金属学与热处理实验指导书.docx

金属学及热处理实 验 指 导 书学 生 实 验 守 则1. 不得随意乱动实验室内仪器、开关等2. 未经允许，不得将实验室内物品或实验完毕后的试料携出室外。3. 实验室内不得喧哗、打闹，不准吸烟，应注意保持室内卫生。4. 注意节约水、电、药、材料等。5. 爱护仪器设备，应预先了解一起使用方法，然后按操作规程使用之，禁止拆卸仪器。6. 仪器如有损坏应立即主动向指导老师报告，仪器损坏时，按赔偿制度办理。7. 实验前须预先阅读本次实验指导书及有关材料，实验时应按指导书进行实验。8. 认真记录实验结果，及时完成实验报告。9. 实验完毕业后经过教师检查仪器情况后，方的离开实验室。目 录实验1 光学金相显微镜的成像原理、构造及使用4实验2 金相试样制备7实验3 金相法鉴定钢中非金属夹杂10实验4 铁碳合金平衡组织分析13实验5 碳钢的热处理19实验6 碳钢非平衡显微组织观察27实验8 金属的塑性变形与再结晶34实验1 光学金相显微镜的成像原理、构造及使用一、实验目的1、理解金相显微镜的成像原理。2、熟悉金相显微镜的结构与主要部件的作用。3、掌握金相显微镜的使用方法。二、实验设备及材料1、台式金相显微镜2、制备好的金相试样三、实验原理材料的微观组织形貌，主要是依靠显微镜技术。光学显微镜是在微米尺寸上观察材料组织的主要设备，而扫描电子显微镜与透射电子显微镜的观察的尺度则是纳米级。本实验主要讲述光学金相显微镜的工作原理、功能、使用方法与维护。1、光学金相显微镜的放大成像原理金相显微镜是利用光线的反射原理，将不透明的物体放大后进行观察的，最简单的显微镜由两个透镜组成，因此，显微镜是经过两次成像的光学仪器。将物体进行第一次放大的透镜称为物镜，将物镜所称的像再经过第二次放大的透镜称为目镜。显微镜的基本成像原理图如下：显微镜总的放大倍数等于物镜的放大倍数乘以目镜的放大倍数。目前普通光学显微镜的最高有效放大倍数是1600-2000倍。2、光学金相显微镜的构造显微镜的结构可以分为：照明系统、光路系统、机械系统与摄影系统。图3、金相显微镜的使用金相显微镜属于精密的光学仪器，操作者必须充分了解其结构特点、性能以及使用方法，并严格遵守操作规程。1）使用步骤 接通电源 选择合适的物镜与目镜 使载物台对准物镜中心 视野光阑与目镜筒大小合适 先粗调再微调 聚焦使映像清晰2）使用注意事项 接通电源时，一定要注意光源所使用的电压值，对于台式显微镜电压为6V，切勿插到220V。 调焦时应先粗调，后微调。 操作者的手必须洗干净，小心谨慎操作，试样也要求清洁。 不得拆卸任意部件，尤其是物镜与目镜。 严谨用手摸光学零件。 不准观察特大试样，试样不得有残留氢氟酸等化学药品。 用完后取下物镜、目镜放入干燥缸内，将载物台处于非工作状态，切断电源，盖好防尘罩。四、实验内容及步骤1、观察显微镜的结构，了解各部件的作用，并绘制显微镜的光路示意图。2、装好显微镜的物镜、目镜，调好孔径光阑与视野光阑，观察分析已制备好的试样。3、绘制所观察到的金相显微组织特征图。4、借助于标尺对显微镜的实际放大倍数进行标定。五、实验报告要求1、写出实验目的及实验设备。2、简述金相显微镜的放大成像原理。3、光学金相显微镜主要由哪几部分组成？各部分又由哪几个零件组成？4、借助显微镜的光路图，说明聚光型垂直照明器、孔径光阑、视野光阑、滤色片的特点和作用。5、显微镜在使用过程中，应该注意哪些事项？6、绘制所制样品的金相显微组织特征图。