毕业设计（论文）-40Cr钢锻后余热热处理.doc

40Cr钢锻后余热热处理研究摘要：本文介绍了不同合金元素对钢热处理时的影响、40Cr钢的基本性质，特性，用途以及40Cr钢的热处理和分析，40Cr钢的金相试样制备及微观观察的分析研究。制定了40Cr钢常规热处理淬火和回火工艺方案，锻后余热热处理淬火和回火工艺方案，测算出在不同方案下试样的硬度值，冲击韧性值并且观察了试样的金相组织。通过实验结果研究分析得出结论：利用锻造余热进行热处理对材料内部组织不会产生影响，相比普通热处理，这种工艺可以进一步提高工件的硬度，改善工件的综合力学性能，在一定程度上也减少了工序，充分利用能源起到了环保的作用，在条件允许的情况下可以代替常规热处理工艺。关键词：40Cr；常规热处理；锻后余热热处理；力学性能Analysis of Heat Treatment after Hammering of 40Cr- grade SteelAbstract：The impact of different alloy elements on the heat treatment of steel, as well as the nature, characteristics and application of 40Cr-grade steel, is introduced in this thesis. And the analysis and heat treatment of 40Cr-grade steel and its metallographic sample-making process and micro-observation research are also employed. Therefore, the hardening and tempering plan of 40Cr-grade steel and its heat treatment after hammering can be formulated. Then during the application of different plans, we can measure its hardness values and impact values, and observe the metallographic tissue of its sample. And the conclusion is drawn through the analysis of the experiment: during the heat treatment process, the internal tissue of the material will not be influenced by the waste heat. Comparing to the ordinary heat treatment, this technology can further level up the hardness of the product, improve its mechanical performance and reduce the steps in a certain degree. The technology is also environmental-friendly thanks to its full use of energy, which can replace the ordinary heat treatment technology if possible.Keywords: 40Cr; ordinary heat treatment; heat treatment after hammering; mechanical performan目录1 前言12 不同元素对钢性能的影响22.1 碳（C）的影响22.2 铬（Cr）的影响32.3 硅（Si）的影响32.4 镍（Ni）的影响32.5 锰（Mn）的影响42.6 铜（Cu）的影响42.7 硫（S）的影响43 钢的常规热处理概况53.1 退火与正火53.2 淬火与回火54 40Cr钢的介绍74.1 40Cr钢的特性74.2 40Cr钢的用途74.3 40Cr钢的锻造75 40Cr钢的热处理工艺95.1 