金屬材料工程專業實驗指導書PAGEPAGE89目錄目錄 1試驗一鐵碳相圖平衡組織分析 2實驗二二元、三元合金的顯微組織分析 10實驗三鋼中常見幾種馬氏作與貝氏體組織形態的金相觀察 19實驗四金屬的塑性變形與再結晶 24實驗五奧氏體晶粒度大小的測定 30圖5-1晶粒度大小評級示意圖 33實驗六鋼的臨界點測定 36實驗七鋼的淬透性的測定 40實驗八碳鋼熱處理及熱處理爐爐溫校驗 45實驗九鋼的滲碳層的測定 52實驗十金屬材料學綜合實驗 55實驗十一利用磁性測定鋼中的殘余奧氏體 57實驗十二金屬及合金的電阻測量 63實驗十三用示差熱分析法測定鋼在加熱和冷卻過程中的相變溫度 69實驗十四X射線衍射儀與物相定性分析 74實驗十五透射電子顯微鏡的構造、操作與觀察 78實驗十六掃描電鏡構造與斷口形貌觀察 80實驗十七電子探針構造及微區成分分析 82實驗十八合金凝固動態曲線的測定 83

試驗一鐵碳相圖平衡組織分析實驗目的觀察和分析鐵碳合金的平衡組織；分析鐵碳合金顯微組織的形成過程。概述圖1-1鐵碳平衡相圖Fe―Fe3C平衡相圖是鐵系二元相圖中最重要的一個。根據相圖，可以分析鐵碳合金平衡組織的相和組織特點。所謂平衡組織，是指符合平衡相圖的組織，即在一定溫度，一定成分和一定壓力下合金處于最穩定狀態的組織，要獲得這樣的組織，必須使合金發生的相變在非常緩慢的條件下進行，通常將緩冷（退火）后的鐵碳合金組織看作為平衡組織。鐵碳合金是目前應用最廣泛的工程材料，鐵碳合金的平衡組織是研究鐵碳合金的性能及相變機理的基礎。因此認識和分析鐵碳合金的平衡組織有十分重要的意義。此外，觀察和分析鐵碳合金的平衡組織有助于幫助我們理解Fe―Fe3C平衡相圖的建立和進一步借助相圖來分析問題。鐵碳合金的分類鐵碳合金可分為碳鋼和白口鑄鐵兩大類，表1―1列出了鐵碳合金的分類和組織情況。表1―1鐵碳合金的分類和組織分類含碳量（%）平衡顯微組織碳鋼亞共析鋼0.02—0.77鐵素體+珠光體共析鋼0.77珠光體過共析鋼0.77—2.11珠光體+二次滲碳體白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵2.11—4.30珠光體+萊氏體+二次滲碳體共晶白口鑄鐵4.30萊氏體過共晶白口鑄鐵4.30—6.69萊氏體+一次滲碳體從表1—1中可以看出，鐵碳合金是以其含碳量來分類的，其中含碳量小于2.11%的稱碳鋼，大于2.1%的稱白口鑄鐵。由于含碳量的不同，它們的平衡顯微組織也有很大的不同。鐵碳合金的平衡組織表1—1中已經列出，鐵碳合金的平衡組織共有四種：鐵素體（α相），滲碳體（Fe3C），珠光體和萊氏體，但是從Fe―Fe3C相圖上可以看出，鐵碳合金在常溫下只有兩相，即鐵素體和滲碳體，由于含碳量的不同，這兩個基本相的相對量，形狀和分布情況有很大的不同，因此呈現各種不同的組織形態。下面介紹一下各種顯微組織的基本特征：（1）鐵素體：是碳在α—Fe中的固溶體，碳的濃度是可變的，在727℃時達到最大溶解度，為0.0218%，在常溫下，碳的濃度為0.008%左右，鐵素體的硬度很低，塑性好，經4%硝酸酒精浸蝕后呈白亮色（如圖1-2所示）。含碳量較低時，鐵素體呈塊狀分布，隨含碳量增加，鐵素體量減少，在接近共析成分時，鐵素體呈網狀分布在珠光體周圍。（2）滲碳體：是碳與鐵的一種化合物，化學式為Fe3C，含碳量很高，達6.69%，堅硬而脆，抗浸蝕能力很強，經4%硝酸酒精浸蝕后成白亮色。在過共晶白口鑄鐵中的一次滲碳體是從液態中直接結晶成的，故呈條狀分布（如圖1-10所示）。在過共析鋼和亞共晶白口鑄鐵中的二次滲碳體（如圖1-11所示）是從奧氏體中沿晶界析出的，所以呈網狀分布在珠光體的周圍。由于滲碳體硬度很高，所以在磨面上是突起的。鐵素體和滲碳體經4%硝酸酒精浸蝕后都呈白亮色，為了加以區別，可改用苦味酸鈉溶液浸蝕（苛性鈉25克，苦味酸2克，加水100毫升，在100℃煮沸5—10分鐘）。這時滲碳體被染成暗褐色（接近黑色），鐵素體仍呈白亮色。如圖1-12所示。（3）珠光體：是鐵素體和滲碳體的兩相混合物，有片狀珠光體和球狀珠光體兩類。如圖1-7，1-11。片狀珠光體是經一般退火后得到的鐵素體和滲碳體的片層交疊組織，經4%硝酸酒精浸蝕后，這種組織在顯微鏡下由于放大倍數不同而有不同的特征，在600倍以上觀察時，可見珠光體中平行相間的寬條鐵素體和細條滲碳體都呈白亮色，而邊界呈黑色；在400倍左右觀察時，由于顯微鏡鑒別率降低，白亮的細條滲碳體被黑色的邊界所“吞沒”而呈黑色，這時看到的珠光體是寬條白亮色鐵素體和細條滲碳體相間；在200倍以下觀察時，寬條白亮色的鐵素體也難以區分了，這時的珠光體特征是暗黑色，低碳鋼中的珠光體量很少，片間距細小，即使在較高倍觀察時也是暗黑色的。球狀珠光體是過共析鋼球化退火后的組織，片狀分布的滲碳體變成了球狀，經4%硝酸酒精浸蝕后，球狀珠光體的特征是在白亮色的鐵素體基體上分布著白色的滲碳體顆粒，它們的邊界是黑色的。（4）萊氏體：是奧氏體和滲碳體的共晶體，剛由液體中結晶出來的萊氏體是滲碳體的基體上分布著顆粒狀的奧氏體。從共晶溫度冷卻時，從奧氏體中析出二次滲碳體，二次滲碳體和基體滲碳體連接起來，所以在組織中很難區分。當冷卻到共析溫度時，奧氏體轉變為珠光體。在常溫中觀察到的組織已不是滲碳體和奧氏體，而是滲碳體和珠光體，但一般仍稱為萊氏體或變態萊氏體（如圖1-9所示）。經4%硝酸酒精浸蝕后，萊氏體的組織特征是在白色的滲碳體基體上分布著許多黑色顆粒狀的小條狀珠光體。在亞共晶白口鑄鐵中，萊氏體被黑色樹枝狀珠光體所分割，在珠光體周圍可看到一圈白亮色的二次滲碳體，在過共晶白口鑄鐵中，萊氏體則被粗大的白色條狀一次滲碳體所分割。如圖1-8所示。各組織的機械性能為了掌握鐵碳合金的機械性能，必須控制各種組織的相對量，已知鐵素體軟而塑性好，滲碳體硬而脆，珠光體是這兩相的機械混合物，萊氏體則是滲碳體和珠光體的混合物。鐵素體、滲碳體、和珠光體的機械性能如表1—2。表1-2鐵素體、滲碳體、和珠光體的機械性能硬度（HB）抗拉強度（MPa）延伸率（δ%）鐵素體50—90190—25040—50滲碳體750—880300珠光體190—230860—9009—12碳鋼中含碳量的計算在熟悉了碳鋼中各種組織分布特征后，就可以借助于顯微鏡來估算碳鋼中的含碳量。首先，估計在某一視場中各種組織所占有的面積百分比，令：n：鐵素體所占面積百分比K：珠光體所占面積百分比B：滲碳體所占面積百分比根據Fe―Fe3C相圖，已知常溫下鐵素體中含碳量約為0.008%，珠光體含碳量約為0.77%，滲碳體含碳量約為6.69%，那么，根據杠桿定律，可以得到下列：對于亞共析鋼，有：對于過共析鋼，有：上述計算，是假定各組織的比重是相等的，事實上它們的比重也是近似相等的，對于球狀珠光體的面積很難目測，所以不能估算它的含碳量。實驗設備和材料碳鋼試樣（亞共析、共析、過共析），球狀珠光體試樣白口鑄鐵試樣（亞共晶、共晶、過共晶）金相顯微鏡實驗內容和步驟每人輪流在置有各種標準樣品的顯微鏡下觀察樣品的形貌特征并繪圖。調節顯微鏡的放大倍數，觀察珠光體特征變化情況。對某一碳鋼試樣，估計它各組織所占的面積百分比，估算出它的含碳量，并和標準樣品含碳量對比估算誤差。思考討論題什么是平衡組織？怎樣得到平衡組織？鐵碳合金中主要有幾個相？幾個基本組織？根據相圖，敘述不同含碳量的鐵碳合金的結晶過程。根據各鐵碳合金的顯微組織，估計它們的機械性能。決定鐵碳合金組織的因素是什么？為什么？在哪些鐵碳合金中出現三次滲碳體？如何產生？顯微組織照片圖1-2純鐵圖1-320鋼圖1-445鋼圖1-560鋼圖1-6共析鋼圖1-7T12球狀珠光體圖1-8亞共晶白口鑄鐵圖1-9共晶白口鑄鐵圖1-10過共晶白口鑄鐵圖1-11T12片狀珠光體圖1-12T12片狀珠光體*（1-12）腐蝕劑為苦味酸，其余均為4%硝酸酒精

