工程材料实验指导书

工程材料及机制基础实验指导书《工程材料及机制基础》课程组机械与车辆工程学院目录实验一金属材料的硬度试验实验二铁碳合金平衡组织观察实验三碳钢的热处理实验四碳钢热处理后的显微组织观察实验一金属材料的硬度试验一、实验目的1了解硬度测定的基本原理及应用范围。2了解布氏、洛氏硬度试验机的主要结构及操作方法。二、概述金属的硬度可以认为是金属材料 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面在接触应力作用下抵抗塑性变形的一种能力。硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念。由于在金属表面以下不同深处材料所承受的应力和所发生的变形程度不同，因而硬度值可以综合地反映压痕附近局部体积内金属的弹性、微量塑变抗力、塑变强化能力以及大量形变抗力。硬度值越高，表明金属抵抗塑性变形能力越大，材料产生塑性变形就越困难。另外，硬度与其它机械性能(如强度指标及塑性指标和)之间有着一定的内在联系，所以从某种意义上说硬度的大小对于机械零件或工具的使用性能及寿命具有决定性意义。硬度的试验方法很多，在机械工业中广泛采用压入法来测定硬度，压入法又可分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。压入法硬度试验的主要特点是：(1)试验时应力状态最软(即最大切应力远远大于最大正应力)，因而不论是塑性材料还是脆性材料均能发生塑性变形。(2)金属的硬度与强度指标之间存在如下近似关系；式中：——材料的抗拉强度值；HB——布氏硬度值；——系数。退火状态的碳钢合金调质钢有色金属合金(3)硬度值对材料的耐磨性、疲劳强度等性能也有定性的参考价值，通常硬度值高，这些性能也就好。在机械零件设计图纸上对机械性能的技术要求，往往只标注硬度值，其原因就在于此。(4)硬度测定后由于仅在金属表面局部体积内产生很小压痕，并不损坏零件，因而适合于成品检验。(5)设备简单，操作迅速方便。三、布氏硬度(HB)(一)布氏硬度试验的基本原理布氏硬度试验是施加一定大小的载荷，将直径为的钢球压入被测金属表面(如图1-1所示)保持一定时间，然后卸除载荷，根据钢球在金属表面上所压出的凹痕面积求出平均应力值，以此作为硬度值的计量指标，并用符号HB表示。其计算MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1714247976443_0如下：(1—1)式中：HB——布氏硬度值；——载荷（kgf）；（1kgf=9.8N）根据压痕面积和球面之比等于压痕深度九和钢球直径之比的几何关系，可知压痕部分的球面积为：(1—2)式中：——钢球直径(mm)；——压痕深度(mm)。由于测量压痕直径d要比测定压痕深度容易，故可将(1—2)式中改换成d来表示，这可根据图1-1(b)中的关系求出：(1—3)将式(1—2)和(1—3)代入式(1—1)即得：(1—4)式中只有是变数，故只需测出压痕直径，根据已知和值就可计算出值。在实际测量时，可由测出之压痕直径直接查表得到HB值。由于金属材料有硬有软，所测工件有厚有薄，若只采用同一种载荷(如3000kgf)和钢球直径(如10mm)时，则对硬的金属适合，而对极软的金属就不适合，会发生整个钢球陷入金属中的现象；若对于厚的工件适合，则对于薄件会出现压透的可能，所以在测定不同材料的布氏硬度值时就要求有不同的载荷和钢球直径。为了得到统一的、可以相互进行比较的数值，必须使户和刀之间维持某一比值关系，以保证所得到的压痕形状的几何相似关系，其必要条件就是使压入角保持不变。