工程材料实验实验指导书

工程材料实验指导书
刘贤坤
五邑大学机电工程系
2011.3
目录
实验一铁碳合金平衡组织观察与分析 (2)
实验二碳钢的热处理及其性能分析 (5)
实验一铁碳合金平衡组织观察与分析
一、实验目的
1．观察和分析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的平衡组织的影响，加深对C
Fe
-相图的理解。

Fe
3
3.了解与掌握金像显微镜的构造和使用。

二、实验原理
认识铁碳合金的平衡组织是分析鉴别钢铁材料质量及性能的基础。

所谓平衡组织是指铁碳合金以极为缓慢的冷却速度冷至室温所得到的组织。

在一般工业生产及实验条件下，经退火的碳钢组织可以看成是平衡组织。

铁碳合金的平衡组织主要是指工业纯铁、碳钢和白口铸铁组织。

由C
-相图可以看出，铁碳合金的室温平衡组织组成物有铁素体、渗Fe
Fe
3
碳体、珠光体、莱氏体，而组成相主要是铁素体和渗碳体两个基本相。

由于含碳量不同，铁素体和渗碳体的析出条件、质量分数、形态与分布均有所不同，因而呈现各种不同的组织形态。

1、工业纯铁
含碳量小于0.0218%的铁碳合金，室温显微组织为铁素体和少量三次渗碳体，铁素体硬度在80HB左右，而渗碳体硬度高达800HB，工业纯铁中的渗碳体量很少，故塑性、韧性好，而硬度、强度低,不能用作受力零件。

2、碳钢
含碳量在（0.0218—2.11）%之间的铁碳合金，高温下为单相的奥氏体组织，塑性好，适应于锻造和轧制，广泛应用于工业上，根据含碳量和室温组织，可将其分为三类：亚共析钢、共析钢和过共析钢。

1）亚共析钢
含碳量在（0.0218—0.77）%之间的铁碳合金，室温组织为铁素体和珠光体，随着含碳量的增加，铁素体的数量逐渐减少，而珠光体的数量则相应的增加，显微组织中铁素体呈白色，珠光体呈暗黑色或层片状。

2）共析钢
含碳量为0.77%，其显微组织由单一的珠光体组成，即铁素体和渗碳体的混合物，在光学显微镜下观察时，可看到层片状的特征，即渗碳体呈细黑线状和少量白色细条状分布在铁素体基体上，若放大倍数低，珠光体组织细密或腐蚀过深时，珠光体片层难于分辨，而呈现暗黑色区域
3）过共析钢
含碳量在（0.77—2.11）%之间，室温组织为珠光体和网状二次渗碳体，含碳量越高，渗碳体网愈多、愈完整。

当含碳量小于 1.2%时，二次渗碳体呈不连续网状，强度、硬度增加，塑性、韧性降低，当含碳量大于或等于 1.2%时，二次渗碳体呈连续网状，使强度、塑性、韧性显著降低，过共析钢含碳量一般不超过（1.3—1.4）%，二次渗碳体网用硝酸酒精溶液腐蚀呈白色，若用苦味酸钠溶液热腐蚀后，呈暗黑色。

3、白口铸铁
含碳量在（2.11—6.69）%之间，室温下碳几乎全部以渗碳体形式存在，故硬度高，但脆性大，工业上应用很少。

按含碳量和室温组织将其分为三类。

1）亚共晶白口铸铁
含碳量在（2.11—4.3）%之间，室温组织为珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体Ld'组成。

用硝酸酒精溶液腐蚀后，在显微镜下呈现枝晶状的珠光体和斑点状的莱氏体，其中二次渗碳体与共晶渗碳体混在一起，不易分辨。

2）共晶白口铸铁
含碳量为 4.3%，室温组织由单一的莱氏体组成，经腐蚀后，在显微镜下，变态莱氏体呈豹皮状，由珠光体，二次渗碳体及共晶渗碳体组成，珠光体呈暗黑色的细条状及斑点状，二次渗碳体常与共晶渗碳体连成一片，不易分辨。

