钢的奥氏体晶粒度与加热温度的关系（可编辑）

钢的奥氏体晶粒度与加热温度的关系（可编辑） 钢的奥氏体晶粒度与加热温度的关系 实验一 钢的奥氏体晶粒度与加热温度的关系 一实验目的 1了解测定奥氏体晶粒度的常用 2 掌握用氧化法或直接腐蚀法显示钢的奥氏体晶粒及用比较法评定晶粒度 3研究加热温度对奥氏体晶粒大小的影响 二实验原理 钢材加热到相变温度临界点AC1 或AC3 ACm 以上形成奥氏体组织由于钢种 加热温度和保温时间等因素的不同所得到的奥氏体晶粒大小也不相同 奥氏体晶粒大小可用晶粒直径d 或单位面积中晶粒数n 等方法表示为 了方便 生产上多采用晶粒度来表示晶粒大小奥氏体晶粒的级别G 与晶粒大小的关 系是 G-1 n 2 2 式中 n放大100 倍时每平方英寸645mm 面积内的平均晶粒数目 根据奥氏体形成过程和晶粒长大的不同情况奥氏体晶粒度分为起始晶 粒度实际晶粒 度和本质晶粒度起始晶粒度系指奥氏体刚形成时晶粒的大小实际晶粒度是 钢材在某一具 体热处理加热条件下所得到的奥氏体晶粒大小而本质晶粒度则是表示晶粒 大小的一种尺 度对钢来说如不特别指明晶粒度一般是指奥氏体化后的实际晶粒度而实际晶粒度主 要受加热温度和保温时间的影响加热温度越高保温时间越长奥氏体晶粒越易长大粗大 生产实践表明钢材加热时形成的奥氏体晶粒大小对冷却转变及对钢的力学性能与工 艺性能均有很大影响例如粗大的奥氏体晶粒冷却后获得粗大的转变产物这种产物的塑性 与韧性比细小的奥氏体晶粒转变产物差而且其屈服点亦较细小奥氏体晶粒转变者为低如 果奥氏体晶粒过分粗大钢件在淬火时还易于变形和开裂高碳钢加热时如形成粗大的奥 氏体晶粒淬火后残余奥氏体将增多致使刀具的硬度和耐磨性能降低 另外细晶粒度的板材易于冲压加工可获得表面光洁的冲压件而粗晶粒的板材冲压 时容易开裂冲压成型后的表面亦比较粗糙 晶粒度是表示材料性能的重要指标是评定钢材质量的主要依据之一所以生产中常需 测定奥氏体晶粒大小以保证产品质量 钢中晶粒度的测定分为本质晶粒度和实际晶粒度的测定晶粒度的测定包括两个步骤 即晶粒的显示和晶粒尺寸的测定或评级晶粒的显示是晶粒测定的先决条件常用的显示方 法如下 一奥氏体晶粒的显示 1奥氏体本质晶粒的显示 奥氏体本质晶粒度是指在930 ?10?保温一定时间后的奥氏体晶粒大小本质晶粒度 可以反映奥氏体晶粒长大倾向根据它能正确估计零件经过热处理后晶粒的大小从而评定 零件的力学性能故在生产中常需要测定奥氏体本质晶粒度由于奥氏体在冷却过程中可能 已发生相变冷至室温时已不再是奥氏体组织为显示处原奥氏体晶界需采取以下一些方 法 1 渗碳法 渗碳体显示奥氏体晶粒广泛应用于渗碳钢或含碳量?06的其它类型的 钢种 本法系采用渗碳热处理方法提高试样表面的含碳量渗碳后的试样表层为过共析成分 试样在渗碳后缓慢冷却过程中先共析的渗碳体优先沿原奥氏体晶粒边界析出勾划出了奥 氏体晶粒 1 为了在黑灰色珠光体组织的背景上显露出亮的碳化物渗碳体网常选用下列浸蚀剂 腐蚀试样 13,4硝酸酒精溶液晶界呈现白色网状碳化物 2 5苦味酸酒精溶液晶界亦呈现白色网状碳化物 3 沸腾的碱性苦味酸钠水溶液苦味酸2g氢氧化钠25g水100mL腐蚀时间为10, 25min 晶界网状碳化物呈现黑色 本方法对碳化物形成元素过多的钢 由于难以形成完整的碳化物网络故不宜采用 2 氧化法 将预测晶粒度的钢试样加热到奥氏体状态保温一定时间使试样表面 受到氧化由于晶界比晶内具有根大的化学活性故奥氏体晶界较晶粒内部更易于氧化适 当地保温可使晶界发生氧化而晶粒内部不受影响故使奥氏体晶粒得以清晰地显示氧化 法主要有气氛氧化法和熔盐氧化腐蚀法其中以气氛氧化法较为简便应用最多 1气氛氧化法将试样两段面先用细砂纸磨光和抛光制成金相试样然后将试样的抛 光面向上装入预先加热到860 ?10?的具有氧化性气氛炉中普通空气炉加热并在该温 度保温 1h试样在加热和保温过程中暴露氧化待试样保温后出炉水冷水冷是为了避免 铁素体呈块状析出以防铁素体晶界与奥氏体晶界相混淆造成误评 再将水冷后的试样仔细研磨和抛光使晶粒表面的氧化膜几乎完全磨去而晶界处的氧 化物只部分被磨掉在显微镜下借助晶界处的黑色氧化物即可显示出高温时的奥氏体晶粒 大小如用15盐酸酒精溶液或2,4硝酸酒精溶液浸蚀试样磨面则所形成的黑灰色网 络将显露得到更为清楚选择试样的奥氏体晶界轻微氧化或轻度脱碳区域观察晶粒度时沿 氧化了的奥氏体晶界形成槽形凹沟可在显微镜下清晰地聚焦成线状它与真实的奥氏体本 质晶粒度最为接近 奥氏体晶粒显示的结果是否清晰准确关键在于试样冷却后的研磨与抛光研磨过少 只能看到氧化膜而看不到晶界研磨过多则可能将氧化晶界全部磨掉这样就 无法观测奥 氏体晶粒大小因此应严格控制研磨量 此法的缺点是所显示的往往为保温初期的奥氏体晶粒大小 2 熔盐氧化腐蚀法将制备好的金相试样放入预先加热至 930 ?10?不氧化的碳酸 钠盐浴硼砂槽或其它盐浴中加热保温3h 后再转入成分为BaCl2 13NaCl 13CaCl 13 重 量比 未经脱氧的盐浴中进行腐蚀腐蚀温度为930 ?10?腐蚀时间为2,5min腐蚀后的 试样在煤油后的试样在煤油中冷却然后用冷水洗净酒精冲洗吹干经适宜的抛光在显 微镜下放大100 倍进行观察如氧化网络不清晰时可用4苦味酸酒精溶液浸蚀 氧化法适用于显示各种钢的奥氏体本质晶粒度尤以中碳钢及中碳合金 钢为宜 3 网状铁素体法 此方法仅适用于亚共析钢对中碳调质碳素钢较为合适而对某些 亚共析合金钢即使在很小的冷却速度下铁素体也不呈网状故此法不宜选用 将欲测试样加热含C?035 时为900 ?10?保温300min当C,035 时为860 ?10?保温30min 水冷或空冷在冷却过程中当通过临界温度区域时先共析铁素体优 先沿奥氏体晶粒边界析出呈网状分布晶粒内部为珠光体除去试样表面层根据围绕在 奥氏体晶粒周围的网状铁素体测定钢的本质晶粒度对接近共析成分的亚共析钢在奥氏体 化后可预先缓慢冷却至 700,730?等温保持十几分钟后在空冷到室温也可得到明显 的铁素体网 网状铁素体法显示奥氏体晶粒的浸蚀剂可采用3,4硝酸酒精溶液或苦味酸酒精溶 液腐蚀后晶界呈白色网状铁素体 冷却速度是决定铁素体网勾划出奥氏体晶界质量好坏的关键如果冷却速度过快铁素 体网未能布满奥氏体晶界易产生奥氏体晶粒过大的错觉若冷却太慢铁素体堆积成块状 也难以显示出奥氏体晶界所以对不同钢种的冷却速度应通过多次试验选择确定 2 4 网状渗碳体法 适用于过共析钢的奥氏体晶粒的显示将试样加热到 820?10? 保温30,60min 后炉冷到600?冷却速度约80,100?h 出炉以保证渗碳体 呈网状 分布除去试样表面氧化层制成金相试样用3,4硝酸酒精溶液或苦味酸酒精溶液浸 蚀此时晶界网状碳化物呈现白色根据碳化物沿奥氏体晶界析出的网络测定钢的奥氏体 晶粒度晶粒内部是珠光体 5 网状珠光体法一端淬火法 适用于淬透性较低的碳素钢和低合金钢以及不能获 得完整铁素体或渗碳体网的钢如含碳量接近共析成分的钢 实验时可采用Φ20mm ×40mm 的圆柱形试样现将试样加热到900 ?10?