金属工艺学课程实验实验

作者：旭海游龙 | 发布时间：2021-01-07 01:20:58 收藏本文下载本文

实验一平衡态铁碳合金成分、组织、性能之间关系的分析 1 1.1 典型铁碳合金的平衡组织观察与分析一、实验目的 1．通过实验能识别铁碳合金在平衡状态下的显微组织。

2．掌握碳含量对铁碳合金平衡组织形貌及相组成比例的影响。

二、实验原理简介利用金相显微镜观察金属的内部组织和缺陷的方法称为显微分析（或金相分析）。合金在极其缓慢的冷却条件（如退火状态）下所得到的组织称为平衡组织。铁碳合金平衡组织的观察与分析，要依据 Fe-Fe 3 C 相图来进行。

1．室温下铁碳合金基本组织特征（1）铁素体（F）铁素体是碳溶于-Fe 中形成的间隙固溶体。经 3%～5%的硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现白亮色多边形晶粒。在亚共析钢中，铁素体呈块状分布，当合金的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晶界上。

（2）渗碳体（Fe 3 C）渗碳体是铁与碳形成的一种化合物。经 3%～5%的硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下为白亮色；若用苦味酸钠溶液浸蚀，则渗碳体呈暗黑色，而铁素体仍为白亮色，由此可以区别铁素体和渗碳体。由于铁碳合金的成分和形成条件不同，渗碳体可以呈现不同的形状,一次渗碳体是由液相中直接结晶出来，呈板条状游离分布；二次渗碳体是从奥氏体中析出的，呈网状分布在珠光体晶界上；三次渗碳体是从铁素体中析出，呈窄条状分布在铁素体晶界上。

（3）珠光体（P）珠光体是铁素体和渗碳体的两相复合物。在平衡状态下，它是由铁素体和渗碳体相间排列的层片状组织。经 3%～5%的硝酸酒精溶液浸蚀后，铁素体和渗碳体皆为白亮色，而两相交界呈暗黑色线条。在不同的放大倍数下观察时，组织特征有所区别。如在高倍（600 倍以上）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白亮色，而两相交界为暗黑色；在中倍（400 倍左右）下观察时，白亮色的渗碳体被暗黑色交界所“吞食”，而呈现为细黑条，这时看到的珠光体是宽白条铁素体和暗黑细条渗碳体的相间复合物；在低倍（200 倍以下）下观察时，无论是宽白条的铁素体还是暗黑细条的渗碳体都很难分辨，这时珠光体呈现暗黑色块状组织。

（4）变态莱氏体（Ld）变态莱氏体是珠光体和渗碳体组成的复合物。经 3%～5%的硝酸酒精溶液浸蚀后，变态莱氏体的组织特征是，在白亮色渗碳体基体上相间分布着暗黑色块状或暗黑色条状和点状珠光体。

2．室温下典型铁碳合金的平衡组织特征（1）工业纯铁工业纯铁的碳质量分数小于 0.0218%，组织为单相铁素体。铁素体呈白亮多边形晶粒，晶界呈暗色的网络，并在晶界的局部区域分布有微量亮白窄条状三次渗碳体（Fe 3 C Ⅲ）。

（2）亚共析钢亚共析钢的碳质量分数为 0.0218%～0.77%，组织为铁素体（白亮多边形块状）加珠光体（暗色层状）。

（3）共析钢共析钢的碳质量分数为 0.77%，其室温组织为单一的珠光体。其中白亮铁素体和暗色渗碳体以层状相间。

（4）过共析钢过共析钢的碳质量分数为 0.77%～2.11%，在室温下的平衡组织为珠光体加二次渗碳体。其中，二次渗碳体呈白亮网状分布在暗色珠光体的晶界上。

（5）亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁的碳质量分数为 2.11%～4.3%，室温下的平衡组织为珠光体、二次渗碳体加变态莱氏体。其中变态莱氏体为基体，在变态莱氏体基体上分布着暗色块状或椭圆状的珠光体，在珠光体晶体边缘有一薄层白亮二次渗碳体。

（6）共晶白口铸铁共晶白口铸铁的碳质量分数为 4.3%，其室温下的显微组织为变态莱氏体，其中渗碳体为白亮基体，珠光体以暗色细条状和点状嵌镶分布在白亮渗碳体基体上。

