工程材料金屬熱處理及硬度和金相分析實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、-優(yōu)選.金屬熱處理及硬度和金相分析實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解熱處理設(shè)備及其操作過(guò)程2學(xué)會(huì)使用金相顯微鏡3學(xué)會(huì)使用硬度計(jì)4掌握金相試樣制備的根本操作方法，了解影響金相試樣檢驗(yàn)效果的主要因素5了解碳鋼的根本熱處理退火、正火、淬火工藝方法，觀察碳鋼熱處理后的顯微組織形態(tài)6了解熱處理工藝對(duì)碳鋼硬度的影響二、實(shí)驗(yàn)材料45# 鋼試件、水槽、油槽、火鉗、平板玻璃、金相砂紙、拋光劑、浸蝕劑等三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及使用方法1箱式電爐.1電爐 2控制器SX2-5-12 實(shí)物圖操作步驟如下：1翻開爐門，用火鉗將工件放入爐中，關(guān)好爐門。2按熱處理工藝要求設(shè)置好控制程序并加熱，具體操作方法詳見附件三。2拋光機(jī)1拋光盤 2電源開關(guān)P

2、G-2 實(shí)物圖操作步驟如下：1用滴管將拋光液參加拋光盤絨布上，旋轉(zhuǎn)電源開關(guān)至 ON 位置。-優(yōu)選.2手持工件將拋光面朝下 ,在拋光盤半徑一半處拋光，注意力度，不要讓試 件飛出。當(dāng)感到阻力大時(shí)就要添加拋光液。3拋光完畢，旋轉(zhuǎn)電源開關(guān)至 OFF 位置。3金相顯微鏡1微調(diào)手輪 2 粗調(diào)手輪 3物鏡 4目鏡 5載物臺(tái)XJ-16B 實(shí)物圖 4X1 實(shí)物圖操作步驟如下：1觀察所使用物鏡 3 和目鏡 4 的放大倍數(shù)，物鏡和目鏡的放大倍數(shù)刻在嵌 圈上，顯微鏡放大倍數(shù) M=M 物 M 目。2將試樣放在載物臺(tái) 5 上，使被觀察外表倒置在載物臺(tái)中間。3轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)手輪 2，待看到組織后，再轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)手輪 1，直到所觀察的

3、圖象 清晰為止。4硬度計(jì)-優(yōu)選.1操縱手柄 2變換載荷旋鈕 3 指示表 4壓頭 5支承臺(tái) 6手輪HR-150A 實(shí)物圖操作步驟如下：（1） 按下表選用壓頭和載荷，搖動(dòng)操縱手柄材料編號(hào) 洛氏硬 壓頭種類 載荷度符號(hào)1 和 2 HRB3 和 4 HRC直徑1.588 毫米鋼球金剛石圓錐壓頭Kgf N100 980150 14711 至卸荷位置。表盤上刻度顏色紅線黑線常用硬度值范圍25100 HB60 230)2067(HB230 700)2將試樣放在支承臺(tái) 5 上，使被測(cè)面向上。3順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)手輪 6 升起支承臺(tái)，使壓頭 4 壓入試樣。指示表 3 的指 針開場(chǎng)沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)， 直到短針指到紅點(diǎn)，

4、 長(zhǎng)針根本向上垂直位置， 左右偏移不超過(guò)五格此時(shí)表示壓頭已在 10kgf 98.1N 的預(yù)載荷下壓入試樣。4轉(zhuǎn)動(dòng)指示表的外環(huán)，使長(zhǎng)針對(duì)準(zhǔn)硬度值的起點(diǎn)。如試驗(yàn) HRB 硬度時(shí)，使長(zhǎng)針對(duì)準(zhǔn)紅色數(shù)字 30 即 B；試驗(yàn) HRC 時(shí)，使長(zhǎng)針對(duì)準(zhǔn)黑色字 C。 5搖動(dòng)手柄 1 至加荷位置，主載荷便通過(guò)杠桿加于壓頭上，使壓頭壓入試-優(yōu)選-優(yōu)選.樣，長(zhǎng)指針那么按逆時(shí)針方向回轉(zhuǎn)，直至指針停頓為止。 6 加荷后在試樣上保持載荷時(shí)間約 10 秒， 然后緩緩搖動(dòng)手柄 1 卸除主載荷在 2 3 秒鐘內(nèi)卸除完畢 ，而預(yù)載荷仍然作用在試樣上。此時(shí)長(zhǎng)指針 那么沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，靜止位置所指的數(shù)字即表示所測(cè)的洛氏硬度值，HRC

