昆明理工大学《金属材料工程基础》实验指导书材冶学院实验中心材料与冶金工程学院2006年7月实验一钢的热处理及性能一、实验目的：1、了解热处理设备结构组成，掌握热处理的基本操作方法。
2、建立热处理工艺与钢的成分、组织及性能之间的关系。
二、实验内容：（一）、热处理设备在实验室中由教师针对设备进行介绍及讲解。
（二）、热处理工艺参数的选择：热处理工艺参数包括：加热温度、加热时间和冷却方式等。
各种钢的加热温度，都是根据钢的临界点A C1、A C3、A CCm、来确定的。
碳钢及低合金钢的加热经验公式如表2—1。
其加热时间通常根据零件的有效厚度来计算，但应考虑装炉量及装炉方式加以修正，其经验公式及数据如表2—2。
（三）、热处理后的组织结构类型：1、珠光体：珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，因热处理工艺不同，珠光体中的渗碳体具有不同的形态。
（1）、若热处理工艺为普通的退火或正火时，其显微组织为片层状，称为片壮珠光体。
由于普通的退火或正火的冷却速度不同，因而珠光体的片间距离也不同，正火的冷却速度大于退火的冷却速度，因此正火后得到的组织比普通退火的细小，这些组织可能是索氏体或屈氏体。
根据片间距不同，珠光体类型的组织的性能也不同：a、珠光体（P）：片间距离Δ0＞0.4μm,硬度为HB180左右它在光学显微镜下放大500倍下,可清晰地看出片层状情况.b、索氏体(S): 片间距离Δ0=0.2～0.4μm，硬度为HB250左右，放大1000～1500倍时才能分辨出其片层状的特征。
c、屈氏体（T）：片间距离Δ0＜0.2μm，硬度为HB350～400左右，它需在电子显微镜下放大5000倍以上才能分辨出片层状的特点。
（2）、马氏体：马氏体是碳在α—Fe中的过饱和固溶体。
当钢的碳含量较低时，淬火后所得的是一束束尺寸大体相同的平行条状马氏体，称为板条马氏体，又叫低碳马氏体。
若含碳量较高时，淬火后得到的是针状马氏体，又叫高碳马氏体。
低碳马氏体具有足够的硬度、强度和高的塑性、韧性。
高碳马氏体硬度高，脆性大，塑性和韧性差。
（3）、残余奥氏体：、残余奥氏体是钢在淬火过程中残留下来的未转变的过冷奥氏体，它与一般奥氏体在本质上无任何区别，它同样是碳在γ-Fe中的固溶体，其含碳量的多少与钢的含碳量及热处理工艺有关。
4、淬火钢回火后的组织：淬火钢经不同温度回火得到不同转变产物。
（1）、回火马氏体：淬火钢在低温（150～250℃）回火后的转变产物。
因为马氏体析出碳化物，马氏体的碳浓度降低，正方度减小。
回火马氏体比淬火马氏体更容易腐蚀，故在显微镜下呈现暗黑色。
回火马氏体硬而耐磨，强度高而韧性差。
（2）、回火屈氏体：淬火钢在中温回火（350～500℃）回火后的转变产物。
其组织状态为极细的渗碳体和铁素体的机械混合物，但还保持了马氏体的方向性。
回火屈氏体的屈强比（бS／бb）高，弹性好。
（3）、回火索氏体：淬火钢在高温（550～650℃）回火的转变产物。
其组织状态为粒状渗碳体和铁素体的机械混合物，由于α相已进行了再结晶，因而无马氏体的方向性。
回火索氏体具有较高的综合机械性能。
淬火加高温回火的操作又称调质。
热处理后的组织及性能之间的关系是：奥氏体化后，随着冷却速度的增大，所得组织的硬度、强度提高而塑性、韧性降低。
淬火回火时，随着回火温度的升高，硬度和强度逐渐降低，而塑性、韧性逐步提高。
三、实验步骤：1、首先按照处理工艺规范进行退火、正火、淬火、回火（高、中、低）处理，每个人完成其中的一项处理工艺过程。
