黄科院金属材料及热处理实验指导

工程材料及成形技术基础实验指导书主编：张保丰主审：刘万福黄河科技学院工学院目录实验注意事项……..………...…………2实验报告要求………………...…………3实验一硬度试验…………….…………4实验二金相显微镜的使用及金相试样的制备……….……………12实验三铁碳合金平衡组织的显微分析………...……22实验四碳钢的热处理及组织性能分析………….…25实验五合金钢的显微组织分析………………...……33实验六铸铁和有色金属显微组织观察…………….36实验七热加工工艺认知实验………39

实验注意事项一、本实验是学习相关课程的重要环节之一，通过实验不但可以巩固课堂知识，理论联系实际，而且能使学生提高实验技能和实际工作能力。二、实验前要复习课程有关内容，认真预习试验指导书，明确实验目的，完成指导书中提出的各项要求。三、实验时要多动脑、勤动手、培养独立工作和分析能力。四、正确使用各项设备、器具，注意安全。遇到问题要及时向指导教师报告，妥善处理。五、注意卫生，实验室内不准吸烟、随地吐痰，不准乱扔纸屑，保持良好的秩序，实验完毕要清理实验设备和现场。六、认真完成实验报告，按时交给指导教师批阅、评分。实验报告要求一、实验报告是实验的成果小结，必须认认真真负责、实事求是的态度完成。二、对所实验的内容和数据应实事求是记录，如实报告实验结果。三、要求学生独立完成报告，在原报告的基础上，也可自行设计报告形式和内容。四、实验结果应如实写在实验报告上，并绘制相应的实验曲线，应字迹工整、书写规范。五、根据实验结果应作出实验数据处理和实验分析，并写出实验体会与总结。实验一

硬度试验一、实验目的1.了解利用压入法测定硬度的基本原理及应用；2.了解布氏、洛氏计的主要结构及操作方法；3.根据材料的性能特点，能正确选择测定硬度的方法。二、实验原理概述金属材料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。由于硬度试验简单易行，又无损于零件，而且可以近似的推算出材料的其它机械性能，因此在生产和科研中应用广泛。硬度试验方法很多，机械工业普遍采用压入法来测定硬度，压入法又分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。压入法硬度试验的主要特点是：1.无论是脆性材料还是塑性材料，均可采用此法测定其硬度。2.此种硬度值同其它机械性能指标间存在着一定的近似关系：式中：——材料的抗拉强度值；

HB——布氏硬度值；

K——系数退火状态的碳钢K=0.34~0.36合金调质钢K=0.33~0.35有色金属合金K=0.33~0.533.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.布氏硬度测定的原理是把一定直径的淬火钢球，以规定的载荷P压入被测材料表面（如图1-1）保持一定时间后卸除载荷，测出压痕直径d，求出压痕面积F凹计算出平均应力值，以此为布氏硬度值的计量指标，并用符号HB表示。因此布氏硬度值HB是以试样压痕面积上的平均压力表示。即单位面积所承受的压力。

图1-1

布氏硬度试验原理图布氏硬度公式

（1-1）式中：P—载荷（kg·f）常为3000、750、187.5三种F凹——压痕面积（mm2）D——钢球直径（mm）常有10、5、2.5三种d——压痕直径（mm）h——压痕深度（mm）由于金属材料的软硬不同，厚薄不同，若只采用同一种载荷(如3000kgf)和钢球直径(10mm)时，则硬的金属适合，而对极软的金属就不合适，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，所以测定不同材料的布氏硬度值，就要求有不同的载荷P和钢球直径D。为了得到统一的可以相互进行比较的硬度值，必须使D和P之间维持某一比较关系，以保证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1-1(b)中可知d和的关系是：

或

（1-2）将（1-2）式代入式（1-1）得：

（1-3）式（1-3）说明，当值一定，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，只要满足=常数，所得的HB值是一样的，对不同的材料来说，所得的HB值是可以进行比较的。按照GB231-84规定比值有30、10和2.5三种，试验数据和适用范围可参照表1-1。表1-1