5、讀外圈黑刻度， HRB 讀內(nèi)圈紅刻度。7逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)手輪 6 卸除預(yù)載荷，取出試樣。8測(cè)量硬度時(shí)，在同一試樣須進(jìn)展三點(diǎn)以上試驗(yàn)。假設(shè)計(jì)算硬度時(shí)應(yīng)取平 均值，但第一點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果不應(yīng)取用。四、實(shí)驗(yàn)步驟1學(xué)生分組領(lǐng)取試件： 4 人一組，每組領(lǐng)取試件一套 (編號(hào) 1、 2、 3、 4 的 45 鋼試件各一件和不同型號(hào)金相砂紙一套。2根據(jù)材料編號(hào)所選定的熱處理工藝，進(jìn)展熱處理工藝操作。編號(hào) 1：完全退火，從室溫加熱到 830 C，保溫 35 分鐘，然后隨爐冷卻。編號(hào) 2：正火，從室溫加熱到 830 C，保溫 35 分鐘，然后在靜止的空氣中冷卻。編號(hào) 3：油淬，從室溫加熱到編號(hào) 4：水淬，從室溫加熱到3

6、制備金相試樣830 C，保溫 35 分鐘，然后放入油中冷卻。830 C，保溫 35 分鐘，然后放入水中冷卻。1磨制先把金相砂紙平整的放在玻璃板上，手緊握試樣并貼緊金相砂紙，輕壓 試樣并緩慢向前推，用力要均勻，一直磨到試樣只有一個(gè)方向的磨痕為止。 然后換更細(xì)一號(hào)的砂紙。更換后的磨制方向應(yīng)與前一號(hào)砂紙留下的磨痕相垂 直，以利于觀察粗磨痕的消除情況。同時(shí)，每更換砂紙后，應(yīng)用棉花把試樣外表擦凈，以免較粗砂粒帶到細(xì)砂紙上擦傷試樣的外表。-優(yōu)選.2拋光拋光前應(yīng)先把已經(jīng)磨制好的試樣用水清洗干凈，以免砂粒劃傷拋光面。 拋光時(shí)應(yīng)使試樣與拋光圓盤旋轉(zhuǎn)的線速度方向相垂直；拋光液要搖均勻并連續(xù)的加到拋光圓盤上去； 拋

7、光時(shí)要注意不要讓試樣飛出； 拋光時(shí)間約 25 分鐘，不要太長(zhǎng)。3浸蝕拋光后的試樣要用水清洗干凈， 并吹干。 把 4%的硝酸酒精溶液用滴管吸出并置于試樣外表，注意整個(gè)試樣外表均要被浸蝕并沒有氣泡，經(jīng)幾秒或幾十秒 根據(jù)材料和組織 后， 待試樣外表變灰時(shí)迅速用水清洗， 并立即吹干，再用毛巾擦去其它部位水跡。浸蝕的時(shí)間長(zhǎng)短必須掌握好。時(shí)間過(guò)短，組織不能完全顯示出來(lái)。時(shí)間 過(guò)長(zhǎng)，試樣外表灰黑，組織模糊不清，必須重新拋光再浸蝕。4使用金相顯微鏡觀察制備好的金相試樣，同組之間相互交換試樣進(jìn)展觀察，并畫出或拍下所觀察到的顯微組織。5使用硬度計(jì)測(cè)量試樣的硬度值。附錄一：實(shí)驗(yàn)原理及背景知識(shí)附錄二：硬度對(duì)照表附錄三

8、： SX2-5-12 箱式電爐操作方法附錄一-優(yōu)選.實(shí)驗(yàn)原理及背景知識(shí)一、鋼的熱處理熱處理是通過(guò)加熱、保溫、冷卻的三個(gè)過(guò)程，使鋼的內(nèi)部組織發(fā)生變化，以獲得所需要的鋼的性能的一種加工工藝。 常用的熱處理方法主要有退火、 正火、 淬火及回火等。實(shí)施熱處理操作時(shí)， 加熱溫度、 保溫時(shí)間和冷卻方式是最重要的三個(gè)根本工藝 因素，正確選擇這三個(gè)工藝因素是熱處理成功的根本保證。1加熱溫度的選擇（1） 退火：一般亞共析鋼加熱至 Ac3+ 3050 完全退火 ；共析鋼和 過(guò)共析鋼加熱至 Ac1+ 1020 球化退火 ，目的是得到球化組織、降你硬度、改善高碳鋼的切削性能，同時(shí)為最終熱處理作好組織準(zhǔn)備。（2） 正火