實驗二二元、三元合金的顯微組織分析實驗目的了解和熟悉最基本的二元合金相圖研究和分析共晶型和勻晶型合金的結晶過程和組織了解和熟悉三元共晶型合金相圖研究三元共晶型合金中典型成分合金的結晶過程和組織實驗原理二元合金合金至少由兩個組元組成，由兩個組元組成的合金稱為二元合金。二元合金相圖大致可分為勻晶型、共晶型、包晶型、偏晶型和形成化合物型五類。其中最基本的是勻晶型和共晶型。共晶型圖2-1Pb—Sn二元合金相圖Pb—Sn二元合金相圖是一個典型的共晶型相圖。其中tAEtB為液相線，tAMNtB為固相線，ME和NG分別為Sn溶于Pb中和Pb溶于Sn中的溶解曲線，也叫固溶線。在這個合金系中有三個最基本的相L、α和β，其中L為高溫相，冷凝后就不存在了。α相是Sn溶解于Pb中的固溶體，β是Pb溶解于Sn中的固溶體。從相圖可以看到，這兩種固溶體在常溫下的溶解度很小，特別是β相，在常溫下已經基本上沒有溶解度了。E點稱為共晶點，它的成分為38.1%Pn+61.9%Sn。該成分的合金稱為共晶合金（如圖2-7所示），在冷卻到tE（183oC）時，成分為E的液相同時轉變為成分為M的α相和成分為N的β相，即得到兩個固溶體的共晶。L?α+β，經鹽酸浸蝕后，α相呈黑色，β相呈白色，其組織為黑白相間的兩相共晶混合物。成分在M點左面，即含Sn量小于19.5%的合金，冷卻時首先析出α固溶體，隨著溫度下降，液體溫度下降，液體全部結晶為α固溶體。當溫度繼續冷卻時，由于Sn在Pb中的固溶度逐漸減少，從α固溶體中析出過剩的Sn，它以β固溶體的形式出現，稱為次生β固溶體，或稱為βⅡ，以區別從液相中直接結晶的初生β固溶體，該合金的纖維組織為黑色的α固溶體基體上分布著白色顆粒狀的βⅡ固溶體。如圖2-5所示。成分在M點和E點之間的合金稱為亞共晶合金（如圖2-6所示）。冷卻時首先從液相中析出α固溶體，冷卻到共晶溫度時，α相停止結晶，發生共晶轉變，其組織為α+(α+β)共晶，冷卻至室溫，其組織為α+βⅡ+(α+β)。其中α固溶體呈黑色樹枝狀，在晶內可看到次生β固溶體的白色小顆粒，在枝晶間黑白相間的是(α+β)的共晶體。成分在E點和N點之間的合金稱為過共晶合金（如圖2-8所示），這類合金的結晶過程和亞共晶合金相似，所不同的是先共晶相是β固溶體，結晶后的組織為β+(α+β)共晶，其中β固溶體為白色圓形。由于Pb在Sn中的溶解度非常小，(183℃時最大才為0.6％)。所以在β固溶體上看不到次生α固溶體。2、勻晶型所謂勻晶型即二個組元在液態和固態都是完全互溶的。由液態緩慢冷卻時，可得到均勻的單相固溶體組織。但在快速冷卻時，由于兩個組元的熔點不一致，擴散速度趕不上結晶速度，容易產生晶內偏析。由于固溶體的結晶總是以枝晶方式成長，所以又稱枝晶偏析。高溫退火(固相線以下100℃長時間保溫緩冷)即可消除枝晶偏析，得到均勻的固溶體晶粒。Cu-Zn合金，又稱黃銅，它們的二元系相圖是非常復雜的，但是在含Cu量大于70％時，Zn在Cu內可以完全溶解。Cu-Zn相圖的富銅部分完全符合勻晶相圖的特征，這樣成分的合金在結晶后即可得到Zn在Cu內溶解的單相固溶體α-黃銅，其組織為均勻的等軸晶粒。圖2-2Cu-Zn合金二元系相圖(二)三元合金三元合金指由三個組元組成的合金。由于三個組元中每兩個組元所組成的合金相圖具有不同的類型，在組成三元合金后形成了各種不同類型的三元合金相圖。三元合金相圖和二元合金相圖一樣有的很簡單，有的很復雜。為此，熟悉和掌握三元相圖中最基本的三元共晶型相圖，觀察和分析典型成分合金的顯微組織，對進一步掌握其它類型的三元合金相圖是十分有意的。相圖分析如圖2-3所示，其中A、B、C三組元在液態完全互溶，在固態完全不互溶。圖2-3三元共晶型合金相圖(投影圖)的示意圖投影圖上的三個頂點分別代表純組元A、B、C；三條邊分別代表三個二元共晶型合金A-B、B-C、A-C，它們的共晶點分別為E1、E2、E3，E點代表三元共晶點，即成分為E合金，在一定溫度下液相和A、B、C平衡存在，其轉變式可寫為：L(E)=A+B+C。三條實曲線(E1E、E2E、E3E)和三條虛直線(AE、BE、CE)把投影圖分為六個三角形區域。在投影圖上確定成分點的位置后，便可根據成分點的位置分析合金的冷凝過程和確定最終組織成分。成分點位置和組織組成物的關系列于下表2-1中。表2-1成分點位置和組織組成物的關系成分點位置組織組成物Ⅰ晶體A“+”二元共晶（A+C）“+”三元共晶（A+B+C）Ⅱ晶體A“+”二元共晶（A+B）“+”三元共晶（A+B+C）Ⅲ晶體B“+”二元共晶（B+A）“+”三元共晶（A+B+C）Ⅳ晶體B“+”二元共晶（B+C）“+”三元共晶（A+B+C）Ⅴ晶體C“+”二元共晶（C+B）“+”三元共晶（A+B+C）Ⅵ晶體C“+”二元共晶（A+B）“+”三元共晶（A+B+C）AE晶體A“+”三元共晶（A+B+C）BE晶體B“+”三元共晶（A+B+C）CE晶體C“+”三元共晶（A+B+C）E1E二元共晶（A+B）“+”三元共晶（A+B+C）E2E二元共晶（B+C）“+”三元共晶（A+B+C）E3E二元共晶（C+A）“+”三元共晶（A+B+C）E點三元共晶（A+B+C）從上表中可以明確地看到，不管是什么成分的合金，在結晶完成后的組織中都有三元共晶。另外，還可以看出，實曲線是不同的單元晶體的分界線，虛直線則是不同的二元共晶的分界線。結晶過程和組織圖2-4Bi—Pb—Sn三元合金相圖（投影圖）為了直觀地分析合金的結晶過程和組織情況，選擇有代表性的Bi—Pb—Sn三元共晶型合金作為研究對象，分析其典型成分合金的結晶過程。從Bi—Pb—Sn三元合金相圖（投影圖）的富Bi角部分可以看出，這是一種典型的三元共晶型合金。A、B、C、D四點代表四種典型成分合金，它們的精確成分分別為：A：66%Bi+5%Pb+29%SnB：60%Bi+25%Pb+15%SnC：58%Bi+16%Pb+26%SnD：51%Bi+32%Pb+17%Sn下面簡單分析這四種成分合金的結晶過程。合金A位于三角形BiEE2區域內，在結晶過程中，首先析出晶體Bi，繼續冷卻時，晶體Bi停止析出，而開始析出（Bi+Sn）二元共晶，再冷卻到三元共晶溫度時，形成細小的（Bi+Pb+Sn）三元共晶，結晶后的最終組織應為晶體Bi”+”二元共晶(Bi+Sn)”+”三元共晶（Bi+Pb+Sn）。如圖2-12。合金B位于虛直線BiE上，在晶體Bi停止析出后，便形成三元共晶，它的最終組織是晶體Bi“+”三元共晶（Bi+Pb+Sn）。如圖2-10。合金C位于實曲線E1E，在結晶的開始階段，首先析出的是(Bi+Sn)二元共晶，當二元共晶析出停止后，再形成三元共晶，因此它的最終組織是二元共晶(Bi+Sn)“+”三元共晶（Bi+Pb+Sn）。如圖2-11。合金D的位置和E點重合，在結晶后形成的組織中只有三元共晶（Bi+Pb+Sn）。如圖2-9。實驗設備和材料標準試樣Pb-Sn合金：38.1%Pb+61.9%Sn90%Pb+10%Sn70%Pb+30%Sn20%Pb+80%SnCu-Zn合金：70%Cu+30%ZnBi-Pb-Sn合金：66%Bi+5%Pb+29%Sn60%Bi+25%Pb+15%Sn58%Bi+16%Pb+26%Sn51%Bi+32%Pb+17%Sn金相顯微鏡實驗內容及步驟對已制備好的標準試樣進行觀察并繪制組織圖。思考討論題二元共晶型相圖有什么特征？先共晶相是如何產生的，有什么特征？Pb-Sn亞共晶合金中如何產生次生β固溶體，為什么會產生？三元共晶型相圖有什么特征？為什么在三元共晶投影圖上實曲線兩側形成不同的單元晶體，虛直線兩側形成不同的二元共晶？如果出現比重偏析，合金組織是否會出現變化，為什么？試計算A成分合金結晶后三種組織的相對量，并驗證。顯微組織照片圖2-5α+βⅡ圖2-6α+（α+β）+βⅡ圖2-7α+β圖2-8β+（α+β）圖2-9三元共晶圖2-10Bi+三元共晶圖2-11(Bi+Sn)+三元共晶圖2-12Bi+(Bi+Sn)+三元共晶*腐蝕劑均為鹽酸

