材料科学与工程基本技能实验指导书一金属方向

1、材料科学与工程基本技能实验实验指导书彭竹琴 穆云超 赵慧君 编中原工学院材料与化工学院二八年十月目 录实验一 金相显微镜的构造、使用和维护实验二 金相试样的制备与观察实验三 金属材料的硬度实验实验四 金属热处理实验实验五 金属的磨损实验实验六 金属的冲击实验实验一 金相显微镜的构造、使用和维护一、实验目的1、了解金相显微镜的结构原理，熟悉各种零件的性能和功用。2、掌握分辨率的概念及其影响因素。3、学会正确操作普通金相显微镜。二、金相显微镜的基本原理、构造及使用（一）金相显微镜的基本原理显微镜的基本原理如图11所示的光学系统包括物镜、目镜及一些辅助光学零件。物镜和目镜分别由两组透镜组成。对着物体

2、AB的一组透镜组成物镜01，对着眼睛的一组透镜组成目镜02。物镜、目镜都各由复杂的透镜系统组成。图1 显微镜光学原理图物镜使物体AB形成放大的倒立实像A'B，目镜再把AB放大成仍然倒立的虚像AB,其位置正好在人眼的明视距离处，即距人眼250mm处。我们在显微镜中看到的就是这个虚像AB。显微镜的主要性能有：显微镜的放大倍数：显微镜的放大倍数可由下式决定：M= M物×M目=-L/f物×D/f目M显微镜的放大倍数M目目镜的放大倍数M物物镜的放大倍数D明视距离250mmf目目镜的焦距f物物镜的焦距L显微镜的光学镜筒长度f目、f物越短L越长，则显微镜的放大倍数越高。在使用时，

3、显微镜的放大倍数就是物镜和目镜的放大倍数的乘积，有的小型显微镜的放大倍数需要乘一个镜筒系数，因为它的镜筒长度比一般显微镜短。显微镜的鉴别率：显微镜的鉴别率是指它能清晰地分辨试样上两点间最小距离d的能力。在普通光线下，人眼分辨两点间的最小距离为0.150.30mm，即人眼的鉴别率d为0.150.30mm，而显微镜当其有效倍数为1400倍时其鉴别就率d 为0.21×10-3mm，d值越小，鉴别率越高。鉴别率可由下式计标出来：d= /2A入射光线的波长 A物镜的数值孔径显微镜的鉴别率取决于使用光线的波长和物镜的数值孔径，与目镜没有关系。光源的波长可通过滤色片来选择。兰光的波长（=0.44）

4、比黄绿光（=0.55）短。所以鉴别率较黄绿光大25%。当光源的波长一定时，则可通过变化A来调节显微镜的鉴别率。景深：即垂直鉴别率，反映显微镜对于高低不同的物体能清晰成像的能力。景深= 1/(7Msin)+ /(2nsin) M 放大倍数 孔径角 波长 n折射率放大倍数或数值孔径越大，景深越小。在进行断口分析时，若景深太小，则对断口上凹凸不平的浮雕难以同时有清晰的图像。物镜的数值孔径：数值孔径表示物镜的集光能力。A=nsinA物镜的数值孔径n物镜与试样之间介质的折射率物镜孔径角的一半（如图2）n越大或物镜孔径角越大，则数值孔径越大。由于总是小于90º，所以在空气介质（n=1）中使用时，

5、数值孔径A一定小于1，这类物镜称干系物镜。当物镜与试样之间充满松柏油介质（n=1.52）图2 物镜聚光示意图时，A值最高可达1.4,这就是显微镜在高倍观察时用的油浸系物镜（简称油镜头）,每个物镜都有一个设计额定的A值，刻在物镜体上。放大倍数、数值孔径、鉴别率之间的关系：显微镜的同一放大倍数可由不同倍数的物镜和目镜来组合。如45倍的物镜乘10倍的目镜或者15倍的物镜乘30倍的目镜都是450倍。对于同一放大倍数，如何合理选用物镜和目镜呢？首先确定物镜，根据计标，选用物镜时，必须使显微镜的放大倍数在该物镜数值孔径的500倍到1000倍之间；即：M=500A100A。这个范围称有效放大倍数范围。若M5

6、00A，则未能充分发挥物镜的鉴别率。若M1000A，则形成“虚伪放大”，细微部分将分辨不清。待物镜选定后，再根据所需放大倍数选用目镜。透镜形成缺陷：A 球面象差：如图3所示，当来自A点的单色光（即一定波长的光线）通过透镜后，由于透镜表面呈球形，光线不能交于一点，则使放大后的像糊糊不清。此现象称为球面象差。图3 球面象差示意图降低球面象差的办法，除了制造物镜时采取不同透镜的组合进行必要校正外，在使用显微镜时也可采取调节孔径光栏，适当控制入射光束粗细，减少透镜表面面积的办法把球面象差降低到最低程度。B 色象差：白色光是由七种单色光组成的。当一束来自A点的白色光通过透镜后，由于各单色光的波长不同，折

