《工程材料及热处理》
实验指导书
机械与能源工程系
实验6 铁碳合金平衡状态的显微组织分析
一、实验目的
1、认识铁碳合金平衡组织的特征，初步识别各种铁碳合金在平衡状态下的显微组织。
2、分析和认识碳钢的含碳量与其平衡组织的关系。
3、进一步认识对平衡状态下碳钢的成分、组织、性能间的关系。
二、实验原理
碳钢和铸铁是工业上最重要、最基本、应用最广的金属材料，通常把钢和铸铁统称为铁碳合金，他们的性能与组织有着密切的关系，因此熟悉并掌握它们的组织，对于合理使用钢铁材料具有十分重要的实际指导意义，也是对钢铁材料使用者最基本的要求。
1、碳钢和白口铸铁的平衡组织
平衡组织一般是指合金在极为缓慢冷却的条件下（如退火状态）所得到的组织。铁碳合金在平衡状态下的显微组织可以根据Fe-Fe3C相图来分析。由相图可知，所有碳钢和白口铸铁在室温时的显微组织均由铁素体（F）和渗碳体（Fe3C）组成。但是，由于碳质量分数的不同、结晶条件的差别，铁素体和渗碳体的相对数量、形态、分布的混合情况均不一样，因而呈现各种不同特征的组织组成物。
2、各种相组分或组织组分的特征
碳钢和白口铸铁的金相试样经浸蚀后，其平衡组织中各种相组分或组织组分的形态特征和性能如下所述。
铁素体：铁素体是碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体。经3%～5%的硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下为白亮色多边形晶粒。在亚共析钢中，铁素体呈块状分布；当含碳量接近于共析成分时，铁素体则呈断续的网状分布于珠光体周围。铁素体具有良好的塑性及磁性，硬度较低，一般为80HBS～120HBS。
渗碳体：抗浸蚀能力较强，经3%～5%酒精溶液浸蚀后，在显微镜下观察同样呈白亮色。一次渗碳体呈长白条状分布在莱氏体之间；二次渗碳体呈网状分布于珠光体的边界上；三次渗碳体分布在铁素体晶界处；珠光体中的渗碳体一般呈片状。另外，经不同的热处理后，渗碳体可以呈片状、粒状或断续网状。渗碳体的硬度很高，可达800HV以上，但其强度、塑性都很差，是一种硬而脆的相。
珠光体：是由铁素体片和渗碳体片相互交替排列形成的层片状组织。经3%～5%酒精溶液浸蚀后，在显微镜下观察其组织中的铁素体和渗碳体都呈白亮色，而铁素体和渗碳体的相界被浸蚀后呈黑色线条。实际上，珠光体在不同放大倍数的显微镜下观察时，具有不大一样的特征。在高倍(600×以上)下观察时，珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体都呈亮白色，而其边界呈黑色；在中倍(400×左右)下观察时，白亮色的渗碳体被黑色边界所“吞食”，而成为细黑条，这时看到珠光体是宽白条铁素体和细黑条渗碳体的相间混合物；在低倍(200×以下)下观察时，连
宽白条的铁素体和细黑条的渗碳体也很难分辨，这时珠光体为黑色块状组织。由此可见，在其他条件相同情况下，当放大倍数不同时，同一组织所呈现的特征会不一样，所以在显微镜下鉴别金相组织首先要注意放大倍数。珠光体硬度为190～230HBS，且随层间距的变小硬度升高。强度较好，塑性和韧性一般。
莱氏体：在室温下是珠光体和渗碳体的机械混合物。渗碳体中包括共晶渗碳体和二次渗碳体，两种渗碳体相联在一起，没有边界线，无法分辨开来。经3%～5%酒精溶液侵蚀后，其组织特征是在白亮色渗碳体基体上分布着许多黑色点〔块〕状或条状珠光体。莱氏体硬度为700HV，性脆。它一般存在于含碳量大于2.11%的白口铸铁中，在某些高碳合金钢的铸造组织中也常出现。
三、实验仪器和用具
1、光学金相显微镜
2、各种铁碳合金的平衡组织标准金相试样
四、实验方法与步骤
1、在显微镜下仔细观察辨认下表中所列试样组织，研究每个样品的组织特征，并结合铁碳相图分析其组织形成过程。
表5-1 钢铁平衡组织试样
组成物。注意要点是，绘图时要抓住各种组织组成物形态的特征，用示意的方法去画。绘制组织示意图一律用铅笔，绘制组织图必须在实验室完成。
3、实验结束后将显微镜照明灯关闭，交回试样，清整实验场
地。
五、实验分析及结论
1、实验目的。
2、实验容。
3、画出所观察组织示意图，示意图按统一规格画，并标明各
组织。
材料名称
图5-1金相显微组织记录格式金相组织
处理方法
放大倍数
浸蚀剂
4、根据所观察的组织，说明碳含量对铁碳合金的组织和性能影响的大致规律。
六、注意事项
1、在观察显微组织时，可先用低倍全面地进行观察，找出典型组织，然后再用高倍放大，对部分区域进行详细观察。
2、在移动金相试样时，不得用手指触摸试样表面或将试样表面在载物台上滑动，以免引起显微组织模糊不清，影响观察效果。
3、画组织示意图时，应抓住组织形态的特点，画出典型区域的组织。注意不要将磨痕或杂质画在图上。
七、思考题
1、渗碳体有哪几种？它们的形态有什么差别？
2、珠光体组织在低倍观察和高倍观察时有何不同？
3、怎样区别铁素体和渗碳体组织？
实验7 金属材料的硬度试验
一、实验目的
1、了解布氏、洛氏和维氏硬度试验机的使用方法和试验原理。
2、初步掌握布氏、洛氏硬度的测定方法和应用围。 二、实验原理
硬度是指金属材料抵抗比它硬的物体压入其表面的能力。硬度越高，表明金属抵抗塑性变形的能力越大。它是重要的力学性能指标之一，它与强度、塑性指标之间有着在的联系。硬度试验简单易行，又不会损坏零件，因此在生产和科研中应用广泛。
常用的硬度试验方法有：
布氏硬度试验——主要用于黑色、有色金属原材料检验，也可用于退火、正火钢铁零件的硬度测定。所用设备为布氏硬度计。
洛氏硬度试验——主要用于金属材料热处理后的产品性能检测。所用设备为洛氏硬度计。 维氏硬度试验——主要用于薄板材或金属表层的硬度测定，以及较精确的硬度测定。所用设备为维氏硬度计。
显微硬度试验——主要用于测定金属材料的组织组成物或相的硬度。所用设备为显微硬度计。
1、布氏硬度试验原理
布氏硬度试验是将一直径为D 的淬火钢球或硬质合金球，在规定的试验力P 作用下压入被测金属表面，保持一定时间t 后卸除试验力，并测量出试样表面的压痕直径d ，根据所选择的试验力P 、球体直径D 及所测得的压痕直径d 的数值，求出被测金属的布氏硬度值HBS 或HBW ，布氏硬度的测试原理如图6-1所示。布氏硬度值的大小就是压痕单位面积上所承受的压力。单位为kg/mm 2
或N/mm 2
，但一般不标出。硬度值越高，表示材料越硬。在实验测量时，可由测出的压痕直径d 直接查压痕直径与布氏硬度对照表而得到所测的布氏硬度值。
设压痕深度为h 则压痕球面积为
2(22d D D D Dh F --==ππ）
试样硬度值为：
)(222d D D D P F P HB --==π
式中 P ——施加的载荷，kg 或N ；
D ——压头（钢球）直径，mm ； d ——压痕直径，mm ；
F ——压痕面积，mm 2。
布氏硬度试验方法和技术条件有相应的国家标准。表6-1为布氏硬度的试验规。实际测定时，
图6-1 布氏硬度计试验原理示意图
应根据金属材料种类、试样硬度围和厚度的不同，按照标准试验规，选择钢球直径、载荷及载荷保持时间。
表6-1 布氏硬度试验规
3 2.5
15.
