材料与冶金学院材料综合实验报告+学生姓名：田志鹏学 号：1376804333专 业：金属材料工程班 级：材料3班指导教师：张慧敏 13材料综合实验报告材料综合实验教学目标1）综合实验以学生自己动手为主，学生需要根据要求查找资料，设计配方，选择原料和实验器材，进行配料、熔炼和成型，制得样品并进行相应的性能检测。2）学生通过运用学习的理论知识，将其应用到金属材料的制备中，让学生掌握金属材料制备的各工艺环节，工艺参数和技术指标。并通过对性能的测试，让学生熟悉金属材料的行业标准和质量要求，为将来从事金属材料的生产、开发及管理打下良好的基础。3）通过综合实验，提高学生的实际动手能力，训练学生综合思维和方法，培养学生的分析问题和解决问题的能力。4）培养学生多学科知识的综合运用能力和团队协助意识。1 实验目的及要求1.通过实验室的真空感应熔炼炉、二辊可逆轧机以及箱式电阻加热炉对45钢进行冶炼、轧制与热处理的实验，观察并分析其轧制与热处理后的组织。2.通过实验过程，掌握如何磨金相试样，如何腐蚀，如何操作金相显微镜，如何拍得金相照片，如何分析金相组织。3.通过实验过程，进一步熟悉加热和轧制过程以及热处理工艺对45#钢组织的影响。4.通过实验，要求学生掌握一定冶炼、轧制、热处理、制样等理论知识与实际的技能，并在实际生活中可以加以应用。2 实验方法与过程2.1 冶炼2.1.1 工艺制定装入原材料真空炉抽真空真空炉加热熔化出钢浇注。2.1.2 冶炼过程图1 真空熔炼炉图1为真空熔炼炉，冶炼过程利用真空熔炼炉将原料熔化冶炼。冶炼前，首先要更新真空泵内泵油，因为旧的泵油会影响脱气效果，扩散泵需预热50 min，同时要将炉壁烘烤30 min，以去除水分。在真空感应熔炼炉调试完成后，将45#钢的原料逐个放入炉中，放入炉中的45#钢原料一定要尽可能的小一些，留有一定的空隙使的熔化速度快一些，盖上真空盖开始冶炼。随着感应冶炼炉的温度升高，从观察窗口可以看到45#钢由暗黑色向红亮色转变，最后全部熔化。当45#全部熔化以后将真空熔炼炉关闭，开盖出钢。将熔化后的钢液浇注在直径为80mm的钢锭模具中，使其冷却之后进行轧制。 2.2 热轧2.2.1 工艺制定钢锭加热二辊可逆式实验轧机轧制冷却裁剪。加热与轧制工艺如图2所示，二辊实验轧机如图3所示。温度/125010 1100轧制空冷5h1.5h时间/t图2 轧制工艺图3 二辊可逆实验轧机2.2.2 热轧过程将浇注好的钢锭加热至1250，开轧温度为1100后，利用二辊可逆实验轧机纵向轧制，每道次的压下量不超过其连续变化的本身的20%。经多道次的轧制与压下量的调整，最后将钢锭轧制成14mm厚的钢板，并将钢板切成一定规格的长条状钢条，以便后续的切样。轧制道次和压下量与压下率变化如下所述。80 10（12.5%）70 15（21.4%）55 13（23.0%）42 10（23.8%） 32 6（18.7%）26 5（19.2%）214（19.1%）173（17.6%） 14mm2.3 热处理2.3.1 工艺制定将轧制后切成的钢条的45#钢用切割机将缺陷处切除并切成便于打磨与制样的大小，采用淬火加低温回火的热处理工艺。45钢属于亚共析钢，亚共析钢淬火的加热温度为Ac3+(3070)，但生产中，应根据工件实际情况作适当调整。45钢的Ac3=780。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。所以本次实验45#钢的加热温度为840。