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(完整版)《机械工程材料》实验指导书

《机械工程材料》实验指导书

主编：孙维连

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实验一 铁碳合金平衡组织分析
一、实验目的
1)观察和研究铁碳合金在平衡状态下的显微组织。
2)分析和研究碳的质量分数，在相形成过程中的影响，研究组织组成物的本质和特征.
3）学会使用金相显微镜。
二、概述
碳素钢和铸铁材料，其显微组织与性能有密切的关系。 “
1．碳素钢和白口铸铁的平衡组织 所谓平衡组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下所得
到的组织。在铁碳合金中，平衡组织是指碳素钢和白口铸铁的显微组织。这些组织在室温时，
均由铁素体和渗碳体两相组成。
由于碳的质量分数不同，造成铁素体和渗碳体这两个基本相的相对数量,析出条件以及分
布情况均不同，呈现各种不同的组织形态。
铁碳合金在室温下的显微组织,见表1-1.

表1—1铁碳合金在室温下的显微组织
材 料
wc（％)
显微组织
工 业 纯 铁
<0。0218
F（见图5—6b)

亚共析钢
O．0218～0.77
F+P（见图5-8b)
碳 钢
共析钢
O.77
P（见图5—7b）

过共析钢
O．77~2.11
P+Fe3CI(见图5—9b）

亚共晶白口铸铁
2。11～4。3
P+Fe3CII＋L／d （见图5-11b)
白口铸铁
共晶白口铸铁
4。3
L／d（见图5—10b)

过共晶自口铸铁
4.3~6.69
Fe3Cl+ L／d ( （见图5-12b)

2．各种相组成物和组织组成物特征 ．
(1）铁素体（F） 是碳固溶于a-Fe中的固溶体.铁素体是体心立方晶格，有磁性，塑性好,硬度低.工业纯铁经过金相试样制备后，在金相显微镜下观察，可见多边形等轴晶粒（教材图5—6b)。随着钢中碳的质量分数增加，铁素体减少,增加了新的组织(即珠光体P）,铁素体呈块状分布(见教材图5-8b）40钢显微组织。当碳的质量分数接近共析成分时,铁素体呈断续的网状分布在珠光体
周围.
(2)渗碳体(Fe3C) 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.用4％的硝酸酒精溶液浸蚀后，渗碳体呈亮白色，见教材图5—9b.
渗碳体有多种形态:一次渗碳体Fe3CI。是直接从液相中析出来的，呈宽直白条状；二次渗
碳体Fe3CII.是由奥氏体(A)中析出的，常呈网状分布在珠光体的边界上.此外，还有球粒状，小
条块等形态。渗碳体的硬度高，是硬而脆的相，强度和塑性差。
(3）珠光体（P) 是铁素体和渗碳体的机械混合物，即铁素体片与渗碳体片相互交替排列
形成片层状组织。以不同的放大倍数显微镜进行金相观察,结果如下：
在400倍时，为宽白条的铁素体和细黑条的渗碳体，类似人的指纹纹路.见图1—1 400
×下的珠光体。
在高放大倍数时，为平行相间的宽条铁素体和窄条渗碳体均为白色，边界为黑色，见图
1—2 2000×下的珠光体。

图1—1 400×下的珠光体 图1—2 2000×下的珠光体

(4）莱氏体(L／d) 在室温时是珠光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。金相显微镜观察，莱氏体的组织特征是在亮白
色的渗碳体的基体上分布着许多黑色点状或条状的珠光体(见教材图5—10b,共晶白口铸铁的显微
组织）.
莱氏体硬度高，性脆.一般存在于碳的质量分数大于2。11％的白口铸铁中，高合金钢的铸
造绢织中也出现。
在亚共晶白口铸铁中，莱氏体基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／d中的渗碳体混为一体，分辨不清，见教材图5-11b。
在过共晶白口铸铁中，莱氏体基体上,分布着宽直白条的一次渗碳体，见图5—12b。
三、实验内容及报告
1)学会金相显微镜的使用.通过金相显微镜，观察平衡组织试样,研究组织特征.
2）在直径36mm圆内绘制观察到的金相组织图，需用细实线标明组织构成物，注明浸蚀
剂，试样材料，放大倍数，见表1—2。

