1、工程材料实验材料实验教学中心张旭茗实验一 平衡组织与非平衡组织观察 1. 平衡组织观察 2. 非平衡组织观察实验二 金属硬度实验实验注意事项1.室内保持安静、整洁； 2.珍惜仪器；3.一周左右交实验报告。实验三 金属表面硬度实验一、实验目的1. 了解材料表面硬度的测试方法2. 掌握布氏硬度、洛氏硬度及维氏硬度方法3. 测试给定材料的布氏硬度、洛氏硬度二、实验仪器1.HRD-150型电动洛氏硬度计2.HB-3000C电子布氏硬度计金属硬度试验硬度试验方法 硬度是材料机械性能的一种整体综合指标。硬度是材料机械性能的一种整体综合指标。 硬度值不仅与材料的弹性极限、弹性模量、硬度值不仅与材料的弹性极限
2、、弹性模量、屈服极限、脆性、还与材料结晶状态、原子屈服极限、脆性、还与材料结晶状态、原子间键结合力和原子结构等都有关系。间键结合力和原子结构等都有关系。 硬度测定的特点是不损坏工件、操作方便、硬度测定的特点是不损坏工件、操作方便、迅速、效率高。迅速、效率高。硬度试验应用硬度试验方法分类 静压入试验静压入试验 用以测定材料对永久变形的抗力。用以测定材料对永久变形的抗力。布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度 划痕试验划痕试验 测定材料对破裂的抗力。观察一种材测定材料对破裂的抗力。观察一种材料是否能被另一种材料划痕，料是否能被另一种材料划痕， 马氏划痕硬度、莫
3、氏马氏划痕硬度、莫氏划痕硬度划痕硬度 犁槽试验犁槽试验 将一钝头元件（通常为金刚石）以一将一钝头元件（通常为金刚石）以一定的载荷和相似条件下划过表面，以划痕宽度作为硬定的载荷和相似条件下划过表面，以划痕宽度作为硬度的度量标准。度的度量标准。BierbaumBierbaum硬度试验硬度试验 硬度试验方法分类 回跳试验回跳试验 或称弹性回跳法，测定材料对弹性变或称弹性回跳法，测定材料对弹性变形的抗力。使一标准质量和尺寸的物体由试验表面弹形的抗力。使一标准质量和尺寸的物体由试验表面弹回，取回跳高度作为硬度标准。肖氏硬度回，取回跳高度作为硬度标准。肖氏硬度 阻尼试验阻尼试验 也称摇摆试验，测定材料对永
4、久变形也称摇摆试验，测定材料对永久变形的抗力。摇摆法硬度的抗力。摇摆法硬度 磨损试验磨损试验 将试样压在一正在转动的圆盘上，以将试样压在一正在转动的圆盘上，以磨耗率作为硬度的度量标准磨耗率作为硬度的度量标准 冲蚀试验冲蚀试验 在标准条件下将磨料冲射到试验表面在标准条件下将磨料冲射到试验表面上，以在一定时间内损失的材料重量作为硬度的度量上，以在一定时间内损失的材料重量作为硬度的度量标准标准静压入硬度试验定义：定义：抵抗永久压痕的能力。抵抗永久压痕的能力。原理：原理：在一定的时间间隔里，将硬质压头压入所要在一定的时间间隔里，将硬质压头压入所要 测试的金属表面，然后测量压痕的深度测试的金属表面，然后
5、测量压痕的深度 或大小。或大小。优点：优点：材料的硬度和其他物理特性之间存在着某种材料的硬度和其他物理特性之间存在着某种 关系，是一种非破坏性试验。关系，是一种非破坏性试验。分类：宏观硬度分类：宏观硬度 通常载荷在通常载荷在1KG 1KG 以上以上 显微硬度显微硬度 通常载荷小于通常载荷小于1KG(1g-500g)1KG(1g-500g) 纳米硬度纳米硬度 通常在更小的载荷范围通常在更小的载荷范围1.1.硬度试验的特点及应用硬度试验的特点及应用l 试样制备简单，可在各种不同尺寸的试样试样制备简单，可在各种不同尺寸的试样上进行试验，试验后试样基本不受破坏；上进行试验，试验后试样基本不受破坏；l
6、设备简便，操作方便，测量速度快；设备简便，操作方便，测量速度快；l 测量范围大测量范围大: :可大可大( (多晶体多晶体) )可小可小( (单个晶粒、单个晶粒、表面渡层、手表内部小零件等表面渡层、手表内部小零件等) )、可软可硬、可软可硬各种金属件都可做硬度试验；各种金属件都可做硬度试验；l硬度与强度之间有近似的换算关系，根据测出硬度与强度之间有近似的换算关系，根据测出的硬度值就可以粗略地估算强度极限值的硬度值就可以粗略地估算强度极限值( (如碳钢如碳钢b b0.36HB)0.36HB)。l测定材料的硬度测定材料的硬度, ,定性分析材料的组织、性能定性分析材料的组织、性能; ;l测定脱碳层深度
