工程材料综合实验(基础实验+钢的热处理)实验报告

工程材料综合实验

处 理 报 告

单位：过程装备与控制工程10-1班 实验者: 侯鹏飞 学号10042107

胡兴文 学号10042108 李东升 学号10042110

【实验名称】

工程材料综合实验

【实验目的】

运用所学的理论知识和实验技能以及现有的实验设备，通过自己设计实验方案、独立实验并得出实验结果，达到进一步深化课堂内容，加强对《工程材料》课程理论的系统认识，并提高分析问题和解决问题的能力。

通过做这个实验，使学生们可以充分了解以下知识，并学会操作一些必要的仪器和设备：

1、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。

【实验材料及设备】

1、显微镜、预磨机、抛光机、热处理炉、硬度计、砂轮机等； 2、金相砂纸、水砂纸、抛光布、研磨膏等；

3、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）

【实验内容】

三个形状尺寸基本相同的试样分别是低碳钢、中碳钢和高碳钢，均为退火状态，不慎混在一起，请用硬度法和金相法区分开。 1、设计实验方案：三种碳钢的热处理工艺（加热温度、保温时间、冷却方式）。做实验前完成。

2、选定硬度测试参数，一般用洛氏硬度。

3、热处理前后的金相组织观察、硬度的测定。 4

、分析碳钢成分—组织—性能之间的关系。

【实验步骤】

1、观察平衡组织并测硬度：

（1）制备金相试样（包括磨制、抛光和腐蚀）； （2）观察并拍摄显微组织； （3）测试硬度。 2、进行热处理。

3、观察热处理后的组织并测硬度：

（1）制备金相试样（包括磨制、抛光和腐蚀）； （2）观察并拍摄显微组织。

【实验处理】

1、三种材料在退火状态下显微组织和性能（硬度）的异同；

2、三种材料在退火状态下显微组织和性能（硬度）的异同；

3、总结出碳钢成分—组织—性能—应用之间的关系；

4、采集出所观察显微组织示照片，并注明材料名称、含碳量、浸蚀剂和放大倍数，并将组成物名称以箭头引出标明；

图1 工业纯铁﹛ω（C）≤0.0218% (×400)﹜ 图2 工业纯铁﹛ω（C）≤0.0218% (×400)﹜

图3 亚共析钢﹛0.0218%≤ω（C）≤0.77%(×400)﹜ 图4 20#钢﹛ω（C）=0.2%，正火处理（加热至900后空冷）（×400）﹜

图5共析钢﹛调质处理 ω（C）=0.8% （×400）﹜图6 过共析钢﹛0.8%≤ω（C）≤2.06%（×400﹜

图7亚共晶白口铸铁﹛2.06%≤ω（C）≤4.3%（×400）﹜ 图8 共晶白口铸铁﹛ω（C）=4.3% （×400）}

图9过共析钢﹛4.3％ω（C）≤ 6．69％（×400）﹜

5、每个学生做一种热处理试样（ 20＃钢、 45＃钢、 T10

钢），三人为一小组，实验数据共享。完成实验后，要对实验结果进行认真分析，进行讨论，最后写出详细的实验报告 从以下几点进行分析讨论：

（1）三种材料在退火状态下显微组织和性能（硬度）的异同； （2）每种材料在热处理前后显微组织和性能（硬度）的异同； （3）总结出碳钢成分—组织—性能—应用之间的关系。

20#钢 实验者：侯鹏飞

碳质量分数为0.20%（万分之二十）的优质碳素结构钢。含碳量为0.20%（万分之二十）为亚共析钢，加热到860℃后，达到Ac3线以上，铁素体转化为奥氏体，再经过空冷后，20#钢的过冷A在高温是将有一部分转化为铁素体。而且此过程属于过冷A的高温转变，有索氏体产生。

在热处理前后显微组织是铁素体和珠光体。硬度较高。20#钢冷冲压性与焊接性能良好，可用作冲压件及焊接件，经过热处理(如渗碳)也可以制造轴，销等零件。

热处理方式：加热至880℃，保温30分钟左右后，正火处理。得到的显微组织：P（珠光体）+F（铁素体）。其中图中层片状的是P（S）珠光体；白色块状的是F（铁素体）。正火后，组织细化晶粒，使组织均匀化，提高了钢的强度，硬度与韧性。正火提高其硬度，改善其切削加工性能。

其中珠光体按层间距珠光体组织习惯上分为珠光体P，索氏体S、

屈氏体T。他们的大致形成温度及性能见表1。

实验分析与讨论：由上图可知，P（珠光体，为黑色块状）较明

显的可以看出；而F（铁素体，为白色块状）显得有点黑，呈灰色。产生该现象的原因可能是由于抛光后的过度腐蚀或使用稀硝酸腐蚀不均匀导致，晶面受损，致使不能观察到易损的珠光体组织，并且亮度有点暗，不十分清晰；手工磨制不够精细，还有可能是由于加热温度不够所致。

正火作为一种常化处理，一般应用于以下方面：

1.作为最终热处理得到对于机械性能要求不是很高的普通钢构件。可以细化晶粒，使组织均匀化，从而提高钢的强度，硬度和韧性。 2.最为预先热处理获得细小均匀的组织，为后面的其它处理做准备。 3.改善切削加工性能，提高低碳钢的硬度，便于进行切削加。

45#钢 实验者:李东升

含碳量为0.45%的优质碳素结构用钢，冷热加工性能好，硬度为35HRC，易于切削加工，但是45#钢淬透性较差，具有良好的加工工艺性能。45#钢经过热处理以后，可以获得良好的综合机械性能，用来制造齿轮、轴类、套筒等零件。