保温1h 然后自炉中取出一端淬入水中冷却约入水13,25 长度冷却时不要上下运动只可 水平移动试样另一端在空气中冷却由于试样从下端之上端冷却速度逐渐减 小因而沿轴 向的组织依次由马氏体向珠光体过渡经过这样处理的试样沿纵向磨去约2,3mm 厚以后 制成金相试样在淬硬与未淬硬的过渡区则可以找到黑色屈氏体优先沿奥氏体晶界析出的 区域在屈氏体网所包围的内部则为灰白色的马氏体根据黑色屈氏体网可以测定钢的晶 粒度所用浸蚀剂与网状铁素体法相同 6 化学试剂腐蚀法 此方法分为直接腐蚀法和马氏体腐蚀法 1直接腐蚀法将试样加热到900 ?10?保温1h 后水冷淬火获得马氏体和贝氏体 组织有的钢种还需经过一定温度的回火除去试样表面脱碳层和氧化层制成金相试样 选用具有强烈选择性腐蚀的腐蚀剂浸蚀使原奥氏体组织晶界变黑而基体组 织腐蚀轻微 从而直接显现奥氏体晶粒 本法适用于合金化高的能直接淬硬的钢如高淬透性的铬镍钼钢等 直接显现奥氏体晶界的腐蚀剂成分与使用条件是 ? 含有05,1烷基苯碘酸钠 100mL 饱和苦味酸水溶液亦可用合成洗衣粉代替烷 基苯磺酸钠浸蚀时间依温度不同20,70?可选用05min 至3h由试验确定如再 向此腐蚀剂中加少量医用消毒剂新洁尔灭则能更好控制腐蚀使样品更加清晰 ? 含有 01,015g 十二醇硫酸钠的 100mL 饱和苦味酸水溶液加热到 30?浸蚀约 100min 即可 上述两种腐蚀剂都可抑制马氏体组织出现促使奥氏体晶界的显示 采用直接腐蚀法显示奥氏体晶粒的常用钢种热处理工艺列于表1-1 表1-1 直接显示奥氏体晶粒的热处理工艺 钢号 淬火工艺 回火工艺 12CrNi3A 930?保温15,3h 水冷 不经回火 12Cr2Ni4A 20CrNi3A 40Cr 或45Cr 60 碳钢 38CrMoAlA 930?保温15,3h 水冷 200,250 ?保温15,30min 空冷 18Cr2Ni4WA 4000 ?保温30min 空冷 40CrNiMoA 930?保温15,3h 油冷 不经回火 18CrMnTi 38CrA 30CrMnSiA 30CrMnSiNi2A 930?保温15,3h 水冷 500?保温300min 空冷 30CrMnNi2MoA 600?保温300min 空冷 3 2 马氏体腐蚀法适用于淬火是得到马氏体的钢先将试样加热到930?保温3h 后 淬火得到马氏体然后再进行150,250?15min 短时间回火以增加衬度选用适当腐蚀 剂浸蚀由于原始奥氏体各晶粒位向不同则各晶粒间马氏体被腐蚀的深浅亦不同借此衬 度颜色差异而显示出奥氏体晶粒大小为得到清晰的组织可重复进行抛光和腐蚀 此法腐蚀剂可用1g 苦味酸5mL 盐酸100mL 酒精或 1g 氯化铁15mL 盐酸100mL 酒精 马氏体腐蚀法对粗大奥氏体晶粒较为有效但对细晶粒奥氏体以及钢中存在带状和树枝 状偏析腐蚀时会出现混杂图形影响正确测定 另外还有真空法高温金相法和氢气脱碳法等但因测试条件所限尚未普遍应用 如选用时可参阅有关资料 2实际晶粒度的显示 测定实际晶粒度时试样直接在交货状态的钢材或零件上切取在切取及制备试样过程 中应避免冷热加工的影响试样一般不经任何预先热处理直接测定制备好的试样用适 合的腐蚀剂浸蚀而显示晶粒但这种方法因钢的种类化学成分及状态的不同其效果亦有 所不同应根据试验实践选择确定 对结构钢淬火和调质状态的原奥氏体晶粒的显示常用的腐蚀剂为 1 饱和苦味酸水溶液 2 结晶苦味酸4g 水100mL加热至沸腾浸蚀时间约15,20s 3 饱和苦味酸水溶液海鸥牌洗净剂混合试剂饱和苦味酸水溶液 100mL 加海鸥牌 洗净剂1g 4 饱和苦味酸水溶液加少量新洁尔灭 5 10苦味酸乙醚溶液加盐酸1,2 mL 对于结构钢在正火和退火后还常测定其铁素体晶粒度其方法是将试样研磨抛光后 以5的硝酸酒精溶液腐蚀约15s 后进行观察并与铁素体标准级别图相比较来评定晶粒度 对于大多数钢种淬火回火态的原奥氏晶粒的显示以苦味酸为基的试剂较适宜试剂成 分为 饱和苦味酸水溶液 100mL洗净剂10mL酸微量 对不同钢种和不同热处理状态的原奥氏体晶粒的显示只要适当改换微量酸的种类盐 酸硝酸和磷酸等和调整微量酸的加入量5,10 滴就可获得良好的效果 高速钢淬火后一般均需测定奥氏体晶粒度以间接考察马氏体针的粗细作为判定淬火 加热温度高低和工具热处理质量的主要依据从而控制合适的淬火温度另外分析高速钢 成品刀具或进行缺陷分析时还需要检验回火后的晶粒度 高速钢奥氏体晶界可用4硝酸酒精溶液或表 1-2 所列试剂浸蚀显示然后按晶粒度评 级标准图依不同产品和材料确定不同的晶粒度要求 表1-2 高速钢晶粒显示试剂 成分 编号 饱和苦味酸水溶液 浓硝酸 浓盐酸 乙 醇 甲醇 海鸥洗净剂 ? 15 1 25 50 ? 10 30 595 05 ? 20 10 30 40 注?号试剂可用以显示淬火回火后的晶界和马氏体形态?号试剂可用以显 示淬火回 4 火后的晶界?号试剂可用以显示淬火回火后的晶界深腐蚀可显示马氏体形 态 如果切取及制备试样借腐蚀直接观察难以分辨晶粒边界无法测定原奥 氏体晶粒大小 时试样可经适当热处理后再进行测定具体试验方法可按有关规定进行 二奥氏体晶粒度的评定 奥氏体晶粒度的评定有比较法和截点法两种一般多采用比较法 1比较法 比较法评定晶粒大小是通过与标准评级图相比较来确定晶粒度级别的图1-1 是钢的晶 粒度标准级别图 选用此法测定晶粒度时是先将制备好的试样在放大100 倍的显微镜下全面观察晶粒 然后选择晶粒度具有代表性的视场与标准级别图比较当二者大小相同时试样的晶粒度就 是标准级别图上所标定的级别 如试样晶粒大小不均匀时若占优势晶粒所占面积不少于 视场的 90时则可记录些一种晶粒的级别数否则应用不同级别来表示该钢的晶粒度 其中一个级别代表占优势的晶粒级别例如8 级75 4 级25 等 当钢的晶粒过大或过小而用100 倍的放大倍数不方便时可改用其它放 大倍数观察和 评定然后按照表1-3 的关系换算成100 倍下的标准级别 表1-3 常用放大倍数下晶粒度级别数间关系表 图像的放 与标准评级图编号等同图像的晶粒度级 别 大倍数 No1 No2 No3 No4 No5 No6 No7 No8 No9 No10 25 -6 -2 -1 0 1 8 3 4 5 6 50 -1 0 1 2 3 4 7 6 7 8 100 1 2 3 4 5 6 5 8 9 10 200 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 400 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 800 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 钢的晶粒度标准评级是将钢中晶粒度分为8 级其中1,4 级的属粗晶 粒5,8 级的为 细晶粒8 级以上称为超细晶粒 比较法评定晶粒度简便迅速但不够准确 2 截点法 当晶粒度测量准确性要求较高或晶粒为椭圆形时一般采用截点法 1 等轴晶粒计算法 当欲测定的奥氏体晶粒基本上是等轴时可先进行初步观察以 确定晶粒的均匀程度然后选择有代表性的部位和适合的放大倍数测定时先用100 倍观察 当晶粒过大或过小时可适当缩小或放大显微镜倍数以在80mm 视场直径内不少于50 个 晶粒为限再将所选定部位的图像投影在毛玻璃上计算与一条直线相交截的晶粒数目截 