合金材料分析报告

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1、综合实验报告一、实验目的 通过对所需钢原材料准备、熔炼、及对所炼钢坯进行锻造、取样、热处理 后 观察测试其晶相组织， 测定试样硬度， 了解中频炉炼钢的方法及步骤， 熟悉试样 的 成分分析方法， 掌握金相显微镜试样的制备过程和基本方法， 对实验中发生的 问题进行 讨论分析， 从而掌握相关各专业知识， 培养和提高综合应用及分析解决 问题的能力。二、实验原理1、真空感应炉的加热原理10kg 真空感应电炉是利用中频感应加热的真空熔炼设备，炉体内部设有一只 螺旋型管 事线圈， 当线圈通过中频电流时， 产生交变磁场， 金属炉料在交变磁场 作用下， 感应 出电势， 产生环形电流， 这种电流在本身的磁场作用下

2、集中在金属 炉料的表面（即所谓 的集肤效应） ，使外层金属料具有很高的电流密度，从而产 生集中而强大的热效应，以致 把金属炉料加热或融化。2、比色分析的基本原理 由比尔定律得知： 当一束单色光通过均匀溶液时， 其吸光度与溶 液的浓度和 厚度的乘积成正比。比尔定律其数学表达式为： A=Log Io/I=KCLA吸光度Io入射光的强度I透过光的强度C溶液的浓度L溶液厚度Io/I 透过率的倒数K吸光系数化学反应原理：（1）用硝酸作溶样酸，加入过硫酸铵氧化，使磷转化为正磷酸。（2）锰Mn硝酸银一过硫酸铵光度法。锰在钢中存在的形式，主要是以MnS、MnC、MnSi或FeMnSi等状态存在，在试样 以酸溶

3、解后，以硝酸银作催化剂，以过硫酸铵将二价锰氧化成七价锰，在530nm出进行 比色。3）磷 P 抗坏血酸一铋盐光度法。磷在钢中以磷化物（Fe2P、FmP）形态存在，试样以酸溶后，砷的干扰用抗坏 血酸掩蔽。加入磷显色试剂，形成稳定的磷蓝在700nm 处进行比色。（ 4） 硅 Si 草酸一硫酸亚铁铵光度法。硅在钢中主要以固溶体形式存在，还可以形成硅化物。其形式有MnSi或FeMnSi等。试样以酸溶解后，使硅转化为可溶性酸。在PH=1左右的溶液中，正硅酸与钼酸铵形成硅钼杂多酸（硅钼黄），在草酸存在下，硫酸亚铁铵将硅钼 黄还原成 硅钼兰，在 700nm 处进行比色。3、金相显微镜的基本原理 金相显微镜是

4、依靠光学系统实现放大作用的，其基本原理如图 1 所示。光学 系统主要 包括物镜、目镜及一些辅助光学零件。对着被观察物体AB的一组透镜叫物镜01;对着眼 睛的一组透镜叫目镜 02。现代显微镜的物镜和目镜都是由复杂的透镜系统所组成。镜物镜人眼B图1危相显微镜的朮学放人原理小意图（1）放大倍数显微镜的放大倍数为物镜放大倍数 M 物和目镜放大倍数子 M 目的乘积,即：式中，f物一物镜的焦距，f目一目镜的焦距；L显微镜的光学镜筒长度；D 明 视距离（250mm）。f物和f目越短或L越长，则显微镜的放大倍数 越高。有的小型显微 镜的放大倍数需再乘一个镜筒系数， 因为它的镜筒长度比一 般显微镜短些。三、实验

5、器材 本次试验所用到的设备包括：砂轮片切割机、砂轮机、电子天平、真 空中频熔 炼炉、金属成分分析仪、砂纸（ 120#、 240#、 400#、 600#、 800#）抛光机、 蔡司 显微镜、箱式电阻炉、洛氏硬度计等。真空中频熔炼炉结构：60 厘1 ） 炉体： 10kg 真空感应电炉的熔室是一只双层壁的立式容器，内径为 米，圆柱体的高度为 65厘米， 真空熔室的实际有效高度为 80 厘米。炉盖也是 双层壁 的，双层壁之间通入冷却水， 炉盖上装有两个拉力弹簧， 借助弹簧的拉力， 开启炉盖很 轻便， 并能保持在一个适当的开启位置上， 炉盖是用绞链安装， 具有 间隙，可以保证炉 盖紧密的贴封在真空橡胶