实验材料95.2 40Cr钢常规热处理实验过程95.2.1 实验方法95.2.2 实验目的95.2.3 实验器材105.2.4 实验步骤105.3 40Cr钢锻后余热热处理实验过程105.3.1 实验方法105.3.2 实验方案105.3.3 实验目的115.3.4 实验器材115.3.5 实验步骤115.4 40Cr钢金相显微试样的制备115.4.1 实验目的115.4.2 实验器材125.4.3 实验原理125.5 金相显微镜的构造，原理和使用方法155.5.1 实验目的155.5.2 实验器材165.5.3 实验原理165.5.4 实验步骤175.6 硬度实验185.6.1 基本概述185.6.2 实验目的195.6.3 实验仪器195.6.4 实验原理195.6.5 实验注意事项205.6.6 实验结果215.7冲击韧性试验215.7.1 实验目的215.7.2 实验仪器215.7.3 实验原理225.7.4 实验步骤225.7.5 计算冲击韧性值ak235.7.6 实验结果236 组织性能分析237 结论25参考文献26致谢词27太原工业学院毕业设计1 前言随着人类科学技术的发展和工业技术的进步，面对世界能源日趋枯竭，世界环境越来越严峻的压力，当今社会的发展更多要求的是对能源的充分利用和新能源的开发，因此低能耗、低污染的的工业方式显得尤为重要，而本文针对锻后余热热处理工艺方面进行了简单的研究分析。众所周知热处理技术工艺的先进程度和使用水平的高低是衡量一个国家工业技术水平的重要指标，先进的和正确的热处理工艺技术，不仅可以充分发挥材料的特性而且也可以起到节能高效的作用。随着现代科学技术的进一步发展，热处理工艺技术也有了飞速提高，如粒子束热处理，离子热处理，锻后余热热处理，各种复合热处理等，各种先进的热处理技术大大提高了金属材料的力学性能和使用寿命1。工业技术发达的国家从上世纪60年代就开始研究锻造余热热处理工艺技术，因为这种热处理方法不但节能效果显著，而且还可以提高产品的力学性能，一定成都市减少工序环节，缩短产品生产周期等优点引起了各国的重视，到上世纪80年代就得到了广泛的应用1。随着我们国家设备、动力、工艺技术、机器零部件等工业的发展，现在对锻后余热热处理的应用也引起了更多的关注和争论，并且在某些方面取得了一定的成果，但是很多方面也存在着不足，比如该工艺方法生产的产品可能会改变内部组织结构晶粒的大小，另一方面余热热处理后钢的组织可能会和常规热处理工艺存在差异等2。为了更好的理解和掌握热处理工艺方法以及响应低碳环保的工业方式，本文重点研究的是40Cr钢锻后余热热处理工艺。本文的书写按照40Cr钢的常规热处理实验、余热热处理实验及金相实验真实数据编写，参照金属学与热处理，热处理手册等书，重点针对40Cr钢的常规热处理及余热热处理（淬火，回火）实验和40Cr钢的磨片实验，微观组织观察照相研究分析得出实验结论。本文重点介绍不同合金元素对钢性能的影响、钢的热处理工艺、40C钢的基本性质、40Cr钢的常规热处理工艺及分析、40Cr钢的余热热处理工艺及分析、40Cr钢的金相试样制备及微观观察的分析研究。2 不同元素对钢性能的影响在现代工业的生产过程中，含合金元素的钢材料已经被广泛应用，这是因为它们不但有较好的物理、化学性质，更重要的是会使钢材料的机械性能也大为改善，尤其是强度、韧度等方面有显著的提高，它们具有优越的热处理性能;同时，经过热处理能使材料十分显著的改善和加强它们的机械性能。我们实验研究的试样为40Cr钢，其化学成分（见下表1-1）各个元素在热处理时的影响分述如下：40Cr钢的化学成分（GB/T3077-1999）w/CSiMnCrSPNiCu0.370.450.170.370.500.800.801.100.0300.0300.25 0.030 表1-1 40Cr钢的化学成分2.1 碳（C）的影响通过研究铁碳平衡图可以发现，随着含碳量的增加，钢的基本组织会变的不一样，而且在随着加热温度的升高，组织转变的温度也变的不同。举例说明：纯铁在加热时随着温度的升高，仅仅发生的是晶格的变化即同素异形的转变，所以在热处理过程中它的机械性能几乎不发生什么变化。但是随着含碳量的增加，热处理将会发生显著的作用，比如含碳量在0.0218 0.77 的亚共析钢，经过淬火工艺后强度、硬度都会有显著的提升。