（7）过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁的碳质量分数为 4.3%～6.69%，其室温下的显微组织为变态莱氏体加一次渗碳体。一次渗碳体呈白亮板条状嵌镶分布在变态莱氏体的基体上。

以上七个典型铁碳合金的平衡组织特征，请参阅金相实验室《铁碳合金室温平衡组织》挂图。

三、实验设备及实验用品（只需写需要什么设备就可，不必介绍设备）1.金相显微镜（参照图 1.1 金相显微镜的成象原理）（了解内容不用写）金相显微镜的种类很多，通常可分为台式、立式和卧式三大类。

（1）金相显微镜的成象原理最简单的显微镜可看作是由两片透镜组成的光学系统，如图 1.1 所示。靠近物体的透镜 L 1 叫物镜，靠近眼睛的透镜 L 2 叫目镜, F 1 是物镜的前焦距，F 2 是目镜的前焦距，F 1′ 与F 2 间的距离称为光学镜筒长度，用表示。被观察的物体 AB 放在物镜的前焦距 F 1 之外的位置，通过物镜后可获得一个倒立的放大实象 A 1 B 1，它恰好位于目镜的前焦距 F 2 之内，目镜将此象再次放大，在明视距离 S 处形成虚象 A 2 B 2，A 2 B 2 为眼睛这一光学系统的目标。人眼所见到的最终图象，相对物体是倒立的，其放大倍数为物镜倍数和目镜倍数的乘积。

（2）金相显微镜结构金相显微镜的构造一般由光学系统、照明系统、机械系统和摄影系统四部分组成。现以国产 4X 型台式金相显微镜为例，其结构如图 1.2 所示。

其组成有：1）载物台；2）物镜；3）物镜转换器；4）传动箱；5）微动调焦手轮；6）粗动调焦手轮；7）光源；8）偏心圈；9）样品；10）目镜；11）目镜管；12）固定螺钉；13）调节螺钉；14）视场光阑；15)孔径光阑（3）金相显微镜的使用规程与注意事项（参照图 1.2 4X 型金相显微镜外形结构图）金相显微镜是一种精密、贵重的光学仪器，因此使用时要求细心、谨慎，要熟读使用说明书。国产 4X 型金相显微镜的使用规程和注意事项如下：

1）根据观察试样所需的放大倍数选用合适的物镜和目镜，并分别安装在物镜转换器上及目镜筒内，并使物镜进入光路。

2）移动载物台，使物镜及由物镜内射出的光束位于载物片中心孔的位置。然后将试样的观察面正对着物镜倒置在载物片的中心孔上，并用弹簧片压住。

3）将显微镜的光源插头插在变压器上，通过低压（6V～8V）变压器接通电源。切勿将插头直接插在 220V 的电源插座上，以防烧损灯泡。

4）转动粗调手轮使载物台下降，同时用眼睛观察，使试样观察面尽可能接近物镜（但不许与物镜相碰），然后向相反方向转动粗调手轮，使载物台缓慢上升以调节焦距。当视场

亮度逐渐增强并呈现出影象时，再改用微调手轮进一步调节，直到所观察的物象清晰为止。在旋动粗微调手轮时，动作必须要缓慢，若碰到某种阻碍时应立即停止操作，并报告指导教师查找原因，不得用力强行动作，否则会损坏机件。

5）选择合适的滤色片，并适当调节孔径光阑和视场光阑，以获得最佳质量的物象。

6）若使用油浸系物镜，要在物镜的前透镜上滴一滴松柏油或直接滴在试样上。油浸系物镜使用后应立即用脱脂棉或镜头纸沾取二甲苯溶液擦拭干净。切忌不得用酒精，以防透镜的胶粘部位被溶解损坏镜头。

2．金相试样（了解内容不用写）（1）金相试样的制备方法金相试样的制备过程包括：取样、镶样、磨光、抛光、腐蚀五个步骤。

1）取样取样部位的选择，取决于被分析材料或零件的特点、加工工艺过程及热处理方法，并结合分析目的选择有代表性的部位。截取试样时，应保证被分析部位的组织不发生变化，较软的材料可用锯、车、刨等加工方法；较硬的材料可采取砂轮切割机切割或电火花切割；硬而脆的材料，如白口铸铁可以用锤击的方法取样；在大工件上取样可使用氧气切割。试样截取的大小以便于握持为准，一般直径为 15mm～20mm、高为 15mm～20mm 的圆柱体或边长为 15mm～20mm 的立方体。试样截取后，还要使用砂轮或锉刀将切割面磨平,并去掉毛刺。