点数直线要有足够长度L 以使与直线相交截的截点数目不少于 10 个计算时直 线端部未被完全交截的晶粒应以一个晶粒计算之选择三条以上不同部位的直线来计算相截 的截点数用相截的截点总数Z 除所选用的直线总长度实际长度以mm 计得出弦 的平均长度a mm 再以弦的平均长度值根据晶粒级别对照表便可确定 钢的晶粒度 弦的平均长度为 nL d Z Z Z M 1 2 3 5 式中M显微镜的放大倍数 截点法也可在带有目镜测微尺的显微镜下通过平行移动视场直接观察 计数一般也是 测Z 个晶粒的总长度再求弦的平均长度a 2 非等轴晶粒计算法 沿试样的三轴线分别计算出各轴线方向每 1mm 长度的平均节 点数量每一轴线方向的平均截点数必须在不少于三条直线下求得 3 由试样的三个轴线方向得出每1mm 长度的平均截点数量值按下式计算出每 1mm 内 平均截点数 N 07n n n 纵 横 法 3 式中 n每1mm 内平均截点数 n 纵纵向上每1mm 长度平均截点数 n 横横向上每 1mm 长度平均截点数 n 法横向上每 1mm 长度平均截点数 07晶粒扁圆度系数 由上式计算出n 值根据晶粒级别对照表确定钢的晶粒度 三实验设备及材料 根据实验所采用的测定奥氏体晶粒度的方法选用所需要的设备和材料 1中温和高温热处理加热炉 2 金相显微镜配有目镜测微尺 3制备金相试样所需物品砂轮机抛光机砂纸腐蚀剂2,4硝酸酒精溶液 或饱和苦味酸水溶液等 4 晶粒度标准级别图 5试验钢材20CrNi3A 40Cr 45 钢或T8T12CrWMn 等钢 试样尺寸圆形试样Φ10,20mm ×15mm或矩形试样10mm×10mm×20mm 6 图1-1 晶粒度标准级别图 四实验内容及步骤 采用氧化法或直接腐蚀法显示钢的奥氏体晶粒并用比较法或计算法评定晶粒度级别 同时验证加热温度对奥氏体晶粒大小的影响实验步骤如下 一分组 试验人员按不同加热温度分成若干组试样的加热温度为 850?900?930?950?1000?1100?等 二试样奥氏体晶粒的显示 进行测定奥氏体晶粒度时先选用下列一种方法显示出奥氏体晶粒 1氧化法 1 每人取试样一块将其两端面研磨并抛光制成金相磨片 2 将制备好的试样分别放置于加热到上述规定温度的热处理炉中试样磨面向上 并应使加热和氧化均匀一致试样在指定温度保温30min 后取出放入水中冷却 3 将冷却后的试样磨面在 04 号砂纸上仔细研磨待磨面磨至大部分发亮时进行抛 光为找到一个合适的评级区域可将试样研磨抛光成一个倾斜面10o,15o有时还可 配合显微镜观察控制研磨量 4 试样抛光后若晶界显示不清晰时可采用浸蚀剂将试样磨面适度浸蚀便可清晰 地显示出奥氏体晶界网络 2直接腐蚀法 1 选用20CrNi3A 或40Cr 等钢制成Φ10mm×10,20mm 圆形或矩形试样 2 先将试样放入规定温度的热处理炉中加热加热到温后保温 30min然后迅速淬入 水中冷却以获得马氏体组织 3 淬火后的试样磨去脱碳层制成金相试样选用含有 05,1烷基苯磺酸盐的 7 100mL 苦味酸饱和溶液等腐蚀剂浸蚀由于晶粒边界被腐蚀变黑依次测定奥 氏体晶粒度 腐蚀时间根据试验条件经试验确定配置腐蚀剂时应煮沸和充分溶解 4 为获得更清晰光亮的组织试样可经二次或三次腐蚀抛光重复进行或向腐蚀剂中 加少量新结尔灭或将腐蚀剂加热到50,60?后腐蚀均可 3网状铁素体法 采用网状铁素体显示亚共析钢的奥氏体晶粒其热处理条件与氧化法相同但是试样预 先不需研磨在加热过程中应防止氧化冷却速度应依次不同钢种恰当选择通常对低碳钢 可选用油冷中碳钢选用空冷中碳合金钢选炉冷 三评级 待奥氏体晶粒显示后即可根据试验条件和需要采用比较法或计算法评 定试验钢材试 样奥氏体晶粒度级别 五实验要求 1写出对实验目的及所选用奥氏体晶粒显示和评级方法原理的简要叙述 2 记录及画列出全组或全班实验结果并确定本实验用钢奥氏体晶粒度级别 3绘出实验用钢或不同实验用钢加热温度与奥氏体晶粒长大关系曲线或比较不同 实验用钢奥氏体晶粒长大的倾向性并说明加热温度对奥氏体晶粒大小的影响 4 实验结果的分析讨论 8 实验二 钢的淬透性 一实验目的 1了解钢的淬透性测定方法 2 掌握用末端淬透性试验法测定钢的淬透性 3研究合金元素等对钢的淬透性的影响 二实验原理 钢的淬透性是结构钢与工具钢的重要热处理工艺性能之一钢的淬透性对钢材的组织及 性能有着十分重要的影响因而钢的淬透性亦是机械零件时选择钢种和生产上制定热处 理工艺的主要依据之一为了合理地选择和使用工业用钢以及正确地进行钢的热处理对 钢的淬透性进行测定和了解具有很大的实际意义 一淬透性的本质与评定 钢的淬透性也称可淬性是指钢在淬火时能够获得马氏体的能力它是钢材本身固有的 一个属性它主要与钢的过冷奥氏体稳定性或钢的临界淬火冷却速度有关 淬火是最常用的一种热处理工艺对结构钢和工具钢来说淬火是为了获得马氏体组织 零件淬火时表面冷却快愈向心部冷却愈慢如果中心点的冷却速度达到或超过该钢种的 临界淬火速度则钢件整个界面均可得到马氏体组织即钢件被淬透而当心部冷却速度小 于临界淬火速度时则将在心部出现非马氏体称为未淬透在未淬透的情况下全淬成马 氏体的区域就是淬硬层或淬透层钢件经淬火后一般从表面到心部一定深度均可获得 马氏体组织这种马氏体组织的深度通常称为淬透层深度或淬硬层深度 钢的淬透性反映了钢在淬火时获得马氏体的能力因此通常用标准尺寸试样在一定条件 下淬火而得到的淬硬层深度h 或全部淬透的最大直径DC 来表示淬透性大小然而 由于不同钢种的淬透性不同故其淬硬层深度以及能淬透的最大直径也不同淬硬层深度及 直径愈大表面该钢种的淬透性愈高 在实际的淬火钢件中由于从表面到中心各个部位的冷却速度不同因而各部位的组织 和性能也就不同从表面全部马氏体组织开始向内依次为屈氏体索氏体珠光体甚至 在心部出现铁素体此时显然应以全部马氏体组织或包含有很少量残余奥氏体组织层的深 度作为判定淬透性的标准但是实际上当马氏体组织中含有 5,10非马氏体组织时 是很难准确分辨出来的在硬度上亦无法测量出来因此现多采用由表面至半马氏体组织即 50马氏体和50非马氏体组成的距离为淬透层深度并以此深度作为判定淬透性的标准 这是因为半马氏体区域硬度变化显著很容易测量在酸蚀的断面上呈现出明显的明暗分界 面见图2-1因此可以认为淬火后的马氏体组织大于50的部分即是被淬透的半马氏 体组织的硬度主要与含碳量有关如图2-2 所示实践证明对碳素钢和不具有复杂奥氏体 等温转变曲线的低合金钢及中合金钢采用半马氏体作为判定淬透性的标准是没有重大误差 的但近年来贾查克Jatezak 等认为在淬火钢中存在 50的非马氏体组织与 具有 90马氏体的性能有很大差异而建议用90马氏体作为淬透性判据 9 图2-1 冷却速度对金相组织和硬度的影响 图2-2 50马氏体的硬度与含碳量关系 阴影线为中低合金钢的硬度波动范围 应特别指出的是钢的淬透性和钢件的淬透层深度虽有密切联系但不能混为一谈钢 的淬透性乃是钢材本身所固有的属性不受外部因素的影响而钢件的淬透层深度除取决于 钢材的淬透性之外还与所采用的冷却介质零件尺寸等外部因素有关淬透性还应区别于 淬硬性后者系指钢在正常淬火条件下所能达到的最高硬度的能力它主要与 钢的含碳量有 关 