材料成型基础实验报告

1、材料科学基础实验设计报告 学生专业： 材料成型及控制工程 学生班级： 1306091 学生学号： 学生姓名： 指导老师 报告日期： 2015年12月 目录一、 综述 3- 6 页二、 选题依据 6- 7页三、 材料及仪器 7- 8 页四、 实验过程 9-11 页五、 结果及分析 11-17页六、 结论 17 页 参考文献 18 页 一、综述1、碳钢的认知：对于被试验的材料的选取对象为铁碳合金，根据含碳量不同，可以分为碳钢和铸铁两类。而在几种典型合金中有亚共析钢、共析钢、过共析钢。. 亚共析钢：亚共析钢含碳量为0.0218%0.77%，从液态结晶结束时得到的单相奥氏体，奥氏体冷却至A3线温度时，

2、开始析出铁素体，称先共析铁素体。随着温度的降低，析出过程持续进行，但温度降到Ar1温度时，具有共析成分的奥氏体转变为珠光体，最终得到由铁素体和珠光体构相组成的两相组织。 共析钢：共析钢即T8钢，室温下组织全部为珠光体，在较大的放大倍数下，可一分辨出珠光体中的铁素体与渗碳体。过共析钢：含碳量超过0.77%的钢称为过共析钢，过共析钢从液态结晶结束得到单相奥氏体，在以后的冷却过程中，因奥氏体中的碳的溶解度变化，而沿着奥氏体晶界析出二次渗碳体，在过共析钢中二次渗碳体呈网状，过共析钢中的含碳量越高则二次渗碳体的网络就越粗越趋于完整。由于渗碳体是硬而脆的相，当钢中有完整的二次渗碳体网络形成时常使钢的塑形韧

3、性大大降低。在实验室中，根据实验条件，我们集中对两种钢型进行热处理、组织观察及硬度测定。其中45号钢属于典型的亚共析钢，而T8钢属于共析钢。通过对这两型号钢的实验研究，我们能够初步了解铁碳合金的热处理的组织变化后的各项指标及材料改性。 2、碳钢的热处理原理与工艺：.钢的热处理原理与工艺 ：热处理是对固态金属或合金采用适当方式加热、保温和冷却， 以获得所需要的组织结构与性能的加工方法。金属热处理是机械制造 中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的 形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变 工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工 件的内

4、在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。热处理工艺一般包括 加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。 （1）碳钢热处理加热温度范围 退火温度：一般将亚共析钢加热至Ac3+（3050） （完全退火）；共析钢和过共析钢加热至Ac1+（1020）度 （球化退火），目的之得到球状渗碳体、降低硬度、改善高碳钢的切削性能。 正火温度：一般将亚共析钢加热至Ac3（3050） ； 过共析钢加热至Acm+（3050） ，即加热到奥氏体单相区。退货和正火的加热温度范围选择。 淬火温度：一般亚共析钢加热至Ac3+（3050）；共析钢和过共析钢加热至Ac1+（3050）. 钢的成分，原始组织及加热速度等都影

5、响临界点Ac1、Ac2、及Acm的位置。在碳钢热处理手册或材料手册中可以查到各种钢的热处理温度，热处理时不能人为随意提高加热温度，因为加热温度过高时，晶粒容易长大，氧化、脱碳和变性严重，也不能任意降低温度，会影响钢的强度和硬度。 （2）碳钢热处理加热温度的选择 回火温度的选择：钢淬火后都要回火，回火温度决定于最终要求的组织和性能。按加热温度高低，回火可分为3类。 a低温回火：工件在150250进行的回火。目的是保持淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火残留应力和脆性.回火后得到回火马氏体，指淬火马氏体低温回火时得到的组织。力学性能：5864HRC，高的硬度和耐磨性。应用范围：主要应用于各类高碳钢的

6、工具、刃具、量具、模具、滚动轴承、渗碳及表面淬火的零件等。 b中温回火：工件在350500 之间进行的回火。目的是得到较高的弹性和屈服点，适当的韧性。回火后得到回火屈氏体，指马氏体回火时形成的铁素体基体内分布着极其细小球状碳化物（或渗碳体）的复相组织。力学性能：3550HRC，较高的弹性极限、屈服点和一定的韧性。应用范围：主要用于弹簧、发条、锻模、冲击工具等。 c高温回火：工件在500650以上进行的回火。目的是得到强度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。回火后得到回火索氏体，指马氏体回火时形成的铁素体基体内分布着细小球状碳化物（包括渗碳体）的复相组织。力学性能：2535HRC，较好的综合力学性