呈亮白色。

3）过共晶白口铸铁
是含碳量大于 4.3%的白口铸铁，在室温下的组织由一次渗碳体和莱氏体组成，经硝酸酒精溶液腐蚀后，显示出斑点状的莱氏体基体上分布着亮白色粗大的片状的一次渗碳体。

几种典型铁碳合金的平衡组织
三、实验内容及要求
1、观察上表所列样品的显微组织及其特征；
2、分析不同含碳量对组织形成的影响；
3、绘出所观察样品的显微组织、标出其组织物，并分析其形成过程。

实验二碳钢的热处理及其性能分析
一、实验目的
1.熟悉碳钢的几种基本热处理操作；
2.了解材料硬度的测定方法，学会正确使用硬度计；
3.了解与掌握金像试样制备的过程；
4.分析与研究加热温度、冷却速度及热处理温度等主要因素对碳钢组织和性能的影响。

二、实验说明
钢的热处理就是利用钢在固态范围内的加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要的物理、化学、机械和工艺性能的一种操作。

普通热处理的基本操作有退火、正火、淬火、回火等。

加热温度、保温时间和冷却方式是热处理最重要的三个基本工艺因素。

正确合理选择这三者的工艺规范，是热处理质量的基本保证。

1.加热温度选择
（1）退火加热温度
一般亚共析钢加热至A
C3
＋(20～30)℃（完全退火）；共析钢和过共析钢加热
至A
C1
＋(20～30)℃（球化退火），目的是得到球化体组织，降低硬度，改善高碳钢的切削性能，同时为最终热处理做好组织准备。

（2）正火加热温度
一般亚共析钢加热至A
C3＋(30～50)℃；过共析钢加热至A
Cm
＋(30～50)℃，即
加热到奥氏体单相区。

退火和正火加热温度范围选择见图2-1。

（3）淬火加热温度
一般亚共析钢加热至A
C3＋(30～50)℃；共析钢和过共析钢则加热至A
C1
＋
(30～50)℃，加热温度范围选择见图2-2。

淬火按加热温度可分为两种：加热温度高于A
C3
时的淬火为完全淬火；加热
温度在A
C1和A
C3
（亚共析钢）或A
C1
和A
CCm
（过共析钢）之间是不完全淬火。

