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1、金相实验报告(成分组织观察分析) 金相综合实验报告 实验名称: 碳钢成分-工艺-组织-性能综合分析实验专业: 材料科学与工程 班级: 材料11（1） 指导老师：席生岐高圆 小组组长: 仇程希 小组成员：齐慧媛李敏朱婧王艳姿闫士琪陈长龙黄忠鹤郭晓波丁江蒋经国庞小通林乐 二一四年四月三日 一、实验目的 1.了解碳钢热处理工艺操作； 2.学会使用洛氏硬度计测量材料的硬度性能值； 3.利用数码显微镜获取金相组织图像，掌握热处理后钢的金相组织分析方法； 4.探讨淬火温度、淬火冷却速度、回火温度对45和T12钢的组织和性能（硬度）的影响； 5.巩固课堂教学所学相关专业知识，体会材料的成分工艺组织性能之间关
2、系。 二、实验内容 1.进行45和T12钢试样退火、正火、淬火、回火热处理，工艺规范参考相关资料； 2.用洛氏硬度计测定试样热处理试样前后的硬度； 3.制备所给表中样品的金相试样，观察并获取其显微组织图像； 4.对照金相图谱，分析探讨本次实验可能得到的典型组织：片状珠光体、片状马氏体、板条状马氏体、回火马氏体、回火托氏体、回火索氏体等的金相特征。三、实验原理 热处理是一种很重要的金属加工工艺方法。热处理的主要目的是改变钢的性能，热处理工艺的特点是将钢加热到一定温度，经一定时间保温，然后以某种速度冷却下来，从而达到改变钢的性能的目的。研究非平衡热处理组织，主要是根据过冷奥氏体等温转变曲线来确定。
3、 热处理之所以能使钢的性能发生显著变化，主要是由于钢的内部组织结构发生了的一系列的变化。采用不同的热处理工艺，将会使钢得到不同的组织结构，从而获得所需要的性能。 钢的热处理基本工艺方法可分为退火、正火、淬火和回火等。 (一)碳钢热处理工艺 1.加热温度 亚共析钢加热温度一般为Ac3+30-50，过共析钢加热温度一般为Ac 130-50（淬火）或Acm+50-100（正火）。 淬火后回火温度有三种，即：低温回火（150-250）、中温回火（350-500）、 高温回火（500-650）。实际生产中可根据钢种及要求作适当调整。 2. 保温时间 在实验室中，通常按工件有效厚度，用下列经验公式计算加热
4、时间： t=a?D 式中 t-加热时间（min） a-加热系数（min/mm） D-工件有效厚度（mm） 淬火后回火保温时间，要保证工件热透，使组织充分转变，一般为13小时，实验时，可酌情减少。 3.冷却方式 钢退火采用随炉冷却到600-550以下再出炉空冷。正火采用空中冷却。淬火时常用水或盐水冷却，合金钢常用油冷却。 (二)碳钢热处理后的组织 1.珠光体型组织 过冷奥氏体在高温区（Ar1至C曲线鼻尖）转变的产物。随着奥氏体在冷却时过冷度的增加，依次得到珠光体、索氏体、屈氏体。他们都是铁素体与渗碳体的细密机械混合物，但铁素体与渗碳体的片层间距依次减小，组织的强度、硬度递增。 2.贝氏体型组织
5、过冷奥氏体在中温区（C曲线鼻尖与马氏体转变点Ms）进行等温淬火转变的产物。 贝氏体也是铁素体和渗碳体的机械混合物。 （1）上贝氏体：是在珠光体转变区稍下温度等温形成的。在光学显微镜下可观察到成束的铁素体向奥氏体晶内伸展，呈羽毛状。 （2）下贝氏体：是在马氏体转变点(Ms)稍上的温度形成的。在光学显微镜下呈灰黑色针状或竹叶状。与上贝氏体相比，下贝氏体不仅具有较高的硬度、强度、耐磨性，且有较高的韧性及塑性。 3.马氏体组织 过冷奥氏体在低温区（Ms以下）转变的产物。马氏体是碳在铁素体中的过饱 和固溶体。马氏体组织形态主要有两种： （1）片状马氏体：高碳马氏体，主要在高碳钢淬火组织中形成。在光学显微