根据相似原理由图1-1(b)中可知和的关系是：或(1—5)以此代入式(1—4)得：(1—6)式(1—6)说明，当值为常数时，为使HB值相同，也应保持为一定值。因此对同一材料而言，不论采用何种大小的载荷和钢球直径，只要能满足＝常数，所得的HB值是一样的。对不同材料来说，所得的HB值也是可以进行比较的。按照GB231-63规定，比值有30、10和2．5三种，具体试验数据和适用范围可参考表1-1。（二）布氏硬度测定的技术要求1.试样表面必须平整光洁，以使压痕边缘清晰，保证准确测量压痕直径。2．压痕距离试样边缘应大于(钢球直径)，两压痕之间距离应不小于。3．用读数显微镜测量压痕直径d时，应从相互垂直的两个方向上进行，取其平均值。4．为了表明试验条件，可在HB值后标注，如，即表示此硬度值是在mm，，秒的条件下得到的。(三)布氏硬度试验机的结构和操作1．HB-3000型布氏硬度试验机的外形结构如图1-2所示。其主要部件及作用如下：(1)机体与工作台：硬度机有铸铁机体，在机体前台面上安装了丝杠座，其中装有丝杠，丝杠上装立柱和工作台，可上下移动。(2)杠杆机构：杠杆系统通过电动机可将载荷自动加在试样上。(3)压轴部分：用以保证工作时试样与压头中心对准。(4)减速器部分：带动曲柄及曲柄连杆，在电机转动及反转时，将载荷加到压轴上或从压轴上卸除。(5)换向开关系统：是控制电机回转方向的装置，使加、卸载荷自动进行。2．操作前的准备工作：(1)把根据表1—1选定的压头擦拭干净，装入主轴衬套中。(2)按表1-1选定载荷，加上相应的砝码。(3)安装工作台。当试样高度<120mm肘应将立柱安装在升降螺杆上，然后装好工作台进行试验。(4)按表1-1确定持续时间T，然后将紧压螺钉拧松，把圆盘上的时间定位器(红色指示点)转到与持续时间相符的位置上。(5)接通电源，打开指示灯，证明通电正常。3．操作程序：(1)将试样放在工作台上，顺时针转动手轮，使压头压向试样表面直至手轮对下面螺母产生相对运动为止。(2)按动加载按钮，启动电动机少即开始加载荷。此时因紧压螺钉已拧松，圆盘并不转动，当红色指示灯闪亮时，迅速拧紧紧压螺钉，使圆盘转动。达到所要求的持续时间后，转动即自动停止。(3)逆时针转动手轮降下工作台，取下试样用读数显微镜测出压痕直径值，以此值查表即得HB值。四、洛氏硬度(HR)(一)洛氏硬度试验的基本原理洛氏硬度同布氏硬度一样也属压入硬度法，但它不是测定压痕面积；而是根据压痕深度来确定硬度值指标。其试验原理如图1-3所示。洛氏硬度试验所用压头有两种：一种是顶角为的金刚石圆锥，另一种是直径为或的淬火钢球。根据金属材料软硬程度不一，可选用不同的压头和载荷配合使用，最常用的是HRA、HRB和HRC。这三种洛氏硬度的压头、负荷及使用范围列于表1-2。洛氏硬度测定时，需要先后两次施加载荷(预载荷和主载荷)，预加载荷的目的是使压头与试样表面接触良好，以保证测量结果准确。图1-3中0-0位置为未加载荷时的压头位置，1-1位置为加上10kgf预加载荷后的位置，此时压入深度为，2-2位置为加上主载荷后的位置，此时压入深度为，包括由加载所引起的弹性变形和塑性变形，卸除主载荷后，由于弹性变形恢复而稍提高到3-3位置，此时压头的实际压入深度为。洛氏硬度就是以主载荷所引起的残余压入深度()来表示。但这样直接以压入深度的大小表示硬度，将会出现硬的金属硬度值小，而软的金属硬度值大的现象，这与布氏硬度所标志的硬度值大小的概念相矛盾。为了与习惯上数值越大硬度越高的概念相一致，采用一常数(K)减去()的差值表示硬度值。为简便起见又规定每0。002mm压入深度作为一个硬度单位(即刻度盘上一小格)。(二)测定洛氏硬度的技术要求1.