2）镶样（参照图 1.3 金相试样的镶嵌方法）当试样尺寸过小或形状极不规则，如带、丝、片、管等难以握持的试样需要镶嵌。镶嵌的方法主要有机械镶嵌、低熔点镶嵌、塑料镶嵌。

3）磨光将截取和镶嵌好的试样先用砂轮磨平，然后在金相砂纸上进行磨光。磨光前要将经砂轮修整的试样用清水冲洗并吹干，然后依次在由粗到细（320 号—1200 号）的各号金相砂纸上把金相磨面磨光。磨光时将砂纸平放在玻璃板上，用左手按住砂纸，用右手两指夹持试样，使磨面朝下并与砂纸表面均匀接触，在轻微按压力的作用下，在砂纸上朝向一个方向进行磨制，直到磨面上仅留有一个方向的均匀磨痕为止，再更换较细一号的砂纸。每更换较细一号砂纸前，试样都要进行水洗，以便冲洗掉残留砂粒。为便于观察前一号砂纸留下的磨痕的消除情况，在更换砂纸后磨面磨制的方向要与前一号砂纸磨痕方向成 90或 45。如此依次进行下去，直磨到最细一号（1200 号）砂纸为止。

4）抛光抛光的目的在于去掉金相磨面上的细微磨痕而获得光亮镜面。

常用的抛光方法有机械抛光、电解抛光和化学抛光三种，其中以机械抛光应用最广。

机械抛光是在抛光机上进行的，它是靠抛光微粉磨料对磨面的机械作用而使其成为光亮的镜面。抛光机主要由电动机和抛光盘组成。抛光盘上铺以细帆布或呢绒、丝绸等抛光织物。抛光时，在旋转的抛光盘上不断地滴入由微粉磨料和软水配成的抛光液。抛光常用的微粉磨料是极细粒度的 AI 2 O 3、Cr 2 O 3、MgO，以及金刚石研磨膏。操作时，将试样磨面朝向铺有抛光织物的抛光盘，并均匀地按压在旋转的抛光盘上，并沿抛光盘的边缘到中心不断地做径向往复运动。抛光结束后，先用清水冲洗，再用脱脂棉蘸无水乙醇轻轻擦拭磨面，以拭去磨面的灰雾，最后用吹风机吹干，从而获得一个光亮无痕的镜面。

5）腐蚀抛光后的试样镜面在显微镜下只能看到夹杂物、石墨、孔洞、裂纹等，而看不到组织。要得到有关显微组织的信息，还必须经过组织的显现。常用的显现组织的方法主

要有化学浸蚀和电解浸蚀。

化学浸蚀是利用浸蚀剂对试样表面进行化学溶解作用或电化学作用，来显示金属的组织。对于纯金属或单相合金的浸蚀是一个化学溶解过程，试样被浸蚀后表面呈现出凹凸状，在显微镜光源光线的照射下，晶界与晶粒以明暗显示出来。对于两相以上合金的浸蚀，主要是一个电化学浸蚀过程。由于金属组织各组成相的成分不同，所以具有不同的电极电位，试样在浸蚀剂中就在两相之间形成许多“微电池”。电极电位低的一相为阳极，被浸蚀剂溶解形成凹陷状，电极电位高的一相为阴极，在正常电化学作用下不易被溶解，相对阳极相呈现凸状，结果在显微镜下观察到了不同的组织特征。

进行化学浸蚀时，应将试样抛面浸入浸蚀剂中，或用脱脂棉沾浸蚀剂涂擦试样抛面进行浸蚀。浸蚀时间要适当，一般当试样原光亮的镜面失去原有的光泽而出现暗灰色时就可停止，并随即用清水冲洗试样，再用沾无水乙醇的脱脂棉轻轻擦拭，拭后用吹风机吹干，既可在显微镜下进行观察和分析。常用的化学浸蚀试剂见表 1.1。

（2）按表 1.2 提供的金相样品种类，备好金相试样和显微组织图片。

四、实验步骤与方法 1．通过电化教学的手段，使学生了解实验用金相显微镜的原理、结构、使用方法及注意事项；了解金相试样的制备过程与方法。

2．每一位同学，在金相显微镜下认真观察表 1.2 中所列试样的显微组织，识别不同碳含量合金的组织特征，并分析总结碳含量对合金组织形貌及各相（F、Fe 3 C）相对量的影响规律。