7、能。应用范围：广泛用于各种较重要的受力结构件，如连杆、螺栓、齿轮及轴类零件等。3、碳钢的组织观察 由于选择的材料为T8钢和45号钢，低碳钢的含碳量较低，故经热处理后的结晶组织除铁素体和珠光体，还有不同形态的马氏体和索氏体。 （1）铁素体的组织 铁素体晶界圆滑，晶内很少见孪晶或滑移线，颜色浅绿、发亮，深腐蚀后发暗。钢中铁素体以片状、块状、针状和网状存在。一般情况下，成细条状分布在奥氏体晶界，有时也呈块状类型的铁素体称为先共析铁素体或组织上自由的铁素体。随形成条件不同，先共析铁素体具有不同形态，如等轴形、沿晶形、纺锤形、锯齿形和针状等。铁素体还是珠光体组织的基体。在碳钢和低合金钢的热轧（正火）和退

8、火组织中，铁素体是主要组成相；铁素体的成分和组织对钢的工艺性能有重要影响，在某些场合下对钢的使用性能也有影响。 （2）珠光体的组织 珠光体是由奥氏体发生共析转变同时析出的，铁素体与渗碳体片层相间的组织，是铁碳合金中最基本的五种组织之一。得名具有珍珠般的光泽。其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替叠压的层状复相物，也称片状珠光体。在珠光体中铁素体占88%,渗碳体占12%,由于铁素体的数量大大多于渗碳体,所以铁素体层片要比渗碳体厚得多.在球化退火条件下,珠光体中的渗碳体也可呈粒状,这样的珠光体称为粒状珠光体。 （3）马氏体的组织 马氏体是将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（淬火），得到的能使

9、钢 变硬、增强的一种淬火组织。马氏体通常有片状、板条状，但金相观察中通常表现为针状（如图2）。一般当Wc1.0%时，则几乎全为片状马氏体；当Wc=0.3%-1.0%时，为板条马氏体和片状马氏体的混合物，随含碳量的升高，淬火钢中板条马氏体的量下降，片状马氏体的量上升.高碳钢在正常温度淬火时，细小的奥氏体晶粒和碳化物都能使其获得细针状马氏体组织,这种组织在光学显微镜下无法分辨称为隐针马氏体. （4）索氏体的组织索氏体是钢经正火或等温转变所得到的铁素体与渗碳体的机械混合物。索氏体组织属于珠光体类型的组织，在光学金相显微镜下放大600倍以上才能分辨片层的细珠光体(GB/T7232标准)。其实质是一种珠

10、光体，但其组织比珠光体组织细，是钢的高温转变产物，是片层的铁素体与渗碳体的双相混合组织，其层片间距较小（250350nm），碳在铁素体中已无过饱和度，是一种平衡组织。索氏体具有良好的综合机械性能。4、 碳钢的硬度测定 实验采用洛氏硬度仪测定，洛氏硬度是以顶角为120的金刚石圆锥体（或直径为1.588的淬火钢球）作压头，以规定的试验力使其压入试样表面。试验时，先加初试验力，然后加主试验力。压入试样表面之后卸除主试验力，在保留初试验力的情况下，根据试样表面压痕深度，确定被测金属材料的洛氏硬度值。洛氏硬度值由h的大小确定，压入深度h越大，硬度越低；反之，则硬度越高。一般说来，按照人们习惯上的概念，数

11、值越大，硬度越高。因此采用一个常数c减去h来表示硬度的高低。并用每0.002mm的压痕深度为一个硬度单位。由此获得的硬度值称为洛氏硬度值，用符号HR表示。 由此获得的洛氏硬度值HR为一无名数，试验时一般由试验机指示器上直接读出。 洛氏硬度的三种标尺中，以HRC应用最多，一般经淬火处理的钢或工具都采用HRC测量。在中等硬度情况下，洛氏硬度HRC与布氏硬度HBS之间关系约为1：10，如40HRC 相当于400HBS 。如50HRC，表示用HRC标尺测定的洛氏硬度值为50。硬度值应在有效测量范围内（HRC为2070）为有效。 二、选题依据1、碳钢的用途：碳素钢炉炼钢炉外喷吹连续铸钢和连续轧制等新技术

12、是指通常含碳量小于1.35的铁碳合金其中还含有限量以内的硅锰和磷硫等杂质及其它微量的残余元素。碳素钢是近代工业中使用最早用量最大的基本材料世界各工业国家在努力增加低合金高强度钢和合金钢产量的同时也非常注意改进碳素钢质量扩大品种和使用范围。特别是20世纪50年代以来氧气转被普遍采用进一步改善了碳素钢的质量扩大了使用范围。目前碳素钢的产量在各国钢总产量中的比重约保持在80左右它不仅广泛应用于建筑桥梁铁道车辆船舶和各种机械制造工业而且在近代的石油化学工业海洋开发等方面也得到大量使用。2、T8钢性能：T8模具钢属于抗冲击碳素工具钢、冷作模具钢、淬硬型塑料模具用钢，该钢无网状碳化物析出倾向，塑性、韧性优