7、借助标定尺对测微目镜在给定放大倍数下进行标定。8、对本次实验的体会与建议。实验2 金相试样制备一、实验目的掌握金相试样制备的基本方法。二、实验仪器与设备砂轮机、抛光机、吹风机、金相显微镜。三、实验步骤金相试样制备过程一般包括：取样、粗磨、细磨、抛光和浸蚀五个步骤。（一）取样从需要检测的金属材料和零件上截取试样称为“取样”。取样的部位和磨面的选择必须根据分析要求而定。截取方法有多种，对于软材料可以用锯、车、刨等方法；对于硬材料可以用砂轮切片机或线切割机等切割的方法，对于硬而脆的材料可以用锤击的方法。无论用哪种方法都应注意，尽量避免和减轻因塑性变形或受热引起的组织失真现象。试样的尺寸度列统一规定，从便于握持和磨制角度考虑，一般直径或边长为1520mm，高为1218mm比较适宜，对那些尺寸过小，形状不规则和需要保护边缘的试样，可以采取镶嵌或机械夹持的办法。金相试样的镶嵌，是利用热塑塑料（如聚氯乙烯），热固性塑料（如胶木粉）以及冷凝性塑料（如环氧树脂+固化剂）作为填料进行的。前两种属于热镶填料，热镶必须在专用设备镶嵌机上进行。第三种属于冷镶填料，冷镶方法不需要专用设备，只将适宜尺寸（约1520mm）的钢管、塑料管或纸壳管放在平滑的塑料（或玻璃）板上，试样置于管内，待磨面朝下倒入填料，放置一段时间凝固硬化即可。（二）磨制试样的磨制一般分为粗磨和细磨两道工序。（1）粗磨：粗磨的目的是为了获得一个平整的表面。钢铁材料试样的粗磨通常在砂轮机上进行，但在磨制时应注意：试样对砂轮的压力不宜过大，否则会在试样表面形成很深的磨痕，增加精磨和抛光的困难；要随时用水冷却试样，以免受热引起组织变化；试样边缘的棱角若无的困难；要随时用水冷却试样，以免受热引起组织变化；试样边缘的棱角若无保留必要，可进行倒角，以免在细磨及抛光时撕破砂纸或抛光布，甚至造成试样从抛光机上飞出伤人。（2）细磨：经粗磨后试样表面虽较平整，但还存在有较深的磨痕，细磨的目的就是为了消除这些磨痕，以得到平整而光滑的磨面，为下一步的抛光作好准备。将粗磨好的试样用水冲洗干净后就开始进行细磨，细磨是在一套粗细趁程度不同的金相砂纸上，由粗到细依次顺序进行。细磨时将砂纸平放在玻璃板上，手指紧握试样，并使磨面朝下，均匀用力向推行。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。每更换一号砂纸时，须将试样的研磨方向调转90，即与上一道磨痕方向垂直，直到将上一号砂纸所产生的磨痕全部消除为止。为了加快磨制速度，除手工磨制外，还可以将不同型号的砂纸贴在带有旋转圆盘的预磨机上，实现机械磨制。（三）抛光抛光的目的是去除细磨后遗留在磨面上的细微磨痕，得到光亮无痕的镜面。抛光的方法有机械抛光、电解抛光物化学抛光三种，其中最常用的是机械抛光。1、机械抛光机械抛光在抛光机上进行，将抛光织物（粗抛常用帆布，精抛常用毛呢）用水浸湿、铺平、绷紧用固定在抛光盘上。启动开关使抛光盘逆时针转动，将适量的抛光液（氧化铝、氧化铬或氧化铁抛光粉加水的悬浮液）滴洒在盘上即可进行抛光。2、电解抛光电解抛光原理示意图如图所示，阴极用不锈钢板制盛成，试样本身为阳极，二者同处于电解抛光液中，接通回路后在试样表面形成一层高电阻膜。由于度样表面高低不平，膜的厚薄也不同。试样表面凸起部分膜薄，电阻小，电流密度大，金属溶解速度快。相对面言，凹下部分溶解速度慢，这种选择性溶解结果，使试样表面逐渐平整，最后形成光滑平面。