表1-2铁碳合金平衡组织试样
编 号
材 料
热 处 理
浸 蚀 剂
1
工业纯铁

4％硝酸酒精溶液
2
45
退火
3
T8
4
T12
5
亚共晶白口铸铁
铸态
6
共晶白口铸铁
7
过共晶白口铸铁

四、注意事项
1)金相显微镜是精密光学仪器，操作要认真。
2）绘图使用铅笔。不要将试样中杂质及划痕画出.
3)不要触摸试样表面，如有模糊不清试样，请老师重新更换。

实验二 碳素钢的热处理
一、实验目的
1）了解碳素钢的基本热处理（退火、正火、淬火及回火）的工艺方法和主要设备.
2)研究碳的质量分数，加热温度，冷却速度，回火温度对钢性能的影响。
3)熟悉硬度计的使用。
二、热处理工艺
碳素钢热处理工艺主要有退火、正火、淬火及回火。加热温度、保温时间和冷却速度，是达
到热处理良好效果的最重要工艺参数。
1．加热温度
(1）退火 亚共析钢加热至Ac3+(30℃～50℃)(完全退火);共析钢，过共析钢加热至Acl+（100C~200C)（球化退火)，得到粒状渗碳体，硬度降低，以利切削加工。
(2）正火 亚共析钢加热至Ac3+(30℃～50℃);过共析钢加热至Accm+(30℃～50℃）.
即加热到奥氏体单相区。退火和正火的加热温度范围,见图2—1.
（3)淬火 亚共析钢加热至Ac3+（30℃～50℃);共析钢和过共析钢加热至Ac1+（30℃～50℃)，淬火的加热温度范围，见图2—2。
钢的成分，原始组织及加热速度等皆影响临界点Ac1,Ac3，Accm的位置。热处理前需认真查阅有关的材料手册，按规范操作。否则,得不到预期的组织.若加热温度过高.晶粒容易长大，材料氧化,脱碳和变形而失去效能.几种碳素钢的临界点，见表2—1。 图2—1 退火和正火的加热温度范围
（4)回火 碳素钢淬火后需尽快回火，按加热温度的不同，可分为三种：
1)低温回火 加热温度150℃～250℃,目的是得到回火马氏体。降低淬火应力，减少
脆性并保持淬火碳素钢的高硬度。用于切削工具、冷作模具、滚动轴承等。
2)中温回火 加热温度350℃~500℃，目的是得到回火托氏体，较多地降低淬火应力，有高的韧性和弹性极限。用于弹簧钢、热作磨具钢等热处理。
3）高温回火 加热温度550℃～650℃,目的是得到回火索氏体,消除淬火应力。强度、硬度、冲击韧度较好。淬火加上高温回火又称调质，用于要求具有良好综合力学性能的重要零件,如主轴,齿轮等。
图2—2 淬火的加热温度范围

表2-1几种碳素钢的临界点

wc（％）
临 界 点 ℃

淬火温度℃

Acl
Ac3
Accm

O。2

835+△T

860～880
O。4

800+△T

840～860
O.6

727
750+△T

790～800
O。8

727+△T

780~800
1。O

850+△T
760～800
1。2

895+△T
760～800
注：△T为过热度，取决于加热速度，一般为5℃~15℃。 、
2．保温时间 为了保证工件内外均达到指定的温度,使碳化物溶解和奥氏体成分均匀
化,工件升温和保温所需的加热时间要给予保证.保温的加热时间需考虑诸多因素，可参考有关手册数据。空气介质炉中每毫米碳素钢需1min～1.5min;合金钢则需2min左右。利用盐浴炉加热,时间可减半。
3．冷却速度热处理时要充分注意不同的冷却方法,具体来说：退火一般采用随炉冷却;正火（又称常化)采用出炉置于空气中冷却，大件则常常还要加吹风.
淬火工艺则较复杂.一方面要求工件冷却大于临界冷却速度，目的是得到全部马氏体组织或下贝氏体组织;另一方面又要求工件减缓冷却速度,避免淬火应力过大，造成开裂和变形.理想的冷却是过冷奥氏体在最不稳定的温度范围内(650℃～550℃）尽快冷却，迅速渡过危险区域，而在马氏体转变温度（300℃~20℃)尽量降低冷却速度。淬火时的理想冷却曲线示意图，见图2—3。