3．在金相显微镜下选择每种合金显微组织的典型区域，并根据组织特征描绘出显微组织示意图。

4．记录观察试样的合金名称、碳含量、组织名称、浸蚀剂、观察倍数、组织特征。

五、实验报告内容及要求 1．通过观察分析，画出表 1.2 中所列每种铁碳合金显微组织示意图，并用引线和符号标出各种组织的名称，在组织示意图下方填写合金名称、合金碳含量、显微组织名称、观察倍数、浸蚀剂等各个项目内容。

2．分析总结碳含量对铁碳合金组织中的两个组成相（F、Fe 3 C）的形貌和相对量的影响规律。

1.2平衡态碳素钢的碳含量与组织、力学性能之间的关系一、实验目的 1．深入理解并掌握平衡态碳素钢的碳含量与组织和力学性能之间的关系。

2．了解常用布氏硬度计、洛氏硬度计的原理、构造，并掌握其操作方法。

3．了解各种硬度之间、硬度与强度之间的换算关系。掌握用硬度测试值估算强度的方法。

二、实验原理简介由典型铁碳合金平衡组织观察可知，铁碳合金室温下的平衡组织均由铁素体和渗碳体两相组成，并且两相组成的相对比例、形状、大小及分布状况均随着合金碳含量的增加而发生变化。由于铁素体和渗碳体两相的力学性能相差悬殊，因此随着合金碳含量的变化，合金的各项力学性能判据将发生变化。

在常用的力学性能判据中，硬度是金属材料最常用的性能判据之一。因为相对强度而言，硬度的测试既简便迅速，又不破坏零件，所以用硬度值来推算强度值，即便是近似的，也有十分重要的实用价值。根据大量的实验研究证明，各种硬度值之间，硬度值与强度值之间是有近似的相应关系的。这些近似的相应关系，便于工程技术人员通过材料硬度的测试数据，来分析判断材料的强度。

1.常见几种硬度的近似换算公式（1）HB 与 HR 关系：

  730013040 100HRBHRB（）   333000100702HRAHRA(55)HBHRCHRCHRC  1520000 450010020 402()()   25000 10 57100602HRCHRCHRC(50)（2）HB 与 HV 关系: 当 HB400 时, HBHV 当 HB400 时, HBHV（3）HV 与 HRC 关系:  HVHRC2 1011262 2.硬度与强度之间的一些经验公式（1）有色金属 b 与 HB 有如下关系：

 b =HB

式中的大小与有色金属的种类有关，见表 1.3。

（2）黑色金属硬度与强度之间关系，见表 1.4。

三、实验设备及实验用品（（只需写需要什么设备、用品就可，不必介绍设备））1．布氏硬度计（参照图 1.4 HB-187.5 型布氏硬度计结构简图）（1）布氏硬度计结构以 HB-187.5 型布氏硬度计为例，布氏硬度计的结构如图 1.4所示。

其组成有：1）机身；2）手柄；3）手轮；4）丝杠；5）工作台；6）压头；7）紧固螺钉；8）主轴；9）弹簧；10）调整旋扭；11）投影屏；12）顶罩；13）杠杆；14）推杆；15）砝码台；16）后盖板；17）活塞；18.变换旋扭（2）布氏硬度计的操作方法（参照图 1.5 布氏硬度计操作程序示意图）1）将机身后端电源插头接上电源，打开机身右侧下方的电源开关，此时投影屏上显示出图 1.5—Ⅰ所示图象。

2）将被测表面无氧化皮的试样置放到工作台上，然后顺时针转动手轮，使试样的被测试表面与压头接触，继续缓慢转动手轮，使置放试样的工作台继续升高，直到投影屏上的横向基准线与中线左面标尺刻度线 100 相重合（上下偏移不大于 5 个小格）。

3）旋转投影屏下方的微调旋钮，使分划板上标尺的 100 刻度线与投影屏上的横向基准线相重合。此时，预负荷 10 公斤的力施加在试样的表面上（如图 1.5—Ⅱ所示图象）。

