工程材料实验指导书.docx

工程材料实验指导书

班级:_______________
姓名:_______________
学号:_______________

机控学院

目 录
工程材料实验守则 1
前 言 2
实验一 铁碳合金平衡组织观察 4
实验二 碳钢的热处理及硬度实验 7
实验三、锉刀综合实验 9
实验四、创新性综合实验一 12
实验五、创新性综合实验二………………………………………………….………………..14
附录 1 铁碳合金平衡组织 16
附录 2 钢的热处理 19
附录 3 金相显微镜的基本原理、构造及使用 22
附录 4 金相试样的制备 27
附录 5 硬度计的使用 30
附录 6 扫描电子显微镜结构及工作原理……………………………...……………38
附录 7 透射电子显微镜结构及工作原理………………………….………………..42

工程材料实验守则
1．实验前认真做好预习，明确实验目的，了解实验内容，步骤及注意事项。
2．实验不迟到，无故迟到两次者实验成绩记为不及格。病假、事假需有医生或班主任证明。无故旷课者，该次成绩记以零分。
3．实验时必须听从辅导教师及实验工作人员的指导，严格遵守设备操作规程，注意人身安全及设备安全，不得随意动用与本次实验无关的设备仪器，不准打闹。
4．损坏设备、仪器根据情节轻重按学校规定必须进行全部或部分赔偿。
5．实验完毕，整理好仪器、设备，清理桌面及场地。
6．认真做好实验报告，按时上交。

前 言
工程材料是机械类、近机械类各专业学生必修的一门技术基础课，而实验教学则是工程材料课程教学的一个重要环节。但是目前工程材料实验以验证性、演示观察性的分散小型实验为主，实验内容互相分割，缺乏综合性和连贯性，没有较好的体现《工程材料》学科主线；过分强调理论课程的指导性，忽略了实验的能动性，把实验教学作为理论教学的附属品，使其机械依附于理论课程；方法陈旧单一，给与学生自主方面的机会和空间很少，缺乏对学生动手能力，创造能力和综合分析能力的培养。为突出浙江理工大学人才培养的创新目标，配合工程材料课程改革的要求，进行工程材料实验的改革，教授工程材料领域的科学实验研究方法，培养和发展综合应用基础知识去分析问题、解决问题的能力，培养开拓精神和创造能力，使学生的综合素质得到全面的提高。
一、工程材料实验流程
工程材料实验课流程包括（1）网络学习，技能培训→（2）实验任务书讲解→（3）实际操作，基础性实验（选）→（4）自主设计实验→（5）实验实施，完成实验报告。
（1）第一阶段，在工程材料实验课网络平台上同学们完成实验技能的基本培训，包括金相试样的制作，金相显微镜的使用，硬度计的使用，对不同金相组织的基本认识，热处理设备的使用，安全操作注意事项等。通过网络平台文字、图片、动画、视频等多种形式可以使同学们对工程材料实验操作有一个感性认识。网络平台24小时开放可以方便同学们随时学习。在网络学习中遇到的问题可以通过交流平台留言讨论。同时在网络平台上预约实验时间。
（2）在实验指导书讲解阶段确定学生分组名单，介绍实验任务书，组织学生讨论，确实实验内容。工程材料实验包括基础性实验，综合性实验和研究性实验。基础性实验的目的是提高同学们的实践动手能力和观察分析能力，掌握工艺，设备，观察，记录，分析等全方位的能力，是对网络平台的有益补充，对于动手能力较强的学生该实验可以不做。综合性实验和研究性实验是本实验的特色实验，实验指导书提供了一个综合性实验和研究性实验供同学们参考选择，但更鼓励同学们独立提出研究内容，设计实验，将工程材料实验与生产实践相结合，解决实际问题，提出新的科学见解，从而能够完成一篇高质量的实验报告。
（3）第三阶段使学生了解熟悉热处理设备，硬度计，金相观察镜等设备的工作原理及操作要领，强调安全规范操作事项。如果同学们已经具有较好的操作能力，那么可以跳过基础性实验，直接进行创新性实验和研究性实验。
（4）第四阶段对实验内容进行设计。设计实验应提出实验目的，选择材料，拟定工艺，确定热处理设备和金相显微镜、硬度计等分析仪器，制定详细的实验过程和实验进程安排，完成实验预习报告，经指导教师审查后再进行实验。
（5）第五阶段完成实验进程，提交实验报告
二、考核与成绩
实验考核与成绩分几个方面：
1、实验预习检察，成绩占20%。
实验前检察每个学生的预习情况，主要检察其实验原理的理解、实验步骤的掌握、实验设备的熟悉情况。老师对每个学生的预习报告当场签字方可进入实验室开始实验。
2、实验操作态度表现，成绩占20%。
考察每个学生的实验过程的认真态度，实验水平，动手能力。本实验是开放性实验，由学生合理安排实验进度，掌握实验进程，有序完成实验。
3、实验结果数据情况，成绩占20%。
实验结果与数据可靠、真实。
4、实验报告，成绩占40%。
要求根据实验目的、要求、具体实施方案的拟订及依据、实验过程、实验结果及其分析进行汇总，撰写成一篇小论文形式的实验研究报告。实验报告要求科学解释实验结果，提出合理的选材及工艺设计，得到新的科学认识。实验报告应书写规范，论述科学，数据分析并存，结论明确科学。
6、最终实验成绩确定，成绩合格者给于第二课堂学分。
三、遵守实验守则，安全科学实验。