9、： 一般亞共析鋼加熱至 Ac3+ 3050 ； 過(guò)共析鋼加熱至 Acm+ 3050 ，即加熱到奧氏體單相區(qū)。（3） 淬火：一般亞共析鋼加熱至 Ac3+ 3050 ；共析鋼和過(guò)共析鋼加 熱至 Ac1+ 3050 。需要指出，不管在退火、正火及淬火時(shí)，均不能任意提高加熱溫度。溫度 過(guò)高晶粒容易長(zhǎng)大，而且增加氧化脫碳和變形的傾向。各種不同成分碳鋼的 臨界溫度列于表 1 中。表 1 各種碳鋼的臨界溫度近似值碳 素 結(jié) 構(gòu) 鋼 碳 素 工 具 鋼Ar3835835796760750721743-Ac1735732724724725727730730730730730Ar16806776806826906

10、95700700700700700203040455060T7T8T10T12T13.類別-優(yōu)選.臨界溫度鋼號(hào)Ac3 或 Acm855813790780760766770-800820830（4） 回火：鋼經(jīng)過(guò)正常淬火后，必須進(jìn)展及時(shí)回火。因?yàn)樵诖慊鹬屑崩鋾r(shí)產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力和淬火馬氏體本身較脆，不能直接使用。低溫回火，回火溫度在 120250 度，淬火組織中只有淬火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，其它組成物不發(fā)生變化，因此鋼的淬火硬度保持不變。中溫回火，回火溫度在 350500 度，淬火馬氏體和剩余奧氏體都分解為回火托氏體，因此鋼的硬度下降。高溫回火，回火溫度在 500650 度，稱為調(diào)質(zhì)處理，得到的是

11、回火索氏體，具有良好的綜合力學(xué)性能。.2保溫時(shí)間確實(shí)定淬火加熱時(shí)間實(shí)際上是將試樣加熱到淬火所需的時(shí)間及淬火溫度停留所需時(shí)間的總和。加熱時(shí)間與鋼的成分、工件的形狀尺寸、所用的加熱介質(zhì)、加熱方法等因素有關(guān)，一般按照經(jīng)歷公式加以估算，碳鋼在電爐中加熱時(shí)間列于表 2。表 2 碳鋼在箱式電爐中加熱時(shí)間確實(shí)定工件形狀加熱溫度7008009001000圓柱形分鐘/每毫米直徑1.51.00.80.4方形保溫時(shí)間分鐘/每毫米厚度2.21.51.20.6板形分鐘/每毫米厚度321.60.83冷卻速度經(jīng)正常加熱， 并用不同速度冷卻后， 鋼的性能就不同。 因?yàn)槔鋮s速度不同，所獲得的組織不同。常用的冷卻方法有空冷、爐冷

12、、油冷和水冷。冷卻速度依次為爐冷 空冷油冷水冷 .空冷獲得的組織為鐵素體和索氏體；油冷獲得的組織為屈氏體和極少量鐵素體；水冷即以大于臨界冷卻速度 ，獲得的組織為淬火馬氏體和極少量剩余奧氏體。馬氏體是碳在體心立方體中的過(guò)飽和固溶液， 它的硬度比其它組織的硬度-優(yōu)選-優(yōu)選.高，而且隨著過(guò)飽和程度的增加，其硬度也增高。鋼經(jīng)正常淬火后的硬度，開場(chǎng)隨含碳量的增加而增高，含碳量超過(guò) 0.6%以后硬度的增加逐漸減慢。二、金屬試樣的制備制備好的合格的金屬試樣應(yīng)該是：組織有代表性；無(wú)假像；外表無(wú)磨痕、麻點(diǎn) 或銹斑與水跡等。金屬試樣的制備主要包括取樣、研制光亮平整的鏡面和浸蝕等幾個(gè)步驟。1取樣截取金相試樣的部位必

