长安大学材料成型及控制工程专业综合实验报告 (上)

1、综合实验报告 材料科学与工程学院材料成型及控制工程专业综合实验报告姓名：payion 学号：指导老师：实验日期：2017年06月目录第一部分 金属力学性能验（以硬度测试为主）2实验一 静拉伸试验2实验二 硬度试验3实验三 冲击试验7实验四 疲劳试验7实验五 磨损试验8第二部分 金相综合分析（主要是金相技术综合实验）8实验一 金相显微镜构成原理与使用8实验二 金相技术综合实验8第三部分 钢的热处理11实验一 碳钢的热处理（常规热处理）11实验二 离子氮化（化学热处理的一种）13第四部分 铸造综合设计实验14第五部分 心得体会16第一部分 金属力学性能验（以硬度测试为主）实验一 静拉伸试验静拉伸试

2、验可以测定材料的抗拉强度、上屈服强度、下屈服强度、规定塑性延伸强度、规定总延伸强度、规定残余延伸强度。一、 实验目的1、 掌握拉伸试验机和引申仪等设备仪器的使用方法；2、 掌握钢材的强度指标b、s、0.2、k及塑性指标、的测试方法；3、 对拉伸试样断口进行初步宏观分析，并说明其韧性、脆性。二、 试验用仪器与设备设备：万能材料试验机（油压传动式）及配套的电脑及相应的部分。三、 拉伸试样试验拉伸试样为国家拉伸试验标准试样，光滑圆柱形，直径十毫米（1厘米），如下图所示：（注：本实验采用10倍标距试样。）四、 分析与讨论低碳钢在拉伸过程中分4个阶段：1 、弹性阶段（应力应变比列增加,卸载荷载可以恢复原

3、状）； 2、 屈服阶段（应变的增加大于应力的增加,开始产生塑性变形,应力下限即为屈服点）；3、强化阶段（应变增加应力也增加,最大值即为极限抗拉强度）4、颈缩阶段（应变增加应力下降,产生“颈缩”断裂）。实验二 硬度试验硬度：是指金属表面抵抗其它更硬物体压入的能力。按照测量方法的不同,可分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、肖氏硬度、里氏硬度等。硬度试验方法一般分为划痕法、压入法和动力法3类。一、 实验目的1、理解并掌握布氏硬度、维氏硬度、显微硬度、里氏硬度、肖氏硬度的实验原理及各种硬度方式的异同点；2、同时学会使用洛氏硬度计和显微硬度机测量材料硬度。二、布氏硬度实验原理1、布氏硬度试验原理：布氏硬度

4、用符号HB表示，计算如下：HB=P/F=P/(DH)（h为压痕深度）单位MPa或者HB=2P/【d*（D-(D2-d2)0.5）】(d为压痕直径)2、布氏硬度实验注意事项（1）、布氏硬度的符号及表示方法布氏硬度的符号用 HBS或HBW表示。其中HBS表示压头为淬硬钢球，HBW表示压头为硬质合金。（2）、布氏硬度试验范围三、维氏硬度试验1、维氏硬度试验原理维氏硬度计采用正四棱锥体金刚石压头（用于显微镜分析) 以120kg以内的载荷和顶角为136的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用载荷值除以材料压痕凹坑的表面积，即为维氏硬度值。在试验力作用下压入试样表面，保持规定时间后，卸除试验力，测量试样表面压

5、痕对角线长度。 3、维氏硬度试验注意事项（1）HV前面的数值为硬度值，后面则为试验力，如果试验力保持时间不是通常的10-15秒，还需在试验力值后标注保持时间。（2）试样外表要求：维氏硬度试样表面应光滑平整，不能有氧化皮及杂物，不能有油污。（3）试样制备的要求维氏硬度试样制备过程中，应尽量减少过热或者冷作硬化等因素对表面硬度的影响。四、洛氏硬度试验洛氏硬度试验是简便、迅速的硬度测试方法。洛氏硬度试验方法广泛应用于生产制造、科学研究的各个领域。1、洛氏硬度实验原理洛氏硬度试验是用标准型压头在先后两次对被试材料表面施加试验力（初试验力F0与总试验力F0 + F1），在试验力的作用下压头压入试样表面。

6、洛氏硬度以符合HR表示，有数种不同的洛氏硬度标度，我国常用的有三种如下图所示：注：初载荷为10公斤力。2、试验方法洛氏硬度试验操作步骤：(一) 标准试片 1. 判断标准试片是用HRB或HRC(本实验材料淬火钢使用HRC)。 2. HRC荷重为 150 kg， 使用金钢石圆锥的压痕器3. 检查大荷重手柄是否有归位。 4. 刻度归位。5. 用干净的布擦拭标准试片。 6. 放置标准试片在底座上，找出适当位置对准压痕器7. 施加小荷重，使小指针对准红点中心。 8. 归零转动刻度盤。 9. 施加大荷重，待大指针停止后约1015秒。 10. 移除大荷重。 11. 读出硬度值。 12. 移除小荷重。 13.

