工程材料与热处理综合实践指导书.doc

工程材料与热处理综合实践指导书 11工程材料与热处理综合实践指导书曾豪华编广东技术师范学院机电学院22课程类型学科专业基础课课程代码09402318课程总学时48实验课程性质基础实验课程实验学时30综合性、设计性实验项目数个学时适用专业机电、CAD、汽车开课时间二年级二学期开课单位金相热处理实验室撰写人曾豪华审定人 一、综合实践周的指导思想及目的为了加深学生对课堂所学理论的理解和掌握，达到根据零件的工作条件正确选择材料及正确制定实施热处理工艺的目的，特安排了本次综合实践。 工程材料与热处理是在若干基础科学的生产实践基础上发展起来的一门科学，但它的一些主要理论是通过实践并总结了实践的规律而建立起来的。 实践不仅可以使学生通过自己的实践来验证课堂的理论知识，加深理解、理论联系实际，而且也可以培养学生观察问题、发现问题、分析问题和解决问题的能力。 因此，在工程材料与热处理这次综合实践周中必须给予足够充分的重视。 务必使学生们通过这次工程材料与热处理综合实践周，充分了解和掌握工程材料与热处理最基本的方法和知识。 每一位学生都能操作金属材料热处理的全过程，并独立制作出合格的金相组织试样。 二、综合实践周的任务工程材料与热处理综合实践周是在学生们学完工程材料与热处理这门课后安排在金相热处理实验室所要完成的十分重要的实践性教学环节。 综合实践时间安排35天。 综合实践的任务是1.根据零件的工作条件选择零件材料及制定正确的热处理工艺；2.选择毛坯的种类、选择成型的方法、绘制出毛坯图；3.制定工艺方案及拟定工艺路线；4.制定正确的热处理工艺，掌握主要热处理工种（如正火、淬火、回火）的基本操作技能，正确地使用热处理工种的主要设备，独立地完成简单零件的热处理工作；335.通过热处理的质量分析，能初步地运用在工程材料与热处理中已学到的基本知识去分析和解决生产中的实际问题；6.能正确使用洛氏硬度计和金相显微镜，通过电脑屏幕图象的分析、了解和掌握金属材料金相组织分析的全过程和方法，初步掌握金相试样的制作方法和检验技术。 三、综合实践周的时间分配实习（进度）日程安排表上午班先由实习指导老师讲清楚本次工程材料综合实习周的重要性，进行必要的安全教育；然后按学号顺序进行分组，由学生自行选出本组的组长，并按组分配任下午班先由实习指导老师讲清楚本次工程材料综合实习周的重要性，进行必要的安全教育；然后按学号顺序进行分组，由学生自行选出本组的组长，并按组分配任务。 然后介绍金相显微镜电脑互动系统务。 然后介绍金相显微镜电脑互动系统一的使用方法和注意事项。 接着让全体学生按规定的要求到图书馆或网上查找资料、认真阅读本次工程材料与热处理综合实习指导书，并要求写出预习报告。 全体学生按试样规定的制作步骤，领二取工件，打磨表面、测硬度，并按规定的步骤开始正式制做各自的正火试件。 先对各组的试件按热处理步骤进行淬火热处理，热处理完后对试件进行表面打三磨、测量经过淬火热处理后试件的硬度，然后全体学生按规定的步骤进行淬火工件的制做。 先对各组的试件按热处理步骤进行回四火热处理，热处理完后对试件进行表面打磨、测量经过回火热处理后试件的硬度，的使用方法和注意事项。 接着让全体学生按规定的要求到图书馆或网上查找资料、认真阅读本次工程材料与热处理综合实习指导书，并要求写出预习报告。 全体学生按试样规定的制作步骤，领取工件，打磨表面、测硬度，并按规定的步骤开始正式制做各自的正火试件。 先对各组的试件按热处理步骤进行淬火热处理，热处理完后对试件进行表面打磨、测量经过淬火热处理后试件的硬度，然后全体学生按规定的步骤进行淬火工件的制做。 先对各组的试件按热处理步骤进行回火热处理，热处理完后对试件进行表面打磨、测量经过回火热处理后试件的硬度，44然后全体学生按规定的步骤进行回火工件的制做。 