《工程材料与成型工艺基础》实验指导书(实验报告)

（ 实 验 报 告 ） 杨 蔚 翟 封 祥 焦建强 编 工程材料与成型工艺基础 实验指导书 （实验报告） 杨 蔚 翟封 祥 焦建强 编 学生姓名 学 号 斑 级 实验教师 成 绩 大 连 交 通 大 学 2016 年 3 月 工程材料与成型工艺基础 1 目 录 工程材料与成型工艺基础 实验守则 （3） 实验一 铁碳合金平衡组织观察 （3） 实验二 碳钢的热处理操作、 组织观察及硬度测定 （8） 实验三 焊接接头宏观及微观组织观察与分析 （14） 附录 1 金相试样的制备 （19） 附录 2 金相显微镜及多媒体互动教学系统 的使用方法 （22） 附录 3 硬度计的使用方法 （27） 工程材料与成型工艺基础 2 实 验 守 则 1. 实验前认真做好预习，明确实验目 的，了解 实验内容、步骤及注意事项。 2. 实验不得迟到，无故迟到两次者实验成绩记为不及格。病假 、 事 假 需 有 医 生 、 辅 导 员 或班主任证明。无故旷课者，该次成绩记以零分。 3. 实验 时 必须听 从实验教师的指导，严格遵守 实 验 室 规 章 制 度和 仪器 设备操作规程，注 意人身安全及设备安全，不得随意动用与本次实验无关的仪器设备。 4. 实验中 损坏仪器、 设备根据情节轻重按学校 有关规定进行全部或部分赔偿 。 5. 实验过程中认真 做好 实验记录，实验数据及结果需经实验教师认可并签字。 6. 实验完毕后， 仔细 整理好仪器、设备，清理桌面及场地 。 7. 认真 做好实验报告，按时递交。 工程材料与成型工艺基础 3 实 验 一 铁碳合金平衡组织观察 一、实验目的 1. 了解铁碳合金在平衡状态下的组织转变过程 。 2. 掌握不同成分 铁碳合金在平衡状态下 的显微组织特征。 3 分析含碳量对 铁碳合金显微组织的影响， 加深理解成分、 组织与 性能的相互关系。 4. 了解金相样品 的制备过程。 5. 了解光学显微镜的构造、成像原理及使用方法 。 二、实验原理 铁碳合金的平衡组织是指铁碳合金在极其缓慢的冷却条件下所得到的组织，即 Fe-Fe3C 相所对应的组织。 但是， 在实际生产中要想获得一种完全的平衡组织是不可能的， 退火条件下得到的组织比较接近于平衡组织， 因此可以借助退火组织来观察和分析铁碳合 金的平衡组织。 根据 Fe-Fe3C 相图， 铁碳合金可分为工业纯铁、 亚共析钢、 共析钢、 过共析钢、 亚晶 白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁。 1. 工业纯铁 碳的质量分数 c0.0218% ，室温组织 由 铁素体 F 和三次渗碳体 Fe3C 组成，光学显 微镜下观察 铁素体呈多角形块状， 晶界为黑色条状 。 晶界上存在少量三次渗碳体， 呈白色 的不连续的网 状，但由于量少 有时看不出。 2. 亚共析钢 碳的质量分数 为 0.0218%c0.77% ， 室温下的组织由铁素体和珠光体 P 组成。 经硝 酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下观察， 铁素体呈白色多边形块状， 珠光体在放大倍数较低时 呈暗黑色。 随着碳的质量分数的增加， 铁素体量逐渐减少， 珠光体量逐渐增加， 铁素体的 形态逐渐由块状变为碎块状或网状。 3. 共析钢 碳的质量分数 c=0.77% ， 室温组织为单一 的珠光体。经硝酸酒精溶液浸蚀后 ，在高 倍显微镜下 可以观察到 珠光体中呈交替排列的宽条 铁素体和细条渗碳体 的层片状组织。 4. 过共析钢 碳的质量分数 为 0.77%c2.11% ， 室温组织由珠光体和二次渗碳体 Fe3C 组成。 经 硝酸酒精溶液浸蚀后珠光体呈暗黑色，二次渗碳体呈白色网状分布在珠光体周围。 5. 亚共晶白口铁 碳的质量分数为 2.11%c4.3% ，室温组织由珠光体、二次渗碳体和莱氏体 L e 组工程材料与成型工艺基础 4 成。 经硝酸酒精溶液浸蚀后， 珠光体呈暗黑色椭圆形， 莱氏体为白色渗碳体基体上分布着 暗黑色粒状珠光体，二次渗碳体析出与共晶渗碳体连在一起。 6. 共晶白口铁 铁碳的质量分数 c=4.3% ，室温组织为 单 一 的 莱 氏 体 组 织 。 