實驗三鋼中常見幾種馬氏作與貝氏體組織形態的金相觀察實驗目的了解常見馬氏體的組織形態了解常見貝氏體的組織形態二、實驗原理馬氏體是鋼中較常見和使用較廣泛的組織形態。高碳、低碳、和中碳三種馬氏體作具有不同的機械性能，這是與其不同的組織狀態有關。鋼中馬氏體的典型形態是板條馬氏體和片狀馬氏體兩種。低碳鋼（低碳合金鋼）淬火可得到板條狀馬氏體，高碳鋼（高碳高合金）淬火可得到片狀馬氏體。而中碳鋼（中碳合金鋼）往往得到兩種馬氏體的混合組織。光學顯微鏡下觀察馬氏體組織的金相特征是：板條馬氏體：馬氏體以尺寸大致相同的板條為單元，定向的平行排列的板條結合成馬氏體束，在同一個奧氏體晶粒中，可以有幾個不同取向的馬氏體束。片狀馬氏體：相鄰馬氏體片單元互不平行，不規則地分布于母相奧氏體中。先后形成的馬氏體片尺寸差別很大。先形成的馬氏體片可以跨越整個奧氏體晶粒，并連續地分割奧氏體，從而限制了隨后形成的馬氏體片的大小。有時在片狀中還可觀察到“脊骨”，有的馬氏體片組成閃電花樣。奧氏體化溫度愈高，只會使馬氏體愈粗愈明顯。在有些鋼中，隨著淬火溫度的升高，形成板條馬氏體的傾向會愈大。淬火時，由于零件尺寸增大而受到淬透性的限制，往往會得到馬氏體與貝氏體的混合組織。或者當零件采用等溫淬火時也獲得貝氏體組織。鋼中常見的貝氏體組織形態有上貝氏體、下貝氏體。上貝氏體的高溫抗蠕變性能較好，而下貝氏體具有效好的綜合機械性能。近年研究得較多的是粒狀貝氏體。其它還有柱狀貝氏體、反常貝氏體。這幾個組織狀態都在一定的成分和熱處理條件下才能獲得。光學顯微鏡下觀察幾種貝氏體組織的特征是：上貝氏體：成束的鐵素體條互相平行，一般是羽毛狀特征。鐵素體條之間分布的不連續碳化物在光學顯微鏡下分辨不清。下貝氏體：鐵素體呈單個片狀，片與片常常相交。在鐵素體片內沉淀有碳化物粒子，但碳化物粒子在光學顯微鏡下分辨不清。粒狀貝氏體：白塊狀的鐵素體與島狀的組成物組成。馬氏體與貝氏體組織的精細結構必須借助于電子顯微鏡以及X射線等方法來鑒別。通過光學顯微鏡只能觀察到金相組織的主要特征及形態。實驗設備和材料金相試樣（20鋼、60鋼、T8鋼、T12鋼、60Si2Mn、18CrNiW、鑄鐵）、金相顯微鏡實驗內容每人觀察下列經各種熱處理后的試樣的金相組織，并填寫各個試樣的金相組織。見表3—１。思考討論題試分析含碳量、奧氏體化溫度對馬氏體形態的影響。簡述上貝氏體、下貝氏體、粒狀貝氏體的組織特征。表3—1不同鋼種經各種熱處理后的試樣的金相組織序號鋼種熱處理工藝組織120鋼940℃加熱，淬冰鹽水220鋼1100℃加熱，淬冰鹽水3Ｔ8鋼780℃加熱，淬冰鹽水4Ｔ8鋼1100℃加熱，淬冰鹽水560鋼1100℃加熱，淬冰鹽水6鑄鐵淬火7Ｔ12鋼780℃加熱，淬火860Si2Mn900℃加熱，420℃等溫9Ｔ8鋼900℃加熱，300℃等溫5分鐘水冷1018CrNiW870℃加熱，100℃／時爐冷顯微組織照片圖3-1圖3-2圖3-3圖3-4圖3-5圖3-6圖3-7圖3-8圖3-9圖3-10*腐蝕劑均為4%硝酸酒精

實驗四金屬的塑性變形與再結晶一、實驗目的1、了解工業純鐵經冷塑性變形后，變形度對硬度和顯微組織的影響2、研究變形度對工業純鋁再結晶退火后晶粒大小的影響3、觀察形變孿晶和退火孿晶二、實驗原理和任務在外力作用下，應力超過金屬的彈性極限時金屬所發生的永久變形稱為塑性變形。純金屬經受塑性變形后，不但其外形發生變化，而且晶粒內部也發生明顯的變化。隨著變形度增大，晶粒逐漸沿受力方向發生變形，如工業純鐵試樣在經受壓縮時，內部晶粒將由多邊形等軸狀壓成扁平形狀，其壓扁方向與壓力方向是一致的。在被壓扁的晶粒內部可觀察到一些滑移帶，滑移帶的數量和分布方向均隨變形度而變化，變形度≥70％的工業純鐵（α－Fe），將呈現“纖維”組織。金屬發生塑性變形主要是通過滑移方式進行的，而滑移則是由滑移面上的位錯運動造成的，經冷塑性變形后的金屬會增加結構缺陷，如位錯密度將從106-8/cm2增至1012/cm2；隨著變形度增加，可激發出取向不同的多系滑移，此時，位錯就會產生交割，位錯交割時，交點處的應力狀態比較復雜，位借運動就會受到阻礙，從而造成明顯的加工硬化現象。在本實驗中，將測定變形度為0％、30％、50％、70％的工業純鐵試樣的硬度，并在金相顯微鏡下觀察其晶粒形狀和滑移帶數量及其取向情況，以便了解工業純鐵經冷塑性變形后，變形度對硬度和顯微組織的影響。冷塑性變形后的金屬組織是不穩定的，在加熱時會發生回復、再結晶和晶粒長大等過程。當加熱溫度較高時，原子活動能力增加，此時晶粒外形開始發生變化，從變形拉長的晶粒變成無畸變的新等軸晶粒，這一變化過程實質上也是一個新晶粒重新形核和成長的過程，但它只是晶粒外形和內部滑移帶發生變化，而新晶粒的點陣(晶格)類型仍與舊晶粒相同，因此稱這一過程為再結晶，以此與重結晶相區別。再結晶完成后，變形金屬的加工硬化現象得以消除。金屬的機械性能將取決于再結晶后的晶粒大小，再結晶后的晶粒大小則受再結晶前的變形度、退火溫度等因素所控制。金屬的變形度愈大，則再結晶形核率愈高，再結晶后的晶粒便愈細，金屬能進行再結晶的最小變形度通常在2—8%范圍內，此時再結晶后的晶粒特別粗大，稱此變形度為臨界變形度。大于臨界變形度后隨著變形度增加，再結晶后晶粒逐漸細化。生產中應盡可能避免在臨界變形度范圍內加工，以免形成粗大晶粒而降低機械性能。在本實驗中將研究變形度為0％、1％、2％、3％、4％、6％、8％、10％的工業純鋁拉伸試樣，對在580℃溫度下再結晶退火半小時后的晶粒大小的影響。金屬發生塑性變形還可通過孿生方式進行。孿生是一個發生在晶體內部，產生孿晶的均勻切變過程，孿晶本身是一個晶體中的變形區域，它與相鄰未變形區域的晶體取向互成鏡面對稱關系。形變孿晶的產生與金屬的點陣類型和層錯能高低等因素有關，如密排六方金屬(Zn，Mg等)，易以孿生方式變形而產生孿晶，層錯能低的奧氏體不銹鋼亦產生形變孿晶。工業純鐵為體心立方金屬，它只有在0℃以下受沖擊載荷時，才易產生孿晶。在本實驗中，可用金相顯微鏡觀察到，經過塑性變形的鋅中所產生的變形孿晶，其形貌猶如扁豆又如透鏡。有些金屬的形變孿晶很狹窄、只能在透射電子顯微鏡下得到分辨。某些形變金屬在再結晶退火后，在纖維組織中常常可以看到退火孿晶，在本實驗中，將用金相顯微鏡觀察α黃銅的退火孿晶，其邊很直而且彼此平行，并顯示其顏色與基體不同。三、實驗設備和材料(一)實驗設備1、箱式電爐，熱電偶及控溫儀表2、洛氏硬度計[載荷980N（100kgf），用HRB標尺］3、卡尺，打記號工具4、小型手動拉伸機5、金相顯微鏡(二)實驗材料l、變形度為0％、30％、50％、70％的工業純鐵試樣兩套，其中一套試樣用于測定硬度，另一套為已制備好的金相標準試樣，用于觀察組織。2、具有纖維組織的工業純鐵的幻燈片。3、尺寸為160×20×0.5mm的退火狀態工業純鋁試片。4、黃銅的退火孿晶的金相標準試樣和幻燈片。5、鋅的形變孿晶的金相標準試樣和幻燈片。6、奧氏體不銹鋼的形變孿晶(透射電鏡幻燈片)。四、實驗內容與步驟將全班學生分組輪流完成以下實驗內容：(一)測定工業純鐵的硬度(HRB)與變形度的關系已知工業純鐵試樣在經受壓縮時的變形度分別為0％、30％、50％、70％，設ε為變形度，h0為試樣的原始厚度(mm)，h1為試樣壓縮變形后的厚度(mm)，則變形度可用下列公式求得：測量變形試樣和原始試樣的硬度，每個試樣至少測三點，取其平均值，然后將試驗結果列入“變形與硬度關系”的表內。根據表中數據，以變形度為橫坐標，硬度為縱坐標，繪出硬度與變形度關系曲線。(二)研究變形度對工業純鋁片再結晶退火后晶粒大小的影響每組學生領取8片工業純鋁(退火狀態，具有均勻的微細晶粒)試樣。在該試樣中段劃出相距100mm的刻度，然后分別在小型手動拉伸機上拉伸到指定的變形度(0％、l％、2％、3％、4％、6％、8％、10％)。拉伸時，速度要慢，施力應均勻，拉伸變形結束時，需停2－3分鐘后才將試樣取下。鋁片試樣打上記號，對不同變形度試樣加以區別。接著將這一套變形鋁片試樣置于580℃電爐中加熱半小時，進行再結晶退火。在爐中加熱時，要保證所有鋁片試樣受熱均勻，切忌將它們迭放在一起或放在爐底板上，最好在特制的支架上，將它們盡量分開并擱起，從爐內取出冷卻后，即用混和酸[HCL45％、HNO315％、HF(濃度為48％)15％、H2O25％］進行侵蝕，當表面出現清晰的晶粒時，可用水沖洗并吹干。然后數出每個鋁片試樣上單位面積(1cm2)內的晶粒數目(N)，而晶粒大小可由(1／N)求得，將試驗結果(N和1／N)列入“變形度與晶粒數目、晶粒大小關系”的表內，然后根據表中數據，以變形度為橫坐標，晶粒大小(1／N)為縱坐標，繪出在580℃半小時再結晶退火后，工業純鋁片晶粒大小與變形度關系曲線。(三)在金相顯微鏡下觀察以下顯微組織并放映幻燈片壓縮變形度為0％、30％、50％、70％工業純鐵的金相標準試樣中晶粒形狀、滑移帶數量及其取向隨變形度而變化的情況(繪出纖維組織變化示意圖)變形度≥70％的工業純鐵中的纖維組織(幻燈片)鋅的形變孿晶(繪出示意圖)α黃銅的退火孿晶(繪出示意圖)奧氏體不銹鋼的形變孿晶(透射電鏡幻燈片)*腐蝕劑為4％硝酸酒精溶液五、實驗報告要求根據“變形度與硬度關系”表，繪出硬度與變形度的關系曲線，并對此曲線加以說明。根據“變形度與晶粒數目、晶粒大小關系”表，繪出晶粒大小與變形度的關系曲線，并對此曲線加以說明。繪出工業純鐵顯微組織隨變形度而變化的示意圖。繪出鋅的形變孿晶和α黃銅的退火孿晶的示意圖。六、顯微組織照片圖4-1純鐵0%變形度圖4-2純鐵30%變形度圖4-3純鐵50%變形度圖4-4純鐵70%變形度*腐蝕劑為4％硝酸酒精