2、处理后测定每个试样的硬度值，记入表8—3；四、实验报告要求：1、实验原始数据表（按表8—3的形式）。
2、比较分析各种热处理工艺条件下的试样组织特征。
3、分析珠光体型的索氏体、屈氏体与索氏体、回火屈氏体的组织、性能上有什么不同，它们在什么条件下获得的。
实验二、铝硅合金熔铸及组织分析一、实验目的：1、了解及学习合金的熔铸全过程；2、掌握铝硅合金的变质处理；3、学会分析铝硅合金变质前后显微组织特征及性能；二、实验说明：在铸造合金中，以Ai—Si共晶为基的合金是最常用的，这主要是因为铸造性能好，硅在结晶时象石墨一样体积是膨胀的，收缩小，降低了铸件的热裂倾向，此外线膨胀系数很低，导热性好，广泛用于制造内燃机和压缩机的活塞。
并且经过变质处理以后，可以提高强度和韧性。
三、实验内容：铝硅合金是应用最广泛的一种铸造合金，常称为硅铝明，典型牌号为ZL102、含硅11—13％，从Ai—Si合金相图可知，其成分在共晶点附近，而具有良好的铸造性能。
当硅含量大于共晶成分时，铸造后得到的组织为粗大的针状硅和α固溶体所组成的共晶体及少量呈多面体的初生硅晶体组成。
粗大的硅晶体极脆，而严重地降低了合金的塑性，为了改善合金的性能，可采用变质处理。
即再浇注前加入占合金总量2—3％变质剂（常用的变质剂为2∕3NaF+1∕3NCl的混合物）。
由于钠能促进硅的形核，并能吸附在硅的周围阻碍硅晶体的张大，使合金组织细化。
同时使合金的共晶点右移，而使原成分合金变为亚共晶，使变质后的合金组织成为初生α固溶体和细蜜共晶体（α+。
Si）组成。
由于共晶体中硅的细化，而使合金的强度与塑性显著改变。
四、实验程序；加入金属硅↘1、配料→熔化金属铝→700—750℃→待硅熔化后进行搅拌→静置5分钟后→进行浇注。
加入金属硅加入变质剂↘↘2、配料→熔化金属铝→700—750℃→待硅熔化后→进行搅拌→静置5分钟后→进行浇注。
3、磨制金相试样，观察及分析金相组织；（1）、未经变质处理的组织：粗大的针状硅和α固溶体所组成的共晶体及少量呈多面体的初生硅晶体。
即（α+Si针状）共晶体+Si块。
（2）、经变质处理的组织：初生α固溶体和细蜜共晶体，即α+（α+Si点状）共晶体（3）分别测定变质前后两种合金的布氏硬度值。
五、实验任务与要求：1、说明合金实验方案及成分设计的要求。
2、绘出铝硅合金变质前后的金相组织。
绘在一个直径30mm的圆内并注明材料、状态、组织、放大倍数、浸蚀剂。
3、测定变质前后的试样的硬度，分析组织及性能之间的关系。
实验三、表面处理及组织观察分析（一）、钢铁工件上电沉积锌一、实验目的：1、掌握电镀前工件的预处理过程及对镀层质量的影响2、掌握阴极电流密度对镀层质量的影响规律3、了解电镀液中各成分的作用4、了解电镀工艺条件对镀层质量的影响二、实验内容简介电镀是在整流电作用下，以工件为阴极，使电解液中的金属离子还原并沉积到工件表面，形成具有一定性能的金属镀层的过程。
其目的和意义主要是改善材料的外观，提高材料的各种物理化学性能，赋予材料表面特殊的耐蚀性、耐磨性、焊接性、装饰性及各种电、磁、光学等性能，在工业中的应用较为广泛。
锌镀层是一种银白色的镀层，在干燥大气中性质稳定，其标准电极电位低于Fe。
在一般的腐蚀介质中均可为阳极镀层，对基体有电化学保护作用和机械保护作用，其工艺成熟、操作简单。
在电镀生产中，电镀Zn占总产量的60%以上，因此本实验以电镀Zn为例，帮助我们进一步了解电镀过程及各工艺参数的影响。
1、电镀原理当整流电通过两电极及两极间含金属离子的电解液时，金属离子在阴极上还原沉积成镀层，而阳极氧化将金属转移为离子。