莱氏体是珠光体与渗碳 体组成的机械混合物。 经硝酸酒精溶液浸蚀后， 显微镜下白色基体为渗碳体， 珠光体呈黑 色粒状或棒状。 7. 过共晶白口铁 碳的质量分数为 4.3%c6.69% ，室温组织由莱氏体和一次渗碳体 Fe3C 组成。经 硝酸酒精溶液浸蚀后，一次渗碳体呈白亮的、粗大的板条分布在莱氏体基体上。 三、实验 仪器、设备及 材料 1. 金相显微镜， 切割机、抛光机等； 2. 砂纸、浸蚀剂、 不同含碳量的铁碳合金 金相样品（表 1.1）。 表 1.1 Fe-C 合金平衡组织观察样品状态 样品 编 号 材料名称 热处理 状态 放大 倍数 浸蚀剂 组织及特征 1-1 工业纯铁 退火 400 4% 硝酸酒精 单一等轴晶 F （少量夹杂） ， 在显微镜中 只能见 F 晶界及夹杂 1-2 20 钢 退火 400 4% 硝酸酒精 F( 白色晶粒)+P( 黑色晶粒) 1-3 T8 钢 退火 400 4% 硝酸酒精 片状 P ，无晶界显示 1-4 T12 钢 退火 400 4% 硝酸酒精 沿晶界白色网状 Fe 3C II ， 晶内黑色 P （局 部少量的片状 P ） 1-5 亚共晶白口 铸铁 退火 100 4% 硝酸酒精 组织为 P+L e ，黑色树枝状为 P ，L e 是 Fe 3C （白色） 和 P （均匀分布黑色小点或 条状组织） 1-6 共晶白口 铸铁 退火 100 4% 硝酸酒精 L e 是 Fe 3C （白色） 和 P （均匀分布黑色 小点或条状组织），呈条纹斑点状 1-7 过共晶白口 铸铁 退火 100 4% 硝酸酒精 L e+Fe 3C （白色） 四、实验内容 及步骤 1. 实验前认真阅读实验指导书，复习铁碳合金平衡相图以及工业纯铁、亚共析钢、 共析钢、过共析钢、亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁的平衡结晶过程，工程材料与成型工艺基础 5 铁素体、珠光体、渗碳体、莱氏体组织的相组成、组织特征、性能特点以及 成分范围等； 2. 了解金相样品的制备过程（附录 1）； 3. 了解光学金相显微镜的构造、成像原理及使用方法（附录 2） ； 4. 在光学显微镜下观察 、分析表 1.1 中 各铁碳合金的平衡组织，识别钢和铸铁组织 形态的特征； 5. 绘出所观察的显微组织示意图。 五、实验报告 及要求 1. 实验结果 用铅笔 绘出所观察的 表 1.1 金相样品的显微组织 示意图， 并用箭头标出图中各组织 的 名称 （用符号表示） ， 在圆的 下方标注出样品 编号、 材料名称、 处理状态、 浸蚀剂和放大 倍数。 样品编号：1-1 材料名称： 工业纯铁 处理状态： 退火 显微组织： 铁素体 浸 蚀 剂：4% 硝酸酒精 放大倍数： 400 样品编号：1-2 材料名称：20 钢 样品编号：1-3 材料名称：T8 钢 处理状态： 退火 显微组织： 铁素体+ 珠光体 处理状态：退火 显微组织： 珠光体 浸 蚀 剂：4%硝酸酒精 放大倍数：400 浸 蚀 剂：4%硝酸酒精 放大倍数：400 工程材料与成型工艺基础 6 样品编号：1-4 样品编号：1-5 材料名称：T12 钢 材料名称：亚共晶白口铁 处理状态： 退火 处理状态：退火 显微组织： 珠光体+二次渗碳体 显微组织：莱氏体+珠光体+二次渗碳体 浸 蚀 剂：4%硝酸酒精 浸 蚀 剂：4%硝酸酒精 放大倍数：400 放大倍数：100 样品编号：1-6 样品编号：1-7 材料名称： 共晶白口铁 材料名称：过共晶白口铁 处理状态： 退火 处理状态：退火 显微组织： 莱氏体 显微组织：莱氏体+一次渗碳体 浸 蚀 剂：4%硝酸酒精 浸 蚀 剂：4%硝酸酒精 放大倍数：100 放大倍数：100 工程材料与成型工艺基础 7 2. 分析讨论 （1）说明 Fe-C 合金平衡组织中渗碳体存在方式和组织形态 。 （2）根据所观察的组织，说明含碳量对铁碳合金组织和性能的影响。 3. 学生实验体会 4. 实验教师评语 工程材料与成型工艺基础 8 实验二 碳钢的热处理操作、组织观察及硬度测定 一、实验目的 1. 了解碳钢热处理的基本方法。 2. 掌握不同的加热温度和冷却速度对碳钢 组织与性能的影响。 3. 