钢的淬透性对钢件热处理后的组织和力学性能有很大的影响因为完全淬透的零件在回 火后其组织是均一的整个截面上的性能均匀一致而未淬透的钢经回火后虽硬度也趋 于一致但未淬透部分的屈服点б 和冲击韧度a 均有所降低所以凡是要求高的综 s k 合力学性能的零件都应全部淬透但对工作是最大应力在零件外缘愈向心部应力愈小的某 些轴类零件如机床主轴等凡要求淬硬12 或13 半径的外层即可而无需全部淬透各 类钢制零件所要求的淬硬层深度应按其工作条件而定并非一律要求全部淬 透 二影响淬透性的因素 淬透性是钢的一种属性不同种类钢材其淬透性高低差别较大影响淬透性的主要因素 是钢的化学成分此外奥氏体均匀度晶粒大小及非金属夹杂物与未溶碳化物的存在等因 素对淬透性亦均有影响 碳完全固溶于奥氏体中时其含量愈多奥氏体愈不易分解愈使奥氏体等温转变曲线 向右移动增大奥氏体的稳定性而减小临界冷却速度使淬透性提高但超过共析含碳量以 后由于未溶解碳化物成为相变核心促进珠光体转变临界冷却速度又复增大而使淬透性 降低合金元素除钴和铝,25 以外都不同程度地增加奥氏体的稳定性因而均 提 高钢的淬透性常用合金元素对淬透性的影响以锰最为强烈其次是钼铬钒硅和镍等 奥氏体化温度愈高奥氏体晶粒愈粗大成分愈均匀则钢的淬透性愈高反之晶粒 愈细小成分愈不均匀特别是存在未溶的碳化物时要求的临界冷却速度亦愈快其淬透 性愈低 三淬透性常用测定方法简介 测定钢的淬透性有计算法和实验法两大类计算法是根据钢的化学成分和本质晶粒度计 算出该钢种的理想临界直径D 再依此计算出末端淬透性曲线而实验法则是通过测定 1 标准试样上的淬透直径或深度或是测定标准试样在末端淬火试验后的半马氏体区至水冷端 距离大小来评价钢的淬透性目前国际上和我国多用断口的检验法U 曲线和末端淬火法 10 等来测定钢的淬透性 1断口检验法 这是根据试样断口所呈现的状态来评定钢的淬透性的一种方法主要适用于淬透性不高 的钢种如碳素工具钢及低合金工具钢等 1 试样 在退火钢条中部截取3 个方形试样其截面尺寸为20mm ×20mm ?02mm 长度为 100mm?5mm并在试样中间的一个侧面上刻一深度为3,5mm 的V 形槽以 利于淬火后折断观察断口由于方形试样淬火时冷却速度不均匀容易开裂测量淬透层深 度时易发生误差等缺点因而也常采用圆形试样其直径为 22,23mm长度为 100mm 刻槽深度亦为3,5mm 2 热处理 试样在箱式电炉加热后淬火淬火温度和保温时间规定为760?800? 保温20min 840?保温150min在加热过程中应保证试样受热均匀保温后取出迅速淬入 10,30?水中淬火时钳子应夹持试样端部垂直入水并在水中上下搅动以获得均匀的 淬透层 3 淬透层深度测量与评级 将淬火后的试样用手锤或压力机从刻槽处 折断然后按 照图2-3 中心线方向测量淬透层深度取其三面平均值刻槽一面不计再按图2-4 根据 800?淬火后的试样进行评级测定淬透层深度的精确度为05mm评定的等级应取整数 淬透层深度还可采用金相法检验现将断口磨平抛光然后用 2,10硝酸酒精溶液侵 蚀显示的淬透层为浅色而未淬透部分深灰色 图2-3 测量试样淬透层深度的方向图 图2-4 碳素工具钢淬透性评级图 图中,03,05 等字样是指方形淬火试样从边缘到心部的淬头距离单位mm 2某端淬火法 末端淬透性试验法亦称为末端淬火法是目前应用最广泛的淬透性试验 方法它通常适 用于测定优质碳素钢及合金结构钢的淬透性也可用于弹簧钢轴承钢和合金工具钢等钢中 淬透性测定但对低淬透性钢和高淬透性钢不宜采用 末端淬火法所用试样和试验条件均已标准化如表2-1 所示 11 表2-1 末端淬火法试验条件 试样 保温时间 喷水口直径 自由水柱高度 喷水口至试样 直径 头部直径 长度 min mm mm 端面间的距离 mm mm mm mm 25 ?05 300 100?05 30 ?5 125 65 ?5 125?05 20 25 100 30 125 65 ?5 125 12 17 100 15 6 100?5 10 这种测试方法是将一圆柱形试样加热至淬火温度然后在试样末端喷 水淬火由于试样 仅从末端喷水冷却所以整个圆柱形试样沿长度方向从末端至顶端由下 而上冷却速度逐渐 减小由于各处冷却速度不同致使试样各部位所获得的淬火组织和硬度 亦不相同根据沿 试样长度向所测定的硬度值便可绘制出至水冷端距离的硬度变化曲线 即末端淬透性曲线 如图2-5 所示 图2-5 冷却速度曲线奥氏体转变曲线与末端淬透性曲线三者的关系 a 奥氏体转变曲线b 冷却速度曲线c 末端淬头性缺陷 注根据试样断口上淬透部分晶粒的粗化程度以确定钢的过热现象 在淬透性曲线上根据硬度变化的不同特征便可判定钢的淬透性的高低具体测定方 法如下 1 试样 标准试样尺寸为Φ25mm ×100mm 的圆柱形试样仅试样顶端3,5mm 处的 直径为28,30mm以供淬火试验时悬挂试样之用如图2-6 需要时亦可用较小尺寸试 样作淬透性试验 12 a 带凸缘的试样 b 带凹槽的试样 图2-6 标准试样尺寸 2 试样加热 试样在温度准确的箱式电炉中加热淬火温度根据钢种化学成分而定 或以该钢种标准技术条件中规定的温度为准保温时间为 30 ?5min加热时应防止试样表 面发生氧化和脱碳 3 末端淬火 淬火是在末端淬火设备上进行图2-7 为淬火试验示意图试验前先 根据试样直径按表2-1 规定条件调整测试设备调试好后即可向试样末端喷水淬火 4 硬度测定与淬透性曲线绘制 淬火后将试样圆柱表面相对 180o的两边各磨去 04,05mm 的深度以获得相互平行的两平面然后用洛氏硬度计沿磨面中心线测量硬度 由试样水冷端起每隔15mm 测量一次或从淬火端起所测前八个点至水冷端的距离以mm 表示依次为15-3-5-7-9-11-13-15 当硬度下降趋于平稳时其后各点可每隔3,5mm 测量 一次直至硬度下降后再无明显变化为止再以硬度值 HRC 为纵坐标以距淬火末端的距 离 mm 作横坐标绘制淬透性曲线由于材料成分和晶粒度等均有一定的波动使硬度亦 在一定范围变化因此淬透性曲线一般用一宽带表示称为淬透性带不同钢种具有不同的 淬透性曲线各种钢的淬透性曲线均已测出使用时间可查阅有关手册 HRC 钢的淬透性值以J 或J ××d 表示其中d 为距水冷端的距离mm HRC d 42 或×× 为该处测得的洛氏硬度值如淬透性J 或J42-5 即表示距水冷端 5mm 5 处的硬度值为42HRC 在生产中还常采用临界直径法来表示钢的淬透性的高低临界直径系指钢在某种淬火 介质中其心部恰好能被淬透淬成50马氏体时的最大直径DC 通过在相同淬 火介 质中DC 大小的不同即可判别不同钢种淬透性的高低显然临界直径愈大钢的淬透性 就愈好但是在其它条件一定时临界直径将随淬火介质的冷却能力而改变为了排除冷却 条件的影响引入了理想临界直径的概念所谓理想临界直径D 是假设淬火介质的淬 I 火烈度值H 为?时试样表面温度能立即冷却到淬火介质温度而心部获得50马氏体的 最大直径由于末端淬透性曲线图不能直接确定淬透工件尺寸大小所以常通过理想临界直 径和借助换算图表与末端淬火试验数据进行换算便可求出不同直径圆柱形零件截面上的硬 度分布及实际淬透临界直径和确定零件的淬透层深度等 13 换算图表的使用方法如图2-8 所示首先根据所测钢件的含碳量由图2-2 查出半马氏 体区的硬度并在该钢的淬透性曲线上找到相同硬度点由此确定半马氏体区至淬火末端距 离x 然后在线解图从略可在相应教材或手册中查到上方的横标尺上找出x 值 引垂线和理想冷却介质H ?