图 电解抛光原理示意图电解抛光系电化学溶解过程，因此它消除了机械抛光难以避免的疵病，不会引起试样表面变形。与机械抛光比较即省时间又操作简便。然而电解抛光也有其局限性，因其对材料化学成分不均匀的偏析组织以及非金属夹杂物等比较敏感，会造成局部强烈浸蚀而形成斑坑。另外镶嵌在塑料内的试样，因不导电也不适用。故目前仍然以机械抛光为主。铜合金、铝合金、奥氏体不锈钢及高锰钢等材料常用电解抛光。3、化学抛光化学抛光是依靠化学试剂对试样表面凹凸不平区域的选择性溶解作用将磨痕去除的一种方法。化学抛光不需要专用设备，成本低，操作方便，在抛光的同时还兼有化学浸蚀作用。省掉了抛光后的浸蚀步骤。但化学抛光的试样平整度略差些，仅适于低、中倍观察。对于一些软金属，如锌、铅，锡、铜等。实践证明，利用化学抛光要比机械抛光和电解抛光效果好。目前，其应用范围在逐渐扩大。化学抛光液，大多数是由酸或者混合酸（如草酸、磷酸、铬酸、醋酸、硝酸、硫酸氢氟酸等）过氧化氢及蒸馏水组成。混合酸主要起化学溶解作用，过氧化氢能增进金属表面的活化性，有助于化学抛光的进行，而蒸馏水为稀释剂。（四）浸蚀抛光后的试样在金相显微镜下观察，只能看到光亮的磨面，如果有划痕、水迹或扔料中的非金属夹杂物、石墨以及裂纹等也可以看出来，但是要分析金相组织还必须进行浸蚀。浸蚀的方法有多种，最常用的是化学浸蚀法，利用浸蚀剂对试样的化学溶解和电化学浸蚀作用将组织显露出来。纯金属（或单相均匀固溶体）的浸蚀基本上为化学溶解过程。位于晶界处的原子和晶粒内部原子相比，自由能较高，稳定性较差，故易受浸蚀形成凹沟，晶粒内部被浸蚀程度较轻，大体上仍保持原抛光平面。在明场下观察，可以看到一个个晶粒被晶界（黑色网络）隔开。如浸蚀较深，还可以发现各个晶粒明暗程度不同的现象，这是因为每个晶粒原子排列的位向不同，浸蚀后，以最密排面为主的外露面与原抛光面之间倾斜程度不同的缘故。两相合金的浸蚀与单相合金不同，它主要是一个电化学浸蚀过程。在相同的浸蚀条件下，具有较高负电位的相（微电池阳极）被迅速溶解凹陷下去；具有较高正电位的相（微电池阴tR）在正常电化学作用下不被浸蚀，保持原有的光滑平面，结果产生了两相之间的高度差。多相合金的浸蚀，同样也是一个电化学溶解过程，原理与两相合金相同。 化学浸蚀的方法虽然很简单，但是只有认真对待才能制备出高质量的试样，将抛光后的试样用水冲洗同时用脱脂棉擦净磨面，然后吸水纸吸去磨面上过多的水，吹干后用显微镜检查磨面上是否有道痕、水迹等。同时证明未经过浸蚀的试样是无法分析组织的，经检查后合格的试样可以放在浸蚀剂中，抛光面朝上，不断观察表面颜色的变化。这是浸蚀法。也可以用沾有浸蚀剂的棉花轻轻擦拭抛光面，观察表面颜色的变化。此为擦蚀法。待试样表面被浸蚀得略显灰暗时即刻取出，用流水冲洗后在浸蚀面上滴些酒精，再用滤纸吸去过多的水和 酒精，迅速用吹风机吹干，完成整个制备试样的过程。下图为浸蚀显示原理示意图。图 浸蚀显示原理示意图（a）晶界处光线的散射（b）组织显示-直射光反映为亮色晶粒，散射光反映为晶界关于浸蚀剂的选择可参考有关文献。钢及铸铁等黑色金属最常用的浸蚀剂为4%硝酸酒精溶液。浸蚀后的试样在显微镜下观察时，如发现表面变形层严重影响组织的清晰度时，可采取反复抛光、浸蚀的办法去除变形层。四、实验内容1）按粗磨一细磨一机械抛光一浸蚀的步骤制备金相试样；2）对比观察浸蚀前，浸蚀后试样的金相形貌。