淬火时，钢在过冷奥氏体最不稳定的范围内（650550）的冷却速度应大于临界冷却速度，以保证试样不转变为珠光体组织；而在Ms点（230）附近的冷却速度应尽可能低，以降低淬火内应力，减少试样的变形与开裂。所以在淬火时，将试样从加热炉中取出放入淬火槽中速度一定要快，否则会有组织的转变。工艺图如4、5所示。时间/t水冷840+1h温度/图4 45#钢淬火工艺时间/t空冷200+4h温度/图5 45#钢回火工艺2.3.2 热处理过程将切好的试样放入图6中的箱式电阻加热炉中，设置所需要达到的温度，开始进行热处理，到达时间后取出淬火。淬火时应将试样随加热炉升温至840之后保温1小时，水淬。回火时，应先将加热炉的温度升高至200时，将试样放入加热炉中保温4小时，空冷。图6 箱式电阻加热炉2.4 性能检测2.4.1 显微组织观察2.4.1.1样品的制备1、首先将热处理过后的试样用砂轮机进行打磨，将平行于轧制的平面和垂直于轧制的平面的氧化皮打磨掉，并打磨出比较平整的上述的两个面，为下面磨试样提供有利的条件，同时将上述两个面的边缘处用砂轮机磨出倒角，以便在抛光时不与抛光布刮擦，减少阻力。2、将试样用砂纸放在玻璃板上进行磨样，先用最粗的砂纸，将120#砂纸铺平在玻璃板上，把试样在砂纸上顺着同一个方向打磨，使试样的打磨面平整便于之后的打磨。3、更换至240#砂纸打磨方向垂直于上一次划痕方向，目的消除120#砂纸划痕。当划痕消除后并出现的新的划痕都是同样方向的平行痕迹时再跟换下一道砂纸，同时试样的打磨面旋转90。4、逐步更换更细型号的砂纸并重复上述步骤，此时试样的被打磨面变得越来越光滑好似镜面，但换至600#砂纸是依旧会留有非常细小的划痕。5、此时更换800#砂纸，可以进行水磨，磨完以后表面平整无划痕。6、抛光机进行抛光，在抛光时，先将试样在洒有抛光液的抛光机打磨至光亮，再换洒有清水的抛光机清除试样表面抛光液，并使试样更加光亮，高速旋转的抛光机带动被润湿的抛光布，很高的转速有助于抛光并通过离心力将抛出的脏物颗粒甩离抛光体，可以防止抛光面被抛出的颗粒划伤。完成后试样的抛光面应光洁如镜，无划痕和砂纸颗粒。2.4.1.2腐蚀与拍照将抛光好的试样用腐蚀液为4%的硝酸酒精，腐蚀完后用水冲洗，再滴酒精，再冲洗，最后用吹风机吹干试样。其中腐蚀的时间不宜太长或太短，试样腐蚀面由光亮色变为灰色即可，一般为510秒为宜，太长时间会造成腐蚀过度，拍出的照片会暗；腐蚀时间太短时，拍出的金相照片只会出现局部金相组织或者金相组织不清晰。将制备好的试样利用图7所示的蔡司显微镜对轧制后和热处理后的试样进行组织观察，分别选用不同放大倍数的镜头观察和拍照，获得200、500倍的金相照片并进行标注。图7 蔡司金相显微镜2.4.2 硬度测试利用图8的R（D）150A1洛氏硬度计在淬火和回火之后的试样所观察的组织面上依次进行6个点的硬度测定，并记录实验数据进行分析。图8 洛氏硬度计3 实验结果与分析3.1 冶炼在冶炼过程中，由于外界有氧气的干扰，所以使用抽真空系统来保持45#的碳不被氧化，从而来保证碳含量的准确。在熔炼完成后向钢锭模具中浇注的过程中可能要有一部分碳的流失，同时模具中可能还有未清理干净的残留杂质，所以对于45#钢钢锭的冷却组织有一定的影响。由于在浇注过程中相比工业的炼钢温度下降来讲要快一些，所以在浇注过程中温度的下降对于冷却之后的组织也有一定的影响。3.2 热轧在轧制时，开轧温度为1100，在轧制过程中，由于钢锭的温度会不断地下降，所以越往后硬度越大，压下量也应调的越小。