金属学与热处理实验指导书10版.doc

金属学与热处理实验教学指导书适用专业： 材料成型与控制工程本科材料成型与控制工程专升本50目录实验一 金相显微镜的构造与使用1实验二 金相试样的制备5实验三 铁碳合金平衡组织观察10实验四 钢的热处理操作及硬度测定15实验五 铁碳合金非平衡组织观察29实验六 合金钢、铸铁、有色金属及合金显微组织观察34实验七 金相显微摄影与暗室技术41实验一 金相显微镜的构造与使用一、实验目的1了解普通金相显微镜的成像原理。2熟悉普通金相显微镜的构造和主要部件的作用。3掌握金相显微镜的使用方法。二、实验仪器设备1金相显微镜。2金相试样。三、实验原理研究金相显微组织的光学显微镜称为金相显微镜。金相显微镜不同于生物显微镜。生物显微镜是利用透视光来观察透明的物体；金相显微镜则利用反射光将不透明物体放大后进行观察或摄影。金相显微镜可分为台式、立式和卧式三大类，构造由光学系统、照明系统和机械系统三大部分组成。有的显微镜还附有摄影装置。现以4X型台式金相显微镜为例加以说明。（一）光学系统4X型金相显微镜的光学系统如图1-1所示。由灯泡1发出的光线经聚光透镜组2及反光镜8聚集到孔径栏9，再经过聚光镜3聚集到物镜的后焦面，最后通过物镜平行照射到试样7的表面。从试样反射回来的光线复经物镜组6和辅助透镜5，由半反射镜4转向，经过辅助透镜以及棱镜造成一个被观察物体的倒立的放大实像。该像再经过目镜15的放大，就成为在目镜视物中能看到的放大映像。图1-1 4X型金相显微镜的光学系统（二）照明系统在金相显微镜的底座内装有一低压（68V、15W）灯泡作为光源，由变压器降压供电，靠调节次级电压（68V）来改变灯光的亮度。聚光镜，孔径光栏及反光镜等装置均安装在圆形底座上，视场光栏及另一聚光镜则安在支架上。它们组成显微镜的照明系统，使试样表面得到充分、均匀的照明。（三）机械系统显微镜调焦装置：在显微镜体的两侧有粗动和微动调焦手轮，两者在同一部位。随粗调手轮的转动，支承载物台的弯臂作上下运动。在粗调手轮的一侧有制动装置，用以固定调焦正确后载物台的位置。微调手轮使显微镜本体沿着滑轨缓慢移动。在右侧手轮上刻有分度格，每一格表示物镜座上下微动0.002mm。图1-2金相显微镜外观图载物台（样品台）：用于放置金相试样，载物台和下面托盘之间有导架，转动调节螺母，可使载物台在水平面上作一定范围的十字定向移动，以改变试样的观察位置。孔径光栏和视物光栏：孔径光栏装在照明反射镜座上面，调整孔径光栏能够控制入射光束的粗细，以保证物像达到清晰的程度。视物光栏设在物镜支架下面，其作用是控制视场范围，使目镜中视物明亮而无阴影，在刻有直纹的套圈上还有两个调节螺钉，用来调整光栏中心。物镜转换器：转换器呈球面状，上有三个螺孔，可安装不同放大倍数的物镜，旋动转换器可使各物镜镜头进入光路，与不同的目镜搭配使用，可获得各种放大倍数。目镜筒：目镜筒呈45倾斜安装在有棱镜的半球形座上，还可将目镜转向90，呈水平状态以配合照相装置进行摄影。四、实验内容与步骤1听取实验指导教师讲解金相显微镜的结构、使用方法等，熟悉显微镜的构造及使用教程。2打开显微镜电源开关，检查光路是否正常。3将试样放置在载物台上，从目镜上观察，用双手旋转粗调手轮，当视场亮度增强或看到组织后，再调节微调手轮直到图像清晰为止。五、实验注意事项金相显微镜是一种精密的光学仪器，使用时要求细心谨慎。在使用显微镜工作之前首先应熟悉其构造特点及各主要部件的相互位置和作用，然后按照显微镜的使用规程进行操作。1将试样置放在载物台上，从目镜上观察，用双手旋转粗细调手轮，当视场亮度增强或看到组织后，再调节微调手轮直到图像清晰为止。2当微调手轮转不动时，不可强力旋转，而应向反方向旋转几圈后再重新调焦。3需要变换观察部位时，通过调节载物台移动手轮，可使载物台在水平面上横向和纵向的移动，禁止将试样在载物台上来回拉动。六、实验报告要求1简述金相显微镜的成像原理。2写出在实验中所发现的问题和体会。七、思考题1金相显微镜使用时应注意什么问题吗？实验二 金相试样的制备一、实验目的1了解制备金相试样常用的设备、工具。2初步掌握金相试样的制备过程和方法。二、实验仪器设备1不同粗细的金相砂纸一套，玻璃板、抛光液、酒精浸蚀剂（4%的硝酸酒精溶液）。2抛光机、抛光绒布、帆布。3待制备的金相试样等。三、实验原理利用金相显微镜来研究金属及其合金组织的方法叫做金相显微分析法。金相显微分析是研究金属内部组织最重要的方法之一。用光学显微镜观察和研究金属内部组织的步骤，首先是制备所用试样的表面，然后选用合适的浸蚀剂浸蚀试样的表面，并用金相显微镜观察和研究试样表面组织。试样表面比较粗糙时，由于对入射光产生漫反射，无法用显微镜观察其内部组织。