7、测定脱碳层深度; ;l定性分析夹杂物性质定性分析夹杂物性质, , 组成相的性质等。组成相的性质等。2.洛氏硬度测定法2.1 2.1 洛氏硬度的测量原理洛氏硬度的测量原理 用顶角为用顶角为120120的金刚石圆锥或的金刚石圆锥或为为1.588mm1.588mm的淬火钢球为压头的淬火钢球为压头, ,在规定载荷在规定载荷（初载荷及主载荷）的作用下压入材料表（初载荷及主载荷）的作用下压入材料表面面, ,经规定保持时间后经规定保持时间后, ,卸除主试验力，根卸除主试验力，根据压痕深度来确定硬度值。图据压痕深度来确定硬度值。图1 1表示了洛氏表示了洛氏硬度的测量原理。硬度的测量原理。图1.洛氏硬度试验原理
8、示意图0-00-0：未加载荷，压头未接触试件时的位置。：未加载荷，压头未接触试件时的位置。1-11-1：压头在预载荷：压头在预载荷P P0 0(98.1N)(98.1N)作用下压入试件深作用下压入试件深度为度为h h0 0时的位置。时的位置。 h h0 0包括预载所引起的弹形变包括预载所引起的弹形变形和塑性变形。形和塑性变形。2-22-2：加主载荷：加主载荷P P1 1后，压头在总载荷后，压头在总载荷P= PP= P0 0+ P+ P1 1 的的作用下压入试件的位置。作用下压入试件的位置。3-33-3：去除主载荷：去除主载荷P P1 1后仍保留预载荷后仍保留预载荷P P0 0 时压头的时压头的
9、位置，压入深度为位置，压入深度为h h1 1。由于。由于P P1 1所产生的弹性变所产生的弹性变形被消除，所以压头位置提高了形被消除，所以压头位置提高了h h，主载荷引，主载荷引起的塑性变形深度为起的塑性变形深度为:h= h:h= h1 1- h- h0 0 h h值越大，试件越软，值越大，试件越软，h h值越小，试件越硬。值越小，试件越硬。 为适应数值越大硬度越高的概念，用一常数为适应数值越大硬度越高的概念，用一常数K K减去减去h h表示硬度的高低。并规定每表示硬度的高低。并规定每0.002mm0.002mm为一个洛氏硬为一个洛氏硬度单位，用符号度单位，用符号HRHR表示，则：表示，则：
10、测量值直接在表盘上读出。测量值直接在表盘上读出。 用金刚石圆锥压头时，常数用金刚石圆锥压头时，常数K K为为0.2mm0.2mm，硬度值由黑，硬度值由黑色表盘表示色表盘表示 ; ; 用钢球用钢球(=1.588mm)(=1.588mm)压头时，常数压头时，常数K K为为0.26mm0.26mm，硬度值由红色表盘表示，硬度值由红色表盘表示. . 0.002K hHR 为了扩大洛氏硬度的测量范围，可用不同的压为了扩大洛氏硬度的测量范围，可用不同的压头和不同的总载荷配成不同标尺的洛氏硬度。头和不同的总载荷配成不同标尺的洛氏硬度。洛氏硬度共有洛氏硬度共有1515种标尺供选择，它们分别为：种标尺供选择，它
11、们分别为：HRAHRA，HRBHRB，HRCHRC，HRDHRD，HREHRE，HRFHRF，HRGHRG，HRHHRH，HRKHRK，HRLHRL，HRMHRM，HRPHRP，HRRHRR，HRSHRS，HRVHRV；表面；表面洛氏硬度标尺：洛氏硬度标尺：HR45NHR45N、 HR30NHR30N、 HR15NHR15N和和HR45THR45T、 HR30THR30T、 HR15T HR15T 。其中常用的几种标。其中常用的几种标尺尺见表见表1 1。 标度符号压头总载荷N(kg)表盘上刻度颜色常用硬度值范围应用举例HRA金刚石圆锥588.6(60)黑色7085碳化物、硬质合金、表面淬火钢等
