实验三铁碳合金平衡组织分析与布氏硬度示范.ppt

实验三 铁碳平衡组织分析与布氏 硬度测定 一、实验目的 二、实验仪器 三、实验原理 四、操作步骤 五、注意事项 一、实验目的 (1) 熟悉各种铁碳合金的平衡组织特征，进一步掌握 含碳量、平衡组织与硬度之间的关系。 (2) 熟悉布氏硬度计的使用方法。 二、 实验仪器 1.数字网络显微金相系统 2.布氏硬度计 3.1 铁碳合金平衡组织特征 Fe-Fe3C相图中所标出的组织是合金在平衡条件（冷却速 度极慢）下所得到的组织，称平衡组织。在工业生产条件下， 冷却速度不可能是极其缓慢的，所以很难得到平衡组织，但可 把退火后得到的组织近似地看做平衡组织，本实验所用试样大 部分是经过退火处理的。 根据含碳量和平衡组织的不同，铁碳合金分为工业纯铁、 碳钢和白口铸铁三大类。其室温时的平衡组织及形态特征如下 ： 三、实验原理 3.1.1 工业纯铁 工业纯铁的显微组织是F+Fe3C。经35%HN03酒精 溶液浸蚀后，F呈白亮色等轴晶粒，晶界被浸蚀呈 黑色线条；Fe3C呈白亮色小片状分布在F晶界处 。Fe3C的量很少，不易观察到。工业纯铁的显微 组织如图41所示 图4 1 工业纯铁显微组织 图4 2 高倍下的珠光体形貌 312 共析钢 共析钢（T8）的显微组织是全部珠光体。珠光体是由F片 和Fe3C片相互交替排列形成的层片状组织。经3 5% HNO3酒 精溶液浸蚀后，其组织中的F和Fe3C都呈白亮色，而F和Fe3C 的相界被浸蚀呈黑色线条。 在不同放大倍数下，由于物镜的鉴别能力不同，所观察到 的珠光体形态也有差别。在高倍下观察时，珠光体中的片状 Fe3C呈亮白色分布在白亮色F的基体上，而其相界呈黑色线条 ，如图42所示。 在中倍下观察时，由于放大倍数不足，物镜的鉴别 能力小，Fe3C片两侧的相界分辨不清，白亮色的Fe3C便 变成黑色线条。这时看到的珠光体形态是宽白条F和细 黑条Fe3C相间的混合物，即黑白相间的层片状，如图4 3所示。在低倍下观察时，由于放大倍数低，难以分 辨出哪是F，哪是Fe3C，此时珠光体呈暗黑色块状组织 。 图4 2 中倍下的珠光体形貌 313 亚共析钢 亚共析钢显微组织是F+P。随钢中含碳量的增加，F量减 少，P量增加。经 35HNO3酒精溶液浸蚀后，P的形态和共析 钢类似，F的形态和钢的含碳量有 关。当含碳量较低时，F量 较多，呈白亮色块状分布，如图44 （45钢的显微组织）； 当含碳量接近共析成分时，F量少，往往呈断续的白亮色网状 分布在P周围。 图4 4 4 5钢的显微组织 314 过共析钢 过共析钢的显微组织是P+Fe3C。随钢中含碳量的增加，P量 减少，Fe3C量增多。经35HNO3酒精溶液浸蚀后，P的形态 和共析钢类似，Fe3C的形态与钢的含碳量有关。当Fe3C量 不多时，Fe3C呈断续的网状分布在P周围；当Fe3C量较多时 ，则呈连续白色网状分布，如图45（T12钢的显微组织）。经 不同的浸蚀剂浸蚀后，Fe3C将显示不同的颜色。若用苦味酸钠 溶液煮蚀，则Fe3C会被染成黑褐色。 图4 5 T12钢显微组织 315 共晶白口铸铁 共晶白口铸铁的显微组织是全部莱氏体。莱氏体在室温时 是P和Fe3C的混合物。Fe3C包括共晶Fe3C和Fe3C，二者连在一 起，分辨不开。经35HNO3酒精溶液浸蚀后，其形态特征是在 白亮色Fe3C基体上分布着许多黑色点状、块状或短条状P，如图 46所示。 图4 6 共晶白口铁显微组织 316 亚共晶白口铁 亚共晶白口铁的显微组织是P+Fe3C+Ld.。经3 5%HNO3酒精溶液浸蚀后，Ld的形态和共晶白口铁类似，黑色 枝状(或块状)的P分布在Ld的基体上，在P周围有一圈白亮色 的Fe3C，如图47所示。 图4 7 亚共晶白口铁显微组织 317 过共晶白口铁 过共晶白口铁的显微组织是Ld+Fe3C。经35%HN03酒精 溶液浸蚀后，Ld的形态和共晶白口铁类似，Fe3C呈粗大的 白色条状分布在Ld基体上，如图48所示。 图4 8 过共晶白口铁显微组织 3.2布氏硬度 硬度是指材料对一更硬物体压入其内时所表现的抵抗力。在生 产和科研应用十分广泛，这是由于硬度试验与其他机械性能试验如 拉伸、弯曲试验等比较，具有下列特点： (1)试验后工件不被破坏； (2)可以在各种形状和尺寸的试件上进行试验，不需要特别制样； (3) 试验方法简单，操作方便，测量迅速； (4) 材料的硬度值与其强度之间存在一定的关系。 常用的硬度试验方法有：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显 微硬度。