材料科学基础实验报告材料基礎科学実験レポート学院：材料科学与工程学院专业：金属材料工程（日语强化）班级：0707班姓名：赵宇学号：200766502大连理工大学实验报告学院（系）：材料科学与工程学院专业：金属材料工程（日语强化）班级：0707班姓名：赵宇学号： 200766502 组： ___ 实验时间：2010-10-9——2010-12-18实验室：材料馆111，123，117，113实验台：指导教师签字：成绩：材料科学基础实验报告材料基礎科学実験レポート一、实验目的和要求（目標と要求）：(一)实验目的（目標）：1.掌握金相试样的制备过程，并对其中出现的问题进行分析和解决。

2.了解金属材料的热处理工艺，针对其应用特点进行热处理工艺设计，并进行热处理操作。

分析碳钢在热处理时，温度、冷却速度对其组织与硬度的影响。

3.掌握在金相显微镜下观察和分析材料的金相组织，掌握不同的热处理工艺中组织结构的转变。

4.了解各种硬度计的特点、原理、使用范围以及测定方法。

5.掌握定量金相的原理和测定方法。

6.了解几种常用工程材料的成分——组织结构——机械性能之间关系的一般规律。

7.了解光学金相显微镜的构造和工作原理。

(二)实验要求（要求）：完成该设计性开放实验课程，要求同学独立的进行查阅资料、制定并实施实验方案、整理和分析实验结果等各个实践环节，在实验观察和操作的基础上，以基本实验方法为主题，贯穿专业理论知识学习，培养独立思考问题，分析问题和自己动手解决问题的能力。

使学生在实验操作的实践中学习金属学等相关的基本知识，初步具备独立设计实验方案和分析实验结果的能力。

二、主要仪器设备（機械と設備）砂轮机、轮盘、砂纸（200#、400#、600#、800#、1000#）、抛光机、抛光布、抛光液、腐蚀液（4%硝酸酒精）、棉球、吹风机、光学金相显微镜、数码相机、布氏硬度计HB-300、洛氏硬度计HR-150、箱式电阻炉、读数显微镜JC-10三、实验原理及步骤（原理と段取り）(一)原材料处理（元の材料の処理）：1.切样（切り）2.倒角（丸め）防止在打磨过程中由于试样边缘锋利划伤手指或划破砂纸。

3.打磨平面（平滑化）4.制样（サンプルを作り）5.粗磨（粗研削）先用200#砂纸打磨，注意保持试样垂直，保证磨出水平面。

到磨痕方向一致时，换400#砂纸，垂直于之前的磨痕进行打磨。

注意及时用清水将粗砂粒清洗掉。

6.细磨（精密研削）试样经过粗磨后，表面依然存在较深磨痕。

依次用600#、800#、1000#砂纸重复上述步骤进行打磨。

7.抛光（研磨）除去砂纸留下的细磨痕，获得光滑的镜面。

抛光时握住试样，使磨面均匀地压在旋转的抛光盘上，并随时将试样由中心至边缘往返移动。

抛光时要不断的添加磨料和润滑液。

待磨痕消除后，抛光即应停止。

如果抛光织物太湿润，抛光时间太长，抛光面会出现蚀坑，需返回到800#或1000#的砂纸上重新磨光，再重新抛光。

抛光后应马上吹干，进行腐蚀，防止生锈。

8.腐蚀（腐食）使用4%硝酸酒精溶液作为腐蚀剂，用镊子夹取蘸有腐蚀剂的脱脂棉，不断的擦试抛光后的试样表面，腐蚀3-4秒后迅速用清水冲洗干净，然后用吹风机迅速把试样表面吹干，防止表面生锈。