图2－3 淬火时的理想冷却曲线示意图

三、实验要求及报告
每6人一组进行工艺实验，填好表2—2。
表2—2碳素钢淬火+回火工艺表
材 料
45
T12
淬前组织

淬前硬度

淬火温度

加热时间

淬火介质

淬后硬度

回火温度
200℃
400℃
600℃
200℃
400℃
600℃
保温时间

回火后硬度

实验三 常用金属材料的显微组织观察
一、实验目的
1）利用金相显微镜观察几种合金钢、铸铁及有色合金的显微组织。
2)了解和分析这些合金的成分、显微组织对性能影响。
二、概述
为了提高钢的力学性能及工艺性能,在碳素钢中加入一定量的合金元素，则成为合金钢。
铸铁的优点是熔点低,流动性好,易于铸造，且成本低。有色合金材料则各自具有特殊的物理化
学性能。
工业生产中,广泛使用上述三种材料.
(一）合金钢
合金钢的基本相有：合金铁素体、合金奥氏体、合金碳化物及金属间化合物等等，故其显微
组织远比碳素钢复杂。
1．高速钢 以W18Cr4V为例，属高合金钢，特点是具有高红（热）硬性。
在铸态下与亚共晶白口铸铁组织相似，其中莱氏体由合金碳化物和马氏体或托氏体组成，
见教材7-11。需说明，呈鱼骨状的碳化物不能靠热处理消除，必须进行锻造打碎、退火，才能改善碳化物的分布状况.
在退火状态下，高速钢的基体是索氏体，其上分布着许多亮白块是一次或二次碳化物.如图教材7—1 3所示，高速钢所需淬火温度高（如W18Cr4V为12700C~12800C)，促使奥氏体充分合金化.采用油冷或分级淬火，三次高温回火，组织为回火马氏体,碳化物及少量残余奥氏体,见教材图7—17，
高速钢由于具有优异的力学性能,成为常用的切削工具材料。
2．不锈钢 以1Crl8Ni9为例,特点是耐大气，海水及腐蚀性液体的浸蚀，属高合金钢。其
铬含量高，可产生材料表面钝化作用，阴极电位提高;加入镍可保证在室温下具有奥氏体组织。
不锈钢固溶处理，加热到11000C左右,碳化物溶解,水冷，组织为单一奥氏体晶粒。固溶处理后
的1Crl8Ni9钢的组织，见图3-1。
需说明，1Crl8Ni9在室温下是过饱和的单相奥氏体，不稳定。加热到4000C～8000C (或从
高温冷却较慢时），则有(Cr、Fe)23C6。从奥氏体晶界上析出，使晶间耐腐蚀能力下降。如加入与
碳亲和力很强的元素Ti、Nb，可以较好地解决这一问题.
（二)有色合金
在工业生产中,还常常使用相当数量的有色合金以满足多种需要。
1．铝合金 按加工工艺分为铸造铝合金和变形铝合金两大类.铝硅合金是应用最广的铸造铝合金,俗称硅铝明。典型的牌号是含硅10%～13％的ZLl02。从A1一Si合金相图可知，其成分在共晶点附近，因而铸造流动性好，不易产生铸造裂纹。但其金相组织为a固溶体和粗大的针状硅晶体所成的共晶
体及少量呈多面体状的初生硅晶体。硅晶体极脆, 图3—1 1Crl8Ni9钢固溶处理后的显微组织
故合金的塑性和韧性降低了。通过变质处理，可改善这一状态。浇注前在合金液体中加入2%～3%的变质剂(2／3NaF+1／3NaCl)即可。
钠盐的加入使其共晶点右移，原合金成为亚共晶成分，合金组织大大细化，变质后的组织
由初生的α固溶体和细密的共晶体（a+Si）组成，使合金的强度和塑性显著改善，见教材图9—7。
2．铜合金 以黄铜(Cu-Zn合金）和青铜（Cu—Sn合金）最为常用.此外，铜铝合金、铜铍
合金、铜镍合金也有应用。
由铜锌合金相图可知，锌的质量分数少于36%的黄铜组织为单相a固溶体，称a黄铜或单相黄铜。黄铜H70经过变形及退火加工后，其a晶粒为多边形，并有明显的孪晶。单相黄铜的显微组织,见图3—3。
锌的质量分数为36％～45％的黄铜具有a+b／两相组织，称双相黄铜。如双相黄铜H62的金相组织，a相为亮白色，b／相为黑色。b／相是以CuZn电子化合物为基的有序固溶体，受温度影响大，在低温时较硬而脆；在高温时塑性良好,适于热加工.
3．轴承合金 在滑动轴承中,常常应用的是
巴氏合金材料。锡基巴氏合金含83％Sn、11%Sb
和6％Cu。
轴承的轴瓦材料承载时,需兼有硬和软两种
性质,即在软而有塑性的基体上分布着硬的质点.
在金相显微镜下观察，巴氏合金显微组织中暗黑
图3-3单相黄铜的显微组织
色基体为软的α相;硬质点呈白色方块、三角型、梯型等几何形状为b／相；和白色枝状析出物为Cu6Sn5化合物g相，见教材图9—13。这种特殊的混合组织使轴承材料具有较好的强度、塑性和韧性，具有良好的抗振、减摩性能。
(三)铸铁
工业生产中，主要应用的铸铁是三种：灰铸铁（HT)，可锻铸铁(KT）和球墨铸铁(QT）.划分的主要依据是石墨的不同形态和分布。
1。灰铸铁 它的显微组织特征,见教材图8—3.是在钢的基体上有片状石墨.按基体组织和石
墨化的程度不同，又细分为铁素体基体、铁素体+珠光体基体和珠光体基体的灰铸铁.其中,铁
素体基体铸铁韧性最好，而珠光体基体的铸铁抗拉强度最高.
灰铸铁层片状石墨存在，对基体的割裂作用很大，使得材料抗拉强度、抗弯强度很低。但其
抗压强度很好。此外，石墨的存在使得材料具有润滑性能，又有减振作用。
灰铸铁广泛用于铸造机床床身、普通输水管及配件等。
2.可锻铸铁 它又称韧性铸铁，是由白口铸铁经过石墨化退火处理而得到的。退火使渗
碳体发生分解而形成絮状石墨。这种石墨形态比片状对基体割裂作用小,力学性能高。可锻铸
铁有铁素体和珠光体两种基体显微组织，见教材图8-4。
在应用方面，可锻铸铁常用作紧固件、联接件及某些薄壁小件，如弯头、三通、钢丝绳卡子
等。
3.球墨铸铁 球墨铸铁生产是在铸铁浇包的包底，预先置放一定量的金属镁和稀土元
素，浇注后石墨呈球状析出.球形石墨对基体割裂作用最小，故球墨铸铁的力学性能可与碳素
钢相媲美,显微组织见教材图8-5.
三、实验要求及报告
1)写出本次实验目的。
2)观察表3—1中各种材料的金相试样,绘制金相组织图，用实线指出组织组成物，注明
放大倍数、浸蚀剂名称.