6
2、洛氏硬度试验原理
洛氏硬度试验是目前应用最广的试验方法，和布氏硬度
一样，也是一种压入硬度试验，但它不是测定压痕的面积，
而是测量压痕的深度，以深度的大小表示材料的硬度值。
洛氏硬度试验是以锥角为120°的金刚石圆锥体或者直
径为1.588mm的淬火钢球为压头，在规定的初载荷和主载荷
作用下压入被测金属的表面，然后卸除主载荷。在保留初载
荷的情况下，测出由主载荷所引起的残余压入深度h值，再
由h值确定洛氏硬度值HR的大小，其计算公式如下：
HR =（K－h）/0.002
式中h的单位为mm。K为常数，当采用金刚石圆锥压头时，K=100；当采用淬火钢球压头时，K=130。
洛氏硬度试验试验原理如图6-2所示。
为了能用同一硬度计测定从极软到极硬材料的硬度，可以通过采用不同的压头和载荷，组成15种不同的洛氏硬度标尺，其中最常用的有HRA、HRB、HRC三种。其试验规如表6-2所示。
表6-2 洛氏硬度的试验规
标度符号压头类型总载荷
/kg
常用硬度值围应用举例
HRA 120°金刚石圆
锥60 70～85 碳化物、硬质合金、表面硬化
工件等
HRB 直径为1.588
㎜的淬火钢球100 25～100 软钢、退火或正火钢、铜合金
等等
HRC 120°金刚石圆
锥150 20～67
适用淬火钢、调质钢等
3、维氏硬度试验原理
维氏硬度的测定原理基本上和布氏硬度相同，也是
根据压痕单位面积上的载荷计量硬度值。维氏硬度试验
图6-2 洛氏硬度计试验原理示意图
原理图6-3所示。所不同的是维氏硬度试验采用的压头为金刚石的锥面夹角为136°的正四棱锥体压头。试验时，在载荷P（公斤力）的作用下，试样表面上压出一个四方锥形的压痕，测量压痕对角线长度d（毫米），借以计算压痕的表面积F（毫米2）,以P/F的数值表示试样的硬度值，用符号HV表示。
三、实验仪器和用具
1、HBRUV-187.5型布洛维光学硬度计
2、碳钢试样和标准硬度块
四、实验方法与步骤
（一）试验前的准备工作
1、接通电源，根据试验方法，开启开关。
2、测试件的表面应平整光洁，不得带有污物、氧化皮、裂缝、凹坑等显著的加工痕迹。
3、根据试件的形状，选用合适的工作台。
4、将硬度计的加荷手柄按逆时针方向拉向前方，使负荷处于卸荷状态。
（二）试验步骤
1、根据硬度试验方法，选择压头，将压头柄插入测杆轴孔中，轻微拧动固定螺钉。
2、根据硬度试验方法，选择试验负荷，顺时针转动变荷手轮，使所需负荷数字对应于固定刻线。
3、将试件稳妥地放置在工作台上，然后转动旋轮，使升降丝杆上升，当试件与压头接触，投影标尺相应上升，最后使标尺基线接近重合，可相差±5个分度值，停止上升。
4、用微调旋钮调整零位，使标尺基线与投影屏完全重合。
5、将加荷手柄心逆时针方向推向前，在加荷过程中，投影屏上显示出来的标尺刻线由上而下地移动，直至标尺停止下降，开始计算保荷时间。待保荷时间到，再扳动手柄到原位。
6、投影屏上指示标尺刻线于固定标尺线的计数值即是被没试件的洛氏硬度值。下降丝杆，使试件脱离压头。
7、其中布氏、维氏硬度试验以上述步骤完成之后，将上溜板与试件一起移至显微镜下，逐步微量上升丝杆，对准焦距，使压痕成像清晰，测量压痕直径或压痕对角线的长度，然后查附表得到布氏或维氏硬度值。
8、测量显微镜对压痕的计算方法如下：
L=n·l
式中： L——压痕直径或对角线长度（微米）
n——压痕测量所得格数（即第一次计数与第二次读数之差）
l ——测量显微镜鼓轮最小分度值，用2.5X物镜时为0.004毫米
（三）实验容
1、熟悉各种硬度计的构造原理、使用方法及注意事项。
2、在硬度计上测量碳钢试样或标准硬度块的压痕直径的水平长度和垂直长度，再取平均值，然后查附表或计算得到布氏硬度值。并记录试验结果。
3、在硬度计上测定碳钢试样的洛氏硬度，每个试样至少测三个试验点，再取一个平均值，并记录试验结果。
五、实验分析及结论
1、实验目的。
2、实验容及结果。
3、简述布氏、洛氏、维氏硬度计的适用围。
六、注意事项
1、试样的试验表面应尽可能是光滑的平面，不应有氧化皮及外来污物。
2、试样的坯料可采用各种冷热加工方法从原材料或机件上截取，但试样在制备过程应尽量避免各种操作因素引起的试样过热，造成试样表面硬度的改变。
3、试样的厚度至少应为压痕深度的10倍。
七、思考题
1、布氏、洛氏、维氏硬度值能否进行比较？
2、布氏、洛氏、维氏硬度值是否有单位，需要写单位吗？
3、布氏、洛氏、维氏硬度试验方法各有何优缺点？
实验8 碳钢的热处理
一、实验目的
1、了解普通热处理四把火（退火，正火，淬火，回火）的方法。
2、分析碳钢在热处理时，加热温度、冷却速度及回火温度对其组织与硬度的影响。
3、了解碳钢含碳量对淬火后硬度的影响。 二、实验原理
热处理是一种很重要的热加工工艺方法，也是充分发挥金属材料性能潜力的重要手段。热处理的主要目的是改变钢的性能，其中包括使用性能及工艺性能。钢的热处理工艺特点是将钢加热到一定的温度，经一定时间的保温，然后以某种速度冷却下来，通过这样的工艺过程能使钢的性能发生改变。
1、加热温度选择 （1）退火加热温度
钢的退火通常是把钢加热到临界温度1c A 或3c A 以上，保温一段时间，然后缓缓地随炉冷却。此时，奥氏体在高温区发生分解而得到比较接受平衡状态的组织。一般亚共析钢加热至A C3＋(30～50)℃（完全退火）；共析钢和过共析钢加热至A C1＋(20～30)℃（球化退火），目的是得到球化体组织，降低硬度，改善高碳钢的切削性能，同时为最终热处理做好组织准备。
（2）正火加热温度
正火则是将钢加热到3c A 或cm A 以上30~50℃，保温后进行空冷。由于冷却速度稍快，与退
热至A C3＋(50～70)℃；过共析钢加热至A Cm ＋(50～70)℃，即加热到奥氏体单相区。退火和正火
图7-1 退火和正火的加热温度范围 图7-2 淬火的加热温度范围
加热温度围选择见图7-1。
（3）淬火加热温度
淬火就是将钢加热到3c A （亚共析钢）或1c A （过共析钢）以上30~50℃，保温后放入各种不同的冷却介质中快速冷却（V 应大于V K ），以获得马氏体组织。碳钢经淬火后的组织由马氏体及一定数量的残余奥氏体所组成。加热温度围选择见图7-2。
在适宜的加热温度下，淬火后得到的马氏体呈细小的针状；若加热温度过高，其形成粗针状马氏体，使材料变脆甚至可能在钢中出现裂纹。
（4）回火加热温度
钢淬火后都需要进行回火处理，回火温度取决于最终所要求的组织和性能（工厂常根据硬度的要求），通常按加热温度的高低，回火可分为以下三类。
低温回火：加热温度为150℃～250℃。其目的主要是降低淬火钢中的应力，减少钢的脆性，同时保持钢的高硬度和耐磨性。常用于高碳钢制的切削工具、量具和滚动轴承件及渗碳处理后的零件等。
中温回火：加热温度为350℃～500℃。其目的主要是获得高的弹性极限，同时有高的韧性。主要用于各种弹簧热处理。
高温回火：加热温度为500℃～650℃。其目的主要是获得既有一定的强度、硬度，又有良好的冲击韧性的综合机械性能。通常把淬火后加高温回火的热处理称做调质处理。主要用于处理中碳结构钢，即要求高强度和高韧性的机械零件，如轴、连杆、齿轮等。
2、保温时间的确定
在实验室进行热处理实验，一般采用各种电炉加热试样。当炉温升到规定温度时，即打开炉门装入试样，通常将工件升温和保温所需时间算在一起，统称为加热时间。
热处理加热时间实际上是将试样加热到淬火所需的时间及淬火温度停留所需时间的总和。加热时间与钢的成分、工件的形状尺寸、所用的加热介质、加热方法等因素有关，一般按照经验公式加以估算，。一般规定，在空气介质中，升到规定温度后的保温时间，对碳钢来说，按工件厚度（或直径）每毫米一分钟 到一分半钟估算；合金钢按每毫米两分钟估算。在盐浴炉中，保温时间则可缩短1～２倍。对钢件在电炉中保温时间的数据可参考表7-1。
表7-1 钢件在电炉中的保温时间选择参考数据
50～75 60
3、冷却方式和方法
热处理时冷却方式（冷却速度）影响着钢的组织和性
能。选择适当的冷却方式，才能获得所要求的组织和性能。
钢的退火一般采用随炉冷却到600～550℃以下再出
炉空冷；正火采用空气冷却；淬火时，钢在过冷奥氏体最
不稳定的围650～550℃冷却速度应大于临界冷却速度，以
保证工件不转变为珠光体类型组织，而在Ms点附近时，