布氏硬度试验规范材料硬度范围（HB）试样厚度（mm）钢球直径D（mm）载荷（kg·f）载荷保持时间（s）黑色金属140~4506~34~2＜2301052.53000750187.510＜140＞66~3＜3101052.5100025062.510有色金属＞1306~34~2＜2301052.53000750187.53036~130＞66~3＜3101052.5100025062.5303~35＞66~3＜32.51052.525062.515.625602.构造、操作与要求a.HB3000型布氏硬度试验机外形结构如图1-2所示。b.操作方法与要求（1）按表1-1选择压头、载荷、保持时间。将选定的压头装入主轴衬套中，加上相应的砝码，然后将紧压螺钉拧松，把时间定位器园盘（红色指示点）转到与保持时间相符的位置上。10-加力开关圆盘（2）将试样置于载物台上，打开电源开关，顺时针方10-加力开关圆盘（3）逆时针转动手轮降下载物台，取下试样用读数放大镜测出压痕直径，将测得结果查表（压痕直径与布氏硬度对照表）即可确定出试样硬度值。（4）试验后压痕直径应在0.25D＜d＜0.6D范围内，否则影响准确性。（5）压痕中心至试样边缘间距应不小于压痕直径的2.5倍，即距压痕中心距离不小于压痕直径的4倍。（6）为表明试验条件，可在HB后标注D/P/T如120HB/10/3000/10，即表示此硬度值120是在D=10mm，P=3000kgf，T=10秒的条件下得到的。（7）一般用HBS表示淬火钢压头，用HBW表示硬质合金压头测定的布氏硬度值。四、洛氏硬度（HR）1.基本原理洛氏硬度同布氏硬度一样也属压入法，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1-3所示洛氏硬度试验所用压头有两种：一种是顶角为120°的金钢石压锥，另一种是直径为（1.588mm）或（3.175mm）英寸的淬火钢球。根据金属材料软硬程度不同。可选用不同压头和载荷配合使用，最常见的是HRA、HRB、HRC。这三种洛氏硬度的压头，负荷及使用范围列于表1-2。洛氏硬度测定时需要先后施加二次载荷（予载荷P1和主载荷P2），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1-3中a为加上10kgf预加载荷后的压头位置，此时压入深度为h1，b为加上主载荷后的压头位置，此时压入深度为h2，h2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C位置，此时压头的实际压入深度为h3。洛氏硬度就是以主载荷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（h3-h1）的差值表示硬度值。为了简便起见又规定每0.002mm压入深度作为一个硬度单位（即刻度盘上一小格。）洛氏硬度值公式如下：

（1-4）式中：h1——预加载荷压入试样的深度（mm）h3——卸除主载荷后压入试样的深度（mm）；k——常数，采用金钢石圆锥时k=0.2（用于HRA，HRC），有用钢球时k=0.26（用于HRB）。因此，上式可改为：

（1-5）

（1-6）根据被测材料硬度的高低，按表1-2选择压头和载荷。2.构造、操作方法与要求a.构造HR-150型洛氏硬度试验机结构示意图1-4所示。图1-4

洛氏硬度计机构示意图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-齿杆；14-油压缓冲器；15-插销；16-转盘；17-小齿轮；18-扇齿轮b.操作方法与要求（1）按表1-2选择压头及载荷（2）将试样置于载物台上，加予载荷。即按顺时针方向转动升降丝扛手轮，使试样与压头缓慢接触直至表盘（表盘见图1-5所示）小指针从小黑点移动到小红点，大指针指向上方左右15°时为止。调整读数表盘。如作HRC、HRA硬度试验时，使大指针与表盘上黑字C处对准。试验HRB时，使大指针与表盘上红字B处对准。（3）加主载。平稳地板动加载手柄，手柄自动升高至停止位置（时间为4~6秒），并停留10秒后卸去主载，扳回手柄至原来位置。由表盘上直接读出硬度值。HRC、HRA读黑刻度数字。HRB读红刻度数字，然后逆时针转动手轮，卸下试样。（4）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值，各压痕中心距和压痕中心至试样边缘的距离不得小于3mm。表1-2