实验一 铁碳合金平衡组织观察
一、实验目的
1、进一步掌握不同成分铁碳合金在平衡状态下的显微组织。
2、进一步掌握Fe-Fe3C相图在铁碳合金组织分析中的作用
3、掌握铁碳合金成分与组织变化的关系和规律，能够根据显微组织的特征估算亚共析钢中碳的质量分数。
4、熟悉金相显微镜的结构与使用。
二、实验原理
铁碳合金的平衡组织是指铁碳合金在极其缓慢的冷却条件下所得到的组织，即Fe-Fe3C相图所对应的组织。
实际生产中，要想得到一种完全的平衡组织是不可能的，退火条件下得到的组织比较接近于平衡组织。因此我们可以借助退火组织来观察和分析铁碳合金的平衡组织。
根据Fe-Fe3C相图，我们把铁碳合金相图分为工业纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢、亚共晶白口铁、共晶白口铁、过共晶白口铁
1、 工业纯铁
工业纯铁是ωc<0.0218%的铁碳合金，在室温下的组织为铁素体组织，铁素体呈多角形块状，晶界为黑色条状，有时可以看出在晶界处少量分布的三次渗碳体。
2、 亚共析钢
亚共析碳钢的质量分数为0.0218%<ωc<0.77%，室温下的组织由铁素体和珠光体组成。经经硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下观察，铁素体呈白色多边形块状，珠光体在放大倍数较低时呈暗黑色。随着碳的质量分数的增加，铁素体量逐渐减少，珠光体量逐渐增加，铁素体的形态逐渐由块状变为碎块状或网状。
3、 共析钢
共析钢是ωc＝0.77%的铁碳合金，室温组织为单一的珠光体。显微镜下每个珠光体晶粒中渗碳体与铁素体片层的方向、大小、宽窄都不一样，这是因为每个珠光体晶粒的位向不同，其截割截面不一致导致的结果。
4、 过共析钢
过共析钢 质量分数0.77%<ωc<2.11%，室温组织由珠光体和二次渗碳体组成。经硝酸酒精溶液浸蚀后珠光体呈暗黑色，二次渗碳体呈白色网状分布在珠光体周围。用碱性苦味酸纳溶液浸蚀后珠光体呈灰白色，二次渗碳体呈黑色网状。
5、 亚共析白口铁
亚共晶白口铁碳的质量分数为2.11%<ωc<4.3%，室温组织由珠光体、二次渗碳体和莱氏体组成。经硝酸酒精溶液浸蚀后珠光体呈暗黑色椭圆型，莱氏体为白色渗碳体基体上分布着暗黑色粒状珠光体，二次渗碳体析出与共晶渗碳体连在一起。
6、 共晶白口铁
共晶白口铁是ωc＝4.3％的铁碳合金，室温组织为单一的莱氏体组织。莱氏体是珠光体与渗碳体组成的机械混合物。经硝酸酒精溶液浸蚀后，显微镜下白色基体为渗碳体，珠光体呈黑色粒状或棒状
7、 过共晶白口铁
过共晶白口铁是质量分数4.3%<ωc<6.69％的碳钢，室温组织由莱氏体和一次渗碳体组成。经硝酸酒精溶液浸蚀后一次渗碳体呈白亮的、粗大的板条分布在莱氏体基体上。
三、实验仪器设备及材料
金相显微镜、切割机、抛光机、砂纸、金相试样等

