材料科学基础实验设计报告学生专业：材料成型及控制工程学生班级： 1306091学生学号：学生姓名：指导老师报告日期： 2015年12月目录一、综述————————————————— 3- 6 页二、选题依据——————————————— 6- 7页三、材料及仪器—————————————— 7- 8 页四、实验过程——————————————— 9-11 页五、结果及分析——————————————11-17页六、结论—————————————————17 页参考文献——————————————— 18 页一、综述1、碳钢的认知：对于被试验的材料的选取对象为铁碳合金，根据含碳量不同，可以分为碳钢和铸铁两类。

而在几种典型合金中有亚共析钢、共析钢、过共析钢。

.亚共析钢：亚共析钢含碳量为0.0218%～0.77%，从液态结晶结束时得到的单相奥氏体，奥氏体冷却至A3线温度时，开始析出铁素体，称先共析铁素体。

随着温度的降低，析出过程持续进行，但温度降到Ar1温度时，具有共析成分的奥氏体转变为珠光体，最终得到由铁素体和珠光体构相组成的两相组织。

共析钢：共析钢即T8钢，室温下组织全部为珠光体，在较大的放大倍数下，可一分辨出珠光体中的铁素体与渗碳体。

过共析钢：含碳量超过0.77%的钢称为过共析钢，过共析钢从液态结晶结束得到单相奥氏体，在以后的冷却过程中，因奥氏体中的碳的溶解度变化，而沿着奥氏体晶界析出二次渗碳体，在过共析钢中二次渗碳体呈网状，过共析钢中的含碳量越高则二次渗碳体的网络就越粗越趋于完整。

由于渗碳体是硬而脆的相，当钢中有完整的二次渗碳体网络形成时常使钢的塑形韧性大大降低。

在实验室中，根据实验条件，我们集中对两种钢型进行热处理、组织观察及硬度测定。

其中45号钢属于典型的亚共析钢，而T8钢属于共析钢。

通过对这两型号钢的实验研究，我们能够初步了解铁碳合金的热处理的组织变化后的各项指标及材料改性。

2、碳钢的热处理原理与工艺：.钢的热处理原理与工艺：热处理是对固态金属或合金采用适当方式加热、保温和冷却，以获得所需要的组织结构与性能的加工方法。

金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。

其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。

热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。

（1）碳钢热处理加热温度范围①退火温度：一般将亚共析钢加热至A c3+（30～50）℃（完全退火）；共析钢和过共析钢加热至Ac1+（10～20）度（球化退火），目的之得到球状渗碳体、降低硬度、改善高碳钢的切削性能。

②正火温度：一般将亚共析钢加热至Ac3（30～50）℃；过共析钢加热至Acm+（30～50）℃，即加热到奥氏体单相区。

退货和正火的加热温度范围选择。

③淬火温度：一般亚共析钢加热至A c3+（30～50）℃；共析钢和过共析钢加热至A c1+（30～50）℃.钢的成分，原始组织及加热速度等都影响临界点A c1、A c2、及A cm的位置。

在碳钢热处理手册或材料手册中可以查到各种钢的热处理温度，热处理时不能人为随意提高加热温度，因为加热温度过高时，晶粒容易长大，氧化、脱碳和变性严重，也不能任意降低温度，会影响钢的强度和硬度。

（2）碳钢热处理加热温度的选择回火温度的选择：钢淬火后都要回火，回火温度决定于最终要求的组织和性能。

按加热温度高低，回火可分为3类。

a低温回火：工件在150~250℃进行的回火。

目的是保持淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火残留应力和脆性.回火后得到回火马氏体，指淬火马氏体低温回火时得到的组织。