12、HRB1.588mm钢球981(100)红色25100软钢、退火钢、铜合金HRC金刚石圆锥1471.5(150)黑色2067淬火钢、调质钢等HRD金刚石圆锥981(100)黑色4077薄钢板、中等厚度的表面硬化工件HRE3.175mm钢球981(100)红色70100铸铁、铝、镁合金、轴承合金HRF1.588mm钢球588.6(60)红色40100薄板软钢、退火铜合金HRG1.588mm钢球1471.5(150)红色3194磷青铜、铍青铜HRH3.175mm钢球588.6(60)红色 铝、锌、铅表1.各种洛氏硬度值的符号及应用 2.2 2.2 洛氏硬度测定的优缺点洛氏硬度测定的优缺点优点优点:
13、 : 操作简便、迅速，适宜大生产；操作简便、迅速，适宜大生产； 压痕小，适宜测成品；压痕小，适宜测成品； 适用范围广，从极软到极硬、从极薄到极厚的适用范围广，从极软到极硬、从极薄到极厚的材料都能测定。材料都能测定。缺点：缺点： 不同标尺硬度值之间不能相互比较；不同标尺硬度值之间不能相互比较； 对粗大组织的金属不适用对粗大组织的金属不适用。 硬度表示法如：硬度表示法如：38HRC38HRC、48HR30N48HR30N、68HR30T68HR30T等。等。 金属洛氏试验执行的现行标准为：金属洛氏试验执行的现行标准为： GB/T 230.1GB/T 230.12004 2004 金属洛氏硬度试金属
14、洛氏硬度试验验 第第1 1部分：试验方法部分：试验方法 注意事项注意事项 试样表面要平滑干净；试样表面要平滑干净； 试样或试验层最小厚度不小于金刚石压试样或试验层最小厚度不小于金刚石压头头h h的的1010倍或钢球压头倍或钢球压头h h的的5 5倍；倍； 试验后试样背面不得有肉眼可见的变形试验后试样背面不得有肉眼可见的变形痕迹；痕迹；3.布 氏 硬 度 测 试 法3.1 3.1 布氏硬度的测量原理布氏硬度的测量原理 加载荷加载荷P,P,使直径为使直径为D D的淬火钢球压头的淬火钢球压头压入试件表面并保持一定时间，去载后，压入试件表面并保持一定时间，去载后，测量压痕直径测量压痕直径d d，算出压
15、痕面积，算出压痕面积F F， P/FP/F即为布氏硬度，用符号即为布氏硬度，用符号HBHB表示。布氏表示。布氏硬度的测量原理如图硬度的测量原理如图2 2所示。所示。图2.布氏硬度试验原理示意图 式中：P测试用的载荷(kg)； D压头钢球的直径(mm)； d压痕直径(mm)； F压痕面积(mm2). 测出d,查表即可得HB值 公式)(222dDDDPDhPSPBHN 压头直径有压头直径有2.5mm2.5mm，5mm5mm，10mm10mm三种三种; ; 载荷有载荷有15.6kg15.6kg、62.5kg62.5kg、182.5kg182.5kg、250kg250kg、750kg750kg、100
16、0kg1000kg、3000kg3000kg七种七种; ; 材料的软硬不同要配合使用。为了在不同直径的材料的软硬不同要配合使用。为了在不同直径的压头和不同载荷下进行测试时，同一种材料的布压头和不同载荷下进行测试时，同一种材料的布氏硬度值相同。氏硬度值相同。D D与与P P之间要满足相似原理。之间要满足相似原理。 如图如图3 3所示。所示。图3. 不同直径的钢球压头产生在几何上相似的压头 2/sin2nndP DAAD推倒得出: 只要使P/D2为一常数，就可使保持不变，从而保持了几何形状相似的压痕。 只要满足P/D2为常数，则同一材料测得的HB值是相同的。且不同材料测得的HB值也可进行比较。 国
17、家标准规定P/D2的比值为30、10、5三种。 实验规范见表2式中:A为常数表表2 2 布氏硬度的实验规范布氏硬度的实验规范金属类型布氏硬度范围HB试件厚度mm载荷P与压头直径D的关系钢球直径D,mm载荷P,kg载荷保持时间，s黑色金属14015063432P=30D2105.02.53000750187.51066313063432P=30D2105.02.53000750187.530361309-363663175175Rm0.343HBRm0.343HB10MN/m10MN/m2 2Rm0.362HBRm0.362HB10MN/m10MN/m2 2铸铝合金铸铝合金Rm0.26HBRm0
