材料科學課程設計實驗報告

第第頁材料科學與工程基礎實驗課設報告學生姓名：學生學號：指導教師：報告日期：目錄TOC\o"1-3"\h\u一、綜述 51.1組織綜述 51.1.1馬氏體組織綜述 51.1.2索氏體組織綜述 51.1.3屈氏體組織綜述 51.2材料綜述 61.2.120號鋼綜述 61.2.245號鋼綜述 61.2.3T8鋼綜述 8二、實驗過程 92.1熱處理原理簡介 92.1.1鋼的淬火 92.1.2鋼的回火 92.2實驗器材 102.3金相試樣加工方法、過程 102.3.1取樣 102.3.2磨光 102.3.3拋光 112.3.4金相試樣的化學腐蝕 112.4熱處理加工方法、過程 112.4.120號鋼熱處理 112.4.245號鋼熱處理 112.4.3T8號鋼熱處理 122.5硬度測試方法、過程 12三、實驗結果 123.1熱處理加工結果 123.1.120號鋼 123.1.245號鋼熱處理結果 133.1.3T8鋼熱處理結果 133.2硬度測試結果 133.2.120號鋼硬度測試結果 133.2.245號鋼硬度測試結果 13四、實驗結果分析 144.1組織結果分析 144.1.120號鋼金相組織分析 144.1.245號鋼金相組織分析 154.1.3T8號鋼金相組織分析 164.2顯微圖像分析 174.3硬度和組織橫向、縱向比較 17五、結論 18六、參考文獻： 18綜述1.1組織綜述1.1.1馬氏體組織綜述馬氏體是黑色金屬材料的一種組織名稱。馬氏體（M）是碳在α-Fe的過飽和的固溶體，是靠無擴散的奧氏體切變方式在鋼中形成的相，是淬火鋼的基本組織[1]。其比容大于奧氏體、珠光體等組織，這是產生淬火應力，導致變形開裂的主要原因。馬氏體是將鋼加熱到一定溫度（形成奧氏體）后經迅速冷卻（淬火），得到的能使鋼變硬、增強的一種淬火組織。馬氏體通常有片狀、板條狀，但金相觀察中通常表現為針狀。高的強度和硬度是馬氏體的主要特征之一，通常低碳馬氏體具有良好的強度和一定的韌性，高碳馬氏體強度高、韌性大[2]?；鼗瘃R氏體一般是淬火鋼經低溫回火（150～250℃）所得組織。有成分不均勻的過飽和的a-固溶體與高度彌散分布的碳化物FeXC所組成，基本上保持了淬火鋼的高硬度和高耐磨性的前提下，降低其淬火內應力和脆性，以免使用時崩裂或過早損壞。它主要用于各種高碳的切削刃具、量具、冷沖模具、滾動軸承以及滲碳件等。低溫回火后的工件硬度一般在60HRC以上。1.1.2索氏體組織綜述索氏體是鋼經正火或等溫轉變所得到的鐵素體與滲碳體的機械混合物，索氏體組織屬于珠光體類型的組織，但其組織比珠光體組織細，索氏體具有良好的綜合機械性能[1]?；鼗鹚魇象w由淬火鋼高溫回火（500～650℃）所得組織，是較細小的鐵素體與球狀滲碳體的混合物。具有良好的機械性能，硬度一般在28～33HRC.習慣上將淬火鋼加高溫回火相結合的熱處理工藝稱為調質，其目的是獲得強度，硬度、塑性和韌性都較好的綜合機械性能。因此，廣泛用于汽車，拖拉機，機床等的重要結構零件，如連桿，螺栓，齒輪及軸類?；鼗鸷笥捕纫话銥镠B200～330[3]。1.1.3屈氏體組織綜述屈氏體是通過奧氏體等溫轉變所得到的由鐵素體與滲碳體組成的極彌散的混合物。是一種最細的珠光體類型組織，其組織比索氏體組織還細[1]?；鼗鹎象w淬火鋼經中溫回火(350～500℃)所得組織，是極細小的鐵素體與球狀滲碳體的混合物。其目的是獲得高的屈服強度，彈性極限和較高的韌性。因此，它主要用于各種彈簧和熱作模具的處理，回火后硬度一般為HRC35－50[3]。1.2材料綜述1.2.120號鋼綜述20號鋼，含碳量為0.2%，該鋼屬于優(yōu)質低碳碳素鋼、冷擠壓、深碳淬硬鋼。該鋼強度低，韌性、塑性和焊接性均好?？估瓘姸葹?53～500MPa，伸長率≥25%。密度是7.85，無沖擊韌度[3]。應用：冷變形塑性高，一般供彎曲、壓延用，為了獲得好的深沖壓延性能，板材應正火或高溫回火；用于不經受很大應力而要求很大韌性的機械零件，如軸套、螺釘、杠桿軸、變速箱變速叉、齒輪、重型機械拉桿、鉤環(huán)等，還可用于表面硬度高而心部強度要求不大的滲碳于氰化零件。