五、实验步骤1）磨样领取待磨试样，用砂轮机粗磨，用金相砂纸细磨，进行机械抛光；2）浸蚀前观察对抛光后洗净，吹干的试样进行浸蚀前的检查；3）浸蚀将抛光合格的试样置于浸蚀剂中浸蚀；4）观察金相组织对浸蚀后的试样进行观察，联系化学浸蚀原理对组织形态进行分析。如浸蚀程度过浅，可重新浸蚀；若过深，待重新抛光后才能浸蚀；若变形层严重，反复抛光一浸蚀12次后再观察组织清晰度的变化。六、实验报告要求1、说明本次实验目的；2、简述制备金相试样的过程；3、分析实际制样中出现的问题。实验3 金相法鉴定钢中非金属夹杂1 实验目的初步了解金相法鉴定钢中非金属夹杂物的定性及定量实验操作技术。2 实验原理金相法是研究钢中非金属夹杂的一种常用方法，利用金属显微镜，在明场、暗场和偏振光照明条件下直接观察磨光钢样表面上夹杂物的形状、大小、分布、结构、可磨性、塑性、反光能力、透明度、固有颜色及各向异性效应等性质。金相法只能鉴定已知名称的夹杂物，对未知名称的夹杂物以及要进一步确定夹杂物准确的化学组成和某些物理性质，还必须配合其他方法综合分析。3 仪器描述装备有明视场、暗视场及偏振光照明系统的金相显微镜是实验的主要设备，辅助设备还有砂轮机，抛光机等。下面简单的介绍明、暗视场及偏振光照明在定性鉴定夹杂物中的作用。图 1 明视场照明略图(1)-样品;(2)-孔径光栏的像;(3)-No1 透镜的像;(4)-物镜;(5)-光源的像;(6)-镜子;(7)-反射平面镜;(8)-消色差透镜;(9)-No4 透镜;(10)-视场光栏;(11)-No3 透镜;(12)-No2 透镜;(13)-孔径光栏;(14)-光源的像;(15)-滤光片;(16)-No1 透镜;(17)-光源.3.1 明视场照明从光源出发经一系列透镜折射后的光线由平面镜或三棱镜反射，经物镜射向试样表面。反射后的光线重新射入物镜，然后经镜筒达目镜（图1）。若样品表面如镜面般光亮，在目镜观察时，视场是明亮的。在明视场下主要观察夹杂的大小、形状、分布、反光能力、结构及可磨、可塑性等性质。3.2 暗视场照明在物镜的外围放置一个特殊的环状聚光镜，在入射光的途径上安置一环状光栏，挡住入射光束的中心部分。因而光线不经物镜，由环状取光镜以很大的角度斜射至样品的表面上，并以相同的角度反射（图2）。这些反射光不能进入.物镜.故从目镜观察样品时视场暗黑。若夹杂物是透明的或样品表面有凹坑、磨痕等，则产生光的散射，部分光射入物镜在目镜中可以看到。在暗视场照明下，由于基底衬度较暗，又没有大量白色光的干扰，便于观察夹杂物的透明度，固有颜色以及夹杂物结构等性质。图 2 暗视场照明略图(1)-环形光栏;(2)-镜子;(3)-反射平面镜;(4)-暗场聚光镜;(5)-消色差透镜;(6)-No 8 透镜;(7)-No 2 透镜;(8)-No 叮锈镜;(9)-孔径光栏;(10)-可拆卸透镜;(11)-隔热器;(12)-聚光镜;(13)-光源.图 3 普通光微粒的振动(a)-普通光微粒的振动方向;(b)-普通光各个微粒的紊乱振动.3.3 偏振光明、暗视场明法是应用普通光。普通光在垂直于光波（光线传波方向的）平面上各方向振动（图3）。而偏振光仅在平面上的一个固定方向产生振动。这个方向垂直于光传播的方向，其振动是有规律的（图4）。因而可以用偏振光来鉴别夹杂物晶体的各向同性或各向异性性质，因为方向性是各向异性晶体的主要性质。图 4 偏振光微粒在某一定平面上的有规律振动一般用显像镜观察，要得到偏振光，通常采用尼科尔棱镜或偏振片。尼科尔棱镜是利用天然晶体（方解石、石英）的双折射性质。