《材料科学基础A2》
实 验 指 导 书
江苏科技大学材料机械与冶金学院
20##年6月
实验1：碳钢的热处理操作、组织观察及硬度测定综合实验
一、实验目的
1. 了解硬度计的原理、初步掌握布氏、洛氏硬度计的使用；
2. 了解碳钢的热处理工艺操作；
3. 研究碳钢加热温度、冷却速度、回火温度对钢性能的影响；
4. 观察热处理后的组织及其变化。
二、实验内容
1．按表1中的热处理工艺进行操作，并对热处理后的各样品进行硬度测定，将硬度值填入表1中。
表1 各种热处理工艺
表2 45钢回火工艺
注：保温时间可按1分钟/每毫米直径计算；回火保温时间均为30分钟，然后取出空冷。
2. 观察下列表2热处理后的金相试样，并画出组织示意图。
表3 热处理后的金相试样
三、实验原理
（一）硬度计的原理
1．洛氏硬度
洛氏硬度是以顶角为120°的金刚石圆锥体（或直径为Φ1.588㎜的淬火钢球）作压头，以规定的试验力使其压入试样表面。试验时，先加初试验力，然后加主试验力。压入试样表面之后卸除主试验力，在保留初试验力的情况下，根据试样表面压痕深度，确定被测金属材料的洛氏硬度值。 洛氏硬度值由h的大小确定，压入深度h越大，硬度越低；反之，则硬度越高。一般说来，按照人们习惯上的概念，数值越大，硬度越高。因此采用一个常数c减去h来表示硬度的高低。并用每0.002mm的压痕深度为一个硬度单位。由此获得的硬度值称为洛氏硬度值，用符号HR表示。 由此获得的洛氏硬度值HR为一无名数，试验时一般由试验机指示器上直接读出。 洛氏硬度的三种标尺中，以HRC应用最多，一般经淬火处理的钢或工具都采用HRC测量。在中等硬度情况下，洛氏硬度HRC与布氏硬度HBS之间关系约为1：10，如40HRC 相当于400HBS 。如50HRC，表示用HRC标尺测定的洛氏硬度值为50。硬度值应在有效测量范围内（HRC为20－70）为有效。
2．布氏硬度
布氏硬度是以一定的试验力如：187.5kg\250kg\3000kg等载荷把用一定直径的钢球或硬质合金球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与压痕面积之比值，即为布氏硬度值（HBS\HBW），单位为N/mm2。布氏硬度计适合测量铸铁等材料的工件。在钢管标准中，布氏硬度用途最广，往往以压痕直径d来表示该材料的硬度，既直观又方便。
（二） 钢的热处理工艺：
钢的热处理基本工艺有退火、正火、淬火和回火。进行热处理时，加热是第一道工序，目的是为了得到奥氏体，因为钢的最终组织珠光体、贝氏体 和马氏体都是由奥氏体转变来的。二是保温、目的使奥氏体均匀化。三是冷却，是改变组织和性能的重要因素。因此，正确选择三个基本因素是热处理成功的基本保证。
1．加热温度的选择
（1）退火加热温度：根据Fe-Fe3C相图确定。对亚共析钢，其加热温度为；共析钢和过共析钢加热至AC1+（20～30）℃（球化退火），目的是得到球状渗碳体，降低硬度，改善切削性能。
（2）正火加热温度：一般亚共析钢加热至AC3+（30～50）℃；过共析钢加热至+（30～50）℃，即加热到奥氏体单相区。
（3）淬火加热温度：一般亚共析钢加热至AC3+（30～50）℃，淬火后的组织为均匀细小的马氏体。如果加热温度不足（如低于AC3）,则淬火组织中将出现铁素体，造成淬火后硬度不足；共析钢和过共析钢加热至AC1+（30～50）℃，淬火后的组织为隐晶马氏体与粒状二次渗碳体。未溶的粒状二次渗碳体可提高钢的硬度和耐磨性。过高的加热温度（高于ACCM），会因得到粗大的马氏体，过多的残余奥氏体而导致硬度和耐磨性下降，脆性增加。
（4）回火温度：钢淬火后都要回火，回火温度决定于最终所要求的组织和性能（工厂中常常是根据硬度的要求）。按加热温度不同，回火可分为三类：
低温回火：在150～250℃回火，所得组织为回火马氏体，硬度约为HRC57-60，其目的是降低淬火应力，减少钢的脆性并保持钢的高硬度。一般用于切削工具、量具、滚动轴承以及渗碳和氰化件。
中温回火：在350～500℃回火，所得组织为回火屈氏体，硬度约为HRC40-48，其目的是获得高的弹性极限，同时有高的韧性。因为它主要用于各种弹簧及热锻模。