6、镜下观察呈针状或竹叶状。马氏体针的粗细程度取决于淬火加热温度。例如T10 钢在淬火加热温度较低时（如760）由于奥氏体中的碳浓度不均匀，在光学显微镜下分辨不出它的形态，称之为隐针马氏体；淬火温度稍高时（820）可见到短针状马氏体；若淬火温度提高到1000，由于奥氏体晶粒粗大，从而获得粗大的马氏体。片状马氏体性能较硬且脆。 （2）板条马氏体：又称低碳马氏体。主要在低碳钢淬火组织中形成。在光学显微镜下观察呈一束束相互平行的细长条状。一个奥氏体晶粒内可由几束不同取向的马氏体群，且束与束之间有较大的位相差。它不仅具有较高的强度与硬度，还具有良好的韧性与塑性。 淬火组织中总会有一定数量的残余奥氏体，并且
7、随着钢中含碳量的增加，淬火温度的提高，残余奥氏体的相对量也会增加，残余奥氏体不易受硝酸酒精的侵蚀，在光学显微镜下呈白亮色，无固定形态，难以与马氏体区分，因此常常需回火后才可分辨出马氏体间的残余奥氏体。 4.回火组织： 钢淬火后一般都需要经回火才能满足性能要求。根据回火温度的高低，回火组织可分为以下几类： （1）回火马氏体：在150-250回火时形成的组织为回火马氏体。它是由极细小的弥散的-碳化物和-Fe 组成。回火马氏体易于腐蚀，一般呈黑色，且保留原淬火针状马氏体或淬火板条马氏体的形态，在光学显微镜下难以辨出其中的碳化物相。具有较高的强度及硬度，且脆性较低。 （2）回火屈氏体：在350-450
8、回火时形成的组织为回火屈氏体。它是由细片状或细粒状渗碳体和铁素体组成。在光学显微镜下，碳化物颗粒仍不易分辨，但可观察到保持马氏体形态的灰黑色组织，且马氏体形态的边界不十分清晰。它具有较高的屈服强度、弹性极限和韧性。 （3）回火索氏体：在550-650回火时形成的组织为回火索氏体。它是由粒状渗碳体和铁素体组成。在较高倍数的光学显微镜下可以观察到渗碳体的颗粒，此时马氏体形态已消失， 600以上回火时，组织中的铁素体为等轴晶粒。工业上称 之为调质处理。回火索氏体具有优良的综合性能。 (三)洛氏硬度的测量 所谓硬度，是材料在一定条件下抵抗另一较硬材料压入的能力。它不是金属材料独立的力学性能，而是人为规
9、定的在某一特定实验条件下的一种性能指标。大量的试验结果表明，硬度实验所获得的硬度值与材料的其他性能指标有大致的对应关系，可以用材料的硬度值来大致估计抗拉强度等性能指标。由于硬度实验在测量过程中简单易行，所以它可以作为评定工艺性能的重要参考。 洛氏硬度实验方法是1919年美国人（Rock-well） 提出的，是采用测量压痕深度的方法来显示材料的硬 度。洛氏硬度实验操作比较简单迅速，工作效率高， 适用于成批生产中的硬度检测。由于使用的试验力较 小，因此压痕较浅，对工作表面损伤很小，这样可以 用于测定半成品或成品工作的硬度，试验中使用金刚 石锥和钢球压头，配合不同试验力，可以测量较硬或较软材料的硬度