20號鋼的化學成分如表所示CSiMnPSNiCrCu0.17~0.230.17~0.370.35~0.65≤0.035≤0.035≤0.30≤0.25≤0.25表20號鋼的力學性能如表所示抗拉強度σb(MPa)屈服強度σs(MPa)伸長率δ（5％)斷面收縮率ψ(％)硬度≥410≥245≥25≥55≤156HB表1.2.245號鋼綜述45號鋼為優(yōu)質碳素結構用鋼，硬度不高易切削加工，模具中常用來做模板、梢子、導柱等，但須熱處理。45號鋼廣泛用于機械制造，這種鋼的機械性能很好。但是這是一種中碳鋼，淬火性能并不好，45號鋼可以淬硬至HRC42~46。所以如果需要表面硬度，又希望發(fā)揮45號鋼優(yōu)越的機械性能，常將45號鋼表面滲碳淬火，這樣就能得到需要的表面硬度。45號鋼淬火后沒有回火之前，硬度大于HRC55（最高可達HRC62）為合格。實際應用的最高硬度為HRC55（高頻淬火HRC58）。45號鋼不要采用滲碳淬火的熱處理工藝。調質處理后零件具有良好的綜合機械性能，廣泛應用于各種重要的結構零件，特別是那些在交變負荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等。但表面硬度較低，不耐磨?？捎谜{質＋表面淬火提高零件表面硬度。滲碳處理一般用于表面耐磨、芯部耐沖擊的重載零件，其耐磨性比調質＋表面淬火高。其表面含碳量0.8~1.2％，芯部一般在0.1~0.25％（特殊情況下采用0.35％）。經熱處理后，表面可以獲得很高的硬度（HRC58~62），芯部硬度低，耐沖擊。如果用45鋼滲碳，淬火后芯部會出現硬脆的馬氏體，失去滲碳處理的優(yōu)點。現在采用滲碳工藝的材料，含碳量都不高，到0.30％芯部強度已經可以達到很高，應用上不多見。0.35％從來沒見過實例，只在教科書里有介紹?？梢圆捎谜{質＋高頻表面淬火的工藝，耐磨性較滲碳略差。GB/T699-1999標準規(guī)定的45鋼推薦熱處理制度為850℃正火、600℃回火，達到的性能為屈服強度≥355MPa。GB/T699-1999標準規(guī)定45號鋼抗拉強度為600MPa，屈服強度為355MPa，伸長率為16％，斷面收縮率為40％，沖擊功為39J[3]。45號鋼的化學成分如表所示化學成分（質量分數，%）CSiMnPSNiCrCu0.42~0.500.17~0.370.50~0.80≤0.040≤0.045≤0.25≤0.25≤0.25表45號鋼的機械性能如表所示抗拉強度σb(MPa)屈服強度σs(MPa)伸長率δ（5％)斷面收縮率ψ(％)硬度≥600≥355≥16≥40≤197HB表45號鋼的熱處理參數如表所示表牌號淬火回火溫度/℃淬火介質硬度不同溫度回火后的硬度值20870~900水或鹽水≥140HBS200℃300℃550℃600℃165HBS158HBS147HBS144HBS45840水或油≥59HRC55HRC50HRC26HRC22HRC1.2.3T8鋼綜述T8鋼表示平均含C量為0.8%的優(yōu)質碳素工具鋼，含C：0.75%～0.84%，按化學成分分類是一種碳素鋼，且為高碳鋼。含Si：≤0.35%；Mn：≤0.40%；P:≤0.035%；S≤0.030%，按冶金質量分類是一種優(yōu)質鋼。按用途分類T8鋼是一種工具鋼[3]。T8鋼的性能及用途：T8鋼加熱時容易過熱,變形也大,塑性強度也較低,不適合做模具，但淬透性較好，可用于制造斷面較大的工具，且熱處理后，具有較高的硬度與耐磨性，適合用于制造承受一定沖擊而要求較高的刃具，如沖頭、壓縮空氣工具、木工工具等工具[4]。