工程材料实验报告(中国石油大学)

工 程 材 料

综合实验报告

班级：装控 班 小组成员 学号 实验日期：

工程材料综合实验

----碳钢成分-组织-性能实验

● 金相显微镜的构造及使用 ● 金相显微试样的制备 ● 铁碳合金平衡组织观察

● 碳钢的热处理操作、组织观察及硬度测定

一、实验目的

1、别和研究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，加深理解成分、组织与性能之间的相互关系； 3、了解碳钢的热处理操作；

4、研究加热温度、冷却速度、回火温度对碳钢性能的影响； 5、观察热处理后钢的组织及其变化；

6、了解常用硬度计的原理，初步掌握硬度计的使用。

二、实验设备及材料

1、 2、 3、

显微镜、预磨机、抛光机、热处理炉、硬度计、砂轮机等； 金相砂纸、水砂纸、抛光布、研磨膏等；

三个形状尺寸基本相同的碳钢试样（低碳钢20＃、中碳钢

45＃、高碳钢T10）。

三、实验内容概述

1．钢的热处理

热处理是将钢加热到一定温度，经过一定时间的保温，然后以一定速度冷却下来的操作，通过这样的工艺过程钢的组织和性能将发生改变。

通常加热、保温的目的是为了得到成分均匀的细小的奥氏体晶粒，亚共析碳钢的完全退火、正火、淬火的加热温度范围是AC3+30~50℃，过共析钢的球化退火及淬火加热温度是

AC1+30~50℃，过共析钢的正火温度是ACcm+30~50℃，保温时间根据钢种，工件尺寸大小，炉子加热类型等由经验公式决定。

碳钢的过冷奥氏体在Ac1~550℃范围内发生珠光体转变，形成片状铁素体和渗碳体的机械混合物。依据片层厚薄的不同有粗片状珠光体（P），细片状珠光体——索氏体（S）和极细片状珠光体——屈氏体（T）之分。硬度随片距的减小（转变温度的降低）而升高。

碳钢的过冷奥氏体在550~350℃之间发生贝氏体转变，生成由平行铁素体条和条间短杆状渗碳体构成的上贝氏体（B上）。在光学显

微镜下呈黑色羽毛状特征。过冷奥氏体在350℃~Ms之间等温得到黑色针状的下贝氏体（B下），它是由针状铁素体和其上规则分布的细小片状碳化物组成。

过冷奥氏体以超过临界速度的快冷至Ms以下温度，将发生马氏体转变，生成碳在α-Fe中的过饱和固溶体——马氏体。常见的有板条马氏体（碳<0.2%）、针（片）状（碳>1.0%）马氏体以及由它们构成的混合组织（碳为0.2%~1.0%）。

随转变温度的降低钢的硬度升高。 普通热处理分为退火、正火、淬火和回火。

钢加热到一定温度保温后缓慢冷却（通常随炉冷却）至500℃以下空冷叫退火，得到接*衡态的组织。奥氏体化的钢在空气中冷却叫正火，得到先共析钢铁素体（或渗碳体）加伪珠光体。过冷奥氏体快冷（大于临界冷速）叫淬火，得到马氏体组织。淬火钢再加热到A1以下会发生回火转变，随回火温度的升高分别得到回火马氏体，回火屈氏体和回火索氏体。

随冷却速度增加，钢的硬度升高。

硬度是指材料对另一更硬物体（钢球或金刚石压头）压入其表面所表现的抵抗力。硬度的大小对于工件的使用性能及寿命具有决定性意义。由于测量的方法不同常用的硬度指标有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)、维氏硬度(HV)和显微硬度(HV)。

布氏硬度适用于硬度较低的金属，如退火、正火的金属、铸铁及有色金属的硬度测定。洛氏硬度又有HRA、HRB、HRC三种，其中

HRC适合于测定硬度较高的金属如淬火钢的硬度。维氏硬度测定的硬度值比布氏、洛氏精确，可以测定从极软到极硬的各种材料的硬度，但测定过程比较麻烦。显微硬度用于测定显微组织中各种微小区域的硬度，实质就是小负荷(≤9.8N)的维氏硬度试验，也用HV表示。 2．试样制备