洛氏硬度的试验规范硬度符号压头总载荷（kgf）表盘上刻度颜色常用硬度值范围使用范围HRA金钢石圆锥60黑

色70~85碳化物、硬质合金表面淬火等HRB100红

色25~100有色金属、退火及正火钢等HRC金钢石圆锥150黑

色20~67调质钢、淬火钢等五、实验仪器及材料1.HB-3000型布氏硬度计；2.HR-150型洛氏硬度计；3.读数放大镜；4.试样：45钢、淬火及正火状态，标准块。六、实验内容及步骤1、每次两组进行实验，分别进行布氏和洛氏硬度试验，并相互轮换。2、进行实验操作前，必须先阅读并弄清布氏和洛氏硬度机的结构及操作步骤。3、按照规定的操作程序进行测定，严格遵守操作规程。七、注意事项1、试样两端要平行，表面应平整，无氧化皮和油污。2、圆柱试样应放在有“V”形槽的工作台上操作，以防试样滚动。3、加载时应细心操作，以免损坏压头。4、测定硬度值，卸除载荷后，必须使压头完全离开试样后再取下试样。5、金刚石压头属贵重物件，使用时应小心谨慎，严禁与试样或其它物件碰撞。6、应根据硬度计的使用范围，按规定合理选用不同的载荷和压头，超过使用范围，将不能获得准确的硬度值。八、实验报告要求1、实验目的；2、简述布氏和洛氏硬度试验原理；3、实验结果记录：（1）整理实验记录；（2）实验结果分析。实验二金相显微镜的使用及金相试样的制备一、实验目的1、了解普通金相显微镜的构造与使用方法。2、了解金相试样的制备方法。3、学习使用金相显微镜观察金相组织。二、实验原理概述利用金相显微镜观察金相试样的组织或缺陷的方法称为金相显微分析。它是研究金属材料微观结构最基本的一种实验技术，在金属材料研究领域中占有很重要的地位。在现代金相显微分析中，使用的主要仪器有光学显微镜和电子显微镜。这里仅对常用的光学金相显微镜作一般介绍。显微镜的基本原理、构造及使用1.显微镜的基本原理图图2-1成像光学原理最简单的显微镜可以仅由两个透镜组成。图2-1为相显微镜成像的光学原理示意图。图中AB为被观察的物体，对着被观察物体的透镜O1叫物镜；对着人眼的透镜O2叫目镜。物镜使物体AB形成放大的倒立实像A'B'，目镜再将A'B'放大成仍然倒立的虚像A"B"。其位置正好在人眼的明视距离（约250mm）处。在显微镜中所观察的就是这个虚像A"B"。(1)显微镜的放大倍数放大倍数由下式确定：式中：M—显微镜总放大倍数；M物—物镜的放大倍数；M目—目镜的放大倍数；f物—物镜的焦距；f目—目镜的焦距；L—显微镜的光学镜筒长度；D—明视距离（250mm）。由上式可知：f物、f目越短或L越长，则显微镜的放大倍数越大。(2)物镜的鉴别率物镜的鉴别率是指物镜能清晰分辨试样两点间最小距离的能力。物镜鉴别率的数学公式为：式中：d—物镜的鉴别率；λ—入射光源的波长；A—物镜的数值孔径，它表示物镜的聚光能力。由公式可知，波长λ越短，数值孔径A越大，则鉴别能力就越高（d越小），在显微镜中就能看到更细微的部分。数值孔径A可由下列公式求出：式中：η—物镜与物体之间介质的折射率；φ—物镜孔径角的一半，即通过物镜边缘的光线与物镜轴线所成的角度。η越大或物镜孔径角越大，则数值孔径越大，由于φ总是小于90，所以在空气介质（η=1）中使用时，数值孔径A一定小于1，这类物镜称干系物镜。当物镜上面滴有松柏油介质（η=1.52）时，A值最高可达1.4，这就是显微镜在高倍观察时用的油浸系物镜，每个物镜都有一个设计额定的A值，刻在物镜体上。(3)显微镜的有效放大倍数由M=M目·M物知，显微镜的同一放大倍数可由不同倍数的物镜和目镜来组合。如45倍的物镜乘以10倍的目镜或者15倍的物镜乘以30倍的目镜都是450倍。对于同一放大倍数，如何合理选用物镜和目镜呢？应先选物镜，一般原则是使显微镜的放大倍数在该物镜数值孔径的500～1000倍，即这个范围称为显微镜的有效放大倍数范围,若M<500A,则未能充分发挥物镜的鉴别率,若M>1000A,则形成“虚伪放大”，组织的细微部分将分辨不清。待物镜选定后，再根据所需的放大倍数选用目镜。(4)景深：即垂直鉴别率，反映了显微镜对于高低不同的物体能清晰成像的能力。式中：M—放大倍数；R—半孔径角；λ—波长；n—介质折射率。由式可知n、R越大，景深越小；物距增加，景深增加。在进行断口分析时，为获得清晰的断口凹凸图像，景深不能太小。(5)透镜的几何缺陷单色光通过透镜后，由于透镜表面呈球形，光线不能交于一点，则使放大后的象模糊不清，此现象称球面象差。多色光通过透镜后，由于折射率不同，使光线不能交于一点也会造成模糊图像，此现象称色象差。