T8號鋼的化學成分如表所示化學成分（質量分數，%）CSiMnPSNiCrCu0.75~0.84≤0.35≤0.40≤0.035≤0.030表T8鋼熱處理參數如表所示牌號淬火回火溫度/℃淬火介質硬度HBS不同溫度回火后的硬度值HBS常用回火溫度范圍/℃硬度HBST8800水油62~64150℃200℃300℃400℃500℃550℃600℃150～24055～6064605545353127表實驗過程2.1熱處理原理簡介2.1.1鋼的淬火所謂淬火就是將鋼加熱到Ac3（亞共析鋼）或Ac1(過共析鋼)以上30～50℃，保溫后放入各種不同的冷卻介質中（V冷應大于V臨），以獲得馬氏體組織。碳鋼經淬火后的組織由馬氏體及一定數量的殘余奧氏體所組成。為了正確地進行鋼的淬火，必須考慮下列三個重要因素：淬火加熱的溫度、保溫時間和冷卻速度[6~7]。2.1.2鋼的回火鋼件淬硬后，再加熱到臨界溫度以下的某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝稱為回火。淬火后的鋼件一般不能直接使用，必須進行回火后才能使用。因為淬火鋼的硬度高、脆性大，直接使用常發(fā)生脆斷。通過回火可以消除或減少內應力、降低脆性，提高韌性；另一方面可以調整淬火鋼的力學性能，達到鋼的使用性能[6~7]。根據回火溫度的不同，回火可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火三種。A低溫回火１５０～２５０oC．降低內應力，脆性，保持淬火后的高硬度和耐磨性．B中溫回火３５０～５００oC；提高彈性，強度．C高溫回火５００～６５０oC；淬火鋼件在高于500℃的回火稱為高溫回火。淬火鋼件經高溫淬火后，具有良好綜合力學性能（既有一定的強度、硬度，又有一定的塑性、韌性）。所以一般中碳鋼和中碳合金鋼常采用淬火。2.2實驗器材T8鋼、20鋼、45鋼試樣，粗細不同的打磨砂紙洛氏硬度計，箱式電爐，淬火用水槽拋光機，金相顯微鏡，硝酸腐蝕液，酒精圖像分析儀2.3金相試樣加工方法、過程2.3.1取樣試樣大小要以便于握持、易于磨制，通常Φ15mm×15～20mm的圓柱15-25mm的立方體。對形狀特殊或尺寸細小不易握持的試樣，要進行鑲嵌或機械夾。2.3.2磨光粗磨：整平試樣，并磨成合適的形狀,通常在砂輪機上進行。精磨：常在砂紙上進行。砂紙分水砂紙和金相砂紙。通常水砂紙為SiC磨料不溶于水，金相砂紙的磨料有人造剛玉、碳化硅、氧化鐵等，極硬、呈多邊棱角，具有良好的切削性能，精磨時可用水作潤滑劑手工濕磨或機械濕磨，通常使用粒度為240、320、400、500、600五種水砂紙進行磨光后即可進行拋光，對于較軟金屬，應用更細的金相砂紙磨光后再拋光。2.3.3拋光使磨光留下的細微磨痕成為光亮無痕的鏡面。粗拋：除去磨光的變形層，常用的磨料是粒度為10～20μm的α-Al2O3、Cr2O3或Fe2O3，加水配成懸浮液使用。精拋：除去粗拋產生的變形層，使拋光損傷減到最小。注意事項：在磨拋過程中要根據材料的不同選擇適合的添加輔料，以免造成使用不當的輔料對材料產生化學反應，如鋁材絕不能用氧化鋁拋光粉，否則會產生化學反應，引起材料組織結構變化，從而影響試驗數據及結果等。2.3.4金相試樣的化學腐蝕將已拋光好的試樣用水沖洗干凈或用酒精擦掉表面殘留的臟物，然后將試樣磨面浸入腐蝕劑中，或用竹夾子或木夾夾住棉花球沾取腐蝕劑在試樣磨面上擦拭，拋光的磨面即逐漸失去光澤；待試樣腐蝕合適后馬上用水沖洗干凈，用濾紙吸干或用吹風機吹干試樣磨面，即可放在顯微鏡下觀察。高倍觀察時腐蝕稍淺一些，而低倍觀察則應腐蝕較深一些。2.4熱處理加工方法、過程本實驗對20號鋼、45號鋼和T8鋼非別采用不同的熱處理工藝，記錄下熱處理后的硬度，與原始硬度作比較。2.4.120號鋼熱處理1）淬火[4]將試樣至于840℃爐膛內，保溫6分鐘左右，取出試樣對其進行油冷。2）低溫回火[4]將試樣置于220oC爐膛內，保溫20分鐘左右，取出試樣空冷。2.4.245號鋼熱處理淬火[4]將試樣至于840℃爐膛內，保溫6分鐘左右，取出試樣對其進行油冷。高溫回火[4]將試樣置于560oC爐膛內，保溫20分鐘左右，取出試樣空冷。