冷却速度应尽可能慢些，以降低淬火应力，减少工件的变
形和开裂。理想的冷却速度如图7-3所示。
淬火介质不同，其冷却能力不同，因而工件的冷却速度也就不同。合理选择冷却介质是保证淬火质量的关键。对于碳钢来说，用室温的水作淬火介质通常能保证得到较好的结果。
目前常用的淬火介质和它们冷却能力见表7-2。
表7-2 常用的淬火介质和其冷却能力数据
淬火介质
冷却速度℃/秒
在650～450℃区间在200～300℃区间
水（18℃）600 270
水（20℃）500 270
水（50℃）100 270
水（74℃）30 270
10％苛性钠水溶液（18℃）1200 300
10％氯化钠水溶液（18℃）110 300
50℃矿物油150 30
4、碳钢热处理后的组织
（1）碳钢的退火和正火组织
亚共析钢采用“完全退火”后，得到接近于平衡状态的显微组织。即铁素体加珠光体。共析钢和过共析钢多采用“球化退火”，获得在铁素体基体上均匀分布着粒状渗碳体的组织，称为球状珠光体或球化体。球状珠光体的硬度比层片状珠光体低。亚共析钢的正火组织为铁素体加索氏体，共析钢的正火组织一般均为索氏体；过共析钢的正火组织为细片状珠光体及点状渗碳体；对
于同样的碳钢，正火的硬度比退火的略高。
（2）钢的淬火组织
图7-3 淬火时的理想冷却曲线示意图
钢淬火后通常得到马氏体组织。当奥氏体中含碳质量分数大于0.5%时，淬火组织为马氏体和残余奥氏体。马氏体可分为两类板条马氏体和片（针）状马氏体。
（3）淬火后的回火组织
回火是将淬火后的钢件加热到指定的回火温度，经过一定时间的保温后，空冷到室温的热处理操作。回火时引起马氏体和残余奥氏体的分解。
淬火钢经低温回火（150~250℃），马氏体的过饱和碳原子脱溶沉淀，析出与母相保持着共格联系的 碳化物，这种组织称为回火马氏体。回火马氏体仍保持针片状特征，但容易受浸蚀，故颜色要比淬火马氏体深些，是暗黑色的针状组织。回火马氏体具有高的强度和硬度，而韧性和塑性较淬火马氏体有明显改善。
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粒状渗碳体的组织，称为回火屈氏体。回火屈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，故呈暗黑色回火屈氏体有较好的强度，最高的弹性，较好的韧性。
淬火钢高温回火（500~650℃）得到的组织称为回火索氏体，它是由粒状渗碳体和等轴形铁素体组成混合物。回火索氏体具有强度、韧性和塑性较好的综合机械性能。
回火所得到的回火索氏体和回火屈氏体与由过冷奥氏体直接分解出来的索氏体和屈氏体在
显微组织上是不同的，前者中的渗碳体呈粒状而后者则为片状。
三、实验仪器和用具
1、箱式电阻炉及控温仪表
2、洛氏硬度计
3、热处理试样：45钢、T12钢
4、冷却介质水和油及淬火水桶
5、长柄铁钳、砂纸等
四、实验方法与步骤
1、每5人一组，每组共同完成一套实验。领取45钢试样一套。T12钢试样一套。
2、各组讨论并决定45钢试样的加热温度、保温时间，调整好控温装置，然后将一套45钢试样放入已升到温度的电炉中进行加热保温。然后分别进行炉冷、空冷与水冷。最后测定它们的硬度值，并作好记录。
3、各组讨论并决定T12钢试样的加热温度、保温时间，调整好控温装置，然后将一套T12钢试样放入已升到温度的电炉中进行加热保温。然后进行水冷及油冷，测定它们的硬度值，并作好记录。最后将水淬后的T12钢分别放入200℃、400℃、600℃的不同温度的电炉中进行回火30 min后出炉空冷，再测量硬度，并作好记录。
4、注意应将各种不同方法热处理后的试样用砂纸磨去两端面的氧化皮（以免影响硬度数值），再测定硬度。每个试样至少三个试验点，再取一个平均值。
五、实验分析及结论
1、实验目的。
2、实验容及结果。
3、分析冷却速度及回火温度对钢性能的影响（含碳量相同的试样）。
4、分析含碳量对钢性能的影响（处理方法相同）。
5、如果实验数据与理论数据差别较大，试分析其原因。
六、注意事项
1、本实验加热都为电炉，由于炉电阻丝距离炉膛较近，容易漏电，所以电炉一定要接地，在放、取试样时必须先切断电源。
2、往炉中放、取试样必须使用夹钳，夹钳必须擦干，不得沾有油和水。
3、淬火时，试样要用钳子夹住，动作要迅速，并不断在水或油中搅动，以免影响热处理质量。
4、淬火或回火后的试样均要用砂纸打磨，去掉氧化皮后再测定硬度值。
七、思考题
1、45钢常用的热处理是什么？它们的组织是什么?有何工程应用？
2、退火状态的45钢试样分别加热到600℃～900℃之间不同的温度后，在水中冷却，其硬度随加热温度如何变化？为什么？
3、45钢调质处理得到的组织和T12钢球化退火得到的组织在本质、形态、性能上有何差异？
一、名词解释： １、固溶强化：固溶体溶入溶质后强度、硬度提高，塑性韧性下降现象。 ２、加工硬化：金属塑性变形后，强度硬度提高的现象。 ２、合金强化：在钢液中有选择地加入合金元素，提高材料强度和硬度 ４、热处理：钢在固态下通过加热、保温、冷却改变钢的组织结构从而获得所需性能的一种工艺。５、细晶强化：晶粒尺寸通过细化处理，使得金属强度提高的方法。 二、选择适宜材料并说明常用的热处理方法 三、（20分）车床主轴要求轴颈部位硬度为HRC54—58，其余地方为HRC20—25，其加工路线为：
下料锻造正火机加工调质机加工（精） 轴颈表面淬火低温回火磨加工 指出：1、主轴应用的材料：45钢 2、正火的目的和大致热处理工艺细化晶粒，消除应力；加热到Ac3＋50℃保温一段时间空冷 3、调质目的和大致热处理工艺强度硬度塑性韧性达到良好配合淬火＋高温回火 4、表面淬火目的提高轴颈表面硬度 5．低温回火目的和轴颈表面和心部组织。去除表面淬火热应力，表面M＋A’心部S回 四、选择填空（20分） １．合金元素对奥氏体晶粒长大的影响是（d） （a）均强烈阻止奥氏体晶粒长大（b）均强烈促进奥氏体晶粒长大 （c）无影响（d）上述说法都不全面 ２．适合制造渗碳零件的钢有（c）。 （a）16Mn、15、20Cr、1Cr13、12Cr2Ni4A （b）45、40Cr、65Mn、T12 （c）15、20Cr、18Cr2Ni4WA、20CrMnTi ３．要制造直径16mm的螺栓，要求整个截面上具有良好的综合机械性能，应选用（c ）（a）45钢经正火处理（b）60Si2Mn经淬火和中温回火（c）40Cr钢经调质处理 4．制造手用锯条应当选用（a ） （a）T12钢经淬火和低温回火（b）Cr12Mo钢经淬火和低温回火（c）65钢淬火后中温回火 5．高速钢的红硬性取决于（b ） （a）马氏体的多少（b）淬火加热时溶入奥氏体中的合金元素的量（c）钢中的碳含量6．汽车、拖拉机的齿轮要求表面高耐磨性，中心有良好的强韧性，应选用（c ）（a）60钢渗碳淬火后低温回火（b）40Cr淬火后高温回火（c）20CrMnTi渗碳淬火后低温回火 7．65、65Mn、50CrV等属于哪类钢，其热处理特点是（c ） （a）工具钢，淬火+低温回火（b）轴承钢，渗碳+淬火+低温回火（c）弹簧钢，淬火+中温回火 8. 二次硬化属于（d） （a）固溶强化（b）细晶强化（c）位错强化（d）第二相强化 9. 1Cr18Ni9Ti奥氏体型不锈钢，进行固溶处理的目的是（b） （a）获得单一的马氏体组织，提高硬度和耐磨性
工程材料及热处理 一、名词解释（20分）8个名词解释 1.过冷度：金属实际结晶温度T和理论结晶温度、Tm之差称为过冷度△T，△T=Tm-T。 2.固溶体：溶质原子溶入金属溶剂中形成的合金相称为固溶体。 3.固溶强化：固溶体的强度、硬度随溶质原子浓度升高而明显增加，而塑、韧性稍有下降，这种现象称为固溶强化。 4.匀晶转变：从液相中结晶出单相的固溶体的结晶过程称匀晶转变。 5.共晶转变：从一个液相中同时结晶出两种不同的固相 6.包晶转变：由一种液相和固相相互作用生成另一种固相的转变过程，称为包晶转变。 7.高温铁素体：碳溶于δ-Fe的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号δ表示。 铁素体：碳溶于α－Fe的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号α或F表示。 奥氏体：碳溶于γ-Fe的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号γ或 F表示。 8.热脆（红脆）：含有硫化物共晶的钢材进行热压力加工，分布在晶界处的共晶体处于熔融状态，一经轧制或锻打，钢材就会沿晶界开裂。这种现象称为钢的热脆。 冷脆：较高的含磷量，使钢显著提高强度、硬度的同时，剧烈地降低钢的塑、韧性并且还提高了钢的脆性转化温度，使得低温工作的零