要在金相显微镜下对金属的组织进行观察和摄影，必须制备平整、光亮、清洁、无划痕、并用适当的方法显示出真实组织的试样 (1) 手工磨样

试样在金相砂纸上由粗到细磨制。磨样时用力均匀，待磨面上旧磨痕消失，新磨痕均匀一致时就更换细一号的砂纸，并且试样转90o再磨。一般磨制到4号（粒度800）砂纸即可。 (2) 抛光

本实验采用化学抛光与机械抛光相结合的方法。PG－2金相制样抛光机

化学抛光：靠化学药剂对试样表面不均匀溶解而得到光亮的抛光面，凸起部分溶解速度快，而凹下部分溶解速度慢。具体操作是用竹筷夹住浸有抛光剂的棉球均匀的擦试磨面，待磨痕基本去掉后，立即用水冲洗。

机械抛光：在专用的抛光机上进行，抛光织物（如呢料、金丝绒等）固定在抛光盘上，洒以抛光粉悬浮液，试样轻压于旋转的抛光盘上。靠嵌于抛光织物中的抛光粉的磨削作用和滚压作用，得到平整、光亮无划痕的磨面。

(3) 化学浸蚀

试样在浸蚀剂作用下，组织中电位低的部分为阳极，电位高的部分为阴极，低电位处于溶解较快而呈现凹陷从而显示出组织特征。碳钢常用3~4%硝酸酒精溶液浸蚀。 3．观察金相显微组织

四. 实验步骤设计及数据记录与金相显微组织图样处理：

1、实验中对低碳钢20＃、中碳钢45＃、高碳钢T10进行如下表热处理

表1 实验中钢热处理工艺参数

加热温度/样品 20#钢 45#钢 回火 T10钢

热处理工艺 摄氏度 正火 860 加热时间 15min 15min 度600 1000 15min 冷却方式 空冷 淬水 淬水 淬火+高温860 回火温淬火 2、实验中测量三种钢的热处理前后硬度值如下表所示 表2 实验中样品硬度测试参数

测试样品 20#钢 45#钢 T10钢

热处理前 压头类刻度颜硬度值 型 色 型 热处理后 压头类刻度颜硬度值 色 1钢球 16红线 1钢球 16红线 1钢球 16金刚石红线 圆锥 金刚石红线 圆锥 黑线 黑线 1钢球 16 3、制备金相试样（包括磨制、抛光和腐蚀，具体步骤如实验内容概述中2所示）

4、组织观察与显微摄影

制好的试样放在显微镜下观察。使用显微镜时，动作轻、速度慢，由低倍到高倍进行观察，结合试样热处理工艺，观察与分析组织。

选择能说明组织特征的典型视场，确定合适的放大倍数及图象采集。

五、实验结果处理

铁素体 铁素体 珠光体

1X400纯铁 含碳量<0.02% 2 X400i铁素体+珠光体 含碳量0.02%~0.77%

4%硝酸酒精溶液 4％硝酸酒精溶液

珠光体 珠光体 铁素体 铁素体

3 X400铁素体+珠光体(F+P) 含碳量0.02%~0.77% 4X400铁素体+珠光体(网状F+P) 4％硝酸酒精溶液 含碳量0.02%~0.77% 4％硝酸酒精溶液

珠光体 珠光体 Fe3CⅡ

5X400珠光体（P） 含碳量0.8% 6X400珠光体+网状渗碳体(P+Fe3C)