7、射率不同，使光线折射后也不能交于一点。紫光折射最强，红光折射最弱，结果也使成像模糊不清。此现象称为色象差（图4）。图4 色象差示意图消除色象差的办法，一是制造物镜时进行校正，根据校正程度，物镜可分为消色差物镜和复消色差物镜。消色差物镜与普通目镜配合，用于低倍、中倍观察，复消色差物镜与补偿目镜配合用于高倍观察。二是使用滤色片得到单色光，常用的黄色或绿色滤色片。（二）金相显微镜的构造金相显微镜的种类和形式很多，最常见的有台式、立式和卧式三大类。金相显微镜通常由光学系统、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4X型台式金相显微镜为例加以说明。4X型金相显微镜的光学系统如图5所

8、示。由灯泡1发现的光线经过聚光透镜组2及反光镜8聚集到孔径光栏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像，该像再经过目镜15的放大，就成为在目镜视场中能看到的放大映像。4X型金相显微镜的外形如图6所示。现分别介绍其各部件的功能及使用。图5 4X金相显微镜的光学系统 图6 4X金相显微镜外形结构图1、物镜：物镜是显微镜中最主要而且最贵重的部分，为了避免球面像差和色像差一般都用几组复合透镜组成。物镜一般常用的有消色差物镜及复消色物镜两种。消色差物镜焦

9、总距离范围较大，可以与普通目镜配合用于低倍和中倍放大（500×）。我国南京生产的显微镜，广州生产的显微镜等的物镜都是消色差物镜。复消色物镜结构较为复杂，但其物象的球面像差缺陷可达最小值，一般都用于高倍镜头，此类的物镜一般均与校正的目镜配合使用。物镜的放大倍数可由几倍到100倍，其数值在物镜镜筒上标出如25×、40×等。2、目镜：目镜可分为普通的、校正的和投影的目镜等。普通目镜的构造简单，仅由两个凸透镜组成。校正目镜能够补偿复消色差的残余色差。投影目镜仅在照相时应用，其结构与校正目镜相似。目镜的放大倍数一般由5倍到30倍。其倍数在目镜上均有标记如：5×，1

10、0×等。3、照明系统：在底座内装有一低压（68V，15W）灯泡作为光源，由变压器降压供电，靠调节次级电压（68V）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，使试样表面获得充分、均匀的照明。4、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6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5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0.002毫米。与刻度盘同侧的齿轮箱上刻有二条

11、白线，用以指示微动升降范围，当旋到极限位置时，微动手轮就自动被限制住，此时，不能再继续旋转而应倒转回来使用。5、载物台（样品台）：用于放置金相样品，载物台和下面托盘之间有导架，用手推动，可使载物台在水平面上作一定范围的十字定向移动，以改变试样的观察部位。6、孔径光栏和视场光栏：孔径光栏装在照明反射镜座上面，调节孔径光栏能够控制入射光束的粗细，以保证物像达到清晰的程度。视场光栏设在物镜支架下面，其作用是控制视场范围，使目镜中视场明亮而无阴影。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。7、物镜转换器：转换器呈球面形，上有三个螺孔，可安装不同放大倍数的物镜，旋转换器可使各物镜镜头进入光路

12、，与不同的目镜搭配使用，可获得各种放大倍数。8、目镜筒：目镜筒呈45º倾斜安装在附有棱镜的半球形座上，还可将目镜转向90º呈水平状态以配合照相装置进行金相摄影。表1列出了4X型金相显微镜的物镜和目镜不同配合情况下的放大倍数。表1 4X型金相显微镜的放大倍数光学系统 目镜物镜5×5×干燥系统10×50×100×干燥系统400×200×400×油浸系统100×500×1000×（三）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

13、显微镜工作之前首先应熟悉其构造特点及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）金相显微镜的使用规程：1）首先将显微镜的光源插头插在变压器上，通过低压（68V）变压器接通电源。2）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（由定位器定位）。3）将试样放在样品台中心，使观察面朝下并用弹簧片压住。4）转动粗调手轮，使载物台渐渐上升以调节焦距，当视场亮度增强时再改用微调手轮调节，直到物象调整到最清晰的程度为止。5）适当调节孔径光栏和视场光栏，以获得最佳质量的物象。6）如果使用油浸系统物镜，则可在物镜的前透镜上滴一点松柏油，也可以将松柏

