钢的淬透性测定

实验一：钢的淬透性测定实验学时：3实验类型：综合性实验实验要求：必修一、实验目的（一）掌握钢的淬透性的实验方法，重点末端淬火法。

（二）了解化学成分、奥氏体化温度及晶粒度对钢的淬透性的影响。

二、实验内容、实验原理、方法和手段（一）淬透性的概念及其影响因素在实际生产中，零件一般通过淬火得到马氏体，以提高机械性能。

钢的淬透性是指钢经奥氏体化后在一定冷却条件下淬火时获得马氏体组织的能力。

常用淬透性曲线、淬硬层深度或临界淬透直径来表示。

淬透性与淬硬性不同，它是淬硬层深度的尺度而不是获得的最大的硬度值。

它决定淬火后从表面到心部硬度分布的情况。

一般规定“由钢的表面至内部马氏体占50％（其余的50％为珠光体类型组织）的组织处的距离”为淬硬层深度。

淬硬层越深，就表明该钢的淬透性越好。

如果淬硬层尝试达到心部，则表明该钢全部淬透。

影响淬透性的因素很多，最主要的是钢的化学成分，其次为奥氏体化温度、晶粒度等等。

钢的淬透性与过冷奥氏体稳定性有密切的关系。

当奥氏体向珠光体转变的速度越慢，也就是等温转变开始曲线越向右移，钢的淬透性越大，反之就越小，可见影响淬透性的因素与影响奥氏体等温转变的因素是相同的。

溶入奥氏体的大多数合金元素除Co以外，都增加过冷奥氏体的稳定性，使曲线右移，降低临界冷却速度，提高钢的淬透性。

钢中含碳量对临界冷却速度的影响为：亚共析钢随含碳量的增加，临界冷却速度降低，淬透性增加；过共析钢随含碳量的增加，临界冷却速度增高，淬透性下降。

含碳量超过1.2％～1.3％时，淬透性明显降低。

（二）淬透性的测定方法淬透性的测定可以大致分为计算法和实验法两类。

目前使用的方法还是实验法，它主要是通过测定标准试样来评价钢的淬透性。

具体的试验方法有多种，现将其中通常采用的四种方法概述如下。

1、断口检验法根据GB227—63《炭素工具钢淬透性试验法》（低合金工具钢也可参照此标准）的规定，在退火钢棒截面中部截取2～3个试样，方形试样的横截面尺寸为20mm×20mm(±0.2)，圆形截面为φ22～33mm，长度为100±5mm，试样中间一侧开一个深度为3～5mm的V形槽，以利于淬火后打断观察断口。

试样分别在760℃、800℃、840℃温度下加热15～20min，然后淬入10～30℃的水中。

通过观察断口上淬硬表层（脆断区）深度，对照相应的评级标准图来评定淬透性等级（GB227—63规定分成0～5级）。

2、U曲线法用长度为直径的4～6倍一组直径不同的试样，经奥氏体化后在一定的淬火介质（如水、盐水、油等）中冷却，然后沿试样中纵向剖开，磨平后自试样表面向内每隔1～2min距离测定一处硬度值，并将所测结果画成硬度分别曲线（图15-1）。

淬透性的大小可用淬硬层深度h或D H／D来表示，D为试样直径，D H为未淬硬区域直径。

用这种方法测量出来的数值依试样尺寸、淬火介质的冷却能力的不同而变化，因此应用较少，但此法比较直观。

图15-1 截面上的U形硬度3、临界直径法所谓“临界淬透直径”是指钢在一定介质中淬火时，中心能获得半马氏体组织的最大直径。

用U曲线法做实验时，总可以找到在一定的淬火介质中冷却时心部恰好能够淬透（截面中心的硬度为半马氏体硬度，即组织恰好对应含50％马氏体组织）的临界直径，用D0表示。

但D0与淬火介质有关。

为了排除冷却条件的影响，假定淬火介质的冷却强度值H为无穷大，试样淬火时其表面温度立即冷却到淬火介质的温度，此时所能淬透的最大直径称为理想临界直径（D i），显然D i仅取决于钢的成分，因此可用它作为判别不同钢种淬透性的依据。

