工程材料及其成形基础实验指导书

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工程材料及其成形基础实验指导书 实验一 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、熟悉布氏、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。其计算公式如下：(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P和D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、HRC读外圈黑刻度，HRB读内圈红刻度。(4)逆时针旋转手轮，取出试样，测试完毕。五、实验设备、用品及注意事项(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(HRB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．试样：毫米45钢和20钢，退火及淬火状态。 (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．测定所给试样的布氏硬度值HB，并填下表：项目试验材料及处理状态试验规范试验结果钢球直径D（mm）载荷F（kgf）F/D2载荷停留时间（s）平均值压痕直径d(mm)硬度值HBS20钢淬火45钢退火3.测定所给试样的洛氏硬度值（HRC）,并填写下表；项目试验材料及处理状态测得硬度值压头总载荷F(kgf)第一次第二次第三次平均硬度值20钢淬火金钢石圆锥45钢淬火金钢石圆锥 实验二金相试样的制备一、实验目的1、了解制备金相试样常用的设备、工具。2、初步掌握金相试样的制备过程和方法。二、概述利用金相显微镜来研究金属及其合金组织的方法叫做金相显微分析法。金相显微分析是研究金属内部组织最重要的方法之一。用光学显微镜观察和研究金属内部组织的步骤，首先是制备所用试样的表面，然后选用合适的浸蚀剂浸蚀试样的表面，并用金相显微镜观察和研究试样表面组织。试样表面比较粗糙时，由于对入射光产生漫反射，无法用显微镜观察其内部组织。因此要对试样表面进行加工，通常采用磨光和抛光的方法，从而得到光亮如镜的试样表面。这个表面在显微镜下只能看到白亮的一片而看不到其组织细节，因此必须采用合适的浸蚀剂对试样的表面进行浸蚀，使试样表面有选择性地溶解掉某些部分（如晶界），从而呈现微小的凹凸不平，这些凹凸不平在光学显微镜的景深范围内可以显示出试样内组织的形貌、组成物的大小和分布。 用来做金相显微分析的试样称为金相显微试样。金相显微试样制备的好与坏，直接影响到金相组织的观察效果。如果制备的不好，会造成许多假像，也就不可能真实地反映出金属与合金的内部组织，而会得出错误的检测结果。由此可见，金相显微试样制备技术是金相检验的最基本的实验技术之一，因此，应该了解和掌握金相试样的制备技术和对它的质量要求。并且通过不断地反复实践，才能掌握和提高金相试样的制备技术。金相试样的制备过程包括取样、磨制、抛光、浸蚀等几个步骤。1.取样取样的部位及磨面的选择，根据检验金属材料或零件的特点，加工工艺及研究目的进行选择，取其具有代表性的部位。待确定好部位后，就可以把试样截下，试样的尺寸通常采用直径12－15mm，高12－15mm的圆柱体或边长12－15mm的方形试样。试样的截取方法视材料的性质不同而异，软的金属可用手锯或锯床切割，硬而脆的材料（如白口铸铁）则可用锤击打下，对极硬的材料（如淬火钢）则可采用砂轮片切割或电脉冲加工。但不论用哪种方法取样，都应避免试样受热或变形从而引起金属组织变化，为防止受热，必要时应随时用冷水冷却试样。试样的尺寸一般不要过大，应便于握持和易于磨制。对形状特殊或尺寸较小不易握持的试样，或为了试样不发生倒角。可采用的镶嵌或机械装夹法。镶嵌法是将试样镶在镶嵌材料中见图2-1，目前使用的镶嵌材料有热固性塑料（如胶木粉）及热塑性材料（聚乙烯聚合树脂）等，还可将试样放在金属圈内，然后注入低熔点物质，如硫磺、松香、低熔点合金等。图2-1金相试样的镶嵌方法（a）(b)机械镶嵌；（c）低熔点合金镶嵌；（d）塑料镶嵌2.