先由实习指导老师对本次实习进行讲然后全体学生按规定的步骤进行回火工件的制做。 先由实习指导老师对本次实习进行讲评，并就实习报告的内容和要求进行说明；评，并就实习报告的内容和要求进行说明；然后全体学生在实习指导老师的带领下搞五好实习场所的清洁卫生。 剩余时间让全体学生回去认真写本次工程材料综合实习周的工程材料综合实习周的。 好实习场所的清洁卫生。 剩余时间让全体学生回去认真写本次工程材料综合实习周的工程材料综合实习周的。 然后全体学生在实习指导老师的带领下搞 四、综合实践的步骤与工作程序（一）接受任务（请看P12下面的工程材料与热处理综合实践周任务书）预习报告的内容和要求根据分组和所分配的工件有针对性地选择有关书籍去查找相关的资料。 1.分析零件的工作条件及失效形式，2.提出零件材料的性能和要求，3.选择材料及毛坯的类型，4.制定零件的工艺路线（确定热处理淬火、回火、及时间、温度等参数）。 （二）选择零件的材料及制定热处理工艺1.材料及毛坯类型的选择；2.热处理工艺的制定1）退火 （1）完全退火工艺a.加热温度原则上是碳钢为A c33050，合金钢为A c33070。 但在实际生产中，为加速钢奥氏化过程，常常采用更高的温度。 常用钢的退火加热温度可查有关资料。 b.加热速度对于一般形状不太复杂、尺寸不是很大的碳钢或低合金钢工件，加热速度可不予以控制。 但对中、高合金钢工件，特别是大件，则多采用低温（250）装炉，分区升温（即升到一定温度后保温再继续加热）的方法。 其升温速度在600以下宜控制在3070/小时；高于此温度时可控制在80100/55小时。 c.保温时间保温时间应以保证奥氏体成分大致均匀为原则。 装炉量大时，保温时间应适当延长。 在箱式炉中退火，通常可按每mm有效厚度保温1.52.5分钟估算。 （2）不完全退火工艺a.加热温度碳钢加热至A c1A m(A c1A c3)之间。 b.加热速度、保温时间与完全退火相同。 （3）球化退火工艺按不完全退火工艺执行。 2）正火a.加热温度A c3或A m以上3050。 但在实际生产中，除共析钢和过共析钢外，一般都高于这个温度。 常用钢的正火加热温度可查有关资料。 b.保温时间大致与完全退火相同。 但当加热温度较高时，保温时间可予缩短。 3）淬火a.加热温度A c3或A c1以上3050。 但在实际生产中，淬火温度往往超过上述范围。 碳钢淬火多按A c3或A c1以上3070进行。 合金钢的淬火温度一般也是根据其临界点选定，但淬火温度可取上限或更高一些，具体温度可查有关资料。 b.保温时间按经验公式估算tKD。 其中t加热时间（分）；加热系数（分/毫米），用中温箱式电炉时，碳钢1.01.5；合金钢1.21.8；K工件装炉时的间隙系数，实验室条件下可取K1.22.0；D工件的有效厚度（毫米）。 4）回火a.加热温度查资料或按经验公式确定。 如45钢可参考经验公式回火温度（）20011（60H）。 其中H要求工件具有的硬度值（HRC值）。 用于其它钢时应作调整，此外还应避开第一类回火脆性温度范围。 66b.保温时间常按经验公式估算tDb。 其中t加热时间（分）；加热系数（分/毫米），用中温箱式电炉时，取22.5；b时间基数，一般为1020分钟；D工件有效厚度（毫米）。 （三）实施热处理工艺。 1）制定热处理工艺路线1.黄铜接线钢板落料凹模（Cr12MoV）下料锻造球化退火机械加工去应力退火淬火回火磨模面。 2.手用丝锥（T10）下料锻造球化退火（当轧材原始组织球化不良时才采用）机械加工（大量生产时采用滚压方法加工螺纹）淬火、低温回火柄部回火回火（渗入600硝盐炉中快速回火）（发蓝）。 3.钳工凿子（T8）下料锻造球化退火机械加工淬火低温回火磨。 4.汽车板弹簧（60Si2Mn）下料压力成型加工淬火中温回火。 5.整体车刀或盘状铣刀（W18Cr4V）下料锻造退火机械加工淬火三次回火。 6.