6、垫上， 同时两个拉力弹簧锁攀还供给 初封时所需要的压力。2) 支架：真空炉体，安装在一个坚固的角钢支架上。3) 填料装置：为了在真空熔炼过程中添加各种元素，因此在炉盖上装有特 制的五 格加料器，它有盖，能把加料器进 行真空密封。有了这种装置，就可以 在真空的情况下， 根据需要的加料的顺序，很方便地完成加入合金元素的任务。4) 感应线圈：感应线圈是一种矩形紫铜管制成的，线圈表面经过喷塑处理， 防止 真空放电。匝与匝间有 34 毫米的间隙，通过他们外围的绝缘板来固定位 置，感应线圈 和进出电极间的连接是用两个螺母来连接的， 拆卸方便， 既能保证 良好的导电， 又能保 证可靠的真空密封。 线圈内放有

7、一个坩埚， 线圈与坩埚之间 靠线圈内壁要有 12 毫米 厚的玻璃丝布或石棉纸板。一是保护线圈，二是防止 填料漏出。5) 转动电极：转动电极是一转动的同心导电的密封装置，它具有导电通水 的双重任 务，在炉子的外面， 电流是从中频设备的电容器组， 沿着母线而传导来 的。电缆能负载 几千安培的强大电流， 同时使用很方便。 电缆接到转轴内外电极 上，铜电极通入真空炉 体， 把电流和冷却水带给感应圈。 同心电极进入真空炉体 时，采用真空橡胶密封，他可 以把线圈、坩埚和熔炼金属带着一起转动。在真空 炉体外面的一段上装有一个倾炉手柄， 将倾炉手柄搬起来回转动就可倾炉复位。6) 坩埚：当坩埚用在真空中去熔融金

8、属时，假如要免去在熔融金属和坩埚 之间不必要 的反应，适当的选择制造坩埚的材料和坩埚的制造工艺是非常重要 的。7) 真空机组：为了能在整个熔炼过程中，有良好的工作真空度，故选用一 台 KT 300油扩散泵和一台 2X30 机械泵。真空机组所需要的各个阀，都安装在相应的管路上，操作是很方便。从油扩散泵的抽气到炉体之间有一个C 300手动高真空翻板阀，阀门开闭角度为60 80度，此阀用来关闭油扩散泵的抽气口。 当阀盘打开时， 对吸气导管内的通过截面 没有多大变化， 因此对气流的阻力也没有什么增加， 所有的阀都是用真空橡胶实 现密封的。当阀门 开着时，便让出了通道的横截面的整个面积。另一方面2X30

9、 型旋片真空泵可以直接通过开启着的。 C 80 手动挡板阀抽出真空炉体内的气体，这种连接就能在对熔室开始抽低真空时， 使扩散泵保持其加热， 以便随时加 入工作，当高真空控制阀开启时，2X30 型旋片式真空泵与扩散泵连在一起，于是抽真空的支路便被关闭。高真空支路关闭时，可以使旋片式真空泵和油扩散泵隔离。借助于放气阀， 可以让大 气大量的进入炉体内。 另外还有一个充气阀， 可以使惰性气体和化学气 体通入炉体内以调节所需的低真空度。 此外调整低真空度， 可以根据真空压力计 的表上指示来进行。8）真空测量：使用热偶电离两用复合真空计，表头刻度热偶是由13到 13x 10-2Pa 电离是由 13X 10

10、-2Pa 到 13 X 10-6Pa, 它是 DL 3 型热电偶真空规及 DL2 型电离真空规联合使用，随电炉附带热偶真空规二个。电离真空规一个。 真空机组上还装 有 0.1MPa 133 帕的负压压力计，以观察炉内真空或保护气体 的压力。9） 配电箱：配电箱是感应炉的电源控制系统，通过电流、电压的控制调节 感应线圈中 电流的大小，从而控制加热速度和熔炼温度。10）测温装置：在炉体真空管道上有一个测温装置。当需要测温时，可以装 上热电偶 保护管。进行测温时，只须转动手柄，让热电偶插进坩埚内。有一个适 当的杠杆机构，以 便使热点电偶在吸气口前停止住，因此装料和浇注等操作能毫 无阻碍的进行。从温度

11、计可 读温度数值，也可以使用光学测温或红外辐射温度计 通过视察窗测量温度四、试验步骤及结果1 熔炼材料的准备本实验所熔炼的钢种为GCr15,是一种合金含量较少、具有良好性能、应用最广泛的高 碳铬轴承钢。经过淬火加回火后具有较高的硬度、 均匀的组织、良好的 耐磨性、高的接触 疲劳性能。该钢冷加工塑性中等，切削性能一般，焊接性能差， 对形成白点敏感性能大， 有回火脆性。GCr1 5的化学成分见表1表1化学成分（）CSiMnCrSP1000.250.351.5 0.0258X15大小的坯块，用砂轮打磨平整，保 证所选取的两个平面相互平行。5 试样热处理本实验采用淬火加低温回火两个环节，淬火温度控制在