四、画出45、T8、T12钢显微组织，并标出各物相

材料名称
处理状态
显微组织
浸蚀剂
放大倍数

材料名称
处理状态
显微组织
浸蚀剂
放大倍数

材料名称
处理状态
显微组织
浸蚀剂
放大倍数

五、根据所观察的组织,说明含碳量对铁碳合金组织和性能的影响。

实验二 碳钢的热处理及硬度实验
一、实验目的
1、了解碳钢热处理的基本方法。
2、了解不同热处理方法对碳钢组织与性能的影响。
3、了解硬度测量的基本原理和应用范围。
4、了解布氏、洛氏硬度试验机的主要结构并掌握其操作方法。
二、实验仪器及设备
电炉、硬度计、读数显微镜、砂轮机和预磨机等
三、实验操作过程
1、介绍电炉、硬度计、读数显微镜、砂轮机和预磨机的使用方法及安全注意事项。
2、取一组45或T10钢试样(共6块，一块退火试样已提前备好)。
3、将试样放入箱式或坩锅电炉中加热至一定温度(45钢为860℃；T10为780℃)，保温时间为10分钟。
4、2人一组，分别进行水冷(4块)、油冷(1块)、空冷(1块)操作。
5、将水冷试样取出3块分别放入200℃、400℃、600℃的炉中回火，保温时间为30分钟。
6、处理后的试样依次用砂轮机、预磨机磨去两端氧化皮,然后测量硬度: 炉冷、空冷试样测布氏硬度(各测2点);其它试样测洛氏硬度(各测3～4点)。
四、填写表中全部实验数据
表一
钢号
热处理工艺
硬度值HRC或HRB
换算为HRC
加热温度（℃）
冷却
方法
回火温度（℃）
1
2
3
平均

45

860
炉冷

空冷

油冷

水冷

水冷
200

水冷
400

水冷
600

750
水冷

表二
钢号
热处理工艺
硬度值HRC或HRB
换算为HB
加热温度（℃）
冷却
方法
回火温度（℃）
1
2
3
平均

T12

780
炉冷

空冷

油冷

水冷

水冷
200

水冷
400

水冷
600

860
水冷

五、分析冷却速度、回火温度对碳钢硬度及性能的影响的影响

六、分析45钢淬火加热温度为750℃ 与860℃的组织与性能的影响

七、分析T12钢860℃水淬、200℃回火与780℃、200℃回火的组织与性能的差别。

实验三、锉刀综合实验
一、零件名称：锉刀

二、给定条件：
1、锉刀是手用的低速切削刀具，使用时承受拉伸的冲击力，同时刃口受到强烈摩擦。
2、损坏形式：切削刃口磨损。
3、使用要求：高的硬度和高的耐磨性
三、实验要求：
1、根据给定的条件，参考有关的文献资料，合理选用材料，设计好零件的加工工艺路线。提出各步骤热处理工艺，订出实验计划，交指导老师批改后进行实验。
2、进行原材料的硬度、金相组织检验和记录。
3、进行热处理，对热处理后材料的硬度、金相组织进行检验和记录。
4、写出综合实验报告，包括实验目的，正确选材的依据，工艺设计及实验过程（包含所用设备型号），对实验结果进行综合分析，阐明热处理对材料组织和硬度的影响机制，总结最佳工艺路线。对《工程材料创新实验》课的评价和意见。实验报告基本格式附后。

工程材料实验报告（一）

实验名称 审阅______________
姓名_____________ 班级_____________ 日期___________

一、实验目的

二、实验过程

金相显微镜型号：
硬度计型号：
压头名称：
总载荷：

三、实验结果
1原材料硬度和金相组织
原材料硬度：
原材料金相组织：
绘出所观察样品的显微组织（标出组织组成物）。
1. 2.

样品名称_________ 样品名称_________
放大倍数_________ 放大倍数_________
浸蚀剂___________ 浸蚀剂___________
2热处理后材料硬度和金相组织
材料硬度：
材料金相组织：

3. 4.

