材料工程
綜合實驗報告
材控11-2班
碳鋼的熱處理操作、非平衡組織觀察及硬度測定
一、實驗目的
（1）了解碳鋼的熱處理操作；
（2）研究加熱溫度、冷卻速度、回火溫度對碳鋼效能的影響；
（3）觀察熱處理後鋼的組織及其變化；
（4）了解硬度計的原理，初步掌握洛氏硬度計的使用。
二、實驗內容概述
1．鋼的熱處理
熱處理是將鋼加熱到一定溫度，經過一定時間的保溫，然後以一定速度冷卻下來的操作， 通過這樣的工藝過程鋼的組織和效能將發生改變。
通常加熱、保溫的目的是為了得到成分均勻的細小的奧氏體晶粒，亞共析碳鋼的完全退火、正火、淬火的加熱溫度範圍是 ac3+30~50℃，過共析鋼的球化退火及淬火加熱溫度是 ac1+30~50℃，過共析鋼的正火溫度是 accm+30~50℃，保溫時間根據鋼種，工件尺寸大小，爐子加熱型別等由經驗公式決定。
碳鋼的過冷奧氏體在 ac1~550℃範圍內發生珠光體轉變，形成片狀鐵素體和滲碳體的機械混合物。依據片層厚薄的不同有粗片狀珠光體（p），細片狀珠光體——索氏體（s）和極細片狀珠光體——屈氏體（t）之分。硬度隨片距的減小**變溫度的降低）而公升高。
碳鋼的過冷奧氏體在 550~350℃之間發生貝氏體轉變，生成由平行鐵素體條和條間短桿狀滲碳體構成的上貝氏體（b 上）。在光學顯微鏡下呈黑色羽毛狀特徵。過冷奧氏體在 350℃~ms 之間等溫得到黑色針狀的下貝氏體（b 下），它是由針狀鐵素體和其上規則分布的細小片狀碳化物組成。
過冷奧氏體以超過臨界速度的快冷至 ms 以下溫度，將發生馬氏體轉變，生成碳在α-fe 中的過飽和固硝體——馬氏體。常見的有板條馬氏體（碳<0.2%）、針（片）狀（碳》1.
0%）馬氏體以及由它們構成的混合組織（碳為 0.2%~1.0%）。
隨轉變溫度的降低鋼的硬度公升高。
普通熱處理分為退火、正火、淬火和回火。鋼加熱到一定溫度保溫後緩慢冷卻（通常隨爐冷卻）至500℃以下空冷叫退火，得到接近平衡態的組織。奧氏體化的鋼在空氣中冷卻叫正火，得到先共析鋼鐵素體（或滲碳體）加偽珠光體。
過冷奧氏體快冷（大於臨界冷速）叫淬火，得到馬氏體組織。淬火鋼再加熱到 a1 以下會發生回火轉變，隨回火溫度的公升高分別得到回火馬氏體，回火屈氏體和回火索氏體。
隨冷卻速度增加，鋼的硬度公升高。 硬度是指材料對另一更硬物體（鋼球或金剛石壓頭）壓入其表面所表現的抵抗力。硬度的大小對於工件的使用效能及壽命具有決定性意義。
由於測量的方法不同常用的硬度指標有布氏硬度(hb)、洛氏硬度(hr)、維氏硬度(hv)和顯微硬度(hv)。
布氏硬度適用於硬度較低的金屬，如退火、正火的金屬、鑄鐵及有色金屬的硬度測定。洛氏硬度又有 hra、hrb、hrc 三種，其中 hrc 適合於測定硬度較高的金屬如淬火鋼的硬度。維氏硬度測定的硬度值比布氏、 洛氏硝確，可以測定從極軟到極硬的各種材料的硬度， 但測定過程比較麻煩。
顯微硬度用於測定顯微組織中各種微小區域的硬度，實質就是小負荷(≤9.8n)的維氏硬度試驗，也用 hv 表示。
2．試樣製備 ．
要在金相顯微鏡下對金屬的組織進行觀察和攝影，必須製備平整、光亮、清潔、無劃痕、並用適當的方法顯示出真實組織的試樣。
本實驗採用：
(1) 手工磨樣
試樣在金相砂紙上由粗到細磨製。磨樣時用力均勻，待磨面上舊磨痕消失，新磨痕均勻一致時就更換細一號的砂紙，並且試樣轉 90o 再磨。一般磨製到 4 號（粒度 800）砂紙即可。