7、 重复三次，记录数据，求平均值。步骤总结如下：（1）、准备工作：根据试样材料按试验规范选择压头和负荷；根据试样形状选择工作台，务必使试样能稳妥地放在其上，并使试样表面与压头保持垂直；（2）、将试样放在工作台上，旋转手轮，使工作台上升，试样缓慢与压头接触，直至小指针指到红点，大指针垂直向上在5格范围内，表面已加10公斤力的初负荷；旋转指针表盘，使大指针对准表盘o点。（3）、将操纵手柄推向后方，将主负荷加载压头上，此时，大指针逆时针方向转动。（4）、当大指针停转后，扳回手轮卸除主负荷，大指针回转一段距离。此时，大指针所指的数字即为洛氏硬度值。（5）、取下试样，试验完毕。 试验测得数据（三次）59H

8、RC62HRC61HRC平均值：60.667HRC 故本实验淬火钢球的硬度为60.67HRC3、洛氏硬度试验注意事项（1）、更换压头或载物台时注意将配合处搽拭干净。放置后，应初步试验几次，直到连续两次所得硬度值相同后才能开始正式试验。目的是为了使压头及载物台接触部分压紧，接触良好。 （2）、金刚石压头很脆不能与试样、载物台等硬物相碰；（3）、压痕间距或压痕试样边缘距离：HRC、HRA应大于2.5毫米，而HRC应大于4毫米；（4）、测量压痕时最好多人多次测量，减少误差；（5）、压压痕时要注意刻度对其。五、显微硬度试验1、原理（HV表示）显微硬度是一种压入硬度，反映被测物体对抗另一硬物体压入的能力

9、。2、试验数据（三组）746.6HV786.5HV688.2HV平均值：740.43HV五、 分析与讨论1、HB及HRC较为常用。 2、布氏硬度计之测头为钢球，而洛氏硬度计之测头为金刚石。3、HV-适用于显微镜分析。5、各硬度方法的优缺点：（1）、布氏硬度钢球直径较大，在金属材料表面上留下的压痕也较大，故测得的硬度值比较准确。布氏硬度压痕较大，故不宜测定成品及薄片材料。（2）、维氏硬度维氏硬度试验的压痕是正方形，轻廓清晰，对角线测量准确；维氏硬度试验是常用硬度试验方法中精度最高的，同时它的重复性也很好，这一点比布氏硬度计优越。维氏硬度试验效率低，要求较高的试验技术，对于试样表面的光洁度要求较高

10、，通常需要制作专门的试样，操作麻烦费时，通常只在实验室中使用。（3）、洛氏硬度操作简便迅速; 压痕小,可对工件直接进行检验; 采用不同标尺,可测定各种软硬不同和薄厚不 一试样的硬度。洛氏硬度试验使材料表面压痕较大,故不宜测试成品或薄片金属的硬度。实验三 冲击试验冲击试验示意图即为夏比冲击原理：制备有一定形状和尺寸的金属试样，使其具有U形缺口或V形缺口，在夏比冲击试验机上处于简支梁状态，以试验机举起的摆锤作一次冲击，使试样沿缺口冲断，用折断时摆锤重新升起高度差计算试样的吸收功，即为Aku和Akv。吸收功值(焦耳)大，表示材料韧性好 实验四 疲劳试验1、实验目的：描绘疲劳曲线，并求疲劳极限-1。2

11、、试验用设备及试样实验五 磨损试验摩擦磨损试验，测定材料抵抗磨损能力的一种材料试验。磨损形式有磨料磨损、粘着磨损、接触疲劳磨损、微动磨损、气蚀等试验条件应尽可能与实际条件一致,才能保证试验结果的可靠性。第二部分 金相综合分析（主要是金相技术综合实验）实验一 金相显微镜构成原理与使用可以利用金相显微镜观察出金属材料的组成成分和结构。在实验中我们使用了光学显微镜和电子显微镜对表面处理过的材料进行观测。金相显微意的使用方法：（1）、接通电源，根据放大倍数选用所需的物镜和目镜，分别安装在物镜座上及目镜筒内，并使转换器转至固定位置。（2）、将试样放在样品台中心，是观察面朝下。（光要照射到所要观察的金属面