了解热处理设备及其温度控制方式 ， 掌握热处理的操作方法。 4. 了解硬度测量 的基本原理和应用范围。 5. 了解洛氏硬度计的 主要结构并掌握其操作方法 。 一、实验原理 1 热处理的原理 钢 的热处理是通过加热、 保温和冷却三个步骤来改变其内部组织， 而获得所需性能的 一种热加工工艺，它的基本过程包括：将钢加热到选定温度，在该温度下保持一段时间， 然后用选定的速度冷却。 （1）加热温度的选择 根据 Fe-Fe3C 相图， 对于亚共析钢， 合适的 淬火加热温度为 Ac3+3050 ， 淬火后的 组织为均匀细小的马氏体 。 如果加热温度不足 （低于 Ac3），则淬火组织中将出现铁素体， 造成淬火 后硬度不足。 对于共析钢和过共析钢， 合适的淬火加热温度为 Ac1+3050 ，淬 火后的组织为隐晶马氏体 与粒状二次渗碳体， 组织中的粒状二次渗碳体可以 明显提高钢的 硬度和耐磨性。 过高的 淬火加热温度 （高于 Accm），淬火后会得到 粗大的马氏体和较多 的残余奥氏体 组织， 使材料的 耐磨性下降， 脆性增加 ， 这是因为共析钢含碳量高， 加热到 Accm 以上时，碳化物全部溶解，使奥氏体晶粒易于长大，淬火后的马氏体粗大。同时， 奥氏体内的含碳量越高，则淬火后的马氏体量越少，而残余奥氏体量越多。 钢的退火是将钢加 热到 Ac1 或 Ac3 以上保温后随炉冷却。钢的正是将钢加热到 Ac3 或 Accm 以上保温后空冷。 由于正火的冷却速度比退火大， 所以正火得到的组织比退火得 到的组织细，强度、硬度也较高。 （2）保温时间的确定 为了使钢件内外各部分温度均匀一致， 使碳化物溶解和奥氏体成分均匀化， 并完成组 织转变， 必须在淬火加热温度下保温一定时间。 对于碳钢件， 放进 预先已加热至选定淬火 加热温度的炉内加热， 如果是 火焰炉、 电炉， 所需保温时间大约为 1 分钟/毫米（直径或厚度）。对于 合金钢件，保温时间应相对延长 一段。 （3）冷却速度的选择 冷却速 度是决定钢的最终组织与性能的重要工艺参数。 同一种碳钢在不同的冷却速度工程材料与成型工艺基础 9 下冷却会得到不同的转变产物。 常采用的冷却介质有炉冷、 空冷、 风冷、 油冷、 水冷、 等 温盐浴冷却等。 例 如， 对于共析钢，炉冷得到 100%珠光体，空冷得到细片状珠光体或称索氏体，油 冷得到少量屈氏体和马氏体，水冷得到马氏体和少量残余奥氏体。 随着钢的成分和热处理条件不同，其组织形态 亦各不相同，基本 的组织特征如下： a ） 索氏体 （S） 是铁素体和片状渗碳体的机械混合物， 其层片分布比珠光体更细密， 在高倍的显微镜下才能分辨出片层状。 b ） 屈氏体 （T） 也是铁素 体和片状渗碳体的机械混合物， 层片分布比索氏体更细密， 在一般显微镜下无法分辨，只有在电镜下观察才能分辨其中的片层状。 c ） 贝氏体 （B） 贝氏体也是铁素体和渗碳体的两项混合物， 其组织形态主要有三种： 上 贝氏体： 组织是 由成束平行排列的条状铁素体和条间断续分布的细条状渗碳体 所 组成。 在光学显微镜下可观察到成束的铁素体条向奥氏体晶界内伸展，具有羽毛状特征。 下贝氏体: 是在具有一定过饱和的针状铁素体内部沉淀有碳化物的组织。 在显微镜下 观察呈黑色针状。 粒状贝氏体： 其组织特征是较粗大的铁素体块内有一些孤立的小岛状组织。 d ）马氏体（M） 是碳在-Fe 中的过饱和固溶体，其组织形态分为两大类： 板 条马氏体： 光学显微镜下呈一束束相互平行的细长条状马氏体群，在一个奥氏体 晶粒内可有几束不同取向的马氏体群， 每束内的条与条之间以小角度晶界分开。 在 透射电 镜下观察到马氏体群由许多平行的板条所组成 ，板条马氏体晶内亚结构 为高密度的位错。 片状马氏体： 在光学显微镜下，呈 白亮色的 针状或竹叶状，立体形态为双凸透镜状。 透射电镜观察片状马氏体晶内部位孪晶亚结构。 e ）残余奥氏体（Ar ） 当 奥 氏 体 中 碳 的 质量分数 c0.5% 时，淬火后总有一定量的 奥氏体不能转变为马氏体而保留到室温， 这部分奥氏体称为残余奥氏体。 在显微镜下呈白 亮色，分布在马氏体之间，无固定形态。 2. 硬度测试的原理 将压头 利用杠杆在一定载荷作用下使压头压入试样内部， 通过测定压入深度来表征材 料的硬度。 