《机械制造基础》实验指导书机电工程学院实验一铁碳合金的平衡组织观察一、实验目的1.了解金相显微镜的构造，熟悉金相显微镜的使用方法；2.观察铁碳合金在平衡状态下的显微组织，以进一步熟悉Fe-Fe3C相图；3.分析和研究含碳量对铁碳合金显微组织的影响，加深理解成分、组织与性能之间的相互关系。

二、实验设备及材料1.金相显微镜；2.金相图谱；3.各种铁碳合金的金相试样。

三、实验原理所谓平衡状态的组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下所得到的组织。

一般退火状态就接近平衡状态。

可以根据Fe-Fe3C相图来分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织。

室温下铁碳合金的组织都由铁素体和渗碳体两个基本相组成。

但由于含碳量的不同，铁素体和渗碳体的相对数量、分布状况均有所不同，从而不同成分的铁碳合金呈现不同的组织形态。

1.工业纯铁在室温下为单相铁素体组织，呈白亮色多边形晶粒，块状分布。

有时在晶界处可观察到不连续的薄片状三次渗碳体。

2.亚共析钢的室温组织为铁素体和珠光体。

当含碳量较低时，白色的铁素体包围黑色的珠光体。

随着含碳量的增加，铁素体量逐渐减少，珠光体量逐渐增多。

3.共析钢的室温组织全部为珠光体。

在显微镜下看到铁素体和渗碳体呈层片状交替排列。

若显微镜分辨率低，则分辨不出层片状结构，看到的则是指纹状或暗黑块组织。

4.过共析钢的室温组织为珠光体和二次渗碳体。

经质量浓度为4%硝酸酒精溶液浸蚀后，Fe3CⅡ为白色细网状，暗黑色的是珠光体。

若采用苦味酸钠溶液浸蚀，渗碳体被染成黑色，铁素体仍保留白色。

5.亚共晶白口铁的室温组织为珠光体、二次渗碳体和低温莱氏体。

在显微镜下，珠光体呈黑色块状或树枝状，莱氏体为白色基体上散布黑色麻点和黑色条状，二次渗碳体则分布在珠光体枝晶的边缘。

6.共晶白口铁的室温组织为低温莱氏体。

显微镜下看到的是黑色粒状或条状珠光体散布在白色渗碳体的基体上。

7.过共晶白口铁由先结晶的一次渗碳体与低温莱氏体所组成。

显微镜下看到的是一次渗碳体呈亮白色条状分布在莱氏体基体上。

四、实验步骤1.实验前复习铁碳合金相图，并了解显微镜的操作过程。

2.按观察要求，选择物镜和目镜，装在显微镜上。

3.将试样磨面对着物镜放在显微镜载物台上。

4.接通电源。

5.用手慢旋显微镜粗调焦手轮，视场由暗到亮，直至看到组织为止。

然后再旋微调焦手轮，直到图象清晰为止。

调节动作要缓慢，不允许试样与物镜相接触。

6.逐个观察全部试样。

五、实验结果1.根据观察结果填写表1-1。

2.将观察到的试样组织形态与金相图谱进行比较，画出3至5个试样的组织示意图。

六、分析与讨论1.根据所观察组织说明含碳量对铁碳合金的组织和性能的影响和性能有何影响。

①亚共析钢含碳量越低，铁素体越多；含碳量越高，珠光体越多；②过共析钢含碳量越高，渗碳体越多；③白口铁含碳量越高，莱氏体和渗碳体越多。

2．根据组织面积确定未知样品的含碳量。

已知珠光体平均含碳量为0.8%，如果忽略铁素体中的碳份（723℃0.02%到室温0.006%的变化），根据杠杆定律，从显微镜下观察到珠光体含量面积百分数乘上0.8%即为碳钢的含碳量。

如显微组织中珠光体面积百分数约占75%，则该试样含碳量约为75%×0.8=0.6%。

钢的含碳量等于珠光体百分比×0.8%。

如45钢，珠光体占60%，W=60%×0.8%=0.4c表1.1 观察试样材料类型序号样品名称状态腐蚀剂显微组织1 工业纯铁退火4%硝酸酒精2 20钢退火4%硝酸酒精3 45钢退火4%硝酸酒精4 65钢退火4%硝酸酒精5 T8钢退火4%硝酸酒精6 T12钢退火4%硝酸酒精7 亚共晶白口铸铁铸态4%硝酸酒精8 共晶白口铸铁铸态4%硝酸酒精9 过共晶白口铸铁铸态4%硝酸酒精工业纯铁(C%<0.02) 100X 4%硝酸酒精溶液工业纯铁(C%<0.02) 400X 4%硝酸酒精溶液亚共析钢（0.02%<C% <0.77）100X 4%硝酸酒精溶液亚共析钢（0.02%<C% <0.77）400X 4%硝酸酒精溶液亚共析钢（0.02%<C% <0.77）100X 4%硝酸酒精溶液亚共析钢（0.02%<C% <0.77）400X 4%硝酸酒精溶液共析钢（C%=0.77）100X 4%硝酸酒精溶液共析钢（C%=0.77）400X 4%硝酸酒精溶液过共析钢（0.77%<C%<2.11）100X 4%硝酸酒精溶液过共析钢（0.77%<C%<2.11）400X 4%硝酸酒精溶液亚共晶白口铸铁（2.11<C%<4.3）100X 4%硝酸酒精亚共晶白口铸铁（2.11<C%<4.3）400X 4%硝酸酒精共晶白口铸铁（C%=4.3）100X4%硝酸酒精溶液共晶白口铸铁（C%=4.3）100X4%硝酸酒精溶液过共晶白口铸铁（4.3<C%<6.69）100X 4%硝酸酒精溶液过共晶白口铸铁（4.3<C%<6.69）100X 4%硝酸酒精溶液实验二常见的热处理工艺和设备一、实验目的1.初步掌握碳钢的退火、正火、淬火和回火等热处理基本操作；2.掌握热处理工艺对钢力学性能的影响；3.进一步了解含碳量对钢力学性能的影响；4.了解常用的热处理工艺装备。