12、上）（3）、粗调手轮，先使载物台下降，同时用肉眼观察，使物镜尽可能接近试样表面，然后相反转动粗调手轮，使载物台渐渐上升以调整焦距，直到物象调整到最清晰程度为止。（4）、适当调节孔径光栏和视场光栏，以获得最佳质量的物象。实验二 金相技术综合实验一、实验目的1、了解并掌握金相试样的制备方法；2、掌握并熟练使用金相显微镜分析技术；3、掌握光学金相显微镜和金相电子显微镜的使用。二、金属显微试样的制备方法（步骤）金属显微试样的制备过程包括取样、镶嵌（试件尺寸太小时）、磨制、抛光、浸蚀等工序。1、 取样：一般去在零件失效部位的材料，在取样时温度不要太高，以免温度过高影响组织结构的改变。（试样中得到试样为圆

13、柱中空型零件试样）2、 磨制：磨制过程中使用800、1000、1400、1800型号的砂纸磨制（归为粗磨和细磨），磨制过程中须一个方向进行，90交换进行，每换一次砂纸要将上一次产生的刮痕全部消除。3、 抛光：细磨后需要进行抛光（采用机械抛光、即机械抛光机），目的是去除细磨时遗留下来的细微的磨痕而获得光亮的镜面（抛光机上进行，抛光时在抛光盘上不断滴注抛光液，抛光液采用Cr2O3（粒度均为0.3-1um在水中的悬浮液，水流一直打开，并用手按住试样）；4、 浸蚀：一般浸蚀可除去金属零件表面上的氧化皮和锈蚀物，采用4硝酸酒精溶液对试样表面进行浸蚀。若浸蚀不足即可重复浸蚀，浸蚀完成后用清水冲洗，再用酒精

14、冲洗，使用棉花擦干净，这样得到的金相试样即可在显微镜下进行观察和分析研究。（最后先浸蚀15s，不足再浸蚀。）三、 显微组织观测（观察步骤）1、 在金相光学显微镜下观察是否有划痕，若有不严重，可重新找一个位置；如没有足够好的能观测组织成分的地方，根据划痕的大小深浅再进行磨制、浸蚀等步骤；然后再在光学显微镜下进行观测，根据金相图初步固定零件的成分和工艺。图 光学显微镜下手机拍摄下的金相照片2、 电子显微镜拍摄金相照片：在光学显微镜下观察后，足以满足试样的观测后，拿到电子显微镜上进行观察、分析和拍摄。如图所示：100X400X四、金相组织、成分分析由金相图可以看出组织为珠光体（黑色）和铁素体（白色）

15、混合体，根据两者比例和金相图初步判断为60钢；图中晶粒细小，故判断为60退火钢。五、试验总结与讨论1、磨制时不能太急，需慢慢来，才能得出最好的镜面；2、腐蚀和酒精清洗后需要将其表面洗干净，不然会影响试验观测；3、调节显微镜过程中需要对好焦，光源对好，太高太低以至于找不到最佳金相观察处；4、分析过程中需要仔细比较黑白两部分的相对比值，必要时可画相应的格子进行计算相对比值。实验三 钢铁的火花鉴别法一、 实验原理用火花检验来鉴别钢铁材料的种类及其主要的化学成分。二、设备和材料电动砂轮、各种试验所用的钢铁材料试样。三、实验原理火花鉴别法就是运用钢铁材料在磨削过程中随着材料化学成分的差异出现各种不同的火

16、花特征来区别材料成分的方法。火花产生原理：钢中的碳在高温下极易与氧发生反应，FeO+C Fe+CO，使FeO还原；被还原的Fe将再次被氧化，然后再次还原；这种氧化还原反应循环进行，会不断产生出CO气体，当颗粒表面的氧化铁薄膜不能控制产生的CO气体时，就有爆裂现象发生从而形成火花。火花法鉴定原理：碳钢中的含碳量越高，火花越多，火束越多。对合金钢，由于各种合金元素对火花形状、颜色产生不同影响，因而也可基本上鉴别出合金元素的种类及大概含量但不象碳素钢那样容易和准确。火花鉴别的要点：详细观察火花的火束粗细、长短、花次层叠程度和它的色泽变化情况。试验注意事项：1、试验操作虽然简单，但是危险性较高，在操作

17、时需要捏紧，并且人要站在砂轮两侧，必要时带上保护眼镜；3、 试样与砂轮接触研磨时必须压力均匀，每次试验的压力均匀，好比较试样火花的长短，减少不必要的误差。第三部分 钢的热处理实验一 碳钢的热处理（常规热处理）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、研究冷却条件与刚性能的关系；3、分析淬火及回火温度对刚性能的影响。二、概述热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺方法。热处理工艺能改变钢铁的性能的主要原因是钢的内部组织可以发生一系列变化。试验炉：三、四种热处理工艺（一）钢的正火和退火1、正火是将钢