18、.26HB10MN/m10MN/m2 2退火黄铜、青铜退火黄铜、青铜Rm0.55HBRm0.55HB10MN/m10MN/m2 2冷加工后黄铜、青铜冷加工后黄铜、青铜Rm0.40HBRm0.40HB10MN/m10MN/m2 2 l缺点缺点 由于压痕大由于压痕大, ,只宜测半成品只宜测半成品; ; 不宜测太薄，太软、太硬不宜测太薄，太软、太硬（0.25Dd0.6D）的材料；的材料； 对不同材料和厚度的试样需更换压头和对不同材料和厚度的试样需更换压头和试验力，测压痕直径费时，还得查表，试验力，测压痕直径费时，还得查表，所以效率低。所以效率低。3.5 3.5 测量注意事项测量注意事项: : d d
19、的范围应为的范围应为0.25Dd0.6D0.25Dd2%2%者，需要在硬度值后面注明。者，需要在硬度值后面注明。 维氏硬度表示法维氏硬度表示法 640 HV 30 640 HV 30 表示用表示用136136金刚石压头在金刚石压头在294.2N294.2N试验力作用下保持试验力作用下保持10101515秒测得秒测得的维氏硬度值为的维氏硬度值为640640。 640 HV 30/20 640 HV 30/20 表示用表示用136136金刚石压金刚石压头在头在294.2N294.2N试验力作用下保持试验力作用下保持2020秒测得秒测得的维氏硬度值为的维氏硬度值为640640。4.3 对试样的要求
20、要求试样经过抛光，试样厚度至少是要求试样经过抛光，试样厚度至少是压痕深度的压痕深度的1010倍或者不小于压痕对角倍或者不小于压痕对角线的线的1.51.5倍，在满足这个条件的情况下倍，在满足这个条件的情况下尽可能选用较大载荷，可减少测量误尽可能选用较大载荷，可减少测量误差。差。4.4 优缺点及注意事项优缺点及注意事项优点优点 可测定从极软到极硬各种金属材料的硬可测定从极软到极硬各种金属材料的硬度度,且不同载荷下的维氏硬度值可以进行且不同载荷下的维氏硬度值可以进行比较。比较。 维氏硬度值测量精确可靠，在材料科学维氏硬度值测量精确可靠，在材料科学研究中被广泛应用。研究中被广泛应用。4.4 优缺点及注
21、意事项优缺点及注意事项缺点缺点 维氏硬度需测量对角线的长度，然后通维氏硬度需测量对角线的长度，然后通过计算或查表才能得到硬度值。测量过过计算或查表才能得到硬度值。测量过程繁琐，工作效率低。在测量过程中，程繁琐，工作效率低。在测量过程中，采用计算机控制测量过程，采集和处理采用计算机控制测量过程，采集和处理数据，可能克服上述缺点并大大提高工数据，可能克服上述缺点并大大提高工作效率。作效率。注意注意 维氏硬度两相邻压痕中心之间的距离，对于钢、铜维氏硬度两相邻压痕中心之间的距离，对于钢、铜及铜合金至少应为压痕对角线长度的及铜合金至少应为压痕对角线长度的3 3倍；对于轻金属、倍；对于轻金属、铅、锡及合金
22、至少应为压痕对角线长度的铅、锡及合金至少应为压痕对角线长度的6 6倍。如果相倍。如果相邻两压痕大小不同，应以较大压痕确定压痕间距。邻两压痕大小不同，应以较大压痕确定压痕间距。 金属维氏硬度试验执行的现行标准为：金属维氏硬度试验执行的现行标准为： GB/T 4340.11999 金属维氏硬度试验金属维氏硬度试验 第第1部分：试部分：试验方法。验方法。 5 使用硬度计应注意的事项 除了各种硬度计使用时特殊注意事项外，除了各种硬度计使用时特殊注意事项外，还有一些共同的应注意的问题，现列举还有一些共同的应注意的问题，现列举如下：如下：1)1)硬度计本身会产生两种误差：硬度计本身会产生两种误差：l 一是
23、其零件的变形、移动造成的误差；一是其零件的变形、移动造成的误差；l 二是硬度参数超出规定标准所造成的误差。二是硬度参数超出规定标准所造成的误差。对第二种误差，在测量前需用标准块对硬度计对第二种误差，在测量前需用标准块对硬度计进行校准。进行校准。l 洛氏硬度各标度有一事实上的适用范围，要根洛氏硬度各标度有一事实上的适用范围，要根据规定正确选用。例如，硬度高于据规定正确选用。例如，硬度高于HRB100HRB100时，时，应采用应采用HRCHRC标度进行测试；硬度低于标度进行测试；硬度低于HRC20HRC20时应时应用用HRBHRB标度进行测试。因为超出其规定的测试标度进行测试。因为超出其规定的测试