减小球面象差的办法：可通过制造物镜时采用不同透镜组合进行校正；调整孔径光栏，适当控制入射光束等办法降低球面象差。减小色象差办法：可通过物镜进行校正或采用滤色片获得单色光的办法降低色象差。2.显微镜的构造图2-2为不同型式的金相显微镜的基本构造及光学行程。图2-2金相显微镜的基本构造及光学行程金相显微镜分为台式、立时及卧式三种类型，各种类型又有许多不同的型号。虽然显微镜的型号很多，但基本构造大致相同，现以XJB-1型金相显微镜为例介绍显微镜的构造。金相显微镜通常由光学系统，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。图2-3XJB-1型金相显微镜的光学系统1－灯泡；2－聚光透镜组；3－聚光镜；4－半反射镜；5－辅助透镜；6－物镜组；7－试样；8－反光镜；9－孔径光阑；10－视场光阑；11－辅助透镜；12、13－棱镜；14－物镜XJB-1型显微镜的光学系统如图2-3所示。由灯泡1发出的光线经聚光透镜组2及反光镜8聚集到孔径光栏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的表面上，从试样反射回来的光线又经过物镜组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，该像再经过目镜的放大，就成为在目镜视场中能看到的放大影像。照明系统：由电源（220V）经变压器（6～8V）使灯泡（6-8V、15w）发光作为光源。还有聚光镜、孔径光栏、视场光栏等装置，组成显微镜的照明系统。机械系统及其它各部件（如图2-4）：调焦装置：在显微镜体两侧有粗调和微调旋钮。随粗调旋钮的传动，支撑载物台的弯臂作上下移动。微调旋钮使其沿滑轨缓慢移动。载物台（试样台）：用于放置金相试样。载物台和下面托盘之间有导轨，用手推动，可使载物台在水平面上作一定范围的十字定向移动，以改变试样的观察部位。孔径光栏：它是用于控制入射光束的粗细，以保证物像达到清晰的程度。视场光栏：它的作用是控制视场范围，使目镜中视场明亮而无阴影。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。14-视场光栏14-视场光栏15-孔径光栏图2-4金相显微镜外型结构图3.显微镜的使用规程及注意事项金相显微镜是一贵重精密光学仪器，使用时要细心谨慎。使用前应先了解显微镜的基本原理、构造及各主要部件的位置和作用，然后再按照使用规程和应注意事项进行操作。(1)显微镜的使用规程：先将显微镜的插头插在低压（6～8V）变压器上，通过变压器接通电源。根据放大倍数选用所需物镜和目镜，分别安装在物镜座及目镜筒上。将试样放在载物台中心，并使观察面朝向物镜。用双手旋转粗调旋钮，将载物台降下，使样品靠近物镜，但不接触。然后边观察目镜边用双手旋转粗调旋钮，使载物台慢慢上升，待看到组织时，再旋转微调旋钮，直至图像清晰为止。(2)使用注意事项：操作时要细心，动作要轻微。光学系统等重要部件不得自行拆卸。使用时如出现故障，应及时报告指导教师进行处理。显微镜各种镜头严禁用手指触摸或用手帕等擦拭，擦拭镜头需用镜头纸。显微镜的灯炮电压为6~8v，严禁直接插在220v的电源插座上。在旋转聚焦旋钮时，动作要慢，碰到阻碍时立即停止操作，并报告指导教师进行处理。使用完毕，关闭电源，将显微镜恢复到使用前状态,经指导老师检查无误后,方可离开实验室。金相显微试样的制备金相试样的制备包括取样、磨制、抛光和浸蚀等步骤。1.取样试样的选取应根据被检验材料或零件的特点，取其有代表性的部位。例如研究零件的失效原因时，应在失效部位取样，并在完好部位取样，以便对比分析。对于铸造合金，考虑到组织的不均匀性，应从表层到中心各个部位进行选取。对于轧材，研究表层缺陷和夹杂物的分布时应横向取样；研究夹杂物类型、形状、变形程度、带状组织时应纵向取样。对一般热处理后的零件，由于组织均匀，可任意取样。取样时应保证试样观察面不发生组织变化，软材料取样可用锯、刨、车等方法，硬材料取样可用砂轮切片机等方法，脆性材料可用锤击等方法。试样尺寸不宜过大或过小，一般以手拿方便即可，其形状以便于观察为宜。试样的尺寸一般不要过大，应便于握持和易于磨制，其尺寸通常采用直径φ12-15mm的园形试样。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2-5，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。