14、油直接滴在试样上。油镜头用后立即用棉花沾取二甲苯溶液擦净，再用擦镜纸擦干。（2）使用注意事项：1）操作时必须特别细心，不能有任何剧烈的动作。光学系统不允许自行拆卸。2）显微镜镜头的玻璃部分和试样磨面严禁手指直接接触，若镜头中落有灰尘，可用镜头纸或软毛刷轻轻擦拭。3）显微镜的灯泡（68V）插头，切勿直接插在220V的电源插座上，应当插在变压器上，否则灯泡立即烧坏。观察结束后及时关闭电源。4）在旋转粗调（或微调）手轮时动作要慢，碰到某种阻碍时应立即停止操作，报告指导教师查找原因，不得用力强行转动，否则会损坏机件。三、实验内容1、教师结合实物讲解金相显微镜的构造使用和维护。2、选择不同的放大倍数，观

15、察试样，从中学调焦。3、选用不同的物镜，不同大小的孔径光栏和视场光栏，对样品的同一部位进行观察，分析分辨率有哪些影响因素。四、实验报告要求1、实验目的。2、简述金相显微镜各组成部件的作用。3、简述金相显微镜的使用方法及使用中应注意的事项。4、显微镜的放大倍数是如何决定的？实验二 金相试样的制备与观察一、实验目的1、熟悉金相试样的制备过程，掌握金相试样的制备方法。2、了解机械抛光和化学浸蚀的基本原理。二、概述运用金相显微镜观察制备好的金相试样的组织或缺陷，这种方法称金相显微分析方法。它可以观察、研究金属材料或零件中细小的用粗视分析方法不能观察到的组织及缺陷，进行显微分析的主要工具是金相显微镜。作

16、为金相显微镜分析用的光学显微镜其放大倍数为几十倍到2000倍，分辨率为2500埃左右。若要观察研究更细小的微观组织和缺陷，则要应用透射电镜、扫描电镜及X光射线技术等分析方法进行。（一）金相显微样品的制备1、取样取样部位及磨面（观察面）的选择：根据被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。如：研究零件破裂的原因时，应在破裂部位取样，再在离破裂处较远的部位取样，以作比较。研究铸造合金时，由于组织不均匀，从铸件表层到中心必须分别截取几个样品。研究轧材时，如研究材料表层的缺陷、非金属夹杂物的分布，应在垂直轧制方向上截取横向试样；如研究夹杂物的形状、类型、材料的形变程度、晶粒拉长的程度、带

17、状组织等，应在平行于轧制方向上截取纵向试样。研究热处理后的零件时，因组织较均匀，可任选一断面试样。若研究氧化、脱碳、表面处理（如渗碳）的情况，则应在横断面上观察。试样的截取方法：截取时应保证不使试样观察面的金相组织发生变化。软材料可有锯、车、刨等方法截取；硬材料可用水冷砂轮切片机、电火花切割等方法截取；硬而脆的材料（如白口铸铁），也可用锤击法获取。试样尺寸：以具体情况而定。一般可取高为1015mm，方形试样边长为1525mm，圆柱形试样直径为1525mm。对于观察表层组织的试样，可采用斜面截取的方法，以扩大表层面观察范围。（如图1）图1 金相试样的尺寸2、镶样一般试样不需要镶样。但试样尺寸过于

18、细小，形状特殊如丝材、薄片、细管等制备样品时非常困难，必须把它镶嵌起来。镶嵌的方法有低熔点合金镶嵌法、热压镶嵌法和机械镶嵌法等。热压镶嵌法有专门的镶样机，将试样放于电木粉或塑料粒中加热到180左右进行热压。由于热压镶嵌时要加一定的温度和压力，这就使马氏体回火和软金属产生塑性变形等，为避免这种情况，可改用机械镶嵌法，即用夹具夹持试样。（如图2）图2 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3、磨制 磨制可分为粗磨和细磨两步。粗磨：对于软材料可用锉刀锉平，一般材料都有砂轮机磨平。磨砂轮时应利用砂轮侧面，以保证试样磨平，试样要不断用冷水冷却，以防温度升高造成内部

19、的组织发生变化。最后倒角，以防细磨时划破砂纸。但对需要观察脱碳、渗碳等表面层情况的试样不能倒角，有时还要采用电镀敷盖来防止这些试样边缘倒角。细磨：细磨的方法有手工磨光和机械磨光。手工磨光是用手拿持试样直接在金相砂纸上进行。金相砂纸按粗细分为01号、02号、03号、04号、05号几种，细磨时依次从01号磨到05号，一般钢铁试样磨到04号砂纸，软材料如铝、镁等合金可磨到05号砂纸。磨时必须注意：A 使磨面与砂纸完全接触，以保证试样磨面平整不产生弧度。B 每更换一道砂纸，应将试样转90º再磨，使磨制方向与上一道磨痕方向垂直，以便观察前一道磨痕是否被消除。C 更换砂纸时，应把试样、工作台和手