样品名称_________ 样品名称___________
放大倍数_________ 放大倍数___________
浸蚀剂___________ 浸蚀剂_____________

四、实验分析
1．选材依据

2．阐明热处理对材料组织和硬度的影响机制

3．总结最佳工艺路线

4．对《工程材料创新实验》课的评价和意见

实验四、创新性综合实验一
一、实验目的
研究20、T8、T10钢的硬度与材料成分（含碳量）、热处理制度（淬火温度和冷却方式）的关系，对20、T8、T10钢的热处理工艺进行原则性总结，为机加工提供热处理参考。
二、实验要求
1、选20、T8、T10钢作实验研究材料，设计好各热处理工艺，订出实验计划，交指导老师批改后进行实验。
2、进行材料的硬度、金相组织检验和记录。
3、进行热处理，对热处理后材料的硬度、金相组织进行检验和记录。
4、写出综合实验报告，包括实验目的，实验过程（包含所用设备型号），对实验结果进行综合分析，阐明材料硬度与金属材料成分、热处理制度的关系，总结材料的热处理工艺。对《工程材料创新实验》课的评价和意见。实验报告基本格式附后。
三、实验方法和手段
本实验采用开放式的办法进行。学生可以在一定的时间范围内根据实验内容、自己的学习计划和实验室开放的时间内自由选择做实验的时间。
每四人为一小组，每组在实验前必须按实验内容和要求编制出一套完整的实验工艺方案，包括具体的工艺参数和详细的实验步骤（需查找相关的资料），经实验指导教师审查通过后才能开始实验。实验结束后，每组对实验结果进行总结，分析出现的问题，并完成综合性实验报告一份，及时上交。
四、实验考核方式及评分方法
本综合性实验的成绩按小组评定，根据小组提交的实验报告、小组成员的工作态度、工作协调能力和团队协作精神综合评定，小组实验成绩就是小组内每个成员的成绩。（其中：实验报告40%、小组成员的工作态度20%、工作协调能力和团队协作精神40%）

工程材料实验报告（二）
实验名称 审阅__________
姓名______________ 班级_______________ 日期__________

一、实验目的

二、实验过程

三、实验结果

四、实验结果分析
1.硬度-含碳量关系曲线

2.硬度-淬火温度关系曲线

3.硬度-冷却方式关系曲线

4.说明上述曲线的物理意义并简述硬度发生变化的原因。

实验五 创新性综合实验二

一、实验目的
1． 通过实验进一步加深、巩固基本概念，理论联系实践。
2．进一步认识典型成分铁碳合金平衡组织特征，以及状态下铁碳合金成分、组织和性能之间的关系。
3．通过实验掌握常用手工锯条用碳钢的成分、组织和性能。
4．分析常用手工锯条用碳钢在热处理时，加热温度、冷却速度及回火温度对其组织与硬度的影响。
5．通过实验增强学生的动手能力、创新意识和创新能力。
6．培养学生实事求是的严谨作风，锻炼学生的工作协调能力和培养学生的团队协作精神。
二、实验内容和要求
1．对常用手工锯条用碳钢进行完全退火处理，观察并画出显微组织，测出其硬度值；
2．对完全退火处理的常用手工锯条用碳钢进行760℃球化退火处理，观察并画出显微组织，测出其硬度值；并比较二者的结果，从理论上说明其原因。
3．对经完全退火处理的常用手工锯条用碳钢和经正火及760℃球化退火常用手工锯条用碳钢进行低温淬火（760℃）、中温淬火（850℃）、高温淬火（1000℃）处理，观察并画出显微组织，测出其硬度值。并从理论上进行分析不同的材料经不同的热处理以后，它们的组织和性能之间的相互关系。
4．对经低温淬火处理（760℃）的常用手工锯条用碳钢分别进行低温、中温、高温回火处理，观察并画出显微组织，测出其硬度值。
三、实验方法和手段
本实验采用开放式的办法进行。学生可以在一定的时间范围内根据实验内容、自己的学习计划和实验室开放的时间内自由选择做实验的时间。
每四人为一小组，每组在实验前必须按实验内容和要求编制出一套完整的实验工艺方案，包括具体的工艺参数和详细的实验步骤（需查找相关的资料），经实验指导教师审查通过后才能开始实验。实验结束后，每组对实验结果进行总结，分析出现的问题，并完成综合性实验报告一份，及时上交。
四、实验考核方式及评分方法
本综合性实验的成绩按小组评定，根据小组提交的实验报告、小组成员的工作态度、工作协调能力和团队协作精神综合评定，小组实验成绩就是小组内每个成员的成绩。（其中：实验报告40%、小组成员的工作态度20%、工作协调能力和团队协作精神40%）