另有一方面含碳量的多少也确定了材料的热处理工艺，比如亚共析钢随着含碳量的提高，它的A3温度逐步降低，因而退火、正火、淬火的加热温度也都会随着降低;而含碳量在0.77 2.11 的过共析钢的正火温度随着含碳量的提高而升高，它们的淬火温度都是在Ac1以上30-50，而且随着材料中含碳量的增加，淬透性能也会提高，工件淬火后引起的变形也会变的越大，增加了淬火时的难度；含碳量的高度也会决定钢的冷脆性和时效敏感性。2.2 铬（Cr）的影响铬为中等碳化物的形成元素，它能显著提高钢的淬透性，且有二次硬化作用，也可以增加钢的耐磨性，含量超过12 时，使钢具有良好的高温抵抗氧气同化的性能和耐氧化性介质腐蚀作用，提高钢的热强性，但含量如果过高会产生脆性。它会降低钢的临界冷却速度，阻止材料内部组织结构晶粒的长大。2.3 硅（Si）的影响Si常用的脱氧剂，有固溶强化作用，能提高Ac1和Ac3点，从而使热处理过程中的退火、正火、淬火的加热温度升高，含量较高时会降低材料的焊接性，而且容易导致冷脆性，降低临界冷却速度，增加钢的淬透性，中碳钢和高碳钢在回火时容易产生石墨化，可以增加钢的回火脆性和过热与脱碳的敏感性。2.4 镍（Ni）的影响Ni能提高塑性和韧性，对于提高低温韧性更加明显，能降低钢的Ac1和Ac3点，从而使热处理时的退火、正好、淬火的加热温度降低。另一方面提高热强性能，改善材料的耐腐蚀性能，降低钢的临界冷却速度，对钢的淬透性有不明显的提升，但是对于材料内部组织结构也就是晶粒长大的影响不是很明显。2.5 锰（Mn）的影响Mn的脱氧效果和脱硫效果较好，它降低了钢的临界点温度而使得钢在热处理时的温度有所降低，增加了奥氏体冷却时的过冷度，细化了材料内部的某些组织从而改善了材料的力学性能，同时还在一定程度上增加了材料的淬透性，也可以减少钢在淬火时发生的变形和增加钢的硬度和强度，但会有一定回火脆性的不利倾向6。2.6 铜（Cu）的影响Cu含量较高时，对热变形加工不利，另一方面使材料的Ac3下降，从而使得材料在热处理的加热温度会有一定的降低。2.7 硫（S）的影响S在一般情况下属于有害元素，它会使材料产生热脆现象，恶化材料的质量，降低材料的韧性和延展性。S对焊接性能会产生不好的影响，降低材料的耐腐蚀性。所以，一般情况下材料中要求S的含量要小于0.055，优质钢要小于0.040。3 钢的常规热处理概况热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，经过这个三个阶段以便使材料获得更好的组织结构和其他性能，有的时候可能只有加热和冷却两个过程，它们三者之间都是相互联系的，不可以跳过。加热是热处理的重要步骤之一。金属热处理的加热方法有很多，一开始采用的是木炭和煤作为热源，逐步发展到应用液体和气体燃料7。电的使用使得加热温度更加容易受到控制，而且不会对环境造成污染。选择合适的加热温度对热处理来说是非常重要的。加热温度会根据加热处理的材料和热处理目的不同而不同，但是通常都要加热到相变温度以上，这样是为了获得高温组织。此外，转变也要花费一些时间，所以当工件表面达到要求的加热温度时，还需要在这个温度保持一段时间，使得材料内外温度一样，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。有的时候因为加热速度的关系，就不需要保温时间了。冷却也是重要步骤，工艺要求不同，冷却方法也会不同，其中最重要的是要控制冷却速度。3.1 退火与正火退火：是将工件加热到临界点Ac1左右的适当温度，根据要求和条件选取适当的保温时间，然后放在加热炉内或者其他介质中让工件缓慢冷却。目的:使金属内部组织达到或者接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火做组织准备。正火：是将工件加热到Ac3或者Accm左右一个合适的温度后，经过适当保温然后在空气中冷却到和室内温度一样为止。目的：正火的效果和退火相差不多，但是正火以后材料的组织晶粒更加细，常常用来改善材料的切削性能，改变材料的硬度，有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。3.2 淬火与回火淬火：是将工件加热到一定温度后进行适当的保温后，在水、油或者其他无机盐、有机水溶液等淬冷介质中很快的进行冷却。