因此要对试样表面进行加工，通常采用磨光和抛光的方法，从而得到光亮如镜的试样表面。这个表面在显微镜下只能看到白亮的一片而看不到其组织细节，因此必须采用合适的浸蚀剂对试样的表面进行浸蚀，使试样表面有选择性地溶解掉某些部分（如晶界），从而呈现微小的凹凸不平，这些凹凸不平在光学显微镜的景深范围内可以显示出试样内组织的形貌、组成物的大小和分布。用来做金相显微分析的试样称为金相显微试样。金相显微试样制备的好与坏，直接影响到金相组织的观察效果。如果制备的不好，会造成许多假象，也就不可能真实地反映出金属与合金的内部组织，而会得出错误的检测结果。由此可见，金相显微试样制备技术是金相检验的最基本的实验技术之一，因此，应该了解和掌握金相试样的制备技术和对它的质量要求。并且通过不断地反复实践，才能掌握和提高金相试样的制备技术。金相试样的制备过程包括取样、磨制、抛光、浸蚀等几个步骤。（一）取样取样的部位及磨面的选择，根据检验金属材料或零件的特点，加工工艺及研究目的进行选择，取其具有代表性的部位。待确定好部位后，就可以把试样截下，试样的尺寸通常采用直径1215mm，高1215mm的圆柱体或边长1215mm的方形试样。试样的截取方法视材料的性质不同而异，软的金属可用手锯或锯床切割 ，硬而脆的材料（如白口铸铁）则可用锤击打下，对极硬的材料（如淬火钢）则可采用砂轮片切割或电脉冲加工。但不论用哪种方法取样，都应避免试样受热或变形从而引起金属组织变化，为防止受热，必要时应随时用冷水冷却试样。试样的尺寸一般不要过大，应便于握持和易于磨制。对形状特殊或尺寸较小不易握持的试样，或为了试样不发生倒角。可采用的镶嵌或机械装夹法。镶嵌法是将试样镶在镶嵌材料中见图2-1，目前使用的镶嵌材料有热固性塑料（如胶木粉）及热塑性材料（聚乙烯聚合树脂）等，还可将试样放在金属圈内，然后注入低熔点物质，如硫磺、松香、低熔点合金等。图2-1 金相试样的镶嵌方法（a）(b)机械镶嵌；（c）低熔点合金镶嵌；（d）塑料镶嵌（二） 磨制磨制分为粗磨和细磨。粗磨可使用砂轮机或锉刀锉平，目的是为了将试样修整成平面。细磨分手工和机械磨制（在予磨机上磨制），目的是消除粗磨留下的磨痕，为抛光作好准备。细磨的目的是获得平整光滑的磨面。细磨光的操作方法如下：1、将砂纸放在玻璃板上，左手按住砂纸，右手紧握试样，并使磨面朝下，均匀用力向前推行磨制。在回程时，应提起试样不与砂纸接触，以保证磨面平整而不产生弧度。2、 细磨的砂纸从粗到细有许多号，先从最粗的80砂纸开始磨制，砂纸开始磨制，再经过140、280、320、400、600、800、1000、1200终止。当前一号磨好后，必须将试样磨面、手及玻璃板擦净，再进行下一道砂纸的磨制。并且每当换一号砂纸时，磨光方向都要转90。3、 细磨光结束后，必须用水将试样、手清冼干净，以免砂粒带到抛光盘上影响抛光质量。有色金属应在金相砂纸上制备，用汽油、机油或肥皂水等作润滑剂。（三） 抛光抛光的目的在于去除细磨时磨面上遗留下来的细微磨痕和变形层，以获得光滑的镜面。常用的抛光方法有机械抛光，电解抛光和化学抛光三种，其中以机械抛光应用最广。机械抛光是在专用的抛光机上进行。抛光机主要由电动机和抛光圆盘（200300mm）组成，抛光盘转速为200600转/分。抛光盘上铺以细帆布、呢绒、丝绸等，抛光时在抛光盘上不断滴注抛光液。抛光液通常采用Al2O3、MgO或Cr2O3等细粉末（粒度约为0.31）在水中的悬浮液Al2O3机械抛光是靠极细的抛光粉对磨面的机械作用消除磨痕而使其成为光滑的镜面。（四）浸蚀抛光后的试样在显微镜下仅能看到某些非金属夹杂物、石墨、孔洞和裂纹等。无法辨别出各种组成物及其形态特征。必须经过适当的浸蚀，才能使显微组织正确地显示出来。目前，最常用的浸蚀方法是化学浸蚀法。化学浸蚀常用的化学试剂有硝酸、盐酸、苦味酸、过氧酸铵等，根据材料的不同来选择浸蚀剂配方。钢铁材料常用4%的硝酸酒精溶液进行浸蚀。试样浸蚀前用酒精棉擦净，浸蚀方法可采用浸入法或擦试法，浸蚀时间一般为试样表面发暗即可。浸蚀后立即用水冲洗 ，酒精擦洗，吹干后在显微镜下进行观察。金属材料常用的浸蚀剂见表2-1。表2-1 金属材料常用的浸蚀剂浸蚀剂名称成 分浸蚀条件使用范围A.钢铁材料常用的浸蚀剂硝酸酒精溶液硝酸15ml酒精100ml硝酸含量增加时，浸蚀速度增加。浸蚀时间从数秒至60s适用于显示碳钢及合金结构钢经不同热处理的组织。显示铁素体晶界特别清晰苦味酸酒精溶液苦味酸4g酒精100ml有时可用较淡溶液浸蚀数秒至数分种能显示碳钢、低合金钢的各种热处理组织，特别是显示细珠光体和碳化物。