高温回火：在500～650℃回火，所得组织为回火索氏体，硬度约为HRC25 -35，其目的是获得既有一定强度、硬度、又有良好的冲击韧性的综合机械性能，常把淬火后经高温回火的处理称为调质处理，因此一般用于各种重要零件，如柴油机连杆螺栓、汽车半轴以及机床主轴等。
2．保温时间的确定
为了使钢件内外各部分温度均匀一致，并完成组织转变，使碳化物溶解和奥氏体成分均匀化，就必须在加热温度下保温一定时间，通常将钢件升温和保温所需的时间计算在一起，统称为加热时间。
在具体生产条件下，工件加热时间与钢的成分、原始组织、工件几何形状和尺寸，加热介质、炉温、装炉方式等许多因素有关。
对于本实验中箱式炉的碳钢，保温时间为：工件的有效加热厚度
1分钟/毫米。圆柱形试样有效加热厚度以直径计算，如果是盐浴炉则缩短1-2倍。合金钢加热时间要增加25-40%。
回火时的加热、保温时间，应与回火温度结合起来考虑。一般来说，低温回火时，由于组织不稳定，内应力消除不充分，为了稳定组织、消除内应力，使零件在使用过程中性能与尺寸稳定，回火时间要长一些，一般不少于1.5-2小时。高温回火时间不宜过长，过长会使钢过分软化，对有的钢种甚至造成严重的回火脆性，所以一般为0.5-1小时。
3． 冷却速度的影响
冷却是淬火的关键工序，一方面冷却速度要大于临界冷却速度，以保证得到马氏体，另一方面又希望冷却速度不要太大，以减小内应力，避免变形和开裂，为此，根据c曲线考虑，淬火工件必须在过于奥氏体最不稳定的温度范围（650～ 550℃）进行快冷，以超过临界冷却速度，而在MS(300～200℃)点以下，尽可能慢冷以减小内应力。为了保证淬火质量，应适当选用适当的淬火介质和淬火方法。
（三）钢热处理后的基本特征：
炉冷得到100%珠光体，空冷得到细片状珠光体或称索氏体。油冷得到少量屈氏体和马氏体。水冷得到马氏体和少量残余奥氏体。随着成分和热处理条件不同，钢热处理后的组织各不相同，基本组织特征如下：
（1）索氏体（s）是铁素体与片状渗碳体的机械混合物，其层片分布比珠光体更细密，在显微镜的高倍（700 左右）放大下才能分辨出片层状，它比珠光体具有更高的强度和硬度。
（2）屈氏体（T）也是铁素体与片状渗碳体的机械混合物，片层分布比索氏体更细密，在一般光学显微镜下无发分辨，只能看到黑色组织如墨菊状，当其少量析出时，沿晶界分布呈黑色网状包围马氏体，当析出量较多时则呈大块黑色晶粒状。只有在电子显微镜下才能分辨出其中的片层状。
（3）贝氏体（B）也是铁素体与渗碳体的两相混合，但其金相形态与珠光体不同，因钢的成分和形成温度不同，其组织形态主要有三种：上贝氏体，下贝氏体，粒状贝氏体。
(4) 马氏体（M） 是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，马氏体的组织形态是多种多样的，归纳起来分为两大类，即板条状马氏体和片状马氏体。
板条状马氏体 在光学显微镜下，板条马氏体的形态呈现一束束相互平行的细长条状马氏体群，在一个奥氏体晶粒内可有几束不同取向的马氏体群。每束内的条与条之间的小角度晶界分开，束与束之间具有较大的相位差，如图所示，由于条状马氏体形成温度较高，在形成过程中常有碳化物析出，即产生自回火现象，故在金相实验时，易被腐蚀而呈现较深的颜色。因含碳低的奥氏体形成的马氏体呈板条状，故板条马氏体又称低碳马氏体。
图1 板条状马氏体显微组织
片状马氏体 在光学显微镜下，片状马氏体呈现针状或竹叶状，其立体形态为双透镜状，因此成温度较低没有自回火现象故其显微组织不易被浸蚀，所以颜色较浅，在显微镜下呈白亮色。透射电镜观察片状马氏体晶体内部为孪晶亚结构，故片状马氏体又称孪晶马氏体，因含较高的奥氏体形成的马氏体呈片状，故片状马氏体又可称高碳马氏体。
马氏体的粗细取决于原奥氏体晶粒的大小，即取决于淬火加热温度如高碳钢在正常温度下淬火加热，淬火后可得到细小针状的马氏体，在光学显微镜下，仅能隐约见其针状，故又称为陷晶马氏体。如淬火温度较高，奥氏体晶粒粗大，则得到粗大针状如图2所示。
图2 粗大竹叶状马氏体+Ar