工程材料实验报告（三）
实验名称 审阅__________
姓名______________ 班级_______________ 日期__________

一、实验目的

二、实验过程

三、实验结果

四、实验结果分析
1不同退火处理对常用手工锯条用碳钢.硬度的影响

2.硬度-淬火温度关系曲线

3.硬度-冷却方式关系曲线

4.说明上述曲线的物理意义并简述硬度发生变化的原因。

附录 1 铁碳合金平衡组织
碳钢和铸铁是工业上应用最广的金属材料，它们的性能与组织有密切的联系，熟悉并掌握它们的组织是对钢铁材料的使用者最基本的要求。
1.碳钢和白口铸铁的平衡组织
平衡组织一般是指合金在极为缓慢冷却的条件下（如退火状态）所得到的组织。铁碳合金在平衡状态下的显微组织可以根据Fe-Fe3C相图来分析。从相图可知，所有碳钢和白口铸铁在室温时的显微组织均由铁素体（F）和渗碳体（Cm）所组成。但是，由于碳含量的不同，结晶条件的差别，铁素体和渗碳体的相对数量、分布和混合情况不一样，因而呈现各种不同特征的组织组成物。碳钢和白口铸铁在室温下的显微组织见表1-1。

表1-1各种铁碳合金在室温下的显微组织
合金分类
碳含量
显微组织
工业纯铁
＜0.0218
铁素体F
碳

钢
亚共析钢
共析钢
过共析钢
0.0218-0.77
0.77
0.77-2.11
铁素体+珠光体
珠光体
珠光体+软渗碳体白
白口铸铁
亚共晶白口铸铁
共晶白口铸铁
过共晶白口铸铁
2.11-4.3
4.3
4.3-6.69
珠光体+软渗碳体+莱氏体
莱氏体
软渗碳体+莱氏体

2．各种组成相或组织组成物的特征
1）铁素体（F）是碳溶于a-Fα的固溶体。铁素体为体心立方晶格，具有磁性和良好的塑性，硬度较低，一般为HB80－120，经3-5%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下观察呈白色晶粒，见工业纯铁的组织（图1-1）。随着钢中碳含量的增加，铁素体量减少。铁素体量较多时块状分布（图1-2）。当钢中碳含量接进共析成分时，铁素体往往呈断续的网状，分布于珠光体的周围（图1-3）。

图1-1 工业纯铁的显微组织图 图1-2 含0.4%C碳钢的显微组织

2）渗碳体（Cm）是铁与碳形成的化合物（Fe3C），它的碳含量为6.69％，抗浸蚀能力较强。经3～5％硝酸酒精溶液侵蚀后呈白亮色（图1-4）。
一次渗碳体（Cm）是直接从液体中析出的，呈长白条状，分布在莱氏体之间；二次渗碳体（Cm）是由奥氏体（A）中析出的，数量较少，皆沿奥氏体晶界析出，在奥氏体转变成珠光体后，它呈网状分布在珠光体的边界上。另外，经不同的热处理后，渗碳体可以呈片状、粒状或断续网状。
渗碳体的硬度很高，可达HB800以上。它是一种硬而脆的相，强度和塑性都很差。

图1-3 含0.6%Ｃ碳钢的显微组织 图1-４ 含1.2%C碳钢的显微组织

3)珠光体（P）是铁素体和渗碳体的共析机械混合物。它是由铁素体片和渗碳体片相互交替排列形成的层片状组织。经3一5％硝酸酒精溶液或苦味酸溶液浸蚀后，试样磨面上的条状铁素体和渗碳体因边界被浸蚀呈黑色线条，在不同放大倍数的显微镜下观察时，具有不太一样的特征。在60０倍以上的高倍下观察时。每个珠光体团中是平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体，它们都呈白亮色，而其边界呈黑色（图1-5）在400左右的中倍观察时，白亮的渗碳体细条被两边黑色的边界线所“吞食”，而变成黑条，这时所看到的珠光体是宽白条的铁素体和细黑条的渗碳体相间的混合物（图1-6）