直线相交于点1再从交点1 向左引水平线至选定的冷却介 质的直线上如水交于点 2再自点2 引垂线到所测件形状的横坐标度上标度上所得 读数即是实际临界直径或淬透层深度如已知在水中的淬透性和零件形状时还可按图 1′ ?2 ′?3′?4 ′的程序确定在其它淬火介质如油中的淬透层深度 图2-7 末端淬火试验示意图 图2-8 换算图表的使用方法 三实验设备及材料 1箱式电炉及控温仪表 2 末端淬火设备 3砂轮机 4 洛氏硬度计及测量夹具 5末端淬火试样45 钢或40 钢与45Cr 40Cr 等合金钢或断口试验法圆柱形试样 试样尺寸均按国标规定 6游标卡尺 四实验内容及步骤 采用末端淬火法测定碳钢和合金钢的淬透性实验步骤如下 1全班可分若干组进行实验每组领取碳钢和合金钢试样各一件并根据所测定的钢 中确定淬火加热温度 2 将试样先放入保护钢管内并在钢管底部填方少量石墨粉木炭或生铁屑以防止 加热时试样表面氧化及脱碳然后把试样装入预先加到规定淬火温度的电炉中加热 3熟悉末端淬火操作方法按标准中规定的试验条件要求调整末端淬火设备待调 整完毕后用玻璃板盖好喷水口做好淬火前准备 4 试样加热到温并保温30min 后用钳子夹住头部取出迅速准确放入末端淬火支架 孔中立即抽去玻璃板进行末端喷水淬火试样自炉内取出至水淬开始的时间不得超过5s 水淬时间应大于10min并保证试样轴线始终对准喷水口中心线勿使水滴喷溅到试样侧面 上水压应稳定以利冷却均匀 5将淬火后试样相对的两边各磨去04,05mm 的深度约3,5mm 宽在得到的两 14 相互平行的平面上按规定测量硬度一般测至45,50mm 即可在磨制试样时应设法防 止回火现象 6根据实验数据绘制出所测试钢种的淬透性曲线 五实验报告要求 1绘制所测定钢种的淬透性曲线并分析合金元素对其淬透性的影响 2 根据实验所绘出的淬透性曲线利用淬透性换算图表确定所试验钢种的理想临界直 径以及在水中和油中淬火时的临界直径及钢件中心的冷却速度 3结合试验用钢的标准淬透性曲线分析说明影响本实验结果精确性的因素 15 实验三 钢铁材料的非平衡组织 一实验目的 1观察和研究碳钢经不同热处理后的显微组织 2 了解几种钢铁材料在不同使用条件下的组织和性能的变化 二实验原理 碳钢退火后的组织是平衡组织正火后的组织接近平衡组织而经淬火得到的是不平衡 组织研究不平衡组织时不仅要用铁碳合金相图来加以分析而且更重要的是参考 C 曲 线钢的等温转变曲线图3-1 为共析钢的C 曲线图它能说明一定成分的钢在不同冷却 条件下的结晶过程以及所得到的组织 图3-1 共析钢的C 曲线图 图3-2 亚共析钢的C 曲线图 V 炉冷V 空冷V 油冷V 水冷 1 2 3 4 一共析钢连续冷却时的显微组织 共析钢经奥氏体化后慢冷时例如炉冷相当于图 3-1 中的V 应得到 100的珠光 1 体冷速增大到V2 时相当于空冷得到的是较细的珠光体即索氏体或屈氏体 当冷速 增大到V 时相当于油冷得到的为屈氏体和马氏体冷速再增大到V V 时相当于 3 k 4 水冷很大的过冷度使奥氏体骤冷到马氏体转变开始点M 瞬时转变成马氏 体其中 s 与C 曲线鼻尖相切的冷却速度V 称为淬火的临界冷却速度 k 二亚共析和过共析钢连续冷却时的显微组织 亚共析钢的C 曲线与共析钢相比在珠光体转变开始前多一条铁素体析出线如图3-2 所示 当钢缓慢冷却时相当于炉冷见图3-2 中的V 得到的组织为接近于平衡状态的铁 1 素体加珠光体随冷速的逐渐增加由V ?V 时奥氏体的过冷程度增大生成的先共析 1 2 铁素体量减少并且要沿晶界分布同时珠光体量增多含碳量下降组织变得更细因此 与V V 对应的组织将为铁素体珠光体铁素体索氏体 1 2 当冷却速度增加到V3 时只析出很少量的网状铁素体和屈氏体有时可见到少量的贝 氏体奥氏体则主要转变为马氏体当冷速超过临界冷速Vk 时钢全部转变为马氏体组织 16 过共析钢转变与亚共析钢相似不同之处是亚共析钢先析出的是铁素体而过共析钢先 析出的是渗碳体 三基本组织的金相特征 1索氏体 S 是铁素体与片状渗碳体的机械混合物片层分布比珠光体细密在高倍 700 ×左右显微镜才能分辨出层片状 2 屈氏体 T 也是铁素体与片状渗碳体的机械混合物片层分布比索氏体更细密在 一般光学显微镜下无法分辨只能看到黑色组织如墨菊状当其少量析出时沿晶界分布呈 黑色网状包围马氏体当析出量较多时则呈大块黑色晶粒状只有在电子显微镜下观察才 能分辨其中的片层状 层片愈细则塑性变形抗力愈大强度及硬度愈高另一方面塑性及韧性则有所下降 3贝氏体B 贝氏体主要有三种形态即羽毛状上贝氏体针状下贝氏体及粒状贝 氏体 a上贝氏体 B 上 基本特征条状铁素体大致平行排列在铁素体条间分布与铁素体条轴 相平行的条状渗碳体同时铁素体条内有较高的位错密度如图3-3 所示 b下贝氏体 B 下 基本特征有一定取向的黑色针状组织比淬火马氏体易腐蚀极相似 于针状回火马氏体针状铁素体内沉淀有碳化物碳化物的取向与铁素体的长轴线呈 55, 60o如图3-4 所示 c粒状贝氏体 B 粒 在低中碳合金钢中特别是连续冷却时如正火热轧空冷或焊接 热影响区往往出现这种组织在等温冷却时也可能形成其形成温度在中温转变区的较高 温度是由铁素体和它所包围的小岛状组织所组成如图3-5 所示岛状组织刚形成时为富 碳奥氏体随后的转变可以有三种情况分解为铁素体和碳化物发生马氏体转变仍然保 持为富碳的奥氏体 图3-3 B 上 500 × 图3-4 B 下 500 × 图3-5 B 粒 200 × 4 马氏体M 是碳在α -Fe 中的过饱和固溶体马氏体组织形态按其碳含量的高低 分为两种即板条马氏体和片状马氏体 a板条状马氏体一般低碳钢或低碳合金钢淬火后得到图3-6 所示的板条状马氏体组织 其组织特征尺寸大致相同的细马氏体条定向平行排列组成马氏体束或马氏体领域在领域 17 与领域之间位向差较大一颗原始的奥氏体晶粒内可形成几个不同的马氏体领域板条状马 氏体具有较低的硬度好的韧性 b片状马氏体含碳量较高的钢淬火后马氏体呈片状针状透镜状竹叶状存在 如图3-7 所示它区别于板条状马氏体的主要特征板条状马氏体中毗邻的一根根马氏体是 平行的长度大致相同的狭条而在片状马氏体中片间不相互平行在一个奥氏体晶粒内形 成的第一片马氏体较粗大往往横穿整个奥氏体晶粒将奥氏体晶粒加以分割使以后形成 的马氏体片的大小受到限制因此片状马氏体的大小不一同时有些马氏体有一条中脊面 并在马氏体片周围有残余奥氏体存在 片状马氏体具有高的硬度低的韧性 5回火马氏体片状马氏体经低温回火150,250?后得到图3-8 所示的回火马 氏体它仍具有针状特征由于有极小的碳化物析出使回火马氏体易受浸蚀所以在光学显 微镜下颜色比淬火马氏体深 6回火屈氏体淬火钢在中温回火350,500?后得到回火屈氏体组织其中金 相特征是原来条状或片状马氏体的形态仍基本保持第二相析出在其上回火屈氏体中的 渗碳体颗粒很细小以致在光学显微镜下难以分辨用电镜观察时发现渗碳体已明显长大 7回火索氏体淬火钢在高温回火500,650?