M（阳极）-Ze →M Z+M Z+（阳极表面）+Ze →M（金属镀层）实际上，金属的沉积过程要比上述电化学反应式所表达的要复杂得多，要实现金属离子在阴极上的还原，必须使还原电位小于其平衡电位，产生阴极极化。
在这个条件下，金属离子沉积为金属镀层要经过以下四个步骤：传质步骤、前置化学步骤、电荷转移步骤、结晶步骤。
2、电镀层的基本要求不同的金属镀层具有不同的物质，甚至同一种镀层因应用场合的不同，对它的要求也有差异，但是通过电镀形成的金属镀层，不管品种和性质如何，人们对它都有一些共同的要求。
（1）镀层与基体间有良好的结合力，不允许出现镀层起鼓、爆皮、脱落等现象。
（2）镀层应结构致密，表面光滑平整，有的甚至要求具有一定的光亮度。
（3）工件不同部位，厚度要均匀，或在基体表面各部位镀层厚度的差异尽可能地小。
除此之外，还应结合工件的实际服役现状，对镀层有一些特别而具体的要求，如硬度、耐蚀性、色彩等。
3、电镀过程及步骤（1）电镀前工件预处理为了得到健全、致密、结合力良好的镀层，电镀前需对工件进行一些前处理工作。
常分为以下几个步骤：a、工件表面整平用机械方法（如磨光、抛光、滚光、刷光、喷砂等）使工件表面达到规定的光滑程度，其机理主要是使磨料与工件表面充分摩擦、碰撞、除去表面的划痕、浇口、毛刺、氧化皮、焊缝等宏观缺陷。
b、除油（脱脂）除油是电镀前处理的一项重要工序，若除油不彻底就会影响镀层与基体金属的结合力或使镀层发花。
用有机溶剂（如四氯化碳、汽油、丙酮等）、碱液等，采用化学法、电化学法、超声波振动清洗以除去工件表面的汗渍、油污等。
随着工业的发展，工件在加工和使用过程中所用的润滑油类别也发生着变化，往往是两类油脂均有应用，因而除油过程往往是几种方式结合起来使用，效果较好。
常用碱液脱脂配方（g/l）和工艺条件（黑色金属适用）：NaOH Na2CO3Na3PO4•12H2O Na2SiO3YC除油添加剂温度（℃）配方1：50~100 25~35 25~35 10~15 80~95配方2：40~60 25~35 25~35 10~15 60~80c、酸洗：酸洗是镀前处理的重要工序，良好的酸洗工艺是镀层与基体金属结合力的重要保证，其目的是去除工件上的氧化物、锈蚀等，露出金属晶格，为了避免出现“过腐蚀”和“渗氢”，常在酸洗液中加入一些添加剂（如缓蚀剂、表面活性剂等），起除油、抑雾、缓蚀等作用。
钢铁工件常用酸洗液的配方及工艺条件：HCL(d=1.18g/cm3) 乌洛托品（六次甲基四胺）时间(min) 温度（℃）150~400g/L5g/L 1~5 10~35缓蚀剂多为含氮或硫原子的有机物，缓蚀剂的作用机理被认为：缓蚀剂本身带电荷，与锈及氧化皮的吸附力很差，不能形成保护膜。
故不断被溶解下去。
缓蚀剂易于吸附在基体金属上并形成分子膜保护金属，同时增加了氢的超电压，阻止了酸的作用以达缓蚀目的。
d、中和与水洗中和指用碱中和工件经化学去锈，水洗后残留在其上的酸液。
虽经过水洗，但在工件表面，尤其是焊缝、小孔、深孔等部位仍残留酸液，很易再次腐蚀工件，故需中和处理，常用中和处理工艺为：Na2CO3 PH 温度（0C）时间（min）20~50g/l 9~11 40~60 0.5~1中和后再以水洗干净工件上的余碱，之后工件立即转入电镀槽。
工件经上述磨光、抛光、去油、去锈、去旧涂膜等预处理工序后，要求其达到规定的洁净程度（清洁度），清洁度的高低是衡量表面预处理质量好坏的指标，但迄今为止还没有一种简单而灵敏的检测方法，加上表面处理各行业对表面清洁度的要求也不完全相同，各行业均根据自己的要求和条件选用不同的方法来检测清洁度。