图1-5 高倍下的珠光体 图1-6 中倍下的珠光体

在200倍以下的低倍观察时，由于显微镜的鉴别率较低，宽白条的铁素体和细黑条的渗碳体也很难分辨，这时的珠光体是一片暗黑，成为黑块的组织。图1－2中的黑块即是珠光体组织。
4）莱氏体（Le'）在室温时是珠光体和渗碳体的机械混合物。渗碳体中包括共晶渗碳体和二次渗碳体，两种渗碳体相连在一起，没有边界线，无法分辨开。经3-5%硝酸酒精浸蚀后，莱氏体的组织特征是，在白亮色的渗碳体基本上分布着许多黑色点（块）状或条状的珠光体（图1-9）。莱氏体硬度很高，达HB700，性脆。它一般存在于含碳量大于2.11%的白口铸铁中，在某些高碳合金钢的铸造组织中也常有出现。
在亚共晶白口铸铁中，莱氏体被黑色粗树枝状所分割，而且可看到在珠光体周围有一圈白亮的二次渗碳体（图1-7）。
在过共晶白口铸铁中，莱氏体被粗大的白色长条状的一次渗碳体所分割（图1-8）。

图1-7 亚共晶白口铸铁的显微组织 图1-8 过共晶白口铸铁的显微组织

3．亚共析钢的含碳量估算
亚共析钢的碳含量在0.0218%-0.77%范围内，平衡状态下组织为铁素体和珠光体。随着碳含量的增加，铁素体的数量逐渐减少，而珠光体图的数量则相应地增多，两者的相对重量可由杠杆定律求得。例如，碳含量为0.45%钢（45钢），其珠光体的相对重量为
P（%）=0.450.77×100=56%
铁素体的相对重量为
P(%)=0.77-0.450.77×100=44%
图1-9 共晶白口铸铁的显微组织
反过来。因珠光体、铁素体和渗碳体的比重相近，也可以通过在显微镜下观察到的珠光体和铁素体各自所占面积的百分数近似地计算出钢的含碳量。例如，在显微镜下观察到约有50%的面积为珠光体50%的面积为铁素体，则此钢的碳含量C%=50%×0.77=0.4%，即相当于40钢（铁素体在室温下含碳量极微为0.008%，可忽略不计）。
附录 2 钢的热处理
钢的热处理就是利用钢在固态范围内的加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要的物理、化学、机械和工艺性能的一种操作。一般热处理的基本操作有退火、正火、淬火、回火等。
进行热处理时，加热温度、保温时间和冷却方式是最重要的三个基本工艺因素。正确选择这三者的规范，是热处理成功的基本保证。
1.加热温度的选择
1）退火加热温度 一般亚共析钢加热至Ac3+（20-30）°C（完全退火）；共析钢和过共析钢加热至Ac1十（20-30）°C（ 球化退火），目的是得到球状渗碳体，降低硬度，改善高碳钢的切削性能。
2）正火加热温度 一般亚共析钢加热至Ac3+（20-50）°C；过共析钢加热至Acm+（30-50）°C，即加热到奥氏体单相区。退火和正火加热温度范围选择见图2-1。
3）淬火加热温度 一般亚共析钢加热至Ac3+（20-50）°C；共析钢和过共析钢加热至Ac1+（20-50）°C，见图2-2。（见下页）

图2-1 退火和正火的加热温度范围 图2-2 淬火的加热温度范围

钢的成分、原始组织及加热速度等都影响临界点Ac1,Ac3及Acm的位置，在各种热处理手册或材料手册中，都可以查到各种钢的热处理温度。热处理时不能任意提高加热温度因为加热温度过高时，晶粒容易长大，氧化，脱碳和变形等都会变得比较严重。
各种碳钢的临界点见表2-1。
表2-1
含碳量
临界点C
临界点回加热温度℃
Ac1
Ac3
Acm
0.2
723
835