目的：淬火后工件硬度提高，耐磨性也有提高，一般安排在粗加工（如车、铣等）完成之后，进行精加工（如磨削等）之前。工件经过淬火工艺后硬度和强度都有了很大的提高，但是塑性和韧性也有很明显的降低，另外，淬火工件内部也存在较大的内应力，如果不及时处理，可能会导致进一步的变形甚至开裂，因此，淬火工艺后要进行回火工艺。回火：将淬火后的工件放在一个特定的温度下进行长时间（一般为1到2个小时）的保温，然后将工件从加热炉中取出在空气或者其他介质中冷却的热处理工艺。回火是为了消除经过淬火工序后工件内部存在的残余应力从而降低工件的脆性。回火工艺一般分为低温，中温，高温回火3。低温回火：将工件加热到150-250，然后保温一定时间后在空气中进行冷却，得到的组织为回火马氏体，保证较高的硬度错3。中温回火：将工件加热到350-450，保温一定时间后在空气中进行冷却，得到的组织为回火屈氏体，具有较高的硬度和韧度3。高温回火: 将工件加热到500-650 ，经过适当的保温时间后在空气中进行冷却，得到的组织为回火索氏体，经过这样的处理后工件会提高一定的硬度和强度，而且具有良好的韧性和塑性10。调质处理是为了进一步获得一定的强度和韧性，把淬火和高温回火结合起来的工艺。4 40Cr钢的介绍4.1 40Cr钢的特性40Cr钢的含碳量为0.370.45 ，属于中碳调质钢，是我们现实生活中很常用的合金调质钢，该钢价格适中，加工容易，经过适当的热处理以后可以获得一定的韧性、塑性、耐磨性。该钢正火可以促进组织球化，改进硬度小于150HBS毛坯的切削性能8。使用油淬的时候没有自由铁素体析出，拥有较高的疲劳强度，当含碳量下降时，经淬火和回火后，不仅可以获得较高的强度，而且还有良好的淬透性。在温度550570 进行回火，40Cr钢具有最佳的综合力学性能，它的的淬透性能较高9。40Cr钢锻后要缓冷，冷变塑性能中等，正火、淬火和回火处理后，该钢的可削性会变的能很好，退火后可削性能也较好，40Cr钢焊接前要注意预热，以防止因基体散热而使其有开裂的倾向。4.2 40Cr钢的用途用途：这种钢经过淬火和高温回火处理后用于制造可以承受中等负荷和中等速度工作的零部件，例如机床的齿轮、轴、花键轴、蜗杆、顶尖套以及汽车的转向节、后半轴等；经过淬火及中温回火处理后也可用于制造可以承受高负荷、冲击以及中等速度工作零部件，例如主轴、油泵转子、齿轮、套环、滑块等，也可用于制造各种扳手；经过淬火及低温回火处理后用于可以制造承受重负荷，低冲击以及具有耐磨性，并且截面上实体的厚度在25mm 以下的零部件，例如主轴、轴、套环、蜗杆等；经过调质处理并且高频表面淬火后可以用于制作要求较高的表面硬度以及要求较高的耐磨性而没有很大冲击性的零部件，例如套筒、齿轮、主轴、曲轴、心轴、进气阀、销子、螺钉、螺帽、连杆等；另外，还可以通过进行碳氮共渗处理后制造各种传动零部件，例如低温韧性较好和直径比较大的齿轮或者轴类零件等。4.3 40Cr钢的锻造锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加适当的压力，从而使材料产生塑性变形以便于取得具备一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方式11。锻造按照坯料加工时的温度可分为热锻和冷锻。冷锻一般是在室温下进行加工处理，热锻是在高于坯料金属的再结晶温度上加工处理。有时还将处于加热状态，但温度不超过再结晶温度时进行的锻造称为温锻11。根据成形方法的不同，锻造可分为自由锻、镦粗、挤压、模锻、闭式模锻、闭式镦锻11。1、自由锻：使用冲击力或压力使金属在上下两个抵铁（砧块）间发生变形以取得所需锻件4。2、模锻：模锻又分为开式模锻和闭式模锻4。始锻温度：锻件从固态向熔融态转变的温度，此为锻件允许加热时的最高温度，温度高于此温度后会使锻件变为液态，40Cr钢的为1200。终端温度：锻造温度不能低于此温度，不然过低时锻件会产生冷作硬化，使得材料的硬度增加，如果继续锻造下去可能会引起裂纹甚至断裂的情况发生，40Cr钢的为850。查阅相关资料，了解到40Cr钢最好性能的锻造比为1.5-3，在此之间，40Cr钢的塑性会显著增加，硬度基本不变。5 40Cr钢的热处理工艺 5.1 实验材料本次实验材料为40Cr钢，根据40Cr钢的锻造比，确定将30mm的40Cr钢圆柱棒料锻坯锻成10mm，长L100mm的圆柱形锻件。