实验三 碳钢的热处理及组织、性能分析
一：实验目的
(1)观察和研究碳钢经不同形式热处理后显微组织的特点。 (2)了解热处理工艺对碳钢硬度的影响。
二：实验说明
碳钢经热处理后的组织可以是接近平衡状态(如退火、正火)的组织，也可以是不平衡组织(如淬火组织)。因此在研究热处理后的组织时，不但要用铁碳相图，还要用钢的C曲线来分析。图1为共析碳钢的C曲线，图2为45钢连续冷却的CCT曲线。
图1 共析碳钢的c曲线 图2 45钢的CCT曲线
曲线能说明在不同冷却条件下过冷奥氏体在不同温度范围内发生不同类型的转变过程及能得到哪些组织。 1．碳钢的退火和正火组织
亚共析碳钢(如40、45钢等)一般采用完全退火，经退火后可得接近于平衡状态的组织，其组织形态特征已在实验l中加以分析和观察(图3)过共析碳素工具钢(如T10、T12钢等)则采用球化退火，T12钢经球化退火后，组织中的二次渗碳体和珠光体中的渗碳体都呈球状(或粒状)，图中均匀分散的细小粒状组织就是粒状渗碳体。
2．钢的淬火组织
含碳质量分数相当于亚共析成分的奥氏体淬火后得到马氏体。马氏体组织为板条状或针状，20钢经淬火后将得到板条状马氏体。在光学显微镜下，其形态呈现为一束束相互平行的细条状马氏体群。在一个奥氏体晶粒内可有几束不同取向的马氏体群，每束条与条之间以小角度晶界分开，束与束之间具有较大的位向差，如图4所示。
图3 T12 钢球化退火组织 图4 低碳马氏体组织
45钢经正常淬火后将得到细针状马氏体和板条状马氏体的混合组织，如图5所示。由于马氏体针非常细小，故在显微镜下不易分清。
45钢加热至860℃后油淬，得到的组织将是马氏体和部分托氏体(或混有少量的上贝氏体)，如图6所示。碳质量分数相当于共析成分的奥氏体等温淬火后得到贝氏体，如T8钢在550~350℃及350℃~ Ms温度范围内等温淬火，过冷奥氏体将分别转变为上贝氏体和下贝氏体。上贝氏体是由成束平行排列的条状铁素体和条间断续分布的渗碳体所组成的片层状组织，当转变量不多时，在光学显微镜下可看到成束的铁素体在奥氏体晶界内伸展，具有羽毛状特性，如图7所示。
图5 45钢正常淬火组织 图6 45钢油淬组织 图7 上贝氏体组织特征
下贝氏体是在片状铁素体内部沉淀有碳化物的组织。由于易受浸蚀，所以在显微镜下呈黑色针状特征，如图8所示。
在观察上、下贝氏体组织时，应注意为显示贝氏体组织形态，试样的处理条件一般是在等温度下保持不长的时间后即在水中冷却因此只形成部分贝氏体，显微组织中呈白亮色的基体部分为淬火马氏体组织。
含碳质量分数相当于过共析成分的奥氏体淬火后除得到针状马氏体外，还有较多的残余奥氏体。T12碳钢在正常温度淬火后将得到细小针状马氏体加部分未溶人奥氏体中的球形渗碳体和少量残余奥氏体，如图4．9所示。但是当把此钢加热到较高温度淬火时，显微镜组织中出现粗大针状马氏体，并在马氏体针之间看到亮白色的残余奥氏体，如图10所示。
图8 下贝氏体组织特征 图9 T12钢正常淬火组织 图10 T12钢1000℃油淬组织 碳钢回火后的组织
淬火钢经不同温度回火后所得到的组织不同，通常按组织特征分为一下三种。
(1)回火马氏体。淬火钢经低温回火(150~250℃),马氏体内脱溶沉淀析出高度弥散的碳化物质点，这种组织成为回火马氏体。回火马氏体仍保持针状特征，但容易浸蚀，故颜色比淬火马氏体深些，是暗黑色的针状组织，如图11所示。回火马氏体具有高的强度和硬度，而韧性和塑性叫淬火马氏体有明显改善。 (2)回火托氏体。淬火钢经中温回火(350~500℃) 得到在铁素体基体中弥散分布着微小状渗碳体的组织，称为回火托氏体。回火托氏体中的铁素体仍然基本保持原来针状马氏体的形态，渗碳体则呈细小的颗粒状，在光学显微镜下不易分辨清楚，故呈暗黑色，如图12所示。回火托氏体有较好的强度、硬度、韧性和很好的弹性。
(3)回火索氏体。淬火钢高温回火(500~650℃)得到的组织称为回火索氏体，其特征是已经聚集长大了的渗碳体颗粒均匀分布在铁素体基体上。回火索氏体中的铁素体已不呈针状形态而呈等轴状，如图13所示。回火索氏体具有强度、韧性和塑性较好的综合机械性能。
图11 回火马氏体组织 图12 回火托氏体组织 图13 回火索氏体组织
三：实验内容 典型牌号碳钢经不同热处理后的状态如表1所示
