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工程材料实验指导书


1.2 铁碳合金显微组织分析
1.2.1 实验目的 (1)观察和了解铁碳合金在平衡状态下的显微组织; (2)分析含碳量对铁碳合金显微组织的影响,从而加深理解成分、组织和性能之间的 相互关系; (3)学会使用金相显微镜。 1.2.2 金相显微镜的结构和工作原理 由于被观察的物体是不透明的金属表面, 因此, 金相显微镜设有人工光源进行试样表面 的照明,如图 1-1 所示。

由灯泡 1 发出一束光线, 经过聚光镜 2 及反光镜 7 被汇聚在孔径光阑 8 上, 随后经过聚 光镜 3、视场光阑 9 再度将光线聚集在物镜 6 的后焦面上,最后,光线通过物镜,用平行光 照明标本,使其表面得到充分均匀的照明。从物体反射回来的光线复经物镜 6、辅助透镜 5、 半反射镜 4、辅助透镜 10 以及棱镜 11、12,造成一个物体的倒立放大实象,该象被场镜 13 和接目镜 14 所组成的目镜放大。

图 1-1

金相显微镜的光学系统

1.2.3 实验原理 铁碳合金的平衡组织是指铁碳合金在极为缓慢的冷却条件下所得到的组织。 可以根据铁 碳相图来分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织。 铁碳合金主要包括碳钢和白口铸铁,其室温组成相由铁素体和渗碳体这两个基本相组 成。由于含碳量不同,铁素体和渗碳体的相对数量、析出条件及分布状况均有所不同,因而 呈现各种不同的组织形态,见表 1-1。
表 1-1 类型 亚共析钢 碳钢 共析钢 过共析钢 亚共晶白口铁 白口铸铁 共晶白口铁 过共晶白口铁 各种铁碳合金在室温下的显微组织 含碳量/% 0.02~0.77 0.77 0.77~2.11 2.11~4.3 4.3 4.3~6.69 珠光体 珠光体+二次渗碳体 珠光体+二次渗碳体+莱氏体 莱氏体 莱氏体+一次渗碳体 显微组织 铁素体+珠光体

工业纯铁 注:以上试样均由 4%硝酸酒精溶液侵蚀

<0.02

铁素体

从表中看出,铁碳合金在金相显微镜下具有下面四种基本组织: (1)铁素体(F) :它是碳溶解于 α- Fe 中的间隙固溶体。铁素体是体心立方晶格,有 磁性,塑性好,硬度低 。工业纯铁试样在金相显微镜下观察,可见白色等轴晶粒。随着含 碳量的增加,铁素体减少,增加了新的组织(珠光体) ,铁素体呈块状分布。当碳的含量接 近共析钢的质量分数时,铁素体呈断续的网状分布在珠光体周围。 (2)渗碳体(F e 3C) :它是碳与铁形成的化合物,其碳的质量分数为 6.69%,质硬而脆, 耐腐蚀,显微镜下呈亮白色,而铁素体呈灰白色。渗碳体可以有多种形态;一次渗碳体直接 由液体中结晶出,呈粗大的片状;二次渗碳体是由奥氏体中析出,常呈网状分布在珠光体的 边界上;此外,还有球粒状,小条块状等形态的渗碳体,它们的硬度高,是硬而脆的相,强 度和塑性差。 (3)珠光体(P) :它是铁素体和渗碳体的机械混合物。渗碳体中包括共晶渗碳体和二 次渗碳体。两者相连无界线,无法分辨开。 (4)莱氏体(L′e) :在金相显微镜下观察,莱氏体的组织特征是在亮白色的渗碳体上分 布着许多黑色点状或条状的珠光体。莱氏体硬度高,性脆。一般存在于碳的质量分数大于 2.1%的白口铸铁中,高合金钢的铸造组织中也出现。在亚共晶白口铸铁中,莱氏体机体上 分布着黑色树枝状和豆粒状的珠光体。其周围常有一圈白亮的二次渗碳体,但与 L′ e 中的 渗碳体混为一体,分辨不清。在过共晶白口铸铁中,莱氏体基体上,分布着宽直白条状的一 次渗碳体。 根据含碳量及组织特点的不同,铁碳合金分为工业纯铁、钢和铸铁三大类。 1.2.4 实验内容 (1)用金相显微镜观察表 1-2 所列试样的显微组织 。 (2) 在 Φ36mm 圆内绘制观察到的金相组织图, 标明组织构成物名称, 注明侵蚀剂名称、 放大倍数。
表 1-2 序号 1 材料 工业纯铁 热处理 退火 碳钢和白口铸铁的显微样品 组织说明 铁素体(白色等轴晶为铁素体,黑色网络为晶界。 )

3

亚共析钢 45 共析钢 T8 过共析钢 T12

退火

铁素体及珠光体 (白色晶粒为铁素体, 黑色块状为片状珠光体, 由于放大倍数不够,珠光体的片状结构不明显。 )

5

退火

珠光体(白色铁素体与黑色渗碳体成层状排列。 )

7

退火

珠光体与二次渗碳体(黑白相间的层片状基体为珠光体,晶界 上的白色网络为二次渗碳体。 ) 珠光体与二次渗碳体及莱氏体(斑点状基体为莱氏体,黑色枝

8

亚共晶生铁

铸态

晶为珠光体,成大块黑色。二次渗碳体与莱氏体中的渗碳体连 成一片,均为白色,不能分辨。 )

9

共晶生铁

铸态

共晶莱氏体(黑色圆粒及长条为珠光体,二次渗碳体与共晶渗 碳体均为白色,连在一起,无法分辨。 ) 一次渗碳体和共晶莱氏体(白色粗大的板条状为一次渗碳体, 黑白相间的斑点状基体为共晶莱氏体。 )