實驗五奧氏體晶粒度大小的測定一、實驗目的

1、學會用直接腐蝕法顯示奧氏體晶粒

2、掌握用比較法評定奧氏晶粒大小

二、實驗原理和方法

晶粒大小對金屬材料的機械性能和工藝性能有很大的影響。因此，晶粒度是表示材料性能的一個重要特征。鋼材加熱時形成奧氏體晶粒，它的大小對鋼材性能有很大影響。例如：粗大的奧氏體晶粒冷卻后得到粗大的轉變產物，其塑性、韌性比細小的奧氏體晶粒差。奧氏體晶粒過分粗大，鋼件易于在淬火時變形、開裂。所以，生產中常需要測定奧氏體晶粒的大小。

奧氏體晶粒大小的測定包括兩個步驟：奧氏體晶粒的顯示和奧氏體晶粒尺寸的測定或評級。本實驗用直接腐蝕法顯示奧氏體晶粒，用比較法評定奧氏體晶粒的大小。

絕大多數的鋼，高溫下才存在奧氏體相。當冷卻時，就會轉變成其它相，因此，要設法將高溫狀態的奧氏體晶粒輪廓在室溫下重新顯示出來。氧化法就是把鋼加熱到奧氏體狀態，保溫一定時間，使試樣表面受到氧化。由于晶界比晶粒內具有更大的化學活性，在氧化氣氛中加熱的鋼材，它的奧氏體晶界較晶粒內部更易于氧化，也即晶界處氧化較深，經過這樣的處理，冷卻后細心磨制，磨去試樣表面氧化層，而保留下晶界上的氧化物，再經過拋光、浸蝕，就能在顯微鏡明場照明下顯示出氧化的晶界。

直接腐蝕法就是選用合適的腐蝕劑，對于某種鋼材亦能借浸蝕顯示原奧氏體晶界。

比較法評定晶粒大小簡單方便，是生產上常用的方法。它是放在100倍的顯微鏡下觀察奧氏體晶粒，與冶金部頒布的YB27—64標準晶粒級別圖相比較以確定其大小。

在顯微鏡下觀察時，若奧氏體晶粒大小不均勻，應估計出不同大小晶粒在視場中各占面積的百分比。若占優勢的晶粒所占面積≥90%，就可只記錄這種晶粒級別。否則應該用不同級別來分別表示鋼的晶粒度，例如：8級（75%）；4級（25%）。不同放大倍數下晶粒度的比較參照表5—1。

表5—1不同放大倍數下晶粒度的比較放大倍數晶粒度級別100×12345678400×56789101112三、實驗設備和材料

65Mn試樣、40Cr試樣、電爐、砂紙、拋光盤、拋光劑、腐蝕劑、金相顯微鏡

四、實驗內容和步驟

1、每人領取、40Cr試樣一塊。

2、將40Cr試樣放入930℃±10℃的電爐內加熱，保溫30分鐘后取出試樣，淬入水中。

3、將淬火后的40Cr試樣磨制成金相試樣，拋光后用飽和苦味酸水溶液和海鷗洗滌劑混合煮沸后冷卻至一定的溫度進行腐蝕。

4、將腐蝕后的試樣在金相顯微鏡下放大100倍觀察，并與標準的奧氏體晶粒度級別圖比較。

五、操作要點

結果的正確性與操作有很大的關系，因此操作過程要注意以下幾點：

1、試樣出爐后要快冷，避免鐵素體呈塊狀析出，而與奧氏體晶界混淆。試樣出爐后用水冷卻得到馬氏體組織。

2、掌握合適的磨量。試樣熱處理后磨量是能否顯示奧氏體晶粒的關鍵，磨去量太少，只能看見氧化膜；磨去量太多；會將氧化晶界全部膜掉。可以有意把試樣表面膜成一個傾斜面，一部分表面呈光亮，一部分呈暗黑，這樣在過渡區即可找到合適磨量的部位，經拋光、浸蝕后，在顯微鏡下觀察此部位。

六、思考討論題

1、為何要將試樣表面磨成一個傾斜面？分析用氧化法顯示奧氏體晶粒度的準確性，根據已有的知識，再舉出一種顯示奧氏體晶粒度的方法。晶粒度大小評級示意圖圖5-1晶粒度大小評級示意圖