普通光通过具有双折射性质的晶体时，分解为振动方向互相垂直的两条光线，一条叫“”光，一条叫“”光，两者除去一个，就得到了在一个方向振动的平面偏振光。偏振片的原理也一样，它是在透明的赛潞咯薄片上涂一层硫酸金鸡纳碱的微粒晶体制成。采用偏振光鉴定夹杂物的各向同性和各向异性时，必须加上起偏镜和检偏镜，（起偏镜和检偏镜互相垂直），当转动载物台观察夹杂物时，各向同性夹杂无任何变化，而各向异性夹杂则在载物台转动360时，有四次消光和四次发亮。各向异性微弱的夹杂如Al2O3 在载物台转动360时只有微弱的明亮变化。各向同性的夹杂在正交尼科尔或正交偏振片情况下，对入射的偏振光不起作用，故转动载物台时不发生光度变化。当入射的偏振光射至各向异性晶体时，则分解为两个互相垂直的分偏振光反射出来，并且两个分偏振光振幅发生变化且造成相位差，即入射的平面偏振光经各向异性夹杂晶体（夹杂）反射后，变为椭圆偏振光了。在正交偏光镜下，这椭圆偏振光有一个分偏振光可以透过检偏镜，使得视场内能清析地看到各向异性的夹杂物。由于分偏振光振幅变化与入射光同晶体的取向有关，故形成的椭圆偏振光的形状、取向随入.射光与晶体的取向而变化。当载物台旋转时夹杂物就会交替的出现亮度最强和亮度最弱，即交替的发亮和消失。对于透明的球状夹杂，由于光的多次反射和干扰，在正交偏光镜下可看到中间贯以黑十字形的明亮交替的继续的同心环，即所谓“黑十字特征”。正交偏光镜下，由于视场变暗，也便于观察夹杂物的透明度及固有颜色。4 方法步骤4.1 试样的制备将选取之试样加工成15mm，长20mm 或151520mm 的规格，在砂轮机上打平观察面，再在05#（由粗到细金相砂纸上磨制，每换一道砂纸时其磨制方向改变90，最后在抛光机上将试样抛至镜面般光亮。4.2 夹杂物的定性鉴定：将磨好的试样在显微镜下用低的放大倍数（100200 倍）在明视场下观察其形状、分布、颜色、可磨、可塑性等并加以记录（见表1）。然后选用高的放大倍数的物镜在明视场、暗视场、偏振光照明下，透明度，反射能力，各向同性异性效应等特征。用彩色铅笔绘图并进行描述。将最后结果与表2 中所列夹杂物明、暗视场，偏振光下的特性对照，定出所观察夹杂物的名称。4.3 夹杂物的定量测定金相法定量测定钢中夹杂物，应考虑到在不透明的磨光表面上所看到的夹杂物的数目和尺寸与钢中夹杂物的真实数目尺寸及其在钢中所占的体积之间存在着复杂关系。因此用此法测得夹杂物的绝对值误差较大。但其相对值是一致的，仍可利用此法鉴定钢中夹杂物的分布曲线。定量鉴定夹杂物的方法基本有两种：（1）将磨光片下观察到被夹杂物所沾污的程度和夹杂物的评级标准图比较。（2）在显微镜下选一定数量的视场，计算未经浸蚀的磨光片上夹杂物的数目。前一种方法比较简便，在生产鉴定中广为采用。后一种方法多用于系统鉴定夹杂物的分布状况，现叙述如下：在一定的放大倍数下（视场面积已知），用目镜中的显微测微尺测量该视场中的夹杂物的面积。重复观测1020 个视场，记下所测得同种类型夹杂物面积的平均值，按下式进行计算。式中：Q 一钢中夹杂物的含量，；S 夹一各视场中观察同种类型夹杂物面积的平均值；S 样一夹杂物的比重；r 夹一夹杂物的比重；r 钢一钢的比重。测量夹杂物面积时，对于圆形夹杂量直径，对于不规则夹杂，则用割补的方法进行测量。若同一视场中有二个以上相同大小的夹杂物，记载为，其底数为相等夹杂个数，指数为面积，如354 即三个面积为54 大小的夹杂物。实验4 铁碳合金平衡组织分析一、实验目的1. 