洛氏硬度是压入硬度法的一种， 也是以压痕深度大小表示材料的硬度值。 它的 压痕较小，可测量较高和较低的硬度，直接读数，操作方便，生产检验效率高。 三、实验材料及仪器设备 1. 箱式电炉和控温仪表 ，光学金相显微镜， 洛氏硬度计等； 2. 碳钢样品 45 碳素结构钢 （ 12mm20mm）和 T12 碳素工具钢 （15mm20mm） 及热处理工艺规程列于表 2.1。冷却介质如油、水以及 金相样品制备用 砂纸、浸蚀剂等。 工程材料与成型工艺基础 10 表 2.1 碳钢样品及热处理工艺规程 样品 编号 材料 名称 钢的临界点/ 热处理工艺规程 Ac 1 Ac 3/Accm Ar 1 Ar 3 加热温度 / 保温时间 /min 冷却方式 2-1 45 钢 742 780 682 760 860 15 空冷 2-2 45 钢 742 780 682 760 860 15 油冷 2-3 45 钢 742 780 682 760 860 15 水冷 2-4 45 钢 742 780 682 760 750 15 水冷 2-5 T12 730 820 700 750 15 水冷 四、实验内容及步骤 1. 实验前认真阅读 实验指导书。 2. 热处理操作：根据制定好的热处理工艺规范进行热处理操作 ，当炉温达到设计温 度后 （或从控温仪表上读出） ， 将 试样装入炉内， 保温时要注意控温仪表是否正常， 发现 问题及时报告指导教师。 淬火冷却时， 应迅速地将试样放入水或油中， 并不停地搅拌试样， 注意不要将试样露出液面。 3. 硬度测定：淬火处理后的试样用砂布磨掉氧化皮，然后 在 掌握洛氏硬度计操 作方 法（附录 3 ）的基础上，在 洛氏硬度计上测定 各试样的硬度值（HRB 和 HRC ），同时将 本次实验的全部硬度值记录在实验报告上。 4. 组织观察： 完成全部热处理操作后， 对各种热处理后的试样进行金相样品 的制备， 并在光学金相显微镜下观察、分析热处理后的显微组织 。在识别各组织组成物的基础上， 根据显微镜中组织的形态特征， 确定不同热处理工艺条件下的组织 类型 。 五、实验报告及要求 1. 实验结果 （1）热处理工艺规范 根据各碳钢热处理实验样品的技术要求， 将制定的热处理工艺规范 参数列于表 2.3。 表 2.3 实际操作时的热处理工 艺 样品 编号 材料名称 热处理工艺规程 样品尺寸 加热温度/ 保温时间/min 冷却方式 2-1 45 钢 2-2 45 钢 工程材料与成型工艺基础 11 2-3 45 钢 2-4 45 钢 2-5 T12 （2）硬度测定结果 经不同工艺条件进行热处理后各碳钢样品在洛氏硬度计上测出三个点的硬度数据， 然 后将三个数据求平均值，得出该材料淬火后的 HRC 或 HRB 列于表 2.4 中。测试 HRC 所 用压头为 120金刚石圆锥，压力为 150kg （其中预加压力 ) 10 0 kg P 表 2.4 硬度测试结果 样品 编号 材料名称 HRB 或 HRC 技术要求 点 1 点 2 点 3 平均 2-1 45 钢 HRB97 2-2 45 钢 HRC59 2-3 45 钢 HRC45 2-4 45 钢 HRC38 2-5 T12 HRC61 （3）金相显微组织 在方框中添入金相 组织。 材 质：45 钢 处理工艺： 860 空冷 材质：45 钢 处理工艺： 860 油冷 腐蚀剂 ：4% 硝酸酒精 放大倍数：100 腐蚀剂：4% 硝酸酒精 放大倍数： 400 工程材料与成型工艺基础 12 材质：45 钢 处理工艺：860 水冷 材质：45 钢 处理工艺： 750 水冷 腐蚀剂：4% 硝酸酒精 放大倍数：400 腐蚀剂：4% 硝酸酒精 放大倍数： 400 材质：T12 钢 处理工艺：750 水冷 腐蚀剂：4% 硝酸酒精 放大倍数：400 2. 分析讨论 （1）45 钢常用的 热处理是什么？T12 钢 常用的热处理是什么？ 这两种钢经热处理后 的组织和硬度怎样? 工程材料与成型工艺基础 13 （2）本实验中采用哪几种淬火介质？说明哪种冷却介质的冷却速度最快。 （3） 生产中对 T12 钢进行正火处理( 加热到 Accm 点以上) 的实际意义是什么? 说明 原因。 （3）为什么淬火- 回火是不可分割的工序? 