實驗六鋼的臨界點測定實驗目的學會用硬度法和金相法測定鋼的臨界點掌握用理論公式大致估計鋼的臨界點實驗原理和方法鋼的臨界點是研究相變及確定熱處理工藝的重要參數。測定臨界點的方法很多，如已學習過的熱分析法就是一種。此外，尚有硬度法、金相法、磁性法、膨脹法及X射線法等。不同條件可選用不同方法。本實驗采用硬度法輔以金相法。組織狀態不同的鋼，它的硬度也不同，馬氏體的硬度顯著的高于鐵素體、珠光體等組織的硬度。因此，鋼在退火狀態的硬度是很低的。如果加熱溫度低于臨界點，加熱過程中組織不發生變化，因此加熱淬火后的硬度也不會發生變化。加熱溫度超過臨界點，發生珠光體向奧氏體的轉變，淬火后奧氏體轉變為馬氏體，硬度也因而顯著提高。根據鋼的硬度變化規律，即可求出鋼的臨界點。圖6-1亞共析鋼不同溫度加熱、淬火后的硬度變化硬度法測定臨界點要受到一定的限制。當在軟基體組織中出現少量馬氏體時（2—3%），硬度會提高3—4HRC，此時硬度法測定AC3點是很敏感的。但是當基體組織大部分已轉變為硬的馬氏體后，即使殘留10%的軟的鐵素體，對整個硬度值影響仍然是很小的，亦即硬度法測定AC3很不敏感，需要用金相法進行補充、對照。亞共析鋼當加熱溫度達到AC1點時，珠光體轉變為奧氏體，淬火后，這部分奧氏體轉變為馬氏體。如轉變完全，這部分轉變量與原始組織中的珠光體量相等。顯微鏡下觀察到“F+M”組織。加熱溫度提高到AC1與AC3之間時，鐵素體不斷溶入奧氏體中，溫度愈高，溶入量愈大，看到的白色的先共析鐵素體量逐漸減少。當加熱溫度提高到先共析鐵素體量降至1%以下的溫度，則可認為加熱溫度已接近AC3點了，顯微鏡下觀察到的幾乎全部是M組織。加熱溫度超過AC3點，只是在顯微鏡下觀察到的馬氏體針更為粗大，并無其它組織變化。實驗設備和材料40Cr試樣、加熱爐、硬度計、金相顯微鏡實驗內容和步驟八人為一大組，四人為一小組。一組測AC1，另一組測AC3。每人領取40Cr試樣一塊，實驗前檢查試樣的組織狀態和硬度。根據鋼材成分按經驗公式計算AC1和AC3值，決定試驗加熱溫度，每人做一個溫度。試樣放入加熱爐，準確控制爐溫。保溫10分鐘后，試樣迅速淬入鹽水。打磨淬火的樣品，用砂輪或粗砂紙把表面氧化層、脫碳層去除，測定其硬度值。把試樣制成金相試樣，在顯微鏡下觀察其組織。操作要點根據理論計算公式大致估計鋼的臨界點，從而確定奧氏體化加熱溫度，適用于一般低合金鋼與碳鋼的估計公式為：AC1=723+25Si-7Mn+15Cr+40Mo+15Ni+30W+50V(℃)AC3=854-180C+44Si-14Mn-1.7Cr-17.8Ni(℃)40Cr鋼的化學成分合金元素ＣSiMnCr含量（重量%）０.37—0.450.20—0.400.50—0.800.80—1.10在計算值AC1和AC3點附近選定溫度，間隙10℃左右，當然間隙愈小愈精確。２、金相觀察時，會看到珠光體、馬氏體和先共析鐵素體共存的情況。這往往是由于在AC1溫度下加熱時間不足，奧氏體化不完全，部分珠光體來不及轉變，因此還會保留了珠光體，也可能因淬火冷卻速度不夠，某些部位就形成了珠光體。六、思考討論題試分析影響本實驗準確性的因素有哪些？根據全組實驗結果，繪出40Ｃr鋼的硬度—加熱溫度曲線，并求出臨界點AC1和AC3。顯微組織照片圖6-240Cr720℃水淬圖6-340Cr750℃水淬圖6-440Cr770℃水淬圖6-540Cr790℃水淬圖6-640Cr810℃水淬*腐蝕劑均為4%硝酸酒精

實驗七鋼的淬透性的測定實驗目的掌握用端淬法測量鋼的淬透性了解合金元素對鋼淬透性的影響實驗原理所謂淬透性，是指鋼淬火能夠得到的淬硬層深度，通常規定自鋼的表面至半馬氏體組織(即含50%M+50%T)的距離為淬透層深度。圖7-1半馬氏體硬度與含碳量的關系半馬氏體的硬度取決于含碳量。合金元素對半馬氏體硬度的影響不大，鋼中含碳量愈高，半馬氏體的硬度愈高。鋼淬透性的大小取決于淬火臨界冷卻速度V臨。V臨愈小，淬透性愈大。凡是使C曲線右移的合金元素均能增加鋼的淬透性。如：Cr、Mo、Mn、W、Ti等，Co則相反，它使C曲線左移，因而降低鋼的淬透性。淬透性是決定鋼的性質和用途的一個重要因素，同時，也是零件設計選用鋼材時要考慮的重要指標之一。測定鋼淬透性方法有兩種：圓柱體截面硬度法與頂端淬火法。圓柱體截面硬度法圖7-2圓柱體試樣與硬度分布取一根足夠長，且直徑較大的鋼棒進行淬火，然后自其中截取一切片，沿切片二相互垂直的直徑上測量硬度，作出硬度—直徑圖。圖中，D為試樣直徑，由圖看出，試樣表面硬度最大，自表面向中心處硬度降低。如果P-P為半馬氏體硬度，h為淬透層硬度，則DH為未淬透的直徑，淬透性大小可用h值或DH/D來表示。DH/D愈小，淬透性愈大。為了不受介質冷卻速度的影響，引入“理想臨界直徑”，用D∞表示。它表示在以散熱速度為無限大的理想介質中淬火時全部淬透的最大直徑。如果D∞已知，則在其它如水、油、空氣中淬火的D臨可由布蘭切爾圖查出。測定理想臨界直徑最簡單的方法是頂端淬火法。結構鋼的頂端淬火法本法采用標準試樣，試驗前先將試樣正火。試驗時，將試樣放入爐內加熱，按該鋼標準奧氏體化溫度加熱（加熱時注意切勿使試樣氧化和脫碳），保溫30—40分鐘，然后迅速取出放在專用的淬火設備上。試驗時，水柱高度，試樣的放置位置如圖所示。圖7-3末端淬透性試驗用圖7-4末端淬火法示意圖標準試樣尺寸由于試樣由下而上冷卻，所以下端冷速最大，隨著與下端距離增加，冷速緩慢，因而組織和硬度都相應變化。若將冷卻后的試樣，沿長度方向測量表面硬度，則可繪出如圖7—5所示的端淬曲線，根據端淬曲線，由半馬氏體硬度與含碳量的關系圖找出半馬氏體硬度，就可找出該鋼50%M點至頂端的距離X，已知X便可從布蘭切爾圖上找出D∞，同時按箭頭方向，便可找到該鋼在不同冷卻介質冷卻時的D臨。圖7-5端淬曲線圖7-6布蘭切爾淬透性圖（簡化）實驗材料和設備材料：45鋼、40Cr鋼加熱爐：箱式加熱爐頂端淬火設備硬度計、鋼皮尺實驗方法及步驟全班分成八大組，每大組分二小組，每小組領取一個端淬試樣（其中一個小組領取45鋼，另一個小組領取40Cr鋼）。將試樣放在裝有木炭的盒中于加熱爐內加熱（45鋼為840℃，40Cr為860℃），保溫30分鐘，調整端淬設備的噴嘴水柱，使其為65±5毫米，同時使試樣端部離噴嘴口距離12.5毫米。試樣保溫時間已到，用鉗子夾牢試樣的頂肩（Φ30毫米處）迅速放到試樣支架上進行末端淬火，要求試樣自爐內取出至水淬開始時間不得超過5秒鐘，冷卻時間不得小于10分鐘，水淬時試樣軸線應始終對準水口中心線，水壓應固定。試樣末端水淬大于10分鐘后，應將試樣整體投于水中冷透，以免試樣余熱散出，使試樣發生自回火現象。淬火后，將試樣在砂輪機上沿長度方向磨出0.2—0.5毫米深的相互平行的兩平面，然后從端部開始，每隔1.5毫米測量一次硬度，直至硬度不降低為止。將記錄之硬度與相應距離繪成圖。實驗報告內容簡述頂端淬火法原理和方法。繪制硬度—距離曲線（即淬透性曲線）。比較兩組鋼的淬透性曲線。求出該鋼的D臨值。寫出心得體會。

