工程材料及材料成型实验报告.doc

工程材料及材料成型实验指导书

青岛大学机械基础实验教学中心

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

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。

五、根据杠杆定律估算未知样品的含碳量和硬度。

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

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 金属材料的金相组织观察
一、实验目的
1、观察了解碳钢几种典型的热处理后的显微组织特点。
2、观察了解碳钢、合金钢几种典型的热处理后的显微组织特点。
3、分析上述材料金相组织与性能的关系

二、实验原理
合金钢的性能之所以比碳钢优越，主要是由于合金元素在钢中所起的作用，合金元素的加入改变了钢的组织与结构，其相变温度也有很大变化。
（一）、常碳用钢和合金钢的组织特点
1、常用碳钢 本实验主要观察20钢、45钢和T12的淬火组织。
2、合金工具钢
合金结构钢的组织特征与碳钢相似。由于合金元素的加入，使其组织细化、脆透性增加。合金工具钢中主要观察高速钢W18Cr4V的金相组织。
1）高速钢的铸态组织
由于大量合金元素的存在(约为20%)，虽然碳的质量分数只有0.7%~0.8%，但其组织为：共晶莱氏体(白色骨骼状碳化物)+马氏体(白色)+残余奥氏体(白色)+托氏体(黑色)。
2）高速钢的退火组织
铸态组织中由于存在大块状的碳化物，因而使高速钢的性能变得硬而脆，不能直接使用，必须经过锻打、退火处理，使其成为碳化物呈细小颗粒并且均匀分布。退火组织为：索氏体+碳化物。
3）高速钢的淬火组织
为了获得高的热硬性，高速钢淬火时必须淬火加热到很高温度(1280℃)，以保证合金元素充分溶解到奥氏体中。
淬火后的组织：马氏体+大量的残留奥氏体+一次碳化物颗粒，
4）高速钢的回火组织
为了消除大量的残留奥氏体，需经三至四次560 ℃高温回火。
回火组织：回火马氏体(黑色)+少量残留奥氏体+碳化物颗粒。

三、实验仪器设备及材料

四、画出下列试样的显微组织，并标出各物相

20淬火
T10球化退火
T12钢780℃淬火200℃回火
W18Cr4V 淬火
W18Cr4V 淬火回火

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

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、根据所观察的金相组织，选一材料分析说明金相组织对性能的影响

实验四 铸铁、有色合金的显微组织观察

一、实验目的：
1、观察和研究石墨的大小、数量、形态及分布对铸铁的组织及性能的影响。
2、熟练掌握各种铸铁的显微组织及性能特征 。
3、了解几种典型有色合金的金相组织及特征
二、实验原理
根据石墨的形态、大小和分布情况不同，铸铁可分为灰铸铁（石墨呈片条状），可锻铸铁（石墨呈团絮状）和球墨铸铁（石墨呈圆球状）。
1、灰铸铁
根据石墨化程度及基体组织的不同，灰铸铁可分为：铁素体灰铸铁，铁素体－珠光体灰铸铁，珠光体灰铸铁。图示为珠光体（暗黑色）加少量铁素体（白色）灰铸铁。
2、可锻铸铁
可锻铸铁是由白口铸铁经石墨化退火处理而得。退火过程中渗碳体发生分解形成团絮状石墨。
根据基体组织不同，可锻铸铁又分为铁素体可锻铸铁和珠光体可锻铸铁。图示为铁素体可锻铸铁。
3、球墨铸铁
根据基体组织不同，球墨铸铁又分为： 铁素体球墨铸铁，铁素体－珠光体球墨铸铁，珠光体球墨铸铁。图示为铁素体球墨铸铁。
有色金属
1、铝合金
铸造铝合金中常用的是铝-硅系合金(ώSi10%~13%),常称“铝硅明”。由Al-Si合金相图可知改成分在共晶点附近，所以铸造性能优良，产生铸造裂纹的倾向小。但组织是α固溶体和粗大针状的硅晶体组成的共晶体及少量呈多面体状的出生硅晶体 。
粗大的硅晶体极脆，严重的降低了合金的塑性和韧性。为了改善合金的性能，通常采用变质处理。经变质处理后，不仅组织细化，而且可得到由枝晶状α固溶体和细密共晶体组成的亚共晶组织，因而使铝合金的强度和塑性显著提高。

2、铜合金
工业上最常用的铜合金有铜锌合金(黄铜)、铜锡合金(锡青铜)、铜铝合金(铝青铜)、铜铍合金(铍青铜)、铜镍合金(白铜)等。
以黄铜为例，常用的黄铜锌的质量分数均在45%以下。由Cu-Zn合金相图可知，锌的质量分数少于39％的黄铜组织为单相α固溶体，称为α黄铜或单相黄铜，
锌质量分数在39%~45%的黄铜呈α+β两相组织，称两相黄铜，黄铜H62的显微组织。

