工程材料试验

工程材料综合实验过程装备与控制工程实验者：一实验目的1、区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、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）三实验内容三个尺寸形状基本相同的试样分别是低碳钢、中碳钢、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。

四实验步骤：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）观察并绘制显微组织；（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：i.制备金相试样（包括磨制、抛光和腐蚀）；ii.观察并绘制显微组织。

五实验报告一、T10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。

100倍回火马氏体残余奥氏体400倍1、10号钢概述：T10是最常见的一种碳素工具钢，韧度适中，生产成本低，经热处理后硬度能达到60HRC以上，但是，此钢淬透性低，且耐热性差（250℃），在淬火加热时不易过热，仍保持细晶粒。

韧性尚可，强度及耐磨性均较T7-T9高些，但热硬性低，淬透性仍然不高，且淬火变形大，晶粒细,在淬火加热时不易过热,仍能保持细晶粒组织;淬火后钢中有未溶的过剩碳化物,所以耐磨性高,用于制造具有锋利刀口和有少许韧性的工具。

适于制造切削条件较差、耐磨性要求较高且不受突然和剧烈冲击振动而需要一定的韧性及具有锋利刃口的各种工具，也可用作不受较大冲击的耐磨零件。

2、热处理工艺：（淬火）先将事先准备的T10钢坯放进1100℃的高温中加热，20分钟后取出进行低温回火，在经过打磨、抛光、用硝酸酒精腐蚀，最终做成能够在显微镜下能够成像式样。

3、组织性能：T10是最常见的一种碳素工具钢，韧度适中，生产成本低，经热处理后硬度能达到60HRC以上，但是，此钢淬透性低，且耐热性差（250℃），在淬火加热时不易过热，仍保持细晶粒。

韧性尚可，强度及耐磨性均较T7-T9高些，但热硬性低，淬透性仍然不高，且淬火变形大，晶粒细,在淬火加热时不易过热,仍能保持细晶粒组织;淬火后钢中有未溶的过剩碳化物,所以耐磨性高,用于制造具有锋利刀口和有少许韧性的工具。

适于制造切削条件较差、耐磨性要求较高且不受突然和剧烈冲击振动而需要一定的韧性及具有锋利刃口的各种工具，也可用作不受较大冲击的耐磨零件。

4，实验图像与分析：在光学显微镜下，针状马氏体呈竹叶状或凸透镜状，在空间形同铁饼，一般在碳质量分数大于1.0%时，则形成的大多数为针状马氏体和部分残余奥氏体。

二、20#钢实验处理：100倍珠光体铁素体400倍1、20#钢概述：20#钢：碳质量分数为0.20%的优质碳素结构钢。

含碳量为0.20%为亚共析钢，加热到880℃后，达到Ac3线以上，铁素体转化为奥氏体，再经过空冷后，20#钢的组织组成物为P（珠光体）+F（铁素体）。

2、热处理工艺：加热至880℃，保温20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。

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。

过冷奥氏体高温转变产物的形成温度及性能增大HRB72。

4、组织性能：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。

适用于制造汽车、拖拉机及一般机械制造业中建造不太重要的中小型渗碳碳氮共渗等零件，如汽车上的手刹蹄片、杠杆轴、变速箱速叉、传动被动齿轮及拖拉机上凸轮轴、悬挂均衡器轴、均衡器内外衬套等；在热轧或正火状态下用于制造受力不大，而要求韧性高的各种机械零件；在重、中型机械制造业中，如锻制或压制的拉杆、钩环、杠杆、套筒、夹具等。

在汽轮机和锅炉制造业中多用于压力≤6N/平方，温度≤450℃的非腐化介质中工作的管子、法兰、联箱及各种紧固件；在铁路、机车车辆上用于制造十字头、活塞等铸件。

5、实验现象分析从上面图片可以看出，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）颜色有点暗，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。

实验者:李建钢100倍400倍45# 100倍45#400倍2.45号钢概述常用中碳调质结构钢。

该钢冷塑性一般，退火、正火比调质时要稍好，具有较高的强度和较好的切削加工性，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性，材料来源方便。

热处理前，组织组成为珠光体和铁素体，硬度大于HRC5.5热处理后转变为回火索氏体硬度增大3.机械性能由于回火索氏体具有良好的韧性和塑性，同时具有较高的强度的特点，因此具有良好的综合力学性能。

因此45号钢广泛用于机械制造，这种钢的机械性能很好。

但是这是一种中碳钢，淬火性能并不好，45号钢可以淬硬至HRC42~46。

所以如果需要表面硬度，又希望发挥45#钢优越的机械性能，常将45#钢表面淬火（高频淬火或者直接淬火），这样就能得到需要的表面硬度。

4.总结45号钢调质件淬火后的硬度应该达到HRC56~59，截面大的可能性低些，但不能低于HRC48，不然，就说明工件未得到完全淬火，组织中可能出现索氏体甚至铁素体组织，这种组织通过回火，仍然保留在基体中，达不到调质的目的。

45号钢淬火后的高温回火，加热温度通常为560~600℃，硬度要求为HRC22~34。

因为调质的目的是得到综合机械性能，所以硬度范围比较宽。

但图纸有硬度要求的，就要按图纸要求调整回火温度，以保证硬度。

如有些轴类零件要求强度高，硬度要求就高；而有些齿轮、带键槽的轴类零件，因调质后还要进行铣、插加工，硬度要求就低些。

关于回火保温时间，视硬度要求和工件大小而定，我们认为，回火后的硬度取决于回火温度，与回火时间关系不大，但必须回透，一般工件回火保温时间总在一小时以上。

回火索氏体与铁素体区分不明显，可能原因是热处理时没有达到45号钢的淬透要求。

实验者：朱佛代六、实验分析1.每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；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珠光体和铁素体（P+F），变成了回火索氏体S，其综合机械性能最好，即强度、塑性和韧性都比较好。

T10钢在经过淬火处理后组织由以前的珠光体和二次渗碳体，变为马氏体、残余奥氏体。

T10碳素工具钢,强度及耐磨性均较高,但热硬性低,淬透性不高且淬火变形大，晶粒细,在淬火加热时不易过热,仍能保持细晶粒组织;耐磨性高,用于制造具有锋利刀口和有少许韧性的工具。

适于制造切削条件较差、耐磨性要求较高且不受突然和剧烈冲击振动而需要一定的韧性及具有锋利刃口的各种工具，也可用作不受较大冲击的耐磨零件。

3.碳钢成分—组织—性能—应用之间的关系。

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。

淬火后组织为马氏体和残余奥氏体，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。

七、实验总结通过做这次工程材料实验，让我们学会了很多实用的知识和一些实用的技能，做实验的过程中，思考问题的方法与以前做的大物实验类似，实验都是通用的，例如金相显微镜的使用和处理数据与整理实验报告方面，让我们受益匪浅。

这次实验与以前做的实验有不同的地方，是需要我们自己动手去完成。

所以这次实验的经历也是宝贵，特殊的。

在这里我深深体会到工程材料理论对实践指导的作用，在动手之前，我们必须要弄懂实验原理，例如金相显微镜的使用方法并知道各材料的组织成分，含碳量，硬度以及实验现象，这样才能保证不会分析错误，并体会到了实验操作能力是靠自己亲自动手，亲自开动脑筋，亲自去请教别人才能得到提高的。