显示铁素体晶界效果则不如硝酸酒精溶液混合酸酒精溶液盐酸10ml硝酸3ml酒精100ml浸蚀210min显示高速钢淬火及回火后钢的奥氏体晶粒，显示回火马氏体组织王水溶液盐酸（相对密度1.19）3份硝酸（相对密度1.42）1份试样浸入试剂内数次，每次23s，并抛光、用水和酒精冲洗显示各类高合金钢组织，用于Cr - Ni不锈钢的组织显示、晶界、碳化物析出物特别清晰B.有色金属材料常用的浸蚀剂氯化铁、盐酸溶液FeCl3 HCl H2O (g) (ml) (ml)(a) 1 20 100(b) 5 10 100(c)25 25 100先擦拭，再浸入试剂中12min显示黄铜、青铜的晶界，使二相黄铜中的相发暗，铸造青铜枝晶组织图像清晰氢氟酸水溶液HF（浓）0.5mlH2O99.5ml用棉花沾上试剂擦拭1020s或显示铝合金的一般显微组织浓混合酸溶液HF（浓）10mlHCl（浓）15mlHNO3（浓）25 mlH2O50 ml此液作粗视浸蚀用；若用作显微组织，则可用水按9:1冲淡后作为浸蚀剂用是显示轴承合金粗视组织和显微组织的最佳浸蚀剂四、实验内容与步骤1按粗磨细磨机械抛光侵蚀的步骤制备金相试样。2利用金相显微镜观察自己制备好的试样，并结合金相显微镜组织照片搞清该试样为何种组织。五、实验注意事项1当抛光机顺时针旋转时，样品要放到转盘的左边；当抛光机逆时针旋转时，样品要放到转盘的右边。样品一旦飞出，可防止伤人；2固定抛光布的金属环要用力压紧抛光布。抛光一段时间后，金属环可能由于震动而产生松动，导致金属环飞出伤人。所以抛光一段时间，要检查、压紧一次金属环。3样品抛光面要倒角，以避免尖角刮破抛光布导致样品飞出伤人；4发现抛光布有洞，立即废弃，更换新布。5抛光时织物上应有适量抛光膏与水, 要保持织物润湿。六、实验报告要求1简述金相显微试样的制备过程。2写出在实验中所发现的问题和体会。七、思考题1制备金相试样时，如何使试样制备的又快又好呢？实验三 铁碳合金平衡组织观察一、实验目的1观察和分析铁碳合金（碳钢及白口铸铁）在接近平衡状态下的显微组织。2了解铁碳合金的成分、组织与性能之间的相互关系。3进一步熟悉进行显微镜的使用。二、实验原理利用金相显微镜观察金属的组织和缺陷的方法称为显微分析；所看到的组织称为显微组织。合金在极缓慢冷却条件（如退火状态）下得到的组织为平衡组织。铁碳合金的平衡组织可以根据Fe-C相图来分析。从相图可知，所有碳钢和白口铁在温室时的组织均由铁素体和渗碳体两相组成。但由于含碳量的不同，结晶条件的差异，铁素体和渗碳体的相对数量，形态，分布和混合情况不一样，因而将组成各种不同特征的组织或组织组成物，其基本特征如下：（一）铁素体（F）铁素体（F）是碳溶于Fe中的固溶体，由良好的塑性，硬度较低（HB80120），经35硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈白色大粒状。随着钢中含碳量的增加，铁素体量减少。铁素体量较多时呈块状；当含碳量接近于共析成分时，往往呈断续的网状，分布在珠光体的周围，如图3-1所示。 工业纯铁的显微组织 20钢的显微组织 45钢的显微组织 T10钢的显微组织 图3-1 几种典型钢的显微组织（二）渗碳体渗碳体（Cm）是铁与碳的化合物，含碳量为6.69%，抗浸蚀能力较强。经35%硝酸酒精溶液浸蚀后呈白亮色；若用苦味酸钠溶液热浸蚀，则被染成黑褐色，而铁素体仍为白色，由此可区别开铁素体和渗碳体。渗碳体的硬度很高，达HB800以上；脆性很大，强度和塑性很差。经过不同的热处理，渗碳体可以呈片状、粒状或断续网状。（三）珠光体珠光体（P）铁素体和渗碳体的共析混合物，有片状和珠状两种。1、片状珠光体 一般经退火得到，是铁素体和渗碳体交替分布的层片状组织，疏密程度不同。经35%硝酸酒精溶液或苦味酸溶液浸蚀后，铁素体和渗碳体皆呈白亮色，但其边界被浸蚀呈黑色线条。在不同放大倍数下观察，组织具有不太一样的特征。在高倍（600倍以上）下观察时，珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体都呈白亮色，而其边界呈黑色（图3-2）。中倍（400倍左右）观察时，白亮色渗碳体被黑色边界所“吞食”而成为细黑条。这时看到的珠光体时宽白条铁素体和细黑条渗碳体的相间混合物（图3-3）。 图3-2 高倍镜下的珠光体 图3-3 400倍珠光体低倍（200倍以下）观察时，连宽白条的铁素体和细黑条的渗碳体也很难分辨，这时，珠光体为黑块组织（见图4-1中的珠光体）。 2、球状珠光体 共析钢或过共析钢经球化退火后，得到球状渗碳体。经35硝酸酒精浸蚀后，球状珠光体为白色铁素体基体上均匀分布这白色渗碳体小颗粒，其边界为黑圈（图3-4）。 图3-4 球状珠光体根据钢的组织，估计出各组织成的相对量，便可利用杠杆定律算出含碳量。