磨制磨制分为粗磨和细磨。粗磨可使用砂轮机或锉刀锉平，目的是为了将试样修整成平 面。细磨分手工和机械磨制（在予磨机上磨制），目的是消除粗磨留下的磨痕，为抛光作好准备。细磨的目的是获得平整光滑的磨面。细磨光的操作方法如下：⑴将砂纸放在玻璃板上，左手按住砂纸，右手紧握试样，并使磨面朝下，均匀用力向前推行磨制。在回程时，应提起试样不与砂纸接触，以保证磨面平整而不产生弧度。⑵细磨的砂纸从粗到细有许多号，先从最粗的80＃砂纸开始磨制，砂纸开始磨制，再经过140＃、280＃、320＃、400＃、600＃、800＃、1000＃、1200＃终止。当前一号磨好后，必须将试样磨面、手及玻璃板擦净，再进行下一道砂纸的磨制。并且每当换一号砂纸时，磨光方向都要转90°。⑶细磨光结束后，必须用水将试样、手清冼干净，以免砂粒带到抛光盘上影响抛光质量。有色金属应在金相砂纸上制备，用汽油、机油或肥皂水等作润滑剂。3.抛光抛光的目的在于去除细磨时磨面上遗留下来的细微磨痕和变形层，以获得光滑的镜面。常用的抛光方法有机械抛光，电解抛光和化学抛光三种，其中以机械抛光应用最广。机械抛光是在专用的抛光机上进行。抛光机主要由电动机和抛光圆盘（φ200~300mm）组成，抛光盘转速为200~600转/分。抛光盘上铺以细帆布、呢绒、丝绸等，抛光时在抛光盘上不断滴注抛光液。抛光液通常采用Al2O3、MgO或Cr2O3等细粉末（粒度约为0.3~1）在水中的悬浮液Al2O3机械抛光是靠极细的抛光粉对磨面的机械作用消除磨痕而使其成为光滑的镜面。4.浸蚀抛光后的试样在显微镜下仅能看到某些非金属夹杂物、石墨、孔洞和裂纹等。无法辨别出各种组成物及其形态特征。必须经过适当的浸蚀，才能使显微组织正确地显示出来。目前，最常用的浸蚀方法是化学浸蚀法。化学浸蚀常用的化学试剂有硝酸、盐酸、苦味酸、过氧酸铵等，根据材料的不同来选择浸蚀剂配方。钢铁材料常用4% 的硝酸酒精溶液进行浸蚀。试样浸蚀前用酒精棉擦净，浸蚀方法可采用浸入法或擦试法，浸蚀时间一般为试样表面发暗即可。浸蚀后立即用水冲洗，酒精擦洗，吹干后在显微镜下进行观察。金属材料常用的浸蚀剂见表2-1。表2-1金属材料常用的浸蚀剂浸蚀剂名称成分浸蚀条件使用范围A.钢铁材料常用的浸蚀剂硝酸酒精溶液硝酸1～5ml酒精100ml硝酸含量增加时，浸蚀速度增加。浸蚀时间从数秒至60s适用于显示碳钢及合金结构钢经不同热处理的组织。显示铁素体晶界特别清晰苦味酸酒精溶液苦味酸4g酒精100ml有时可用较淡溶液浸蚀数秒至数分种能显示碳钢、低合金钢的各种热处理组织，特别是显示细珠光体和碳化物。显示铁素体晶界效果则不如硝酸酒精溶液混合酸酒精溶液　盐酸10ml　硝酸3ml　酒精100ml浸蚀2～10min显示高速钢淬火及回火后钢的奥氏体晶粒，显示回火马氏体组织王水溶液盐酸（相对密度1.19）3份硝酸（相对密度1.42）1份试样浸入试剂内数次，每次2～3s，并抛光、用水和酒精冲洗显示各类高合金钢组织，用于Cr-Ni不锈钢的组织显示、晶界、碳化物析出物特别清晰B.有色金属材料常用的浸蚀剂氯化铁、盐酸溶液　FeCl3HClH2O　(g)(ml)(ml)(a)120100(b)510100(c)2525100先擦拭，再浸入试剂中1～2min显示黄铜、青铜的晶界，使二相黄铜中的β相发暗，铸造青铜枝晶组织图象清晰 氢氟酸水溶液　HF（浓）0.5ml　H2O99.5ml用棉花沾上试剂擦拭10～20s或显示铝合金的一般显微组织浓混合酸溶液　HF（浓）10mlHCl（浓）15mlHNO3（浓）25mlH2O50ml此液作粗视浸蚀用；若用作显微组织，则可用水按9:1冲淡后作为浸蚀剂用是显示轴承合金粗视组织和显微组织的最佳浸蚀剂三、实验设备及用品1.不同粗细的金相砂纸一套，玻璃板、抛光液、酒精浸蚀剂（4%的硝酸酒精溶液）；2.抛光机、抛光绒布、帆布；3.待制备的金相试样等。四、实验要求1.每人制备一块（45钢或T8钢或T12钢）基本合格的试样。2.利用金相显微镜观察自己制备好的试样，并结合金相显微镜组织照片搞清该试样为何种组织。五、实验报告要求1.简述金相显微试样的制备过程。2.写出在实验中所发现的问题和体会。 实验三 金相显微镜的构造、使用一、实验目的1.了解普通金相显微镜的成像原理。2.熟悉普通金相显微镜的构造和主要部件的作用。3.掌握金相显微镜的使用方法。