4）拉动加荷手柄，使其离开死点位置，则主负荷将缓缓地施加在试样上，此时投影屏上的标尺慢慢回行并停止在一定位置（如图 1.5—Ⅲ所示图象）。

5）将卸荷手柄板回到原位置，使主负荷卸除。此时投影屏上的横向基准线处于标尺的某一位置（如图 1.5—Ⅳ所示图象）。

6）下降工作台，并取下试样，此时投影屏又恢复到图 1.5—Ⅰ的状态（如图 1.5—Ⅴ所示图象）。

7）取下试样后，使用读数显微镜测量压痕的直径。再根据测得的压痕直径查阅布氏硬度数值表，即可获得布氏硬度值。

（3）读数显微镜的使用方法（参照图 1.6 读数显微镜测量示图）在读数显微镜的测微目镜组中装有两块上下分划板，上分划板刻有 0～6 毫米长的标尺，见图 1.6a。标尺每格的格值为 1 毫米。下分划板装在上分划板的下面，其上刻有一条长刻线，并和上分划板的标尺相垂直，见图 1.6a。当旋动读数指示套（见图 1.6b）时，下分划板可左右移动，而上分划板则固定不动。读数指示套由 0～100 划分了 100 个小格，每一小格的单位是 0.01 毫米。

使用读数显微镜测量压痕直径时，将仪器置于被测试样上，并使读数显微镜的入光孔朝向光线，被测试样用自然光或灯光照射，然后调节目镜焦距，使视场中同时看清分划板和物象，如图 1.6a 所示。进行测量时，先旋动读数指示套，使刻有长丝的下分划板移动，同时稍微移动读数显微镜，使竖直长丝与被测压痕的一边相切，得一读数，然后再旋动读数指示套，使竖直长丝与被测压痕的另一边相切，又得一读数，二者之差即为被测压痕的直径。

2．洛氏硬度计（参照图 1.7 HR-150A 型洛氏硬度计结构简图）（1）洛氏硬度计的结构

以 HR-150A 型洛氏硬度计为例，洛氏硬度计的结构如图 1.7 所示。

其组成有：1）指示器；2）紧固螺钉；3）交换手柄；4）卸荷手柄；5）加荷手柄；6）齿条；7）缓冲器；8）油针； 9）顶杆；10）砝码交换架；11）砝码；12）吊杆；13）调整块；14）加荷杠杆；15）小杠杆；16）接杆；17）顶杆；18）主轴；19）试样；20）工作台；21）工作台螺旋立柱；22）手轮；23）凸轮；24）大齿轮。

（2）洛氏硬度计的操作方法 1）清理试样表面，使被测表面无油脂、氧化皮、裂纹、凹坑、显著的加工痕迹以及其它外来污物等。

2）根据被测材料的种类，选择压头及载荷。再根据试样的形状及大小选择合适的工作台。

3）将试样平稳地放置在工作台上，然后顺时针旋转手轮，使工作台缓慢上升，并顶起压头，到小指针指着红点，大指针旋转三圈垂直向上为止（允许相差5 个刻度，若超过 5个刻度，此点应作废，重新试验）。

4）旋转指示器外壳，使 C、B 之间长刻线与大指针对正。

5）拉动加荷手柄，施加主试验力，这时指示器的大指针按逆时针方向转动。当指示器指针的转动明显停顿下来后，即可将卸荷手柄推回，卸除主试验力。注意主试验力的施加与卸除，均需缓慢进行。

6）在指示器上读取相应的标尺读数：采用金刚石压头试验时，按表盘外圈的黑字读取，采用淬火钢球压头试验时，按表盘内圈的红字读取。

7）逆时针转动手轮，降下工作台，卸除初载荷，取下试样。

8）为使试验结果准确，每个试样至少要测定三点，取其平均值。并注意相邻两压痕的中心以及任一压痕中心距试样边缘的距离都不得小于 3mm。

3.根据实验人数，制备 20 钢测试试件数件；T12 钢洛氏硬度测试试件数件。

四、实验步骤与方法 1．每一位同学领取 20 钢一件，按照布氏硬度试验操作步骤，对 20 钢试件进行布氏硬度测定；通过附录-1 的布氏硬度数值表，查出各试件的 HBS 值； 2．每一位同学领取 T12 钢试件一块，按照洛氏硬度的试验操作步骤，使用洛氏硬度计的 C 标尺，对 T12 钢试件进行洛氏硬度测定，并作好测试数据的记录。

