实验四 碳钢的渗铝及渗层组织观察
一、实验目的
1.熟悉钢的渗铝工艺流程和渗铝的目的，扩散方程及其在渗铝中的应用。
2.熟悉渗铝层组织及渗层测定方法。
3.了解钢渗铝的常用方法和影响渗铝的因素。
二、基本原理
钢的渗铝过程是铝原子渗入钢表面，进而向内部扩散的过程。因此，影响铝的扩散的因素都是影响渗铝的因素。扩散是物质中原子（或分子）的迁移现象，是物质传输的一种方式。
1．渗铝的基本过程
① 分解过程：渗剂产生活性原子并供给基体金属表面，如选择NH4CL为活化剂时，由渗剂化学反应产生活性原子的反应主要包括：
NH4Cl=NH3+HCl
6HCl+2Al=2AlCl3+3H2
AlCl3+Fe=FeCl3+[Al]；
② 吸收过程：活性原子被吸附在基体金属的表面上，随后被基体金属吸收。吸收过程包括活性原子溶入基体金属中，形成表面固溶体层或金属化合物层，即最初的渗铝层； ③ 扩散过程：随着活性原子的继续吸附和吸收，已溶入的活性原子在高温下向基体金属内部扩散，同时，基体金属的金属原子也向渗铝层里面扩散，从而使渗铝层增厚，即渗铝层增长过程。
2．扩散定律在渗铝中的应用
包埋渗铝属于非稳定态扩散，是指在扩散过程中，各处的浓度梯度不仅随着距离变化，而且还随时间发生变化。
菲克第二定律的数学表达式为：
?C???C???D??t?t??x?
如果扩散系数D与浓度无关而为常数，则上式可写为
钢的渗铝过程是扩散定律典型?C?2C?D2?t?x的例子之一。钢在恒定气氛（或固态介质）中的渗铝，可以看作半无限长情况，并假定试样表面在渗铝一开始即达到恒定渗铝浓度Cs 。因此，在边界条件下 C（x=0，t）=Cs ；C（x=∞，t）=C。（钢的起始含铝量）以及初始条件C（x，t=0）=C。菲克第二定律的解为（Cs-Cx)/（Cs-Co）=erf（x/（2DT），
erf（x/（2））为误差函数。假定将渗层深度定义为铝浓度大于某一值Cc处钢棒表层深度，此时上式可写作（Cs-Cx)/（Cs-Co）=erf（x/（2DT））。可以看出等式的左端为定值，这表明对于Cc为任一规定值时，erf（x/（2DT））为定值。这样可得到渗层深度与扩散时间的关系式 x=kDT，式中k为常数。
已知铝在γ-Fe中的扩散系数 ?Q?D?D0exp????RT?
其中D。=2.0×10-5m/s，扩散激活能Q=1.4×105 J/mol, 气体常数R=8.412 J/mol·K。因此，通过测定不同渗铝时间后的渗层深度，可以计算出常数K，从而建立渗铝时间的方程。
三、实验设备及材料
1、设备：金相显微镜、渗铝炉
2、样品：45钢渗铝件
四、实验内容及步骤
1、将45钢加工成8×8×10（mm）的试样3～5组，分别在相同温度及相同包埋渗铝剂中进行渗铝处理，渗铝工艺参数为950℃×4，渗铝后的试样随炉冷却以获得近平衡态组织。
2. 渗铝后的试样，经磨制、抛光、腐蚀后制成金相试样。
3. 用带有刻度的目镜在金相显微镜下观察渗铝层组织，并测定渗层深度。
4. 测量渗铝处理后45钢基体和渗层的硬度。
五、实验报告要求
1、绘制渗铝45钢断面金相显微组织图。
2、利用已知数据计算出D，分析渗铝处理对碳钢硬度的影响。
六、实验注意事项
1、注意总结材料表层和心部硬度存在差异时金相试样制备心得；
2、腐蚀时，勿将腐蚀液溅到衣服、皮肤上。
第二篇：实验三 金属塑性变形与再结晶
实验三 金属塑性变形与再结晶