（四）莱氏体莱氏体（Ld）在温室时是珠光体和渗碳体的混合物。此时，渗碳体中包括共晶渗碳体和二次渗碳体两种，但它们相连在一起而分辨不开. 经35%硝酸酒精溶液侵蚀后，莱氏体的组织特征是，在白亮的渗碳基本上均匀分布着许多黑点（块）状或条状珠光体（图3-5）。 图3-5共晶白口铁 图3-6 亚共晶白口铁莱氏体组织硬度很高，达HB700，性脆。一般存在于含碳量大于2.11%的白口铸铁中，在某些高碳合金钢的铸造组织中也常可见。亚共晶白口铸铁的组织包括：莱氏体、呈黑粗树枝态分布的珠光体及其周围白亮圈的二次渗碳体(图3-6)。二次渗碳体与莱氏体中的渗碳体相连，无界线.无法区别。过共晶白口铸铁的组织是：莱氏体和长白条一次渗碳体（图3-7）。图 3-7 过共晶白口铁三、实验仪器设备1金相显微镜。2不同含碳量的退火状态铁碳合金试样。四、实验内容与步骤1在显微镜下观察和分析表3-1铁碳合金标准试样的平衡组织，识别钢和铸铁组织形态的特征，根据Fe-Fe3C相图分析各合金的形成过程；建立成分、组织之间相互关系的概念。表3-1实验要求观察的样品序号样品名称状态显微组织浸蚀剂1工业纯铁退火4硝酸酒精220钢同上同上345钢同上同上465钢同上同上5T8钢同上同上6T12钢同上同上7亚共晶白口铸铁铸铁同上8共晶白口铸铁同上同上9过共晶白口铸铁同上同上2画出所观察的显微组织示意图，并标注出组织组成物。3分析含碳量对铁碳合金的组织与性能的影响。五、实验注意事项1在观察显微组织时，可先用低倍全面地进行观察，找出典型区域，然后再用高倍放大，对部分区域进行详细的观察。2在移动金相试样时，不得用手指触摸试样表面。3画组织图时应抓住组织形态的特点，画出典型区域的组织，不要将磨痕或杂质 画在图上。 六、实验报告要求1写出实验目的及实验简明原理。2画出所有样品的显微组织示意图（用箭头和代表符号标明各组织组成物、并注明材料、放大倍数和浸蚀剂）。3根据所观察组织，说明含碳量对铁碳合金的组织和性能的影响的大致规律。4根据所学知识填写表4-1中显微组织一栏。七、思考题1珠光体组织在低倍观察和高倍观察时有何不同？为什么？2怎样鉴别0.6%C钢的网状铁素体和1.2%C钢的网状渗碳体？3二次渗碳体呈网状分布时，对钢材的机械性能有何影响？怎样才能避免？4渗碳体有几种？它们的形态有什么区别？实验四 钢的热处理操作及硬度测定一、实验目的1熟悉碳钢的几种基本热处理（退火、正火、淬火及回火）操作方法。2了解含碳量、加热温度、冷却速度、回火温度等主要因素对碳钢热处理后性能（硬度）的影响。3学会洛氏硬度计的使用。二、实验仪器设备 1箱式电阻炉和控温仪表。2洛氏硬度计。345钢、T8钢、T10钢或T12钢试样。4淬火水槽、油槽。5钳子、铁丝、夹钳、砂纸等。三、实验原理（一）热处理原理概述热处理工艺通常由加热、保温、冷却三个阶段组成。退火：将钢加热到一定温度，保温一段时间后缓慢冷却，如炉冷。正火：将钢加热到某一临界温度以上，保温后在空气中冷却。淬火：将钢加热到某一临界温度以上，保温后快速冷却，如淬入水或油里。回火：将淬火后的钢再加热到A1线以下某一温度后冷却。1、热处理温度的选择亚共析钢淬火、正火、退火的加热温度在Ac3以上3050。共析钢，过共析钢淬火、退火的加热温度，在Ac1以上3050；正火加热温度在Acm以上3050。亚共析钢和过共析钢的淬火，退火温度范围不同（见图4-1），这是由于如果亚共析钢的淬火温度过低，在Ac1以上3050，这时钢的组织是铁素体和马氏体，使钢件上出现软点。而过共析钢在两相区加热后淬火得到的组织是马氏体和渗碳体。由于渗碳体本身硬度很高，不会影响钢的硬度；相反如果过共析钢加热到奥氏体单相区淬火，得到的组织是马氏体和大量的残余奥氏体，硬度反而要下降。图4-1淬火加热温度范围过共析钢在退火时若加热到奥氏体单相区，冷却时将在晶界析出网状渗碳体，使钢的塑性，冲击韧性降低。所以过共析钢退火加热温度不能过高。过共析钢的正火主要是为了消除已经形成的网状渗碳体，只是加热到Acm线以上才能使网状渗碳体全部溶入奥氏体，由于正火的冷却速度较快，网状渗碳体来不及析出而被消除。回火温度是根据零件所要求的机械性能确定的，通常将回火分为低温、中温、高温回火：低温回火：（150250）所得的组织为回火马氏体，硬度约为HRC60，目的是降低淬火后的应力，减少钢的脆性，但保持钢的高硬度，这种回火常用于切削刀具和量具。中温回火：（350500）所得组织为回火屈氏体，硬度约为HRC40，目的是获得高的弹性极限，同时有较好的韧性，主要用于中高碳钢弹簧的热处理。高温回火：（500650）所得组织为回火索氏体，硬度约为HRC30，目的是获得既有一定强度、硬度，又有良好冲击韧性的综合机械性能，主要用于中碳结构钢的热处理。