在完
全淬火时，钢的淬火组织主要是由马氏体组成；在不完全淬火时亚共析钢得到马氏体和铁素体组成的组织，过共析钢得到马氏体和渗碳体的组织。

亚共析钢用不完全淬火是不正常的，因为这样不能达到最高硬度。

而过共析钢采用不完全淬火则是正常的，这样可使钢获得最高的硬度和耐磨性。

在适宜的加热温度下，淬火后得到的马氏体呈细小的针状；若加热温度过高，其形成粗针状马氏体，使材料变脆甚至可能在钢中出现裂纹。

（4）回火加热温度
钢淬火后都需要进行回火处理，回火温度取决于最终所要求的组织和性能（工厂常根据硬度的要求），通常按加热温度的高低，回火可分为以下三类。

低温回火：加热温度为150℃～250℃。

其目的主要是降低淬火钢中的内应力，减少钢的脆性，同时保持钢的高硬度和耐磨性。

常用于高碳钢制的切削工具、量具和滚动轴承件及渗碳处理后的零件等。

中温回火：加热温度为350℃～500℃。

其目的主要是获得高的弹性极限，同时有高的韧性。

主要用于各种弹簧热处理。

高温回火：加热温度为500℃～650℃。

其目的主要是获得既有一定的强度、硬度，又有良好的冲击韧性的综合机械性能。

通常把淬火后加高温回火的热处理称做调质处理。

主要用于处理中碳结构钢，即要求高强度和高韧性的机械零件，如轴、连杆、齿轮等。

2.保温时间的确定
为了使工件内外各部分温度均达到指定温度，并完成组织转变，使碳化物溶解奥氏体成分均匀化，必须在热处理加热温度下保温一定的时间。

通常将工件升温和保温所需时间算在一起，统称为加热时间。

热处理加热时间必须考虑诸多因素，例如工件的尺寸和形状，使用的加热设备及装炉量，装炉时炉子的温度，钢的成分和原始组织，热处理的要求和目的等等。

实际工作中常根据经验大致估算加热时间。

一般规定，在空气介质中，升到规定温度后的保温时间，对碳钢来说，按工件厚度（或直径）每毫米一分钟到一分半钟估算；合金钢按每毫米两分钟估算。

在盐浴炉中，保温时间则可缩短1～２倍。

对钢件在电炉中保温时间的数据可参考表2-1。

表2-1 钢件在电炉中的保温时间选择参考数据
当工件厚度或直径小于25毫米时，可按每毫米保温一分钟计算。

3.冷却方式和方法
热处理时冷却方式（冷却速度）影响着钢的组织和性能。

选择适当的冷却方式，才能获得所要求的组织和性能。

退火一般采用随炉冷却。

正火采用空气冷却，大件可采用风冷。

淬火的冷却方法非常重要。

冷却速度是钢在淬
火过程中最主要的因素，它直接影响淬火产物和性
能。

一方面冷却速度要大于临界冷却速度，以保证
全部得到马氏体组织；另一方面冷却应尽量缓慢，
以减少内应力，避免工件变形和开裂。

为了解决上
图2-3 淬火时的理想冷却曲线示意图述矛盾，可以采用不同的冷却介质和冷却方法，使
淬火工件在奥氏体最不稳定的温度范围内(650℃～550℃)快冷，超过临界冷却速
度，以防珠光体类型转变发生；而在马氏体转变区域范围内(300℃～100℃)，则冷却减慢，以减少淬火工件产生的应力。

理想的冷却速度如图2-3所示。

淬火介质不同，其冷却能力不同，因而工件的冷却速度也就不同。

合理选择冷却介质是保证
淬火质量的关键。

对于碳钢来说，用室温的水作淬火介质通常能保证得到较好的结果。

目前常用的淬火介质和它们冷却能力见表2-2。

表2-2 常用的淬火介质和其冷却能力数据
4.硬度试验与硬度计的使用
硬度是指金属材料抵抗比它硬的物体压入其表面的能力。

硬度越高，表明金属抵抗塑性变形的能力越大。

它是重要的力学性能指标之一，它与强度、塑性指标之间有着内在的联系。

硬度试验简单易行，又不会损坏零件，因此在生产和科研中应用广泛。

常用的硬度试验方法有：
布氏硬度试验——主要用于黑色、有色金属原材料检验，也可用于退火、正火钢铁零件的硬度测定。

所用设备为布氏硬度计。

洛氏硬度试验——主要用于金属材料热处理后的产品性能检测。

所用设备为洛氏硬度计。

维氏硬度试验——主要用于薄板材或金属表层的硬度测定，以及较精确的硬度测定。

所用设备为维氏硬度计。

显微硬度试验——主要用于测定金属材料的组织组成物或相的硬度。

所用设备为显微硬度计。

（1）布氏硬度试验 1) 原理
用载荷为P 的力,把直径为D 的淬火钢球压入金属试件表面，并保持一定时间，而后卸除载荷，测量钢球在试件表面上所压出的压痕直径d ，据此计算出压痕球面积F ，然后再计算出单位面积所受的力（P/F 值），用此数字表示试件的硬度值，即为布氏硬度，用符号 HB 表示。

布氏硬度试验原理如图2-4所示。

设压痕深度为h 则压痕球面积为
2(22d D D D Dh F --==ππ 试样硬度值为：
22(2d D D P F P HB -==π 式中 P ——施加的载荷，kg 或N ；
D ——压头（钢球）直径，mm ；
d ——压痕直径，mm ； F ——压痕面积，mm 2。