實驗八碳鋼熱處理及熱處理爐爐溫校驗實驗目的掌握熱電偶、補償導線與二次儀表的正確使用方法掌握爐溫的綜合誤差計算和成套校驗的方法觀察碳鋼熱處理后的顯微組織認識鋼的熱處理工藝對組織和性能（硬度）的影響了解淬火、回火工藝的的制定和基本操作技能實驗原理熱處理爐爐溫的成套校驗熱處理爐的測溫系統一般由感溫元件（如熱電偶、熱電阻等）與二次儀表（如動圈儀表、電子電位差計等）組成。這些一次儀表和二次儀表出廠時都有一定的精度等級，即都規定了允許誤差的范圍，并且一次儀表和與之相配的二次儀表在使用中具有互換性。例如，將熱電偶與以該熱電偶分度號刻度的二次儀表可以互相配套使用，這樣配套使用的測溫系統在某一點測溫時具有的總誤差ΔZ（絕對誤差）用下列公式計算：其中：ΔZ——系統總誤差ΔR——熱電偶的基本誤差ΔB——補償導線的基本誤差ΔE——二次儀表的基本誤差因此，單獨檢定合格然后成套使用時，系統積累的誤差可能是較大的，為此工程上多采用成套檢定法，就是用標準系統去校驗被校系統。校驗時，先從標準系統上讀出某校驗點的實際值（標準值），然后對照被校系統的指示值，兩者的差值即為被校系統在該點上的誤差。從而使被校系統獲得一個統一的誤差。這樣系統中一些環節的誤差有可能相互消除，而使整個系統的測量誤差減小，提高系統的測量準確度。本實驗中使用的感溫元件是熱電偶。一般常用的熱電偶有銅―康銅熱電偶(T型)，鎳鉻―康銅熱電偶(E型)，鎳鉻―鎳鋁熱電偶(K型)，鉑銠―鉑熱電偶(S型)，雙鉑銠熱電偶(B型)，鎢錸熱電偶(W-Re)等。本實驗使用K型熱電偶，此種熱電偶線性好，抗氧化能力強，熱電勢穩定性好，是一種最通用的熱電偶。碳鋼的熱處理熱處理是改變金屬（及其合金）性能的重要途徑，不同的熱處理工藝將使金屬（及其合金）得到不同的內部組織結構，從而具有不同的性能。熱處理工藝過程系將零件加熱到一定溫度，并保溫一定時間，然后進行不同速度的冷卻。熱處理工藝一般可分為退火、正火、淬火和回火等。關于碳鋼的退火組織，即平衡組織，已作過介紹，本實驗則籍不同熱處理方式來研究45鋼的熱處理后組織和性能（硬度）之間的關系。為此，同學們應復習一下有關C曲線章節，為使同學們熟悉熱處理工藝的制定，在此對碳鋼的淬火和回火作概略的說明：淬火碳鋼的淬火加熱溫度如下：亞共析鋼：Ac3+(30—50℃)℃共析鋼、過共析鋼：Ac1+(30—60℃)淬火的加熱時間是指把鋼件加熱到指定淬火溫度所需時間及在淬火溫度下保溫時間之和，淬火加熱時間的長短隨爐子的型式、加熱介質、零件的形狀和尺寸等而不同，現將在箱式電阻爐中的加熱時間列于表中。碳鋼淬火的冷卻速度，取決于所要求的組織和性能，一般可從該鋼種的C曲線上看出來，對于碳鋼，常用的淬火劑為水和機油（礦物油）。由于碳鋼的淬透性差，所以只有截面尺寸小于3—5毫米時可用油淬火，碳鋼淬火后的組織為馬氏體+殘余奧氏體。碳鋼在箱式電阻爐中的加熱時間（分）工件加熱溫度圓工件（分鐘/毫米直徑）方形工件（分鐘/毫米直徑）600℃23700℃1.52.2800℃1.01.5900℃0.81.21000℃0.40.6回火回火是淬火的后繼熱處理，一般是零件的最后熱處理。經回火，發生碳原子的偏聚，碳化物的沉淀析出，殘余奧氏體的分解，馬氏體基體的回復與再結晶等過程。回火后性能變化總的趨勢是硬度、強度降低，塑性、韌性提高。回火溫度不同，得到的組織和性能也不同，回火溫度根據性能要求及用途而定，一般分為：低溫回火：150—220℃，組織為回火馬氏體+殘余奧氏體中溫回火：350—550℃，組織為回火屈氏體高溫回火：500—650℃，組織為回火索氏體回火溫度愈低，需要加熱時間愈長，一般回火時間為1—3小時（由于實驗用試樣較小，故回火時間定為30分鐘），回火后的冷卻大都在空氣中冷卻。實驗設備和材料標準系統(熱電偶與直流電位差計)一套被校系統(熱電偶、補償導線、動圈儀表或電子電位差計)一套箱式爐一臺水銀溫度計一根直徑為20毫米的45鋼試樣、硬度計、金相顯微鏡實驗方法及步驟將被校系統和標準系統的熱電偶放在爐內的同一點上。使箱式爐溫度升到第一個溫度校驗點上(如200℃)，然后恒溫保持。用標準系統的直流電位差計測量這點的熱電勢，并換算成溫度值，記下數據（在一個溫度上重復三次）。觀察被校系統的二次儀表的指示值，記下這點的溫度值。重復步驟2，將爐溫升至第二、三校驗點，進行校驗。待爐溫校驗完畢之后，全班分成4組，每組按下表作一套試樣。編號熱處理工藝1正火：加熱830℃，空冷2淬火：加熱830℃，水冷3淬火：加熱830℃，油冷4淬火：加熱780℃，水冷5淬火：加熱1000℃，水冷6淬火+低溫回火：830℃水冷+200℃回火30分鐘7淬火+中溫回火：830℃水冷+400℃回火30分鐘8淬火+高溫回火：830℃水冷+600℃回火30分鐘各組中做相同條件試樣的同學集中一起將試樣入爐加熱，以試樣表面到溫度時開始計算保溫時間（按1分/毫米計算），待試驗充分保溫后取出迅速放入預定的冷卻劑中冷卻，回火時亦將同樣溫度回火的試樣集中入爐。磨去氧化皮并將試樣兩端面磨平后測量硬度。硬度測好后，進行金相樣品制備，顯微組織觀察和描繪。實驗報告要求列出實驗數據，進行計算分析，根據實驗結果討論。溫度℃綜合誤差ΔZ（℃）校驗結果誤差（℃）平均值將本組實驗結果整理后列表，分析組織與性能的關系。顯微組織照片圖8-1圖8-2圖8-3圖8-4圖8-5圖8-6圖8-7圖8-8*腐蝕劑均為4%硝酸酒精

實驗九鋼的滲碳層的測定實驗目的了解滲碳工藝了解鋼滲碳時滲碳層深度與滲碳溫度和滲碳時間的關系掌握用金相法測定滲碳層的厚度實驗原理及方法增加鋼件表面含碳量的化學熱處理稱為滲碳，滲碳的目的是使鋼件獲得硬的耐磨的表面，同時又保持韌的中心。進行滲碳的鋼材其含碳量一般都小于0.3%，鋼的滲碳溫度一般取900—930℃，即使鋼處于固溶大量碳的奧氏體狀態，而又不使奧氏體晶粒顯著長大。近年來，為了提高滲碳速度，也有使滲碳溫度提高到1000℃左右，滲碳層的深度根據鋼件的性能要求決定，一般常用的為1毫米左右。鋼滲碳緩冷后的顯微組織符合鐵—碳平衡相圖，表面到中心依次是珠光體和過剩滲碳體，珠光體，珠光體和鐵素體，一直到鋼材的原始組織。滲碳的過程是碳原子在γ鐵中的擴散過程，根據擴散的費克第二定律，如爐內的碳勢一定，則滲碳層深度與滲碳時間和滲碳溫度有如下關系：其中，測量滲碳層深度可用顯微硬度法和金相法。本實驗采用金相法，在顯微鏡下通過測微目鏡測量，滲碳層的深度是從表面量到剛出現鋼材的原始組織為止。另外還可用顯微硬度法測量滲碳層厚度，試樣拋光后不要腐蝕，直接打顯微硬度，最表面一點壓痕離試樣表面0.05mm為宜，這一點也可作為表面硬度值，然后向里每移動0.10mm測一壓痕，一直測到心部或低于450HV處為止。然后將各點所測硬度值繪制成硬度分布曲線，并求有效硬化層深度，有效硬化層深度是由表面垂直測至550HV處，用DC表示。滲碳一般在氣體或固體的滲碳介質中進行，煤油是常用的氣體滲碳介質，氣體滲碳的一個主要優點是碳勢可以控制，控制碳勢的方法現有用露點儀，紅外CO2分析儀和氧探頭等幾種。實驗設備和材料井式滲碳爐、20鋼（直徑為10—15毫米）、金相顯微鏡（帶測微目鏡）實驗內容和步驟全班分三組，每個大組再分成兩小組，一個小組做滲碳溫度為880℃，另一個小組做滲碳溫度為930℃，滲碳時間分別為0.5、1、2、4、8小時。先用砂紙將試樣表面的紅色鐵銹磨去，然后用鐵絲將五個試樣扎成一串，上部鐵絲約長500毫米，試樣之間的鐵絲約長20毫米，待爐溫到達后，將這串試樣從井式滲碳爐的試樣孔中放入，并將小孔蓋好，待滲碳時間到達后，從試樣孔中按時間分別從上到下用鐵絲鉗鉗下，冷卻后用鋼印作好不同滲碳溫度和時間的記號。按照金相試樣的方法來制備試樣，為了防止邊緣倒角須用試樣夾，并注意開始用砂輪磨時須將這個面的滲碳層磨掉。在金相顯微鏡下觀察試樣的顯微組織，并用測微尺測定其滲碳層深度。實驗報告要求簡述實驗目的、內容和步驟列表記錄兩種滲碳溫度下的滲碳時間與相應的滲碳層深度，并與理論值進行比較。畫出兩種滲碳溫度下的滲碳層深度與滲碳時間的曲線，并分析實驗結果。比較用顯微硬度法和金相法測得的滲碳層深度。顯微組織照片圖9-1滲碳層的測定