552.磨制(1)粗磨：粗磨目的是为了获得一个平整的表面，软材料试样可用锉刀锉平；钢铁材料可用砂轮机磨平。磨削时应注意试样对砂轮的压力不宜过大，以免在试样表面上形成较深的磨痕而增加细磨的困难，磨削时应不断用水冷却试样，以免受热引起组织变化，试样边缘要进行倒角，以免在细磨和抛光时划破砂纸和抛光绒布或造成试样从抛光机上飞出伤人。(2)细磨：细磨分手工磨光和机械磨光两种。手工磨光是用手拿住试样在金相砂纸上进行。金相砂纸按粗细分为01、02、03、04、05号等。细磨时依次从01磨到05号，钢铁材料一般磨到04号即可，软材料（如铝、镁等合金）可磨到05号砂纸。细磨时必须注意：1)细磨时应将砂纸放在光滑平整物体(如玻璃板)上,手指拿住试样，并使磨面朝下,均匀用力由后向前推行磨削。在回程时，提起试样不与砂纸接触，以保证磨面平整而不产生弧度。2)每换一号砂纸时，应将试样转90°再磨，使磨削方向与前道磨痕方向垂直，以便观察前道磨痕是否全部消除。3)每更换一次砂纸之前，应把试样、玻璃和手洗净，以免把粗砂粒带到下一号细砂纸上去。另外，磨削软材料时，可在砂纸上涂一层润滑剂，如机油、甘油、肥皂水等，以免砂粒嵌入试样磨面。机械磨光是在预磨机上进行。预磨机是由电动机带动转盘、转盘分为蜡盘和砂纸盘两种。蜡盘就是把混有金刚砂的熔化石蜡浇在转盘上，待凝固车平后装在预磨机上就可使用。做成不同粗细的金刚砂蜡盘，在生产检验中被大量使用。砂纸盘是把水砂纸剪成圆形，用水玻璃粘在预磨机转盘上，水砂纸按粗细分为200、300、400、500、600、700、800、900号等，一般用200、400、600、800号水砂纸依次磨制即可，用蜡盘和水砂纸盘磨制时，要不断加水冷却。3.抛光抛光由机械抛光、电解抛光、化学抛光等方法，使用最广的是机械抛光。机械抛光是在抛光机上进行。抛光机由电动机带动抛光盘，抛光盘上铺有不同的抛光布。粗抛时用帆布或粗呢，细抛时用绒布、细呢或丝绸等。抛光过程中要不断向抛光布上倒入适量的水与Cr2O3（或Al2O3、MgO等悬浮液。试样的磨面应平正地压在旋转的抛光盘上，压力不宜过大，并使试样从抛光盘边缘到中心不断地作径向往复移动。待试样表面磨痕全部被抛掉而呈现光亮镜面时，抛光即可停止，并将试样用水或酒精洗干净后转入浸蚀。浸蚀金相试样经抛光后，在显微镜下观察只能看到光亮的表面和夹杂物、石墨、孔洞、裂纹等。要观察金属的组织，必须经过适当的腐蚀，使显微组织能正确的显示出来。浸蚀方法有化学浸蚀方法和电解法两种。化学浸蚀是将抛光好的试样磨面在化学浸蚀剂(常用酸、碱、盐的酒精或水溶液）中浸润或拭擦一定时间。由于金属材料中各相的化学成分和结构不同，故具有不同的电极电位，在浸蚀剂中就构成了许多微电池，电极电位的相位为阳极而被溶解，电极电位高的相位阴极而保持不变。故浸蚀后就形成凹凸不平的表面，在显微镜下，由于光线在各处的反射清款不同，就能观察到金属的组织特征。纯金属及单相合金浸蚀时由于晶界原子排列较乱，缺陷及杂质较多，具有较多的能量，故晶界易被浸蚀而呈沟壑。在显微镜下观察时，使光线在晶界处被浸射而不能进入物镜，因次显示出一条条黑色的晶界。应当指出，纯金属与单相合金中各个晶粒的成分虽然相同，但由于其原子排列位相不同，也会使磨面上个晶粒的浸蚀程度不一致，在垂直光线照射下，个个经历就呈现出明暗不一的颜色。化学浸蚀剂的种类很多，浸蚀剂的选用是根据试剂材料的性质及浸蚀的目的来决定。对于碳钢及铸钢，最常用的浸蚀剂为4%硝酸酒精溶液或4%苦味酒精溶液。浸湿时，应将试样浸入一盛有浸蚀剂的容器内，并不断的轻微移动。待浸蚀适度后取出试样，迅速用水冲洗，再用无水酒精冲洗，然后用吹风机吹干，其表面须严格保持清洁。浸蚀时间取决于金属的性质、浸蚀剂的浓度以及显微镜下观察时的放大倍数。总之，浸蚀时间以在显微镜下能清晰地揭示出组织的细节为准。若浸蚀不足，可再继续进行浸蚀，但一旦浸蚀过度。试样则需要重新抛光再进行浸蚀。三、实验设备及材料1、设备：金相显微镜、抛光机、砂轮机。2、各号金相砂纸、抛光布、抛光膏或抛光液（Al2O3）、脱脂棉、3~5﹪硝酸酒精溶液、试样、竹夹子等。四、实验报告要求1、简述实验目的、实验内容。2、简述金相试样的制备过程。3、画出金相试样浸蚀后的显微组织示意图（画显微组织时应选择其典型区域，并抓住其组织特征）。实验三铁碳合金平衡组织的显微分析一、实验目的1.认识和熟悉铁碳合金平衡状态下的显微组织特征；2.