10、，适用范围较广。但它由于采用测深原理指示硬度值加之试验力较小，压入深度浅，因此对实验结果影响因素较多，准确性较差，不适用于测定组织粗大的不均匀的金属。为了保护压头也不适用于测定表面有微气孔、浅表面有缺陷的材料。 测定硬度的操作步骤： 1）试验前根据所选定的标尺确定所需的载荷，由试样的材质确定硬度计的保载时间； 2）试样应平整、稳固的放在载物面上，使加力方向垂直于试样面，如果试样是曲面应确保压头作用力方向与试样部位最高点作的水平线垂直，并正确对中；3）初载（10kg）时，将长针对BC线上，短针对至红点。 4）加主载（150kg），待保载时间结束后，读取C标尺所规定的读数，小数点留一位为估读； 5
11、）逆时针方向旋转使载物台下降，方可取走试样，每次至少打三点读取平均值，若在5度以内有效，若偏差超范围，需继续打硬度，直至数据稳定。 四、实验材料及设备 45、T12钢试样，尺寸分别为? 1020mm、? 925mm。 砂纸、玻璃板、抛光机等金相制备设备一套，马福电炉，洛氏硬度计(型号为HR-150A)，淬火水槽、油槽各一只，铁丝、钳子。 金相显微镜及数码金相显微镜。 五、实验步骤 1.实验前应仔细阅读实验指导书（包括洛氏硬度计的原理、构造及其操作），明确实验目的、内容、任务。 2.实验以组为单位进行，每组9-15人，每人完成表3-1列内容之一。 3.实验流程： 按组每人领取已编好号码的试样一块
12、，绑好细铁丝环； 全组人员由老师讲解洛氏硬度计的使用，观看硬度测试示范，并按顺序各人 测定试样处理前硬度。 按表3-1中规定条件对试样进行相应热处理。 试样经过处理后，必须用纱布抹去氧化皮，擦净，然后在洛氏硬度计上测硬度值。 进行回火操作的同学，先对淬火的试样测定淬火后的硬度值，再按表3-1所指定的温度回火，保温一小时，回火后再测硬度值。 每位同学把自己测出的硬度数据填入原始记录表格中，几下本次实验的全部数据。 制备金相分析试样，分析组织特征。各人制备并观察所处理样品的金相显微 组织，在原始记录表中画下组织特征示意图。组织观察在普通显微镜上进行，并和附录中相应图谱对照分析，在具有数据采集功能的
13、数码显微镜上采集图像，保存成电子文档并打印输出在相片打印纸上。 小组讨论。根据实验结果，结合课堂所学知识，围绕材料的成分-工艺-组织 -性能关系，进行分析讨论。这项任务在同学准备好后，可以在专门安排的讨论课上进行。 六、实验注意事项 1、试样淬火时，一定要用夹钳夹紧，动作要迅速，并在冷却介质中不断搅动； 2、测硬度前，必须用砂轮或砂纸将试样表面的氧化皮除去并磨光。每个试样应 在不同的部位测定三次硬度，取其平均值。退火、正火试样测HB值，其余测HRC 值。 3、热处理时应注意： （1）取放试样时，应切断电路电源； （2）炉门开关要快，以免炉温下降和损坏炉膛的耐火材料与电阻丝的寿命；（3）取放试样
14、时，夹钳应擦干，不能沾有水或油；同时，操作者应带上手套，以免灼伤。 七、实验数据 以上试样所用腐蚀剂均为4硝酸酒精。 八、实验结果及分析 1.45号钢(45钢含碳量为0.45%，属于亚共析钢)在不同热处理工艺下的组织特征及性能： 1)金相显微组织（加热到850,保温10分钟,空冷,400） 组织图像分析： 图中浅色基体是铁素体，深色的组织是珠光体,珠光体覆盖区域较退火态明显增多，珠光体组织层间距减小，呈细层片状。正火与完全退火相比，二者加热温度与保温时间相同的情况下，正火冷却速度较快，转变温度较低，发生伪共析转变，因此获得的珠光体较退火态多（退火后组织：45铁素体+55珠光体；正火后组织：30