實驗十金屬材料學綜合實驗實驗目的通過金屬材料學課程的學習，要求在掌握基本理論的基礎上，自己設計實驗，用實驗結果來驗證理論的正確性，進一步加深對材料成分，組織結構以及性能之間關系的理解。實驗內容合金元素對組織的影響通過對合金元素Cr與C曲線淬透性的試驗來考察合金元素對平衡組織的影響。實驗材料：45#，40Cr，4Cr13常用合金元素對熱作模具鋼的二次硬化影響通過實驗分析Cr、W、V等合金元素對鋼相變規律及在四大過程中的行為。實驗材料：3Cr2W8V合金元素對回火脆性的影響通過對含有Cr、Mn、Si的鋼進行熱處理，并對其沖擊韌性進行考察，加深對第二類回火脆性的認識。實驗材料：30CrMnSi和標準的沖擊試樣鋁合金的時效復習鋁合金的固溶時效強化原理，通過對該實驗的實施，加深對其時效硬化現象的理解。實驗材料：鍛鋁材料LD2實驗設備器材加熱爐、硬度計、沖擊實驗機、金相顯微鏡、砂紙、拋光機、腐蝕劑、相紙、底片、鋼印。實驗要求全班分四大組進行。每人預先按照實驗要求，寫好實驗方案，制定出合理的熱處理工藝，由指導教師檢查認可后方能進實驗室進行實施。執行所指定工藝后，認真記錄實驗數據（硬度值、斷口形貌、金相組織），并要求拍攝相應的組織的金相照片。寫一份有分析的實驗報告。

實驗十一利用磁性測定鋼中的殘余奧氏體實驗目的掌握用沖擊磁性儀測定鋼的飽和強度的方法學會根據鋼的飽和強度值計算鋼中殘余奧氏體量的方法研究熱處理工藝對鋼中殘余奧氏體量的影響實驗原理鋼從奧氏體狀態淬火到室溫后，都會有一些殘余奧氏體存在，殘余奧氏體量的多少，決定于鋼材本身的化學成分，淬火的加熱溫度及保溫時間，冷卻方式等，殘余奧氏體量的多少與鋼材的各種性能有很大的關系。例如：殘余奧氏體量增多，會降低強度、硬度、耐磨性等。因此在要求獲得高硬度的情況下，常要采取一些措施，盡量減少殘余奧氏體量。又如一些精密零件，要求尺寸穩定，殘余奧氏體的量就需嚴格控制。測定殘余奧氏體量的方法也有很多種，如金相法，X射線分析法，膨脹法及磁性分析法等。這些方法各有優缺點，由于磁性分析法測量簡單，使用方便，精度也較高，因而目前使用較多。磁性分析法的原理是鑒于奧氏體為順磁性，而由奧氏體轉變所得的產物，如珠光體，鐵素體，貝氏體，馬氏體等，在常溫下均為鐵磁相，當鋼材中這些相混合共存時，其磁飽和強度的大小與鐵磁相所占的數量多少成正比。設B0為標準試樣的磁飽和強度，所謂標準試樣是指試樣中含100%的鐵磁相。BX為待測試樣的磁飽和強度。于是試樣中殘余奧氏體的數量，可用下列公式計算出來：測量的正確程度顯然與所選擇的標樣有關，這是因為在理想的情況下，標樣中應全部都是鐵磁相，但這一點往往不容易做到，如常用的標樣采取與試樣相同的鋼材，經退火或淬火加多次回火制成，這種標樣內或多或少會含有少量的非鐵磁相。而且，鐵磁相的磁飽和強度與其化學成分有關，如α—Fe中溶入C、W、Cr、V等元素后，均使其磁飽和強度降低，故標樣中的鐵磁相應與試樣中的鐵磁相具有相同的化學成分，但這一點通常是比較難做到的。為了提高測量的精確度，常采用下述二種方法。（1）在測出試樣的磁飽和強度的同時，測出其中的碳化物量和α固溶體的化學成分，然后根據合金元素與磁飽和強度的關系曲線，計算α相的磁飽和強度。通過上述公式求出試樣中的順磁相的數量，便可得出殘余奧氏體量。（2）取與待測試樣相同的材料，采用一定的熱處理工藝制備一個特殊的接近理想情況的標準試樣。不過此方法僅適用一般的碳鋼或低合金鋼，且淬火溫度不能太高。總之，精確地測定殘余奧氏體量是一項很復雜的工作，也需要通過不斷在實踐中摸索，得出一個既合理又簡便，并為大家所樂于采用的方法。測量方法本實驗采用電磁鐵產生大磁場，將試樣（Ф3mm×30mm）放入磁極間，根據沖擊法原理進行測量。測量線路如圖所示。測量線圈中放入一個試樣，當磁鐵中電流由-i→+i時，測量線圈中磁通量將為ΔΦ=S·ΔB，式中ΔB是試樣內磁感應強度的變化，S是試樣的截面積。圖11-1沖擊法測量磁性原理圖當測量線圈中有磁通量變化時，則在線圈中產生感應電動勢為e=n2·dΦ/dt,n2為線圈的匝數，dΦ/dt是磁通量對時間的變化率。因而在測量線圈中產生的感應（瞬時）電流：R是測量線路中的總電阻。∴將此式對時間積分，∴電量Q通過檢流計，引起偏轉α，即Q=C·α，C為沖擊檢流計的沖擊常數，代入當測量線路固定后，是一個固定值，因此可簡化為B=C，故測出α，可算出B。同樣道理，如果需要測出電磁鐵的磁場強度時，只要測量線路中不放任何試樣，用同一個線路得：H=CH，根據鐵磁材料磁化理論已知：B=H+4лI，I=(B-H)/4л如果兩個試樣中，一個是含有100%鐵磁相的標樣，測得B1=C1第二個試樣B2=C2，則第二個試樣中的非鐵磁性相（相對于第一個試樣）的含量為所以只要測出α1，α2，H都可根據上式計算出A%，但在實際測量時要保證：兩試樣體積（截面積和長度）相等，測量線路不允許改變，使用同一個n2，磁場強度固定（磁化電流固定），并為減少去磁因子影響使H≥2.8×104Am--1。實驗設備及材料強磁場電磁鐵及直流穩壓源一套裝置。檢流計及電阻R1R2組成一套測量回路。一套經過不同溫度淬火的T10鋼試樣和一套經淬火和不同次數回火的高速鋼試樣。實驗步驟熟悉基本原理和測量方法，檢查線路接線是否正確。領取標樣和待測試樣。接通電磁鐵電流，調節整流器上手柄，使電流達到10A，以獲得此電磁鐵中的H≥2.8×104Am--1。打開K2，將標樣放入線圈內，接通檢流計電流，打開K1，調整檢流計光點指零。K2從0→順，待檢流計光點回到零點，再將K2從順→倒，觀察檢流計光點最大偏角，若超出或不到標尺60格格數時，可調節R1及R2使光點偏轉最大格值（本實驗為60格）。光點回到零點后，再將K2從倒→順，觀察檢流計光點最大偏角，便左右偏角相等。閉合K1，記下α1左右偏角，此時是標準偏角。將K2→0，從n2中取出標樣，在空載的情況下，打開K1，K2→順，待檢流計光點指零，K2順→倒，觀察偏角。待檢流計光點指零，K2倒→順再觀察，記錄下空載時αH的左右偏角。閉合K1，K2→0，在n2中裝入待測試樣。打開K1，K20→順，待檢流計光點指零，K2順→倒，觀察偏角。待檢流計光點指零，K2倒→順再觀察偏角。記錄下待測試樣α2的左右偏角。按同樣的方法，裝入新試樣，可測得一系列的α3，α4，……實驗做到最后需要將所有的試樣進行退磁。其方法是將試樣放在n2線圈中后，閉合K1，使K2從順→倒反復5—6次，同時調節整流器上的手柄，使電流緩慢地、連續地從10A降到0A。測量完畢按公式計算試樣中的殘余奧氏體量。10、將實驗數據交指導老師審閱，收拾好實驗儀器，經教師驗收后方可離去。實驗報告簡述實驗目的和基本原理。整理實驗數據及繪制曲線（A%—回火次數，A%—C%）。對實驗結果進行理論分析，提出改進意見。思考討論題影響本實驗測量精確度的因素有那些？如果磁場強度H小于2.8×104Am--1時，會給測量結果帶來什么影響？