根据被测金属材料的硬度高低，按表1-2选定压头和载荷。2.试样表面应平整光洁，不得有氧化皮或油污以及明显的加工痕迹。3.试样厚度应不小于压入深度的10倍。4.两相邻压痕及压痕离试样边缘的距离均不应小于3mm。5.加载时力的作用线，必须垂直于试样表面。(三)洛氏硬度试验机的结构和操作1．H-100型杠杆式洛氏硬度试验机的结构如图1-4所示，其主要部分及作用如下：(1)机体及工作台：试验机有坚固的铸铁机体，在机体前面安装有不同形状的工作台，通过手轮的转动，借助螺杆的上下移动而使工作台上升或下降。(2)加载机构：由加载杠杆(横杆)及挂重架(纵杆)等组成，通过杠杆系统将载荷传至压头而压入试样，借扇形齿轮的转动可完成加载和卸载任务。(3)千分表指示盘：通过刻度盘指示各种不同的硬度值(如图1一5所示)。2．操作规程如下：(1)根据试样预期硬度按表1-2确定压头和载荷，并装入试验机。(2)将符合要求的试样放置在试样台上，顺时针转动手轮，使试样与压头缓慢接触，直至表盘小指针指到“0”为止，此时即已预加载荷10kgf。然后将表盘大指针调整至零点(HRA、HRC零点为0，HRB零点为30)。此时压头位置即为图1-3中的1-1位置。(3)按动按钮，平稳地加上主载荷。当表盘中大指针反向旋转若干格并停止时，持续3～4秒(此时压头位置为图1-3中的2-2位置)，再顺时针旋转摇柄，直至自锁为止，即卸除主载荷。此时大指针退回若干格，这说明弹性变形得到恢复，指针所指位置反映了压痕的实际深度(此时压头位置相当于图1-3中的3-3位置)。由表盘上可直接读出洛氏硬度值，HRA、HR0读外圈黑刻度，I-IRB读内圈红刻度。(4)逆时针旋转手轮，取出试样，测试完毕。五、实验方法指导(一)实验内容及步骤1．分成两大组，分别进行布氏和洛氏硬度试验，并相互轮换。2．在进行试验操作前必须事先阅读并弄清布氏和洛氏硬度试验机的结构及注意事项。3．按照规定的操作顺序测定试样的硬度值(HB和HRC)。(二)实验设备及材料1．HB-3000型布氏硬度试验机；2。H-100型洛氏硬度试验机；3．读数放大镜；4，试样：毫米45钢和T12钢，正火及淬火状态。(三)注意事项1。试样两端要平行，表面应平整，若有油污或氧化皮，可用砂纸打磨，以免影响测试。2．圆柱形试样应放在带有“扩’型槽的工作台上操作，以防试样滚动。3。加载时应细心操作，以免损坏压头。4。加预载荷(10kgf)时若发现阻力太大，应停止加载，立即报告，检查原因。5。测完硬度值，卸掉载荷后，必须使压头完全离开试样后再取下试样。6．金刚钻压头系贵重物件，质硬而脆，使用时要小心谨慎，严禁与试样或其它物件碰撞。7．应根据硬度试验机使用范围，按规定合理选用不同的载荷和压头，超过使用范围将不能获得准确的硬度值。(四)实验报告要求1．简述布氏和洛氏硬度试验原理。2．测定45钢正火试样的布氏硬度值HB(预期硬度HB>140)，并填下表：3.测定45钢和T12钢正火及淬火的洛氏硬度值（HRC）,并填写下表；实验二铁碳合金平衡组织观察一、实验目的1.研究和了解铁碳合金(碳钢及白口铸铁)在平衡状态下的显微组织。2.分析成分(含碳量)对铁碳合金显微组织的影响，从而加深理解成分、组织与性能之间的相互关系。二、概述铁碳合金的显微组织是研究和分析钢铁材料性能的基础，所谓平衡状态的显微组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下(如退火状态，即接近平衡状态)所得到的组织。．我们可根据相图来分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织(如图2-1所示)。