2.4.3T8號鋼熱處理淬火[4]將試樣置于780oC爐膛內，保溫6分鐘左右，取出試樣對其進行油冷。2）低溫回火[4]將試樣置于220oC爐膛內，保溫,20分鐘左右，取出試樣空冷。2.5硬度測試方法、過程采用洛氏硬度機對20號鋼、45號鋼和T8鋼材料測量其原始硬度和熱處理后硬度。為了減小測量誤差，取試樣上距離中心不同位置的點，進行多次測量，記錄數據。具體實驗過程如下：將絲杠頂面及被選用的工作臺上下端面擦干凈,將工作臺置于絲杠上。將試件支撐面擦干凈,放在工作臺上,旋轉手輪使工作臺緩慢上升,并頂起壓頭,到小指針指著紅點,大指針旋轉三圈垂直向上為止允許相差±5個刻度。旋轉指示器外殼,使C,B之間長刻線與大指針對正順.逆時針旋轉均可。拉動加荷手柄,施加主試驗力,這時指示器的大指針按逆時針方向轉動。當指示器指針的轉動顯著地停頓下來后,即可將卸荷手柄推回,卸除主試應力。從指示器上相應的標尺讀數:采用金剛石壓頭試驗時,按表盤外圈的黑體字讀取;采用鋼球壓頭試驗時,按表盤內圈的紅字讀取。轉動手輪使試件下降,再輕輕移動試件后,按上述2-6過程進行新的試驗。絲杠保護套是為了保護絲杠不受灰塵侵襲而制設的.當硬度計不使用時或試件高度小于100mm時,將其套在絲杠外面.當試件高度大于100mm時,必須將其拿掉,以免將工作臺頂起,造成實驗無效。實驗結果3.1熱處理加工結果3.1.120號鋼20號鋼經淬火后得到馬氏體。后經220℃低溫回火得到回火馬氏體。3.1.245號鋼熱處理結果45號鋼經正常淬火后得到馬氏體組織。后經560℃高溫回火后得到回火索氏體組織。3.1.3T8鋼熱處理結果T8鋼經過淬火后得到馬氏體和殘余的奧氏體，其硬度、強度高，塑性、韌性差。低溫回火得到穩(wěn)定的回火馬氏體組織，其強度、硬度高、耐磨性好，但塑性、韌性相對提高。3.2硬度測試結果3.2.120號鋼硬度測試結果20號鋼硬度測試結果如表所示硬度：HRC1234平均原始硬度18.018.718.619.318.7淬火32.928.025.531.429.5低溫回火28.529.0表3.2.245號鋼硬度測試結果45號鋼硬度測試結果如表所示硬度：HRC1234平均原始硬度27.829.028.528.328.4淬火57.358.959.356.758.1高溫回火28.728.829.428.928.9表3.2.3T8鋼硬度測試結果T8鋼硬度測試結果如表所示硬度：HRC1234平均原始硬度42.840.844.242.042.5淬火71.571.473.271.071.8低溫回火58.957.659.359.658.9表實驗結果分析4.1組織結果分析4.1.120號鋼金相組織分析使用金相顯微鏡對熱處理前后的20號鋼材料進行組織分析，采用不同的顯微放大倍數。其顯微圖片如圖所示。20號鋼200X20號鋼400X20號鋼低溫回火200X20號鋼低溫回火400X20號鋼低溫回火1000X圖4.1.245號鋼金相組織分析使用金相顯微鏡對熱處理前后的45號鋼材料進行組織分析，采用不同的顯微放大倍數。其顯微圖片如圖所示。45號鋼200X45號鋼400X45號鋼高溫回火200X45號鋼高溫回火400X45號鋼高溫回火1000X圖4.1.3T8號鋼金相組織分析使用金相顯微鏡對熱處理前后的45號鋼材料進行組織分析，采用不同的顯微放大倍數。其顯微圖片如圖所示。T8鋼200XT8鋼400XT8鋼低溫回火200XT8鋼低溫回火400XT8鋼低溫回火1000X圖4.2顯微圖像分析熱處理之前三個試樣均為滲碳體和珠光體組成,白亮部分為鐵素體,黑暗部分為珠光體。20鋼和T8鋼和低溫回火后其組織為回火馬氏體，由成分不均勻的過飽和ɑ固溶體與高度彌散分布的碳化物FexC所組成。其顯微圖像應呈現出板條狀，可能由于實驗操作不當導致其顯微結構并未呈現出清晰板條狀，組織中混合著較多的殘余奧氏體，究其原因可能是回火溫度并未達到設定值，這與如之后測得的20鋼回火硬度比預期偏低相符。45鋼高溫回火后得到回火索氏體。在光學\t"