金属热处理综合实验报告

2 目录目录 前言 3 实验一 铸造实验 4 实验二 钢的热处理综合实验 5 实验三 钢的力学性能实验 10 实验四 金相实验 12 综合实验 14 3 前言前言 本实验指导书内容侧重于金相实验技术基本操作方法 热处理及金相显微组织的观察 使学生在金相实验基本技能方面得到初步训练并有利于巩固和深化课堂学到的知识 而热 处理综合实验不仅能使学生建立起完整的知识体系 还能有效地提高学生的整体思维能力 和总结概括能力 学会综合应用已学的相关课程知识 解决实际问题 达到理论知识的复习 巩固 验 证与应用及动手能力的培养和工程经验的积累的目的 本实验旨在培养考察材料专业本科 学生对专业知识 专业技能的掌握和运用 通过合金钢的铸造 热处理工艺 以及热处理 之后对材料性能 组织成分的检测等材料制备整个流程的设计实验 要求学生设计实验方 案 进行实验过程操作 对实验制备得到的试样进行性能检测和成分分析 4 实验一实验一 铸造实验铸造实验 一 实验目的 掌握铸造的基本工序 包括混砂 制作上模 下模 熔炼金属 浇注 冷却等工序 二 实验仪器及材料 混砂机 上模 下模 模型 砂子 熔炼炉 浇道等 三 实验内容 中频感应电炉 使用时可控硅元件连接或三相全控桥电路 将三厢工频电压整流为单相直流电压 炉体的 感性线圈与补偿电容组成振荡电路 从而使三厢工频电压转换成单相中频电压 1000HZ 使用 过程中一定要保证冷却水管畅通无阻 在调节功率时不要超过额定值 电压 750V 电流 300A 真空热压炉 利用可控硅调压器以及大功率变压器提供给石墨发热体可调节电压 0 30V 石墨发热体安置 在耐热钢板制作的炉体内 此炉体通过机械真空泵及扩散泵的工作将炉体内的空气抽出形成真 空 在使用过程中保持冷却水管畅通 铸造合金流动性测定 用螺旋形板制作砂型 将溶化好的 Al Cu5 合金浇入砂型 等凝固后 清理出螺旋形试样 测量出螺旋形试样的长度 分析浇注温度 铸型性质对合金流动性的影响 实验数据 实验材料浇注温度 铸型性质螺旋形长度 Al Cu5 760 普通砂型 1050 Al Cu5 660 普通砂型 700 Al Cu5 660 型腔内涂烟黑 1000 实验分析 同种合金 铸型性质相同时 浇注温度越高 合金流动性越好 同种合金 浇注温度相同时 铸型性质即 烟黑 导热系数小 隔热保温 材料的蓄热 系数小 则金属的流动性好 5 实验二实验二 钢的热处理综合实验钢的热处理综合实验 一 实验目的 1 全面熟悉钢的热处理综合实验过程 2 掌握常用材料热处理工艺规范的制定 3 了解热处理的操作方法 4 研究热处理对钢的性能的影响 5 认识碳钢经各种热处理后的显微组织 进一步了解碳钢经热处理后 在组织和性能上 有什么改变 二 实验设备和材料 设备 箱式电炉和控温仪表 洛氏硬度机 台式金相显散镜 预磨机 抛光机 材料 45 T10 钢样 45 钢 T10 T12 20 钢热处理过试样一套 各号金相砂纸 金刚 石研磨膏 水 油 三 实验内容 制定出材料的热处理工艺规范 分组进行热处理操作 测定热处理后样品的硬度值 金相显微试样的制备 观察各种热处理后的显微组组织 绘出组织示意图 将测得的硬度值与应得到的显微组织一起填入实验报告 四 概述 一 设计 制定热处理工艺规范 钢的热处理是通过加热 保温和冷却三个步骤来改变其内部组织 而获得所需性能的一种 热加工工艺 它的基本过程包括 将钢加热到选定温度 在该温度下保持一段时间 然后用选 