铁碳合金的平衡组织主要是指碳钢和白口铸铁组织，其中碳钢是工业上应用最广的金属材料，它们的性能与其显微组织密切有关。此外，对碳钢和白口铸铁显微组织的观察和分析，有助于加深对相图的理解。从相图上可以看出，所有碳钢和白口铸铁的室温组织均由铁素体()和渗碳体()这两个基本相所组成。但是由于含碳量不同，铁素体和渗碳体的相对数量、析出条件以及分布情况均有所不同，因而呈现各种不同的组织形态。各种不同成分的铁碳合金在室温下的显微组织见表2—1。用侵蚀剂显露的碳钢和白楼铸铁，在金相显微镜下具有下面几种基本组织组成物。(1)铁素体（）—是碳在中的固溶体。铁素体为体心立方晶格，具有磁性和良好的塑性，硬度较低。用3~4%硝酸酒精溶液侵蚀后，在显微镜下呈现明亮的等轴晶粒；亚共析钢中铁素体成块状分布；当含碳量接近于共析成分时，铁素体则呈断状的网状分布于珠光体周围。(2)渗碳体（）—是铁和碳形成的一种化合物，其中碳含量为6.67%，质硬而脆，耐腐蚀性强，经3~4%硝酸酒精溶液侵蚀后，渗碳体成亮白色，若用苦味酸钠溶液侵蚀，则渗碳体能被染成暗黑色或棕红色，而铁素体仍为白色，由此可以区别铁素体和渗碳体。按照成分和形成条件的不同，渗碳体可以呈现不同的状态：一次渗碳体（初生相）是直接由液体中析出的，故在白口铸铁中程粗大的条片状；二次渗碳体（次生相）是从奥氏体中析出的，往往成网络状沿奥氏体晶界分布；三次渗碳体是由铁素体析出的，通常呈不连续薄片状存在于铁素体晶界处，数量极微，可忽略不计。(3)珠光体（）—是铁素体和渗碳体的机械混合物，在一般退火处理情况下是由铁素体与渗碳体相互混合交替排列形成的层片状组织。经硝酸酒精溶液浸蚀后，在不同放大倍数的显微镜下可以看到具有不同特征的珠光体组织(如图2—2所示)。在高倍放大时能清楚地看到珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体；当放大倍数较低时，由于显微镜的鉴别能力小于渗碳体片厚度，这时珠光体中的渗碳体就只能看到是一条黑线，当组织较细而放大倍数较低时，珠光体的片层就不能分辨，而呈黑色。高碳工具钢(过共析钢)经球化退火处理后还可获得球状珠光体。·上述各类组织组成物的机械性能见表2—2。(4)莱氏体()——是在室温时珠光体及二次渗碳体和渗碳体所组成的机械混合物。含碳量为4．3%的共晶白口铸铁在时形成由奥氏体和渗碳体组成的共晶体，其中奥氏体冷却时析出二次渗碳体，并在以下分解为珠光体。莱氏体的显微组织特征是在亮白色的渗碳体基底上相间地分布着暗黑色斑点及细条状的珠光体。二次渗碳体和共晶渗碳体连在一起，从形态上难以区分。莱氏体的金相特征可参看图2-7。根据组织特点及碳含量的不同，铁碳合金可分为工业纯铁、钢和铸铁三大类。三、工业纯铁纯铁在室温下具有单相铁素体组织。含碳量<0．02%的铁碳合金通常称为工业纯铁，它为两相组织，即由铁素体和少量三次渗碳体组成。图2-3所示为工业纯铁的显微组织，其十黑色线条是铁素体的晶界，而亮白色基底则是铁素体的不规则等轴晶粒，在某些晶界可处以看到不连续的薄片状三次渗碳体。四、钢(一)亚共析钢亚共析钢的含碳量在0.02%~0.8%范围内，其组织由铁素体和珠光体所组成。随着含碳量的增加，铁素体的数量逐渐减少，而珠光体的数量则相应地增多，两者的相对量可由杠杆定律求得。例如：含碳量为0.45%的钢(45钢)珠光体的相对量为，铁素体的相对量为。另外，也可通过直接在显微镜下观察珠光体和铁素体各自所占面积的百分数，近似地计算出钢的碳含量，即碳含量，其中为珠光体所占面积百分数。例如：在显微镜下观察到有50%的面积为珠光体，50%的面积为铁素体，则此钢的含碳量(室温下铁素体含碳量极微，约为o．