（5）残余奥氏体（Ar） 当奥氏体中含碳量>0.5%时，淬火时总有一定量的奥氏体不能转变为马氏体，而保留到室温，这部分奥氏体就是残余奥氏体，它不易受硝酸酒精腐蚀剂的浸蚀，在显微镜下呈白亮色，分布在马氏体之间，无固定形态，淬火后未经回火，Ar与马氏体很难区分，都呈白亮色，只有马氏体回火后才能分辨出马氏体间的残余奥氏体。
（6）回火马氏体（Mr） 高碳马氏体经低温回火后，马氏体分解，析出了与母相共格的极细小弥散的碳化物。这种组织称为回火马氏体。由于极小的碳化物析出使回火马氏体易受浸蚀，所以在光学显微镜下观察回火马氏体仍保持针状马氏体形态，只是颜色比淬火马氏体深，但极细小的碳化物分辨不清。在电子显微镜下则可观察到细小的碳化物。
（7）回火屈氏体 淬火钢进行中温回火以后，得到回火屈氏体。它的金相组织特征是：在铁素体基体上弥散分布着微小的粒状渗碳体，铁素体，铁素体仍然基本保持原来的条状或片状马氏体的形态，渗碳体颗粒很细小，在光学显微镜下不易分辨清楚，故呈暗黑色。用电子显微镜可以肯到这些渗碳体的质点，而且回火屈氏体仍然保持针状马氏体的位向。
（8）回火索氏体 淬火钢高温回火得到回火索氏体，金相组织特征是已经聚集长大了的渗碳体颗粒均匀分布在再结晶的铁素体基体上。
但是某些合金钢经调质处理后，铁素体仍然保持针状形态，因合金元素对于铁素体的再结晶有阻碍作用，须更高的温度才能完成再结晶。
四、实验设备和材料
（1） 箱式电阻炉和控温仪表；
（2） 金相显微镜；
（3） 洛氏硬度计；布氏硬度计；布氏洛氏硬度试块；
（4） 淬火水桶、油桶、火钳、砂纸等, 45钢试样若干。
（5） 金相试样一套。
五、实验步骤
1、测量标样的布氏、洛氏硬度。
1、领取试样进行热处理工艺实验。
2. 45钢试样放入860℃、780℃炉子内加热，保温后分别进行水冷、空冷操作。
3. 将860℃水冷试样中取出4块45钢试样分别放入200℃、400℃、500℃、600℃的炉中进行回火、回火保温时间为30分钟。
4. 洛氏硬度测试。
5. 观察金相组织,画示意图。
六、实验报告
1. 实验目的。
2. 根据实验测试数据及观察到的显微组织综合分析
a、加热温度与冷却速度对钢性能的影响；
b. 不同回火温度对材料组织和性能的影响,绘制45钢回火温度与硬度的关系曲线。
c. 观察热处理后的金相组织，并画出组织示意图
七、 其它说明
（1）实验前仔细阅读实验指导书。
（2）热处理操作及注意事项
装取试样时炉子要断电，装取试样后炉门要及时关好，并立即通电。试样加热时，尽量靠近热电偶测出的温度接近试样温度。实验中注意计算保温时间；保温时要注意温度控制仪表是否正常，以免跑温或升温太慢，发现问题应报告老师检查。淬火冷却时，将试样迅速入油或入水。并不停地移动试样，且不要拿出液面。
热处理后测定硬度，并填写在表1中。测硬度前要将试样的氧化皮磨掉。
（3）观察显微试样的基本步骤：
根据试样的热处理工艺，对照相图和 C曲线分析可能出现的组织。正确选择放大倍数，组织粗的可选低倍，组织细的可选高倍。先用低倍。低倍观察视场，组织特征较明显，观察较全面，然后对其中有代表性的区域用高倍观察，高倍观察范围较局限，但能看到局部组织的细节。
显微镜观察时要根据观察重点深入的原则，选择其中有代表性的区域进行重点观察。根据组织的形成特点和组织的特征画出组织示意图，注明材料、热处理工艺、放大倍数、腐蚀剂、组织名称等。
第二篇：碳钢热处理后组织观察
碳钢热处理后组织观察与分析
一：实验目的
(1)观察和研究碳钢经不同形式热处理后显微组织的特点。
(2)了解热处理工艺对碳钢硬度的影响。
二：实验说明
碳钢经热处理后的组织可以是接近平衡状态(如退火、正火)的组织，也可以是不平衡组织(如淬火组织)。因此在研究热处理后的组织时，不但要用铁碳相图，还要用钢的C曲线来分析。图1为共析碳钢的C曲线，图2为45钢连续冷却的CCT曲线。
图1 共析碳钢的c曲线 图2 45钢的CCT曲线
C曲线能说明在不同冷却条件下过冷奥氏体在不同温度范围内发生不同类型的转变过程及能得到哪些组织。
1． 碳钢的退火和正火组织
亚共析碳钢(如40、45钢等)一般采用完全退火，经退火后可得接近于平衡状态的组织，其组织形态特征已在实验l中加以分析和观察(图3)过共析碳素工具 钢(如T10、T12钢等)则采用球化退火，T12钢经球化退火后，组织中的二次渗碳体和珠光体中的渗碳体都呈球状(或粒状)，图中均匀分散的细小粒状组 织就是粒状渗碳体。