10

过共晶生铁

铸态

备注:表中试样所用侵蚀剂均为 4%硝酸酒精溶液。

11.1 碳素钢的热处理及硬度测定综合实验
11.1.1 实验目的 (1)了解碳素钢的基本热处理工艺和主要设备; (2)了解不同的热处理工艺对钢的性能的影响; (3)熟悉布氏和洛氏硬度计的结构和使用方法。 11.1.2 实验方法 热处理是充分发挥金属材料性能潜力的重要方法之一。 其工艺特点是把钢加热到一定温 度,保温一段时间后,以某种速度冷却下来,通过改变钢的内部组织来改善钢的性能,其基 本工艺包括退火、正火、淬火和回火等。 (1) 退火。 亚共析钢加热至 AC3+ (20℃~30℃) ; 共析钢、 过共析钢加热至 AC1+ (20℃~ 30℃) ,保温后缓慢地随炉冷却,得到粒状渗碳体,硬度降低,以利于切削加工。 (2) 正火。 亚共析钢加热至 AC3+ (30℃~50℃) ; 共析钢、 过共析钢加热至 A ccm + (30℃~ 50℃) ,即加热到奥氏体单相区,保温后在空气中冷却。由于冷却速度稍快,与退火组织相 比,所形成的珠光体片层细密,故硬度有所提高。对低碳钢来说,正火后提高硬度可改善其 切削加工性能,降低表面粗糙度;对高碳钢来说,可消除网状渗碳体,为球化退火和淬火做 准备。 (3) 淬火。 亚共析钢加热至 AC3+ (30℃~50℃) ; 共析钢、 过共析钢加热至 AC1+ (30℃~ 50℃) ,保温后在不同的冷却介质中快速冷却,从而获得马氏体和(或)贝氏体组织。马氏 体的硬度和强度都很高,特别适用于有较高耐磨性要求的工模具材料。 (4)回火。回火是把经过淬火后的钢再加热到 AC1 以下某一温度,保温一段时间,然后 冷却到室温的热处理工艺。其主要目的是改善淬火组织(马氏体)的韧性,消除淬火时产生 的残余内应力并减小钢件的变形。回火又分低温回火、中温回火和高温回火。淬火加高温回 火称调质,它能使材料得到强度、塑性、韧性都较好的综合力学性能。调质处理广泛应用于 各种重要的结构零件,如:主轴、连杆、曲轴、齿轮等。 (5)保温时间。保温时间需要考虑多种因素,可参考有关手册。据经验估算,按工件有 效厚度在空气介质炉中每毫米碳钢需 1min~1.5min。 11.1.3 硬度的测量方法 11.1.3.1 布氏硬度的测量方法 将一定直径的钢球,在规定的负荷作用下和在一定的时间内,压入被测试件(未经淬火 钢、铸铁、有色金属)表面,卸去载荷后,用读数显微镜测量试件表面的压痕直径,然后查 表或按下式计算出布氏硬度值;

HB ?

2P

?D( D ? D 2 ? d 2 )

从上式看出,布氏硬度值是以试样上钢球压痕球型面积所承受的平均压力( kg/mm2) 表示的。

式中

P——通过钢球施加在试样表面上的负荷; D——钢球直径; d——压痕直径。

图 11-1 表 11-1 金属种类 布氏硬度范围/HB 140~450 >450

钢球压痕示意图

测定布氏硬度所用钢球直径、载荷大小与保荷时间应按表 11-1 选择
布氏硬度所用钢球直径、载荷与保荷时间 钢球直径/mm 2.5 2.5 载荷/kg 187.5 62.5 保荷时间/s 10 10

黑色金属

11.1.3.2 洛氏硬度测量法 它是用金刚石压头(或淬火钢球压头) ,在先后施加两个载荷(预载荷和总载荷)作用 下压入金属表面来进行。总载荷 P 为预载荷 P 0 及主载荷 P1 之和,即 P=P0+P1。洛氏硬度值 是施加 P 并卸除 P1 后,在 P0 继续作用下,由 P1 所引起的残余压入深度值 e 来计算。如图 11-2 所示,h0 表示在预载荷 P0 作用下,压头压入被测试件的深度。h1 表示在已施加 P 并卸 除 P1,但仍保留 P0 时,压头压入被测试件的深度。深度差 e=h1-h0

HRC ?
式中

k ? ?h1 ? h0 ? c

k —常数,采用金刚石压头时为 0.2,采用淬火钢球压头时为 0.26; c —常数,代表指示器读数盘每一个刻度相当于压头压入被测试件的深度,其值为 0.002 毫米; HRC—洛氏硬度符号。

图 11-2

洛氏硬度测量原理图

在实际应用中, 试件的硬度值可以从硬度计指示器上直接读出, 并不需要根据上述公式 加以计算。

实验时可按表 11-2 选择所用压头、载荷数值及有效测量范围。
表 11-2 刻度符号 B C A
0 0

洛氏硬度所用压头、载荷及测量范围 总载荷/kg 100 150 60 硬度符号 HRB HRC HRA 允许测量范围 30~100 20~67 >70

压头 Φ 1.588 毫米淬火钢球 120 金刚石圆锥体 120 金刚石圆锥体

11.1.4 实验内容 (1) 根据表 11-3 所列项目要求,对试件进行各种热处理; (2) 对热处理过的试件测量其硬度值,并填入表 11-3 中; (3) 分析实验中存在的问题。
表 11-3 材料 淬前组织 淬前硬度 淬火温度 加热时间 保温时间 淬火介质 淬后硬度 回火温度 保温时间 回火后硬度 正火温度 正火硬度 退火温度 退火后硬度 860℃ 200℃ 400℃ 600℃ 水 860℃ 碳素钢淬火+回火工艺表 45

续前


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