008%，可忽略不计)，即相当于40钢。图2-4所示为亚共析钢(20钢和45钢)的显微组织，其中亮白色为铁素体，晴黑色为珠光体。(二)共析钢含碳量为0．8%的碳钢称为共析钢，它由单一的珠光体组成，组织如图2-2所示。(三)过共析钢含碳量超过0．8%的碳钢称为过共析钢，它在室温下的组织由珠光体和二次渗碳体组成。钢中含碳量越多，二次渗碳体数量就越多。图2-5表示含碳量为1．2%的过共析钢的显微组织。组织形态为层片相间的珠光体和细小的网络状渗碳体，经硝酸酒精溶液浸蚀后珠光体呈暗黑色，而二次渗碳体呈白色细网状，如图2-5(a)所示；若采用苦味酸钠溶液浸蚀，渗碳体就被染成黑色，而铁素体仍保留白色，如图2-5(b)所示。五、铸铁(一)亚共晶白口铸铁含碳量<4．3%的白口铸铁称为亚共晶白口铸铁。在室温下亚共晶白口铸铁的组织为珠光体、二次渗碳体和莱氏体，如图2-6所示。用硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下呈现黑色枝晶状的珠光体和斑点状莱氏体。(二)共晶白口铸铁共晶白口铸铁的含碳量为4．3%它在室温下的组织由单一的共晶莱氏体组成。经浸蚀后，在显微镜下珠光体呈暗黑色细条及斑点状，渗碳体呈亮白色，如图2—7所示。(三)过共晶白口铸铁含碳量大于4．3%的白口铸铁称为过共晶白口铸铁，在室温时的组织由一次渗碳体和莱氏体组成。用硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下可观察到在暗色斑点状的莱氏体基底上分布着亮白色粗大条片状的一次渗碳体，如图2—8所示。六、实验方法指导(一)实验内容及步骤1．在本实验中，学生应根据铁碳合金相图分析各类成分合金的组织形成过程，并通过对铁碳合金平衡组织的观察和分析，熟悉钢和铸铁的金相组织和形态特征，以进一步建立成分与组织之间相互关系的概念。2．实验前学生应复习讲课中的有关部分并阅读实验指导书，为实验做好理论方面的备。3.在显微镜下对各种试样进行观察和分析，并确定其所属类型。4．绘出所观察到的显微组织图。画图时应抓住组织形态的特征，并在图中表示出来。5．根据显微组织近似地确定亚共析钢(20钢或45钢)中的平均含碳量。(二)实验设备及材料1．金相显微镜；2．金相图谱；3．各种铁碳合金的显微样品(见表2—3)。(三)注意事项1．在观察显微组织时，可先用低倍全面地进行观察，找出典型组织，然后再用高倍大，对部分地区进行详细的观察。2．在移动金相试样时，不得用手指触摸试样表面或将试样重迭起来，以免引起显微组织模糊不清，影响观察。3．画组织图时应抓住组织形态的特点，画出典型区域的组织，注意不要将磨痕或杂质画在图上。(四)实验报告要求1．明确本次实验目的。2．画出所观察过的组织，并注明材料名称、含碳量、浸蚀剂和放大倍数。显微组织图画在直径为30mm的圆内，并将组织组成物名称以箭头引出标明。3．根据所观察的显微组织近似地确定和估算一种亚共析钢的含碳量。4.本次实验的心得体会。实验三碳钢的热处理一、实验目的1.了解碳钢的基本热处理(退火、正火、淬火及回火)工艺方法。2．研究冷却条件与钢性能的关系。3．分析淬火及回火温度对钢性能的影响。二、概述热处理是一种很重要的金属加工工艺方法，也是充分发挥金属材料性能潜力的重要手段。热处理的主要目的是改变钢的性能，其中包括使用性能及工艺性能。钢的热处理工艺特点是将钢加热到一定的温度，经一定时间的保温，然后以某种速度冷却下来，通过这样的工艺过程能使钢的性能发生改变。热处理之所以能使钢的性能发生显著变化，主要是由于钢的内部组织结构可以发生一系列变化。