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 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。

样 品 加热温度 保温时间 冷却方式 20# 880℃ 25min 空冷 45# 淬火880℃ 高温回火 600℃ 淬火25min 高温回火25min 水冷

T10 900℃ 30min 水冷

2、选定硬度测试参数，一般用洛氏硬度。 样 品 20# 45# T10 硬 度 HRB50 HRC20 HR63

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。

样 品 成分 组织 性能 20# 马氏体 F+P 冲压性与焊接性良好 45# 马氏体 F+P 经热处理后可获得良好的综合机械性能 T10 马氏体+奥氏体 P+Fe3CII 硬度高，韧性适中 . . . 【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；

样 品 显微组织 性能（硬度） 20# 白色颗粒为铁素体，黑色块状为珠光体(F+P) 冲压性与焊接性良好 45# 灰黑色区为细片状及粗片状珠光体，沿晶界析出白色条状铁素体。(F+P) 经热处理后可获得良好的综合机械性能 T10 组织为珠光体和二次渗碳体(P+Fe3CII) 硬度高，韧性适中

2、三种材料在退火状态下显微组织和性能（硬度）的异同； 样 品 显微组织 性能（硬度） 20# 白色颗粒为铁素体，黑色块状为珠光体(F+P) 冲压性与焊接性良好 45# 灰黑色区为细片状及粗片状珠光体，沿晶界析出白色条状铁素体。(F+P) 经热处理后可获得良好的综合机械性能 T10 组织为珠光体和二次渗碳体(P+Fe3CII) 硬度高，韧性适中

3、总结出碳钢成分—组织—性能—应用之间的关系； 样 品 成 分 组 织 性 能 应 用 . . . 20# W(C)=0.20% F+P 冲压性与焊接性良好 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。 45# W(C)=0.45% F+P 经热处理后可获得良好的综合机械性能 齿轮，轴类，套筒等

T10 W(C)=1.0% P+Fe3CⅡ 优质钢，硬度高，韧性适中 钻头，刨刀，丝锥，手锯条等刃具及冷作模具等。

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）﹜

铁素体 珠光体 铁素体

珠光体

珠光体 铁素体 珠光体 铁素体 .

. . 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）﹜

铁素体 珠光体 一次渗碳体 莱氏体

珠光体 共晶渗碳体 珠光体 二次渗碳体

二次渗碳体 珠光体 .

. . 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。

组织名称 表示符号 形成温度围/℃ 硬度 能分辨其片层的放大倍数 珠光体 P A1～650 170～200HB 〈500X 索氏体 S 650～600 25～35HRC 〉1000X 屈氏体 T 600～550 35～40HRC 〉2000X

F铁素体 P珠光体 .

. . 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: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。

细片状珠光体P

条状铁素体F