20、洗擦干净，以免把粗砂粒带到下一道细砂纸上去。D 磨制软材料时，可在砂纸上涂上一层润滑剂，如机油、汽油、肥皂水等，以免砂粒嵌入软金属内。由于手工磨制速度慢、效率低，劳动强度比较大，故现在多采用机械磨光的方法。机械磨光在预磨机上进行。预磨机由一个电动机带动一个或两个转盘，转盘分蜡盘和砂纸盘两种。蜡盘就是把混有金刚砂的熔化石蜡浇在转盘上，待凝固车平后装在预磨机上就可使用。可以做成不同粗细的金刚砂的蜡盘，蜡盘磨的速度快、效率高，在生产检验中大量应用。砂纸盘是把水砂纸剪成圆形，然后用水玻璃粘在预磨机转盘上使用。水砂纸按粗细有200号、300号、400号、500号、600号、700号、800号、900号等

21、。一般用200号、400号、600号、800号水砂纸依次磨制即可。用蜡盘和砂纸盘磨制时，要不断加水冷却，样品必须拿住，以防飞出伤人。4、抛光抛光的目的是去除试样磨面上经细磨后的细微磨痕，使磨面呈光亮而无磨痕的镜面。抛光方法有机械抛光、电解抛光、化学抛光等。机械抛光：机械抛光可分为粗抛和细抛两个步骤，均在抛光机上进行。抛光机由一个电动机带动一个或两个抛光盘，转速为200600转/分。粗抛时转速要高些，精抛或抛软材料时转速要低此。所用抛光材料有抛光布和抛光粉。抛光布蒙在抛盘上，不同的要求应适当选用不同的抛光布。粗抛时常用帆布、粗呢等，精抛时常用帆布、细呢、丝绸等。抛光粉也称抛光磨料。常用的抛光粉有

22、以下几种：氧化铝：白色细颗粒，用于粗抛或精抛。氧化铬：绿色，颗粒极细，用于粗抛，硬度很高，常用来抛光淬火后的合金钢等试样，除氧化铬粉外，目前常使用块状的氧化铬抛光膏。氧化镁：白色，颗粒极细，用于精抛。由于它本身硬度较低，适合有色金属磨面的抛光。金刚砂：又称碳化硅，具有较高的硬度，常用于粗抛或做成蜡盘用。金刚钻粉：具有极高的硬度和良好的磨削作用，抛光软、硬材料都有良好的效果。可用于抛光硬质合金等极硬的材料，价格贵，应用较少。抛光时应注意事项：A、除抛光膏外，抛光粉都要配成抛光液用。粗抛光用抛光粉的粒度为500600号（筛目），精抛用的抛光粉要求选得更细。B、抛光时应使试样磨面均衡地压在旋转的抛光

23、盘上，压力不宜过大，并应使试样沿抛光盘的半径方向从心到边缘来回移动。C、抛光过程中要不断注入适量抛光液。若抛光布上的抛光液太多，会使钢中夹杂物及铸铁中的石墨脱落，抛光面质量也不好；若太少，将使抛光面变到暗而有黑斑。D、抛光后期，应使试样在抛光盘上各方向转动，以防止钢中夹杂物产生拖尾现象。E、为尽量减少抛光表层金属变形的可能性，整个抛光时间不宜过长，磨痕全部消除出现镜面后，抛光即可停止，试样用水冲洗或用酒精清洗干净后就可转入浸蚀或直接在显微镜下观察。电解抛光：由于机械抛光时在试样磨面上将发生“金属流动”，产生表层金属变形层（称拜尔培层），影响金相组织显示的真实性。在光学显微镜下尚能显示出材料接近

24、真实的组织，但在特殊精细的研究中将感到不足，如电子显微镜组织与电子衍射结构的研究。近年来电解抛光得到广泛的使用。由于电解抛光纯系电化溶解作用，无机械力的影响，不致引起表层金属变形或流动。所以电解抛光的金相试样能显示材料的真实组织。因此硬度低、单相合金，极易加工变形的合金，像奥氏体不锈钢、高锰钢等材料以采用此法为宜。电解抛光速度很快，试样对预先磨光操作要求也比较低，效率高。但电解抛光对于材料化学的不均匀性、显微偏析特别敏感，在金属基体与非金属夹杂物处常被剧烈地浸蚀。所以电解抛光现在还不适用于偏析显著的金属材料（铸造偏析、轧制偏析）、铸铁及作夹杂物检验的金相试样。电解抛光原理如图3所示。把试样放入