后得到图3-9 所示的回火索氏体组 织它的金相特征是铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体碳钢调质后回火索氏体中的铁素 体已成等轴状一般已没有针状形态 图3-6 M 板 200 × 图3-7 M 针 淬火态白针 200 × 图3-8 M 针 回火态黑针 200 × 图3-9 S 回 GCr15 淬火 回火 500 × 18 四电厂金属的组织与性能 在火力发电行业中用作蒸汽参数不超过540?金属壁温不超过580?的锅炉管件材 料主要为2015CrMo12Cr1MoV 等碳钢或低合金钢在高温长时达数万甚至数十万 小时运行过程中其组织会发生明显的变化特别是珠光体球化即珠光体中的渗碳体碳 化物形态由最初的片层状逐渐转变成球状材料的力学性能也随之下降球化现象的产生 是因为层片状渗碳体的表面能较高它总是要向能量低的球状渗碳体形状转变在常温下 由于原子的扩散速度非常缓慢即使使用很长时间也不易觉察到这种转变过程随着温度 的提高原子扩散速度加快球化过程就变得明显性能趋势劣化 对12Cr1MoV 而言其正常供货状态正火态的显微组织为铁素体珠光体珠光体 区域明显珠光体中的碳化物呈层片状如图3-10 所示图3-11 为发生部分球化轻度球 化的组织特征珠光体区域仍较完整部分碳化物呈粒状晶界出现较多的碳化物颗粒 图3-12 为完全球化组织原珠光体的区域形态特征消失只留有少量粒状碳化物晶界碳 化物聚集长大 图3-13 为锅炉管12Cr1MoV 的纵向带状组织带状组织常常出现在热轧低碳钢和低合 金钢中其产生与钢锭中树枝状偏析有关树枝状结晶导致钢锭中某些合金元素偏析形成 合金元素贫区和富区在轧制过程中合金元素贫区和富区均沿轧制方向延伸在轧后的冷却 或热处理中优先沿贫区析出铁素体沿富区析出珠光体从而形成带状组织此外钢中的 显微夹杂物也容易在树枝状结晶区富集在热轧中这些夹杂物呈带状分布在冷却时铁素体 就会以此为核心首先析出形成铁素体带状组织 带状组织使金属材料的机械性能产生方向性特别是横向的塑性和韧性明显降低使材 料的切削性能恶化试验表明带状组织使钢在垂直于轧制方向即垂直于带状组织方向 的伸长率断面收缩率及冲击值降低但对钢的屈服强度和抗拉强度影响不大 图3-10 12Cr1MoV 一级 1000× 图3-11 12Cr1MoV 三级 1000× 图3-12 12Cr1MoV 五级 1000× 图3-13 12Cr1MoV 带状组织 200 × 19 三实验设备及材料 1金相显微镜 2 各种碳钢热处理后的显微样品及其它使用后的样品一套见表3-1 四实验内容与步骤 1观察和分析表3-1 所列试样的显微组织 2 给出所观察样品的显微组织示意图画图时应抓住组织形态的主要特征 并在图中表 示出来 表3-1 要求观察的样品 序号 材料 处理状态 浸蚀剂 显微组织 1 20 920?水冷 4硝酸酒精 M 板 2 T12 1100?水冷 4硝酸酒精 M 针 A 残 3 T12 1100?水冷150?回火 4硝酸酒精 M 针 A 残 4 65Mn 等温淬火 4硝酸酒精 B 上 5 65Mn 等温淬火 4硝酸酒精 B 下 6 GCr15 淬火 回火 4硝酸酒精 S 回 7 12Cr1MoV 新管正火态 4硝酸酒精 FP 8 12Cr1MoV 540?高温运行约5 万小时 4硝酸酒 精 FCm 9 12Cr1MoV 540?高温运行约12 万小时 4硝酸酒精 FCm 10 12Cr1MoV 新管正火态 4硝酸酒精 带 状组织FP 五实验报告要求 1简述实验目的与实验方法 2 本实验的组织应用铅笔描绘在专门实验报告页中并注明材料状态放大 倍数组 织特征应在图中用引线标注 3对有关联的组织应作必要的分析并对它们的性能变化作出基本描述 20 实验四 其它常用金属材料的显微组织 一实验目的 1观察几种常用合金钢铸铁和有色金属的显微组织 2 分析这些金属材料的组织和性能的关系及应用 二实验原理 1几种常用合金钢的显微组织 一般合金结构钢低合金工具钢都是低合金钢即合金元素总量小于5的钢由于加 入了合金元素使相图发生了一些变化但其平衡状态的显微组织与碳钢没有质的区别热 处理后的显微组织仍然可借助C 曲线来分析除了Co 元素之外合金元素都使C 曲线右移 所以低合金钢用较低的冷却速度即可获得马氏体组织例如40Cr 钢经调质处理后的显微 组织和45 钢调质后的显微组织基本相同都是回火索氏体又如GCr15 钢除作滚动轴承 外还广泛用作切削工具冷冲模具冷轧辊及柴油机喷嘴等该钢经过球化退火840? 油淬和低温回火后得到的组织为隐针或细针回火马氏体和细颗粒状均匀分布的碳化物以及 少量残余奥氏体图41 高速钢是一种常用的高合金工具钢如W18Cr4V 高速钢因为含有大量合金元素使 Fe-Fe C 相图中的 E 点大大向左移动所以它虽然只含有07,08的碳但已经含有莱 3 氏体组织在高速钢的铸态组织中可看到鱼骨状共晶碳化物这些粗大的碳化物不能用热 处理方法去除只能用锻造的方法将其打碎锻造退火后高速钢的显微组织是由索氏体和分 布均匀的碳化物组成高速钢淬火加热时有一部分碳化物未溶解淬火后得到的组织是马 氏体碳化物和残余奥氏体图42 碳化物呈颗粒状马氏体和残余奥氏体都是过饱和的 固溶体腐蚀后都呈白色无法分辨但可看到明显的奥氏体晶界为了消除残余奥氏体 需要进行三次回火回火后的显微组织为暗灰色回火马氏体白亮小颗粒状碳化物和少量残 余奥氏体图43 1Cr18Ni9 是铬镍不锈钢中应用最广泛的一种奥氏体不锈钢铬在钢中主要是产生钝化 作用提高电极电位而使钢的耐蚀性提高镍的加入在于扩大γ 相区以及降低Ms 点以保 证室温下得到奥氏体组织这种钢缓冷到室温时在奥氏体晶界处常会出现碳化物和铁素体 易引起晶间腐蚀所以必须加热到 10501100?左右迅速水冷固溶处理使其得到全部 奥氏体的单相组织图44 才具有良好的耐腐蚀性能但若使用温度较高450,850? 时从奥氏体晶界处又会有碳化铬Cr C 析出造成晶间腐蚀为防止晶间腐蚀的产生 23 6 钢中的含碳量应降至 006 以下或是加入少量的钛或铌因此出现了 1Cr18Ni9Ti 0Cr18Ni9Ti 等以及更复杂牌号的奥氏体镍铬不锈钢 图41 GCr15 钢的淬火回火组织 图42 W18Cr4V 钢的淬火组织 21 图43 W18Cr4V 钢的淬火回火组织 图44 1Cr18Ni9 钢淬水后的组织 2铸铁的显微组织 依铸铁在结晶过程中石墨化程度不同可分为白口铸铁灰口铸铁和麻口 铸铁白口铸 铁具有莱氏组织而没有石墨碳几乎全部以碳化物形式Fe C 存在灰口铸铁没有莱氏组 3 织而有石墨即碳部分或全部以石墨的形式存在因此灰口铸铁的组织可以看成是由钢 基体和石墨所组成其性能也由组织的这两个特点所决定麻口铸铁的组织介于灰口铸铁与 白口铸铁之间白口铸铁和麻口铸铁由于莱氏体的存在而具有较大的脆性 1 石墨石墨本身的强度硬度塑性都很低几乎等于零因此石墨对铸铁的性 能影响极大石墨的形状愈细长粗大或分布不均匀则产生应力集中的程度就愈严重从 而大大降低铸铁的强度和塑性 2 基体组织根据石墨化程度不同铸铁的基体组织亦不同一般情况下可分为三 种铁素体珠光体铁素体珠光体 3 各种铸铁的显微组织特征 灰口铸铁石墨呈粗片状析出如图45 所示 