860-880
0.4
723
780

840-860
0.6
723
750

770-790
0.8
723
723

780-800
0.9
723

735
760-800
1.0
723

800
760-800
1.2
723

895
760-800
1.3
723

990
760-800
1.5
723

995
760-800

4)回火温度的选择 钢淬火后都要回火，回火温度决定于最终所要求的组织和性能（工厂中常常是根据硬度的要求）。按加热温度高低回火可分为三类：
a.低温回火 在150-250的回火称为低温回火，所得组织为回火马氏体，硬度约为HRC60。其目的是降低淬火应力，减少钢的脆性并保持钢的高硬度。低温回火常用于高碳钢的切削刀具、量具和滚动轴承件。
b.中温回火 在350-500°C的回火称中温回火，所得组织为回火索氏体，硬度约为HRC40-48。其目的是获得高的弹性极限，同时有高的韧性，主要用于含碳0.5-0.8%的弹簧钢热处理。
c.高温回火 在500-650°C的回火称高温回火，所得组织为回火索氏体，硬度约为HRC25-35。其目的是获得既有一定强度、硬度，又有良好冲击韧性的综合机械性能。所以把淬火后经高温回火的处理称为调质处理，用于中碳结构钢。
2.保温时间的确定
为了使工件内外各部分温度均达到指定温度并完成组织转变，使碳化物溶解和奥氏体成分均匀化，必须在淬火加热温度下保温一定的时间。通常将工件升温和保温所需时间算在一起，统称为加热时间。
热处理加热时间必须考虑许多因素，例如工件的尺寸和形状使用的加热设备及装炉量，装炉时炉子温度、钢的成分和原始组织，热处理的要求和目的等。具体的时间可参考热处理手册中的有关数据。
实际工作中多根据经验大致估算加热时间。一般规定，在空气介质中，升到规定温度后的保温时间，对碳钢来说，按工件厚度每毫米需一分钟到一分半钟估算；合金钢按每毫米二分钟估算。在盐浴炉中，保温时间则可缩短1/2-1/3。
3.冷却方法
热处理时的冷却方式要适当，才能获得所要求的组织和性能。
退火一般采用随炉冷却。
正火（常化）采用空气冷却，大件可采用吹风冷却。
淬火冷却方法非常重要，一方面冷却速度要大于临界冷却速度，以保证全部得到马氏体组织；另一方面冷却应尽量缓慢，以减少内应力，避免变形和开裂。为了解决上述矛盾，可以采用不同的冷却介质和方法，使淬火工件在奥氏体最不稳定的温度范围内（650-550°C）快冷，超过临界冷却速度，而在Ms（300-100°C）点以下温度时冷却较慢，理想的冷却速度如图2-3所示。
常用淬火方法有单液淬火、双液淬火（先水冷后油冷）、分级淬火、等温淬火，如图2-4所示。

图2-3 淬火时的理想冷却曲线示意图 图2-4 各种淬火冷却曲线示意图

表2-2几种常用淬火介质的冷却能力
冷却介质
冷却速度 °C/s
冷却介质
冷却速度 °C/s
650-550°C
区间
300-200°C
区间
650-550°C
区间
300-200°C
区间
水（18°C）
600
270
10%NaCl水溶液
1100
300
水（26°C）
500
270
10%NaOH水溶液
1200
300
水（50°C）
100
270
10%Na2CO3水溶液
800
270
水（74°C）
30
200
10%Na2SO4水溶液
750
300
肥皂水
30
200
矿物油
150
30
10%油水乳化液
70
200
变压器油
120
25