24、范围时，硬度计的精确度及灵敏度较差，硬度范围时，硬度计的精确度及灵敏度较差，硬度值不准确，不宜使用。值不准确，不宜使用。l 其他硬度测试法也都规定有相应的校正标准。其他硬度测试法也都规定有相应的校正标准。 2) 2) 压头避免撞击压头避免撞击, ,保持清洁保持清洁; ; 3) 3)在试件允许的情况下，一般选不同部位至少在试件允许的情况下，一般选不同部位至少测试三个硬度值，取平均值，取平均值作为试测试三个硬度值，取平均值，取平均值作为试件的硬度值。件的硬度值。4) 4) 对形状复杂的试件要采用相应形状的垫块，对形状复杂的试件要采用相应形状的垫块，固定后方可测试。对圆试件一般要放在固定后方可测试。
25、对圆试件一般要放在V V形槽形槽中测试。中测试。5) 5) 加载时动作要轻稳，加载时不能移动试样或加载时动作要轻稳，加载时不能移动试样或转动压头。转动压头。实验内容实验内容1 1洛氏硬度：不同热处理状态的洛氏硬度：不同热处理状态的T10T10钢或钢或4545号钢，每组号钢，每组7 7块试样，每个样打三个点取块试样，每个样打三个点取平均值，做出材料热处理状态与硬度对应平均值，做出材料热处理状态与硬度对应的曲线图或表。的曲线图或表。2. 452. 45号钢布氏硬度，测量压痕的直径，利用公式号钢布氏硬度，测量压痕的直径，利用公式计算布氏硬度值。计算布氏硬度值。思思 考考 题题1 1最常用的硬度计有哪
26、几类？其硬度用什么符号最常用的硬度计有哪几类？其硬度用什么符号表示？表示？2 2洛氏硬度计的测量原理是什么？洛氏硬度计的测量原理是什么？3 3最常用的三种洛氏硬度标准的压头载荷是如何最常用的三种洛氏硬度标准的压头载荷是如何配合使用的？配合使用的？4 4布氏和维氏硬度的试验原理是什么？布氏和维氏硬度的试验原理是什么？5 5试说明布氏、洛氏、维氏硬度试验的优缺点、试说明布氏、洛氏、维氏硬度试验的优缺点、适用范围及测量注意事项。适用范围及测量注意事项。6 6符号符号130HBW10/1000/30130HBW10/1000/30、HRC50HRC50、640 HV640 HV3 30/20 0/20
27、 的含义？的含义？实验一 铁碳合金平衡组织观察一、实验目的 1. 学会使用光学显微镜； 2. 掌握铁碳合金在平衡状态下的组织特征。 实验一 铁碳合金平衡组织观察二、实验仪器 4A型金相显微镜铁碳合金平衡组织 铁碳合金平衡状态的显微组织是指合金在极为缓慢的条件下，即接近于平衡状态下所得到的组织； 可以根据Fe-Fe3C平衡相图来分析合金在平衡状态下的显微组织； 铁碳合金在室温下的平衡组织均由铁素体（F）和渗碳体（Fe3C）两相按不同数量、大小、形态和分布所组成。铁碳合金的分类Fe-C平衡相图铁碳合金的分类 根据铁碳合金的含碳量和组织的不同，可将其分为三类： 1.工业纯铁（含碳0.0218%）显微
28、组织为铁素体： 2.钢（含碳0.02182.11% ）其特点是高温组织为单相奥氏体，具有良好的塑性，适于锻造。根据试问组织的不同，钢又可分为三类： 亚共析钢（含碳0.77%）组织为铁素体和珠光体； 共析钢（含碳量为0.77%）组织是珠光体； 过共析钢（含碳0.77%）珠光体和渗碳体 3.白口铸铁（含碳量2.116.69%）特点是液态结晶时都有共晶转变，具有好的铸造性。但高温组织中渗碳体量多，性脆，不适合锻造。根据室温组织的不同，白口铸铁又分为三类： 亚共晶白口铸铁（含碳4.3%）组织为珠光体、渗碳体与变态莱氏体； 共晶白口铸铁（含碳量为4.3%）组织是变态莱氏体； 过共晶白口铸铁（含碳4.3%