13、須根據(jù)實(shí)驗(yàn)的目的， 能表征被檢測(cè)材料或零件的特點(diǎn)。如對(duì)事故進(jìn)展分析，應(yīng)在零件的破損部位截取，同時(shí)也應(yīng)該在遠(yuǎn)離破損 處截取一參考試樣，以便比擬。各種材料經(jīng)過(guò)的工藝過(guò)程或處理情況不同，截取試樣的部位也應(yīng)隨機(jī)變化。金屬試樣的大小， 較適宜的尺寸是直徑為 體或邊長(zhǎng)為 12cm 的正方體。2研制成平整光亮的鏡面為了使試樣的觀察外表呈平整光亮的鏡面，1015cm、 高 1215cm 的圓柱可采用磨制和拋光來(lái)獲得。 光亮的鏡面在金相顯微鏡下觀察，只能看到一片白亮，也可觀察到材料內(nèi)部的某些雜質(zhì)，一般看不到組織形貌。3浸蝕要觀察到金屬和合金的組織，必須采用適當(dāng)?shù)慕g劑對(duì)金屬外表進(jìn)展“浸蝕才能使顯微組織真實(shí)地、充

14、分地、細(xì)致地顯示出來(lái)。常用的是化學(xué)浸蝕-優(yōu)選.法。化學(xué)浸蝕法主要是利用浸蝕劑對(duì)試樣外表的化學(xué)與電化學(xué)作用來(lái)浸蝕試 樣的外表。這是由于金屬材料各處的化學(xué)成分和組織不同，它們的原子排列 情況和電極電位不同，所以腐蝕的性能也不同，造成浸蝕時(shí)各處的腐蝕速度 不一樣，使試樣外表上呈現(xiàn)出微觀的凹凸不平，在垂直光線的照射下，使光 的反射程度不一樣，從而在顯微鏡下觀察到試樣的外表亮暗程度不同，依此來(lái)鑒別材料內(nèi)部的組織。在單相合金中， 由于晶界上原子排列的不規(guī)那么， 具有較高的能量， 所以晶界較易浸蝕，而成凹溝，故在金相顯微鏡下看到黑色的晶界。對(duì)于兩相或兩相以上合金，具有負(fù)或低電位的相被浸蝕而形成凹洼，具有正或

15、高電位的相不受浸蝕。因此在金相顯微鏡下能區(qū)分不同的組織 和組成相。例如共析鋼平衡狀態(tài)下的珠光體組織是鐵素體基體上分布著層片 狀的滲碳體。鐵素體具有負(fù)電位，滲碳體具有正電位，因而在正常浸蝕條件 下，鐵素體被腐蝕而凹下，滲碳體卻沒有被腐蝕。因此在高倍金相顯微鏡下 觀察到滲碳體四周有一圈暗線，顯示出存在兩相。三、金相顯微鏡工作原理金相顯微鏡是用于鑒別和分析各種金屬內(nèi)部的構(gòu)造組織， 為金屬物理學(xué)研究金 相的重要工具。凡鑄造、冶煉、熱處理的質(zhì)量研究，原材料的檢驗(yàn)或材料處理后的 分析等均可使用。儀器的光路系統(tǒng)見圖一所示， 燈源 1 的燈絲經(jīng)集光鏡 2 與反光鏡 3 成像孔徑光 闌 4 上，接著由照明輔助透

16、鏡 5、 7，輔助物鏡 9 成像在物鏡 10 的后焦面附近，然.后經(jīng)物鏡以近于平行的光束照明試樣， 裝飾圈 6 位于照明輔助透鏡 7 的焦面上， 經(jīng)輔助物鏡 9 和物鏡 10 成象在試樣面 11 上。試樣 11 經(jīng)物鏡 10 和輔助物鏡 9 以平行光束射向半透反光鏡 8，然后，由輔助物鏡 12，棱鏡 13，雙筒棱鏡組 14，成象在目鏡 15 的前焦面上，最后以平行光束射向人眼供觀察。1.燈源反光鏡編號(hào)-優(yōu)選2.集光鏡 3.反光鏡 4.孔徑光闌9、 12.輔助透鏡 10.物鏡 11.試樣5、7 照明輔助透鏡 6. 裝飾圈 13.棱鏡 14.雙筒棱鏡組8.半透15.目鏡圖 1 光學(xué)原理圖表 3 4