试样号码 1 2 3 4 钢号 45 45 45 45 热处理条件 860℃炉冷(退火) 860℃空冷(正火) 860℃加热、油淬 860℃加热、油淬 浸蚀剂 放大倍数 3％硝酸酒精溶液 200~450 3％硝酸酒精溶液 200~450 3％硝酸酒精溶液 450~600 3％硝酸酒精溶液 450~600 5 6 7 8 9 10 11 12 13 45 45 45 20 T8 T8 T12 T12 T12 860℃水淬、200℃回火 3％硝酸酒精溶液 450~600 860℃水淬、400℃回火 3％硝酸酒精溶液 450~600 860℃水淬、600℃回火 3％硝酸酒精溶液 450~600 1000℃加热、水淬 3％硝酸酒精溶液 450~600 440℃等温lls、水冷 3％硝酸酒精溶液 450~600 290℃等温3min、水冷 3％硝酸酒精溶液 450~600 l000℃加热、水淬 780℃加热、水淬 球化退火 3％硝酸酒精溶液 450~600 3％硝酸酒精溶液 450~600 3％硝酸酒精溶液 450~600 四：实验方法指导 (1)领取一套金相试样，在金相显微镜下观察。观察时要根据Fe—Fe3C相图和钢的C曲线来分析确定不同热处理条下各种组织的形成原因。
2)对于经过不同热处理后的组织，要采用对比的方式进行分析研究，例如，退火与正火、水淬与油淬、淬火马氏体与回火马氏体等。
(3)画出所观察到的、指定的几种典型显微组织形态特征，并注明组织名称、热处理条件及放大倍数等。
(4)在了解洛氏硬度计的构造及操作方法之后，测定45钢经不同热处理后的硬度，并记录所测得的硬度数据。
五：实验报告要求 (1)写出实验目的。
(2)运用铁碳相图及相应钢种的C曲线，根据具体的热处理条件分析所得组织及特征，并画出所观察试样的显微组织示意图。
(3)列出全部硬度测定数据，分析冷却方法及回火温度对碳钢性能(硬度)的影响，画出回火温度同硬度的关系曲线，并阐明硬度变化的原因。
六：思考题 (1)45钢淬火后硬度不足，如何用金相分析来判定是淬火加热温度不足还是令却速度不够？
(2)45钢调质处理得道的组织和T12球化退火得到的组织在本质、形态、性能和用途上有何差异？
(3)指出下列工件的淬火及回火温度，并说明回火后多获得的组织。 ①45钢的小轴 ②60钢的弹簧 ③T12钢的锉刀
实验四金相显微样品的制备及金相显微镜的使用
一,实验目的
1. 掌握金相样品的制备过程和基本方法;
2. 了解金相显微镜的基本原理,构造,掌握显微镜的正确使用. 二,实验原理
利用金相显微镜观察金相试样的组织或缺陷的方法称为金相显微分析.它是研究金属材料微观结构最基本的一种实验技术,在金属材料研究领域中占有很重要的地位.
在现代金相显微分析中,使用的主要仪器有光学显微镜和电子显微镜.这里仅对常用的光学金相显微镜作一般介绍.
显微镜的基本原理,构造及使用 1. 显微镜的基本原理
最简单的显微镜可以仅由两个透镜组成.图1-1为相显微镜成像的光学原理示意图.图中AB为被观察的物体,对着被观察物体的透镜O1叫物镜;对着人眼的透镜O2叫目镜.物镜使物体AB形成放大的倒立实像A''B'',目镜再将A''B''放大成仍然倒立的虚像A\其位置正好在人眼的明视距离约250mm处.在显微镜中所观察的就是这个虚像A\
1 显微镜的放大倍数 放大倍数由下式确定:
式中:M—显微镜总放大倍数; M物—物镜的放大倍数; M目—目镜的放大倍数; f物—物镜的焦距; f目—目镜的焦距;
L—显微镜的光学镜筒长度; D—明视距离250mm.
由上式可知:f物 ,f目越短或L越长,则显微镜的放大倍数越大. 2 物镜的鉴别率
物镜的鉴别率是指物镜能清晰分辨试样两点间最小距离的能力.物镜鉴别率的数学公式为:
式中:d—物镜的鉴别率; λ—入射光源的波长;
A—物镜的数值孔径,它表示物镜的聚光能力.
由公式可知,波长λ越短,数值孔径A越大,则鉴别能力就越高d越小,在显微镜中就能看到更细微的部分.数值孔径A可由下列公式求出:
式中:η—物镜与物体之间介质的折射率;
φ—物镜孔径角的一半,即通过物镜边缘的光线与物镜轴线所成的角度. η越大或物镜孔径角越大,则数值孔径越大,由于φ总是小于90,所以在空气介质η=1中使用时,数值孔径A一定小于1,这类物镜称干系物镜.当物镜上面滴有松柏油介质η=1.52时,A值最高可达1.4,这就是显微镜在高倍观察时用的油浸系物镜,每个物镜都有一个设计额定的A值,刻在物镜体上.
3 显微镜的有效放大倍数