3、轴承合金
轴承合金又称巴氏合金，用来制造滑动轴承的轴瓦和内称。常用的锡基轴承合金为ZSnSb11Cu6，该合金的成分中除ωSn83％外还含有ωSb11%及ωCu6%。
合金组织主要是以Sb中的α固溶体为软基体和以Sn-Sb为基体的有序固溶体β相为硬质点。为消除由于β相密度小而易上浮所造成的密度偏析，合金中加入铜形成Cu6Sn5。在液体中冷却时最先结晶成树枝状晶体能阻碍β相上浮，因而使合金获得较均匀的组织。
ZSnSb11Cu6合金的金相组织：暗黑色基体为软的α相，白色方块为硬的β相，白色枝晶状析出物为Cu6Sn5，它也起硬质点的作用。这种软基体硬质点混合组织能保证轴承合金具有必要的强度、塑性和韧性，以及良好的减磨性。

三、设备及材料

四、画出下列材料的金相组织，并标出各物相 。

灰口铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁 铝硅合金 轴承合金

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

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

3、根据金相组织观察，分析说明石墨的大小、数量、形态及分布状态对铸铁的组织及性能的影响。

实验六 金属液态成型实验
石蜡
硬 脂 酸
图1-1 蜡料相图
C
15%
75%
60
℃
50
E
一、实验目的
1、了解液态成型工艺过程
2、掌握液态成型的加工方法
3、熟悉合金流动性的概念，掌握合金流动性的测定方法
4、了解影响合金流动性及充型能力的因素
二、实验原理
液态成型工艺有铸造、液态模锻等多种方法。
其中历史最悠久，应用最广泛的是铸造。它是将液态
金属浇注到铸型内凝固成型的工艺方法。
铸造的特点：
1．不受零件大小、形状、材料的限制。
2．原材料来源广，生产成本低。
3．生产过程较复杂，易出现废品，不适单件小批量生产。
获得合金铸件的重要指标：液态合金的充型能力是指液态合金充满铸型型腔获得形状完整、轮廓清晰的复杂铸件的能力。若充型能力不足，将使铸件产生浇不足或冷隔等缺陷
影响充型能力的因素
一）、合金的流动性
合金的流动性是合金铸造过程中的一种工艺性能。流动性愈好充型能力愈强则愈有利于获得轮廓清晰薄壁的铸件（对薄壁、大型复杂尤为重要），否则易出现浇不足 冷隔等缺陷。
常见铸造合金中灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铝合金次之，铸钢最差。
影响合金流动性的主要因素
1．化学成分： 共晶合金流动性好，恒温下逐层凝固使结晶界面光滑，合金的T溶C°低，过热度高 。
2．浇注条件： 浇注温度：T浇↑，合金粘度↓，过热度↑，合金保持液态的时间↑，充型能力提高。但T浇过高，铸件易晶粒出现缩孔、气孔、粘砂之类的缺陷，控制。灰铸铁1200～1380 C°粗大铸造碳钢1520～1620 C°，铝合金680～780 C°。
对薄壁复杂铸件或流动性较差的合金可适当提高浇注温度。
3．浇注压力：增大浇注压力显然可改善合金的充型能力。
二）、铸型充填条件
1．铸型导热能力： 相同条件下，金属型和砂型铸造同一零件时，金属型浇不足
金属型导热能力强，容易降低合金的温度，导致其充型能力差。而砂型的导热能力较弱，充型能力较强。
2．铸型的阻力： 相同条件下，砂型与金属型铸造（铸型加热到200 C°）
金属铸型气体不能排出反压力增大，将导致金属液填充铸型的能力下降。
二、实验材料
实验材料为熔点分别为50℃的共晶蜡料（成分为15%的石蜡和75%的硬脂酸）和60℃的亚共晶蜡料（成分为75%的石蜡和15%的硬脂酸）。
三、实验仪器与设备
1． 低温、中温加热炉各一台；
2． 液态成形实验装置 一台
3． 各种实验用模具若干套。
4．合金流动性测试仪
四、实验内容
1．材料的流动性实验；
1）实验过程
选择平板模，在重力充型的条件下，分别将共晶蜡料和亚共晶蜡料加热到60℃和70℃后，浇入浇口杯中。待冷却至20℃时，从模中取出蜡样，观察外观截面的质量，并完成下表1-1：

表1-1 液体性质对成形性的影响
蜡料
收缩大小与特征
外观质量
平均流动长度
含硬脂酸75%的共晶蜡料

含硬脂酸15%的亚共晶蜡料

2.回答下列问题
1) 哪种蜡料成型性好？为什么？

2．材料的收缩性实验；
1）实验过程

a) 一号模型 b) 二号模型 c) 三号模型

选择三号模型（如图）,共晶蜡料,过热度10℃。分别在重力、压力、过热到60℃、80℃、模中浇注，将所得结果填入表1-2。

表1-2 环境条件对液态成形性的影响
项目
共晶蜡料加热到60℃浇注
共晶蜡料重力充型
重力充型
压力充型
过热到60℃
过热到80℃
浇不足与冷隔大小

收缩大小

其他现象

2）回答问题
如果充型压力和速度过高，将产生什么后果？

3．零件结构对液态成型的影响
1）实验过程如下：
选择一、二、三号模型，将熔点为50℃的共晶蜡料加热至60℃，在重力下注入，并填写表中。
模型
内容
一号模型
二号模型
三号模型
外观质量好坏

内部质量好坏

裂纹与变形

2.回答问题
1） 零件两壁过渡在什么条件下较好？

2）过渡壁厚过小或过大将导致什么后果？