五．实验报告内容及要求 1．课堂实验报告（1）在进行布氏硬度、洛氏硬度实验操作的同时，填写指导书表内容：

2．课后实验报告（1）简述布氏硬度和洛氏硬度试验的优缺点及应用范围。

（2）以合金的碳含量和测试的布氏硬度值及强度值为坐标参数，建立合金碳含量与硬度、强度之间的关系曲线。

（3）根据实验数据说明碳素钢的碳含量与组织、性能之间的关系。

实验 2 钢的普通热处理及组织观察一、实验目的 1．掌握退火、正火、淬火热处理工艺的操作方法，掌握根据零件硬度要求来选择回火温度的原则。

2.熟悉连续冷却转变速度对钢的组织和硬度的影响规律；熟悉回火温度对淬火马氏体分解产物及硬度的影响。

3.了解淬火钢回火脆性发生的温度范围，理解回火后采用不同冷却方式的涵义。

4.对钢热处理后的组织进行金相观察。

二、实验原理钢的热处理是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺。最基本的热处理工艺包括退火、正火、淬火及回火。

热处理后组织的分析，要借助于等温转变曲线。以图 1-1 共析碳钢的等温转变曲线为例，图中的 V 1 连续冷却速度相当于炉冷，叫作退火。获得粗片状的珠光体。V 2 相当于空冷，为正火。获得较细片状的索氏体。V 3 相当于油冷，为淬火。获得了托氏体加马氏体的混合组织。V 4 相当于水冷，为淬火。其冷却速度大于马氏体临界冷速，获得马氏体。

由获得的组织可分析判断硬度的大小。显而易见，炉冷后的硬度小于空冷后的硬度，油冷后的硬度小于水冷后的硬度。

1.退火将钢加热至适当温度保温，然后缓慢冷却（炉冷）的热处理工艺叫做退火。退火的种类很多，常用的有完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火、再结晶退火。一般情况下，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 +（10～20）℃（球化退火）； 2.正火图 1-1 共析钢等温冷却曲线

其方法是将钢加热到相变点以上完全奥氏体化后，在空气中冷却。正火的加热温度比退火高，一般为 Ac 3 或 Ac cm 以上（30～50）℃。保温时间主要取决于工件有效厚度和加热炉的型式，如在箱式炉中加热时，可以每毫米有效厚度保温一分钟计算。保温后一般可在空气中冷却。

3.淬火将钢加热到相变点以上，使钢发生奥氏体化，然后保温一定时间，以大于马氏体临界冷却速度 Vc 的速度进行快冷，使过冷奥氏体发生马氏体转变的热处理工艺，称为淬火。淬火加热温度选择的原则是，亚共析碳钢为：Ac 3 +（30～50）℃，共析碳钢和过共析碳钢为：Ac 1 +（30～50）℃。

在空气箱式炉保温时间按下列经验公式估算：

碳素钢：t =（1～1.2）H 合金钢：t =（1.2～1.5）H 式中：t—保温时间（min）H—工件有效厚度（mm）有效厚度 H 是指工件在受热条件下在最快传热方向上的截面厚度，如圆柱体有效厚度H=D（直径），圆盘有效厚度 H=h（厚度），筒形工件有效厚度 H=（D-d）/2 常用淬火冷却介质有水、油以及盐或碱的水溶液等。

4.回火将淬火钢重新加热到 A 1 以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺，称为回火。回火的目的是调整和改善钢的性能，稳定工件尺寸，消除淬火内应力。

钢淬火后都要回火，回火温度的选择决定于钢最终要求的组织和性能。按加热温度高低，回火可分为三类：

（1）低温回火。低温回火温度为 150～250℃，所得组织回火马氏体。其目的在保持钢高硬度的条件下，使脆性有所降低，残余内应力有所减小。低温回火常用于工具、轴承、渗碳件及碳氮共渗件表面淬火件。

（2）中温回火。

中温回火温度为 350～500℃，所得组织为回火托氏体。其目的是在钢具有高屈服强度及优良的弹性的前提下使钢具有一定塑性和韧性。中温回火常用于弹簧钢。

（3）高温回火。高温回火温度为 500～650℃，所得组织为回火索氏体。其目的是使钢既有较高的强度又有良好的塑性和韧性的综合力学性能。我们把钢淬火加高温回火的热处理工艺称为调质处理。高温回火常用于主轴、半轴、曲轴连杆、齿轮等重要零件。