25、电解液中，接通试样（阳极）与阴极间的电源，在一定条件下，可以使试样磨面产生选择性的溶解，逐渐使磨面变到光滑平整。（图4）电解抛光有专用的电解抛光仪，使用时可按仪器使用说明进行。化学抛光：化学抛光是靠化学试剂的溶解作用，得到光亮的抛光表面，操作简便，成本低廉。抛光时将试样浸在合适的抛光夜中，进行适当搅动即可。或用棉花沾取化学抛光液，在试样磨面上来回擦动即可。化学抛光兼有化学浸蚀的作用，能显示金相组织，因此试样经化学抛光后可直接在显微镜下观察。化学抛光对试样磨面原来光洁度要求不很高，它只能做到试样表面光滑，不能达到表面平整的要求，抛光后使磨面呈光滑、起伏的波形，但在较低放大倍数下并不妨碍金相组织的

26、观察。图3 电解抛光装置与电解抛光原理1、阳极 2、阴极 3、温度计4、搅拌器 5、冷却水 6、电解液图4 电解抛光过程示意图5、金相组织的显示：除观察试样中某些非金属夹杂物及铸铁中的石墨等外，金相试样磨面经抛光后，一般还要用化学、物理等方法进行组织显示才能观察。利用化学浸蚀剂，通过化学或电化学作用显示金属的组织。纯金属及单相合金的浸蚀系一个化学溶解的过程。由于晶界上原子排列的规律性差，具有较高的自由能，所以晶界处较易浸蚀而呈沟壑。若浸蚀较浅，则在显微镜下可显示出纯金属或固溶体的多面体晶粒。（图5）若浸蚀较深，则在显微镜下可显示出明暗不一的晶粒，这是由于各晶粒位向不同，溶解速度不同，浸蚀后的显

27、微平面与原磨面的角度不同，在垂直光线照射下，反射光线方向不同，显示出明暗不一的晶粒。1-未浸蚀 2-晶界浸蚀图5 纯金属及单相合金化学浸蚀时各阶段的情况两相合金的浸蚀主要是一电化学腐蚀过程。两个组成相具有不同的电位，在浸蚀剂（即电解液）中，形成极多的微小的局部电池。较高负电位的一相成为阳极，被迅速溶入电解液中，逐渐凹下去，而较高正电位的另一相成为阴极，保持原光滑平面，在显微镜下可清楚显示出两相（图6）。1、Sn-Sb合金 2、珠光体组织图6 两相相合金的浸蚀多相合金的浸蚀，也是一个电化溶解过程，其方法有：A、选择浸蚀法：即选用几种合适的浸蚀剂，依次浸蚀，使各相均被显示。B、薄膜浸蚀法：浸蚀剂与

28、磨面各相起化学反应，形成一层厚薄不均匀的氧化膜层（或反应产物的沉积），在白色光的照射下，由于光的干涉现象，使各相出现不同色彩而显示组织。腐蚀的步骤是：将已磨光的样品（样品磨光后不要用手去摸表面，以免沾上油污），用水冲去抛光粉，用酒精洗去残余，然后用棉花球沾取腐蚀剂，在样品表面涂抹一定时间，然后用水冲洗干净，用干净毛巾沾干表面上的水，或用电热吹风机吹干，即可用于显微分析。为了长久保存经腐蚀后的显微样品，需要试样表面涂上一层保护膜，常用的有指甲油或硝酸纤维漆加香蕉水。三、实验内容本实验同学应熟悉金相样品的一般制备方法，显现组织的方法，要求在样品的磨平、磨光、抛光、化学浸蚀的过程中，体会并掌握其特点

29、，每个同学完成下列任务。1、机械抛光样品一块2、对自己制备腐蚀过的样品进行观察学生必须了解，对不同的金属和合金，制备、腐蚀的方法和试剂是很多的，这里仅是一般的介绍，学生应在这方面能够利用手册。四、实验所需的仪器和材料显微镜，抛光机，砂轮机，电吹风机；碳钢试样，20#，45#，65#，T8，T13。砂纸；280，320，01，02，03，04，05。4%硝酸酒精溶液。玻璃板20块。酒精、脱脂棉球。五、实验报告要求1、实验目的 2、简述金相试样的制备过程。六、思考题 1、试样的选择要有_ _ 和 _ _ _；组织显示的基本要求是_ _ 。 2、试样制备过程中容易产生哪些假象？有何特征？ 3、试样在

