性。三、實驗內(nèi)容：鋁硅合金是應(yīng)用最廣泛的一種鑄造合金，常稱為硅鋁明，典型牌號為ZL102、含硅1113%，從 Ai-Si合金相圖可知，其成分在共晶點附近，而具有良好的鑄造性能。當(dāng)硅含量大于共晶成分時， 鑄造后得到的組織為粗大的針狀硅和a固溶體所組成的共晶體及少量呈多面體的初生硅晶體組 成。粗大的硅晶體極脆，而嚴重地降低了合金的塑性，為了改善合金的性能

9、，可采用變質(zhì)處理。 即再澆注前加入占合金總量23%變質(zhì)劑（常用的變質(zhì)劑為2/3NaF+1 / 3NC1的混合物）。由于 鈉能促進硅的形核，并能吸附在硅的周圍阻礙硅晶體的張大，使合金組織細化。同時使合金的共 晶點右移，而使原成分合金變?yōu)閬喒簿?，使變質(zhì)后的合金組織成為初生a固溶體和細蜜共晶體（a +。Si）組成。由于共晶體中硅的細化，而使合金的強度與塑性顯著改變。四、實驗程序；加入金屬硅1、配料f熔化金屬鋁一700750Cf待硅熔化后進行攪拌一靜置5分鐘后一進行澆注。加入金屬硅 加入變質(zhì)劑2、配料一熔化金屬鋁一700750Cf待硅熔化后一進行攪拌一靜置5分鐘后一進行澆注。3、磨制金相試樣，觀察及分

10、析金相組織；（1）、未經(jīng)變質(zhì)處理的組織：粗大的針狀硅和3固溶體所組成的共晶體及少量呈多面體的初 生硅晶體。即（a +Si針狀）共晶體+Si塊。（2）、經(jīng)變質(zhì)處理的組織：初生。固溶體和細蜜共晶體，即a + （a +Si點狀）共晶體（3）分別測定變質(zhì)前后兩種合金的布氏硬度值。五、實驗任務(wù)與要求：1、說明合金實驗方案及成分設(shè)計的要求。2、繪出鋁硅合金變質(zhì)前后的金相組織。繪在一個直徑30mm的圓內(nèi)并注明材料、狀態(tài)、組織、 放大倍數(shù)、浸蝕劑。3、測定變質(zhì)前后的試樣的硬度，分析組織及性能之間的關(guān)系。實驗三、表面處理及組織觀察分析（一）、鋼鐵工件上電沉積鋅一、實驗?zāi)康模?、掌握電鍍前工件的預(yù)處理過程及對鍍層

11、質(zhì)量的影響2、掌握陰極電流密度對鍍層質(zhì)量的影響規(guī)律3、了解電鍍液中各成分的作用4、了解電鍍工藝條件對鍍層質(zhì)量的影響二、實驗內(nèi)容簡介電鍍是在整流電作用下，以工件為陰極，使電解液中的金屬離子還原并沉積到工件表面，形 成具有一定性能的金屬鍍層的過程。其目的和意義主要是改善材料的外觀，提高材料的各種物理 化學(xué)性能，賦予材料表面特殊的耐蝕性、耐磨性、焊接性、裝飾性及各種電、磁、光學(xué)等性能， 在工業(yè)中的應(yīng)用較為廣泛。鋅鍍層是一種銀白色的鍍層，在干燥大氣中性質(zhì)穩(wěn)定，其標準電極電位低于Fe。在一般的腐 蝕介質(zhì)中均可為陽極鍍層，對基體有電化學(xué)保護作用和機械保護作用，其工藝成熟、操作簡單。 在電鍍生產(chǎn)中，電鍍Zn