二、实验设备及材料1.箱式电阻炉及温度控制仪表；2.洛氏硬度计；3.淬火水槽和油槽；4.淬火介质（水、油）；5.铁丝钳子；6.试样：20、T8钢试样各一个、T12钢试样8个，45钢试样12个，规格以Φ10mm×15mm为宜，各试样应先打上编号。

三、实验分组将人员分成四组进行实验，各组的实验内容安排如下：第一组将45钢试样按正常退火和正火加热温度加热2个试样（请同学们自己查表确定）其中一个加热后缓慢冷却，另一个在空气中冷却，测定退火和正火后对硬度的影响。

第二组将45钢试样分别加热到680℃、780℃、900℃保温15min，然后水冷淬火，测定淬火加热温度对硬度的影响。

第三组将45钢试样加热至830℃保温15min，然后分别置于W NaCl=10%的水溶液、水、空气中冷却，测定冷却速度对45钢热处理后硬度的影响。

第四组将正常淬火的45钢试样，分别加热到200℃、400℃、600℃保温30min 后空冷，测定回火温度对淬火硬度的影响。

四、实验原理1. 碳钢普通热处理工艺碳钢的普通热处理包括退火、正火、淬火和回火，不同的热处理方法可使碳钢获得不同的组织和性能。

2. 热处理加热炉热处理加热炉有箱式电阻炉、井式电阻炉和盐浴炉等，其中实验室最常用的是箱式电阻炉，一种周期作业式的加热设备。

箱式电阻炉按其使用温度的不同，有低温、中温和高温之分。

中温箱式电阻炉最高使用温度为950℃。

3. 热处理的温度测量与控制温度是热处理生产中一个非常重要的工艺参数。

只有对炉温进行准确的测量和控制，才能正确执行热处理工艺，保证产品质量。

利用热电偶将热处理炉内的温度信号转换为电信号，输入测量装置进行测量，并由显示仪表显示出实际炉温。

与此同时，在调节器内，将测得的实际炉温值与给定的温度值进行比较，得出偏差值。

再由调节机构根据偏差值的不同发出相应的调节信号，驱动执行机构动作，从而改变输送给热处理炉电流的大小，使偏差消除，将炉温控制在某一给定值附近。

五、实验步骤1.根据分组安排，领取试样后各组根据实验内容，准备好冷却介质和钳子等工具。

2.用细铁丝捆扎好试样，以便装炉和出炉。

3.切断炉子电源，检查炉内是否有试样以及仪表是否正常，并根据需要调整炉温给定值。

4.先空炉升温，到达预定温度后装炉。

装炉时要注意自己试样的特征和位置，防止错乱。

试样应放在距热电偶较近处，这样可使测温较准确。

5.关闭炉门，通电升温加热，并注意，达到预定温度后开始记录保温时间。

6.准备出炉时，钳子应擦干或预热、烘干。

7.到达规定的保温时间后，取出试样按要求冷却。

出炉操作要迅速准确，淬火试样取出后应迅速置于冷却截止中冷却，以免温度下降。

试样出炉后炉门要即使关闭。

8.试样充分冷透后，用砂纸擦去表面氧化皮，再在洛氏硬度计上测定硬度值。

为保证测量精度，每个试样应测3个点，取其平均值。

六、实验结果各组先综合每位同学的实验结果，然后进行相互交换，并将全部实验结果填入表2-1中。

表2-1 碳钢热处理实验结果组别钢热处理加热温冷却介硬度HRC号方法度/℃质 1 2 3 平均第一组 45 退火正火炉冷空气9.8 8.6 8.310.3 11.2 11.8第二组45 淬火680780900水48.251.549.649.350.350.347.652.649.1第三组45 淬火淬火830830盐水水60.657.258.556.559.359.6第四组45 回火200400600空气46.335.626.443.233.527.645.532.325.7七、分析与讨论1.根据实验结果回火温度对淬火钢回火后硬度的影响，绘出相应的硬度-淬火温度关系曲线、硬度-回火温度关系曲线、硬度-冷却速度关系曲线。

2. 45钢在830℃时，不同的冷却速度对组织和硬度的影响。

①在盐水和水中冷却得到马氏体的硬度相似；②在油中冷却时得到部分马氏体，淬硬不足，硬度下降；③在空气中冷却时，正火处理得到珠光体，硬度低。