理想临界直径可以通过试验得出的半马氏体区厚度d在特定的曲线图中查出。

依此还可以进一步求出该钢种在各种介质中的临界直径等。

图15-2 末端淬透性实验示意图4、末端淬火法目前测定钢的淬透性最常用的方法是末端淬火（又称顶端淬火法，简称端淬法）。

它简便而经济，又能较完整地提供钢的淬火硬化特性，克服了上述方法的缺点。

广泛适用于优质炭素钢、合金结构钢、弹簧钢、轴承钢及合金工具钢等的淬透性测量。

我国GB235—63规定的试样形状尺寸及试验原理如图15-2所示。

试验时将试样按规定的奥氏体化条件加热后（注意防止氧化脱碳）迅速取出放入试验装置。

因试样的末端被喷水冷却，故水冷端冷得最快，越向上冷得越慢，头部的冷速相当于空冷，因此沿试样长度方向将荼得各种冷却条件下的组织和性能。

冷却完毕后沿试样纵向两侧各磨去0.4mm，并自水冷端1.5mm 处开始测定硬度，绘出硬度与至水冷端距离的关系曲线，即所谓端淬曲线（图15-3）。

图15-3 端淬曲线试样和冷却条件是规定的，所以试样各占的冷却速度也是固定的，这样端淬法就排除了试样的具体形状和冷却条件的影响，归结为冷却速度与淬火后硬度之间的关系。

如果再对各点进行金相组织观察，那么借助于端淬曲线就可知道冷却速度，金相组织和硬度之间的关系。

根据GB225—63规定，钢材的淬透性用J（HRC／d）表示，其中J表示端淬试验，d 为距水冷端距离，HRC为在该处测定的硬度值。

四、实验组织运行要求由实验指导教师现场组织和实施上述试验内容。

五、实验条件（一）设备：箱式电阻炉；洛氏硬度计，端淬实验机。

（二）试样：T10、45、40Cr端淬试样一套；六、实验步骤在指导教师的安排下，学生逐个将试样置于箱式电阻炉进行加热，待加热保温完成后，将端淬试样置于端淬实验机进行端淬，然后测定硬度，计算钢的淬透性。

七、思考题1、试述钢的淬透性的测定方法及意义；2、钢的成分不同对淬透性有哪些影响？八、实验报告按实验报告的标准格式及所要求的内容完成。

实验二：扫描电子显微镜结构与样品分析实验学时：5实验类型：演示性实验实验要求：必修一、实验目的（一）了解扫描电镜的结构；（二）通过实际分析，明确扫描电镜的用途。

二、实验内容、实验原理、方法和手段（一）扫描电子显微镜结构与工作原理简介扫描电镜的主要构造分五部分：电子光学系统，扫描系统，信号接收、放大与显示系统，试样微动及更换系统，真空系统。

图20-1是扫描电镜主机构造示意图。

实验时将根据实际设备具体介绍。

图20-1 扫描电镜主机构造示意图（a）（b）（二）样品观察与分析1、二次电子像二次电子像常用来做断口及高倍组织观察。

图是沿晶和穿晶断口形态。

待观察断口要保持新鲜，不可用手或棉纱擦拭断口。

如果要长期保存，可在断口表面贴一层AC纸。

在观察时将试样放在丙酮中使AC纸充分溶解掉。

图20-2是结晶组织的二次电子像。

2、背散射电子像和吸收电子像扫描电镜接收背散射电子像的方法是将背散射电子检测器送入镜筒中，将信号选择开关转到R·E位置接通背散射电子像的前置放大器。

图实是他Al2Cu相的背散射电子像。

在背散射电子像中，A12Cu相的平均原子序数高于基体Al，所以A12Cu相有明显的亮度和浮凸效果。

由于背散射电子像信号弱，所以在观察时要加大束流，采用慢速扫描。

当断开样品台接地线，接通吸收电子附件，将信号选择开关转到A·E位置时，将进行吸收电子像观察。

图20-3是A12Cu相的吸收电子像。

其衬度与背散射电子像相反。

图20-3 4Cr5MoVSi钢结晶组织及A12Cu相背散射电子像3、选择典型的金属塑性断口、脆性断口、疲劳断口等，在扫描电镜上摄取二次电子像（分8组，每组6人），每组同学所得到的断口形貌像不同。