了解含碳量对鉄碳合金平衡组织的影响以及Fe－Fe3C3.了解平衡组织的转变规律，并能应用杠杆定律和显微组织示意图分析碳钢的种类；4.熟悉金相显微镜的使用。二、实验原理概述所谓平衡状态指的是鉄碳合金在非常缓慢的冷却条件下完成转变的组织状态。在实验条件下，可以將退火状态下的碳钢组织作为平衡状态下的组织。1.观察碳钢显微组织所使用的常规仪器是金相显微镜，金相显微镜的成像原理可以参阅实验一，金相显微镜属于精密光学仪器，使用时要加以小心和爱护，避免将仪器损坏。2.为了观察金属的显微组织，需要按下列方法制备试样(1)取样：从所研究的部位处截取试样，试样尺寸最好是厚度及直径均为10至15毫米的圆柱，以便于制样和观察。对于薄板、细线材或需要研究边缘组织时，可将试样镶在塑料中或装入特制的夹具中进行磨样。(2)磨制：试样经砂轮打平、倒角后，用砂纸由粗到细依次将试样磨平，磨制试样时考虑一下怎样磨制试样效率更高、效果更好。(3)抛光：抛光的目的在于去除试样表面的细磨痕，得到平滑的镜面。抛光分机械抛光和化学抛光。(4)浸蚀：抛光的试样在金相显微镜下只能看到夹杂物，要看到金属组织还必须进行浸蚀。由于合金中不同相或不同部位的晶粒耐蚀性不同，试样经浸蚀，表面会出现凸凹不平的情况，由于它们对光线的反射程度不同，在光线下就会呈现不同的明暗区域或线条，这样就可看到金属的金相显微组织。显示钢铁金相显微组织常用的浸蚀剂是3％到5％的硝酸酒精溶液。制备试样很费时间，所以要爱护制好的试样表面，更要避免被硬物划伤，在实验过程中不要用手去动试样表面。3.铁碳合金的各种基本组织特征铁素体（F）—用3～4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的等轴晶粒；亚共析钢中铁素体呈块状分布，当含碳量接近于共析成分时，铁素体则呈断续的网状分布于珠光体周围。渗碳体（Fe3C）—是Fe与C的化合物，含量为6.69%，质硬而脆，耐腐蚀。经3--4%硝酸酒精溶液浸蚀后，Fe3C呈亮白色；若用苦味酸钠浸蚀，则Fe3C被染成暗黑色或综红色。按成分和形成条件的不同，Fe3C可呈现不同的形态。一次Fe3C（或Fe3Cr）是直接从液体中析出的，故在白口铸铁中呈粗大的条件片状；二次Fe3C（或Fe珠光体（P）——是F与Fe3C的机械混合物，在一般退火处理情况下（近于平衡状态）是由铁素体与渗碳体相互混合交替排列形成的层片状组织。经硝酸酒精溶液浸蚀后，在不同放大倍数的显微镜下可以看到具有不同特征的珠光体组织（如图2--1莱氏体（Ld）——是在室温时珠光体及二次渗碳体和渗碳体组成的机械混合物。如含碳量为4.3%的共晶白口铸铁在1147℃时形成由奥氏体和渗碳体组成的共晶体，其中奥氏体冷却时析出Fe3CⅡ,并在三、实验内容1.观察试样，根据铁碳合金状态图判断各组织组成物，区分金相显微镜下观察到的各种金相显微组织。观察的试样有各种含碳量的铁碳合金，通过观察金相组织，判断所观察的试样是属于哪一类铁碳合金。2.根据表3-1所列的平衡状态下的显微组织，利用Fe-Fe3C表3-1铁碳合金平衡状态试样合金分类含碳量％显微组织工业纯铁低于0.0218铁素体（F）碳钢亚共析钢0.0218~~0.77F＋珠光体（P）共析钢0.77P过共析钢0.77~~2.11P＋二次渗碳体（CⅡ）白口铸铁亚共晶白口铸铁2.11~~4.3P＋CⅡ＋莱氏体（Lˊe）共晶白口铸铁4.3Lˊe过共晶白口铸铁4.3~~6.69Lˊe＋一次渗碳体（CⅠ）四、实验设备及材料1、金相显微镜2、金相图谱3、几种铁碳合金的显微样品见表2-3。五、实验报告要求1、说明本次实验的目的。2、画出所观察过的组织，并注明材料名称、含碳量、（浸蚀剂）和放大倍数。显微组织图画在直径为30mm的圆内，并将组织组成物名称以箭头引出标明。实验四碳钢的热处理及组织性能分析一、实验目的1.了解碳钢的基本热处理工艺方法（退火、正火、淬火、回火）；2.了解不同的热处理工艺对碳钢硬度的影响；3.观察碳钢的各种热处理后的显微组织。二、实验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。