2、确定保温时间保温时间与加热介质，加热温度，钢的成分和工件的形状尺寸等因素有关。生产上一般根据经验公式确定。试验中碳钢所用的保温时间可按每毫米直径1分钟计算。3、冷却方法热处理时的冷却方法适当，才能获得所要求的组织和性能，退火一般采用随炉冷却。正火多采用空气冷却，大件常进行吹风冷却。淬火的冷却方法非常重要。一方面冷却速度要大于临界冷却速度，以保证得到马氏体组织；另一方面冷却速度应尽量缓慢，以减少内应力，避免变形和开裂。为此，可根据C曲线图（见图4-2），估计连续冷却速度的影响。图4-2 淬火加热温度范围4、碳钢的热处理后的显微镜组织（1）共析钢连续冷却时的显微组织：V1炉冷，得100%的珠光体。V2空冷，的较细的珠光体（即索氏体）V3油冷，得屈氏体和马氏体和残余奥氏体V4水冷，得马氏体和A残（2） 亚共析和过共析钢连续冷却时的显微组织：亚共析钢的C曲线与共析钢相比，在珠光体转变开始前多一条铁素体析出线。V1炉冷，得铁素体和珠光体。V2空冷，得铁素体和索氏体。V3油冷，得网状分布屈氏体和马氏体（可有少量贝氏体）。V4水冷，得马氏体。过共析钢的转变与亚共析钢相似，不同之处是过共析钢先析出的是渗碳体，并且连续冷却得不到贝氏体。5、基本组织金相特征（1）索氏体(S)是铁素体与渗碳体的机械混合物。其片层比珠光体更细密，在显微镜的高倍（700倍以上）放大才能分辨，硬度约为HRC30。（2）屈氏体(T)也是铁素体与渗碳体的机械混合物，片层比索氏体还细密，在一般光学显微镜下无法分辨。当其少时析出时，沿晶界分布，呈黑色网状，包围着马氏体，当析出量较多时，呈大块黑色团状，只有在电子显微镜下才能分辨其中的片层。硬度约HRC3540。（3）马氏体(M)马氏体有两种形态。高碳马氏体呈针叶状，针叶大小不一，互不平行，最先形成的马氏体较粗大，往往横穿整个奥氏体晶粒，将其分割，使以后形成的马氏体针的大小受到限制。并使针与针之间残留有奥氏体。片状马氏体的硬度HRC6265，韧性较差，低碳马氏体呈板条状，许多平行的板条形成一束，束与束之间有较大的位向差，一个奥氏体晶粒内可有几个马氏体束或区，板条状马氏体的韧性较好。（4） 残余奥氏体(A残)奥氏体淬火时，被保留到室温的未转变的部分，在显微镜下呈白亮色，分布在马氏体之间，无固定形态，未经回火时，Ar与M很难区分，都呈白亮色；只有马氏体回火变暗后残余奥氏体才能被辨认。（5） 回火马氏体（M回）马氏体经低温回火（150250）所得到的组织为回火马氏体，它仍具有原马氏体形态的特征，针状马氏体由于有极细的碳化物析出，容易受浸蚀，在显微镜下为黑针状，M回具有高的强度和硬度，而韧性和塑性较淬火马氏体有明显改善。（6）回火屈氏体（T回）马氏体经中温回火（350500）所得到的组织为回火屈氏体，保留有模模糊糊的马氏体外形。它是铁素体与细粒状渗碳体组织的混合物，用光学显微镜极难分辨，只有在电镜下才可观察到。回火屈氏体有较好的强度，最佳的弹性，韧性也较好。（7）回火索氏体（S回）马氏体经高温回火（500650）所得到的组织为回火索氏体，它是再结晶了的铁素体基本上分布着粒状渗碳体，回火索氏体具有优良的综合机械性能。回火屈氏体和回火索氏体是淬火马氏体的回火产物，它的渗碳体呈粒状，且均匀分布在铁素体基体上，而屈氏体和索氏体是奥氏体过冷时直接形成的，它的渗碳体呈片状，所以，回火组织同直接冷却组织相比，在相同的硬度下具有较好的塑性及韧性。（二）硬度测定概述金属的硬度可以认为是金属材料表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的一种能力。硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念。由于在金属表面以下不同深处材料所承受的应力和所发生的变形程度不同，因而硬度值可以综合地反映压痕附近局部体积内金属的弹性、微量塑变抗力、塑变强化能力以及大量形变抗力。硬度值越高，表明金属抵抗塑性变形能力越大，材料产生塑性变形就越困难。硬度实验设备简单，操作迅速方便，不需要专门制备试样，也不破坏被测试的工件。此外，在工业生产中，被广泛应用于产品质量的检验。此外，硬度值与其他力学性能及某些工艺性能（如切削加工性.冷成形性等）都有一定的联系，故在产品设计图样的技术条件中，硬度是一项主要技术指标。硬度的测试方法很多，在机械工业中广泛采用压入法来测定硬度，压入法又可分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。压入法硬度试验的主要特点是：（1） 试验时应力状态最软(即最大切应力远远大于最大正应力)，因而不论是塑性材料还是脆性材料均能发生塑性变形。 （2）金属的硬度与强度指标之间存在如下近似关系 式中： 材料的抗拉强度值；HB布氏硬度值；系数。 退火状态的碳钢 合金调质钢 有色金属合金 （3）硬度值对材料的耐磨性、疲劳强度等性能也有定性的参考价值，通常硬度值高，这些性能也就好。在机械零件设计图纸上对机械性能的技术要求，往往只标注硬度值，其原因就在于此。（4）硬度测定后由于仅在金属表面局部体积内产生很小压痕，并不损坏零件，因而适合于成品检验。（5）设备简单，操作迅速方便。（三）布氏硬度(HB)1、布氏硬度试验的基本原理 布氏硬度试验是施加一定大小的载荷，将直径为的钢球压入被测金属表面(如图4-3所示)保持一定时间，然后卸除载荷，根据钢球在金属表面上所压出的凹痕面积求出平均应力值，以此作为硬度值的计量指标，并用符号HB表示。图4-3 布氏硬度试验原理图其计算公式如下： （41）式中：HB布氏硬度值； 载荷（kgf）；（1kgf=9.8N）根据压痕面积和球面之比等于压痕深度九和钢球直径之比的几何关系，可知压痕部分的球面积为： (42)式中：钢球直径(mm)；压痕深度(mm)。由于测量压痕直径d要比测定压痕深度容易，故可将(12)式中改换成d来表示，这可根据图1-1(b)中的关系求出： (43)将式(42)和(43)代入式(41)即得： (44)式中只有是变数，故只需测出压痕直径，根据已知和值就可计算出值。在实际测量时，可由测出之压痕直径直接查表得到HB值。由于金属材料有硬有软，所测工件有厚有薄，若只采用同一种载荷(如3000kgf)和钢球直径(如10mm)时，则对硬的金属适合，而对极软的金属就不适合，会发生整个钢球陷入金属中的现象；若对于厚的工件适合，则对于薄件会出现压透的可能，所以在测定不同材料的布氏硬度值时就要求有不同的载荷和钢球直径。为了得到统一的、可以相互进行比较的数值，必须使P和D之间维持某一比值关系，以保证所得到的压痕形状的几何相似关系，其必要条件就是使压入角保持不变。根据相似原理由图4-3(b)中可知和的关系是： 或 (45)以此代入式(44)得： (46)表4-1布氏硬度实验规范材料硬度范围（HB）试样厚度(mm)P/D2钢球直径D(mm)载荷P(kgf)载荷保持时间(s)黑色金属140-4501406-34- 266-366-366-332.51052.525062.515.660式(46)说明，当值为常数时，为使HB值相同，也应保持为一定值。因此对同一材料而言，不论采用何种大小的载荷和钢球直径，只要能满足常数，所得的HB值是一样的。对不同材料来说，所得的HB值也是可以进行比较的。按照GB231-63规定，比值有30、10和2.5三种，具体试验数据和适用范围可参考表4-1。2、布氏硬度测定的技术要求（1） 试样表面必须平整光洁，以使压痕边缘清晰，保证准确测量压痕直径。（2）压痕距离试样边缘应大于(钢球直径)，两压痕之间距离应不小于。（3）用读数显微镜测量压痕直径d时，应从相互垂直的两个方向上进行，取其平均值。（4）为了表明试验条件，可在HB值后标注，如HB10/3000/10，即表示此硬度值是在mm，秒的条件下得到的。3、布氏硬度试验机的结构和操作（1）布氏硬度试验机的结构HB -3000型布氏硬度试验机的外形结构如图4-4所示，其主要部件及作用如下：图4-4 HB-3000布氏硬度试验机外形结构图1指示灯；2压头；3工作台；4支柱；5丝杠；6手轮；7载荷砝码；8压紧螺钉；9时间定位器；10加载按钮1）机体与工作台：硬度机有铸铁机体，在机体前台面上安装了丝杠座，其中装有丝杠，丝杠上装立柱和工作台，可上下移动。2）杠杆机构：杠杆系统通过电动机可将载荷自动加在试样上。3）压轴部分：用以保证工作时试样与压头中心对准。4）减速器部分：带动曲柄及曲柄连杆，在电机转动及反转时，将载荷加到压轴上或从压轴上卸除。5）换向开关系统：是控制电机回转方向的装置，使加、卸载荷自动进行。（2）操作前的准备工作： 1）把根据表41选定的压头擦拭干净，装入主轴衬套中。2）按表4-1选定载荷，加上相应的砝码。3）安装工作台。当试样高度120mm时，应将立柱安装在升降螺杆上，然后装好工作台进行试验。4）按表4-1确定持续时间T，然后将紧压螺钉拧松，把圆盘上的时间定位器(红色指示点)转到与持续时间相符的位置上。 5）接通电源，打开指示灯，证明通电正常。（3）操作程序：1）将试样放在工作台上，顺时针转动手轮，使压头压向试样表面直至手轮对下面螺母产生相对运动为止。2）按动加载按钮，启动电动机少即开始加载荷。此时因紧压螺钉已拧松，圆盘并不转动，当红色指示灯闪亮时，迅速拧紧紧压螺钉，使圆盘转动。达到所要求的持续时间后，转动即自动停止。3）逆时针转动手轮降下工作台，取下试样用读数显微镜测出压痕直径值，以此值查表即得HB值。