30、抛光态可以检查些什么？ 4、化学浸蚀的目的是什么？说明为什么晶界呈黑色，而晶粒内部却比较均匀明亮？实验三 金属材料的硬度实验一、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、洛氏硬度实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。硬度值越高，表明金属抵抗塑性变形的能力越大，材料产生塑性变形就越困难。另外硬度与其他机械性能（如强度指标 b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。测量硬度的方法很多，在机械工

31、业中广泛采用压入法来测定硬度，压入法又分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。压入法硬度试验的主要特点是： 实验时应力状态最软，（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。 金属的硬度与强度指标之间存在如下近似关系： b=K*HB 式中： b 材料的抗拉强度值； HB布氏硬度值 K 系数 退火状态的碳钢 K0.340.36 合金调质钢 K0.330.35 有色金属合金 K0.330.53 硬度值对材料的耐磨性、疲劳强度等性能也有一定的参考价值，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。 硬度测量后

32、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。 设备简单，操作迅速方便。三、布氏硬度 （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P，将直径为D的钢球压入被测金属表面（如图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F凹 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： HBP/F凹 （3-1）式中： HB布氏硬度值； P载荷（Kgf）；（1 Kgf9.8N） F凹凹痕面积（mm2）。 图1 布氏硬度试验原理图根据压痕面积和球面之比等于压痕深度和钢球直径之比的几何关系，可知压痕部分的球面积为：

33、(3-2)式中：D钢球直径（mm）； h压痕深度（mm）由于测量压痕直径d要比测定压痕深度h容易，故可将（3-1）式中h改换成d来表示，这可根据图3-1(b) 中Oab的关系求出。 (3-3)将式（3-2）和（3-3）代入式（3-1）即得： (3-4) 式中只有d是变数，故只需测出压痕直径d，根据已知D和P值就可计算出HB值。在实际测量时，可由测出之压痕直径d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

34、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P和钢球直径D。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，其必要条件就是压入角保持不变。根据相似原理由图3-1（b）中可知d和的关系是： (3-5)以此代入式（3-4）得： (3-6)式（3-6）说明，当值为常数时，为使HB值相同，也就保持为一定值。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

35、可参考表3-1。表1 布氏硬度试验规范材料硬度范围（HB）试样厚度(mm)P/D2钢球直径D(mm)载荷P(kgf)载荷保持时间(s)黑色金属140-4501406-34- 2<2>66-3<330101052.51052.53000750187.5100025062.51010铜合金及镁合金36-130>66-3<3101052.5100025062.530铝合金及轴承合金8-35>66-3<32.51052.525062.515.660（二）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2所示。其主要部件及作用如下：（1

36、）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。1指示灯；2压头；3工作台；4立柱；5丝杠；6手轮；7载荷砝码；8压紧螺钉；9时间定位器；10加载按钮图2 HB-3000布氏硬度试验机外形结构图2、操作前的准备工作：（1）根据表3-1选择压头，且将压头擦拭干净，装入主轴衬

37、套中。（2）根据表3-1选定载荷，加上相应的砝码。（3）安装工作台。当试样高度120mm时，应将立柱安装在升降螺杆上，然后安装好工作台进行试验。（4）根据表3-1确定持续时间T，然后将压紧螺钉拧松，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，顺时针方向旋转手轮，工作台上升，使压头压向试样表面直到手轮与下面螺母产生相对滑动为止。（2）按动加载按钮，启动电动机，即开始加载荷。此时因压紧螺钉已拧松，圆盘并不转动，当红色指示灯闪亮时，迅速拧紧压紧螺钉，使圆盘转动。达到所要求的持续时间后，转动自动停止。（

38、3）逆时针方向旋转手轮，使工作台降下。取下试样用读数显微镜测量压痕直径d值，并查表确定硬度HB数值。4、注意事项（1）安装砝码时，一定将吊杆的本身重量187.5公斤加进去。（2）试样厚度应不小于压痕直径的10倍。试验后，试样背面及边缘呈显变形痕迹时，则试验无效。（3）压痕直径d应在以下范围内，否则无效。0.24Dd0.6D（4）压痕中心至试样边缘应大于D，两压痕中心大于2D。（5）试样表面必须平整光洁无氧化皮，以使压痕边缘清晰，保证精确测量压痕直径d。（6）用显微镜测量压痕直径d时，应从相互垂直的两个方向上读取，取其平均值。HB-3000B、HB-3000C是在HB-3000基础上改进的，具有

39、比HB-3000硬度计操作更方便、测量更精确等特点。四、洛氏硬度(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于压入硬度法，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3所示。 图3 洛氏硬度试验原理图洛氏硬度试验所用压头有两种：一种是顶角为120°的金刚石圆锥，另一种是直径为1/16"（1.588mm）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2。 表2 常见洛氏硬度的试验规范及使用范围标尺所用符号/压头总负荷kgf表盘上刻度颜色测