二、概述研究金相显微组织的光学显微镜称为金相显微镜。金相显微镜不同于生物显微镜。生物显微镜是利用透视光来观察透明的物体；金相显微镜则利用反射光将不透明物体放大后进行观察或摄影。金相显微镜可分为台式、立式和卧式三大类，构造由光学系统、照明系统和机械系统三大部分组成。有的显微镜还附有摄影装置。现以本室使用的4X型台式金相显微镜为例加以说明。1.光学系统4X型金相显微镜的光学系统如图3-1所示。由灯泡1发出的光线经聚光透镜组2及反光镜8聚集到孔径栏9，再经过聚光镜3聚集到物镜的后焦面，最后通过物镜平行照射到试样7的表面。从试样反射回来的光线复经物镜组6和辅助透镜5，由半反射镜4转向，经过辅助透镜以及棱镜造成一个被观察物体的倒立的放大实象。该象再经过目镜15的放大，就成为在目镜视物中能看到的放大映象。 图3-14X型金相显微镜的光学系统2.照明系统在金相显微镜的底坐内装有一低压（6~8V、15W）灯泡作为光源，由变压器降压供电，靠调节次级电压（6~8V）来改变灯光的亮度。聚光镜，孔径光栏及反光镜等装置均安装在圆形底座上，视场光栏及另一聚光镜则安在支架上。它们组成显微镜的照明系统，使试样表面得到充分、均匀的照明。3.机械系统 显微镜调焦装置：在显微镜体的两侧有粗动和微动调焦手轮，两者在同一部位。随粗调手轮的转动，支承载物台的弯臂作上下运动。在粗调手轮的一侧有制动装置，用以固定调焦正确后载物台的位置。微调手轮使显微镜本体沿着滑轨缓慢移动。在右侧手轮上刻有分度格，每一格表示物镜座上下微动0.002mm。载物台（样品台）：用于放置金相试样，载物台和下面托盘之间有导架，转动调节螺母，可使载物台在水平面上作一定范围的十字定向移动，以改变试样的观察位置。孔径光栏和视物光栏：孔径光栏装在照明反射镜座上面，调整孔径光栏能够控制入射光束的粗细，以保证物象达到清晰的程度。视物光栏设在物镜支架下面，其作用是控制视场范围，使目镜中视物明亮而无阴影，在刻有直纹的套圈上还有两个调节螺钉，用来调整光栏中心。物镜转换器：转换器呈球面状，上有三个螺孔，可安装不同放大倍数的物镜，旋动转换器可使各物镜镜头进入光路，与不同的目镜搭配使用，可获得各种放大倍数。目镜筒：目镜筒呈45°倾斜安装在有棱镜的半球形座上，还可将目镜转向90°，呈水平状态以配合照相装置进行摄影。金相显微镜的使用方法及注意事项金相显微镜是一种精密的光学仪器，使用时要求细心谨慎。在使用显微镜工作之前首先应熟悉其构造特点及各主要部件的相互位置和作用，然后按照显微镜的使用规程进行操作。1.将试样置放在载物台上，从目镜上观察，用双手旋转粗细调手轮，当视场亮度增强或看到组织后，再调节微调手轮直到图像清晰为止。2.当微调手轮转不动时，不可强力旋转，而应向反方向旋转几圈后再重新调焦。3.需要变换观察部位时，用手推动载物台，可使载物台在水平面上作一定范围的移动，不可把试样在载物台上来回拉动。三、实验设备及用品1.金相显微镜2.金相试样四、实验要求 1.了解金相显微镜及有关设备构造，熟悉正常操作步骤及注意事项。2.在教师指导下学习使用金相显微镜，并用不同放大倍数观察金相显微组织。五、实验报告要求1.简述金相显微试样的制备过程。2.说明试样显微组织形态。3.写出在实验中所发现的问题和体会。实验四铁碳合金平衡及非平衡组织观察一、基本实验内容1.根据Fe-Fe3C相图观察和分析铁碳合金（碳钢及白口铸铁）在接近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。3.观察不同含碳量的碳钢在不同热处理状态下的显微组织、分析同种材料不同热处理、相同热处理状态而含碳量不同对其组织形貌及性能的影响。二、基本要求要求学生掌握不同含碳量的铁碳合金平衡组织的组织形貌特点并加以区分，能画出所观察过的组织实验五钢的热处理实验一、基本实验内容1.根据所提供试样进行加热温度及保温时间的分析选择，进行退火、正火、淬火和回火。2.将热处理过后的试样进行硬度测试，分析 含碳量、淬火温度、冷却方式及回火温度对碳钢性能（硬度）的影响，根据数据画出它们同硬度的关系曲线，并阐明硬度变化的原因。二、基本要求要求学生熟悉碳钢的几种基本热处理（退火、正火、淬火及回火）操作方法。了解含碳量、加热温度、冷却速度、回火温度等主要因素对碳钢热处理后性能（硬度）的影响。