熟练运用铁碳合金相图，提高分析铁碳合金平衡凝固过程及组织变化的能力。2. 掌握碳钢和白口铸铁的显微组织特征。二、原理概述铁碳合金相图是研究碳钢组织、确定其热加工工艺的重要依据。按组织标注的铁碳相图见图。铁碳合金在室温的平衡组织均由铁素体（F）和渗碳体（Fe3C）两相按不同数量、大小、形态和分布所组成。高温下还有奥氏体（A）和固溶体相。利用铁碳合金相图分析铁碳合金的组织时，需了解相图中各相的本质及其形成过程，明确图中各线的意义，三条水平线上的反应及反应产物的本质和形态，并能做出不同合金的冷却曲线，从而得知其凝固过程中组织的变化及最后的室温组织。根据含碳量的不同，铁碳合金可分为工业纯铁、碳钢及白口铸铁三大类，现分别说明其组织形成过程及特征。1. 工业纯铁 碳的质量分数小于0.0218%的铁碳合金称为工业纯铁。见图1-1。当其冷到碳在-Fe中的固溶度线PQ以下时，将沿铁素体晶界析出少量三次渗碳体，铁素体的硬度在80HB左右，而渗碳的硬度高达800HB，因工业纯铁中的渗碳体量很少，故硬度、强度不高而塑性、韧性较好。图1-1 工业纯铁组织 2. 碳钢 碳的质量分数在（0.02182.11）%之间的铁碳合金称为碳钢，根据合金在相图中的位置可分为亚共析、共析和过共析钢。 （1）共析钢 成分为，在727以上的组织为奥氏体，冷至727时发生共析反应： 将铁素体与渗碳体的机械混合物称珠光体（P）。室温下珠光体中渗碳体的质量分数约为12%，慢冷所得的珠光体呈层片状。图1-2 珠光体电镜组织 图1-3 珠光体光镜组织采用电子显微镜高倍放大能看出Fe3C薄层的厚度，图1-2中窄条为Fe3C，宽条为F基体，两者有明显的分界线。在普通光学显微镜下观察时，只能看到Fe3C成条条细黑线分布在铁素体上，见图1-3。位向相同的一组铁素体加渗碳体片层，称一个共析领域。当放大倍数低，珠光体组织细密或浸蚀过深时，珠光体中的片层难以分辨，呈一片暗色区域。（2）亚共析钢 成分为0.0218%0.5%，珠光体成为钢的基体，铁素体呈连续或断续的网络状围绕着珠光体分布，这是由于先共析铁素体是沿原奥氏体边界优先析出，至一定量后，剩余奥氏体才转变为珠光体，不同含碳量的亚共析钢的显微组织见图1-4。 （a） 20钢 （b）40钢图1-4 亚共析钢显微组织（3）过共析钢 成分为0.77%HRC30时，K=11；HRC30时，K=12。 x所要求的硬度值（HRC）。保温时间：回火保温时间与工件材料及尺寸、工艺条件等因素有关，通常采用13小时。由于实验所用试样较小，故回火保温时间可为30分钟，回火后在空气中冷却。六、实验方法指导1. 实验内容及步骤1) 淬火部分的内容及具体步骤：（1）根据淬火条件不同，分五个小组进行，见表3-7 表3-7 淬火实验组别淬火加热温度（）冷却方式20钢45钢T12钢处理前硬度处理后硬度处理前硬度处理后硬度处理前硬度处理后硬度11000水冷2750水冷3860空冷4860油冷5860水冷注：14组每种钢号各一块；5组除20、T12钢各一块外，45钢取五块，以供回火用。（2）加热前先将全部试样测定硬度。为便于比较，一律用洛氏硬度测定。（3）根据试样钢号，按照Fe-Fe3C相图确定淬火加热温度及保温时间（可按1分钟/每毫米直径计算）。 （4）各组将淬火及正火后的试样表面用砂纸（或砂轮）磨平，并测出硬度值（HRC）填入表3-7中。 2) 回火部分的内容及具体步骤： （1）根据回火温度不同，分五个小组进行，见表3-8。