12、840C,油冷，淬火组织应为隐晶马氏体和细小均匀分布的碳化物及少量的残留奥氏体。温度过 高，将会增 加残留奥氏体的数量，并会由于过热得到粗片状马氏体。淬火后应立即回火，以消除内应力，提高韧性，稳定组织及尺寸。回火温度为160C,回火时间约为3h,回火组织应为回火马氏体、均匀细小的碳化物及少量残余奥氏体。以下为热处理工艺曲线840 C 30min6 金相分析(1) 磨样用砂纸对热处理过的试样进行磨制， 要求选用120# 240#、400# 600#、 800#依 次磨样，力度均匀，方向一致，换砂纸磨样时试样方向选择90。用 800#砂纸时可以选择水磨。保证磨制试样没有明显划痕，凹孔。(2) 抛光

13、用抛光机对磨好的试样进行抛光处理。先将抛光布固定在抛光机上，喷 上抛光液， 开动机器，将试样在抛光布上轻轻抛光。注意抛光时间不要过长， 使试样表面干净光滑即 可，否则试样容易出现小孔。(3) 腐蚀将抛光好的试样用酒精冲洗一遍，再用 4%的硝酸酒精腐蚀。腐蚀时间 不应过长， 待试样表面整体变暗发乌后用清水冲洗， 再用酒精冲洗一遍，最 后用吹风机将试样表面吹干。(4) 试样观察及分析用蔡司显微镜观察试样，所得组织结果如下图所示。组织说明：为正常的GCr15淬火、回火组织：回火马氏体、未溶碳化物颗粒及 残余奥氏 体。 其组织特征为有黑区和白区之分。 黑区是以板条马氏体为主的 隐晶马氏体；白 区是以孪

14、晶马氏体为主的隐针马氏体。形成回火马氏体的原因是回火对马氏体的分解作用。 马氏体的含碳量随回火温度 升高不断 降低。 回火时间对马氏体中含碳量影响较小。 本实验中， 在回火的 开始1 2h 内，过饱和碳从马氏体中析出很快，然后逐渐减慢，随后再延长 时间，马氏体中含碳 量变化不大。马氏体分解后形成的低碳a相和弥散&碳 化物组成的双相组织称为回火马 氏体。高碳钢在正常温度淬火时 ,细小的奥氏体晶粒和碳化物都能使其获得细针状马氏 体组织 ,这 种组织在光学显微镜下无法分辨称为隐针马氏体 .7.硬度测试1 ）试验仪器本次试验选用 150A1 洛氏硬度计进行硬度测试。150A1 洛氏硬度计1. 主要参数

15、：试样允许最大高度： 170mm压头中心到机身距离： 140mm硬度计外形尺寸（ mm）：463*241*660硬度计重量（ kg）：70 硬度测试范围： 20-88HRA2. 标准配置：20-100HRB， 20-70HRC主机： 1 台 洛氏球压头 1 .588：1 只 扁 洛氏金刚石压头： 1 只平试台 55： 1 只 V 型试台备用钢球 1 .588： 5 个55： 1 只 标准硬度块：（大扁平试台 150： 1 只3. 硬度计的操作顺序 60-70） HRC，（20-30） HRC，（85-100）HRB1 ）实验时将试样放在工作台上，按顺时针方向转动手轮，使工作台上升至试样与压头接

16、触（注意：靠近压头时应缓慢上升工作台，不得冲击压头）；2）继续转动手轮，带动指示器表盘的指针转动，小指针从黑点对准红 点后停止 转动手轮，随后转动指示器表盘使大针对准“ 0”3）向前搬动加卸试验力手柄，加载荷，停留 10 秒；4）扳回搬动加卸试验力手柄，卸载，这时指示器指针所指示的读书即为所求的硬度值。本次试验应选用HRC测量，测量结果如下:测试点12345硬度值（HRC）58.457.660.159.258.2对5878 成分分析（1）C、S 分析称量0.3 0.4g钢样粉末两份，分别加入坩埚中，并加入0. 6g左右纯钨助熔剂，放入分析仪中分析，得以下数据兀素含量第一组第二组C (%)0.978030.98273S (%)0.005330.00575（2） Si Mn P 分析称量0.2g左右钢样粉末两份，分别加入两个烧杯，各加10ml HNO 3,20ml过硫酸铵。加热,使试样溶化。加蒸馏水至100ml，先后加入分析仪。得以下数据兀素含量第一组第二组Si(%)0.2550.257Mn(%)0.3290.315P(%)0.0150.012