40Cr钢的热导率温度100200300400500600热导率/W（mK） -132.630.929.328.026.725.540Cr钢的临界温度临界点Ac1Ac3Ms近似温度/7708403505.2 40Cr钢常规热处理实验过程5.2.1 实验方法（1）先对试样进行表面的一些初步处理。（2）经过查阅相关资料得出，40Cr钢的淬火温度为840。（3）材料进行淬火后，必须要进行充分的保温回火，根据材料的回火温度，工件尺寸和加热炉确定保温时间，本方案中去保温时间为60 min。根据实验要求得出实验方案：试样1 锻造后未经过热处理的试样试样2，终锻温度为850，经过锻造后取出试样锻件，水冷至室温，再加热至840，保温20 min，油淬，水冷+520回火，保温60 min，空冷。5.2.2 实验目的（1）了解40Cr钢的常规热处理工艺方法（2）通过实验得出数据，然后与锻后余热热处理工艺方法进行对比5.2.3 实验器材箱式电阻炉，试样材料，冷却液（水），油、夹钳，手套，手表，抹布。5.2.4 实验步骤（1）将试样用夹钳夹至加热炉中。为了能够分辨清楚，应将试样按顺序排放在加热炉中。不能够堆积或者靠近炉门。（2）设置加热炉温度。（3）观察加热炉温度显示，在到达指定温度后开始计时，按照要求达到指定保温时间。（4）达到保温时间后，打开加热炉门，用夹钳夹出试样，放到安全的地方进行空冷，水冷时，要用夹钳将试样放到水中然后不断运动直至冷却。（5）当所有试样都按照各自的工艺加热以后，将各个试样贴上标签，以示区别。5.3 40Cr钢锻后余热热处理实验过程5.3.1 实验方法（1）对试样进行表面的初步处理。（2）锻造温度的确定：查阅相关资料得出40Cr钢的始锻温度为1200，终锻温度为850（3）40Cr钢简单锻造的工艺流程为：下料加热模锻热处理。5.3.2 实验方案（1）下料，采用砂轮切割机下料，得到所需实验试样。（2）加热，采用加热炉加热至（120010）左右，加热保温120 min。（3）模锻（4）热处理试样3，终锻温度为850，炉冷至840，取出试样锻件，直接进行840油淬，水冷+520回火，保温 60 min，空冷。5.3.3 实验目的（1）了解锻造工艺流程（2）了解40Cr钢的锻后余热热处理工艺（3）通过实验得出数据然后与40Cr钢的常规热处理工艺进行对比5.3.4 实验器材模锻设备，加热炉，坯料，油，冷却液，手表，手套，夹钳。5.3.5 实验步骤（1）对坯料进行下料，得到实验所需试样。（2）将试样用夹钳夹至加热炉中。为了能够分辨清楚，应将试样按顺序排放在加热炉中。（3）设置加热炉温度（4）模锻（5）试样经过保温后需要出炉空冷的，可打开炉门，用夹钳将试样夹出，放置到安全的地方空冷，需要水冷的，用夹钳将试样迅速置于水中，并不断运动。（6）当所有试样都按照各自的工艺加热以后，将各个试样贴上标签，以示区别。5.4 40Cr钢金相显微试样的制备5.4.1 实验目的（1）了解金相显微试样的实验流程和方式。（2）了解现在最常用的金相显微组织显示方式。（3）了解金相显微试样的制备原理，学习金相显微试样的制备过程12。（4）了解目前制备金相试样的先进技术。5.4.2 实验器材试样，细砂纸若干，粗砂纸若干，镊子，抛光机，棉花，浸蚀液（硝酸酒精溶液），抛光粉等。5.4.3 实验原理（1）概述金相分析是金属组织的最重要的方法。近年来，电子显微镜在生产和科学研究中的地位越来越重要，但是在这其中光学显微镜所占比例并没有多大变化，它仍占据一定的位置。光学显微镜观察和研究金属内部组织，一般分为三个阶段进行：第一阶段：制备金相试样实验所需的光滑表面。第二阶段：用浸蚀液腐蚀金相试样表面组织使其能在显微镜下看到。第三阶段：用显微镜观察金相试样表面组织结构并研究分析得出相应结论。这三个阶段相辅相成，相互影响，是一个整体，无论在哪一个阶段失误，都会影响到最后的结果，因此不能忽视其中任何一个阶段。金相试样的制备工作其中包括许多技巧，需要长时间的实践，才能更好的把握；同时，它也非常费时和单调，往往会使人感到疲倦和厌烦。当金相试样表面相对比较粗糙时，入射光产生漫射，无法在显微镜下观察到试样内部的组织，所以，我们要对金相试样的表面进行细加工3。通常我们采用磨光和抛光的方法，来使试样的一个表面光亮整洁像一面镜子，当然，这个表面还必须能够代表取样前的状态，即表层不能在试样的制备过程当中发生组织变化。