件冲击韧性很低，脆性很大，这种现象称为冷脆。 氢脆：氢在钢中含量尽管很少，但溶解于固态钢中时，剧烈地降低钢的塑韧性增大钢的脆性，这种现象称为氢脆。 9.再结晶：将变形金属继续加热到足够高的温度，就会在金属中发生新晶粒的形核和长大，最终无应变的新等轴晶粒全部取代了旧的变形晶粒，这个过程就称为再结晶。 10.马氏体：马氏体转变是指钢从奥氏体状态快速冷却，来不及发生扩散分解而产生的无扩散型的相变，转变产物称为马氏体。 含碳量低于0.2%，板条状马氏体；含碳量高于1.0%，针片状马氏体；含碳量介于0.2%-1.0%之间，马氏体为板条状和针片状的混合组织。 11.退火：钢加热到适当的温度，经过一定时间保温后缓慢冷却，以达到改善组织提高加工性能的一种热处理工艺。 12.正火：将钢加热到3c A或ccm A以上30-50℃，保温一定时间，然后在空气中冷却以获得珠光体类组织的一种热处理工艺。 13.淬火：将钢加热到3c A或1c A以上的一定温度，保温后快速冷却，以获得马氏体组织的一种热处理工艺。 14.回火：将淬火钢加热到临界点1c A以下的某一温度，保温后以适当方式冷却到室温的一种热处理工艺。（低温回火-回火马氏体；中温回火-回火托氏体；高温回火-回火索氏体） 15.回火脆性：淬火钢回火时，其冲击韧性并非随着回火温度的升高而单调地提高，在250-400℃和450-650℃两个温度区间内出现明显下降，这种脆化现象称为钢的回火脆性。
目录 前言 --------------------------------------------------------------------------------- 2实验一金属的磨片实验 --------------------------------------------------------- 3实验二铁碳合金的平衡组织观察 ---------------------------------------- 12 实验三钢的热处理综合实验 ------------------------------------------------- 20
前言 本实验指导书内容侧重于金相实验技术基本操作方法、热处理及金相显微组织的观察，使学生在金相实验基本技能方面得到初步训练并有利于巩固和深化课堂学到的知识，而热处理综合实验不仅能使学生建立起完整的知识体系，还能有效地提高学生的整体思维能力和总结概括能力。
实验一金属的磨片实验 一、实验目的 1 掌握金相显微试样的制备过程和基本方法，并观察、认识其金相显微组织； 2 初步学会用比较法测定工业纯铁的晶粒度。 二、实验仪器及材料 1 仪器：台式金相显微镜、预磨机、抛光机、吹风机等。 2 材料；45 钢待磨试样(O12×15)每人一块；各号金相砂纸(或水磨砂纸)一套；腐蚀剂；4％硝酸酒精；制备好的工业纯铁试样，棉球、镊子等。 三、实验内容 在利用金相显微镜观察、分析和研究金属材料的金相显微组织时，需要在该材料的典型部位截取样块，然后通过一系列的制备过程，制成符合要求的金相显微试样。即在金相显微镜下可以观察到很清晰的金相显微组织，其整个过程即为磨片。磨片的方法与步骤如下： 1 ．取样 ①取样的部位及磨面的选择 根据被检验金属材料或零件的特点，加工工艺及研究目的进行选择，如：研究另件破裂的原因时，应在破裂部位取样，再在离破裂处较远的部位取样，以做比较。研究铸造合金时，由于组织不均匀，从铸件表层到中心必须分别截取几个样品。 研究轧材时，如研究材料表层的缺陷、非金属夹杂物的分布等。应在垂直于轧制方向上截取横向试样．如研究夹杂物的形状、类形，材料的的形变程度、晶粒拉长的程度、带状组织等，应在平行于轧制方向上截取纵向试样。 研究焊缝组织时，应在焊缝及热影响区周围取样。 研究热处理后的零件时，固其组织较均匀，可任选一断面试样。若研究氧化、脱碳表面处理(如渗碳)的情况，则应在横断面上观察。
消除应力热处理作业指导书 1．范围 1.1 本守则规定了膨胀节产品的消除应力热处理基本程序和要求。 1.2 本守则适用于膨胀节压制简体和成形的膨胀节消除应力热处理工序。 2．规范性引用文件 下列文件中的条款，通过本标准的引用而成为本标准的条款，凡是注明日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否使用这些文件的最新版本，凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用本规程。 质技监局锅发[1999]154号《压力容器安全技术监察规程》 GBl50-1998《钢制压力容器》 JB/T4709-2000《钢制压力容器焊接工艺规程》 GBl6749《压力容器波形膨胀节》 3．工艺规范 3.1 工艺曲线 3.2 常用材料消除应力热处理温度及保温时间参见相关材料标准的推荐温度。 3.3 焊件进炉时炉内温度不得高于400℃。焊件出炉时，炉温不得高于400℃，出炉后应在静止的空气中冷却。 3.4 升温速度最大不得超过PWHT 5000 δ℃/h ，且不得超过200℃/h ，最小可为50℃/h 。降温速度最大不 得超过PWHT 6000 δ℃/h ，且不得超过260℃/h ，最小可为50℃/h 。 4．工艺操作 4.1 消除应力热处理应在焊接工作全部结束并检测合格后，于压制成形或在压力试验前进行。奥氏体不锈钢压制的波纹管、膨胀节一般不进行焊后消除应力热处理，工艺或客
户有特殊要求的按工艺处编制的热处理工艺卡执行。 4.2 消除应力热处理应尽可能采取整体热处理。 4.3 装炉时，工件距炉门不得小于****毫米，距炉墙不得小于****毫米，加热炉对炉温应能控制，对工件不得产生过度氧化和有害影响。 4.4 装炉时需要将工件垫平、垫稳。工件之间保持一定距离，不要靠紧。若需垛装时，上下工件之间要用垫板垫起。垫板厚度要大于*******毫米，上下垫板必须平行对正。 4.5 对于直径较大、壁厚较薄的筒体，内部没有支承圈或固定塔板时，应适当在内部支承，以防加热时变形。 4.6 产品焊接试板应随同工件同炉热处理，试板须放在能代表工件的适当位置。试板应有钢印标记，经核对并经检查员认可。 4.7 焊件升温期间，加热区内任意长度为*******毫米内的温差不得大于*****℃。焊件保温期间，加热区内最高与最低温度之差不宜大于*****℃。升温和保温期间应控制加热区气氛，防止焊件表面过度氧化。 5. 测温与记录 5.1 热处理炉应配有自动记录温度时间曲线的测温仪表。 5.2 热电偶应安装在能反映工件实际温度的适当位置。补偿导线的线径及长度要合适，并经常检查热电偶的老化情况。 5.3 测温仪表和热电偶必须定期检定，保证合格准确。 5.4 工件热处理曲线记录和检验记录应存档保管，且保存不得少于***年。
1.置换固溶体中，被置换的溶剂原子哪里去了？ 答：溶质把溶剂原子置换后，溶剂原子重新加入晶体排列中，处于晶格的格点位置。 2.间隙固溶体和间隙化合物在晶体结构与性能上的区别何在？举例说明之。 答：间隙固溶体是溶质原子进入溶剂晶格的间隙中而形成的固溶体，间隙固溶体的晶体结构与溶剂组元的结构相同，形成间隙固溶体可以提高金属的强度和硬度，起到固溶强化的作用。如：铁素体F是碳在α-Fe中的间隙固溶体，晶体结构与α-Fe相同，为体心立方，碳的溶入使铁素体F强度高于纯铁。 间隙化合物的晶体结构与组元的结构不同，间隙化合物是由H、B、C、N等原子半径较小的非金属元素（以X表示）与过渡族金属元素（以M表示）结合， 且半径比r X /r M ＞0.59时形成的晶体结构很复杂的化合物，如Fe3C间隙化合物 硬而脆，塑性差。 3.现有A、B两元素组成如图所示的二元匀晶相图，试分析以下几种说法是否正 确？为什么？ （1）形成二元匀晶相图的A与B两个相元的晶格类型可以不同，但是原子大小一定相等。 （2）K合金结晶过程中，由于固相成分随固相线变化，故已结晶出来的固溶体中含B量总是高于原液相中含B量. （3）固溶体合金按匀晶相图进行结晶时，由于不同温度下结晶出来的固溶体成分和剩余液相成分不相同，故在平衡态下固溶体的成分是不均匀的。 答：（1）错：Cu-Ni合金形成匀晶相图，但两者的原子大小相差不大。 （2）对：在同一温度下做温度线，分别与固相和液相线相交，过交点，做垂直线与成分线AB相交，可以看出与固相线交点处B含量高于另一点。