(二)观察原始状态（元の状態の観測）腐蚀好的试样，在金相显微镜下观察试样的原始组织。

并且与给出的参考照片进行比对，从而初步判断式样的材料成分。

若视野中出现黑色或其他颜色斑点，说明试样生锈，应重新进行抛光腐蚀。

(三)显微照相（顕微鏡写真）用配备数码照相系统的金相显微镜拍摄试样的原始组织。

(四)定量金相技术（定量的な金属組織学的手法）定量金相是指借助于金相显微镜（或图像分析仪）在二维平面上对显微组织作几何测量，然后推算出三维空间中组织特征的方法。

在金属和合金组织的各种形态参数的测量中，应用定量金相技术来测定第二相体积分数、第二相尺寸、质点间距、对有方向性组织的取向程度、比相界面、近邻率、连续性等。

本次实验中用到的方法有测量面积法、线分法和点标法。

定量金相计算的基本公式：1.P P=P/P T落在测量上的点/总点数用来表示点分数2.P L=P/L T测试线与待测对象的交点/测试线的长度3.L L=L/L T待测线的长度/测试线的长度用来表示线分数4.A A=A/A T待测所占面积/总面积用来表示面分数5.N L=N/N T待测对象的个数/测试线的长度6.V V=V/V T待测对象的体积/总体积K-与置信水平P有关的量表征P P相对波动大小ε-绝对误差σ-均方差〔标准偏差〕表征量数据的分散性T ppp pp)1(-=σP-置信水平(五)硬度试验原理（硬さ実験の原理）1.布氏硬度试验原理（ブリネル硬度）根据GB231-84规定，布氏硬度试验法是用直径为D的淬火钢球（或硬质合金球），以相应的试验力F压入被测材料的表面，保持规定的时间后，卸掉试验力，用读数显微镜测出材料表面的压痕直径d。

计算压痕单位面积上所受的力，即为被测金属的布氏硬度值HBS（或HBW）。

但实验时，是根据d值查表求硬度值。

2.洛氏硬度试验原理（ロックウェル硬度）洛氏硬度试验是将顶角为120°金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球压头，在一定载荷F作用下压入被测金属表面，保持一定时间后卸掉载荷。

根据压痕的深度h确定被测金属的硬度值。

但本实验中可以直接从洛氏硬度计的表盘上直接读出洛氏硬度值。

(六)碳钢的热处理(熱処理)工艺原理钢的热处理是指将钢在固态下施以不同的加热、保温与冷却，以改变其组织和性能的工艺。

普通热处理有退火、正火、淬火和回火等。

1.加热温度（加熱の温度）碳钢普通热处理的加热温度，可按表1选定。

但生产中，应根据工件实际情况作适当调整。

热处理加热温度不能过高，否则会使工件的晶粒粗大，氧化、脱碳严重，变形开裂倾向增加。

但加热温度过低，也达不到要求的效果。

表1 碳钢普通热处理的加热温度2.加热时间（加熱の時間）热处理加热时间（包括加热、保温时间）通常按工件有效厚度，用下列经验公式计算加热时间：T =αD式中：T——加热时间（min）；α——加热系数（min/mm）；D——工件有效厚度（mm）。

当碳钢工件D≤50 mm，在800～960℃箱式电阻炉中加热时，α=1～1.2（min/mm）。

回火的保温时间要保证工件热透并使组织充分转变。

实验时组织转变时间可取0.5h。

3.冷却方法（冷却の方法）钢退火一般采用随炉冷却到600～550℃以下再出炉空冷。

正火采用空气中冷却。

淬火时，钢在过冷奥氏体最不稳定的范围内（650～550℃）的冷却速度应大于临界冷却速度，以保证工件不转变为珠光体组织；而在Ms 点附近的冷却速度应尽可能低，以降低淬火内应力，减少工件变形与开裂。