在轧制过程中由于每道次的压下量严格的控制在所制定的标准范围内，因此在一定程度上减少了钢锭在轧制过程中由于压下量的不合适而出现的卡钢现象。所以由上述内容所讲，最终热轧之后的组织为铁素体加奥氏体，冷却到室温时的组织为铁素体加珠光体，如图9和图10所示。图9 轧态组织（a）平行于轧制方向平面的组织200；（b）平行于轧制方向平面的组织500图10 轧态组织（c）垂直于轧制方向平面的组织200；（d）垂直于轧制方向平面的组织500由图9和图10可以看出，其轧制之后冷却 到室温的组织为白色的铁素体和珠光体组成。由于在轧制时所受到向下的压力与向前的拉力，所以晶粒呈现出不规则的形状，一般呈现出被拉长的形状。3.3 热处理45#钢加热时相变温度偏向高温，冷却时偏向低温。加热时，珠光体将转变为奥氏体，温度到Ac3（亚共析钢）以上获得单一的奥氏体组织。45钢过冷A的连续冷却转变中，以大于Vk（上临界冷却速度）的速度冷却时 ，得到的组织为马氏体。过冷A转变为马氏体是低温转变过程，转变温度为MsMf，该温区称马氏体转变区。马氏体的形成速度很快，由于碳质量分数为0.25%1.0%时，为板条马氏体和针状马氏体的混和组织，马氏体组织的特点是硬度很高。而本实验用水淬火，理论上则洛氏硬度值较高，单由于多种因素的影响，本次实验试样淬火之后的硬度为47 HRC。淬火是为了得到马氏体组织使其硬度提高，再经过回火后，可使工件获得良好的使用性能。45#钢的奥氏体稳定性较差，要想获得高硬度的马氏体组织，必须要在加热后快速进行淬火冷却。图11为淬火之后的组织照片。图11 淬火组织（a）840保温1h水淬组织200；（b）840保温1h水淬组织500由图11可以看出，840淬火时珠光体完全转变为奥氏体，在迅速水冷的过程中，由于处在非平衡冷却中，所以淬火之后的组织为为较细的针状马氏体和少量板条马氏体的混合组织。因为45#钢加热到840时奥氏体晶粒较细，并且融入了足够的碳，可以得到组织较细的马氏体组织。图中晶界处有少量铁素体析出，其原因是在淬火时，从炉中拿出试样放入水槽中的速度可能有些慢。在实际应用中有些工件要求强度高，有些要求硬度高，所以通过淬火后的回火来得到所需要的力学性能指标。所以本次实验试样通过200进行低温回火，回火后弹性极限和屈服强度提高，内应力基本消除，有一定韧性。45#钢回火之后得到回火马氏体，其基体内分布着细小的碳化物，硬度约为35HRC50HRC。在实际的应用中，一般来讲硬度要求和工件大小可以决定回火保温时间的长短，也可以说工件的硬度大小取决于回火后的回火温度，与回火时间关系不大，但必须回透，大部分工件的回火保温时间在1h以上。图12为回火之后的组织照片。图12 回火组织（a）200保温4h空冷回火组织200；（b）200保温4h空冷回火组织500由图12可以看出200保温4h空冷的回火组织为回火马氏体，回火马氏体由过饱和固溶体和与其共格的-碳化物组成。回火之后马氏体仍保留着原来马氏体的形状。在过饱和的固溶体上分布着较多的细小的-碳化物。3.4 性能检测表1为试样淬火和回火之后从左自右6个点的硬度值。表1图13为淬火和回火之后打硬度的图片；（a）为淬火之后硬度测试的图片，（b）为回火之后硬度测试的图片。硬度/HRC123456平均值/HRC淬火49485048454347回火414243.542414242图13 硬度测试图片（a）淬火后硬度测试图片；（b）回火后硬度测试图片 45#钢淬火之后硬度一般大于55HRC，但实际中在实验室中由于多种因素的影响，淬火之后的硬度相比理论硬度将有所下降。所以本