淬火钢在某些温度范围内回火时，钢的韧性不仅没有提高，反而显著降低，这种现象称为回火脆性。为了避免回火脆性的发生，对于小型工件在 450℃～650℃回火后，采用快速冷却的方法。对于大型工件只有在钢中加入 W、Mo 等合金元素方可避免。

三、实验设备及材料 1.箱式电阻炉，洛氏硬度计 2.夹钳、砂布、机油、清水等辅助实验用品 3.规格为10×15mm 的 45 钢、T10 钢试件各 1 套四、实验步骤和方法 1.热处理操作实验按表 1-1 所列工艺进行。每班分为两大组，每组领取一套试样做好标记。

2.按表 1-1 进行热处理操作（炉温由实验指导人员预先升好）3.测试热处理后试样硬度值，每个试样测三点，取其平均值，填入表 1-1 中。

五、实验注意事项 1.放置试样时，试样一定要靠近热电偶。

2.夹钳上的水和油一定要擦干才能到炉子取样或放样。淬火时动作要迅速，并要在领取介质中不断搅动。

3.测试硬度前一定要用砂纸将试样表面氧化皮去除并磨光。

4.实验完成后关闭电炉开关，切断电源。

六、实验报告要求 1.将所测定的全部试样硬度值填入表 1-1 中。

2.由实验结果分析总结亚共析钢、过共析钢淬火加热温度的选择原则，并论述理由；分析含碳量、淬火温度、冷却速度及回火温度对碳钢硬度的影响。

4.思考题：45 钢淬火，高温回火后的硬度为 25HRC，若再进行 200℃回火，硬度能否提高？为什么？该钢经淬火和低温回火后硬度为 55HRC，若再进行高温回火，其硬度可否降低？问什么？ 5.根据所学知识，将各热处理后组织填入表 1-1 中。

表 1-1 实验热处理工艺材料热处理工艺硬度值 HRC 组织加热温度/℃ 保温时间/min 冷却方式回火温度保温时间/min 1 2 3平均 45 钢 860 10 空冷油冷水冷水冷 200 20 水冷 400 20 水冷 600 20 760 水冷 T10 钢 760 10 空冷油冷水冷水冷 200 20 水冷 400 20 水冷 600 20 860 水冷

零件选材与普通热处理工艺编定的综合实验一、实验目的 1.初步学会根据零件的使用性能和热处理技术要求，对一般机械零件进行选材和热处理工艺的编定。

2.熟练掌握普通热处理在零件加工工艺过程中的作用。

3.掌握常用金属材料的用途及其热处理工艺特点。

二、实验原理简介 1.选择用钢的一般原则（1）材料的使用性能（力学性能和物理、化学性能）应满足零件的使用要求。表 5.1提供了根据使用性能选材的方法。

表 5.1 根据使用性能选材方法选择类型选择方法根据硬度选择用钢根据零件的最终硬度要求选择。如对最终硬度（回火后）要求 48HRC，可选用含碳量为 0.40%的钢承受疲劳载荷零件的选材在低周疲劳时，应力只有强度极限 70%就可能断裂，在高周疲劳时，只有强度极限 40%的应力就可能断裂。选用钢时，应知道应力大小、载荷周次和应力集中系数等。同时必须知道材料的强度、韧性和疲劳极限。

对冲击强度有要求的零件的选材对要求冲击性能高的零件，应选择含碳 0.40%，S、P 的含量在 0.025%以下，不含 Mn的钢。零件在－45℃条件下工作，宜选择含 Ni 的钢（2）满足零件的服役条件。零件的服役条件主要包括：承受的载荷类型和大小；工作温度和周围介质的性质；某些特殊要求，如电性、磁性、密度等。

（3）要充分考虑钢材的尺寸效应。所谓尺寸效应是指钢材的力学性能随其形状、尺寸的改变而变化的情况。尺寸效应与钢材的淬硬深度有着密切的关系。

（4）要综合考虑材料的强度、塑性、韧性的合理配合。

（5）材料的工艺性应满足零件的加工要求。

（6）材料的价格和总成本应经济、低廉。

2.热处理方法的选择材料选定后，依据各种热处理方法的特点，材料在不同热处理条件下的组织变化，及相应的力学性能和工艺性能，合理选定热处理方法。见表 5.2～表 5.5。

表 5.2 退火与正火的选择出发点选择切削加工性金属的硬度在 170～230HB 时切削加工性比较良好。中、低碳钢施用正火为预备热处理较好，高碳结构钢和工具钢以退火较好。中碳以上合金钢适宜退火。