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30~50℃共析钢，过共析钢：淬火、退火的加热温度，在Ac1以上30~50℃正火加热温度在Acm以上30~50℃图4-1淬火加热温度范围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30~50℃过共析钢在退火时若加热到奥氏体单相区，冷却时将在晶介析出网状渗碳体，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：（150~250℃）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中温回火；（350~500℃）所得组织为回火屈氏体，硬度约为HRC40高温回火：（500~650℃）所得组织为回火索氏体，硬度约为HRC30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。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。6.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，沿晶介分布，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HRC35~40。(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HRC62~65，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(Ar)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（150~250℃）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(6)回火屈氏体（T回）马氏体经中温回火（350~500℃(7)回火索氏体（S回）马氏体经高温回火（500~650℃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。三、实验设备及材料1、设备：箱式电阻炉及控温仪表、洛氏硬度试验机、砂轮机、金相显微镜、铁钳子、淬火水槽及油槽；2、材料：钢试样、水、油。四、实验内容1、按下表工艺进行热处理操作，并测定经热处理后的各块样品的硬度。实验任务表钢号热处理工艺硬度值HRC或HRB换算为HB或HV预计组织加热温度冷却方式回火温度123平均45860炉冷空冷油冷水冷水冷200水冷400水冷600750水冷T12750炉冷空冷油冷水冷水冷200水冷400水冷600860水冷2、观察实验室制备的下列样品的显微组织：序号钢号热处理工艺腐蚀剂显微组织145钢860℃4%硝酸酒精F+S245钢860℃4%硝酸酒精M+F345钢860℃4%硝酸酒精M445钢860℃水冷，6004%硝酸酒精S回5T12750℃水冷，2004%硝酸酒精M回+CmⅡ+Ar6T12750℃4%硝酸酒精P（粒状）+CmⅡ（粒状）3、画出所观察样品的显微组织示意图五、实验步骤1、全班分成2组，每组一套试样。将每个试样打上钢号，以免混淆。炉冷试样可由实验室事先处理好。2、将炉温升到860℃，放入钢样，（保温后其中一块气冷，一块油冷，四块水冷）和一块T123、从两种加热温度的水冷试样中各取出三块45钢和T12钢试样，分别放入200℃、400℃、600℃4、淬火时，试样用钳子夹好，出炉、入水迅速，并不断在水中或油中搅动，以保证热处理质量，取放试样时炉子要先断电。5、热处理后的试样用砂轮磨去两端面氧化皮，然后测定硬度（HRC或HB）每个试样测三点，取平均值，并将数据填于表内。6、每个同学必须抄下本组的全部实验数据，以便独立进行分析。六、实验注意事项1、本实验用电炉一定要接地，在放、取试样时，必须先切断电源。2、向炉内放、取试样必须用尖钳，尖钳不得沾有油和水，炉门开关要迅速。3、从炉内取出试样淬火时，动作要迅速，试样在催多介质中应不断搅动，以免影响淬火质量。4、淬火时水温应保持在20～305、回火后的试样要用砂纸将氧化皮打掉后，再测硬度值。七、实验报告要求1、写出实验目的。2、附上全套硬度数据。3、画出冷却速度—硬度；回火温度--硬度曲线，并分析含碳量和淬火温度对硬度的影响。4、画出所观察的热处理试样的显微组织示意图。实验五合金钢的显微组织分析一、实验目的1.观察和研究各种不同类型合金钢的显微组织特征。2.了解几种合金钢的成分，显微组织对性能的影响。