2． 钢的淬火组织
含碳质量分数相当于亚共析成分的奥氏体淬火后得到马氏体。马氏体组织为板条状或针状，20钢经淬火后将得到板条状马氏体。在光学显微镜下，其形态呈现为一 束束相互平行的细条状马氏体群。在一个奥氏体晶粒内可有几束不同取向的马氏体群，每束条与条之间以小角度晶界分开，束与束之间具有较大的位向差，如图4所 示。
图3 T12 钢球化退火组织 图4 低碳马氏体组织
45钢经正常淬火后将得到细针状马氏体和板条状马氏体的混合组织，如图5所示。由于马氏体针非常细小，故在显微镜下不易分清。
45钢加热至860℃后油淬，得到的组织将是马氏体和部分托氏体(或混有少量的上贝氏体)，如图6所示。碳质量分数相当于共析成分的奥氏体等温淬火后得到 贝氏体，如T8钢在550~350℃及350℃~ Ms温度范围内等温淬火，过冷奥氏体将分别转变为上贝氏体和下贝氏体。上贝氏体是由成束平行排列的条状铁素体和条间断续分布的渗碳体所组成的片层状组织， 当转变量不多时，在光学显微镜下可看到成束的铁素体在奥氏体晶界内伸展，具有羽毛状特性，如图7所示。
图5 45钢正常淬火组织 图6 45钢油淬组织 图7 上贝氏体组织特征
贝氏体是在片状铁素体内部沉淀有碳化物的组织。由于易受浸蚀，所以在显微镜下呈黑色针状特征，如图8所示。
在观察上、下贝氏体组织时，应注意为显示贝氏体组织形态，试样的处理条件一般是在等温度下保持不长的时间后即在水中冷却，因此只形成部分贝氏体，显微组织中呈白亮色的 基体部分为淬火马氏体组织。
含碳质量分数相当于过共析成分的奥氏体淬火后除得到针状马氏体外，还有较多的残余奥氏体。T12碳钢在正常温度淬火后将得到细小针状马氏体加部分未溶 人奥氏体中的球形渗碳体和少量残余奥氏体，如图4．9所示。但是当把此钢加热到较高温度淬火时，显微镜组织中出现粗大针状马氏体，并在马氏体针之间看到亮 白色的残余奥氏体，如图10所示。
图8 下贝氏体组织特征 图9 T12钢正常淬火组织 图10 T12钢1000℃油淬组织
3. 碳钢回火后的组织
淬火钢经不同温度回火后所得到的组织不同，通常按组织特征分为一下三种。
(1)回火马氏体。淬火钢经低温回火(150~250℃),马氏体内脱溶沉淀析出高度弥散的碳化物质点，这种组织成为回火马氏体。回火马氏体仍保持针 状特征，但容易浸蚀，故颜色比淬火马氏体深些，是暗黑色的针状组织，如图11所示。回火马氏体具有高的强度和硬度，而韧性和塑性叫淬火马氏体有明显改善。
(2)回火托氏体。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状渗碳体的组织，称为回火托氏体。回火托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，如图12所示。回火托氏体有较好的强度、硬度、韧性和很好的弹性。
(3)回火索氏体。淬火钢高温回火(500~650℃)得到的组织称为回火索氏体，其特征是已经聚集长大了的渗碳体颗粒均匀分布在铁素体基体上。回火 索氏体中的铁素体已不呈针状形态而呈等轴状，如图13所示。回火索氏体具有强度、韧性和塑性较好的综合机械性能。
三：实验方法指导
(1)领取一套金相试样，在金相显微镜下观察。观察时要根据Fe—Fe3C相图和钢的C曲线来分析确定不同热处理条下各种组织的形成原因。
(2)对于经过不同热处理后的组织，要采用对比的方式进行分析研究，例如，退火与正火、水淬与油淬、淬火马氏体与回火马氏体等。
(3)画出所观察到的、指定的几种典型显微组织形态特征，并注明组织名称、热处理条件及放大倍数等。
(4)在了解洛氏硬度计的构造及操作方法之后，测定45钢经不同热处理后的硬度，并记录所测得的硬度数据。
四：实验报告要求
(1)写出实验目的。
(2)运用铁碳相图及相应钢种的C曲线，根据具体的热处理条件分析所得组织及特征，并画出所观察试样的显微组织示意图。
(3)列出全部硬度测定数据，分析冷却方法及回火温度对碳钢性能(硬度)的影响，画出回火温度同硬度的关系曲线，并阐明硬度变化的原因。