本试验中学习布氏硬度的测定。 布氏硬度试验是所有硬度试验中压痕最大的一种试验法，它能 反映出材料的综合性能，不受试样组织显微偏析及成分不均匀的影 响，所以它是一种精度较高的硬度试验法。在冶金、锻造、铸造、 未经淬火钢及有色金属等工业领域、实验室、大专院校和科研单位 内广泛使用。 布氏硬度试验设备包括；硬度计、球压头及测量显微镜。根据 加力方式及测量对象的不同，布氏硬度计有不同的结构形同式： 1.直接加荷式 2.杠杆加荷式 3.液压加荷式 4.电子加压式，无砝码 5.便携式硬度计，这种仪器体积小，携带方便，适应于现场使用， 但精度较低。如弹簧加荷式，球压头在压缩弹簧推动下压入试样； 6. 锤击硬度计等。 上述种种仪器中以杠杆式硬度计数量最多，使用最为广泛。 3.2.1布氏硬度试验设备介绍： 布氏硬度机的内部结构 XHB-3000型数显布氏硬度机是精密的机械结构和微机控制闭环系统的光、 机、电一体化产品,也是当今比较先进的布氏硬度计。仪器取消了砝码，采用电动 加卸试验力，由0.5精度的压力传感器进行反馈，CPU控制并能对试验中损失 的试验力进行自动补偿。压痕可在仪器上通过测微目镜直接测量，并能在LCD显 示屏显示压痕的直径、硬度值和17种不同硬度试验的对照表以及当前设置状态下 自动显示布氏硬度试验（HBW）的范围。在页面上还能进行保荷时间、灯光亮度 的设置，同时为方便用户的使用设计一个F/D2选择表。 该机采用液压系统加卸试验力，可自动完成一个工作循 环，适用于测定大型金属零件的布氏硬度值。 用光栅测量压痕深度，数字显示硬度值，并可打印记录 。每小时可自动完成400次试验，特别适用于对成批试 件和在生产线上进行布氏硬度试验。 3.2.2布氏硬度试验操作原理 （1）操作原理 用一定直径的钢球或硬质合金球，在规定的试 验力作用下压入试样表面，经规定的保持时间后卸除试 验力，测量试样表面压痕直径，布氏硬度值是试验力除 以压痕表面积的商。见图31 （2）计算公式 布氏硬度试验采用硬质合金球压头，硬度符号为HBW；普通钢 球，硬度符号为HBS 布氏硬度值按下式计算的： 式中：F试验力，kgf； s压痕表面积，mm h压痕深度，mm2。 式中：D球压头直径，mm； F试验力，N； d压痕平均直径，mm； 3.2.3布氏硬度相似原理及其应用 布氏硬度计有多种钢球，多种载荷供试验选 择。在进行布氏硬度试验时，照常理分析，对应同 一试样采用不同直径钢球与变化试验力时，凹印面 积会有变化，但单位面积上的抗力应该是相同的 ，即布氏硬度值应为常数。实际上，在硬度检测中 试验力与钢球任意变换时，直径的变化与凹印面积 的变化在球冠与接近球径处是非线性关系的，对于 软硬差异大的材料，压头压入深浅不同对应其应力 状况也是复杂的。所以上述理想状况是不存在的， 即在布氏硬度试验中，不能任意选择压头和试验力 ，必须遵守一定的原则，这就是相似原理。 对与不同硬度的材料，如能采用变换试验力和相应变换 压头球径获得统一的压入角（如图32），这就可获得准确的 可比的硬度值。在布氏硬度检测中，只有对相似原理有清楚的 认识和理解才能运用自如和获得准确以及可比较的数据。 但在实际的工作中，由于材 料的千差万别，材料的硬度值变 化很大，目前还没有技术能获得 统一的压入角。为了得到较理想 的结果和技术上又便于实现，合 理搭配试验力和球径，控制压入 角和压痕直径在一定范围内变化 就能获得对同一种材料有相同的 硬度值，对不同硬度的材料能获 得可比较的硬度值结果。 对于同一试样，采用不同直 径的球压头及不同的试验力，要 得到相同的硬度值，或者说，要 获得可以比较的结果，只有在试 验力与球压头直径的平方之比为 一个常数时才可能。即： 压 痕 相 似 原 理 在国标GB231-84中K值有30、15、10、5、2.5、1.25、1共7种，钢 球直径有10mm、5mm、2.5mm、2mm、1mm共计5种。 进行布氏硬度检测时，对不同硬软的材料，应选用不同的K值，一 般的规律是硬的材料K值选用高；软的材料K值选用低。 相似原理的应用 K值及K常数的选择： 材料布氏硬度1.102F/D2(K) 钢及铸铁130 5 10 30 轻金属及合金80 2.5(1.25) 10(5或15) 10(15) 铅、锡1.25(1) 在进行布氏硬度检测时，一般在测得压痕直径d后，可查表得到硬度值。当 获得d值不在0.24Dd0.6D范围内，要重新选择K值，当d0.6D时，K值向减小方向选用。 