含碳量0.8%~2.06%

4％硝酸酒精溶液 4％硝酸酒精溶液

低温莱氏体 Fe3CⅡ 珠光体 7X400亚共晶白口铸铁 含碳量2.06%~4.3% 4％硝酸酒精溶液

低温莱氏体 Fe3CΙ

9X400 过共晶白口铸铁 含碳量4.3%~6.67% 4％硝酸酒精溶液

低温莱氏体

8X400共晶白口铸铁 含碳量 4.3% 4％硝酸酒精溶液

20钢实验处理（）

铁素体 珠光体

20

钢X400 正火处理：加热至900后空冷。正火处理后获得的正常

组织：白色块状体为铁素体，黑色块状体为索氏体 ，其成分为铁素体和渗碳体。含碳量2%，4％硝酸酒精溶液

20钢热处理前后成分－组织－性能分析：

20钢属于亚共析钢，下面把亚共析钢平衡态组织和20钢正火后组织对照，分析其成分、组织、性能的变化

处理前硬度 处理后硬度 1 2 3 平均值 由亚共析钢平衡

二者的组织不同：亚共析钢平衡态组织为：铁素体＋珠光体，20钢正火后组织为铁素体＋索氏体，从相图上我们可以看出：正火处理后亚共析钢的组织得到细化。热处理前，20钢

的硬度为81.3HRB，正火处理后硬度为72.6 HRB，可见，热处理后组织的硬度比热处理前组织的硬度减小了。

45钢实验数据处理（）

回火索氏体 铁素体

45钢调质之前的组织是珠光体+铁素体（P+F），调质之后为大部分的回火索氏体和少量的铁素体，拿调质处理后的金相图与未处理前的图相比较，发现45纲的晶粒得到细化，组织变的更加均匀。 处理前硬度 处理后硬 度 比较处理前后的硬度值，经过调质处理的45钢的硬度变小了。

1 2 3 平均值 相应的韧性也就增加了。

经过调质之后，材料的强度、韧性和塑性都较好，因而可以获得较好的综合机械性能。

鉴于45钢有着良好的综合机械性能，它可以做主轴、曲轴、齿轮、柱塞等对材料的综合性能要求较高的零件。

T10钢实验处理（）

针状马氏体 残余奥氏体

T10钢在淬火之前的组织为珠光体和二次渗碳体（P+Fe3CⅡ） 在淬火处理之后的成分为针状马氏体和残余的奥氏体。

处理后硬度 1 55 2 58 3 67 平均值 60 热处理方式：淬火＋低温回火

黑色的粗针状马氏体和白亮的残余奥氏体，硬度为60.0HRC

图像分析：整体图像有点模糊，一方面是调焦没调好，两一方面是光线太亮了。残余奥氏体不明显，原因是位置选的不合适。

性能：低温回火降低了淬火应力，提高了工件的韧性，减少钢的脆性并 保持钢的高硬度，主要用于制造各种工具模具和冷做模具。

实验心得：通过本实验，我巩固和加深了对课堂所学理论的理解，掌握了基本的实验方法和技能。更主要的是对铁碳合金各种组成相和组织组成物的特征有了明确的认识。尤其是对T10钢的热处理工艺及所涉及的成分变化有了更深刻的理解。

六、总结出碳钢成分—组织—性能—应用之间的关系。

对与在退火状态下，随着C钢含C量的增加，组织中硬度高的Fe3C含量增加，硬度低的F减少，所以随着材料的含碳量的提高，材料的硬度也相应的提高，而由于Fe3C是极其脆的相，没有塑性，合金的塑性完全由F提供，所以随着C质量分数的提高，合金的塑性连续下降。材料的强度对组织形态很敏感，P的强度比较高，F的强度低，所以，亚共析钢的强度随含C量的增加而增加，当超过共析钢成分以后，由于强度很低的Fe3CⅡ沿着晶界出现，强度增高变慢，当C的含量达到0.9%时，Fe3CⅡ沿晶界出现完整的网，强度迅速降低，随C质量分数进一步增加，强度不断下降，直到趋于Fe3C的强度，约为20-30MPa。所以对于没有进行其它的处理的钢，如果要求有高的硬度而对强度和韧性没

有高的要求，如机器的底座，可以用含碳量高的材料甚至是铸钢。而T8刚是综合性能很好的材料，韧性和强度、刚度都很好。 当材料进行了热处理之后，如进行了淬火处理，形成马氏体，马氏体的强度随着含碳量的增加而提高，但是高碳马氏体硬而脆，塑性、韧性极差，低碳马氏体不仅强度高，而且塑性、韧性也较好，使很好的材料。

在马氏体通过高温回火之后，其综合机械性能最好，即强度、塑性和韧性都较好，广泛应用于重要的机器结构件，特别是受交变载荷的构件，比如：连杆、轴、齿轮等。