齿轮轴或齿轮（45钢）下料锻造退火机械加工淬火回火。 2）热处理的具体操作步骤1.黄铜接线钢板落料凹模（Cr12MoV）热处理工序 （1）.淬火1030，保温18分钟，油冷，HRC5860；（4硝酸酒精浸蚀时间为1518分钟）。 淬火后的基体组织为隐针马氏体残留奥氏体分辨不清，剩余的粒状碳化物相对较多。 77热处理工序 （2）.回火250，保温45分钟，空冷，HRC57；（4硝酸酒精浸蚀时间为1518分钟）。 回火后的基体组织变黑，回火马氏体隐约可辩，残余奥氏体呈白色，白色奥氏体在黑色背景下特别清晰。 2.手用丝锥（T10）热处理工序 （1）淬火780，保温15分钟，水冷；HRC60；（4硝酸酒精浸蚀时间为110秒钟，即试样变灰色既可）。 热处理工序 （2）回火200，保温45分钟，空冷；HRC62；（4硝酸酒精浸蚀时间为110秒钟，即试样变灰色即可）。 淬火加热保温后，采用硝盐等温冷却。 淬火后，丝锥表面（23mm）的基体组织为贝氏体马氏体+渗碳体+残余奥氏体（少量），HRC硬度60，具有很高的耐磨性；心部组织为屈氏体+贝氏体+马氏体+渗碳体+残余奥氏体（少量），硬度为HRC3045，具有足够的韧性；丝锥等温淬火后变形量一般在允许的范围内。 对于较大的丝锥（大于M12），要得到淬硬的表面，应先在碱浴中分级，再在硝盐中等温停留，然后空冷。 3.钳工凿子（T8）热处理工序 （1）淬火780，保温15分钟，水冷；HRC60；（4硝酸酒精浸蚀时间为110秒钟，即试样变灰色即可）；热处理工序 （2）回火180200，保温45分钟，空冷；HRC64。 （4硝酸酒精浸蚀时间为110秒钟，即试样变灰色即可）。 T8钢是共析钢，过热敏感性大，容易出现过热的粗大的马氏体组织，导致工88件开裂，淬火后也很少有剩余的碳化物，耐磨性也较差，但大截面工件的中心不会出现网状二次碳化物。 4.汽车板弹簧（60Si2Mn）热处理工序 （1）淬火870，保温23分钟，油冷；HRC62；（4硝酸酒精浸蚀时间为12秒钟）。 淬火后的基体组织为针状马氏体和板条马氏体的混合组织，淬火后表面有铁素体纯脱碳层，次层为铁素体+低碳马氏体，内层为板条马氏体，中心的正常组织为交叉分布的针状马氏体。 热处理工序 （2）回火480，保温45分钟，空冷；HRC45。 （4硝酸酒精浸蚀时间为12秒钟）。 5.整体车刀或盘状铣刀（W18Cr4V）热处理工序 （1）.淬火1280，保温1518分钟，油冷；HRC62；（4硝酸酒精浸蚀时间为56分钟）。 淬火后的基体组织为隐针马氏体和细针马氏体、未溶合金碳化物与大量的残余奥氏体（约30%）。 热处理工序 （2）.三次回火560保温3740分钟空冷HRC62。 （4硝酸酒精浸蚀时间为56分钟）。 回火后的基体组织为回火马氏体、碳化物、残余奥氏体。 6.齿轮轴或齿轮（45钢）热处理工序 （1）.淬火840，保温25分钟，水冷；HRC62；（4硝酸酒精浸蚀时间为110秒钟，即试样变灰色既可）。 淬火后的基体组织为为板条马氏体和片状马氏体及少量残留奥氏体的混合组织。 淬火的步骤如下入炉保温出炉油冷（或水冷）。 热处理工序 （2）。 回火560，保温30分钟，空冷；HRC2530.（4硝酸酒精浸蚀时间为110秒钟，即试样变灰色既可）。 回火后的基体组织为回火索氏体。 附磨制试件的工作原理磨光在金相试样制造过程中是一个很重要的环节，它不单纯是要将试样磨99光，还具有在磨光过程中注意去除在截取时带来的损伤和变形层的作用。 当然，在磨光过程中一方面去除由于砂轮片切割等引入的严重变形层，同时在磨光过程中也不可避免地会地会产生磨制引入的新的表层应变。 见下图所示磨制后试样表层的应力分布图从上图可以看出最表层为严重的变形层（磨痕），层深较薄呈黑色。 向下，可以看到应力集中从磨痕向下呈放射状扩展，其应变量仍大于5%，通常称这层为显著变形层。 