二、实验原理合金钢的显微组织比碳钢复杂，在合金钢中存在的基本相有：合金铁素体，合金奥氏体，合金碳化物（包括合金渗碳体及特殊碳化物）及金属化合物等，其中合金铁素体与合金渗碳体及大部分的合金碳化物的组织特征，与碳钢中的铁素体和渗碳体无明显区别，而合金钢中的金属化合物的组织形态则随种类不同而各异，合金奥氏体在晶粒内常常存在滑移线和孪晶的特征。合金钢按用途可分为结构钢，工具钢、特殊性能钢三大类。合金钢的显微组织因其处理方法不同，处于不同状态下则有不同的组织，如退火状态有亚共析钢、共析钢、过共析钢及莱氏体钢，正火状态有珠光体类、贝氏体类、马氏体类及奥氏体类钢，还有些钢在固态下具有铁素体组织，故称之为铁素体钢，如高铬不锈钢。三、实验内容本实验对各类合金钢中，对常见的典型组织，进行分析研究。1、高速钢高速钢是高合金工具钢，具有良好红硬性（或热硬性）。对典型钢种W18Cr4V观察分析。由于钢中存在有大量的合金元素，因此除了形成合金铁素体与合金渗碳体外，还会形成各种合金碳化物（如Fe4W2C、VC等），这些组织特点决定了高速钢具有优良的切削性能。高速钢的铸态组织：按组织特点，高速钢属莱氏体钢，因此在铸态组织中出现莱氏体组织，在显微镜下能观察到鱼骨状共晶莱氏体、δ共析体（暗黑色），马氏体（白亮色）及残余奥氏体。高速钢的退火：铸态高速钢组织很不均匀，有粗大的碳化物，必须经反复锻造，使碳化物锻碎均匀分布。锻造后的组织为屈氏体+马氏体的基体上分布有均匀的碳化物。由于硬度较高不利于切削加工，要进行退火。退火后组织：索氏体+碳化物。其中粗大白亮色的颗粒为初生共晶碳化物，较小的次生碳化物及索氏体内的极细的共析碳化物，退火后的硬度HB207~255。高速钢淬火后的组织：马氏体+未溶碳化物+残余奥氏体。马氏体呈隐针状，很难显出针状形态，但能看到明显的奥氏体晶界及分布的未溶碳化物，淬火后硬度为HRC61~62。W18Cr4V钢淬火后需经三次560℃回火，其组织为回火马氏体+过剩碳化物和少量的残余奥氏体（约2~3%），回火后硬度为HRC63~652、不锈钢不锈钢中应用最广的为0Cr18Ni9，含有17.00~19.00%Cr、8.00~11.00%Ni、≦0.06%C的奥氏体不锈钢，这种钢如缓冷到室温时，在奥氏体晶界处常会出现碳化物和铁素体，产生晶间腐蚀现象，所以必须进行固溶处理（1100℃3、耐磨钢高锰钢含有0.9~1.3%C和10~14%Mn（Mn13耐磨钢）目前广泛应用于制造耐磨零件。高锰钢由于有强烈的加工硬化现象，难以切削加工，因此常以铸造状态使用，铸造高锰钢的组织为奥氏体与碳化物，由于碳化物沿晶界分布，使钢呈现出相当大的脆性，为了得到单相奥氏体组织，需进行水韧处理（1000~1050℃4、合金结构钢本实验除观察上述典型的合金钢组织外，还要观察几种常用的合金结构钢的显微组织，如40Cr钢在退火和调质状态的组织；GCr15钢在球化退火和淬火+低温回火后的组织等。实验前，实验室已经准备好一套合金钢金相试样。实验时，学生对已准备好的试样进行观察，并绘出几种合金钢的组织示意图。5、画出所观察的显微组织示意图。四、实验设备及材料1、设备：金相显微镜、金相图谱及放大的金相照片；2、材料：各种合金钢的显微样品。五、实验报告要求1、要求绘出观察合金钢的组织示意图，并能标明组织组成物。2、简述几种典型合金钢的组织特征，处理方法。3、分析元素的作用以及组织和性能的关系。实验六铸铁和有色金属显微组织观察一、实验目的1、观察和分析几种铸铁的显微组织。2、了解不同铸铁的性能、成分、组织的特点及其应用。3、观察常用的铝合金、铜合金及轴承合金的显微组织特征。4、了解合金的成分、显微组织对性能的影响二、实验原理概述（一）铸铁的显微组织铸铁的组织是在钢的基体上分布着不同形状的石墨，铸铁分为灰口、可锻和珠墨铸铁。1、灰口铸铁（含碳量2.5～4%）（1～2.5%Si）石墨呈片状，基体有铁素体、珠光体和铁素体+珠光体三类。其铸造性能好，有良好的减磨抗振性，易切削。2、可锻铸铁（含渗量2.2-2.8%）（1.2-2%Si）可锻铸铁是由白口铸铁在固态下经长时间石墨化退火处理而得，其中渗碳体发生分解而成团絮状石墨，其体有铁素体和珠光体两类，有较高的韧性和塑性，主要用于制作薄壁小型铸件，但同期长，成本高。3、球墨铸铁（含碳量3.6%-3.8%）（2-2.8%Si）石墨呈球状，其体有铁素体、珠光体和铁素体+珠光体三类。球墨铸铁是用球化剂（镁、钙及稀土原素等）进行球化处理，使石墨变为球状。它的机械性能高于其它铸铁。（二）有色金属的显微组织1、铝合金有铸造铝合金和形变铝合金两类。常用的铸造铝合金为铝一硅系合金ZL102含硅10-13%，成分在共晶点附近，