定的速度冷却 1 加热温度的选择 淬火加热温度 根据 Fe Fe3C 相图来确定 对亚共析钢 合适的淬火加热温度为 AC 30 50 淬火后 的组织为均匀细小的马氏体 如果加热温度不足 低于 AC 则淬火组织中将出现铁素体 造 成淬火后硬度不足 对过共析钢和共析钢 合适的淬火加热温度为 ACl 30 50 淬火后的 6 组织为隐晶马氏体与粒状二次渗碳体 组织中的粒状二次渗碳体可以明显提高钢的硬度和耐磨 性 过高的淬火加热温度 高于 ACCM 会使淬火后得到粗大马氏体和较多的残余奥氏体组 织 使材料的耐磨性下降 脆性增加 这是因为共析钢含碳量高 加热到 ACCM 以上时 碳 化物全部溶解 使奥氏体晶粒易于长大 淬火后的马氏体粗大 同时 奥氏体内的含碳量越高 则淬火后的马试体量越少 残余奥氏体量越多 回火温度 将淬火后的钢重新加热到 AC1 一下某个温度 在该温度下保温一定时间 然后在空气或油 中冷却 这一操作过程叫回火 回火的目的地是消除淬火时产生的能应力 降低钢的脆性 提 高钢的韧性 按加热温度不同 回火可分为三类 见图 3 4 图 1 2 回火种类示意图 图 1 3 在共析钢 C 曲线上估计连续冷却 速度的影响 图中 a 低温回火 主要用于高碳钢和高碳合金钢 回火后保持高硬度和高耐磨性 内应力和 脆性降低 回火后的组织为回火马氏体 硬度约为 HRC58 64 一般用于切削工具量具滚动轴 承及渗碳和氰化 b 中温回火 主要用于 0 5 0 7 C 的碳钢和合金钢 回火后内应力基本消除 有一 定的韧性和较高的弹性于屈服强度 回火后的组织为回火屈氏体 硬度约为 HRc35 45 一般用 于各种弹簧及热锻模 c 高温回火 主要用于 0 3 0 5 C 的碳钢和合金钢 回火后既有较高的强度 硬度 又有较好的塑性和韧性 回火后的组织为回火索氏体 硬度约为 HRc20 35 一般用于轴 螺 栓等重要零件 钢的退火和正火温度 对于不重要的工件 退火 正火可作为最终热处理 对于重要的工件 退火 正火是中间 热处理 用来消除或改善铸 锻 焊过程中的造成的缺陷 为下一道工序作组织准备 表 1 1 各种不同成分碳钢的临界温度 部分 7 钢的退火是将钢加热到 Ac1 或 Ac3 以上保温后随炉冷却 钢的正火是将钢加热到 Ac3 或 Accm 以上 30 50 保温后空冷 正火的冷却速度比退火大 正火得到的组织比退得到的组织细 强度 硬度也较高 2 保温时间的确定 为了使钢件内外各部分温度均匀一致 并完成组织转变 必须在加热温度下保温一定时 间 图 1 4 正火和各种退火的加热温度范围 对于碳钢件 放进预先已加热至选定加热温度的炉内加热 如果是火焰炉 电炉 所需保 温时间大经为 1 分钟 毫米 直径或厚度 合金钢应相对延长一点 回火时的加热 保温时间 应与回火温度结合起来考虑 低温回火时 为了稳定组织 消 除内应力 使零件在使用过程中性能与尺寸稳定 回火时间要长一些 一般不少于 1 5 2 小 时 高温回火时可不宜过长 过长会使钢过分软化 对有的钢种甚至造成严重的回火脆性 一 般为 1 小时左右 3 冷却速度的选择 冷却是决定钢的最终组织与性能的重要工艺参数 同一种碳钢在不同冷却速度下冷却 会 8 得到不同的转变产物 常采用的冷却介质有炉冷 空冷 风冷 油冷 水冷 等温盐浴冷却等 钢热处理后的质量检查 工件热处理后的质量检查都是通过硬度检验来实现的 因为硬度既不损坏试样 又可通过 查表或公式换算出强度或其它机械性能值 对于较软的钢 