（四）洛氏硬度(HR)1、洛氏硬度试验的基本原理洛氏硬度同布氏硬度一样也属压入硬度法，但它不是测定压痕面积；而是根据压痕深度来确定硬度值指标。其试验原理如图4-5所示。 图4-5洛氏硬度试验原理图洛氏硬度试验所用压头有两种：一种是顶角为的金刚石圆锥，另一种是直径为或的淬火钢球。根据金属材料软硬程度不一，可选用不同的压头和载荷配合使用，最常用的是HRA、HRB和HRC。这三种洛氏硬度的压头、负荷及使用范围列于表4-2。表4-2常用三种洛氏硬度试验规范标尺所用符号/压头总负荷kgf表盘上刻度颜色测量范围相当维氏硬度值应用范围HRA 金刚石圆锥60黑色70-85390-900碳化物、硬质合金、淬火工具钢、浅层表面硬化层HRB1/16钢球100红色25-10060-240软钢（退火态、低碳钢正火态）、铝合金HRC金刚石圆锥150黑色20-67249-900淬火钢、调质钢、深层表面硬化层洛氏硬度测定时，需要先后两次施加载荷(预载荷和主载荷)，预加载荷的目的是使压头与试样表面接触良好，以保证测量结果准确。图4-5中0-0位置为未加载荷时的压头位置，1-1位置为加上10kgf预加载荷后的位置，此时压入深度为，2-2位置为加上主载荷后的位置，此时压入深度为，包括由加载所引起的弹性变形和塑性变形，卸除主载荷后，由于弹性变形恢复而稍提高到3-3位置，此时压头的实际压入深度为。洛氏硬度就是以主载荷所引起的残余压入深度()来表示。但这样直接以压入深度的大小表示硬度，将会出现硬的金属硬度值小，而软的金属硬度值大的现象，这与布氏硬度所标志的硬度值大小的概念相矛盾。 为了与习惯上数值越大硬度越高的概念相一致，采用一常数(K)减去()的差值表示硬度值。为简便起见又规定每0.002mm压入深度作为一个硬度单位(即刻度盘上一小格)。2、测定洛氏硬度的技术要求（1）根据被测金属材料的硬度高低，按表4-2选定压头和载荷。（2）试样表面应平整光洁，不得有氧化皮或油污以及明显的加工痕迹。（3）试样厚度应不小于压入深度的10倍。（4）两相邻压痕及压痕离试样边缘的距离均不应小于3mm。（5）加载时力的作用线，必须垂直于试样表面。3、洛氏硬度试验机的结构和操作（1）洛氏硬度试验机的结构 H-100型杠杆式洛氏硬度试验机的结构如图4-6所示，其主要部分及作用如下：图4-6 H-100型洛氏硬度试验机结构图1支点；2指示器；3压头；4试样；5试样台；6螺杆；7手轮；8弹簧；9按钮；10杠杆；11纵杆；12重锤；13齿轮；14油压缓冲器；15插销；16转盘；17小齿轮；18扇齿轮1）机体及工作台：试验机有坚固的铸铁机体，在机体前面安装有不同形状的工作台，通过手轮的转动，借助螺杆的上下移动而使工作台上升或下降。2）加载机构：由加载杠杆(横杆)及挂重架(纵杆)等组成，通过杠杆系统将载荷传至压头而压入试样，借扇形齿轮的转动可完成加载和卸载任务。 3）千分表指示盘：通过刻度盘指示各种不同的硬度值(如图4-7所示)。图3-5 洛氏硬度指示盘（2）操作规程1）根据试样预期硬度按表1-2确定压头和载荷，并装入试验机。 2）将符合要求的试样放置在试样台上，顺时针转动手轮，使试样与压头缓慢接触，直至表盘小指针指到“0”为止，此时即已预加载荷10kgf。然后将表盘大指针调整至零点(HRA、HRC零点为0，HRB零点为30)。此时压头位置即为图4-5中的1-1位置。3）按动按钮，平稳地加上主载荷。当表盘中大指针反向旋转若干格并停止时，持续34秒(此时压头位置为图4-5中的2-2位置)，再顺时针旋转摇柄，直至自锁为止，即卸除主载荷。此时大指针退回若干格，这说明弹性变形得到恢复，指针所指位置反映了压痕的实际深度(此时压头位置相当于图4-5中的3-3位置)。由表盘上可直接读出洛氏硬度值，HRA、HRC读外圈黑刻度，HRB读内圈红刻度。4）逆时针旋转手轮，取出试样，测试完毕。四、实验内容与步骤1按表4-2所列工艺条件进行各种热处理操作。2测定热处理后的全部试样的硬度（炉冷，空冷试样测HRB，水冷和回火试样测HRC），并将数据填入表内。表4-2 实验内容材料编号热处理工艺硬度HRC组织加热温度/冷却方法回火温度/处理前处理后451860炉冷2860空冷3860油冷4860水冷5860水冷2006860水冷4007860水冷6008750水冷T129900炉冷10900空冷11900水冷12780水冷3实验步骤（1）每两人一小组，每10小组为一大组，每一小组一套试样。炉冷试样可由试验室事先处理好。（2）将同一 加热温度的45钢和T12 钢试样，分别放入860度和750度加热（炉温预先由实验室升好），保温1520分钟后，分头进行水冷，油冷或空冷的热处理操作。