球墨铸铁在铁水中加入球化剂浇注后石墨呈球状析出如图46 所示球状石墨的 存在可使铸铁内部的应力集中现象得到改善同时减轻了对基体的割裂作 用从而充分地发挥了基体性能的潜力使球墨铸铁获得很高的强度和一定 的韧性 可锻铸铁将白口铸铁可锻化退火使石墨呈团絮状析出如图47 所示 图45 FP 基体灰口铸铁组织 图46 PF 基体球墨铸铁组织 3几种常用有色金属的显微组织 1 铝合金铝合金应用十分广泛分为形变铝合金和铸造铝合金 铝硅合金是广泛应用的一种铸造铝合金俗称硅铝明含11,13的Si从Al-Si 合 金相图可知硅铝明的成分接近共晶成分铸造性能好铸造后得到的组织是粗大的针状硅 和α 固溶体组成的共晶体图48 硅本身极脆又呈针状分布因此极大地降低了合金的 塑性和韧性为了改善合金质量可进行变质处理即在浇注时往液体合金中加入2, 3的变质剂常用钠盐混合物23NaF13NaCl 可使铸造合金的显微组织显著细化变 质处理后得到的组织已不是单纯的共晶组织而是细小的共晶组织加上初晶α 相即亚共晶 22 组织如图49 所示 图47 F 基体可锻铸铁组织 图48 未变质处理的硅铝明合金组织 图49 经变质处理后硅铝明合金组织 图410 单相黄铜的组织 2 铜合金最常用的铜合金为黄铜Cu-Zn 合金及青铜Cu-Sn 合金 根据Cu-Zn 合金相图含39 以下Zn 的黄铜其显微组织为单相α 固溶体故称单相 黄铜其塑性好可制造深冲变形零件常用单相黄铜为含30左右Zn 的H70 黄铜在铸 态下因晶内偏析经腐蚀后呈树枝状变形并退火后则得到多边形的具有退火孪晶特征的α 晶 粒如图410 所示因各个晶粒位向不同所以具有不同深浅颜色 含39,45Zn 的黄铜其组织为α β ′ β ′是CuZn 为基的有序固溶体 故称双相 黄铜在低温时性能硬而脆但在高温时有较好的塑性适于热加工可用于承受大载荷的 零件常用的双相黄铜为H62 其铸态组织经三氯化铁盐酸水溶液浸蚀后α 晶粒呈亮白色 β ′晶粒呈暗黑色如图411 所示 3 轴承合金巴氏合金是滑动轴承合金中应用较多的一种锡基巴氏合金中含83Sn 11Sb6Cu 其显微组织是在软的α 固溶体的基体上分布着方块状β ′以化合物 SnSb 为基的有序固溶体硬质点及白色星状或放射状的Cu Sn 如图412 所示 6 5 图411 双相黄铜组织 图412 ZChSnSb11-6 合金组织 23 三实验设备及材料 1金相显微镜 2 各类合金材料的金相显微试样表41 四实验内容及步骤 1领取各种类型合金材料的金相试样表41 在显微镜下进行观察并分析其组织形 态特征 2 观察各类成分的合金要结合相图和热处理条件来分析应该具有的组织 着重区别各自 的组织形态特点 3认识组织特征之后再画出所观察试样的显微组织图画组织图时应抓住 组织形态的 特点画出典型区域的组织 表41 常用金属材料显微样品 序号 材料 处理状态 浸蚀剂 1 GCr15 840?油淬150?回火 3硝酸酒精溶液 2 W18Cr4V 1 260?,1 280?油淬 3硝酸酒精溶液 3 W18Cr4V 1 270?油淬560?三次回火 3硝酸酒精溶液 4 1Cr18Ni9 1050,1100?水冷 王水溶液 5 灰铸铁 铸造状态 3硝酸酒精溶液 6 可锻铸铁 可锻化退火 3硝酸酒精溶液 7 球墨铸铁 正火 3硝酸酒精溶液 8 硅铝明ZL102 铸态 未变质处理 05氢氟酸溶液 9 硅铝明ZL102 铸态 变质处理 05氢氟酸溶液 10 H70 黄铜 退火态 3FeCl 10HCl 水溶液 3 11 锡基轴承合金 铸态 3硝酸酒精溶液 五实验报告要求 1写出实验目的 2 画出所观察过的组织并注明材料名称处理状态浸蚀剂和放大倍数显微 组织图 画在直径为40mm 的圆内并将组织组成物名称以箭头引出标明 24 综合A 铝合金的制备加工与组织性能分析 一实验目的 1通过对形变铝合金进行熔铸热挤压热处理组织性能分析等全过程的试 验分析 了解形变铝合金的制备加工方法掌握时效热处理工艺对形变铝合金组织性能的影响规律 2 通过不同的热处理工艺探索获得试验用材的最佳时效热处理工艺 二实验原理 1铝合金的熔炼与铸锭 熔炼和铸锭生产是铝及铝合金加工工艺中首要的组成部分其主要目的是配制合金 通过适当的工艺措施如精练和过滤提高金属净度铸造成型它不仅要提供符合加工要 求的优质铸锭而且铸锭质量在很大程度上会影响后续压力加工过程和制品的质量 铝合金在熔炼过程中吸气能力很强容易产生气孔这就给熔炼过程带来很大的困难 铸锭中的夹杂物除少量是由生产设备和工艺过程带入外主要是铝的化学性质非常活泼 在熔融状态下与氧氮等元素化合而生成氧化物氮化物碳化物和硫化物等非金属夹杂物 及氧化膜因此在熔铸过程中若对液态铝中所溶解的气体和含有的非金属夹杂物处理不 当时就会在铸锭中造成疏松气孔夹杂等冶金缺陷为此必须采用相应的净化处理措施 予以防止和消除 铝及铝合金的铸锭方法随着生产技术的不断进步已出现二十余种总的可归纳为铁 模水冷模铸锭法连续半连续铸锭法及连续铸轧法三大类实验室条件下一般采用铁模 铸造 2铝合金的热挤压 在铝及铝合金半成品生产中挤压是主要的成型工艺之一挤压产品型材管板线 材及棒材占全部半成品的 30左右挤压方法的基本特点是1具有有利于金属塑性 变形的应力状态即强烈的三向压缩应力状态2 变形金属与工具间存在着较大的外摩擦 力使变形很不均匀3 对生产许多高合金化的铝合金可获得挤压效应由于挤压具有 以上特点因而获得了广泛的应用 根据金属对挤压杆运动的特点金属挤压方法主要有正向挤压法和反向挤压法其他的 还有连续挤压法横向挤压法联合挤压法液体金属挤压法和冲击挤压法等 实验室条件下为了获得后续试验用的棒状试样一般采用正向挤压法 3铝合金的热处理 热处理是为了改变金属制品的力学性能冶金组织或残余应力状态而进行的加热与冷却 的作业然而对铝合金来说往往局限于为增加可沉淀硬化的锻造和铸造铝合金的强度与硬 度这类铝合金被称作为可热处理强化的合金而另一类铝合金通过加热和冷却不能达 到明显强化通常称为非热处理强化的合金在锻造形式下主要靠冷作加工提高硬度 如防锈铝合金本试验用材属可热处理强化的合金 众所周知对于含碳量较高的钢经淬火后立即获得很高的硬度而塑性则很低然而 对铝合金则不然铝合金刚淬火后强度与硬度并不立即升高至于塑性非但没 有下降反 而有所上升但这种淬火后的合金放置一段时间如 4-6 昼夜后强度和硬度会显著提 高而塑性则明显降低淬火后铝合金的强度硬度随时间增长而显著提高的现象称时效 时效可以在常温下发生称自然时效也可以在高于室温的某一温度范围内发生称人工时 效 25 三实验设备与材料 1实验用材料为某锻造铝合金 LDX 由于本综合实验的特殊要求指导教师不提供明 确的锻铝型号 2 ZG25 真空感应电炉一套315T 液压机一套铸模挤压模若干组 3各类热处理炉显微镜硬度计 4 各类金相制样设备各类微观分析用耗材 四综合实验的要求 1实验安排的建议 建议采用的工艺路线为备料由实验室完成?熔铸?热变形热挤压?热处理? 