如退火 正火 可用洛氏硬度计测出 HRB 值 HRB 的测量范围 25 100 对于较硬的钢 如淬火 调质 可用洛氏硬度计测出 HRC 值 HRC 的测量范围 20 57 无论 HRC 还是 HRB 都可通过查表 换算成 HB 值 以便进行硬度比较 钢经热处理后的基本组织概述 索氏体 是片状渗碳体与铁索体的层片相间的机械混告物 层片分布的较珠光体细密高倍 显微镜下才能分辨出来 是由奥氏体过冷直接得到的 回火索氏体 淬火钢在高温回火后得到的组织 具体的金相特征为铁素体的基体上分布着 细的颗粒状渗碳体 这些小粒状碳化物分布得很均匀 所以它的综合机械性能好 碳钢经热处 理后可得到这种回火索氏体组织 其铁素体己成等轴状 已没有针状形态 屈氏体 也是珠光体类型的组织 是渗碳体和铁素体层片相间的机械混合物 但它的层片 比索氏体还细密 在一般光学显微镜下无法分辨 只有在电子显微镜下才能分辨出其中的层片 是由奥氏体过冷直接得到 回火屈氏体 淬火钢经中温回火后得到的组织 其金相特征是 原来的条状或片状马氏体 的形态还未完全破坏 第二相渗碳体析出在其上 这些渗碳体颗粒很细小 以致在光学显微镜 下难以分辨 马氏体 它是碳在 a Fe 中过饱和固溶体 马氏体形态按含碳高低分两种 即板条马氏 体和片状马氏体 板条马氏体 低碳钢或低碳合金钢淬火后得到组织为板条马氏体组织 其金相组织特征是 大小差不多的细马氏体条定同平行排列成束状 在束与束之间位相差较大 在一个原始奥氏体 晶粒内可形成几个位向不同的马氏体领域 束 韧性较好 片状马氏体 在含碳较高的钢中经淬火后得到马氏体呈片状 也叫针状 透镜状 竹叶状 在一个奥氏体晶粒内形成的第一片马氏体较粗大 往往横穿整个奥氏体晶粒 将奥氏体晶粒加 以分割 使后形成的马氏片大小受到限制 所以片状马氏体的大小尺寸不一 其间还残留奥氏 体 回火马氏体 马氏体经低温回火后 得到的组织为回火马氏体组织 它仍保持原有片状马 9 氏体的形态 但由于在低温下回火 有极小的碳化物析出 所以回火马氏体易受侵蚀 在金相 显微镜下观察比淬火马氏体稍暗一些 贝氏体 贝氏体分三种金相形态 上贝氏体 下贝氏体和粒状贝氏体 上贝氏体 亦称针状贝氏体 其组织特征是 条状铁素体大致平行排列 渗碳体分布于铁 素体条间 下贝氏体 亦称针状贝氏体 其组织特征是 针状铁素体内有碳化物沉淀 碳化物的位向 与铁素体长轴约为 55 60 针状呈黑色 易腐蚀 与回火马氏体相似 粒状贝氏体 其组织是由铁素体和铁素体所包围的小岛状所组成 岛状组织刚形成时为高碳奥氏体 其后转变的三种情况是 分解为铁素体和碳化物 发生马氏体转变 仍保持富碳奥氏体 四 实验步骤及注意事项 实验前认真阅读实验指导书 制定好的热处理工艺规范要经教师检查无误后方可进行热处理操作 当炉温达到设计温度后 或从控温仪表上读出 将工件装入炉内 保温时要注意控温 仪表是否正常 发现问题及时报告教师 淬火冷却时 应迅速地将试样放入水或油中 并不停地搅动试样 注意不要将试样露 出液面 淬火后的试样用砂布磨掉氧化皮 然后测定硬度疽 同时将本次实验的全部硬度值 记在实验报告上 6 需要回火的工件在淬火后要进行回火操作 完成全部热处理操作后 对各种热处理后的试样进行制备 观察 分析热处理后的显微组织 在认识各组织组成物的基础上 根据显微镜中组织 的特点 画出热处理后显微组织示意图 严格区分索氏体和回火索氏体组织 马氏体与回火马氏体组织 10 实验三实验三 钢的力学性能实验钢的力学性能实验 