使用性性能要求不高的一般零件，可用正火。

经济效果正火比退火生产周期短，耗热量少，且操作简单，故在可能的条件下应优先考虑正火代替退火。

表 5.3 整体淬火与表面热处理的选择

整体淬火表面热处理一般受力情况均可同时受磨损和交变应力的零件受磨损较大而不受交变应力的零件，可用高碳钢经淬火和低温回火，或用低碳钢经渗碳、淬火及低温回火表 5.4 回火方法的选择处理零件及其性能要求回火方法要求高硬度及高耐磨性的零件低温回火要求在一定韧性条件下具有高的弹性极限及屈服强度的零件中温回火要求高的综合力学性能的零件高温回火表 5.5 结构钢零件热处理方法选择热处理方法用途退火（完全退火、不完全退火）正火（在静止空气中或吹风中冷却）处理工作负荷轻含碳 0.15%～0.45%的碳钢零件淬火—高温回火正火—高温回火处理中等负荷的含碳 0.38%～0.5%的碳钢和合金钢退火或正火—淬火—低温回火正火—高温回火—淬火—低温回火处理承受中等负荷同时需要耐磨而含碳 038%～050%的合金钢和碳钢零件三、实验设备与实验用品 1.箱式电阻炉、中低温加热炉、洛氏硬度计。

2.将选用的各种金属材料，制备成一定规格的实验件 3.夹钳、冷却用油和水、砂布等。

四、实验方法与步骤 1.零件选材与普通热处理工艺编定（1）根据给定零件的工作条件和热处理技术要求进行选材选用材料为：45 钢、40Cr、35CrMo、30CrMnSi、T8、T9、T10、T12、CrWMn 等，表 5.6列出了零件的工作条件和热处理技术要求。

表 5.6 零件工作条件与热处理技术要求零件名称零件工作条件技术要求实验用试样有效寸（MM）通用螺栓 M16 在常温下使用保证承载能力б 0.2 300MP a，最终热处理硬度为 18～25HRC 20×15 连杆工作中除了承受交变拉压应力外，还承受弯曲应力。

要求具有良好的综合力学性能、足够的韧性，最终热处理硬度为 25～30HRC 20×15 手用锯条工作中除受磨损外还承受弯曲应力要求高硬度、高耐磨性和一定的弹性。

最终热处理硬度为 60～64HRC 20×15 木工钻头工作中主要承受拉压力、扭转弯曲及磨损等要求有较高硬度和一定的韧性。最终热处理硬度为 55～58HRC 20×15

薄板冲模（小型）工作中主要承受冲击与磨损要求较高硬度、耐磨性及一定韧性。最终热处理硬度为 55～58HRC 20×15 落料凹模工作中承受很大压力、弯曲力、冲击力及强烈的摩擦力要求高的硬度及耐磨性，高的弯曲强度及足够韧性。并要求热处理变形小，以保证精度。最终热处理要求硬度为 60～62HRC 20×15（2）工艺编定选材后，根据零件的工作条件编定零件的加工工艺路线（由零件坯料到零件加工成形，直至满足使用要求的工艺编定过程）；编定最终热处理工艺的具体规范（包括加热温度、保温时间、冷却介质），并按表 5.7 的要求进行编写。

5.7 序号零件名称选择材料零件加工工艺路线热处理的目的，及最终热处理采用的温度，保温时间，冷却介质（3）将设计填表交于指导老师，由老师阅评。阅评合格方可进入下一步的模拟实验。

2.最终热处理工艺编定方案的模拟实验(1)根据零件的选材领取实验件。根据自行编定的最终热处理工艺的具体规范选择热处理加热用炉，调整控温仪表选定加热温度，接通电源使炉子加热。在炉子加热过程的空闲时间内，备好冷却介质及其它实验用品。

（2）热处理炉的加热温度达到给定温度时，便可实施自己所编定的热处理方法。

（3）试件热处理后，使用洛氏硬度计的 C 标尺测量硬度。测量前要将试件表面的氧化

皮祛除。

（4）将测完硬度的试件制备成金相试样，使用金相显微镜观察分析组织。

五、实验报告内容与要求 1．随堂完成指导书所给表的填写。

实验材料加热温度 ℃ 冷却介质回火温度 ℃ 硬度测量值（HRC），及最终热处理后的组织 2.简要总结实验后的收获与体会。