力学性能：58～64HRC，高的硬度和耐磨性。

应用范围：主要应用于各类高碳钢的工具、刃具、量具、模具、滚动轴承、渗碳及表面淬火的零件等。

b中温回火：工件在350～500 ℃之间进行的回火。

目的是得到较高的弹性和屈服点，适当的韧性。

回火后得到回火屈氏体，指马氏体回火时形成的铁素体基体内分布着极其细小球状碳化物（或渗碳体）的复相组织。

力学性能：35～50HRC，较高的弹性极限、屈服点和一定的韧性。

应用范围：主要用于弹簧、发条、锻模、冲击工具等。

c高温回火：工件在500~650℃以上进行的回火。

目的是得到强度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。

回火后得到回火索氏体，指马氏体回火时形成的铁素体基体内分布着细小球状碳化物（包括渗碳体）的复相组织。

力学性能：25～35HRC，较好的综合力学性能。

应用范围：广泛用于各种较重要的受力结构件，如连杆、螺栓、齿轮及轴类零件等。

3、碳钢的组织观察由于选择的材料为T8钢和45号钢，低碳钢的含碳量较低，故经热处理后的结晶组织除铁素体和珠光体，还有不同形态的马氏体和索氏体。

（1）铁素体的组织铁素体晶界圆滑，晶内很少见孪晶或滑移线，颜色浅绿、发亮，深腐蚀后发暗。

钢中铁素体以片状、块状、针状和网状存在。

一般情况下，成细条状分布在奥氏体晶界，有时也呈块状类型的铁素体称为先共析铁素体或组织上自由的铁素体。

随形成条件不同，先共析铁素体具有不同形态，如等轴形、沿晶形、纺锤形、锯齿形和针状等。

铁素体还是珠光体组织的基体。

在碳钢和低合金钢的热轧（正火）和退火组织中，铁素体是主要组成相；铁素体的成分和组织对钢的工艺性能有重要影响，在某些场合下对钢的使用性能也有影响。

（2）珠光体的组织珠光体是由奥氏体发生共析转变同时析出的，铁素体与渗碳体片层相间的组织，是铁碳合金中最基本的五种组织之一。

得名具有珍珠般的光泽。

其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替叠压的层状复相物，也称片状珠光体。

在珠光体中铁素体占88%,渗碳体占12%,由于铁素体的数量大大多于渗碳体,所以铁素体层片要比渗碳体厚得多.在球化退火条件下,珠光体中的渗碳体也可呈粒状,这样的珠光体称为粒状珠光体。

（3）马氏体的组织马氏体是将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（淬火），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。

马氏体通常有片状、板条状，但金相观察中通常表现为针状（如图2）。

一般当Wc<0.3%时，钢在马氏体形态同乎全为板条马氏体;当Wc>1.0%时，则几乎全为片状马氏体；当Wc=0.3%-1.0%时，为板条马氏体和片状马氏体的混合物，随含碳量的升高，淬火钢中板条马氏体的量下降，片状马氏体的量上升.高碳钢在正常温度淬火时，细小的奥氏体晶粒和碳化物都能使其获得细针状马氏体组织,这种组织在光学显微镜下无法分辨称为隐针马氏体.（4）索氏体的组织索氏体是钢经正火或等温转变所得到的铁素体与渗碳体的机械混合物。

索氏体组织属于珠光体类型的组织，在光学金相显微镜下放大600倍以上才能分辨片层的细珠光体(GB/T7232标准)。

其实质是一种珠光体，但其组织比珠光体组织细，是钢的高温转变产物，是片层的铁素体与渗碳体的双相混合组织，其层片间距较小（250～350nm），碳在铁素体中已无过饱和度，是一种平衡组织。

索氏体具有良好的综合机械性能。

4、碳钢的硬度测定实验采用洛氏硬度仪测定，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。

二、选题依据1、碳钢的用途：碳素钢炉炼钢﹑炉外喷吹﹑连续铸钢和连续轧制等新技术是指通常含碳量小于1.35％的铁碳合金﹐其中还含有限量以内的硅﹑锰和磷﹑硫等杂质及其它微量的残余元素。

碳素钢是近代工业中使用最早﹑用量最大的基本材料﹐世界各工业国家﹐在努力增加低合金高强度钢和合金钢产量的同时﹐也非常注意改进碳素钢质量﹐扩大品种和使用范围。

特别是20世纪50年代以来﹐氧气转被普遍采用﹐进一步改善了碳素钢的质量﹐扩大了使用范围。

目前碳素钢的产量在各国钢总产量中的比重﹐约保持在80％左右﹐它不仅广泛应用于建筑﹑桥梁﹑铁道﹑车辆﹑船舶和各种机械制造工业﹐而且在近代的石油化学工业﹑海洋开发等方面﹐也得到大量使用。

2、T8钢性能：T8模具钢属于抗冲击碳素工具钢、冷作模具钢、淬硬型塑料模具用钢，该钢无网状碳化物析出倾向，塑性、韧性优于T10A钢，淬透性与T10A钢相近或稍高，适用于制作较大截面的模具。

重载模具采用T8A模具钢，进行预先调质球化处理，效果较好。

调质处理硬度22-26HRC；火焰淬火硬度55-60HRC。

该钢可加工性好，价格低廉，来源容易，但缺点是淬透性低，耐磨性差，淬火变形大。

该钢完全球化的最低加热温度为740℃，加热到780℃退火，即出现大量带棱角的长条状碳化物。

45号钢用途：45号钢广泛用于机械制造，这种钢的机械性能很好。

但是这是一种中碳钢，淬火性能45号钢广泛用于机械制造，这种钢的机械性能很好。

但是这是一种中碳钢，淬火性能并不好，45号钢可以淬硬至HRC42~46。

所以如果需要表面硬度，又希望发挥45＃钢优越的机械性能，常将45＃钢表面渗碳淬火，这样就能得到需要的表面硬度并不好，45号钢可以淬硬至HRC42~46。

所以如果需要表面硬度，又希望发挥45＃钢优越的机械性能，常将45＃钢表面渗碳淬火，这样就能得到需要的表面硬度三、材料及仪器（1）实验仪器及材料仪器：洛氏硬度仪、台式金相显微镜、预磨机、砂纸、抛光机、吹风机等。

材料；待磨试样每人一块；各号金相砂纸一套；腐蚀剂；无水乙醇； 4 ％硝酸酒精；制备好的工业纯铁试样，棉球、镊子等。

（2）内容在利用金相显微镜观察、分析和研究金属材料的金相显微组织时，需要在该材料的典型部位截取样块，然后通过一系列的制备过程，制成符合要求的金相显微试样。

即在金相显微镜下可以观察到很清晰的金相显微组织，其整个过程即为磨片。

磨片的方法与步骤如下：①取样：试样尺寸通常采用直径为12~15㎜,高12~15㎜的圆柱体或边长为12~15㎜的方形式样。