确定回火温度范围的依据是什么? 3. 学生实验体会 4. 实验教师评语 工程材料与成型工艺基础 14 实验三 焊接接头宏观及微观组织观察与分析 一、实验目的 1. 了解电弧焊接方法 。 2. 熟悉焊接接头宏观组织形貌特征 。 3. 分析焊接接头微观组织及 其对性能的影响 。 4. 了解焊接接头中常见缺陷的形态和形成。 二、实验原理 1 焊接接头的形成过程 焊接过程实际上是 利用电弧作为热源使被焊金属 的局部加热熔化， 同时加入 焊条或焊 丝填充金属形成金属液态熔池。 当电弧移开时， 由于周围冷金属传热使熔池温度迅速降低 并凝固 后形成焊缝， 而熔池周围未发生熔化但受到焊接热作用的母材形成热影响区， 由焊 缝、热影响区及其附近的母材 金属组成了焊接接头。 2 焊接接头的宏观组织 焊接接头 的宏观组织如图 3.1 所示。由图 3.1 可以看出， 焊接接头可分为三个部分： （1）中心为焊缝区 ，呈柱状晶组织特征 ； （2）靠近焊缝部分为热影响区； （3） 邻接热影响区且未受热作用的部分为母材 金属。 3 焊接接头的微观组织 （1）焊缝区的微观组织 焊接熔池完全结晶后形成的固态 柱状晶焊缝，在随后的连续冷却过程中将发生相变， 形成最终的 焊缝相变组织。 低碳钢 焊缝的含碳量较低， 相变组织主要由铁素体和少量的珠 光体组成。 对于发生过热的低碳钢焊缝金属， 还可能出现塑性很差的魏氏组织。 魏氏组织 是由先共析铁素体、 侧板条铁素体和 少量珠光体混合而成的多相组织， 其主要 特征是铁素 体从原奥氏体晶粒 采用多层焊时，由于后一层焊道对前一层焊道 的热处理作用，使得焊缝柱状晶消失， 形成细小的等轴晶。 合金钢焊缝由于受到化学成分和冷却条件的影响而会形成不同的组织。 一般焊缝中合 金元素少时， 类似于低碳钢焊缝组织 。 当焊缝中合金元素较多， 淬透性较好或冷却速度较 快时会 出现贝氏体、马氏体组织。 （2）热影响区的微观组织 图 3.1 焊接接头宏观组织 工程材料与成型工艺基础 15 焊接热影响区是焊缝两侧未经熔化但组织与性能发生变化的区域。 由于热影响区不同 部位所受 的热作用不同， 造成其组织和性能的分布极不均匀， 以致于可能成为焊接接头的 最薄弱环节。 对于低碳钢和普通低合金钢， 如Q235、Q345 等。其焊接热影响区可分为四个区域： a ）熔合区 即熔合线附近焊缝金属到母材基体金属的过渡部分，温度处于固相线与 液相线之间， 金属处于局部熔化状态， 晶粒十分粗大， 化学成分和组织极不均匀， 冷却后 的组织为过热组织， 呈典型的 粗大魏氏组织。 该区域尺寸很窄， 但对焊接接头的强度、 塑 性都有很大影响， 往往是裂纹和脆断的发源地。 魏氏组织的特征是铁素体在原奥氏体晶界 呈网状析出， 或从原奥氏体 晶粒内部沿着一定方向呈针状或片状析出， 形成许多平行的铁 素体针片，在铁素体针片之间的剩余奥氏体最后转变为珠光体。 b ）过热区 又称粗晶区 ，紧邻熔合区。该区 加热温度达 1100以上至 熔点，尤其是 1300以上时， 奥氏体晶粒急剧粗化， 焊后空冷条件下呈粗大的魏氏组织 ， 塑性、 韧性降 低，接头易于出现裂纹。 c ） 完全重结晶区 又称正火区或 细晶区 ， 温度范围约为9001100 。 该区加热至峰 值 温度后 全部转变为奥氏体，空冷后得到均匀细小的铁素体+珠光体组织，相当于热处理 中的正火组织，故称正火区 ，具有较高的力学性能，甚至优于母材本身。 d ）不完全重结晶区 又称部分相变区或不完全正火区， 其峰值温度介于 Ac1Ac3 之 间， 约为750900。 该区金属只有一部分经历两次相变重结晶， 形成细小的铁素体和珠 光体， 而另一部分为始终未能发生重结晶的原始晶粒较为粗大的铁素体。 由于晶粒大小不 均匀，使得该区的力学性能也不均匀，其冲击韧度低于完全重结晶区。 4 焊接接头的缺陷 在焊接过程中， 由于材质和焊接工艺不当等因素， 焊接接头会产生各种缺陷， 主要有 裂纹、气孔、夹渣、未焊透等。 （1 ）热裂纹 是指从凝固温度至 Ar3 以前所产生的裂纹。根据 形成的原因不同，热 裂纹又分为 结晶裂纹和液化裂纹。 结晶裂纹只发生在焊缝中， 属于晶间型裂纹； 液化裂纹主要发生在热影响区， 特别是 靠近熔合线附近，其微观特征是沿着原奥氏体晶界开裂。 （2 ）冷裂纹 是指在 Ar3 以下温度冷却过程中和冷却后所产生的裂纹 ，其中最常见 的是氢致延迟裂纹 ，它形成的温度范围通常在马氏体转变范围约 200300以下。 冷裂纹多发生在热影响区的熔合区和过热区， 特别在焊道下 （ 熔合线附近 ） 、 焊趾及 焊根等部位， 多为穿晶裂纹，氢脆严重者为晶界型。 （3）气孔 在焊缝表面和内部都会存在，一般呈椭圆形，但有时也呈针状。 （4）夹渣 由于焊缝坡口不清洁、或前一道焊缝的熔渣没有清除干净、或焊接工艺工程材料与成型工艺基础 16 不当，使焊渣未能 及时 排除而留在焊缝中。 （5）未焊透 由于 焊接电流过小、焊接速度过快，或焊缝坡 口尺寸不合适以及电弧 偏离焊缝、 电弧产生偏吹等原因， 造成焊缝根部、 焊缝和母材之间， 或相邻焊道之间的局 部未熔透，使得焊缝截面削弱，引起应力集中，降低焊接接头强度，故不允许存在。 三、实验材料及仪器设备 1. 预先制备好的 Q345 钢焊接接头宏观试样和各 区微观组织金相试样若干。 2. 金相显微镜、体式显微镜、放大镜 。 四、实验内容及步骤 1. 实验前认真阅读实验指导书。 2. 调试体式显微镜和金相显微镜 。 3. 在体式显微镜上观察 焊接接头宏观组织形貌，并绘出宏观组织示意图。 4. 在金相显微镜上观察焊接接头各区微观组织形态，分别绘出 焊 缝 、 熔 合 区 、 过 热 区、完全重结晶区、不完全重结晶区的微观组织示意图。 五、实验报告及要求 1. 实验结果 （1）Q345 钢焊接接头宏观组织 与缺陷的特征及形成，并完成表 3.1。 表 3.1 焊接接头 宏观组织 与缺陷 编号 试样名称 检验方法 部位和形态 形成原因 1 接头宏观试样 2 热裂纹 3 冷裂纹 4 气孔 5 夹渣 6 未焊透 （2）Q345 钢焊接接头各区 微观组织，画出组织示意图，并完成表 3.2。 表 3.2 焊接接头各区微观组织 编号 试样名称 检验 方法 放大 倍数 组织及特征 （包括缺陷） 形成原因 1 焊缝组织 2 热 影 熔合区组织 3 过热区组织 工程材料与成型工艺基础 17 4 响 区 完全重结晶区组织 5 不完全重结晶区组织 6 母材组织 焊缝 熔合区 过热区 完全重结晶区 不完全重结 晶区 母材 工程材料与成型工艺基础 18 2. 分析讨论 （1）焊接接头在宏观组织上分为哪几个部分？ （2）焊接热影响区通常分为那几个微区？分析各微区的组织与性能特点。 （3）魏氏组织一般会出现在焊接接头的那个微观区域？说明其组织特征及其对性能 的影响。 （4）分析焊接冷裂纹产生的主要 影响因素。 3. 学生实验体会 4. 实验教师评语 工程材料与成型工艺基础 19 附录 1 金相试样的制备 金相样品的制备一般包括取样、镶嵌、磨制、抛光、浸蚀等工序。 现简述如下： 1. 取样和镶嵌 取样部位及观察面的选择， 必须根据被分析材料或零件的失效分析特点、 加工工艺的 性质，以及研究目的等等因素来确定。 进行失效分析研究时，应在失效部位完整地取样。 对于轧材， 研究非金属夹杂物的分析和材料表面缺陷时， 应垂直于轧制方向 （即横向） 取样； 研究夹杂物的类型、 形状、 材料变形度、 带状组织等时， 应平行于轧制方面上 （即 纵向）取样。 对热处理后的零件， 因为组织较均匀可任意选择取样部位和方向； 对于表面处理过的 零件，在表面部位取样，要能较全面地观察到整个表面层的变化。 取样时要注意方法， 要避 免因取样导致观察面的组织变化。 一般软材料可用锯、 车等 方法； 硬材料可用水冷砂轮切片机场割或电火花线切割； 硬而脆的材料则可用锤击； 大件 可用氧割。等等。 试样大小一般以手拿操作方便即可（如直径 1015mm ，高 10mm 的圆柱体）。若样 品过小 （如细丝、 薄片） 或形大辩论不规则， 以及有特殊要求 9 例如要求观察表面组织） ， 则必须进行镶嵌。 镶嵌方法有： 低熔点合金的镶嵌、 电木粉镶嵌、 环氧树脂镶嵌等， 此外还可用夹肯来 夹持试样。 2. 磨制 软材料粗磨可用锉刀锉平， 一般钢铁用砂轮机磨平， 打磨时用水冷， 以防温度升高引 起组织变化。 细磨可用手工磨或机械磨。 手工磨是在金相砂纸上研磨。 