29、）组织是渗碳体与变态莱氏体。铁碳合金的组织1.工业纯铁工业纯铁组织 碳的质量分数小于0.0218%的铁碳合金称为工业纯铁； 白亮基底是铁素体的不规则等轴晶。黑色线条是铁素体的晶界； 在某些晶界可以看到少量不连续薄片状三次渗碳体； 硬度、强度不高而塑性、韧性较好。 2.碳钢（1）共析钢 含碳量为0.77%，在727以上的组织为奥氏体，冷至727时发生共析反应： CFeFACC3%0218. 0%77. 0珠光体电镜照片珠光体光镜照片 将铁素体与渗碳体的机械混合物称为珠光体（P）。室温下珠光体中渗碳体的质量分数约为12%； 慢冷所得到的珠光体呈层片状； 采用电子显微镜高倍放大能看出Fe3C薄层的厚
30、度， Fe3C窄条与基体F两者有明显的分界线。普通光学显微镜下观察时，只能看到Fe3C成细黑线条分布在铁素体上； 位向相同的一组铁素体加渗碳体片层，称为一个共析领域； 当放大倍数低，珠光体组织细密或浸蚀过深时，珠光体中的片层难以分辨，呈一片暗色区域。2.碳钢（2）亚共析钢亚共析钢的含碳量为0.0218%0.77%，其组织为先共析铁素体加珠光体。 20钢 平衡组织40钢 平衡组织 在显微镜下铁素体呈亮色，珠光体呈暗色； 铁素体的形态随合金含碳量（即铁素体的量）的多少而变化。例如20钢，其组织的基体为等轴晶粒，少量暗色珠光体分布在铁素体晶粒边界或三叉晶界上，呈不规则岛状，40钢珠光体与铁素体量相当
31、，当碳含量大于0.5%时，珠光体成为钢的基体，铁素体呈连续或断续的网络状围绕着珠光体分布。2.碳钢（3）过共析钢 过共析钢的含碳量为0.77%2.11%，但由于含碳量过高，二次渗碳体量增多，使钢变脆，实用钢的最大含碳量只到1.3%。 T12钢 硝酸酒精腐蚀 过共析钢的组织由珠光体及二次渗碳体组成，二次渗碳体呈网状，分布在晶粒边界，含碳量愈高，渗碳体网越多越完整；3.白口铸铁（1）共晶白口铸铁 共晶白口铸铁 共晶白口铸铁的含碳量为4.3%，此合金由液态冷却到1148时，全部发生共晶反应： 所得产物为莱氏体（Ld），呈豹皮状，其中奥氏体呈短棒或小条状分布在渗碳体基础上，在以后的继续冷却过程中，只有
32、奥氏体发生转变，先析出二次渗碳体，后在727形成珠光体。； 沿奥氏体边界析出的二次渗碳体，常与共晶渗碳体连成一片，不易分辨； 室温组织是由奥氏体转变来的二次渗碳体、珠光体及原共晶渗碳体组成，称变态莱氏体（Ld）。所谓变态的实质是指共晶内部组成物改变，并非形貌改观，在显微镜下观察变态莱氏体仍呈豹皮状 。CFeALCC3)%11. 2()%3 . 4(3.白口铸铁（1）亚共晶白口铸铁 亚共晶白口铸铁 亚共晶白口铸铁含碳量为2.11%4.3%； 这类合金凝固时先析出初生奥氏体，呈树枝状，剩余液体在1148发生共晶反应得到莱氏体，继续冷却时初生奥氏体及共晶体中的奥氏体各在原地发生相同的转变，即先析出二
33、次渗碳体，后形成珠光体； 室温组织是由初生奥氏体转变所得的二次渗碳体加珠光体（Fe3CII+P）及变态莱氏体Ld所组成 。3.白口铸铁（1）过共晶白口铸铁 亚共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁含碳量为4.3%6.69%； 过共晶白口铸铁的组织由粗大片状的一次渗碳体加变态莱氏体组成。实验所用材料 表中列出了观察所用的金相试样，共5套 类别合金牌号浸蚀剂显微组织类别合金浸蚀剂显微组织工业纯铁工业纯铁35%硝酸酒精溶液F+Fe3CII白口铸铁亚共晶35%硝酸酒精溶液Fe3CII+P+Ld亚共析钢4535%硝酸酒精溶液F+P共析钢T835%硝酸酒精溶液P共晶35%硝酸酒精溶液Ld过共析钢T1235%硝酸酒精
34、溶液P+Fe3CII过共晶35%硝酸酒精溶液Ld+Fe3CI实验内容 1. 学习显微镜的原理及操作过程； 2. 观察、分析工业纯铁、亚共析钢45钢、共析钢T8、过共析钢T12、亚共析白口铸铁B亚、共析白口铸铁B、过共析白口铸铁B过的组织特征，并画出各组织示意图。思考题1. 简述纯铁的室温组织与其性能关系。2. 铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体的结构、组织形态的特点。3. 简述Fe-Fe3C相图中三个基本反应：包晶反应、共晶反应及共析反应，写出反应式，注出含碳量及温度。4. 何谓碳素钢？何谓白口铸铁？两者的成分、组织和性能有何差别？5. 变态莱氏体的塑性比珠光体的差，说明原因。实验二 铁碳