17、5 鋼經(jīng)不同熱處理后的顯微組織熱處理工藝 顯微組織特征 放大倍數(shù).1234退火： 860爐冷正火： 860空冷淬火： 860油冷860水冷珠光體+鐵素體呈亮白色塊狀細(xì)珠光體 +鐵素體塊狀細(xì)針馬氏體 +屈氏體暗黑色塊狀細(xì)針馬氏體 + 剩余奧氏體亮白色.400500500500四、洛氏硬度試驗(yàn)的根本原理洛氏硬度試驗(yàn)原理如圖 3 所示。 先施加一個(gè)預(yù)載荷， 然后在規(guī)定的主載荷作用下將壓頭壓入被測(cè)材料的外表。 洛氏硬度試驗(yàn)所用壓頭有兩種： 一種是頂角為 120的金剛石圓錐，另一種是直徑為 (1.588mm)1/16 或 1/8 (3.176mm) 的淬火鋼球。 根據(jù)金屬材料軟硬程度不一， 可選用不同的

18、壓頭和載荷配合使用， 最常用的是 HRA、 HRB 和 HRC。圖 3 洛氏試驗(yàn)原理圖洛氏硬度計(jì)算公式：HR=K-(h3-h1)/0.002式中:h1：為預(yù)加載荷壓入試樣的深度 mm。h3：為卸除主載荷后壓入試樣的深度 mm)。k：為常數(shù) 120 金剛石圓錐 HRA、 HRCk=0.2；鋼球時(shí) HRB k=0.26 -優(yōu)選-優(yōu)選.附錄二45# 鋼的硬度參考值：退火硬度 197HB正火硬度 226HB淬火硬度 5560HRC硬度對(duì)照表參考 ：HRA56.856.560.278.481.0洛氏硬度HRB97.096.5100.0/HRC13.513.020.055.060.0布氏硬度HB 10/3

19、000198196225538/-優(yōu)選-優(yōu)選.附錄三SX2-5-12 箱式電爐操作方法程序控制1、 順時(shí)針旋動(dòng)控制器面板下部的電源開關(guān)“ Power ，翻開電源，散熱風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，儀表上電自 檢后處于待機(jī)狀態(tài)。.2、 按 鍵，直到頂端的 顯示欄顯示“FIX，表示“定值控制；按顯示欄顯示“ FIX， 顯示欄顯示“ON 或“OFF。按 、OFF 之間切換，當(dāng) 顯示欄顯示“OFF時(shí)，表示定值控制關(guān)閉，此時(shí)按3、 按 鍵，直到頂端的 顯示欄顯示“PROG，表示“程序控制。.鍵，頂端的鍵可在 ON、鍵確認(rèn)。4、 按 鍵， 直到頂端的 顯示欄顯示“PV_S， 此時(shí) 顯示欄無(wú)數(shù)據(jù)顯示，顯示欄顯示“ON 或“OF

20、F。按 、 鍵可在 ON、 OFF 之間切換，當(dāng) 顯示欄顯示“ON 時(shí)，表示程序控制翻開，此時(shí)按 鍵確認(rèn)。5、 按 鍵， 顯示欄顯示“1，表示加熱的第 1 階段。此時(shí) 顯示欄顯示“SV，顯示欄的顯示值為溫度設(shè)定值，按 、 鍵調(diào)整到所需的溫度設(shè)定值，如“ 300oC，按 鍵確認(rèn)。6、 按 鍵，當(dāng) 顯示欄顯示“tim 時(shí)， 顯示欄為升溫或降溫時(shí)間，按 、鍵調(diào)整到所需的時(shí)間設(shè)定值，如“ 01.30，表示 1 小時(shí) 30 分鐘。按 鍵確認(rèn)。7、 按 鍵， 顯示欄顯示“2，表示加熱的第 2 階段。如果要保溫，在 顯示欄顯示“SV的情況下， 按 、 鍵調(diào)整所需的溫度設(shè)定值到上一階段的終點(diǎn)值， 如 00oC，按 鍵確認(rèn)。8、 按按鍵，按照第 6 步操作的方法，調(diào)整保溫時(shí)間，如“ 01.30 ，表示 1 小時(shí) 30 分鐘，鍵確認(rèn)。9、 以后的加熱階段依次類推，共可設(shè)置 10 個(gè)階段。10、 按 鍵，直到頂端的 顯示欄顯示溫度值，如“ 25oC，此時(shí) 顯示欄顯