12、占總產(chǎn)量的60%以上，因此本實驗以電鍍Zn為例，幫助我們進一步了解 電鍍過程及各工藝參數(shù)的影響。1、電鍍原理當(dāng)整流電通過兩電極及兩極間含金屬離子的電解液時，金屬離子在陰極上還原沉積成鍍層， 而陽極氧化將金屬轉(zhuǎn)移為離子。M （陽極）-Ze f MZ+MZ+ （陽極表面）+Ze f M （金屬鍍層）實際上，金屬的沉積過程要比上述電化學(xué)反應(yīng)式所表達的要復(fù)雜得多，要實現(xiàn)金屬離子在陰 極上的還原，必須使還原電位小于其平衡電位，產(chǎn)生陰極極化。在這個條件下，金屬離子沉積為 金屬鍍層要經(jīng)過以下四個步驟：傳質(zhì)步驟、前置化學(xué)步驟、電荷轉(zhuǎn)移步驟、結(jié)晶步驟。2、電鍍層的基本要求不同的金屬鍍層具有不同的物質(zhì)，甚至同一種

13、鍍層因應(yīng)用場合的不同，對它的要求也有差異， 但是通過電鍍形成的金屬鍍層，不管品種和性質(zhì)如何，人們對它都有一些共同的要求。（1）鍍層與基體間有良好的結(jié)合力，不允許出現(xiàn)鍍層起鼓、爆皮、脫落等現(xiàn)象。（2）鍍層應(yīng)結(jié)構(gòu)致密，表面光滑平整，有的甚至要求具有一定的光亮度。（3）工件不同部位，厚度要均勻，或在基體表面各部位鍍層厚度的差異盡可能地小。除此之外，還應(yīng)結(jié)合工件的實際服役現(xiàn)狀，對鍍層有一些特別而具體的要求，如硬度、耐蝕 性、色彩等。3、電鍍過程及步驟（1）電鍍前工件預(yù)處理為了得到健全、致密、結(jié)合力良好的鍍層，電鍍前需對工件進行一些前處理工作。常分為以 下幾個步驟：a、工件表面整平用機械方法（如磨光、拋

14、光、滾光、刷光、噴砂等）使工件表面達到規(guī)定的光滑程度，其機 理主要是使磨料與工件表面充分摩擦、碰撞、除去表面的劃痕、澆口、毛刺、氧化皮、焊縫等宏 觀缺陷。b、除油（脫脂）除油是電鍍前處理的一項重要工序，若除油不徹底就會影響鍍層與基體金屬的結(jié)合力或使鍍 層發(fā)花。用有機溶劑（如四氯化碳、汽油、丙酮等）堿液等，采用化學(xué)法、電化學(xué)法、超聲波振動清 洗以除去工件表面的汗?jié)n、油污等。隨著工業(yè)的發(fā)展，工件在加工和使用過程中所用的潤滑油類 別也發(fā)生著變化，往往是兩類油脂均有應(yīng)用，因而除油過程往往是幾種方式結(jié)合起來使用，效果 較好。常用堿液脫脂配方鬼/1）和工藝條件（黑色金屬適用）:NaOHNa2CO3Na3P

15、O412H2ONa2SiO3YC除油添加劑溫度（C）配方1：501002535253510158095配方2：40602535253510 156080c、酸洗：酸洗是鍍前處理的重要工序，良好的酸洗工藝是鍍層與基體金屬結(jié)合力的重要保證，其目的 是去除工件上的氧化物、銹蝕等，露出金屬晶格，為了避免出現(xiàn)“過腐蝕”和“滲氫”，常在酸 洗液中加入一些添加劑（如緩蝕劑、表面活性劑等），起除油、抑霧、緩蝕等作用。鋼鐵工件常 用酸洗液的配方及工藝條件：HCL（d=1.18g/cm3）烏洛托品（六次甲基四胺）時間（min） 溫度（C）150400g/L5g/L151035緩蝕劑多為含氮或硫原子的有機物，緩蝕劑