35、合金非平衡组织观察一、实验目的 1. 观察和研究碳钢经不同形式热处理后显微组织的特征； 2. 了解热处理工艺对钢组织和性能的影响。 实验原理 碳钢在不平衡状态，即快冷条件下的显微组织不能用铁碳合金相图来加以分析，而应由过冷奥氏体等温转变曲线图C曲线来确定； 按照不同的冷却条件，过冷奥氏体将在不同的温度范围发生不同类型的转变。通过金相显微镜观察，可以看出过冷奥氏体各种转变产物的组织形态各不相同。 热处理之所以能使钢的性能发生显著变化，主要是由于钢的内部组织结构发生了一系列变化。 采用不同的热处理工艺，将会使钢得到不同的组织，从而获得所需性能。 共析钢C曲线转变类型组织名称形成温度范围（）金相显微
36、组织特征硬度（HBC）珠光体型相变珠光体（P）650 在400500倍金相显微镜下可观察到铁素体和渗碳体的片层状组织20（HB180200）索氏体（S）600650在8001000倍以上的显微镜下才能分清片层状特征，在低倍下片层模糊不清2535屈氏体（T）550600 用光学显微镜观察时呈黑色团状组织，只有在电子显微镜（500015000）下才能看出片层组织3540贝氏体型相变上贝氏体（B上）350550 在金相显微镜下呈暗灰色的羽毛状特征4048下贝氏体（贝下）220350 在金相显微镜下呈黑色针叶状特征4858马氏体型相变马氏体（M）230 在正常淬火温度下呈细针状马氏体（隐晶马氏体），过
37、热淬火时则呈粗大片状马氏体6265一般有以下几种热处理方法热处理工艺热处理种类虽然很多，但各种热处理都不外乎包括加热、保温、冷却三个阶段。热处理工艺热处理工艺曲线1.钢的退火及正火组织 亚共析成分的碳钢（如40、45钢等）一般采用完全退火，经退火后可得到接近于平衡状态的组织； 过共析成分的碳素工具钢（如T10、T12钢等）一般采用球化退火，T12钢经球化退火后组织中的二次渗碳体及珠光体中的渗碳体都将变成颗粒状 ； 正火是将钢加热到AC3或Acm以上3050，保温后进行空冷，由于冷却速度比退火稍快，组织中的珠光体相对量较高，且片层较细密； 对于低碳钢来说，正火后提高了硬度，对于高碳钢来说可消除网
38、状渗碳体，为下一步球化退火及淬火做准备。T12钢球化退火组织 45钢经正火后的组织 图中均匀而分散的细小粒状组织就是粒状渗碳体 。 45钢经正火后的组织通常要比退火的细，珠光体的相对含量也比退火组织中的多 ； 图中黑的部分为索氏体组织，白色部分为铁素体组织。 2.钢的淬火组织 凡是淬透性好的材料经过淬火处理后均获得马氏体组织，而马氏体的形态又根据其本身的含碳量不同而有所区别。最常见的马氏体有板条马氏体和片状马氏体。 （1）板条马氏体 板条状马氏体的立体形态为细长的板条状，在低碳钢中长度约几微 米，横截面近似椭圆形，平均直径小于1m，通常为0.10.2m，在显微镜下表示为一束束细条状的组织。每束
39、的条与条之间以小角度晶界分开，束与束之间有较大的位相差。这些有规则的成群堆集的马氏体板条为成束的从奥氏体晶界中长出。 低碳马氏体呈板条状，因此称低碳马氏体为板条马氏体，其亚结构内具有高密度位错，也称位错马氏体。2.钢的淬火组织（2）片状马氏体 片状马氏体的立体形态是由许多厚度较小的凸透镜状晶体按不同角度分布所组成。在金相显微镜下观察为片状、竹叶状或针状，通常出现针状和竹叶状的几率较大，所以一般称针状马氏体； 当金属磨面与马氏体平行相切时，可看到大马氏体片。相邻针状马氏体片之间互不平行，是这种组织的主要特征； 在一个奥氏体晶粒内第一片形成的马氏体往往贯穿整个奥氏体晶粒，将奥氏体晶粒加以分割，使以