13、于T10A钢，淬透性与T10A钢相近或稍高，适用于制作较大截面的模具。重载模具采用T8A模具钢，进行预先调质球化处理，效果较好。调质处理硬度22-26HRC；火焰淬火硬度55-60HRC。该钢可加工性好，价格低廉，来源容易，但缺点是淬透性低，耐磨性差，淬火变形大。该钢完全球化的最低加热温度为740，加热到780退火，即出现大量带棱角的长条状碳化物。45号钢用途：45号钢广泛用于机械制造，这种钢的机械性能很好。但是这是一种中碳钢，淬火性能45号钢广泛用于机械制造，这种钢的机械性能很好。但是这是一种中碳钢，淬火性能并不好，45号钢可以淬硬至HRC4246。所以如果需要表面硬度，又希望发挥45钢优越

14、的机械性能，常将45钢表面渗碳淬火，这样就能得到需要的表面硬度并不好，45号钢可以淬硬至HRC4246。所以如果需要表面硬度，又希望发挥45钢优越的机械性能，常将45钢表面渗碳淬火，这样就能得到需要的表面硬度 三、材料及仪器（1）实验仪器及材料 仪器：洛氏硬度仪、台式金相显微镜、预磨机、砂纸、抛光机、吹风机等。 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。 （2）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

15、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1215,高1215的圆柱体或边长为1215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

16、化学抛光。本实验中只使用了机械抛光。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。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

17、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。 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 1015 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

18、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35的硝酸酒精。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、实验过程1、硬度测试方法、过程将经过热处理以后的钢试样用水砂子上擦磨去除表面污垢和氧化层后，置于洛氏硬度机上测量硬度，为了减小测量误差，应进行多次测量，记录数据。擦磨方法：先沿着一个方向擦磨直到表面氧化物去除完，然后再沿着垂直方向擦磨使端面平整。洛式硬度机的使用方法：将试样上下两面磨平，然后置于载物台上。选择压头及载荷。加预载。按顺时针方向转动升降机构的手轮

19、，使试样与压头接触并观察显示器上光标移动至满载为止。加主载。读硬度值。卸主载。下降载物台。逆时针转动加载手柄至原来位置。用同样的方法在试样的不同位置测三个数据，取其算术平均值为试样的硬度。2、热处理加工方法、过程（1）T8的热处理过程： 对T8钢进行 淬火A：在进行淬火前先测量试样的硬度3次，将测量的数据计入表格中。B：将试样置于加热炉中打开加热炉。使其温度上升到780 C开始计时，保温15分钟。C：15分钟后，取出试样对其进行水冷。测量试样的硬度一共3次。并计入表格中。 D：待试样完全冷却，用磨砂纸将其表面磨平整光滑。 对T8钢进行低温回火A：将回火炉的温度设定在170CB：待温度升高到17

20、0C，将试样置于加热炉中保温30分钟左右。30分钟后取出试样空冷。 C：测量试样的硬度一共3次。并计入表格中。 D：待试样完全冷却，用磨砂纸将其表面磨平整光滑。 （2）45钢的热处理过程：对45钢进行淬火 A：在进行淬火前先测量实验试样的硬度3次，将测量的数据计入表格中。 B：将试样放入加热炉中，打开加热炉。使其温度上升到840 C开始计时。保温10分钟。 C：10分钟后，取出试样对其进行水冷。测量试样的硬度一共3次。并计入表格中。 D：待试样完全冷却，用磨砂纸将其表面磨平整光滑。 对45钢淬火后进行中温回火 A：将回火炉的温度设定在560C B：待温度升到560C时，将试样放入加热炉中，并开

21、始计时。保温40分钟 C：40分钟后，取出试样放在指定位置进行空冷。测量试样的硬度一共3次。并计入表格中。 D：待试样完全冷却，用磨砂纸将其表面磨平整光滑。3、观察金相 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。 （1）实验仪器及材料 仪器：洛氏硬度仪、台式金相显微镜、预磨机、砂纸、抛光机、吹风机等。 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。 （2）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

22、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1215,高1215的圆柱体或边长为1215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

23、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。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

24、，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。 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 1015 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

25、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35的硝酸酒精。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。 五、实验结果及分析1. 实验热处理结果 45号钢 火后将得到细针状马氏体和板条状马氏体的混合组织。 560C高温回火后得到的是回火索氏体。获得强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。T8钢： 780温度下淬火得到马氏体和残余的奥氏体，其硬度、强度高，塑性、韧性差。在170低温回火得到稳定的回火马氏体组织，其强度、硬度高、耐磨性好，但塑性、2.

26、硬度测试结果1.45钢热加工处理结果及分析(1).硬度测试结果及分析 次数处理 硬度HRC123平均值原始25.326.124.925.4淬火56.156.958.357.1淬火+回火31.234.133.633.02.T8钢热加工处理结果及分析(1).硬度测试结果及分析 次数处理 硬度HRC123平均值原始32.730.431.831.6淬火61.262.363.462.3淬火+回火58.659.860.459.62、 实验组织分析45钢200原始：200回火： 200淬火：400原始：400回火：400淬火： T8钢200原始：200回火：200淬火：400原始：400回火：400淬火：（1）45钢硬