實驗十二金屬及合金的電阻測量實驗目的熟悉雙電橋及電位差計測量金屬電阻的方法。用電阻法研究成分或熱處理對鋼的電阻率ρ的影響。基本原理凡金屬均能導電，其電阻R的大小與導體的長度成正比，與導體截面積S成反比，即。公式中的ρ稱為電阻率，它是一個與導體的幾何形狀無關的數值，因此，金屬的導電性能常以ρ來估量。上式可改寫成。工程上常用的ρ單位為歐姆·毫米2/米=10-4歐姆·厘米。金屬的電阻率與金屬的成分、組織及其所處的溫度有關。凡阻礙自由電子運動的因素，均使金屬的電阻率增高，如金屬及合金經淬火或固溶化處理時，由于第二相溶入，而使ρ增高，反之，回火或時效處理時，第二相析出，將使ρ降低。此外，如狀態圖上的固溶體溶解曲線，一般是比較難于測定的。金相法、熱分析法及其他一些物理性能方法也都不容易測準，而電阻分析法卻是很有效的。因為純金屬的電阻率最小，由于其它元素的溶入，形成固溶體時，ρ將激增，溶入的量愈多，ρ的增加也愈多，ρ與溶質的量成曲線關系。但如果某一合金的組織是二相機械混合物時，則隨某一相的數量的改變，ρ將沿直線變化。由此可見，電阻分析方法也常被用來研究合金的相變。測量電阻的方法雖很多，但對金屬及合金這類小電阻（<1Ω），則常用雙電橋或電位差計來進行測量，現就本實驗中所使用的電位差計及雙電橋作簡要的介紹。圖12—1電位差計原理圖電位差計的工作原理電位差計的原理圖如圖12—1所示。當開關S接通a點，從圖12—1中可知，在接通的回路內，標準電池所產生的電流是逆時針方向流動，工作電流是順時針方向流動。調節R1，改變工作電流I，使檢流計G指零。此時E=IRN，將開關S接通b，調節R到RX，使G指零，則EX=IRX。因I為一定值，故EX可直接用RX之大小標出，所以一般電位差計中，都是直接測出EX之值。于是，，，如果換算成被測試樣之電阻率，。此種方法的特點是不需要測量線路里流經各電阻的電流值，只要測得RX/RN之比即可，而在儀器平衡后，不從標準電池或被測電源取出電流，所以在標準電池、被測電源及導線上都無電壓降落，因而被測電勢值不會受干擾。QJ36型雙臂電橋測定電阻的工作原理圖12—2雙臂電橋線路圖QJ36雙臂電橋使用時的線路如圖12—2所示。通過R1、R2的選擇，調節R外、R內后，使電橋平衡，流過檢流計的電流為零，被測電阻RX即可通過下式求得：，（R1=R2）實驗設備及材料UJ31低電勢直流電位差計一臺。QJ36型單雙臂兩用電橋一臺。AC15/2直流復射式檢流計兩臺。待測試樣一套。（08、20、45、T8、T12試樣5根，經850—870℃加熱后，淬入5%NaCl水溶液中處理）操作步驟電位差計測定步驟測量用線路如圖12—3所示。圖12—3UJ13電位差計接線圖用卡尺量出所測試樣的平均截面積（取三點平均值），計算各截面積S及測量端試樣的長度l。檢查電位差計及測量線路上的各部位的接線。調節轉盤T，使其F點與T轉盤刷子之間的電阻適合。ET=E0-0.0000406（t-20）-0.00095（t-20）2E0=1.01864絕對伏（20℃）將倍率盤指在0.1倍上。調整工作電流。方法：將電位差計上切換開關轉向標準，依次按下叩鍵2、1、0，調節轉盤粗、中、細，使檢流計光點指零，松開叩鍵。將雙刀雙擲開關接通RN，切換開關轉向測量，依次按下叩鍵2、1、0，調節讀數盤B、C，使檢流計光點指零，記下電勢數EN。將雙刀雙擲開關接通RX，依次按下叩鍵2、1、0，調節讀數盤 B、C，使檢流計光點再次指零，記下電勢EX。當裝上新的試樣后，仍照5、6、7的步驟方法做。公式RX=RNEX/EN，計算RX，再根據ρ=RXS/l，算出電阻率。（本實驗RN取0.001Ω）雙臂電橋測定步驟圖12—4QJ36單雙臂兩用電橋接線圖（1）算待測電阻的大致數值，選擇RN。（本實驗取0.001Ω）（2）按圖12—4將RN及RX接入線路中。（3）把可變電阻Rρ放在最大位置，當開關S合上后，再調節Rp，使電流小于RN及RX所允許通過的值。現取0.8A，因電流過大會使電阻發熱，影響阻值。（4）根據說明書所里列表，選擇R１=R２=1000。（5）接通檢流計電源，按下電橋按鈕“短”，調節檢流計上分流器→x1。松開電橋按鈕“短”，若檢流計光點不在零點，此時可調節檢流計的零點調節器使光點指零。再次按下按鈕“粗”、“細”，調節電阻R２，使檢流計指針指零，記下Ｒ數值。根據公式計算。實驗報告要求簡述實驗目的及簡單原理。整理實驗數據，根據數據繪制ρ—成分或ρ—熱處理工藝的關系曲線。分析實驗結果，并指出改進意見。報告中應附實驗原始記錄數據。思考討論題電位差計法與雙電橋法各有什么優缺點？為什么選擇RＮ要接近RＸ值才可以明顯地減少測量誤差？

實驗十三用示差熱分析法測定鋼在加熱和冷卻過程中的相變溫度實驗目的1、了解示差熱分析裝置的結構和原理2、利用示差熱分析方法，測定鋼在加熱和冷卻時的相變溫度基本原理熱分析法是基于用示差熱電偶測定待測試樣和標準試樣之間的溫度而命名的。示差熱電偶是由兩對熱電偶互相串聯，極性反接而成的。在儀表上所指示的讀數是示差熱電偶兩熱端溫度的熱電勢，當熱端T1=T2時，由于兩對熱電偶材料相同，極性反接，故所產生的熱電勢相等，方向相反，互相抵消，在示差熱電偶的回路中，熱電勢差等于零，毫伏計（數字電壓表）指示為零。當T1≠T2時，則由于溫度差（ΔT=T1—T2）而產生熱電勢，毫伏計的讀數即為熱電勢的差值（ΔT），所以示差熱分析法是測量加熱或冷卻過程中試樣和標樣之間的溫度差與時間的關系曲線。圖13-1示差熱電偶在未發生組織轉變時，試樣與標樣的溫度相同，ΔT=0，當試樣中發生組織轉變時，轉變的熱效應使試樣與標樣之間產生溫度差，所以示差熱分析要測的熱電勢比普通熱電分析的熱電勢值小很多，可提高測量精度。示差熱分析裝置及測量方法圖13-2示差熱分析裝置示差熱分析的裝置如圖所示，示差熱電偶兩端分別插入試樣與標準試樣中（試樣和標準試樣的幾何尺寸相同，兩者的熱傳導性能相近），標準試樣要求在整個的加熱和冷卻溫度區間內，不存在相變，標樣和試樣同時放入加熱爐內，以一定的速度進行加熱和冷卻，當試樣加熱到某溫度（某溫度區間）發生相變時，假定此相變伴隨吸熱反應，那么試樣的溫度就不圖13-3a：示差熱電偶所指示的差熱曲線b：標準在加熱和冷卻時的溫度曲線再上升。于是示差熱電偶兩端的溫度出現差值，產生熱電勢，回路中的毫伏計（數字電壓表）開始有指示值。記錄加熱和冷卻過程中的時間、溫度及數字電壓表的毫伏值，經整理得曲線。在基準線上方為吸熱效應所產生的峰值，下方為散熱效應的峰值。峰值所對應的溫度可由溫度—時間曲線上查得，一般取峰的前坡最大斜率點的切線與基線延長線的交點作為起始轉變溫度。實驗設備與材料1、自制小型加熱爐一臺2、可調變壓器一臺3、PZ38型直流數字電壓表一臺4、600℃—1100℃毫伏表一臺5、T8待測試樣一支，標樣（奧氏體不銹鋼）二支操作步驟1、測定試樣和標樣尺寸（直徑長度）。2、將示差熱電偶的兩熱端分別插入試樣和標樣的測溫孔中，并將測溫熱電偶插入另一標樣中，為使試樣加熱均勻，套上鎳管，并罩上爐子。3、將熱電偶的冷端與相應的儀表相接。4、接通加熱爐的電源，以稍快速度加熱到600℃，以后調整加熱速度，使加熱速度為2—3℃/分。5、從700℃起，每隔1分鐘記錄試樣的溫度和電勢值，710℃后改為30秒讀一次數，直至800℃。6、調節加熱爐電源，開始緩慢冷卻，每隔1分鐘記錄溫度和電勢值，700℃后改為30秒記錄一次數據，轉變完后每隔1分鐘測量一次試樣的溫度和電勢值，直到試樣溫度降到660℃為止。7、將實驗數據交實驗指導教師審閱，收拾好實驗所用的設備儀器，經指導教師驗收后，方可離開實驗室。實驗報告要求1、簡述實驗目的及簡單原理。2、整理實驗數據，并做出ΔT—τ，T—τ曲線（如圖13—3）。3、對實驗結果進行分析（實驗報告中，應用原始數據），提出改進意見。思考討論題1、試分析那些因素影響實驗曲線的真實性和相變溫度的準確性。

實驗十四X射線衍射儀與物相定性分析實驗目的概括了解X射線衍射儀的結構與使用練習用PDF（ASTM）卡片及索引對多相物質進行物相分析X射線衍射儀簡介傳統的衍射儀由X射線發生器、測角儀、記錄儀等幾部分組成。自動化衍射儀是近幾年才面世的新產品，它采用微計算機進行程序的自動控制。圖14—1為日本理光光學電機公司生產的D/max—B型自動化衍射儀工作原理方框圖。入射X射線經狹縫照射到多晶試樣上，衍射儀的單色化可借助于濾波片或單色器。衍射儀被探測器所接收，電脈沖經放大后進入脈沖高度分析器，操作者在必要時可利用該設備自動畫出脈沖高度分布曲線，以便正確選擇基線電壓與上限電壓。信號脈沖可送到計數率儀，并在記