40、后形成的马氏体片受到限制。因此，片状马氏体大小不一，有的马氏体片中有一条中脊面，在马氏体片周围往往有参与奥氏体； 片状马氏体晶内的亚结构主要是孪晶，所以也叫做孪晶型马氏体。 板条马氏体显微组织片状马氏体显微组织2.钢的淬火组织 淬火冷却速度，有油冷和水冷；根据加热温度又分为不完全淬火，正常淬火和过热淬火。（1）不完全淬火：将45钢加热到Ac1以上，但低于Ac3（760 ），然后在水中冷却，这种淬火称为不完全淬火。 在这个温度加热，部分铁素体尚未溶入奥氏体中，经淬火后将得到马氏体和铁素体组织。在金相显微镜中观察到的是呈暗色针状马氏体基底上分布有白色块状铁素体。（2）正常淬火：45钢经正常淬火（8
41、60）后将获得细针状马氏体，由于马氏体针非常细小，在显微镜中不易分清。（3）过热淬火：若将淬火温度提高到1000（过热淬火），由于奥氏体晶粒的粗化，经淬火后将得到粗大针状马氏体组织 。 45钢不完全淬火组织45钢正常淬火组织45钢过热淬火组织2.钢的淬火组织 淬火冷却速度，有油冷和水冷；根据加热温度又分为不完全淬火，正常淬火和过热淬火。 若将45钢加热到正常淬火温度，然后在油中冷却，则由于冷却速度不足，得到的组织将是马氏体和部分屈氏体（或混有少量贝氏体）。45钢800油冷的显微组织 亮白色为马氏体，呈黑色块状分布于晶界处的为屈氏体 2.钢的淬火组织 T12钢在正常温度淬火后的显微组织，除了细小
42、的马氏体外尚有部分未溶入奥氏体中的渗碳体（呈亮白颗粒）； 当T12钢在较高温度淬火时，显微组织出现粗大的马氏体，并且还有一定数量（1530%）的残余奥氏体（呈亮白色）存在于马氏体针之间。 T12钢在正常温度淬火后的显微组织 T12钢过热淬火组织 3.钢淬火后的回火组织 钢经淬火后所得到的马氏体和残余奥氏体均为不稳定组织，它们具有向稳定的铁素体和渗碳体的两相混合物组织转变的倾向。通过回火将钢加热，提高原子活动能力，可促进这个转变过程的进行。 淬火钢经不同温度回火后所得到的组织不同，通常按组织特征分为以下三种：（1）回火马氏体 淬火钢经低温回火（150250），马氏体内的过饱和碳原子脱溶沉淀，析出
43、与母相保持着共格联系的碳化物，这种组织称为回火马氏体。 回火马氏体仍保持针片状特征，但容易受浸蚀，故颜色要比淬火马氏体深些，是暗黑色的针状组织。 45钢低温回火组织3.钢淬火后的回火组织 （2）回火屈氏体 淬火钢经中温回火（350500）得到在铁素体基体中弥散分布着微小粒状渗碳体的组织，称为回火屈氏体。 回火屈氏体中的铁素体仍然基本保持原来针状马氏体的形态，渗碳体则呈细小的颗粒状，在光学显微镜下不易分辨清楚，故呈暗黑色。 用电子显微镜可以看到这些渗碳体质点，并可以看出回火屈氏体仍保持有针状马氏体的位向。 45钢400 回火组织金相照片45钢400 回火组织电镜照片3.钢淬火后的回火组织 （3）
44、回火索氏体 淬火钢高温回火（500650）得到的组织称为回火索氏体，其特征是已经聚集长大了的渗碳体颗粒均匀分布在铁素体基体上。 用电子显微镜可以看出回火索氏体中的铁素体已不呈针状形态而成等轴状。 45钢600 回火组织金相照片45钢600 回火组织电镜照片实验所用材料 表中列出了观察所用的金相试样，共5套 编号热处理工艺显微组织特征M板15钢：淬火板条马氏体P+F45钢：正火：860空冷细珠光体+铁素体（块状）M混45钢：淬火：860水冷 细针马氏体+残余奥氏体（亮白色）M回45钢：860水淬+200回火细针状回火马氏体（针呈暗黑色）T回45钢：860水淬+400回火针状铁素体+不规则粒状渗碳体S回45钢：860水淬+600回火等轴状铁素体+粒状渗碳体M片GCr15钢：淬火：860油冷片状马氏体实验内容 观察15钢淬火、45钢正火、淬火、低、中、高温回火、GCr15钢淬火组织，画出所观察到的几种典型的显微组织形态特征，并注明组织名称、热处理条件及放大倍数等。 思考题1. 何谓钢的热处理？钢的热处理操作有哪些基本类型？2. 马氏体组织有哪几种基本类型？描述它们的形成条件与组织形态。3. 亚共析碳钢及过共析碳钢淬火加热温度应如何选择？试从获得的组织及性能等方面加以说明。