(3)错：虽然结晶出来成分不同，由于原子的扩散，平衡状态下固溶体的成分是均匀的。 4.共析部分的Mg-Cu相图如图所示： (1)填入各区域的组织组成物和相组成物。在各区域中是否会有纯Mg相存在？ 为什么？ 答: Mg-Mg2Cu系的相组成物如下图：（α为Cu在Mg中的固溶体） Mg-Mg2Cu系的组织组成物如下图：（α为Cu在Mg中的固溶体，） 在各区域中不会有纯Mg相存在，此时Mg以固溶体形式存在。 (2)求出20%Cu合金冷却到500℃、400℃时各相的成分和重量百分比。 答: 20%Cu合金冷却到500℃时,如右图所示: α相的成分为a wt%, 液相里含Cu 为b wt%,根据杠杆原理可知: Wα=O 1b/ab*100%, W L = O 1 a/ab*100% 同理: 冷却到400℃时，α相的成分为m wt%, Mg2Cu相里含Cu 为n wt%, Wα=O 2n/mn*100%, W mg2Cu = O 2 m/mn*100% (3)画出20%Cu合金自液相冷却到室温的曲线，并注明各阶段的相与相变过程。 答:各相变过程如下(如右图所示): xp: 液相冷却,至p点开始析出Mg的固熔体α相 py: Mg的固熔体α相从p点开始到y点结束 yy,: 剩余的液相y开始发生共晶反应,L?α+Mg 2 Cu y,q:随着T的降低, Cu在Mg的固熔体α相的固溶度降低. 5.试分析比较纯金属、固溶体、共晶体三者在结晶过程和显微组织上的异同之处。 答：相同的是,三者都是由原子无序的液态转变成原子有序排列的固态晶体。 不同的是， 纯金属和共晶体是恒温结晶，固溶体是变温结晶，纯金属和固溶体的结晶是由
《机械工程材料》试卷（B 卷） 考试形式: 闭卷笔试，2小时学号： 命题教师：徐光青姓名： 适用专业：机械年级专业： 题号一二三四五六总分评卷人得分 一、名词解释（3分×10） 1. 空间点阵 2. 结晶潜热 3. 固溶强化 4. 固溶体 5. 包晶相图 6. 过冷奥氏体 7. 珠光体转变 8. 淬透性 9. 起始晶粒度 10. 淬火
二、填空（1分×20） 1. 金属晶体中常见的点缺陷有______、______和_____等 2. 液态金属结晶的宏观现象为______和_______，微观过程为_______和_______。 3. 固溶体按照溶质原子所处位置可分为_______和______两类。 4. 碳素钢按质量分为________、________和___________。 5. 滑移的本质是________________________ 6. 片状珠光体按照其片层间距可分为________、________和________。 7. 珠光体片间距越小，其强硬度_____，塑韧性_____，随着含碳量的增加，珠光体的强硬度______，塑韧性_______。 三、请从金属学的角度解释为什么要“趁热打铁”？（10分）
四、根据Fe-Fe3C平衡相图，分析含碳％的碳钢的平衡结晶过程，并写出其室温组织（共10分） 1 2 3 4
五、请指出下述牌号钢的具体种类，并写出其主要成分（15分）T12 40CrMnTi 60Si2Mn GCr15 00Cr18Ni9Ti 六、一根Φ10的含碳量为%的圆钢棒，初始状态为退火态。然后从一端加热，依靠热传导使圆棒上各点达到如图所示的温度。试问（15分）： 1. 初始状态的组织是什么，加热后各点所在部位的组织是什么？ 2. 整个圆棒自图示各温度缓慢冷却到室温后，各点部位的组织是什么？ 3. 整个圆棒自图示各温度水淬快冷到室温后，各点部位的组织是什么？ A B C 初始态 1 2 3 《机械工程材料》标准答案（B 卷）
奥贝球铁ADI的调研报告 一、什么是奥贝球铁（ADI）？ 等温淬火球墨铸铁（Austempered ductile iron, ADI）通常称为奥贝球铁，是球墨铸铁经等温淬火工艺得到的奥氏体+贝氏体组织为主的高强度铸铁。 球墨铸铁：铁素体+珠光体+石墨球ADI：贝氏体（针状铁素体）+残余奥氏体 ★球墨铸铁：球化率1-3级，球径大小：6-7级； ★ADI中，针状铁素体和残余奥氏体的组织粗细及比例决定了铸铁不同的力学性能。 二、奥贝球铁有哪些优异的性能？ 2.1 优异的机械性能 ★高强度。同样延伸率下，其强度是普通球墨铸铁的2倍；优于或者相当于碳钢、低合金钢的强度。 等温淬火热处理工艺
★高硬度。大大高于普通球墨铸铁，与中高碳钢相当。 ★优越的耐磨性，优越的疲劳强度和断裂韧性，减震吸音性好等，这些特点使得ADI已经代替锰钢、合金钢等应用于车辆、工程机械上。 2.2 优越的材料性能 ★比重小。因为含有一定量的石墨，密度约为7.1g/cm3，同样尺寸的零件较钢件轻10%左右。 ★成本低。相比锻件、焊接件等，ADI材料具有优良的铸造性，能够制造出实际形状和尺寸更接近设计要求的无余量零件，既降低了材料成本，也节省了加工成本。 三、如何得到奥贝球铁，其原理如何？ 3.1 普通球墨铸铁 选择合适的化学成分，熔炼→球化→孕育，得到普通球墨铸铁。 3.2 等温淬火工艺 ★A→B：P+α-Fe→γ-Fe. 奥氏体化（＞A C1）：相变，碳的扩散； ★B→C：奥氏体均匀化，碳的扩散； ★C→D：淬火，避免得到珠光体
★D→E：γ-Fe→下贝氏体（针状铁素体）+A残（残余奥氏体） 等温淬火：温度、时间 ★E→F：空冷。可能存在残余奥氏体的转化。 3.3分析 ★设备条件：密闭进行，防止加热过程中铸件与外界反应，影响组织与性能； 加热炉与盐浴炉控制稳定：加热过程中铸件变化稳定、可预见，便于设计铸件尺寸。 ★淬火介质： 常用的热处理淬火介质有：油、气体、熔盐等。 ?油：不能长时间在280度以上工作，不适用于ADI的制备； ?气体：要求：防腐蚀、防氧化；冷却效率低； ?熔盐：优点：温度控制范围宽，操作简单；缺点：腐蚀性、污染环境、铸件需要清洗； 常用的淬火介质：（1）55%硝酸钾+45%亚硝酸钠，熔点143℃，应用温度范围：160-550℃； （2）50%硝酸钠+50%硝酸钾，熔点220℃，应用温度范围：280-550℃. 四、工艺关键点及其影响 4.1 化学成分 ★化学成分对于ADI组织和性能的影响主要有以下三个方面： （1）偏析；（2）等温处理时ADI组织对时间的敏感性；（3）淬透性； ★主要化学元素的影响作用简述及建议值： 碳元素：碳能稳定奥氏体；含碳量过高会造成石墨漂浮；建 议值：3.5-3.7% 硅元素：硅在等温淬火转变时抑制碳化物的析出而产生更多 的针状铁素体,并且在等温淬火球墨铸铁中含有更高的硅量可以改 善韧性和具有较宽的热处理工艺带。与此同时,当硅含量超过2.7% 时,会使铁素体脆化,石墨形态恶化,奥氏体含量下降,使韧性迅速降 低。因此,为了获得良好的力学性能,将含硅量定在2.3%-2.7%之间。 锰元素：一方面，增加淬透性；另一方面，正偏析，易形成碳化物。控制范围0.25-0.5%。 GBT 24733-2009国标推荐：