一、实验目的
认识金属冷变形加工后及经过再结晶退火后的组织性能和特征变化；研究形变程度对再结晶退火前后组织和性能的影响。加深对加工硬化现象和回复再结晶的认识。
二、基本原理
1、金属冷塑性变形后的显微组织和性能变化
金属冷塑性变形为金属在再结晶温度以下进行的塑性变形。金属在发生塑性变形时，外观和尺寸发生了永久性变化，其内部晶粒由原来的等轴晶逐渐沿加工方向伸长，在晶粒内部也出现了滑移带或孪晶带，当变形程度很大时，晶界消失，晶粒被拉成纤维状。相应的，金属材料的硬度、强度、矫顽力和电阻等性能增加，而塑性、韧性和抗腐蚀性降低。这一现象称为加工硬化。
为了观察滑移带，通常将已抛光并侵蚀的试样经适量的塑性变形后再进行显微组织观察。注意：在显微镜下滑移带与磨痕是不同的，一般磨痕穿过晶界，其方向不变，而滑移带出现在晶粒内部，并且一般不穿过晶界。
2、冷塑性变形后金属加热时的显微组织与性能变化
金属经冷塑性变形后，在加热时随着加热温度的升高会发生回复、再结晶、和晶粒长大。
（1）回复 当加热温度较低时原子活动能力尚低，金属显微组织无明显变化，仍保持纤维组织的特征。但晶格畸变已减轻，残余应力显著下降。但加工硬化还在，固其机械性能变化不大。
（2）再结晶 金属加热到再结晶温度以上，组织发生显著变化。首先在形变大的部位（晶界、滑移带、孪晶等）形成等轴晶粒的核，然后这些晶核依靠消除原来伸长的晶粒而长大，最后原来变形的晶粒完全被新的等轴晶粒所代替，这一过程为再结晶。由于金属通过再结晶获得新的等轴晶粒，因而消除了冷加工显微组织、加工硬化和残余应力，使金属又重新恢复到冷塑性变形以前的状态。
金属的再结晶过程是在一定的温度范围能进行的，通常规定在一小时内再结晶完成95％所对应的温度为再结晶温度，实验证明，金属熔点越高，再结晶温度越高，其关系大致为：T＝0.4T熔 。
（3）晶粒长大 再结晶完成后，继续升温（或保温），则等轴晶粒以并容的方式聚集长大，温度越高，晶粒越大。当再结晶退火温度一定时，变形量大小对再结晶的晶粒大小起决定性的影响。当变形量很小时晶粒大小毫不变化。当达到某一变形量时，再结晶获得异常粗大的晶粒，对应着一组大晶粒的变形度，称为临界变形度。一般铁5-10％，钢约为5％，铝2-3％。由于粗大晶粒将显著降低金属的机械性能，故应避免金属材料在临界变形程度范围内进行压力加工。超过临界变形量，由于各晶粒变形愈趋均匀，再结晶时形核率愈大，因而再结晶的晶粒越细。
三、实验设备及材料
1、拉力试验机、加热炉、吹风机；
2、低碳钢（45#钢）试样若干Ø12×110mm。
四、实验内容及步骤
1、预先准备45钢管材试样Ø12×110mm7根，在其中部垂直纵轴的方向画两条相距100mm的平行线，定出原始长度L0；
2、按规定的变形量在拉伸机上进行拉伸
3、测量不同变形度碳钢试样的硬度;
4、将经不同变形后的试样在550℃加热保温1小时后空冷，侵入20％NaOH溶液数分钟用水洗吹干，再用王水（三份盐酸、一份硝酸）腐蚀数秒，显出晶粒后用水洗吹干；
5、测量不同变形度碳钢试样再结晶后的硬度；
五、实验报告要求
1、对比说明常见的硬度表征原理和对应硬度计区别；
2、根据实验结果，分析冷变形对碳钢性能（硬度）的影响。
六、实验注意事项
1、对试样不要擅自弯曲、敲击；
2、试样两端号码如在拉伸时损坏，应及时在作记号；
3、腐蚀时，特别要注意，不要将王水和碱液溅到衣服、皮肤上。