表3-1各类合金材料的金相试样
编 号
材 料 名 称
热处理工艺
浸 蚀 剂
1
W18Cr4V
铸态

4％稍酸酒精
2
W18Cr4V
淬火+三次回火

3
1Crl8Ni9Ti
固溶处理
王水

4

灰铸铁
、
。铸态

5
可锻铸铁
退火
4%硝酸酒精
6
球墨铸铁
铸态

7
铝合金
铸态（未变质)

O．5％HF水溶液
8
铝合金
铸态(已变质)

9
a黄铜

退火

3％FeCl3+lO％HCl溶液
10
a+B黄铜

实验四 工程材料综合实验

一、试验目的
通过选材,测试原材料硬度，设计热处理工艺，进行热处理（淬火,回火）,测试处理后材料硬度，制备金相组织，在显微镜下进行观察。研究组织构成，分析材料成分、性能、热处理工艺组织结构之间的关系。培养学生综合分析能力。

二．实验设备
砂轮机，火花图谱，直读光谱仪1台，热处理中温炉5台，高温炉1台，金相磨抛光机3台,金相显微镜3台，布氏硬度计1台,洛氏硬度计1台，盐水1桶,机油1桶.

三．实验步骤
1． 材料选择：
学生随机挑选试样，试样尺寸：Φ30×50（15，45，T8，40Gr)30个。用砂轮机磨试样，对照火花图谱，鉴别材料成分.或用直读光谱仪测定材料成分。
2． 试样力学性能测定：
用布氏硬度计或用洛氏硬度计测定原材料硬度.
3． 设计热处理工艺：
根据材料成分查表制定热处理工艺。
4． 热处理试验:
将热处理炉温升到1000℃、 840℃ 、 760℃ 、 600℃、 400℃ 、 200℃，放入工件，适当保温后，进行淬火和回火。
5． 热处理后材料硬度测试：
用洛氏硬度计测量淬火，回火后试样硬度。
6． 制备金相试样：
通过整平、粗磨、细磨、抛光、腐蚀与吹干等制样步骤,制备金相试样.
7． 金相组织鉴定：
在金相显微镜下观察试样制备后的金相组织。

四、实验总结
分析材料成分、金相组织、热处理工艺与力学性能之间的关系.

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