1．目的： 使设备有效性的能力维持在最佳状态，从而达到设备寿命周期最大经济化。2．范围： 包括公司所有直接或间接用于热处理的设备。 3．职责： 3.1车间生产人员负责设备的日常点检、运行维护保养。 3.2机电人员负责设备的维护保养的指导、定期检查、大/中修等工作。 3.3热处理技术员负责设备的定期检查.和校验。 3.4实验员负责产品硬度的校验，对实验数据进行记录，并出具产品实验报告。 4.流程：无 5.作业内容： 5.1设备操作 a．开机前，必须熟悉热处理炉传动系统和结构，各开关的功用。 b．升温前首先由机电工对电器.热电偶进行检查，确认正常后，操作工对照《设备日常点检卡》中规定的项目（包括各项报警项目）进行点检，正常后进行操作。c．先开淬火槽循环和水冷却，然后按照升温工艺进行升温。 d．淬火炉温度升到300℃时开启网带传动。 e．当淬火炉升温到600℃，开启回火炉进行升温；当回火炉温度升到设定温度后才开启网带传动（先开网带传送，然后拧涨紧螺杆）。 f. 温度设定：通过温度仪表的上下按键对温度设定值进行调节。 g. 网带速度设定：通过变频器的旋转钮左右旋转对网速进行调节。 5.2 设备运行 a．设备运行过程中操作工应每30分钟巡视一次设备，若发现异常应当即通知机电工进行排异。 b. 设备运行过程中遇设备故障或其它紧急情况，请按照《热处理通用规定》执行。 c. 淬火槽温度接近70℃时开启油冷却对油进行降温，油温接近50℃时关闭油冷却。 5.3 设备停止 a．炉内产品走完后关闭加热电源，（淬火加热炉的网带传动.淬火槽循环.回火炉风扇.水冷却必须开，其它可关。回火炉开始降温后必须停网带，并把涨紧螺杆松开，防止网带拉长变形）。 b. 停炉后必须继续通入甲醇，等淬火炉炉温低于700℃后方可关闭甲醇。 c. 淬火加热炉温低于300℃后才能停网带传动，低于200℃后关闭淬火槽循环泵。回火炉温度低于200℃后可停风扇。 d. 炉温冷却后关闭冷却水。 5.4 日常维护保养
工程材料与热处理第2章作业题参考答案1( 常见的金属晶格类型有哪些?试绘图说明其特征。 体心立方: 单位晶胞原子数为2 配位数为8 3a原子半径= (设晶格常数为a) 4 致密度0.68
单位晶胞原子数为4 配位数为12 2a原子半径= (设晶格常数为a)致密度0.74 4
密排六方: 晶体致密度为0.74，晶胞内含有原子数目为6。配位数为12，原子半径为 1/2a。 2实际金属中有哪些晶体缺陷?晶体缺陷对金属的性能有何影响? 点缺陷、线缺陷、面缺陷 一般晶体缺陷密度增大，强度和硬度提高。 3什么叫过冷现象、过冷度?过冷度与冷却速度有何关系,它对结晶后的晶粒大小有何影响, 金属实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷现象。理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度。金属结晶时的过冷度与冷却速度有关，冷却速度愈大，过冷度愈大，金属的实际结晶温度就愈低。结晶后的晶粒大小愈小。
4金属的晶粒大小对力学性能有何影响?控制金属晶粒大小的方法有哪些? 一般情况下，晶粒愈细小，金属的强度和硬度愈高，塑性和韧性也愈好。 控制金属晶粒大小的方法有:增大过冷度、进行变质处理、采用振动、搅拌处理。 5(如果其他条件相同，试比较下列铸造条件下铸件晶粒的大小: (1)金属型浇注与砂型浇注: (2)浇注温度高与浇注温度低; (3)铸成薄壁件与铸成厚壁件; (4)厚大铸件的表面部分与中心部分 (5)浇注时采用振动与不采用振动。 (6)浇注时加变质剂与不加变质剂。 (1) 金属型浇注的冷却速度快，晶粒细化，所以金属型浇注的晶粒小; (2) 浇注温度低的铸件晶粒较小; (3) 铸成薄壁件的晶粒较小; (4) 厚大铸件的表面部分晶粒较小; (5) 浇注时采用振动的晶粒较小。 (6) 浇注时加变质剂晶粒较小。。 6(金属铸锭通常由哪几个晶区组成?它们的组织和性能有何特点? (1) 表层细等轴晶粒区金属铸锭中的细等轴晶粒区，显微组织比较致密，室温下 力学性能最高; (2) 柱状晶粒区在铸锭的柱状晶区，平行分布的柱状晶粒间的接触面较为脆弱， 并常常聚集有易熔杂质和非金属夹杂物等，使金属铸锭在冷、热压力加工时容
成都工业学院 2013－2014学年第一学期考试试卷 1、满分100分。要求卷面整洁、字迹工整、无错别字。 2、考试必须将姓名、班级、学号完整、准确、清楚地填写在试卷规定地方，否则视为废卷。 3、考试必须在签到单上签到，若出现遗漏，后果自负。 4、答案请全部填写在试卷上，否则不给分。 试题 一、填空题 (每空0.5分,共35分) 1. 在静载荷作用下，金属抵抗塑性变形或断裂的能力称为（强度）；其常用指标的名称及符号分别是（弹性极限）符号（）、（屈服强度）符号（）、（抗拉强度）符号（）。 2. 金属常见的晶体结构有（体心立方）、（面心立方）和（密排六方）等三种；其中，（面心立方）结构的金属塑性最好，（体心立方）结构的金属塑性次之，（密排六方）结构的金属塑性最差。合金的基本相结构分别是（固溶体）和（金属化合物）；工程用合金主要是以（固溶体）为基体，在基体中分布有（金属化合物）。 3. 金属结晶的过程是（形核）和（长大）的过程。金属结晶后的晶粒愈细小，其(硬度)愈高，且（塑性）和（韧性）也愈好。 4. 钢的热处理是指将钢在固态下经过（加热）、（保温）和（冷却），以获得所需（组织）和（性能）的工艺方法。通过适当的热处理，能显著提高钢的（力学性能），以满足零件的使用要求；能改善钢的（加工工艺），以提高生产率和加工质量；能消除钢在加工过程中产生的（内应力），以稳定零件的形状和尺寸。按其原理不同分为(一般)热处理、(表面)处理和（其他）处理等三大类。 5. 淬火是指将钢加热至（奥氏体）状态，然后以大于(临界冷却速度)的冷却速度快冷至室温以获得高硬度(马氏体)组织的热处理工艺。回火是指将淬火钢在（A1）温度以下重新加热、保温和冷却的热处理工艺。根据回火温度范围不同，回火分为（低温）回火、（中温）回火和（高温）回火等三种；其中，淬火和（高温）回火的复合热处理称为调质。 6. 根据形态不同，马氏体分为（板条状）和（针状）两种；其中，（针状）硬度高而塑性差。
金属学与热处理实验指导书 张学萍毕鉴智 沈 阳 理 工 大 学 二O O 七 年 九 月
前言 本书是根据《金属学与热处理》课程的有关内容为提高实验教学质量、加强实验教学环节而编写的。在内容上基本符合教学大纲的要求。 本实验指导书内容侧重于金相实验技术基本操作方法、热处理及金相显微组织的观察，使学生在金相实验基本技能方面得到初步训练并有利于巩固和深化课堂学到的知识，而热处理综合实验不仅能使学生建立起完整的知识体系，还能有效地提高学生的整体思维能力和总结概括能力。 本实验指导书使用于：材料成型及控制专业
目录 实验一金属的磨片实验 (4) 实验二铁碳合金的平衡组织观察 (14) 实验三钢的热处理综合实验 (21)
实验一金属的磨片实验 一、实验目的 1掌握金相显微试样的制备过程和基本方法，并观察、认识其金相显微组织； 2初步学会用比较法测定工业纯铁的晶粒度。 二、实验仪器及材料 1仪器：台式金相显微镜、予磨机、抛光机、吹风机等。 2材料；45钢待磨试样(?12×15)每人一块；各号金相砂纸(或水磨砂纸)一套；腐蚀剂； 4％硝酸酒精；制备好的工业纯铁试样，棉球、镊子等。 三、实验内容 在利用金相显微镜观察、分析和研究金属材料的金相显微组织时，需要在该材料的典型部位截取样块，然后通过一系列的制备过程，制成符合要求的金相显微试样。即在金相显微镜下可以观察到很清晰的金相显微组织，其整个过程即为磨片。磨片的方法与步骤如下：1．取样 ①取样的部位及磨面的选择 根据被检验金属材料或零件的特点，加工工艺及研究目的进行选择，如： 研究另件破裂的原因时，应在破裂部位取样，再在离破裂处较远的部位取样，以做比较。研究铸造合金时，由于组织不均匀，从铸件表层到中心必须分别截取几个样品。 研究轧材时，如研究材料表层的缺陷、非金属夹杂物的分布等。应在垂直于轧制方向上截取横向试样．如研究夹杂物的形状、类形，材料的的形变程度、晶粒拉长的程度、带状组织等，应在平行于轧制方向上截取纵向试样。 研究焊缝组织时，应在焊缝及热影响区周围取样。 研究热处理后的零件时，固其组织较均匀，可任选一断面试样。若研究氧化、脱碳表面处理(如渗碳)的情况，则应在横断面上观察。 ②试样的截取方法 截取试样时，应保持不使试样观察面的金相组织发生变化。软材料可用锯、车、刨等方法截
热处理作业指导书 1.目的 保证热处理质量。 2.热处理方式 按加热和冷却条件不同，铸钢件的主要热处理方式有：退火、正火、均匀化处理、淬火、回火、固溶处理、沉淀硬化、消除应力处理及除氢处理。 3.热处理操作要求 ．退火 退火是将铸钢件加热到Acs 以上20～30℃，保温一定时间，冷却的热处理工艺。退火的目的是为消除铸造组织中的柱状晶、粗等轴晶、魏氏组织和树枝状偏析，以改善铸钢力学性能。碳钢退火后的组织：亚共析铸钢为铁素体和珠光体，共析铸钢为珠光体，过共析铸钢为珠光体和碳化物。适用于所有牌号的铸钢件。图1—1为几种退火处理工艺的加热规范示意图。表l—1为铸钢件常用退火工艺类型及其应用。表1-2铸钢件退火工艺及退火后的硬度。 图1—1为几种退火处理工艺的加热规范示意图