国产金相砂纸按粗到细分为 01、02 、03、04、05 等号。研究磨时依次用 01 号磨至 05 号，且每换一号砂纸时将试样 转 90 （即与上道磨痕方向垂直） ， 以便观察上道磨痕是否被磨去。 研究磨软材料时， 可 在砂纸上涂一层润滑剂，如机测、汽油、甘油、肥皂水等，以免砂粒嵌入试样表面。 为了加快研磨速度， 可采用在转盘上贴上水砂纸的预磨机时行机械磨。 水砂纸按粗细 有 200 、300、400、500 、600、700、800、900 号等。用水砂纸盘磨样时，应不断加水冷 却。同样，每换一号砂 纸时试样用水冲洗干净，也调换 90 方向。 3. 抛光 为了使磨面成为镜面， 细磨后的试样还需进行抛光。 抛光有机械抛光、 电解抛光、 化 学抛光等方法，其中使用最广的是机械抛光。 工程材料与成型工艺基础 20 机械抛光在专用抛光机上进行。 抛光盘上装不同材料的抛光布 （粗抛时常用帆而或粗 呢， 精抛时沿抛光盘上不断滴注抛光液 （水或 3 2 O Al ， 3 2 O Cr ，MgO 的悬浮液） 或在抛光 盘上涂极细的金刚石研磨膏。 试样磨面应均匀地、 平正地压在旋转的抛光盘上 。 待试样表 面磨痕全部消失且呈光亮的镜面时，抛光过程就告结束。 电解抛光是将试样放入电解槽中， 作为阳极， 用不锈钢板或铅板作阴极， 通以直流电 流， 使试样表面凸起的磨痕被溶解而抛光。 化学抛光是依靠化学溶液对试样表面的电化学 溶解而获得抛光表面的方法。 4. 浸蚀 除观察试样中的某些非金属夹杂物或铸铁中的石墨形态等情况外， 金相样品在抛光后 还需进行浸蚀处理。 抛光后的试样只有通过浸蚀后才使显策组织显现出来， 如图 1 所示。 金相显微镜光源 的光线照到试样表面， 由于有的组织或是昌界易腐蚀而呈现凹凸不平， 表面与入射光线垂 直的组织将大 部分把光线反射回去， 在显微镜视场中呈白亮状； 而有些组织由于表面不垂 直于入射光线， 而使许多光线散射掉， 只有很少的光线反射回去， 在显微镜视场中呈灰暗 状。由此明暗不同产生衬度而形成图象。 金属材料的常用化学浸蚀剂见表 1。 浸蚀时， 可钭试样磨面浸入腐蚀剂中， 也可用棉花沾浸蚀剂擦拭表面。 浸蚀的深浅根 据组织的特点和观察时的放大倍数来确定。 高倍观察浸蚀要轻一些。 一般待试样表面颜色 稍发暗时间即可。 浸蚀后用水冲洗， 再用洒精清洗， 最后用吹用机吹干或用吸水纸、 棉花 等吸干。 图 1 金相显微组织成像原理图 工程材料与成型工艺基础 21 表 1 常用的金相试剂 序号 试剂名称 成分 适用范围 注意事项 1 硝酸酒精溶液 硝酸 HNO3 酒精 15 毫升 100 毫升 碳 钢 及 低 合 金 钢 的 组 织 显示 硝酸含量按材料选择， 浸蚀数 秒钟 2 苦味酸酒精溶液 苦味酸酒精 210 克 100 毫升 对 钢 铁 材 料 的 细 密 组 织 显示较清晰 浸蚀时间为数秒钟至数分钟 3 苦 味 酸 盐 酸 酒 精 溶 液 苦味酸 盐酸 HCl 酒精 15 克 5 毫升 100 毫升 显 示 淬 火 及 淬 火 回 火 后 钢的晶粒和组织 浸 蚀 时 间 较 上 例 约 快 数 秒 钟 至一分钟 4 苛 性 钠 苦 味 酸 水 溶 液 苛性钠 苦味酸 水 H2O 25 克 2 克 100 毫升 钢 中 的 渗 碳 体 染 成 暗 黑 色 加热煮沸浸蚀 530 分钟 5 氯化铁盐酸水溶液 氯化铁 FeCl3 盐酸 水 5 克 50 毫升 100 毫升 显 示 不 锈 钢 ， 奥 氏 体 高 镍钢， 铜及铜合金组织， 显 示 奥 氏 体 不 锈 钢 的 软 化组织 浸蚀至显现组织 6 王水甘油溶液 硝酸 盐酸 甘油 10 毫升 2030 毫升 30 毫升 显 示 奥 氏 体 镍 铬 合 金 等 组织 先将盐酸与甘油充分混合， 然 后加入硝酸， 试样浸蚀前先行 用势火预热 7 高锰酸钾苛性钠 高锰酸钾苛性钠 4 克 4 克 显 示 高 合 金 钢 中 碳 化 物、 相等 煮沸使用，浸蚀 110 分钟 8 氨水双氧水溶液 氨水（饱和） H2O2 （3% ） 水溶液 50 毫升 50 毫升 显示铜及铜合金组织 随用随配， 以保持新鲜， 用棉 花醮擦 9 氯化铜氨水溶液 氯水（饱和） 氨水（饱和） 8 克 100 毫升 同上 浸蚀 3060 秒 10 硝酸铁水溶液 硝酸铁 Fe(NO3)3 水 10 克 100 毫升 显示铜合金组织 用棉花擦拭 11 混合酸 氢氟酸（浓） 盐酸、 硝酸 2.5 毫升 1 毫升 1.5 毫升 水 95 毫升 显示硬铝组织 浸蚀 1020 秒或用棉花醮擦 12 氢氟酸水溶液 氢氟酸 HF （浓） 水 5 毫升 99.5 毫升 显示一般铝合金组织 用棉花擦试 13 苛性钠水溶液 苛性钠 水 1 克 90 毫升 显示铝及合金组织 浸蚀数秒钟 工程材料与成型工艺基础 22 附录2 金相显微镜及多媒体互动教学系统的使用方法 1. 