如果只是具有光滑平面的金相试样，我们在显微镜下观察，只能看到白亮的一片，而看不到试样的组织细节，这是因为大部分的金属组织中，不同的相对于光线都具有差不多的反射能力5。因此，我们必须用一定的浸蚀剂对金相试样的表面进行腐蚀，有选择地溶解掉试样表面的某些部分，使金相试样表面呈现出微小的凹凸不平。这些凹凸不平对光的反射能力不同，这样我们用显微镜就可以看清楚金相试样组织的形貌、分布和大小14。金相显微试样的制备过程为：取样镶嵌磨光抛光腐蚀由于试样是规则的金属小块，所以取样和镶嵌这两步可以省略直接进行磨光。（2）磨光磨光分为粗磨和细磨，下图表示试样表面磨痕变化示意图。 试样表面磨痕变化示意图粗磨的目的是将试样表面磨到平整光滑，得到想要的外形。粗磨一般在实验室中的砂轮机上进行操作。对于较小质地比较软的工件，也可用锉刀锉平。需要注意的是如果在砂轮机上进行操作，试样磨面的温度容易升高，这样操作对于温度比较敏感的材料来讲，有可能因为温度升高而引起试样内部组织发生变化。且不好操作，如果压力过大，试样表面出现深痕不利于细磨。由于试样比较小，且是规则的小块，因此决定采用手工操作，用粗砂纸去除表面氧化层，整平试样。细磨的目的则是为了将粗磨后实验不光滑的表面进行进一步处理，为后面的抛光做准备。细磨时可以将水做为润滑剂，用来加快实验速度。细磨时应注意：（1）顺着一个方向推磨，以免砂粒在试样表面留下划痕。（2）砂纸需要更换时，要记得用水将试样表面存在的砂粒尽可能的全部清洗干净。（3）砂纸换掉以后 ，要将试样的细磨方向调整90，即本道磨制方向与上一道磨痕方向垂直，这样做是为了观察试样表面留下的痕迹有没有被消除16。为了提高实验速度，提高效率，我们将试样放在贴有水砂纸的预磨机上进行处理。通过查阅资料简单了解到水砂纸按砂粒的粗细分为几种不同的型号，有200号、300号、400号900号等。本次实验磨制选用这四种砂纸，从200号砂纸开始，然后逐渐磨到900号砂纸，实验中要注意：需要备水，在磨制过程中要适当的用水进行冷却，不同型号的砂纸在更换时，一定要用水将试样清洁保证表面没有砂粒存在，还要注意将磨制方向调整 90。 （3）抛光抛光的目的是消除经过细磨以后的试样表面的细微磨痕，使得试样磨面达到光滑平整洁净。常用的抛光方法有：机械抛光、电解抛光、化学抛光5。在本次试验中我们采用机械抛光，抛光时应将已经经过细磨好的试样平稳地压在旋转的抛光盘上，可以上下移动。对试样施加的压力不宜过大，否则有可能损坏仪器。抛光时可以向抛光盘上抹上抛光膏或者不断滴注自己调制的抛光液，这样可以加速抛光并起到一定润滑的作用。当磨面痕迹消失不见，试样表面变得光滑平整时，关掉抛光机停止实验。最后再用实验前准备的清水清洗试样，清洗完成后用整洁的软布再进行擦干，下一步就该使用特定的液体对试样进行浸蚀的处理了。（4）腐蚀试样在经过以上几个步骤处理之后，将其放到显微镜下仔细观察，可以观察到光亮的磨面和其他的很小的夹杂物等。但是这样的标准还没有达到对试样进行组织显微分析的要求，所以还要对试样进行腐蚀处理才行。常用的腐蚀方法有化学腐蚀法和电解腐蚀法。根据实验室条件设备，决定选择化学腐蚀法，化学腐蚀法是用浸蚀剂腐蚀试样抛光表面一定时间，从而在金相显微镜下能够看到试样内部组织的一种方法。操作方法：将经过以上三个步骤的试样用备好的清水清洗干净或者可以用酒精沾湿的布将表面还存在的脏物擦掉，然后将试样磨面一侧放入腐蚀剂中进行处理或着用夹子夹住沾有腐蚀剂的棉花球在试样的磨面上擦拭，可以发现经过这样操作以后试样的磨面逐渐失去光泽；等到试样腐蚀合适后马上用清水冲洗干净，用滤纸吸干或用吹风机吹干试样磨面，这些操作完成后再放在显微镜下观察。试样腐蚀的深浅程度是由于实验条件依据不同而改变的，比如试样的材料、组织和显微分析的目的这些都会影响腐蚀的深浅程度，同时还与实验所用的显微镜的放大率有关，如果放大率高，实验时腐蚀程度应该浅一些，如果放大率低，实验进行处理时腐蚀程度可以深一些。 常用的化学腐蚀剂序号浸蚀剂名称成 分用 法用 途碳素钢、低合金钢及中合金钢通用浸蚀剂1硝酸酒精溶液HNO3 2ml95%酒精 100ml 浸蚀时间：数秒至一分钟，浸蚀速度随溶液浓度而增加，但选择性则随之而降低。通用浸蚀剂，使珠光体发黑，并能增加珠光体区域的衬度；显示铁素体晶界；区分铁素体及马氏体。