组织分析性能分析对铝合金的熔铸及热挤压过程主要以观摩或部分参与的方式进行 获得棒材后的后续试验工作则建议全班同学按自由结合或抽签方式分为若干组进行如 铸态及热形变态铝合金的组织性能分析热处理自然时效后的性能变化热处理人工 时效后的性能变化等其中人工时效的工作量较大所需人员应充分配备建议按118, 10 分组 分组确定后按各自的实验目标进行文献查阅讨论拟定试验方案形成实验预习报告并 经指导老师确认后进入开放实验室进行试验 试验时间的具体安排由各组向实验室预约一般应在三周内完成试验任务在各组完成 实验总结并形成报告ppt 格式后进行全班集中汇报讨论 2关于实验预习报告的要求 ? 简述实验目的及实验原理 ? 实验方案及热处理工艺参数 ? 可能选用的设备 ? 金相组织侵蚀剂的选择 五实验报告要求 电子版 1简述实验目的原理实验方法设备及材料 2 实验结果 金相组织均采用数码采集 3分析讨论 各个阶段的组织与性能变化规律等 4 参考文献 5建议 六注意事项 1实验室在三周中对实验学生重点支持实行24 小时完全开放的管理模式双休日也可 安排进行试验使用热处理炉及大型设备应提前半天向实验室预约热处理炉显微镜及 大型设备均应填写使用记录 2 安全有序开放开始实验前进行一次集中安全教育 26 综合B 钢铁材料 一实验目的 1通过完全开放的实验模式针对不同专题的内容与要求自主进行试验方法的设计与 实施充分发挥学生的自主创新能力注重灵活运用专业知识能力的培养 2 灵活掌握现代分析测试技术如数码采集图像分析软件计算机模拟仿真电子版 报告等 二实验原理 本实验分为若干个专题没有设定现成的实验过程与方法各专题所依据的实验原理必 须通过实验者本人按实验要求去进行检索查阅 三实验设备与材料 1可供选择的仪器设备 ? 各类制样设备各类化学药品等耗材 ? 各类显微镜 ? 各类硬度计试验机 ? 各类热处理炉高温炉1000,1250?中温炉300,1000? 烘箱室温, 300?硝盐炉150,550? 2 可供选择的原材料 工业纯铁2020G HRB335Q235Q34545 T8T1240Cr 65MnGCr15 12Cr1MoV35CrMo5CrNiMoCrWMn 65423Cr2W8VCr12MoV2Cr13 3Cr13 1Cr18Ni9Ti1Cr17Ni7Cr25Ni20ZG20CrMo T22 10CrMo910 等 四综合实验的内容及要求 1实验安排 本实验设立了近20 个专题每个专题由2,3 人完成一般按自由结合或 抽签方式完成 分组分组确定后按各自的实验目标进行文献查阅拟定试验方案形成实验预 习报告并经 指导老师确认后进入开放实验室进行试验 试验时间的具体安排由各组向实验室预约一般应在二周内完成试验任 务个别专题可 能难度较大反复较多可放宽至三周内完成在各组完成实验总结并形成报告 PPT 格式 后进行全班集中汇报讨论 2实验预习报告要求 ? 简述实验目的及实验原理 ? 实验步骤及工艺参数 包括热处理温度保温时间冷却方式等 ? 可能选用的设备及原材料 ? 金相组织侵蚀剂的选择 3部分候选专题 1 制备粗大针状马氏体组织的金相样品 黑针及白针 自选材料及工艺 2 制备含上贝氏体组织的金相样品自选材料及工艺 3 制备含下贝氏体组织的金相样品自选材料及工艺 4 钢板中魏氏组织的分析与改善 5 钢管中带状组织的改善或消除 20G 27 6 合金铸钢 主汽门套盖 中魏氏组织的改善或消除 ZG20CrMo 7 无磁不锈钢 对焊三通 的磁性消除 1Cr18Ni9Ti 8 不锈钢板的组织与性能改善 1Cr17Ni7 9 锅炉管的组织状态鉴别 T22 10 铝线夹的断裂原因分析 11 锅炉高温悬吊管爆管原因分析 20G 12 不锈钢螺栓的断裂原因分析 13 钢板冷弯开裂原因的分析 14 45 钢圆 Ф18×5 要求硬度达到HRC 55,60 及HRC 28,32含各阶段的组织分析 15 T12 钢圆 Ф16×5 要求硬度达到HRC 62,66 及HRC 58,62含各阶段的组织分析 16 球铁及灰铁的组织评定 17 6542 高速钢的性能改善 18 其它工程实际项目若干 上述各项目注有不同数量的号越多表示难度越大 五实验报告要求 电子版 1简述实验目的原理实验方法设备及材料 2 实验结果 处理前后的组织图片均采用数码采集 3分析讨论 包括对缺陷组织的评价热处理前后的组织与性能变化规律等 4 参考文献 5建议 六注意事项 1实验室在三周中对实验学生重点支持实行24 小时完全开放的管理模式双休日也可 安排进行试验使用热处理炉及大型设备应提前半天向实验室预约热处理炉显微镜及 大型设备均应填写使用记录 2 安全有序开放开始实验前进行一次集中安全教育 28 附录? 常用金属材料的浸蚀剂 序号 浸蚀剂名称 成分 作用与使用特点 HNO3 1,5ml 1 硝酸酒精溶液 显示一般组织 C H OH 100 ml 2 5 C H NO OH 4g 2 苦味酸酒精溶液 6 2 2 3 显示一般组织作用较缓 C H OH 100ml 2 5 FeCl3 5g 铸 3 氯化高铁盐酸酒精溶液 H Cl 2ml 显示奥氏体钢组织 C H OH 95ml 铁 2 5 和 HNO3 1 份 钢 4 硝酸盐酸甘油溶液 HCl 2 份 显示奥氏体不锈钢中δ -Fe 甘油 3 份 HNO3 10 5 硝酸盐酸水溶液 HCl 10 显示奥氏体钢组织 H O 80 2 C H NO OH 2g 6 2 2 3 铸 铁磷共晶中碳化物着色热浸 6 荷性苦味酸钠水溶液 NaOH 25g 蚀 H O 100ml 2 HF 1ml HCl 15ml 铝 7 混合酸溶液 适用于形变铝合金组织的显现 HNO3 25ml 及 H O 95ml 铝 2 HF 05ml 合 8 氢氟酸水溶液 适用于铸铝合金组织的显现 H O 995ml 金 2 NaOH 10g 适用于显现铸造铝合金的树枝状组 9 氢氧化钠水溶液 H O 100ml 织特殊相热浸蚀 2 FeCl3 5g 10 氯化高铁盐酸水溶液 HCl 10ml 使用于铜合金组织的显现 铜 H O 100ml 2 及 FeCl3 5g 铜 11 氯化高铁盐酸酒精溶液 HCl 2ml 作用同上腐蚀较缓和 合 C H OH 95ml 2 5 金 NH OH 40ml 12 氢氧化铵双氧水混合溶液 4 适用铸造铜合金组织的显现 H O 10ml 2 2 镁 HNO3 2,10ml 13 硝酸酒精溶液 擦蚀 及 C H OH 100ml 2 5 镁 CH COOH 20ml 3 合 14 醋酸水溶液 HNO3 1ml 显示锆偏析作用与硝酸酒精相反 金 蒸馏水 19ml 低 HNO3 1,5ml 15 硝酸酒精溶液 显示低熔点合金一般组织 熔 C H OH 100ml 2 5 点 FeCl3 5g 合 16 氯化高铁盐酸酒精溶液 HCl 2ml 一般组织显示但作用较强烈 金 C H OH 95ml 2 5 29 附录? 参考文献 1戚正风 热处理原理 机械工业出版社 1986 2 刘永铨 钢的热处理 机械工业出版社 19868 3王笑天 金属材料学 机械工业出版社 19866 4 崔昆 钢铁材料及有色金属材料 机械工业出版社 19804 5胡志忠 钢及其热处理曲线手册 国防工业出版 社 19866 6杜树昌 热处理实验 机械工业出版社 19945 7张士林等 简明铝合金手册 上海科技出版社 20012 8实验室收藏的各类金相组织图谱等校图书馆资料网上资源 30