附录 3 金相显微镜的基本原理、构造及使用
一、金相显微镜的基本原理
金相显微镜的光学原理如图3－1所示。光学系统包括物镜、目镜及一些辅助光学零件。物镜和目镜分别由两组透镜组成。对着物体AB的一组透镜组成物镜O1，对着人眼的一组透镜组成目镜O2。现代显微镜的物镜、目镜都由复杂的透镜系统组成。
物镜使物体AB形成放大的倒立实象A'B'（称中间象）。目镜再将A'B'放大成仍倒立的虚象A''B''，其位置正好在人眼的明视距离处（即距人眼250mm处），我们在显微镜目镜中看到的就是这个虚象A'B'。
金相显微镜的主要性能如下：
1.金相显微镜的放大倍数
放大倍数由下式来确定:
M=M物×M目=Lf物·Df目
式中 M——金相显微镜放大倍数
M物——物镜的放大倍数
M目——目镜的放大倍数
F物——物镜的焦距
F目——目镜的焦距 图3－1 金相显微镜的光学原理
L——金相显微镜的光学镜筒长度
D——明视距离（250mm）
f物，f目越短或L越长，则金相显微镜的放大倍数越大。在使用时，显微镜的放大倍数就是物镜和目镜的放大倍数的乘积。有的小型显微镜的放大倍数需乘一个镜筒系数，因为它的镜筒长度比规定的显微镜筒短。
2.金相显微镜的鉴别率
金相显微镜的鉴别率是指它能清晰地分辩试样上两点间最小距离d的能力。在普通光线下，人眼能分辨两点间的最小距离为0.15-0.30mm，即人眼的鉴别率d为0.15-0.30mm,而显微镜当其有效放大倍数为1400倍时，其鉴别率d为0.21×10-3mm。显然，d值越少，鉴别率就越高。鉴别率是显微镜的一个最重要的性能。它可由下式计算：
d=λ/2A
式中
λ——入射光线的波长
A——物镜的数值孔径
显微镜的鉴别率取决于使用光线的波长和物镜的数值孔径，与目镜无关，光线的波长可通过滤色片来选择。兰色光的波长（λ=0.44μ）比黄绿光的（λ=0.55μ）短，所以鉴别率较黄绿光的大25%。当光线的波长一定时，可通过改变物镜的数值孔径来调节显微镜的鉴别率。
3.物镜的数值孔径
数值孔径A表示物镜的集光能力，如图3－2所示。
A ＝nsinφ
式中
n——物镜与试样之间介质的折射率 图3－2 物镜的孔径角
φ——物镜孔径角的一半
n越大或φ角越大，则A越大。由于φ总是小于90°的，所以在空气介质（n=1）中使用时，A一定小于1，这类物镜称干系物镜。当物镜与试样之间充满松柏油介质（n=1.5时），A值最高可达1.4。这就是显微镜在高倍观察时用的油浸系物镜（简称油镜头）。每个物镜都有一个设计额定的A值。它标刻在物镜体上。
4.放大倍数、数值孔径、鉴别率之间的关系
显微镜的同一放大倍数可由不同倍数的物镜和目镜来组合。如45倍的物镜乘以10倍的目镜、15倍的物镜乘以30倍的目镜都是450倍，所以对于同一放大倍数，存在着如何合理选用物镜和目镜的问题。这里，应该首先确定物镜，然后根据计算选定目镜，并必须使显微镜的放大倍数在该物镜数值孔径的500－1000倍之间，即
M=500A——1000A
这个范围称有效放大倍数范围。若M＜500A，则未能充分发挥物镜的鉴别率。若M>1000A，则造成虚伪放大，细微部分将分辨不清。
5.透镜成象的缺陷
1） 球面象差
如图3－3所示，当来自A点的单色光（即一定波长的光线）通过透镜后，由于透镜表面呈球形，光线不能交于一点；而使放大后的象模糊不清。此现象称为球面象差。
降低球面象差的办法，除了制造物镜时采取不同透镜的组合进行必要的校正外，在使用显微镜时，也可采取调节孔径光栏，适当控制入射光束粗细，减少透镜表面面积等方法，把球面象差降低到最低程度。
1） 色象差
图3－4所示，白色光是由六种单色光组成，当来自A点的白色光通过透镜后，由于各单色光的波长不同，折射率不一样，使光线折射后不能交于一点，紫光折射量强，红光折射最弱，结果使成象模糊不清，此现象称为色象差。

图3－3 球面象差示意图 图3－4 色象差示图

消除色象差的方法，一是制造物镜时的进行校正。根据校正程度，物镜可分为消色差物镜和复消色差物镜。消色差物镜常与普通目镜配合。用于低倍和中倍观察；复色差物镜与补偿目镜配合，用于高倍观察。二是使用滤色片得到单色光。常用的滤色片有蓝色、绿色或黄色等。

二、金相显微镜的构造
金相显微镜的种类和形式很多，但最常见的形式有台式、立式和卧式三大类。金相显微镜的构造通常由光学系统、照明系统以及机械系统三大部分组成。有的显微镜还附带有照像摄影装置。现以国产XJB-1型金相显微镜为例进行说明。
XJB-1型金相显微镜的结构如图3－5所示。由灯泡发出一束光线，经聚光镜组及反光镜被汇聚在孔径光栏上，然后经过聚光镜，再度将光线聚集在物镜后焦面上，最后经过物镜，使试样表面得到充分均匀的照明。从试样反射回来的光线复经物镜、辅助透镜、半反射镜、以及棱镜，造成一个物体的倒立放大实象。该象再经场透镜和目透镜组成的目镜放大，即可得到所观察的试样表面的放大图象。
XJB-1型金相显微镜各部件的功能及使用简单介绍如下。

(a)结构图 (b)光学系统图
图3－5 XJB-1型金相显微镜的结构
结构图：1、载物台 2、物镜 3、半反光镜 4、转换器 5、转动箱 6、微调焦手轮 7、粗调焦手轮 8、微心圈 9、10×目镜10、目镜管 11、固定螺钉 12、调解螺钉 13、视场光栏圈14、孔径光栏

光学系统图：1、灯泡 2、聚光镜组（一） 3、聚光镜组（二） 4、半反射镜 5、补助透镜（一