再向下则形成浅蚀条纹，据认为是存在形变的扭折带的标志，应变小，称之为变形层。 磨制产生的变形层对金属的显微组织会产生影响，只是因材料的不同、制样过程的差异引起的变形深度不同，表现形式不同而已。 常能见到的如在珠光体钢中变形层使珠光体片层扭曲，锌、铅金属由于变形层导致的晶粒破碎和产生机械孪晶等。 砂纸磨光表面变形层消除过程见下图1010磨光过程中，既有消除严重变形层又有形成新的变形层的可能，因此在磨光过程中，应注意砂纸及磨光器材的选用和操作方法，合理地制定磨光工艺，尽量把变形层减至最小。 试件的制作基本步骤（注用砂布磨光的主要目的是要消除试件表面的变形层。 ）1.先用1粗砂布粗磨上下两个面将试件转过90，再用2细砂布精磨上下两个面（磨平为止）；2.选择较粗的一个面进行洛氏硬度测量（以品字形分布测量三个点取其平均值作为该试件的洛氏硬度值，并且做好记录）；3.用较好的一个面上研磨机上研磨（磨到看不见用铁砂布磨过的痕迹，磨平为止）；4.用1金相砂布进行研磨（磨到见不到研磨机上研磨的痕迹为止）；5.将试件转过90，用2金相砂布继续进行研磨（磨到见不到1金相砂布研磨的痕迹为止）；6.将试件转过90，用3金相砂布继续进行研磨（磨到见不到2金相砂布1111研磨的痕迹为止）；7.将试件转过90，用4金相砂布继续进行研磨（磨到见不到3金相砂布研磨的痕迹为止）；8.将试件转过90，用5金相砂布继续进行研磨（磨到见不到4金相砂布研磨的痕迹并开始出现镜面为止）；9.将试件拿到抛机上进行抛光（抛光时一定要注意安全，千万不要拥挤、以免出现安全事故）一直抛到看不到一点痕迹，完全是光亮的镜面为止；10.将试件先拿到水龙头下冲洗，并且洗干净自己的双手；11.用无水酒精将试件檫洗干净，用电吹风把试件吹干；12.把试件放在4的硝酸酒精杯中进行浸蚀，（浸蚀的时间为110秒钟，即试样变灰色即可）；13.浸蚀完的试件马上拿到水龙头下冲洗，并再次用无水酒精将试件檫洗干净，用电吹风把试件吹干；14.把试件拿到金相显微镜上观看其金相显微组织，并电脑屏幕上对其金相显微组织进行仔细观察和分析。 其它各组的试件的制作方法也类似正火件的制作步骤进行。 （四）硬度检测在金属材料机械性能测试中，硬度的测试是最常用的。 因为它既不要专门加工试样，也不必特意破坏零件；可直接用原材料、半成品及成品作为对象进行测试。 所测硬度值还可以间接说明强度与韧性的优劣。 硬度的测试方法有多种，最常用的是压入法。 根据压头的材料、形状、所加试验力及测试原理等，分别为布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种。 最常用的是洛氏硬度测试方法。 这里只对洛氏硬度测试方法作简单的介绍，详细地请查阅工程材料与热处理实验指导书中有关硬度计使用章节。 洛氏硬度测试法原理1212附图1洛氏硬度试验原理洛氏硬度测试方法是美国冶金学家洛克维尔（Stanly D.Rockwell）于1919年提出的。 基本原理是用负荷将金刚石压头（锥角为120的圆锥体）或淬火钢球（直径为1.588mm）压入被测物表层，稍加停留后卸载，根据压痕深度测出硬度值。 最常用的洛氏硬度有三种，其符号、压头及负荷如下表所示附表1常用洛氏硬度测试规范表符号HRA体直径为1.588mm钢球HRB顶角为120金刚石圆锥HRC体14702060淬火钢、调质钢98025100金属等退火钢、灰铸铁、有色压头顶角为120金刚石圆锥5887088硬质合金、表面淬火钢主载荷/N测量范围应用举例以表中的HRC为例加以说明。 测试原理如附图1所示。 为使压头压入金属表层，分两次加负荷。 先加初负荷F0，F0使压头与试样表面接触良好，此时压头在附图1中的h0位置上。 然后加总负荷F至1470N。 此时压头在（h0h1）位置上。 将主负荷F1去除后，所产生的弹性变形将得到恢复，故压痕实际深度为（hh0e）。 