18、加热到AC3或ACM以上30-50，保温后进行空冷的工艺方法（空冷）。2、退火指将钢加热到一定温度并保温一段时间，然后使它慢慢冷却的过程。（炉冷）。（二）、钢的淬火淬火是将钢加热到AC3或A1以上30-50，保温后放进各种不同的冷却介质中快速冷却，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。为了正确的进行钢的淬火，必须考虑三个重要的因素：淬火加热温度、保温时间和冷却速度。淬火加热温度碳钢在箱式电阻炉中加热时间的确定如下表：加热温度（）工件形状圆柱形方形板形保温时间min/mm(直径)min/mm(厚度)Min/mm(厚度)7001.52.238001.01.529

19、000.81.21.610000.40.60.8冷却速度的影响（c曲线）（三）、钢的回火将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度Ac1的适当温度，保温一段时间后冷却的金属热处理工艺。（四）、温度确定：1、退火 一般亚共析钢加热至Ac3+(2030)（完全退火）；共析钢和过共析钢加热至Ac1 +(2030)（球化退火）2、正火 一般亚共析钢加热至Ac3 +(3050)；过共析钢加热至Accm +(30 50)3、 淬火 一般亚共析钢加热至Ac3+(3050)；共析钢和过共析钢加热至 Ac1+(3050) 4、回火 按加热温度高低回火可分为三类： a 低温回火 150250 回火马氏体 b 中温回

20、火 350500 回火屈氏体c. 高温回火 500650 回火索氏体四、试验步骤（本实验采用正火方式，时间关系没有进行回火）（一）试样准备同时加热热处理炉（电阻丝炉）；（二）放试样到炉子（加热到800左右）保持10min；（三）取出试样进行淬火（油淬或者水淬）。水淬油淬五、试验淬火后样品六、试验总结1、四种常规热处理是最常用的工艺方法；2、淬火和回火都是一起使用，有淬火就要有回火（除特殊情况）；3、热处理属于高温环境，需要注意安全；4、淬火时需要快速以免影响性能；5、加热过程中要保证温度是否到达；6、加试样的钳子不能有油；7、水温过高时需要更换。实验二 离子氮化（化学热处理的一种）一、 试验目

21、的了解离子氮化炉的构造及使用方式二、离子氮化基本原理离子渗氮渗氮层的形成也是由分解、吸收、扩散三个基本过程组成的。离子氮化又称辉光氮化，将工件放到氮化的真空炉内，真空度为100MPa。三、离子氮化的工艺特点1、表面加热速度快；2、扩散速度快；3、氮化层韧性好，具有高抗疲劳和高抗磨损性能。四、氮化操作步骤1、清洗工件；2、装炉；3、升温和保温；4、冷却和出炉；5、操作记录。扩散层化合物层氮化过程： 氮化金相组织：第四部分 铸造综合设计实验一、 实验目的1、 了解并掌握熔融金属的炉子；2、学会制作砂型；3、掌握浇铸件和取铸件的方法；4、学会通过对比法（控制变量法）测定铸件的流动性。二、实验内容1、

22、中频感应电炉的原理、使用方法及维护；中频感应电炉在使用过程中一定要保证冷却水管畅通无阻。真空热压炉原理、使用方法及维护；实验室用真空炉（如图）：2、 铸造合金流动性测定；实验材料浇注温度（）铸型性质螺旋长度（mm）AlCu5%合金760普通砂型1000AlCu5%合金660普通砂型800AlCu5%合金660型腔内涂烟黑860先制定好铸件的砂型，同时配制AlCu5%的合金，用螺旋型板制作砂型，将熔化好的试验材料浇入砂型，等凝固后，清理出螺旋形试样，测量出螺旋形试样长度，分析浇注温度、铸型性质对合金流动性的影响。（1）、实验数据：试验铸件：（2） 、试验分析：a.同种合金，铸型性质相同，分析浇注

23、温度对合金流动性的影响。答：从实验数据得到，同种合金，铸型性质相同，浇注温度越高，凝固后得到的铸件螺旋线长度就越长，说明合金流动性越好。b.同种合金，浇注温度相同，分析铸型性质对合金流动性的影响。答：从实验数据得到，同种合金，浇注温度相同，型腔内涂了黑烟的砂型比普通砂型凝固后得到的螺旋线长度长，说明合金流动性较好。参考文献：长安大学材料学院材料成型及控制工程专业综合实验指导书 张翔 2017年金属热加工工艺 李林章 帕斯森 陕西人民出版金属学及热处理第二版 崔忠圻 覃耀春 机械工业出版社第五部分 心得体会通过两个周末四天的综合实验我学到了关于本专业的许多知识，也学到了老师口中的严谨，小心再小心。第一天的钢的热处理，由于高温和时间原因，所以所使用的仪器和试样并不多，意味着有的同学不能动手，只能看了，自己动手做了，体会到了温度，和第一次动手淬火