(2) 拋光
本實驗採用化學拋光與機械拋光相結合的方法。 pg－2 金相製樣拋光機化學拋光： 靠化學藥劑對試樣表面不均勻硝解而得到光亮的拋光面，凸起部分硝解速度快，而凹下部分硝解速度慢。
具體操作是用竹筷夾住浸有拋光劑的棉球均勻的擦試磨麵，待磨痕基本去掉後，立即用水沖洗。 機械拋光：在專用的拋光機上進行，拋光織物（如呢料、金絲絨等）固定在拋光碟上，灑以拋光粉懸浮硝，試樣輕壓於旋轉的拋光碟上。
靠嵌於拋光織物中的拋光粉的磨削作用和滾壓作用，得到平整、 光亮無劃痕的磨麵。
(3) 化學浸蝕
試樣在浸蝕劑作用下，組織中電位低的部分為陽極，電位高的部分為陰極，低電位處於硝解較快而呈現凹陷從而顯示出組織特徵。碳鋼常用 3~4%硝硝硝硝硝硝浸蝕。
3．觀察金相顯微組織 .
3、實驗儀器裝置
箱式電爐、硬度計、拋光機、金相顯微鏡、影象採集系統
4、實驗內容與操作
1.鋼的熱處理
每人領一塊試樣，要求制定工藝進行熱處理，編號，測定硬度，並且把結果記錄與表中。
20#鋼： 準備做螺釘、螺栓，但它的切削效能不好，不便於加工，為了便於加工，請同學們設計熱處理工藝。
45#鋼：做曲軸、齒輪，要有良好的綜合機械效能，請同學們設計熱處理工藝。
t10鋼：做車道、鑽頭等，，請同學們設計熱處理工藝。
2、試樣
熱處理後的試樣手工磨製→水洗→機械拋光→水洗→浸蝕→水洗→滴酒精→吹乾。
3、組織觀察與顯微攝影
製好的試樣放在顯微鏡下觀察。使用顯微鏡時，動作輕、速度慢，由低倍到高倍進行觀察，結合試樣熱處理工藝，觀察與分析組織。
選擇能說明組織特徵的典型視場，確定合適的放大倍數及影象採集。
4、資料處理
表1 熱處理前各鋼種硬度值
表2 試樣熱處理工藝及硬度值
20#鋼處理如下：
1、放大倍數：100 4%硝酸酒精溶液2、放大倍數：200 4%硝酸酒精溶液
3、放大倍數：400 4%硝酸酒精溶液
對20#鋼正火處理，880℃下加熱15min,然後空冷處理。
其組織：白色部分為鐵素體，黑色部分為索氏體。
觀察影象可見有少量劃痕，是製樣時做的不夠好。正火處理後鋼的組織得到細化。正火處理前，鋼的硬度為92.3hrb，正火處理後為78.3hrb，可見熱處理後硬度值減小了。
45號鋼
熱處理方法：含碳量0.45%
加熱方式：880℃ 加熱時間：20分鐘
冷卻方法：水冷
加熱方式：600℃ 加熱時間：20分鐘
冷卻方式：水冷
放大倍數100 4%硝酸酒精溶液放大倍數200 4%硝酸酒精溶液
放大倍數400 4%硝酸酒精溶液
t10鋼
5、總結
通過這次實驗，我們學到了很多。首先，我們了解了碳鋼的熱處理操作，並通過親自動手實驗分析研究了加熱溫度、研究加熱溫度、冷卻速度、回火溫度對碳鋼效能的影響。另外，我們還觀察了熱處理後鋼的組織及其變化，並在老師的指導下了解了硬度計的原理，初步掌握洛氏硬度計的使用。
這次實驗也讓我們明白了科學需要嚴謹負責的態度，容不得一絲一毫的馬虎，否則會導致整個實驗的失敗。不管是鋼的熱處理，還是製樣、觀察，都需要我們認認真真去完成，只有這樣我們才能有所收穫。同時，實驗的成功離不開老師的悉心指導與小組成員的默契配合。
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