用较淡溶液（1%），亦可显示钢经不同热处理后的组织。2苦味酸酒精溶液苦味酸 4g95%酒精 100ml（仅当苦味酸含水超过10%时，才用纯酒精）浸蚀时间：数秒至数分；有时可用较淡溶液。通用浸蚀剂，可显示碳钢、低合金钢各种热处理后的组织。能清晰显示细珠光体、马氏体、回火马氏体及贝氏体组织；显示碳化物。但显示铁素体晶界不如硝酸酒精溶液的效果。3盐酸苦味酸酒精溶液（Vilella试剂）HCL 5ml苦味酸 1g95%酒精 100ml 浸蚀显示淬火及淬火回火后的实际奥氏体晶粒度。淬火试样在200250C回火15min后，效果最好。 5.5 金相显微镜的构造，原理和使用方法5.5.1 实验目的（1）了解金相显微镜的结构和工作原理（2）观察研究试样的组织构造。5.5.2 实验器材金相显微镜，试样5.5.3 实验原理（1）显微镜成像原理 显微镜的成像原理如下图5.51，可以看到物镜和目镜起了放大的作用，而且物镜的焦距短，目镜的焦距长，也可以观察到显微镜的目镜和物镜都属于透镜，这样做是为了防止成像的时候发生像差。5.51显微镜的成像原理（2）常用显微镜介绍图5.52 XJ-16金相显微镜结构示意图 图2.63 XJ-16金相显微镜的光路图金相显微镜有很多种，我们国家最常使用的是4X型和XJ-16型。常用的两种显微镜都是倒立的模式 ，放置试样的平台分布在显微镜的上面，它可以在水平方向上做横向和纵向的运动，显微镜的物镜为消色差物镜，放大率有10X，45X或（40），100X（油浸系）三种。目镜有5X，10X，15X，三种5。显微镜的光源为6-8 V的钨丝灯，这种显微镜孔径光阑和视场光阑可以连续调节，而且自身带就可以照相，可照120底片的金相照片15。除此以外，显微镜还包括底座、载物台、粗调手轮、微调手轮、物镜座等机械部分5。5.5.4 实验步骤（1）在使用显微镜之前，要先了解它的工作原理和各个部件所起到的作用，要明白它的操作流程。（2）进行实验使用显微镜的时候，要注意保护显微镜的目镜和物镜，它们是组成显微镜光学部分的主要结构，要注意不可以用手触碰，不可以用布擦拭以免在镜头上留下痕迹或者脏物，需要清理时要用指定的软毛刷或者镜头纸擦拭。（3）用于显微镜观察的试样要保证干净光滑，也要保证试样表面没有酒精和腐蚀剂的残留，这样做事为了保护镜头。（4）观察试样时需要调焦，应先粗调一定程度后再进行微调。这样做事为了避免试样与物镜发生接触，正确的做法是将物镜缓缓靠近试样但是要注意不能有任何接触，然后眼睛仔细观察目镜，观察是可以动手进行粗调和微调，让物镜和试样保持恰到好处的距离，使得观察效果很清晰。观察完毕实验结束后，要注意将载物台放到最低点，这样做事为了避免经过粗调和微调螺丝长时间受到载荷而发生变形。5.6 硬度实验5.6.1 基本概述硬度是指试样的软硬水平，硬度的高低从微观上来说反映了试样内部粒子联合键键能的大小。因为硬度实验在进行时简单、方便，又能反映金属材料在化学成分和组织在构造布局上的差别，因此在科学研究和生产上利用很普遍。测硬度的方法有很多，如弹性回跳法，包括尚氏硬度，里氏硬度；压入法，如布氏硬度，洛氏硬度，维氏硬度；划痕法，如莫氏硬度，刻划硬度。实验室经常使用洛氏硬度实验、布氏硬度实验、维氏硬度实验来测硬度。洛氏硬度实验相比于其他硬度实验的优异性是：步骤简单、方便、实验效率较高；实验测试数据可以直接通过观察刻度盘来获取；因为可以直接在试样表面直接进行操作，因此对实验试样损害小压痕小；通过不一样的标尺可以测出软硬程度不同的实验试样的硬度值。而相比与其他硬度实验相比的缺点是:由于测量是所造成的压痕比较小，因此不具有代表性；另外通过不一样的标尺测量的硬度结果不能直接进行比较。布氏硬度实验相比于其他硬度实验的优异性是：对试样表面造成的压痕面积比较大，这样就不会因为试样某一小部分组织不均匀而使测量结果产生误差；通过实验获得的数据比较稳定，重现率高。相比于其他硬度实验的缺点是：不能通过观察刻度盘直接得出数据；测量不同的材料时需要不同的压头直径和试验力；当对试样表面造成的压痕直径较大时，不能直接在工件上进行实验；压痕直径的测量需要通过显微镜才能进行，这样的话观察过程中就会存在测量误差。维氏硬度实验相比于其他实验的优异性是：即使通过不同标尺测量出来得硬度也可以进行比较；实验过程中对实验力和压头直径没有要求；测量精度高，测量硬度数据相比较为准确。