布氏硬度值的大小就是压痕单位面积上所承受的压力。

单位为kg/mm 2
或N/mm 2，但一般不标出。

硬度值越高，表示材料越硬。

实验室只要测出压痕直径d （毫米）,通过计算或查表即可得出HB 值。

由于金属材料又软又硬，工件有薄有厚，有大有小，为适应不同的情况，布氏硬度的钢球有φ2.5mm 、φ5mm 、φ10mm 三种。

载荷有15.6kg 、62.5kg 、187.5kg 、250kg 、750kg 、1000kg 、3000kg 七种。

当采用不同大小的载荷和不同直径的钢球进行布氏硬度试验时，只要能满足P/D 2为常数，则同一种材料测得的布氏硬度是相同的。

而不同材料所测的布氏硬度值也可以进行比较。

国家标准规定P/D 2的比值为30、10、2.5三种。

在试样厚度和截面大小允许的情况下，尽可能选用直径大的钢球和大的载荷，这样更易于反映材料性能的真实性。

另外，由于压痕大，测量的误差也小。

所以，测定钢的硬度时，一般规定采用Φ10mm 钢球、3000kg 的载荷、保荷时间为10秒。

试验后的压痕直径应在0.25D ﹤d ﹤0.6D 的范围之内，否则试验结果无效。

因为若d 太小，则灵敏度和准确性将随之降低；若d 太大，则压痕的几何形状不能保持相似的关系，影响试验结果的准确性。

图2-4 布氏硬度计试验原理示意图
布氏硬度的表示方法是：压头为钢球时用HBS,压头用硬质合金时用HBW。

若用Φ10mm钢球，在3000kg载荷下保荷10s,测得布氏硬度值为400时，可以表示为400HBS，若用硬质合金球为压头，则表示为400HBW。

在其他试验条件下，符号HB应以相应的指数注明钢球直径、载荷大小及载荷保持时间。

例如，100HB5/250/30即表示：用5mm直径钢球，在250kg载荷下保持30s时，所测得的布氏硬度为100。

布氏硬度试验方法和技术条件有相应的国家标准。

表2-3为布氏硬度的试验规范。

实际测定时，应根据金属材料种类、试样硬度范围和厚度的不同，按照标准试验规范，选择钢球直径、载荷及载荷保持时间。

表2-3 布氏硬度试验规程
2)布氏硬度试验的优缺点：
优点：硬度值代表性全面，由于压痕面积较大，能反映较大范围内材料的平均性能。

试验数据稳定，数据重复性强。

布氏硬度值和抗拉强度间存在一定的换算关系（见表2-4）。

其换算式为经验公式，知道硬度后可以粗略的估计其强度，但铸铁不能用此经验公式。

表2-4 HB与σb的关系
缺点：采用的压头是淬火钢球，由于钢球本身的变形和硬度问题，致使不能测试太硬的材料。

一般在450HB 以上就不能使用。

由于压痕较大，不适宜成品检验。

布氏硬度试验常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等的原材料以及结构钢调质后的硬度。

（2）洛氏硬度试验
洛氏硬度试验是目前应用最广的试验方法，和布氏硬度一样，也是一种压入硬度试验，但它不是测定压痕的面积，而是测量压痕的深度，以深度的大小表示材料的硬度值。

1) 原理
洛氏硬度试验的压头采用锥角为120º的金刚石圆锥头或直径为1.588毫米（1/16英寸）的钢球。

载荷先后两次施加，先加预载荷P 0，然后加主载荷P 1，在总载荷的作用下，将压头压入金属材料表面来进行的硬度测定。

其总载荷为P （P=P 0+P 1）。

洛氏硬度试验试验原理如图2-5所示。

在图2-5中，0-0位置为金刚石压头没有和试样接触时的位置；1-1位置为压头与试样接触，并受到预载荷P 0（规定为10kg ）后压入试样的深度为h 0的位置；2-2位置为压头受到主载荷P 1后压头压入试样的深度为h 1的位置；3-3位置为压头卸除主载荷P 1后仍保留预载荷P 0下时的位置，由于试样弹性变形的恢复，而使压头位置提高了h 2。