40、量范围相当维氏硬度值应用范围HRA 金刚石圆锥60黑色70-85390-900碳化物、硬质合金、淬火工具钢、浅层表面硬化层HRB1/16"钢球100红色25-10060-240软钢（退火态、低碳钢正火态）、铝合金HRC金刚石圆锥150黑色20-67249-900淬火钢、调质钢、深层表面硬化层表注： (1)金刚石圆锥的顶角为120°+30'，顶角圆弧半径为0.21±0.01mm(2)初负荷均为10公斤洛氏硬度测定时，需要先后两次施加载荷（初载荷及主载荷），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3中0-0位置为未加载荷时的压头位置，1

41、-1位置为加上10 Kgf预加载荷后的位置，此时压入深度为h1，2-2位置为加上主载荷后的位置，此时压入深度为h2，h2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h3。洛氏硬度就是以主载荷所引起的残余压入深度（h=h3-h1）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（h3-h1）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

42、一小格）。洛氏硬度值的计算公式如下： 式中：h1预加载荷压入试样的深度（mm）；h3卸除主载荷后压入试样的深度（mm）；K常数，采用金刚石圆锥时K0.2（用于HRA、HRC）；采用钢球时K0.26（用于HRB）。 因此上式可改为： HRC（或HRA）HRB （二）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4所示，其主要部分及作用如下。图4 H-100型洛氏硬度试验机结构图1支点；2指示器；3压头；4试样；5试样台；6螺杆；7手轮；8弹簧；9按钮；10杠杆；11纵杆；12重锤；13齿轮；14油压缓冲器；15插销；16转盘；17小齿轮；18扇齿轮（1） 机体及工作台：

43、（2） 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5所示）。图5 洛氏硬度指示盘2、操作规程：（1）根据试样预期硬度按表3-2确定压头和载荷，并装入试样机。（2）将试样置于工作台上，顺时针旋转手轮，使试样与压头缓慢接触，直到表盘小指针指在“3”或“小红点”处，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

44、，HRB零点为30），稍差一些可转动读数盘调整对准。（3）向前拉动右侧下方水平方向的手柄，以施加主载荷。（4）当指示器指针停稳后，将右后方弧形手柄向后推，卸除主载荷。（5）读数。采用金刚石压头（HRA、HRC）时读外圈黑字，采用钢球压头（HRB）时读内圈红字。（6）逆时针旋转手轮，使工作台下降，取下试样，测试完毕。3、注意事项：（1）试样表面需平整光洁，不得带有油、氧化皮、裂缝、凹坑等。可用细砂轮或砂纸将工件表面磨平，磨制过程中工件表面温度不得超过150。（2）根据工件的大小与形状选择适当的工作台，以保证试件能平稳的安放在工作台上，并使被测表面与压头保持垂直。（3）根据被测金属材料的硬度高低，

45、按表2选择压头、载荷。（4）试样厚度应不小于压痕深度的10倍。两相邻压痕中心距离及压痕中心至试样边缘的距离不应小于3mm。（5）加载时力的作用线必须垂直于试样表面。4、洛氏硬度计的校验与调试：（1）先检查硬度计安装是否平稳，把水平仪放在大工作台上检查水平（0.3/1000毫米以内）。（2）检查与调试加载速度，在100公斤载荷空程（即未接触工件）时，行程时间规定为4-6秒。如果发现太快或太慢，可将缓冲器油的螺母旋出或旋入一些。（3）调试：按标准块检查硬度示值超差时，可以调整测量杠杆的放大倍数。将调整螺母松开，向后移动调整板，增加放大倍数，会使硬度值变低；反之，向前移动调整板，减少放大倍数，硬度值

46、变高，再把螺钉拧紧，再用标准块检查，直到合格为止。必须指出，有些硬度计由于预载荷、主载荷不准确或刀口磨损，甚至结构不合理，此时单靠调试测量杠杆可能达不到目的，应送生产厂修理或调试。全洛氏硬度计操作说明：全洛氏硬度计用途比较广泛，它可以测量金属、硬纸板、塑料等；根据工件的材质，事先设置压头及载荷大小，TH-300洛氏硬度计采用洛氏测量原理，具有测量精度高，测量范围宽，主试验力自动加卸载，测量结果数字显示并自动打印。有以下特点：（1）结构独特 本硬度计采用特殊的压头结构，可以测试普通硬度计无法测到的表面，如环状、管状零件内表面。（2）测量范围宽 可测HRA、HRB、HRC、HRE、HRF、HRG、