因此，淬火时除了要选用合适的淬火冷却介质外，还应改进淬火方法。

对形状简单的工件，常采用单液淬火法，碳钢用水或盐水溶液作冷却介质，合金钢常用油作冷却介质。

四、实验内容与数据记录（内容と記録）本实验的具体流程：(一)观察原始试样金相组织（元の金属組織の観測）切样〔きり〕→倒角(丸め)→打磨平面(平滑化)→制样(サンプルを作り)→粗磨(粗研削)→细磨(精密研削)→抛光(研磨)→腐蚀(腐食)(4%硝酸酒精溶液)→观察原始状态(元の状態の観測)→显微照相(顕微鏡の写真)→打硬度(硬さ試験)→定量金相(定量的な金属組織分析) →整理原始数据（データの整理）原始组织显微照片图a：原试样（黑色为珠光体（パーライト）和白色为铁素体フェライ）根据对显微镜下观察的组织进行分析，并与参考照片比对，初步判断该试样材料为钢。

需要做定量金相和硬度测试进一步确定。

(二)定量金相计算过程（定量的な金属組織分析）选定的显微镜为直线行,所以通过计算线分数来计算工件组织中各成分的含量,选择测量铁素体：1)计算常数---ε=0.01,P=96%,K=2,放大倍数为400,故每格长度为0.0033毫米, 共100个小格。

2)估测线分数L L，任选一个方向，读得直线上的铁素体占的长度L1=40小格，然后换个方向，读得直线上的铁素体占的长度L2=43个小格所以估测的L L=〔L1+L2〕/〔2*100〕=（40+43）/200=0.415。

3)估测遍数N由公式)1(2LLLLLLN-=σ和KLlεσ=得2222)1(*2*LLLLKN-=ε，带入数据得N=4715。

所以实测遍数n=N/占格的晶粒数=4715*2/（40+43）=113.6，取114次。

实测L L。

为了计算和测量方便，取测试次数为15次。

依靠观察显微镜依次得到每次测量的铁素体占总直线的长度为：L1=40，L2=43，L3=40，L4=43，L5=42，L6=43，L7=41，L8=45L9=41, L10=42，L11=44, L12=43，L13=41，L14=40，L15=43由以上得到的铁素体的含量可以计算出 中的含碳量:%0008.0%77.0%77.0--x=0.4207x=0.4464%得含碳量为 0.446%4) 求实际的N ，将步骤3）之中得到的L L 带入公式得到N=4752。

5) 求ll σ。

将步骤3）中的L L 和步骤4）中的N 带入步骤3）中的公式得到ll σ=0.005。

ε=1.0%。

结论：试样为 钢，且试样组织中铁素体的线分数 =（42.07±1.0）%。

(三)打硬度〔硬さ実験〕原始组织的硬度测试采用的是布氏硬度〔HB 〕。

用布氏硬度计测得材料的硬度。

测量压痕直径后查表得出材料布氏硬度 =278 =264 =288符合 钢的硬度范围 (四)第一次热处理（熱処理）淬火〔焼入れ〕：将试样加热到840-850℃〔加热介质为空气〕，保温30分钟，然后从电加热炉里取出试样，迅速投入水中冷却。

(五)第一次热处理后1. 依照前面所述过程重新制样〔粗磨、细磨、抛光、腐蚀〕，然后观察淬火后的显微组织，并照相。

淬火后组织显微照片:图b：840℃淬火：（出现细小针状、条状马氏体（マルテンサイト），但晶粒偏大）2.对试样打洛氏硬度(HRC)。

=66 =66.5 =67淬火后硬度大幅上升(六)第二次热处理回火〔焼戻し〕：将试样加热到600℃，保温1.5小时，然后取出，空冷。

(七)第二次热处理后1.再次制样。

然后观察回火后显微组织，并照相。

回火后照片图c：600℃回火：（出现索氏体，但显微组织不太明显）2.打硬度=30.5 =31.5 =31.2回火后硬度大幅下降，与原试样硬度相近。

五、实验结果与分析（結果と分析）(一)试样钢种型号的确定（サンプルの確認）初始金相为铁素体和珠光体，与参考照片对比可初步确定为钢。

通过金相分析知试样的铁素体含量约为42.07%，碳含量约为0.446%，因此可确定试样为钢。