各小组将已经正常淬火并测定过硬度的45钢试样分别放入指定温度的炉内加热，保温30分钟，然后取出空冷。 （2）用砂纸磨光表面，分别在洛氏硬度机上测定硬度值。 （3）将测定的硬度值分别填入表3-8中 表3-8 回火实验组 别12345回火温度200300400500600回火前HRC回火后HRC2. 实验设备及材料1) 箱式电炉及控温仪表；2) 水银温度计；3) 洛氏硬度机；4) 冷却剂：水，油（使用温度约20）；5) 试样：20钢，45钢，T12钢。3. 注意事项1). 本实验加热都为电炉，由于炉内电阻丝距离炉膛较近，容易漏电，所以电炉一定要接地，在放、取试样时必须先切断电源。2) 往炉中放、取试样必须使用夹钳，夹钳必须擦干，不得沾有油和水。开关炉门要迅速，炉门打开时间不宜过长。3) 试样由炉中取出淬火时，动作要迅速，以免温度下降，影响淬火质量。4) 试样在淬火液中应不断搅动，否则试样表面会由于冷却不均而出现软点。5) 淬火时水温应保持2030左右，水温过高要及时换水。6) 淬火或回火后的试样均要用砂纸打磨，去掉氧化皮后再测定硬度值。4. 实验报告要求1) 明确本次实验目的。2) 分析加热温度与冷却速度对钢性能的影响。3) 绘制出45钢回火温度与硬度的关系曲线图。4) 分析实验中存在的问题。实验6 碳钢非平衡显微组织观察一、实验目的1. 观察和研究碳钢经不同形式热处理后显微组织的特点。2. 了解热处理工艺对钢组织和性能的影响。二、概述表2-1 共析碳钢（T8）过冷奥氏体在不同温度转变的组织及性能转变类型组织名称形成温度范围（）金相显微组织特征硬度（HBC）珠光体型相变珠光体（P）650 在400500倍金相显微镜下可观察到铁素体和渗碳体的片层状组织20（HB180200）索氏体（S）600650在8001000倍以上的显微镜下才能分清片层状特征，在低倍下片层模糊不清2535屈氏体（T）550600 用光学显微镜观察时呈黑色团状组织，只有在电子显微镜（500015000）下才能看出片层组织3540贝氏体型相变上贝氏体（B上）350550 在金相显微镜下呈暗灰色的羽毛状特征4048下贝氏体（贝下）220350 在金相显微镜下呈黑色针叶状特征4858马氏体型相变马氏体（M）230 在正常淬火温度下呈细针状马氏体（隐晶马氏体），过热淬火时则呈粗大片状马氏体6265 铁碳合金经缓冷后的显微组织基本上与铁碳相图所预料的各种平衡组织相符合，但碳钢在不平衡状态，即在快冷条件下的显镜组织就不能用铁碳合金相图来加以分析，而应由过冷奥氏体等温转变曲线图C曲线来确定。图2-1为共析碳钢的C曲线图。 按照不同的冷却条件，过冷奥氏体将在不同的温度范围发生不同类型的转变。通过金相显微镜观察，可以看出过冷奥氏体各种转变产物的组织形态各不相同。共析碳钢过冷奥氏体在不同温度转变的组织特征及性能如表2-1所示。图2-1 共析碳钢的C曲线三、钢的退火的正火组织亚共析成分的碳钢（如40、45钢等）一般采用完全退火，经退火后可得到接近于平衡状态的组织，其组织特征已在实验一中加以分析和观察。过共析成分的碳素工具钢（如T10、T12钢等）一般采用球化退火，T12钢经球化退火后组织中的二次渗碳体及珠光体中的渗碳体都将变成颗粒状，如图2-2所示。图中均匀而分散的细小粒状组织就是粒状渗碳体。45钢经正火后的组织通常要比退火的细，珠光体的相对含量也比退火组织中的多，如图2-3所示，原因在于正火的冷却速度稍大于退火的冷却速度。 