此时压头受主载荷作用实际压入试样的深度为h （h ＝h 2﹣h 1）。

h 值的大小可用来衡量材料的软硬
程度。

金属越硬，压痕深度越小；金属越软，压痕深度越大。

为了适应人们习惯上数值越大硬度越高的概念，人为的规定，用一常数K 减去压痕深度h 的值作为洛氏硬度的指标，并规定每0.002毫米为一个洛氏硬度单位。

用符号HR 表示，则洛氏硬度值为：
图2-5 洛氏硬度计试验原理示意图
HR =（K－h）/0.002
此值为一无名数。

并可从硬度计的表盘指示器上直接读出。

使用金刚石压头时，常数K为0.2毫米，黑色表盘刻度所示；
使用钢球压头时，常数K为0.26毫米，红色表盘刻度所示。

为了可以用一种硬度计测定出从软到硬的金属材料硬度，采用了不同的压头和总载荷，组合成几种不同的洛氏硬度标度，每一种标度用一个字母在硬度符号HR后加以注明，常用的是HRA、HRB、HRC三种。

洛氏硬度试验规范见表2-4。

各种洛氏硬度值之间不能直接进行比较，但可通过实验测定的换算表（略）进行相对比较。

各种洛氏硬度之间，洛氏硬度和布氏硬度值间都有一定的换算关系。

对于钢铁材料，大致有下列关系式：
HRC = 2HRA－104
HB = 10HRC （HRC = 40～60范围）
HB = 2HRB
2)洛氏硬度试验方法的优缺点：
优点：操作迅速简便，压痕较小，可在工件表面进行试验，可以各种金属材料的硬度，也可以测量较薄工件或表面薄层的硬度。

缺点：压痕较小，代表性差，由于材料中有偏析及组织不均匀等情况，使所测硬度值的重复性差，分散度较大。

表2-4 洛氏硬度的试验规范
3)洛氏硬度计的构造与操作
洛氏硬度计种类较多，外形构造也各不相同，但构造原理及主要部件均相同。

图2-6为洛氏硬度计外形构造及机构示意图。

洛氏硬度计操作方法如下：
a)按表3-4选择压头和载荷；
b)根据试样大小和形状选用载物台；
c)将试样上下两面磨平，然后置于载物台上；
d)加预载荷，按顺时针方向转动升降机构的手轮，使试样与压头接触，并
观察读数刻度盘上小针移动至小红点为止；
e)调整刻度盘（图2-7），使表盘上的长
针对准硬度值的起点。

如测定HRC、
HRA硬度时，长针与表盘上黑字C处
对准；测定HRB硬度时，长针与表盘
上红字B处对准；
f)加主载荷，平稳地扳动加载手轮，手
柄自动升高至停止位置（时间为5～7
秒）并停留10秒（保荷时间）；
g)卸主载荷，扳回加载手柄至原来位置；图2-7 洛氏硬度计刻度盘
图2-6 洛氏硬度计外形及机构示意图
h)读取硬度值，读数表盘上长针指示的数字为硬度的读数，HRC、HRA读黑
色数字，HRB读红色数字；
i)降下载物台，当试样完全离开压头后，方可取下试样；
j)用同样的方法在试样的不同位置测定三个数据,取其算术平均值为所测试样的硬度。

（3）维氏硬度试验
1)原理
维氏硬度的测定原理基本上和布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积上的载荷计量硬度值。

维氏硬度试验原理图2-8所示。

所不同的是维氏硬度试验采用的压头为金刚石的锥面夹角为136°的正四棱锥体压头。

试验时，在载荷P （公斤力）的作用下，试样表面上压出一个四方锥形的压痕，测量压痕对角线长度d（毫米），借以计算压痕的表面积F（毫米2）,以P/F的数值表示试样的硬度值，用符号HV表示。

2)维氏硬度的优缺点
优点：它有一个连续一致的标度，
试验载荷可以任意选择，所测硬度值比
布氏硬度精确，可以比洛氏硬度能更好
地测定极薄试样的硬度。

甚至金相组织
中各相的硬度。

缺点：操作较为麻烦，其硬度值需
要测量对角线，然后计算或查表获得，
图2-8 维氏硬度计试验原理示意图
生产率不如洛氏硬度试验高，因此，不
宜用于成批生产的常规检验。