4、金相表面观察 图20-4为经抛光腐蚀之后金相样品的二次电子像，可以看出其分辨率及立体感均远好于光学金相照片。

光学金相上显示不清的细节在这里可以清晰地显示出来，如珠光体中的Fe 3C 与铁素体的层片状形态及回火组织中析出的细小碳化物等。

三、实验组织运行要求由教师讲解扫描电子显微镜基本结构和工作原理，学生应了解扫描电镜的基本结构和工作原理及测定方法。

四、实验报告按实验报告的标准格式及所要求的内容完成。

（a ）（b ）图20-4 金相表面的二次电子像 （a ）珠光体组织（b ）析出碳化物实验三：金属拉伸、压缩屈服性能的测定实验学时：4实验类型：综合性实验实验要求：必修一、实验目的（一）掌握金属材料拉伸、压缩屈服性能的测定方法和压力传感器的标定。

（二）比较相同金属材料拉伸、压缩状态下屈服性能的差异。

（三）了解表面摩擦对金属材料屈服性能的影响，以及多次加载、卸载对抗力、硬化的影响。

（四）学会绘制应力-应变曲线。

二、实验内容（一）熟悉材力机的操作规程。

（二）压力传感器的标定。

（三）压缩屈服性能的测定。

（四）拉伸屈服性能的测定。

三、实验原理、方法和手段金属材料拉伸、压缩试验是金属材料力学性能测试中最重要的方法之一。

即对一定形状的试样施加轴向上的力，拉伸或压缩，便可测出表征金属材料的物理屈服性能指标：屈服点σs、上屈服点σsU、下屈服点σsL；规定微量塑性伸长应力指标：规定非比例伸长应力σp、规定总伸长应力σt、规定残余伸长应力σr；强度性能指标：抗拉强度σb；塑性性能指标：断后伸长率δ、屈服点伸长应力δs、最大力下的总伸长δgt、最大力下的非比例伸长率δg、断面收缩率φ，从而得到自开始加载到试样破坏的全过种的应力—应变曲线。

这条曲线的形状表征着材料的力学行为。

不同的材料，应力—应变曲线各不相同（见图22-1、图22-2），甚至有很大差异。

图22-1 不同材料拉伸时的应力-应变曲线a）铸铁 b）低碳钢 c）橡胶四、实验条件（一）液压万能材料试验机。

（二）压力传感器。

（三）毫伏表（四）电源。

（五）刻点机。

（六）引伸计。

（七）测试材料：圆钢、铅棒、铜棒。

（八）使用工具：钢锯、游标卡尺、钢板尺、万用表。

五、实验步骤（一）用万用表检查压力传感器的性能。

（二）将压力传感器、毫伏表、电源连接好后，装到万能材力试验机上。

（三）打开材力试验机总开关。

（四）根据压力传感器的额定负荷，选择测量范围，在摆杆上挂上或取下相应的摆砣，并调整缓冲手柄，对准标线。

（五）开动油泵，调整指针对准度盘零点。

（六）在描绘器的转筒上，卷压好记录纸，选择好放大倍数。

（七）将推杆上的描绘笔放下，进入描绘准备状态。

（八）缓慢开启送油阀，给传感器加额定容量的110％负荷三次，以减小滞后影响。

（九）正式标定开始：将传感器加额定容量分成若干梯度，按此容量梯度分级逐级加载和卸载，记录此加、卸载的数据，重复二次。

并记录于表22-1中。

（十）压缩屈服性能的测定：取已锯好的测试材料，两端磨平，用卡尺测量试件的原始直径D0和高度H0。

表22-1 加、卸载荷数据记录（11）标定后的压力传感器不动，将试件放置在传感器的中央，依照上面操作程序进行。

（12）当压下量Δh＝1时，测量压缩后试件的高度、压力P，填入表22-2中。

（13）观察压缩变形形象，绘制应力σ-应变ε曲线。

（14）拉伸屈服性能的测定：用卡尺测量试件的横截面尺寸S 0，标出试样标距长度L 0。