金相显微镜结构 金相显微镜型号：MR2000 （1） 显微镜结构图和 显微镜光路图分别如图 1 和图2 所示。 MR2000 型内置数码倒置金相显微镜 图 1 显微镜结构图 工程材料与成型工艺基础 23 图2 显微镜 光路图 2. 金相显微镜与多媒体互动教学系统的操作 （1） 打开显微镜电源； （2） 放置试样； （3） 调节粗、细调焦手轮，使目镜能清晰看到组织； （4） 双击桌面上的SCOPEIMAGE 9.0 显微图像处理软件； （6） 双击桌面上SCOPEIMAGE 9.0 软件图标， 则弹出 窗口， 其中左上角有预览、 图像处理、 视频回放， 右边有设置、 预览、 停止、 全屏、 拍照、 录像、 停止录像、 测量、 标记、 滤波、 标定、高级等功能； （7） 双击桌面形态分析，可对所采集图片进行编辑处理。 3. 多媒体互动教学系统学生控制程序 （1）学生端的登陆 双击 “互动多媒体教学系统 ”快捷方式（如图 3）出现学生端登陆界面（如图 4）， 如教师端设置学生端自 动登陆时， 学生端无需输入登陆信息， 点击 “登陆 ” 可以直接登陆； 如教师端设置学生端不能自动登陆时， 学生需要先输入相应的登陆信息才可以登陆， 输入 完毕，点击 “登陆”按钮即登陆，进入学生端的操作界面。 工程材料与成型工艺基础 24 （图 3） （图 4） （2）学生端操作界面 登陆学生端后，（如图 5）学生端操作界面由菜单显示、电子举手、作业提交、学生 交流、 屏幕录制、 屏幕回放、 图象采集、 系统设置八大版块 构成， 同时也就是学生端的八 大功能。 （图 5） （3）学生端 的功能 如上面所言， 学生端主要具备菜单显示、 电子举手、 作业提交、 学生交流、 屏幕录 制、 屏幕回放、图象采集、系统设置八大功能，下面将做一一介绍。 a ）菜单显示 菜单显示功能主要列出一些其他软件的快捷启动方式， 可以让学生在使用本互动系统 是同时可以快捷的打开其他要用到的软件。教师点击 “菜单显示”会出现一个下拉菜单， 其他要启动的软件列在菜单里，点击即可启动。 b ）电子举手 当学生有问题要向教师反映时， 可以点击 “电子举手” ， 此时教师端界面中此学生端 的 图标会显示为举手状（如图 6、7），这样教师即可以与此学生进行交流。系统会自动工程材料与成型工艺基础 25 根据所有学生举手的先后顺序进行排序， 通过在其图标下的显示标示后加数字 1、 2、 3 来决定其举手的先后顺序。 师生交流完毕后教师可以右键点击举手学生的图标， 选择 “取 消举手”（如图8），此时此学生端的图标恢复原样。 （图6） （图 7） （图 8） c ）作业提交 学生通过作业提交功能可以向老师提交作业，作业提交至教师端由教师设置的目录 下。点击“作业提交”会出现一个选择提交文件的窗口（如图 9），在上面点击“浏览” 选择要提交的作业后再点击“确认”即可提交。 （图 9） d ）学生交流 学生交流功能用于学生之间的交流。 点击 “学生交流” 会出现一个下拉窗口， 窗口中 列出了其他 所有学生端的IP地址， 选择想要观摩的学生端的IP地址后点 击 “确定” （如图 10） ， 此时被请求方会收到一个观摩请求的窗口， 窗口中显示请求方的IP地址及窗口关闭 倒计时秒数，被请求方同意后即可观看到其屏幕画面了。 工程材料与成型工艺基础 26 （图 10） e ）屏幕录制、屏幕回放 可以把计算机上一些的过程录制下来，并回放出来。 f ）图像采集 点击 “图象采集” 即可以启动此学生端的采集程序，从而可以采集图象。 3. 授课的简单模式 （1） 授课 教师先登录