图2-2 T12钢球化退火组织 图2-3 45钢经正火后的组织四、钢的淬火组织将45钢加热到760（即以上，但低于），然后在水中冷却，这种淬火称为不完全淬火。根据Fe-Fe3C相图可知，在这个温度加热，部分铁素体尚未溶入奥氏体中，经淬火后将得到马氏体和铁素体组织。在金相显微镜中观察到的是呈暗色针状马氏体基底上分布有白色块状铁素体，如图2-4所示。45钢经正常淬火后将获得细针状马氏体，如图2-5所示。由于马氏体针非常细小，在显微镜中不易分清。若将淬火温度提高到1000（过热淬火），由于奥氏体晶粒的粗化，经淬火后将得到粗大针状马氏体组织，如图2-6所示。若将45钢加热到正常淬火温度，然后在油中冷却，则由于冷却速度不足（K），得到的组织将是马氏体和部分屈氏体（或混有少量贝氏体）。图2-7为45钢经加热到800保温后油冷的显微组织，亮白色为马氏体，呈黑色块状分布于晶界处的为屈氏体。T12钢在正常温度淬火后的显微组织如图2-8所示，除了细小的马氏体外尚有部分未溶入奥氏体中的渗碳体（呈亮白颗粒）。当T12钢在较高温度淬火时，显微组织出现粗大的马氏体，并且还有一定数量（1530%）的残余奥氏体（呈亮白色）存在于马氏体针之间，如图2-9所示。 图2-4 45钢不完全淬火组织 图2-5 45钢正常淬火组织 图2-6 45钢过热淬火组织 图2-7 45钢800油冷的显微组织 图2-8 T12钢在正常温度淬火后的显微组织 图2-9 T12钢过热淬火组织五、淬火后的回火组织钢经淬火后所得到的马氏体和残余奥氏体均为不稳定组织，它们具有向稳定的铁素体和渗碳体的两相混合物组织转变的倾向。通过回火将钢加热，提高原子活动能力，可促进这个转变过程的进行。淬火钢经不同温度回火后所得到的组织不同，通常按组织特征分为以下三种：1. 回火马氏体淬火钢经低温回火（150250），马氏体内的过饱和碳原子脱溶沉淀，析出与母相保持着共格联系的碳化物，这种组织称为回火马氏体。回火马氏体仍保持针片状特征，但容易受浸蚀，故颜色要比淬火马氏体深些，是暗黑色的针状组织，如图2-10所示。图2-10 45钢低温回火组织2. 回火屈氏体淬火钢经中温回火（350500）得到在铁素体基体中弥散分布着微小粒状渗碳体的组织，称为回火屈氏体。回火屈氏体中的铁素体仍然基本保持原来针状马氏体的形态，渗碳体则呈细小的颗粒状，在光学显微镜下不易分辨清楚，故呈暗黑色，如图2-11(a)所示。用电子显微镜可以看到这些渗碳体质点，并可以看出回火屈氏体仍保持有针状马氏体的位向，如图2-11（b）所示。 （a）金相照片 （b）电镜照片 图2-11 45钢4000C回火组织3. 回火索氏体淬火钢高温回火（500650）得到的组织称为回火索氏体，其特征是已经聚集长大了的渗碳体颗粒均匀分布在铁素体基体上，如图2-12(a)所示。用电子显微镜可以看出回火索氏体中的铁素体已不呈针状形态而成等轴状，如图2-12(b)所示。 （a）金相照片 （b）电镜照片 图2-11 45钢6000C回火组织六、实验方法指导1. 实验内容及步骤1) 每组领取一套样品，在指定的金相显微镜下进行观察。观察时根据Fe-Fe3C相图和奥氏体等温转变图来分析确定各种组织的形成原因。2). 画出所观察到的几种典型的显微组织形态特征，并注明组织名称、热处理条件及放大倍数等。3) 本实验所研究的45钢及T12钢的热处理工艺、显微组织、浸蚀剂及放大倍数列于表2-2。表2-2 45钢和T12钢经不