45#钢的热处理：

理论分析：将亚共析钢淬火加热880℃到Ac3线以上,F（铁素体）

和P（珠光体）全部转变为A(过冷奥氏体)，然后进行600℃高温回火，在高温转变区过冷奥氏体现有一部分转变为铁素体，剩余的过冷奥氏体再转变为珠光体型组织，最后全部转变为回火索氏体（S）。

实际处理：45号钢的淬火温度大约为880℃ ，偏高的淬火温度可以使工件加热速度加快，表面氧化减少。为使工件的奥氏体均匀化，需要600℃保温25min消除淬火应力。

灰黑色区为细片状及粗片状珠光体(P)，沿晶界析出白色条状铁素体(F)

试验分析： ㈠结果分析

从图中可以明显的看到黑白相间分布的P和F，经过淬火处理

的45#组织细致均匀，使用性能大大改善，硬度，塑韧性明显提高。 ㈡图象分析

45钢淬火后硬度不足，主要原因有两方面：① 45钢加热温度偏低，或保温时间不足。 在此状态下，组织中奥氏体的碳和合金元素含量不够，甚至组织中还残存着未转变的珠光体或未溶铁素体，导致45号钢淬火后硬度达不到;② 45号钢加热温度过高，或保温时间过长，造成45号钢表面脱碳，导致硬度变低。

45#钢金相图制备的表面不够光滑，导致了在金相显微镜下观察不太清晰,试验时要严格控制淬火和保温时间，这对45#钢的硬度起决定性作用，金相的制作比较繁琐，每个过程都要充分的研磨，最后还要用酸腐蚀表面，表面越光滑，腐蚀的越慢，要控制好腐蚀的时间，大约为12s，如果抛光后的表面不够光滑，或者腐蚀时间控制的不够好，会导致腐蚀不均匀导致，晶面受损，观察不到珠光体组织，因此，要合理把握好每个过程，每个环节控制不好都会对结果造成一定的影响。

T10钢 实验者 :胡兴文

碳质量分数为1.00%（千分之十）的优质碳素工具钢，硬度高，韧性适中。热处理后为回火马氏体和残余奥氏体。

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58.0HRC 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

正火作为一种常化处理，一般应用于以下方面：

1、作为最终热处理得到对于机械性能要求不是很高的普通钢 构件。可以细化晶粒，使组织均匀化，从而提高钢的强度，硬度和韧性。

2、最为预先热处理获得细小均匀的组织，为后面的其它处理 做准备。

3、改善切削加工性能，提高低碳钢的硬度，便于进行切削加 工。

试验分析：

㈠结果分析

T10钢经过淬火＋低温回火处理之后，从图中可以看到经侵蚀

后的珠光体呈暗黑色，而二次渗碳体则呈现白色网状。

㈡图象分析

整体图像较暗，图中划痕较多。产生此现象的原因可能是由于在侵蚀过程中用小木夹碰到了处理表面所造成的；抛光后的过度腐蚀或使用稀硝酸腐蚀不均匀导致；还有其他人为因素。

【实验分析】

1.三种材料在退火状态下显微组织和性能（硬度）的异同；

2.每种材料在热处理前后显微组织和性能（硬度）的异同； 每种材料在热处理前后显微组织和性能（硬度）如下表所示：

由上表可以看出，20号钢在正火后的组织基本没有变化，但是 在正火后得到的是更细化的晶粒，从而提高了钢的强度硬度和韧性。

45号钢在经过淬火和高温回火调质，其显微组织由以前的（P+F），变成了回火索氏体，其综合机械性能最好，即强度、塑性和韧性都比较好。

T10钢在经过淬火和低温回火组织由以前的珠光体和二次渗碳体，变为回火马氏体、残余奥氏体和二次渗碳体。低温回火后，淬火

应力降低，工件韧性提高，淬火后的硬度和耐磨性高。

3.总结出碳钢成分—组织—性能—应用之间的关系。 碳钢成分—组织—性能—应用之间的关系如下表所示：

20号钢（含碳量0.17%—0.23%）是亚共析钢，在完全退火状态下得到的组织是F+P。

45号钢（含碳量0.42%—0.50%）也是亚共析钢，在同样的状态下得到的组织是和20号的一样（F+P），碳量的增加，钢的性能也在提升，所以45号钢的性能（硬度）高于20号钢。

T10钢（含碳量0.42%—0.50%）是过共析钢。退火后组织为珠光体和二次渗碳体，其性能（硬度）较退火前有所降低，但是其塑性和韧性均有提高。它的性能（硬度）还是高于亚共析钢（20、45）的。

对以上内容进行分析总结可知: 随着碳钢含碳量的增加，其组织的变化过程为 ：铁素体+珠光体（亚共析钢）→珠光体十二次渗碳体（过共析钢）。硬度增大，塑性降低。对于强度，亚共析钢的强度随含碳量的增大而增大，过共析钢的强度随含碳量的增大而减小。低碳钢可用来制造桥梁，机械，建筑物的构件。 高碳钢可用来制造量具，

刀具等。

【实验总结】

通过本次实验，我们熟悉了金相与热处理实验室的基本情况，掌握了金相与热处理设备的实用，学会了在显微镜下观察和分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织，同时也了解了铁碳合金中的相与组织组成物的本质、形态及分布特征。

本次实验极大地锻炼了我们的动手能力。本次实验问题最大的地方就是在抛光的时候技术不够娴熟，我们组的成员在抛光过程中都出现了这样那样的问题。但是我们并没有因此而放弃。试样做好后拿到显微镜下观察，发现效果不够好，于是我们的组员又不怕麻烦进行返工，这就是对知识严谨的态度和执着的追求。我想这样的精神必将伴随我们一生。