采用不同的热处理工艺过程，将会使钢得到不同的组织结构，从而获得所需要的性能。钢的热处理基本工艺方法可分为退火、正火，，淬火和回火等。三、钢的退火和正火钢的退火通常是把钢加热到临界温度或以上，保温一段时间，然后缓慢地随炉冷却。此时奥氏体在高温区发生分解而得到比较接近平衡状态的组织。一般中碳钢(如40、45钢)经退火后组织稳定，硬度较低(HBl80~220)有利于下一步进行切削加工。正火则是将钢加热到或以上30～50，保温后进行空冷。由于冷却速度稍快，与退火组织相比，组织中的珠光体相对量较多，且片层较细密，所以性能有所改善。对低碳钢来说，正火后提高硬度可改善切削加工性，提高零件表面光洁度；对高碳钢则正火可消除网状渗碳体，为下一步球化退火及淬火作准备。不同含碳量的碳钢在退火及正火状态下的强度和硬度值见表3-I所示。四、钢的淬火所谓淬火就是将钢加热到(亚共析钢)或(过共析钢)以上30—50，保温后放入各种不同的冷却介质中快速冷却(应大于)，以获得马氏体组织。碳钢经淬火后的组织由马氏体及一定数量的残余奥氏体所组成。为了正确地进行钢的淬火，必须考虑下列三个重要因素：淬火加热温度、保温时间和冷却速度。(一)淬火温度的选择正确选定加热温度是保证淬火质量的重要一环。淬火时的具体加热温度主要取决于钢的含碳量，可根据相图确定(如图3-1所示)。对亚共析钢，其加热温度为+30～50~，若加热温度不足(低于)，则淬火组织中将出现铁素体而造成强度及硬度的降低。对过共析钢，加热温度为+30～50，淬火后可得到细小的马氏体与粒状渗碳体。后者的存在可提高钢的硬度和耐磨性。过高的加热温度(如超过)不仅无助于强度、硬度的增加，反而会由于产生过多的残余奥氏体而导致硬度和耐磨性的下降。需要指出，不论在退火、正火及淬火时，均不能任意提高加热温度。温度过高晶粒容易长大，而且增加氧化脱碳和变形的倾向。各种不同成分碳钢的临界温度列于表3-2中。(二)保温时间的确定淬火加热时间实际上是将试样加热到淬火温度所需的时间及在淬火温度停留所需时间的总和。加热时间与钢的成分、工件的形状尺寸、所用的加热介质、加热方法等因素有关，一般按照经验公式加以估算，碳钢在电炉中加热时间的计算列于表3-3。(三)冷却速度的影响冷却是淬火的关键工序，它直接影响到钢淬火后的组织和性能。冷却时应使冷却速度大于临界冷却速度，以保证获得马氏体组织；在这个前提下又应尽量缓慢冷却，以减小内应力，防止变形和开裂。为此，可根据C曲线图(如图3-2所示)，使淬火工件在过冷奥氏体最不稳定的温度范围(650～550)进行快冷(即与C曲线的“鼻尖”相切)，而在较低温度(300—100)时的冷却速度则尽可能小些。为了保证淬火效果，应选用适当的冷却介质(如水、油等)和冷却方法(如双液淬火、分级淬火等)。不同的冷却介质在不同的温度范围内的冷却能力有所差别。各种冷却介质的特性见表3—4。五、钢的回火钢经淬火后得到的马氏体组织质硬而脆，并且工件内部存在很大的内应力，如果直接进行磨削加工往往会出现龟裂；一些精密的零件在使用过程中将会引起尺寸变化而失去精度，甚至开裂。因此淬火钢必须进行回火处理。不同的回火工艺可以使钢获得所需的各种不同性能。表3-5为45钢淬火后经不同温度回火后的组织及性能。对碳钢来说，回火工艺的选择主要是考虑回火温度和保温时间这两个因素。回火温度：在实际生产中通常以图纸上所要求的硬度要求作为选择回火温度的依据。各种钢材的回火温度与硬度之间的关系曲线可从有关手册中查阅。现将几种常用的碳钢(45、T8、T10和T12钢)回火温度与硬度的关系列于表3-6。也可以采用经验公式近似地估算回火温度。例如奶钢的回火温度经验公式为：式中：——系数，当回火后要求的硬度值>HRC30时，＝11；