相比于其他硬度实验的缺点是：实验时要通过查表或者计算压痕对角线长度来得出数据，因此实验效率不如洛氏硬度法高。通过对三种硬度实验方法的对比，最后决定使用洛氏硬度实验法来测量硬度。5.6.2 实验目的（1）学习使用洛氏硬度值得实验方法（2）了解洛氏硬度计的结构组成和实验使用方法（3）测量试样的洛氏硬度值，然后根据实验条件的不同进行比较，最后得出结论。5.6.3 实验仪器洛氏硬度计5.6.4 实验原理洛氏硬度实验是用锥顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球作为压头，以规定的试验力使其压入试样表面5。实验时，我们应该先对试样加载初实验力，然后再加载主实验力，然后两者之间会存在一个深度差，深度差越大，表示硬度越大。HR=K-(h3-h1）/C式中：HR表示洛氏硬度值，为无量纲数；K为常数，当采用金刚石圆锥体时，K=100；当采用钢球压头时，K=130；C是常数，表示指示器刻度盘上一个分度格所代表的压头压入试样的深度，C=0.002mm5。5.6.4 实验步骤（1）根据试样材料及预计硬度范围，选择压头类型为120的金刚石圆锥体，载荷位150Kg（1471N）。（2）选取试样对应的工作台，并将试样轻轻的放到工作台上。（3）顺时针方向转动工作台升降手轮，使得试样与压头轻轻接触，并顶起压头，直到小指针指向红点，大指针旋转3圈时停止。（4）转动加荷手柄，施加主实验力，指示器的大指针按逆时针方向转动。（5）5秒后，当指示针转动停止下来后,即可将卸荷手柄推到原先位置,卸除主实验力。（6）通过观察指示器得到相应的标尺读数。（7）通过转动手轮使得工作台降低，移动试样或者换其他试样，然后按照步骤26再进行下一轮的实验。（8）所有步骤结束后，要将机器用防尘罩盖好。5.6.5 实验注意事项（1）要保证试样表面干净、整洁、平整，不能有氧化皮、裂缝或者其它污染物。（2）试样上两个相邻压痕的中心距离或者任一压痕的中心距试样边缘距离一般不应该小于3 mm，即使在特殊的情况下，这个距离可以稍微的减少，但也不应小于直径的3倍5。（3）在进行实验过程中，尽可能在试样表面做三个以上的试验点做为测量硬度的点，测量时将它们的平均值做为试样的洛氏硬度值，这样做是为了使实验得到的数据更为准确。（4）要紧记硬度计手轮的旋转方向，顺时针方向旋转手轮时，工作台上升，逆时针旋转手轮时，工作台下降。（5）在一次试验结束开始下一次试验时，旋转手轮的方向不能转错，否则使工作台上升，容易顶坏压头。5.6.6 实验结果试样试验规范测得硬度值压头总载荷/Kg硬度标尺第一次第二次第三次平均硬度值试样1120金刚石圆锥体150HRC32323232试样2120金刚石圆锥体150HRC58575958试样3120金刚石圆锥体150HRC58585958.3从硬度上来讲，试样1的硬度最小，试样3的硬度最大，但是试样1是没有经过热处理的40Cr钢，因此试样2的硬度最小。5.7冲击韧性试验5.7.1 实验目的（1）了解数显式冲击试验机的构造组成和工作原理。（2）测定试样13的冲击韧度。（3）比较各试样的冲击韧性值然后分析结果，并观察试样的断口，分析比较各试样材料抵抗冲击的能力。5.7.2 实验仪器JBS-300数显式冲击试验机，试样13，游标卡尺。5.7.3 实验原理 在冲击试样上开缺口目的是为了在试样承受冲击载荷时，在试样缺口附近造成应力集中，使变形发生在缺口附近，并保证试样能够一次冲断，且断裂发生在缺口处5。冲断试样所消耗的能量P在数值上等于冲断试样所需要做的功A。A=E1-E2(E1表示摆锤在初始位置所具有的势能；E2表示冲断试样之后，摆锤所在位置具有的势能) 5.71摆锤冲击试验原理5.7.4 实验步骤（1）用游标卡尺测量试样13的几何尺寸以及U形缺口的尺寸。（2）根据资料估计试样材料冲击韧性的范围。（3）选择试验机的摆锤和表盘。（4）安装试样。（5）将摆锤举到所允许的最高点并锁住，释放摆锤，冲断试样以后，待摆锤扬到最高点回落时，立刻刹车，使摆锤停下来5。（6）记录表盘上的冲击功A值，取下试样。（7）重复步骤26，直到各个试样都记录了A值。（8）观察各个试样的冲断断口，试验结束，将试验机复原。5.7.5 计算冲击韧性值ak冲击韧性值ak表示材料抵抗冲击载荷的能力，它不能进行定量换算，只能进行相互比较。因为冲断试样的冲击功并不是完全作用于试样的变形和断裂，其中有