材料的洛氏硬度值就根据该深度由装在硬度计上的表盘直接读出。 显然，材料硬度越高，压痕越浅，读数值理应越小。 可是硬度值越高，读数值反而小，这是不符合人们的习惯的读法。 因此，不直接依据压痕深度读值，而依据常1313数K减去压痕深度读值即可解决这一矛盾。 设计规定当选用金刚石锥体压头时，K为0.26mm。 规定以压入深度0.002mm为一个硬度单位。 这样，前者的常数相当于100个硬度单位，后者的常数相当于130个硬度单位。 洛氏硬度值可由下式确定HRC100h/0.002（式1）HRB130h/0.002（式2）洛氏硬度测试方法的优点是1）适用范围广，软、硬、厚、薄以及经化学热处理的零件均适用；2）操作方便，可直接读数，效率高；3）压痕小，对工件外观影响不大，可在成品件上进行测试。 洛氏硬度测试方法的缺点是精度不够高，当材质存在偏析或不均匀现象时，数值重复性较差。 (五)金相显微镜的使用（请查阅工程材料与热处理实验指导书中有关小型金相显微镜的使用的章节。 （六）本次工程材料与热处理综合实践周成绩的评定方法根据实习、实训大纲评分标准要求如下1.每天的考勤都做好记录，全勤者全勤满分（10分）；2.预习报告认真、准备充分、实习态度认真、（10分）；3.工件质量（70分）；4.实习报告（10分）。 附工程材料与热处理综合实践周任务书主要工作是根据指定零件的工作条件选择材料、选择毛坯类型、确定工艺路线确定热处理工艺，而后分组完成零件的有关热处理工作。 在硬度及金相检测中，要求每位学生完成三个试样第一个为原始正火状态的各种钢的分组零件试件，第二个为淬火状态的分组零件，第三个为经过淬火再回火的分组零件。 制作出来的金相试样除作一般的硬度检测外，还要求从电脑屏幕中拍摄下它们各自的金相组织结构图，并标明各自金相组织结构名称。 一、分组任务1414第一组黄铜接线落料凹模（Cr12MoV）此凹模用于冲裁黄铜的接线板。 冲裁件厚度、尺寸均较小，抗剪强度低；故此凹模承载能力较轻。 但凹模若在淬火时变形过大，则无法修正；同时凹模内腔较复杂，且有螺孔、销孔、壁厚也不均匀。 硬度要求HRC5860。 第二组手用丝锥(T10)手动攻丝，受力小，切削速度很低。 失效形式主要是磨损和扭断。 要求齿部具有高的硬度和耐磨性，心部与柄部要求有足够缔强度和韧性。 硬度要求齿部HRC5963，心部及柄部HRC3045。 1515第三组整体车刀或铣刀(W18Cr4V)要求有高的硬度和高的红硬性，在600保持高硬度，足够的韧性。 硬度的要求是HRC5862。 第四组钳工用凿（錾）子(T8)要求有高的硬度和耐磨性，同时要求强度高，有足够的韧性。 硬度要求是HRC5862。 （零件图省略）第五组汽车板弹簧60Si2Mn)（厚度2025mm,工作温度低于230）。 在动载荷下工作，在冲击、振动或周期变化应力下工作，起缓冲、减振或储能作用。 要求有高的抗疲劳强度，一定的塑性和韧性，足够的淬透性。 硬度要求是HRC4245。 第四组钳工用凿（錾）子(T8)要求有高的硬度和耐磨性，同时要求强度高，有足够的韧性。 硬度要求是HRC5862。 （零件图省略）第五组汽车板弹簧60Si2Mn)（厚度2025mm,工作温度低于230）。 在动载荷下工作，在冲击、振动或周期变化应力下工作，起缓冲、减振或储能作用。 要求有高的抗疲劳强度，一定的塑性和韧性，足够的淬透性。 硬度1616要求是HRC4245。 二、实验室现有材料可供选择的有Cr12MoV、W18Cr4V、T8A、T 10、60Si2Mn、45钢。 三、特别提示一般黄铜接线落料凹模可选Cr12MoV；手用丝锥可选T10；钳工用凿（錾）子可选T8A；整体车刀或铣刀可选W18Cr4V；汽车板弹簧可选60Si2Mn；齿轮和齿轮轴一般选45钢。 四、附各种库存材料在热处理前、后的金相组