表l—1为铸钢件常用退火工艺类型及其应用
表1-2铸钢件退火工艺及退火后的硬度 ．正火 正火是将铸钢件目口热到Ac。温度以上30～50o C 保温，使之完全奥氏体化，然后在静止空气中冷却的热处理工艺。图1—2为碳钢的正火温度范围示意图。表1-3铸钢件正火工艺及退火后的硬度，表1-4常用低合金铸件正火或正火+回火工艺及硬度。正火的目的是细化钢的组织，使其具有所需的力学性能，也司作为以后热处理的预备处理。正火与退火工艺的区别有两个：其一是正火加热温度要偏高些；其二是正火冷却较快些。经正火的铸钢强度稍高于退火铸钢，其珠光体组织较细。一般工程用碳钢及部分厚大、形状复杂的合金钢铸件多采用正火处理。 图1—2为碳钢的正火温度范围示意图 正火可消除共析铸钢和过共析铸钢件中的网状碳化物，以利于球化退火；可作为中碳钢以及合金结构钢淬火前的预备处理，以细化晶粒和均匀组织，从而减少铸件在淬火时产生的缺陷。
机械工程材料A卷评分标准 一、名词解释：（１０分） １、固溶强化：固溶体溶入溶质后强度、硬度提高，塑性韧性下降现象。（2分） ２、加工硬化：金属塑性变形后，强度硬度提高的现象。（2分） ２、合金强化：在钢液中有选择地加入合金元素，提高材料强度和硬度（2分） ４、热处理：钢在固态下通过加热、保温、冷却改变钢的组织结构从而获得所需性能的一种工艺。（2分） ５、细晶强化：通过细化晶粒处理，使得金属强度提高的方法。（2分） 二、选择适宜材料并说明常用的热处理方法（30分）（每空1分） 三、（20分）车床 主轴要求轴颈部位 硬度为HRC54— 58，其余地方为 HRC20—25，其加 工路线为： 下料锻造 正火机加工 调质机加 工（精） 轴颈表 面淬火低 温回火磨 加工 指出：1、主轴应 用的材料：45钢（4 分） 2、正火的目的和大致热处理工艺细化晶粒，消除应力；加热到Ac3＋50℃保温一段时间空冷（4分）
3、调质目的和大致热处理工艺强度硬度塑性韧性达到良好配合淬火＋高温回火（4分） 4、表面淬火目的提高轴颈表面硬度（4分） １．低温回火目的和轴颈表面和心部组织。去除表面淬火热应力，表面M＋A’心部S回。 （4分） 四、选择填空（20分）（每空2分） 1．合金元素对奥氏体晶粒长大的影响是（d ） （a）均强烈阻止奥氏体晶粒长大（b）均强烈促进奥氏体晶粒长大 （c）无影响（d）上述说法都不全面 2．适合制造渗碳零件的钢有（c）。 （a）16Mn、15、20Cr、1Cr13、12Cr2Ni4A （b）45、40Cr、65Mn、T12 （c）15、20Cr、18Cr2Ni4WA、20CrMnTi 3．要制造直径16mm的螺栓，要求整个截面上具有良好的综合机械性能，应选用（c ）（a）45钢经正火处理（b）60Si2Mn经淬火和中温回火（c）40Cr钢经调质处理 4．制造手用锯条应当选用（a ） （a）T12钢经淬火和低温回火（b）Cr12Mo钢经淬火和低温回火（c）65钢淬火后中温回火5．高速钢的红硬性取决于（b ） （a）马氏体的多少（b）淬火加热时溶入奥氏体中的合金元素的量（c）钢中的碳含量 6．汽车、拖拉机的齿轮要求表面高耐磨性，中心有良好的强韧性，应选用（c ） （a）60钢渗碳淬火后低温回火（b）40Cr淬火后高温回火（c）20CrMnTi渗碳淬火后低温回火7．65、65Mn、50CrV等属于哪类钢，其热处理特点是（c ） （a）工具钢，淬火+低温回火（b）轴承钢，渗碳+淬火+低温回火（c）弹簧钢，淬火+中温回火8. 二次硬化属于（d） （a）固溶强化（b）细晶强化（c）位错强化（d）第二相强化 9. 1Cr18Ni9Ti奥氏体型不锈钢，进行固溶处理的目的是（b） （a）获得单一的马氏体组织，提高硬度和耐磨性 （b）获得单一的奥氏体组织，提高抗腐蚀性，防止晶间腐蚀（c）降低硬度，便于切削加工 １０.推土机铲和坦克履带板受到严重的磨损及强烈冲击，应选择用（b ） （a）20Cr渗碳淬火后低温回火（b）ZGMn13—3经水韧处理（c）W18Cr4V淬火后低温回火 五、填空题(20分) （每空1分） 1、马氏体是碳在a-相中的过饱和固溶体，其形态主要有板条马氏体、片状马氏体。 其中，片状马氏体硬度高、塑性差 2、W18Cr4V钢的淬火加热温度为1270－1280℃，回火加热温度为560℃，回火次数3次。 3、材料选择的三原则一般原则，工艺性原则，经济性原则。 4、合金结构钢与碳素结构钢相比，其突出优点是强度高，淬透性好。 5. 共析钢过冷奥氏体等温转变曲线三个转变区的转变产物是P B M。 6. 共析钢淬火形成M+A'后，在低温、中温、高温回火后的产物分别为M回＋A’
北京理工大学珠海学院-工程材料及热处理实验 工程材料及热处理实验指导书 北京理工大学珠海学院机械与车辆学院 2012.10
实验一金属材料的硬度实验 一、实验目的 1、了解硬度测定的基本原理及应用范围。 2、了解布氏、洛氏硬度实验机的主要结构及操作方法。 二、概述 金属的硬度可以认为是金属材料表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的一种能力。硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念。硬度值越高，表明金属抵抗塑性变形的能力越大，材料产生塑性变形就越困难。另外硬度与其他机械性能（如强度指标σ b及塑性指标ψ和δ）之间有着一定的内在联系。所以从某种意义上说硬度的大小对于机械零件或工具的使用性能及寿命具有决定性意义。 测量硬度的方法很多，在机械工业中广泛采用压入法来测定硬度，压入法又分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。 压入法硬度试验的主要特点是： ①实验时应力状态最软，（即最大切应力远远大于最大正应力）因而不论是塑性材料还是脆性材料均能发生塑性变形。 ②金属的硬度与强度指标之间存在如下近似关系： σ b=K*HB 式中：σ b ——材料的抗拉强度值；HB——布氏硬度值K——系数 退火状态的碳钢K＝0.34~0.36 合金调质钢K＝0.33~0.35 有色金属合金K＝0.33~0.53 ③硬度值对材料的耐磨性、疲劳强度等性能也有一定的参考价值，通常硬度值高，这些性能也就好。在机械零件设计图纸上对机械性能的技术要求，往往只标注硬度值，其原因就在于此。 ④硬度测量后由于仅在金属表面局部体积内产生很小压痕，并不损坏零件，因而适合 于成品检验。 ⑤设备简单，操作迅速方便。 三、布氏硬度 （一）布氏硬度试验的基本原理 布氏硬度试验是施加一定大小的载荷P，将直径为D的钢球压入被测金属表面（如图1-1所示）保持一定时间，然后卸除载荷，根据钢球在金属表面上所压出的凹痕面积F凹求
热处理作业指导书 一、工程概况 1.1本工程为江苏常州中天钢铁集团有限公司热电厂一台240吨纯燃高炉煤气锅炉安装工程及相应的汽水、消防、电气、热控等配套系统。锅炉设备由上海锅炉厂有限公司设计制造。 二、编制依据 2.1西北电力设计院设计图纸 2.2《施工组织总设计》 2.3《小型火力发电厂设计规范》“GB50049-94” 2.4“DL5000-2000”《火力发电厂设计技术规程》及《火力发电厂施工图设计手册设计》 2.5《汽水管路支吊架手册》1983年版 2.6《电力建设安全操作规程》(火力发电厂部分)2002年版 2.7《电力建设施工及验收技术规范》（锅炉机组篇）1996年版 2.8《电力建设施工及验收技术规范》(焊接篇) 1996年版 2.9 《电力建设施工及验收技术规范》(管道篇) 1996年版 2.10《电力建设施工及验收技术规范》（DL/T821-2002射线篇、DL/T5048-95超声波篇） 2.11《火力发电厂焊接技术规程》DL/T869-2004 三、作业条件 3.1 技术准备 3.1.1焊接工艺经过评定，符合工艺要求。 3.1.2作业指导书编制并审批完成，开工报告审批完成。