第一部分 静拉伸试验 一 实验目的 1 掌握拉伸试验机的使用方法 2 掌握钢材的强度指标及塑性指标的测试方法 3 对拉伸试样断口进行宏观分析 并说明其韧脆性 二 使用及原理 静拉伸试验在油压式万能试验机上进行 试验机主要有三部分组成 A 油泵及循环油路 B 试验机主体 C 测力机构 油泵打油通过油管进入油缸 推动柱塞带动上夹头上行 实验中 下夹头是固定的 因而试样受轴向拉伸载荷 加载油缸上另有一管通测力油缸 推动测力油缸 中小柱塞下行 使测力摆锤偏转 通过传动系统带动表盘上的指针以指示拉伸过程中载荷的数 据 普通材料试验机上常用引伸仪来精确的测量变形 常用的引伸仪有百分式和镜式两种 都 是用杠杆机构把变形量加以放大而读数的 试验中用到测量测量直径和长度用的游标卡尺 三 试样 拉伸试样采用直径 10 毫米 标距为 100 毫米 光滑圆柱形试样 拉伸前 侧最小直径作 为 do 来计算面积 Fo 第二部分 硬度的测试 测量金属的硬度 是热处理生产中最常使用的质量检测方法之一 一 实验目的 掌握布式 洛式 维式 显微硬度的试验方法及应用范围 二 硬度测试的原理 压头通过杠杆在一定载荷作用下使压头压入试样内部 测量压入深度 直径 压痕的对角线长度来表征材料硬度 三 布氏硬度试验 布氏硬度用符号HB 表示 HB 3000 型布氏硬度计操作 根据试样形状选择载物台 必须保证所施力与试样表面垂直 选择负荷及负荷保持时间 转动加载手轮 使工作台缓慢上升 使压头与试样接触 压紧 打开电源开关 电源指示灯燃亮 绿色 然后启动按钮开关 在加载指示灯燃亮的同时迅 速拧紧及时压紧螺母 直至电动机自动停止运转为止 卸下试样 测量压痕直径 查表或计算 HB 值 注意事项 试样的试验面应磨制成一个平整光滑的平面 且无氧化皮等污物 硬度大于 HB450 的金属不能做布氏硬度试验 因为淬火钢球会产生过大的弹性变形 甚至 产生永久变形 影响实验结果的准确性 四 洛氏硬度试验 洛氏硬度试验是压入硬度法中的一种 是以压痕深度大小表示材料的硬度值的 它的压痕 较小 可测量较高和较低的硬度 可直接读数 操作方便 生产检验效率高为热处理车间产品 检验主要方法之一 洛氏硬度试验操作方法 取平行面 对试样进行处理 手匀 接触 加初载荷 10 公斤 由于缩松缩孔的存在 保证结果准确统一 小指针由黑点转至红点 11 旋转指针表盘使大指针对准表盘 0 点 将操作手柄推向后方 当大指针停转后 扳回手轮卸除主负荷 大指针回转一段距离 此时 大指针所指数字即 为洛氏硬度值 下降丝杆取下试样 试验完毕 五 维氏硬度 维氏硬度用符号 HV 表示 也是根据压痕凹面积上所承受平均压力来确定的 压头锥面夹角为 136 的金刚石四方角锥 六 显微硬度试验 用布氏 洛氏和维氏等硬度实验法测定材料的硬度时 只能得到材料组织的平均硬度 而显微硬度试验法可测量某个相 某个晶粒 夹杂物或其他组成物的硬度 其实验原理也是维氏硬度的试验原理 也是利用顶角为 136 的金刚石四方角锥体 其 负荷为一公斤以下的小负荷 压痕也很小 得到的硬度值用 HM 表示 HM 1854P d2 显微硬度测量机的使用 显微硬度机一般包括一个带有测量目镜的显微镜和一个压痕机构两大部分 每次测量前应先调零 测量螺旋零对准细横线 旋动载物台上的螺丝 使欲测硬度相置于十字交叉线下 加载后即在该相上留下压痕 先旋测微螺旋 使十字交叉线至压痕右边 与压痕相切 再旋测微螺旋 使十字交叉线至压痕左边 相切读数 即可计算出压痕对角线长度 