16、的作用機理被認為：緩蝕劑本身帶電荷，與銹及 氧化皮的吸附力很差，不能形成保護膜。故不斷被溶解下去。緩蝕劑易于吸附在基體金屬上并形 成分子膜保護金屬，同時增加了氫的超電壓，阻止了酸的作用以達緩蝕目的。d、中和與水洗中和指用堿中和工件經(jīng)化學(xué)去銹，水洗后殘留在其上的酸液。雖經(jīng)過水洗，但在工件表面， 尤其是焊縫、小孔、深孔等部位仍殘留酸液，很易再次腐蝕工件，故需中和處理，常用中和處理 工藝為：Na2CO3PH溫度（0C）時間（min）2050g/191140600.51中和后再以水洗干凈工件上的余堿，之后工件立即轉(zhuǎn)入電鍍槽。工件經(jīng)上述磨光、拋光、去油、去銹、去舊涂膜等預(yù)處理工序后，要求其達到規(guī)定的潔凈

17、程 度（清潔度），清潔度的高低是衡量表面預(yù)處理質(zhì)量好壞的指標，但迄今為止還沒有一種簡單而 靈敏的檢測方法，加上表面處理各行業(yè)對表面清潔度的要求也不完全相同，各行業(yè)均根據(jù)自己的 要求和條件選用不同的方法來檢測清潔度。本實驗采用掛水實驗法：將被檢測工件放入水中，然 后提取，或往表面上澆水，使水覆蓋表面，觀察掛水后水膜被油膜間斷的狀態(tài)。（2）電鍍a、電鍍液的配制電鍍鋅的鋅液種類多，大類可分為氰化物鍍鋅、堿性鋅酸鹽鍍鋅、氯化物鍍鋅、硫酸鹽鍍鋅 及焦磷酸鹽鍍鋅等。本實驗采用的電鍍液為鋅酸鹽鍍液，配方如下：ZnO g/1NaOHDEP-m (mlL-i)ZB-80(mlL-i)DE-81(mlL-i)KR

18、-7ZB-94配方18121001204624配方281210012046配方381210012068配方4812100120451.5配制方法：將計算量的NaOH用兩倍量的自來水溶解，加水后必須進行攪拌，不能讓NaOH 結(jié)于槽底，溶解時放熱，乘熱將事先用少量冷水調(diào)成糊狀的氧化鋅加入，不斷攪拌，直至溶液由 乳白色轉(zhuǎn)換為黑棕色，此時ZnO已成鋅酸鈉絡(luò)鹽，然后加水至規(guī)定體積，最后加入光亮添加劑等。這里ZnO為主鹽，NaOH起導(dǎo)電和對鋅離子起絡(luò)合作用，同時還是陽極活化劑，其余為添加 劑，未加添加劑的鍍層只能是海棉狀的。b、電鍍規(guī)范：溫度：溫度升高，電極反應(yīng)速度增大，電流密度增大；陰極極化作用下降，晶

19、粒組織粗大。但 溫度升高，可允許較大的陰極電流密度上限，抵消陰極極化作用的降低，并可使陰極電 流效率上升，改善鍍層韌性及減少吸氫量，本實驗在室溫下進行。I陰：I陰增大，可增大陰極極化作用，使晶粒細小，但電流過大可使局部表面燒焦；I陰過小，鍍層晶粒粗化，甚至得不到鍍層。應(yīng)有一適宜的I陰，對配方1，I陰（A-dm-3為0.54, 配方2為12.5，配方3和配方4為14。攪拌：攪拌使鍍液成分均勻，有利于溶液中離子的擴散，降低陰極極化作用，使晶粒粗大。但 攪拌允許提高電流密度，抵消降低濃差極化的作用，提高生產(chǎn)率。本實驗用玻璃棒進行 一定程度的攪拌。眼不良鋅鍍層的退除可通過稀H2SO4或HCL退除，如不是因鍍液中雜質(zhì)造成返工，可把鍍鋅后的工件置于鋅酸鹽 中作陽極電解退去，這樣不至造成Zn的浪費，即使使用酸來退除，也應(yīng)回收ZnSO4、ZnCl20對 于厚度沒達到而無其他缺陷的鍍層，則不必將