3.1.3工程所用的材料到位并验收合格。 3.1.4施工人员及工机具设备到位(特殊工种持证上岗)。 3.1.5施工场地清洁无杂物，具备施工的条件。 3.1.6人员组织机构建立并开始行使职责。 3.1.7 检查该项作业的上道工序应具备的技术条件。 3.1.8 施工技术交底和安全交底完成，且交底与被交底人员进行了双签字 3.2热处理前先决条件 3.2.1热处理操作工必须经过专业培训，并具有相应资质的考核委员会签发的资格证书。 3.2.2所使用的热处理设备运转正常。 3.2.3检测、计量器具已经检查和校验，且在检定的有效期内。 3.2.4施工交底工作已经完成，所有操作和检验人员必须熟悉热处理程序和相应的施工措施中的各项规定和要求。 3.2.5焊后热处理应在施焊工作结束并完成焊接自检和专检合格后进行。 四、作业人员及机具配置 4.1作业人员配置、人员资格及职责：
九江学院《工程材料及热处理》期末模拟 池茶永 2011-01-01 一、填空题（20×1％=20％） 1、常见的金属晶格类型有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格三种。 2、常见的表面热处理可分为表面淬火和表面化学热处理。 3、铸铁是含碳量在大于% 铁碳合金，单铸铁中的碳大部分不再以渗碳体的形式存在，而是以游离的石墨状态存在。 4、铸铁根据石墨形态不同可分为灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁四大类。它们在石墨的形态分别为_片状、棉絮状、球状和蠕虫状。 5、常用的常规热处理方法有回火、正火和淬火、退火。 6、合金常见的相图有匀晶相图、共晶相图、包晶相图和具有稳定化合物的二元相图。 7、实际金属中存在有点缺陷、线缺陷和面缺陷三类晶体缺陷。 8、过冷度是指理论结晶温度与实际结晶温度之差；其表示符号△T 。 9、钢的热处理工艺由加热、保温、冷却三个阶段所组成。 10、零件失效的形式有：变形失效、断裂失效及表面损伤失效。 12、根据晶胞的几何形状或自身的对称性，可把晶体结构分为七大晶系、十四种空间点阵。 13、热滞是由于过热和过冷现象的影响，加热时相变温度偏向高温，冷却时相变温度偏向低温的现象。 14、细化铸态金属晶粒主要采用下面两种方法为：增大金属的过冷度、变质处理。 15、合金钢按用途可分合金结构钢、合金工具钢、和特殊性能钢。 二、选择题（10×2％=20％） 1、化学热处理与其他热处理的主要区别是（ C ） A 组织变化 B 加热温度 C 改变表面化学成分 D 添加剂不同 2、调质处理就是（ A ）的热处理。 A 淬火+高温火 B 淬火+中温回火 C 淬火+低温回火 D 淬火+低温退火 3、零件渗碳后，一般需经过（ A ）才能达到表面硬度高而且耐磨的目的。 A 淬火+低温回火 B 正火 C 调质 D 淬火+高温回火 4、过共析钢的正常淬火加热温度是( C )。 A．Acm以上(30—50℃) B．Ac3以上(30—50℃) C．Ac1以上(30—50℃) D．Ac1以下(30—50℃) 5、属于体心立方晶格的金属有。（ B ） A.α-Fe,铝 B.α-Fe,铬 C.γ-Fe,铝 6、淬火的目的是把奥氏体化的钢件淬成( A )。 A.马氏体 B.铁素体 C.莱氏体 D.渗碳体 7、刀具、量具淬火后，一般都要进行低温回火，使刀具、量具达到( B )。 A.低硬度而耐磨的目的 B.高硬度而耐磨的目的 C.中硬度而弹性高的目的 D.高硬度而弹性高的目的 8、C曲线右移使淬火临界冷却速度（ A ），淬透性（）。 A 减小、增大 B 减小、减小 C 增大、减小 D、增大、增大
低碳钢熔化焊焊接接头组织分析 一、实验目的 1观察焊接接头的宏观组织及焊接缺陷 2、观察焊缝、热影响区及母材的各种典型结晶形态 3、掌握低碳钢焊接接头各区域的组织变化 4、测定在不同的焊接工艺下热影响区的宽度 二、实验概述 手工电弧焊的焊接过程如图1所示。当电弧在焊条与焊件之间引燃后，电弧热使焊件（与电弧接触部分）及焊条末端熔化，熔化的焊件和焊条（以熔滴形式下落）形成共同的金属熔池。焊条外面的药皮受热熔化并发生分解反应，产生液态熔渣和大量气体。液态熔渣包围着 熔滴，当其进入金属熔池后，因其比重小而浮在熔池表面。所产生的气体则包围在电弧和熔池周围。 图1手工电弧焊过程示意图 1、焊条芯 2、焊条药皮 3、液态熔渣 4、固态渣壳 5、气体 6、金属熔滴 7、熔池8焊缝9、工件 焊条因不断熔化下滴而应连续向下送进，以保持一定的电弧长度。同时，焊条还应沿焊接方向前进。当电弧离开熔池后，被熔渣覆盖的熔化金属就缓慢冷却凝固成焊缝金属，液态熔渣也凝固成固态熔壳。在电弧移达的下方，又形成新的熔池及其上的液态熔渣，以后又凝固成新的焊缝金属和渣壳。上述过程继续进行下去，只至整个焊缝被焊完为止。从而形成一条连续的焊缝金属。
在焊接过程中，由于焊接接头各部分经受了不同的热循环，因而所得组织各异。组织的 不同，导致机械性能的变化。对焊接接头进行金相组织分析，是对接头机械性能鉴定的不可 缺少的环节。 焊接接头的金相分析包括宏观和显微分析两个方面。 宏观分析的主要内容为：观察与分析焊缝成型、焊缝金属结晶方向和宏观缺陷等。 显微分析的主要内容为：借助于放大100倍以上的光学金相显微镜或电子显微镜进行观察，分析焊缝的结晶形态，焊接热影响区金属的组织变化，焊接接头的微观缺陷等。 焊接接头由焊缝金属和焊接热影响区金属组成。焊缝金属的结晶形态与焊接热影响区的 组织变化不仅与焊接热循环有关，而且与所用的焊接材料和被焊材料有密切关系。 （一）焊缝凝固时的结晶形态 熔化焊是通过加热使被焊金属的联接处达到熔化状态，焊缝金属凝固后实现金属的焊接。联接处的母材和焊缝金属具有交互结晶的特征，图2为母材和焊缝金属交互结晶的示意 图。由图可见，焊缝金属与联接处母材具有共同的晶粒，即熔池金属的结晶是从熔合区母材 的半熔化晶粒上开始向焊缝中心成长的。这种结晶形式称为交互结晶或联生结晶。当晶体最 易长大方向与散热最快方向一致时，晶体便优先得到成长，有的晶体由于取向不利于成长，晶粒的成长会被竭止，这就是 所谓选择长大，并形成焊缝中的柱状晶形态，如图3（a）所 示。 图2焊缝金属的交互结晶示意图 (a)
员工职业技能鉴定报名指南 一、申报条件 申报条件：指申请从事本职业相应等级职业技能鉴定的人员必须具备的学历、培训经历和工作经历等有关条件。 1、具备下述条件之一者，可申报国家职业资格五级（初级）： 1、经本职业初级（五级）正规培训达规定标准学时数，并取得结业证书； 2、在本职业连续见习工作2年以上； 3、本职业学徒期满。 2、具备下述条件之一者，可申报国家职业资格四级（中级）： 1、取得本职业初级（五级）职业资格证书后，连续从事本职业工作2年以上，经本职业中级（四级）正规培训达规定标准学时数，并取得结业证书； 2、取得本职业初级（五级）职业资格证书后，连续从事本职业工作5年以上； 3、连续从事本职业工作7年以上； 4、取得经劳动保障部门审核认定的、以中级（四级）技能为培养目标的中等以上职业学校本职业（专业）毕业证书。 3、具备下述条件之一者，可申报国家职业资格三级（高级）： 1、取得本职业中级（四级）职业资格证书后，连续从事本职业工作2年以上，经本职业高级
（三级）正规培训达规定标准学时数，并取得结业证书； 2、取得本职业中级（四级）职业资格证书后，连续从事本职业工作5年以上； 3、取得高级技工学校或经劳动保障行政部门审核认定的、以高级（三级）技能为培养目标的高等职业学校本职业（专业）毕业证书； 4、取得本职业中级（四级）职业资格证书的大专以上本专业或相关专业毕业生，连续从事本职业工作2年以上； 5、连续10年以上从事本职业工作，经本职业高级培训达到规定标准学时数，并取得毕（结）业证书者。 4、具备下述条件之一者，可申报国家职业资格二级（技师）： （一）、具备下列基本条件之一者可申报技师资格鉴定： 1、取得本职业（工种）高级职业资格证书后，并在本职业（工种）连续工作2年以上，或者虽不满2年但具有相关职业（工种）的中级职业资格证书。 2、取得高级技工学校（或大专）毕业证书和高级职业资格证书并从事本职业（工种）工作2年以上；或取得一年半学制式技师学院毕业证书者并从事本职业（工种）1年以上。 3、取得相同专业大学本科学历以上并从事本职业工作3年以上。 （二）、具备下列条件之一者可不受学历、资历（工作年限）、职业资格等条件的限制，破格直接申报技师职业资格鉴定： 1、获得国家级技能竞赛前七至十名，部、省级技能竞赛前四至六名的选手。 2、获得市级技术能手称号。 3、获得市级劳动模范；市级五一劳动奖章获得者。