第三部分 冲击试验 原理 材料的冲击韧性指标 ak值是以冲断试样单位面积上所消耗的功来衡量 AK 可由试 验前后摆锤的位能差来求得 AK Eb Ek GH1 GH2 G H1 H2 数值可由试验机的指针上直接读出 单位为焦耳 用试样缺口处横截面 F 厘米 2 除 AK 即得冲击值 冲击韧性 ak 试样 钢样 断面正方形 10 10 55 开 U 型槽 槽深 2 铸铁 断面小正方形 20 20 110 不开槽 12 实验四实验四 金相实验金相实验 一 实验目的 1 掌握金相显微试样的制备过程和基本方法 并观察 认识其金相显微组织 二 实验仪器及材料 1 仪器 台式金相显微镜 预磨机 砂纸 抛光机 吹风机等 2 材料 待磨试样每人一块 各号金相砂纸一套 腐蚀剂 无水乙醇 4 硝酸酒精 制备好的工业纯铁试样 棉球 镊子等 三 实验内容 在利用金相显微镜观察 分析和研究金属材料的金相显微组织时 需要在该材料的典型部 位截取样块 然后通过一系列的制备过程 制成符合要求的金相显微试样 即在金相显微镜下 可以观察到很清晰的金相显微组织 其整个过程即为磨片 磨片的方法与步骤如下 取样 试样尺寸通常采用直径为 12 15 高 12 15 的圆柱体或边长为 12 15 的方形 式样 镶嵌 当试样的尺寸太小时 直接用手来磨制很困难 需要使用试样夹或利用样品镶嵌 机 把试样镶嵌在低熔点合金和塑料中 磨制 分粗磨和细磨两道工序 粗磨通常在砂轮机上进行 细磨在一套粗细不同的金相 砂纸上由粗到细依次进行的 每更换一号砂纸时 需将试样的研磨方向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失为止 抛光 细磨后进行抛光 只要是去除细磨时留下来的细微磨痕而获得光亮的镜面 金相 试样的抛光方法一般可分为机械抛光 电解抛光和化学抛光 本实验中只使用了机械抛光 机械抛光 机械抛光可分为粗抛和细抛两个步骤 均在抛光机上进行 粗抛时转速要高些 细抛或抛 软材料时转速要低些 所用抛光材料由抛光布和抛光粉 抛光布蒙在抛光盘上 不同要求应适 当选用不同的抛光布 粗抛时常用帆布 粗呢等 精抛时常用绒布 细呢 丝绸等 机械抛光 的方法及注意事项如下 A 抛光粉要配制成抛光液使用 比例大约为 水 粉 20 1 左右 B 抛光时应使试样磨面均衡地压在旋转着地抛光盘上 压力不宜过大 并应使试样沿抛 光盘的半径方向从中心到边缘来回移动 13 C 抛光过程中要不断注入适量的抛光液 抛光布上的抛光液不宜太多或太少 以试样表 面提起后几秒内能干为宜 D 抛光后期 应使试样在抛光盘上各方向转动 以防止钢中夹杂产生拖尾现象 E 抛光时间不宜过长 以防抛光表面层金属变形 5 化学浸蚀 经抛光后而没有浸蚀的试样在显微镜下除了能观察到非金属夹杂物 石墨 氧化物 硫化 物等 及其本身所具有的孔洞 裂纹等缺陷之外 看不到金属内部的组织 必须经过浸蚀 利用化学浸蚀剂 通过化学或电化学作用显示金属的组织 浸蚀方法 将已抛光好的试样磨面先用轻水冲洗干净 然后用酒精棉清擦一遍 再将试样 浸入浸蚀剂中 或用镊子夹着蘸上浸蚀剂的棉球擦其磨面 浸蚀的时间依不同合金及不同组织 而定 一般碳钢和铸铁浸蚀的时间大约在 10 15 秒内即可 用酒精冲洗干净 吹干 将浸蚀 完的试样放在显微镜下 就可以观察到金属内部的显微组织 化学浸蚀剂种类很多 一般碳钢及铸铁所用浸蚀剂为 3 5 的硝酸酒精 6 电子摄像技术 将磨好的金相试样放在显微镜的载物台上 