15、铁素体+70珠光体）。此外，正火可以细化晶粒，图中下部区域细化效果比较明显，由于处理时保温时间较短，以上部分晶粒还是比较粗大。 性能：正火的细化晶粒作用可以提高材料的强度和塑韧性,所以45钢在正火后力学性能有所改善。其次，经退火和正火后45钢组织虽都是铁素体与渗碳体的混合物，但是正火组织弥散度大，故硬度，强度较高。经硬度测试后发现硬度却有提升,HRC从0增加到15左右，相对于切削时退火态45钢“粘刀” 现象,正火后大大改善它的加工性能。 2)金相显微组织（加热到850,保温10分钟,油冷,400） 组织图像分析： 理论上，将45钢加热到850保温会使碳钢奥氏体化，在油中冷却，冷却速度较快，将得
16、到非平衡组织马氏体，并且有托氏体沿晶界析出或观察到贝氏体和托氏体沿晶界析出。实验中可能由于样品取出速度过慢，与空气中冷却效果相似，导致最终得到的是组织托氏体和铁素体。托氏体层片间距小，只有在更高倍数下才能看清层片相间组织，400下看到深色一片。图中几乎很难分辨出板条状马氏体，浅色基体为铁素体。 性能：马氏体是碳溶于-Fe的过饱和的固溶体，是奥氏体通过无扩散型相变转变成的亚稳定相，是使钢变硬、增强的一种淬火组织。托氏体是铁素体与珠光体的机械混合物，片层分布比珠光体细密的多，使钢的强度及硬度提高，薄层状的渗碳体片更易与铁素体一起受力变形，所以塑韧性也得到提高。 3)金相显微组织（加热到850,保温
17、10分钟,水冷,400） 组织图像分析： 图中深色的组织为板条状马氏体和片状马氏体的混合组织，附带一些片层致密的托氏体，浅色基体为残余奥氏体。水冷淬火冷却速度很快，一般不穿过C曲线区域，直接降温到Ms以下，马氏体形核长大瞬时性很强，所以形成大量的马氏体，但是马氏体转变有不彻底性，过冷奥氏体被割裂后变形困难，故最终奥氏体有残留。所以理论上形成马氏体和残余奥氏体。 实验水冷前在空气中滞留的时间过长，导致生成部分的托氏体，从而影响淬火质量。由于托氏体的量少，沿晶界分布，所以从显微镜下观察得到的组织中有的区域全部为马氏体，有的区域为马氏体和托氏体的混合组织。 性能：由洛氏硬度计测量的硬度取三次后的平均
18、值为59.83HRC，和空冷和油冷相比较，其硬度值明显升高，说明经水冷淬火后碳钢的硬度及强度增强。此外，板条马氏体的亚结构是高密度位错，其含碳量低，形成温度较高可以自回火，晶格正方度（c/a）小，内应力也小，没有显微裂纹，因此具有较高塑性和韧度，综合性能较好。但是想要具有更好的韧性，最好还要进行不同温度的回火。 4)金相显微组织（加热到850,保温10分钟,水冷,200回火1h，400 ） 组织图像分析： 图中明显可见板条状马氏体（过饱和固溶体）基体上分布有极细小片状的碳化物。由于有碳化物析出使回火马氏体极易浸蚀，所以在光学显微镜下，颜色比淬火马氏体深。马氏体经低温回火200后，得到回火马氏体
19、,它仍保持淬火后的形态，只是过饱和度降低。 钢淬火后的组织是马氏体及少量残余奥氏体，它们都是不稳定的组织，都有向稳定的组织（铁素体和渗碳体两相混合物）转变的倾向。但是淬火钢在100以下回火时，原子活动能力较弱，钢的组织基本不发生变化。随着回火温度升高到200，原子活动能力加强，马氏体和残余奥氏体分解，组织转变便以较快的速度进行。由于组织的变化，钢的性能也发生相应的变化。 性能：200回火后钢具有高的硬度（HRC58-64）和高的耐磨性，因内应力有所降低，故韧性有所提高。这种回火方法主要用于刃具，量具，拉丝模以及其它要求硬而耐磨的零件。 5)金相显微组织（加热到850,保温10分钟, 水冷, 400回火1h ,400 ）