虽然K值从30到1差别很大，但其目的主要是为硬、软差别的材料在进行检测时。时气压 入角相近；使压痕直径（d）能控制在0.240.6D之间。当d=0.375D时的压入角440，是 维氏硬度压头1360的补角，见图43， d与D(球压头直径)之比例可用下式表示。由图4 2可知，当布氏硬度值低于450HB时与维氏硬度值相同，两者相符性好。只有在硬度值 增高时才产生差异。这种差异随着硬度值增高及球压头压入角减少(44。)而增大。 采用硬质合金球压头时，相符性将提高 3.2.4.布氏硬度检测方法与技术条件 （1）硬度值用以下方法表示： HBS、HBW前面的数值为硬度值，符号后面为试验条件，即球直径及试验 力及保持时间，采用规定的保持时间(1015s)则不用标注。 350HBW5750用5mm硬质合金球，在7.355kN(750kd)试验力下保 持1015s，测得的硬度值为350；1015s为标准时间不用标注。 600HBW13020用1mm硬质合金球，在2942N(30kd)试验力下保 持20 s测得的布氏硬度值为600。 （2）布氏硬度试验的测量装置：布氏硬度试验一般采用测量压痕 直径的方法；但在自动硬度计中，或在大批量试样试验时常采用商 分表测量压痕深度的方法，以提高试验速度。有的生产线上的自动 测量仪器采用对压痕进行扫描的方式测量硬度值。今后将会出现更 多的更为先进的仪器。 （3）布氏硬度计试验力的设置： 施加载荷的时间为28s。黑色金属的保载时间为1015s；有色金 属为30s；布氏硬度小于35时为60s。 布氏硬度试验硬度范围的上限为650HBW。试验力范围为9.807N 29.42kN，表32为不同条件下的试验力，供试验时选用。 2.2.5、布氏硬度试验的试样 (1)试样的表面应光滑平整，不应有氧化皮及污物，尤其不应有油脂。试样表面应 能保证压痕直径的精确测量，表面粗糙度只Ra一般不应低于0.80um (2)试样制备过程中，应尽量避免由于过热或冷加工等对试样表面硬度产生影响。 (3)试样的厚度至少应为压痕深度的10倍 2.2.6试验误差的主要来 源 1试验仪器 (1)试验力： a珐码的精度； b加力机构的摩接力及 惯性力； c力杠杆比的变化； d作用力与试台台面的 垂宣度； e加力过程是否平稳。 (2)硬质合金球压头： (3)测量显微镜： 2试验条件 (1)加荷速度的 变化； (2)试验力保持 时间的误差； (3)室温及环境 状态不好。 3. 试祥 (1)试样厚度不够； (2)压痕之间及压痕 与试样边缘距 (3)表面状态及表面 粗极度不好； (4)工作面与支承面 平行性超标。 4.人员误差 (1)操作不当； (2)感准及读数 误差。 3.2.7.布氏硬度的应用范围及优缺点 1具有较大的压头和较大的试验力 由于采用较大的球呀头(40m)和较大的试验力，得到较大直径的压痕， 因而能测量出试样较大范围内的性能，而不受材料中个别组织的影响。 2与其他机械性能的关系 由于布氏硬度试验能反应出试样较大范围内的综合性能，因此布氏硬度 与材料的其他机械性能较为密切，如抗拉强度极限，磨损性能等这在生产实 际中具有很大的意义。可以通过测量硬度的方法得到近似的强度值，既可以 提高工作效率，又可节省大量原材料。 3精度高 布氏硬度试验由于压痕较大，具有较高的测量精度，这个方法简单易行 ，误差因素较少，因而数据稳定、可靠，精度较高。 4. 不足之处：操作时间较长，对不同软硬材料试样要选择和更换压头及 检测力，压痕测量也较费时间 适应于具有大晶粒金属材料的硬度测定，例如铸铁、有色 金属及其合金，各种退火、调质处理后的钢材，也可以对原材 料及半成品进行检验。 四、操作步骤 (1) 观察表42中所列试样的显微组织，掌握 其组织形态特征，做到能根据平衡组织识别 铁碳合金的类型。 (2) 绘出所现察试样的显微组织示意图。 (3) 测定退火碳钢的布氏硬度，绘出硬度含碳 量关系曲线。 (4) 分析含碳量平衡组织 硬度之间的关系 。 序 号 实 验 材 料处理状态 浸蚀剂 1 2 3 4 5 6 7 8 9 工业纯铁 20 45 T8 T12 T12 亚共晶白口铸铁 共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁 退火 退火 退火 退火 退火 退火 铸造 铸造 铸造 3%HNO3酒精溶液 3%HNO3酒精溶液 3%HNO3酒精溶液 3%HNO3酒精溶液 3%HNO3酒精溶液 碱性苦味酸钠溶液 3%HNO3酒精溶液 3%HNO3酒精溶液 3%HNO3酒精溶液 表