适用于实验、科研等领域。

（4）显微硬度试验
显微硬度试验实质上就是小负荷的维氏硬度试验，其原理和维氏硬度试验一样，所不同的是负荷以克计量，压痕对角线长度以微米计量。

试样必须制成金相试样，在显微镜下操作测量。

主要用来测定各种组成相的硬度。

显微硬度符号用HM表示。

三、实验设备及材料
本实验主要设备有：金相试样预磨机、金相试样抛光机、金相试样镶嵌机、箱式电阻炉，洛氏硬度计，金相显微镜，长柄铁钳等。

所用实验材料有：45钢、冷却介质水、4%硝酸酒精溶液、氧化铝抛光粉和砂纸等。

四、实验内容
1.金相试样制备；
2.按表2-6所列工艺进行热处理操作实验；
3.使用洛氏硬度计测定热处理前后试样的硬度；
4.在金相显微镜下观看组织。

表2-6 热处理实验任务表（45钢）
五、实验步骤
1.用切割机切一小块45钢，去刺、打磨；
2.测量45号钢的洛氏硬度计硬度；
3.45号钢抛光、侵蚀；
4.显微镜下观测组织；
5.将45号钢放入860℃的炉子内加热，保温时间20~30分钟后，进行水冷操作。

6.淬火时，试样要用钳子夹住，动作要迅速，并不断在水中搅动，以免影响热
处理质量，注意: 严格遵守操作规程，注意安全，小心取放，避免灼伤。

7.每组从水冷试样（860℃加热后水冷的）中取出三块，分别放入200℃、600℃
的炉子内进行回火处理，回火保温时间为30分钟。

8.热处理后的试样用砂纸磨去两端面的氧化皮，然后测量硬度。

9.制备45号钢的金相试样；
10.显微镜下观看金相组织，进行组织分析；
11.每个学生都将自己测定的硬度值填入表2-6中（每个试样打三点），并记录
下实验的全部数据资料，与供结果分析。

六、实验报告要求
在指定的报告纸上完成报告。

注意：必须要写明实验名称、实验日期、学生姓名与学号。

1.写出实验目的；
2.按照表2-6的样式整理、列出全部实验资料；
3.分析淬火温度、淬火介质及回火温度对45钢性能的影响，并根据铁碳合金
相图、C曲线（或CCT曲线）和回火时的转变说明硬度变化的原因；
七、思考题
1.45钢常用的热处理是什么？它们的组织是什么?有何工程应用？
2.退火状态的45钢试样分别加热到600℃～900℃之间不同的温度后，在水中
冷却，其硬度随加热温度如何变化？为什么？
附录：金像试样制备过程
(一)粗磨：表面氧化层至看不见特别粗的刮痕
(二)细磨：在不同粗细的金相砂纸上分两次进行，先在粗砂纸上磨
3分钟左右，后在细砂纸上磨2分钟，直至基本无刮痕
(三)抛光：加入少量氧化铝抛光粉与少量水（每次加极少量！），再
启动抛光机，抛光至镜面状，用清水清洗后即刻用棉花吸干水
(四)镶嵌：
1、开电源，设置温度为125度；
2、将磨好的试样放入模腔（磨好面朝下），旋转侧面手轮；
3、加入适量电木粉（至高于覆盖住试样约3mm）；
4、合上上模（注意上模一定要平稳放入，可以旋转）；
5、合上外盖，并旋转顶部手轮锁紧至压力指示灯亮；
6、反向（顺时针）旋转侧面手轮1至2圈；
7、等待温度上升到设置温度时，继续保温15分钟；
8、关门电源，打开盖子，取出试样（高温！一定要戴上手套！）
(五)侵蚀：用滴管吸取4%硝酸酒精溶液滴在已抛光好的试样上，
待数秒试样表面变色后用棉花吸干，重复上述过程1至2次，用清水冲洗表面，并用干净棉花吸干。

特别注意：打磨与抛光时，如发热一定要不断加入极少量水！
要记录的数据：仪器名称、规格；侵蚀液名称；抛光粉名称。