（3）从加热温度860摄氏度的水冷试样中取出三块45钢试样，分别放入200摄氏度，400摄氏度，600摄氏度的炉内进行回火，回火保温时间为30分钟。（4）热处理后的试样用砂纸磨去两端面氧化皮，然后测定硬度，并将数据填入表内。（5）每个同学必须抄下全班试验数据，以便独立进行分析。五、实验注意事项1装取试样时炉子要断电，装取试样后炉门要及时关好，并立即通电。2试样加热时，应尽量靠近热电偶断点附近，以保证热电偶测出的温度接近试样温度。3当试样颜色和炉膛颜色一致时，开始计算保温时间；保温时要注意温度测控仪表是否正常，以免跑温或升温速度太慢，发现问题应及时报告老师检查。4淬火冷却时，将试样迅速入油或入水，并不停地移动试样，且不要露出液面。5测硬度前要将试样的氧化皮剥掉。六、实验报告要求1写出实验目的。2列出全套硬度数据并将HRC、HRB的硬度值查表换算为HB或HV值。3根据热处理原理，预计各种热处理后的组织，并填入表中。4分析含碳量、淬火温度、冷却方式及回火温度对碳钢性能（硬度）的影响，根据数据画出它们同硬度的关系曲线，并阐明硬度变化的原因。七、思考题1生产中对T12 钢进行正火处理（加热到Accm）以上的实际意义是什么？为什么？245钢工件常用的热处理是什么？T12钢工件常用的热处理是什么？它们的组织和大致硬度怎样？3为什么淬火回火是不可分割的工序？确定工件回火温度规范的依据是什么？实验五 铁碳合金非平衡组织观察一、实验目的1观察碳钢经不同热处理后的显微组织。2了解热处理工艺对钢组织和性能的影响。3熟悉碳钢几种典型热处理组织（M、T、S、M回、S回等）的形态及特征。二、实验仪器设备1金相显微镜。2常用碳钢的不同热处理金相试样、金相图谱等。三、实验原理碳钢经退火、正火可的到平衡或接近平衡的组织；经淬火得到的是不平衡组织。因此，研究热处理后的组织时，不仅要参考铁碳相图，而且更主要的是参考C曲线（钢的等温转变曲线）。铁碳相图能说明慢冷时合金的结晶过程和室温下的组织以及相的相对量，C曲线则能说明一定成分的钢在不同冷却条件下的结晶过程以及所得到的组织。（一）共析钢连续冷却时的显微组织为了简便起见，不用CCT 曲线（连续冷却转变曲线）而用C曲线来分析。例如共析钢奥氏体，在慢冷时（相当于炉冷，见图5-1中的V1），应得到100珠光体。与由铁碳相图所得的分析结果一致；当冷却速度增大到V2时（相当于空冷），得到的时较细的珠光体，即索氏体或屈氏体；当冷却速度增大到V3时（相当于水冷），得到的为屈氏体和马氏体，当冷却速度增大至V4、V5时（相当于水冷），很大的过冷度使奥氏体骤冷到马氏体转变始点（M），瞬时转变成马氏体。其中与C曲线鼻尖相切的冷却速度（V4）称为淬火的临界冷却速度。 图5-1 共析钢的C曲线 图5-2 亚、过共析钢的C曲线（二）亚共析和过共析钢连续冷却时的显微组织亚共析钢的C曲线与共析钢的C曲线相比，在珠光体转变开始前多一条铁素体析出线，如图5-2所示。当钢缓慢冷却时（相当于炉冷，见图6-2中的V1），得到的组织为接近与平衡状态的铁素体加珠光体；随着冷却速度逐渐增加，由V1V2V3时，奥氏体得过冷程度增大，生成的过共析铁索体量减少，并主要沿晶界分布；同时珠光体量增多，含碳量下降，组织变得更细。因此，与V1、V2、V3对应得组织将为：铁素体珠光体、铁素体索素体、铁素体屈氏体。当冷却速度增大到V4时，只析出很少量得网状铁素体和屈氏体（有时可见很少量得贝氏体），奥氏体则是主要转变为马氏体。当冷却速度V6超过临界冷速时，钢全部转变为马氏体组织。过共析钢得转变与亚共析钢相似，不同之处氏后者先析出的是铁素体，而前者先析出的是渗碳体。（三）基本组织的金相特征1、索氏体（S） 是铁素体与渗碳体的机械混合物。其片层比珠光体更细密，在显微镜的高倍（700倍以上）放大时才能分辨。2、屈氏体（T）也是铁素体与渗碳体的机械混合物，片层比索氏体还细密，在一般光学显微镜下也无法分辨，只能看到如墨菊状的黑色形态。当其少量析出时，沿晶界分布，成黑色网状；包围着马氏体；当析出量较多时，成大块黑色团状，只有在电子显微镜下才能分辨其中的片层。3、贝氏体（B）为奥氏体的中温转变产物，它也是铁素体与渗碳体的两相混合物。在金相形态上，主要有两种形态：（1）上贝氏体是由成束平行排列的条状铁素体和条间断续分布的渗碳体所组成的非层状组织。当转变量不多时，在光学显微镜下为成束的铁素体条向奥氏体内伸展，具有羽毛状特征。在电镜下，铁素体以几度到十几度的小位向差相互平行，渗碳体则沿条的长轴方向排列成行（图5-3）。（2）下贝氏体是在片状铁素体内部沉淀有碳化物的两相混合物组织。它与淬火马氏体易受侵蚀，在显微镜下呈黑色针状（图5-4）。在电镜下可以见到，在片状铁素体机