选好放大倍数以后 调整粗调手轮和微调手轮 直 接在与显微镜相连的电脑显示屏幕上调清楚焦距 获得清晰的金相图片 四 试验步骤 1 每人领取试样一块 金相砂纸一套 玻璃板一块 2 将已粗磨好的显微试样一次在各号砂纸上细磨 3 细磨过的试样 经指导教师检查合格后进行抛光 4 用化学试剂浸蚀试样的抛光磨面 并在显微镜下观察其显微组织 熟悉显微镜的操作 基本规程 5 辨认试样的金相组织 确定试样的型号 五 20Cr 的金相组织图 14 综合实验综合实验 一 实验目的 1 观察碳钢经不同热处理后的显微组织 2 熟悉碳钢几种典型热处理组织 M T S M 回火 T 回火 S 回火等组织的形态及 特征 3 熟悉铸铁和几种常用合金钢 有色金属的显微组织 4 了解上述材料的组织特征 性能特点及其主要应用 学会综合应用已学的相关课程知识 解决实际问题 达到理论知识的复习 巩固 验证与 应用及动手能力的培养和工程经验的积累的目的 本实验旨在培养考察材料专业本科学生对专业知识 专业技能的掌握和运用 通过 ZL109 的熔炼 热处理工艺 以及热处理之后对材料性能 组织成分的检测等材料制备整个流程的设 计实验 要求学生设计实验方案 进行实验过程操作 对实验制备得到的试样进行性能检测和 成分分析 二 实验仪器及材料二 实验仪器及材料 仪器 箱式炉 硬度仪 台式金相显微镜 预磨机 砂纸 抛光机 五金工具 砂轮 材料 35CrMo 合金钢块 油 水 三 实验方案设计 1 35CrMo 合金中各种合金含量为 材质 CSiMnMoCr 15 35Cr Mo 0 32 0 400 17 0 370 40 0 700 15 0 250 80 1 10 2 实验基本流程 金属熔炼 浇注成型 热处理 组织成分 力学性能检测 热处理 水淬 低温回火 水冷 变形大 硬度偏高 淬裂的倾向性大 水作为淬火介质的主要特点是 冷却能力对水温的变化很敏感 水温升高 冷却能力将急剧下降 并且对应于最大冷速的 温度移向低温 故使用温度一般为 20 40 在马氏体转变温度区的冷速太大 易使工件产生严 重变形甚至开裂 不溶或微溶杂质 如油 会显著降低其冷却能力 工件淬火后易产生软点 油淬 淬不硬 淬不透 但变形小 硬度适中 优点 低温区间的冷速远小于水 有利于减 小工件的变形与开裂 缺点 高温区间的冷却能力很小 仅为水的 1 5 1 6 只能用于合金 钢或小尺寸碳钢工件的淬火 回火 凡经淬火的工件 绝大部分都要进行回火 其主要原因是 钢淬火后强度和硬度虽有很大提高 但塑性与韧性却明显下降 而实际使用中的工件往往要求具有强度和塑性的恰当配合 淬火组 织中的马氏体和残留奥氏体均处于不稳定状态 有自发的向稳定状态转变的趋势 因而将引起 工件尺寸和性能的改变 淬火工件中存在着很大的内应力 如不及时消除会引起工件的变形 甚至开裂 因此 回火工艺成为淬火后必不可少的后续工艺 可以认为 回火的主要目的就是 消除应力 调整性能 稳定组织 四 实验步骤 1 粗测热处理前的硬度 测取六次结果分别是 HRC19 4 HRC19 2 HRC18 0 HRC21 6 HRC17 5 HRC21 取平均值为 HRC19 45 2 热处理 热处理的目的 充分提高铸件的机械性能 保证一定的塑性 提高合金抗拉强度和硬度 改善合金的切 削加工性能等 消除由于铸件厚度不均匀 快速冷却等所造成的内应力 稳定铸件的尺寸和组织 防止和消除因高温引起相变产生体积胀大现象 消除偏析和针状组织 改善合金的组织和机械性