47、HRH、HRK、HRL、HRM、HRP、HRS、HRV共15种标尺的硬度。（3）辅助功能强 除一般硬度值测试外，具有以下辅助功能：上下线设置、超差判断报警、数据统计、求平均值、最大最小值；标尺转换，可将测试结果转换为HB、HV、HLD以及强度b；曲面修正等。五、 实验用设备、材料 1、设备如下：HR-150A型洛氏硬度计TH-300全洛数显硬度计HB-3000、 HB-3000B、HB-3000C型布氏硬度计 2、标准硬度块若干20#、45#、60#、T8、T10正火态试样若干；20#、45#、T10 淬火态试样若干；经抛光的45号钢正火态试样若干。树脂块若干。六、实验内容 1、布氏硬度测量

48、取正火钢20、45、T10及铸铁试样各一个，打出压痕，并从相互垂直的两个方向上测量压痕直径，取其平均值，查表求得HBS值，将数据填入表1中。表1 布氏硬度实验结果（正火态）材料2045T10铸铁压痕直径/mm123平均123平均123平均123平均/HBS 2、洛氏硬度测量 取淬火态20、45、T8试样各一个，用洛氏硬度计测量硬度值，将数据填入表2中。表2 洛氏硬度实验结果（淬火态）材料2045T8HRC123平均123平均123平均换算成HBS/七、实验报告要求 1、实验目的 2、简述布氏和洛氏硬度试验原理。3、简述布氏、洛氏硬度试验机的结构、操作步骤及注意事项。实验四 金属热处理实验一、实

49、验目的 1、了解钢的基本热处理（退火、正火、淬火及回火）工艺方法。 2、掌握热处理的基本过程，熟悉热处理的操作方法。3、了解热处理对钢性能（硬度）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，其中包括使用性能和工艺性能。钢的热处理工艺特点是将钢加热到一定的温度，保温一段时间后，以某种速度冷却下来，通过这样的工艺过程来改变钢的内部组织，从而改善钢的性能。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。其基本工艺包括退火、正火、淬火和回火等。1、钢的退火 钢的退火通常是将钢加热到临界温度

50、AC1以上 或以下，保温后缓慢地随炉冷却以获得接近于平衡状态组织的一种热处理工艺。其主要目的是均匀钢的化学成分及组织，消除内应力和加工硬化，调整硬度，改善钢的成形及切削加工性能，并为淬火做好组织准备。退火工艺种类很多，按加热温度可分为完全退火、不完全退火、球化退火、扩散退火、去应力退火和再结晶退火。2、 钢的正火 钢的正火是将钢加热到AC3 线（适用于亚共析钢）或ACcm（适用于过共析钢）线以上3050oC ，保温后在空气中（或风冷、喷雾）冷却的一种热处理工艺。其主要目的是消除内应力，调整硬度改善钢的切削加工性，细化组织，为后续工序做好组织准备。 3、钢的淬火 钢的淬火是将钢加热到 AC3线（

51、适用于亚共析钢）或 AC1线（适用于过共析钢）以上 30 50 oC，保温后放入不同的冷却介质中快速冷却，从而获得马氏体（或下贝氏体）组织的一种热处理工艺。其目的是奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体并配以不同温度回火获得各种需要的性能。例如淬火低温回火可以使零件具有较高的硬度和耐磨性，如工具、量具、轴承等；淬火高温回火可以使零件具有良好的综合机械性能；如齿轮、轴、连杆等结构件；淬火中温回火可以使零件具有较高的弹性极限，如弹簧等。4、 钢的回火 钢的回火是将经过淬火后的钢再加热到 AC1 线以下某一温度，保温一段时间，然后冷却到室温的热处理工艺。其主要目的是减少或消除淬火应力，稳定组织，提高钢的

52、韧性和塑性，获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合，以满足各种用途工件的性能要求。回火温度和保温时间是回火工艺的两个重要参数，根据回火温度的不同，回火又分为低温回火（150250oC）、中温回火（350500oC）和高温回火（500650oC）。三、实验设备及消耗材料（1）加热用箱式电阻炉以及控温仪表。（2）热处理实验用20钢、45钢、T10钢试样。（2）冷却剂：冷水、机油。（3）手钳、手套。（4）砂纸、洛氏硬度试验机。四、实验步骤及注意事项（1）实验前认真阅读实验指导书。（2）经老师讲解并示范后方可进行热处理操作。（3）当炉温达到设计温度后（从炉温仪表上读出），将试样装入炉内，保温时要注意控温仪表是否正常，发现问题及时报告老师。（4）保温一定时间，然后取出试样，分别按要求进行冷却。注意必须戴手套，使用夹钳，以免烫伤。取放