《工程材料与成型技术》实验指导书

河北水利电力学院《工程材料与成型技术》实验指导书2机械设计制造教研室机械工程系实验一布氏硬度计测量金属试样硬度一、实验目的1.了解布氏硬度计的构造及使用方法。2.掌握布氏硬度值的测定方法。3.初步建立碳钢的含碳量与其硬度间的关系。二、实验概述布氏硬度试验方法是将一直径为D的淬硬钢球,在规定载荷P的作用下压入被试金属表面,停留一定时间后卸除载荷，此时被试金属表面上形成一个直径为d的压痕。计算出压痕单位面积所承受的平均载荷,此即为被试金属的布氏硬度值HB。但实际试验时都是用读数显微镜测出压痕直径d,再根据d值查阅对照表得出所测的硬度值。由于不同金属材料的硬度值相差很大,若仅采用一个标准的载荷和钢球直径,就有可能使整个钢球陷入被试金属,或将薄试件压穿。故在进行布氏硬度试验时,钢球直径D、施加的载荷P和载荷保持时间都应根据被测金属的种类、硬度范围和试样厚度,按表1-1所示的布氏硬度试验规范进行选择。布氏硬度试验测出的硬度值比较准确，但它不宜测定成品或薄片金属的硬度。同时,也不能测定硬度高于HB450的金属材料,否则压头（淬硬钢球）会产生塑性变形,而降低测量的精度。表1-1布氏硬度试验规范三、实验设备及试样DHB-3000型布氏硬度计1台布氏标准硬度块2块JC-10读数镜1架机械零件若干布氏硬度实验主要设备有布氏硬度计和读数显微镜。图1-1为机械式布氏硬度计。实验时将试样4放在工作台3上，按顺时针方向转动手轮2，使工作台上升至试样与压头5接触，并在手轮打滑后，再开动电动机1，压头以一定大小的载荷压入试样。停留一定时间后，待电动机关闭后，反时针方向转动手轮，使工作台下降并取下试样。最后用读数显微镜测量压痕直径d，如图1-2所示。根据d的大小查表即可求得布氏硬度值。图1-1布氏硬度计图1-2压痕示意图四、实验步骤及注意事项1.清理试样表面。被测表面应是无氧化皮等污物的光洁平面,以便于准确测量压痕直径。2.根据试样材料及厚度,按布氏硬度试验规范选择钢球压头的直往、载荷大小及载荷保持时间。3.把试样放在硬度计工作台上,按布氏硬度计的操作顺序进行试验,使试样表面留下一个压痕。4.移动试样后重做一次试验,使试样表面又留下一个压痕。为了使试验结果精确,事相邻两压痕的中心距离应不小于压痕直径的4倍,压痕中心距试样边缘的距离不小于压痕直径的2.5倍,压痕直径d的大小应在0.25D~0.6D范围内。5.自工作台上取下试样,用读数显微镜在相互垂直方向上测量压痕直径,然后计算其平均值并作好记录。6.根据压痕直径d,查对照表求得各试样的布氏硬度值。五、实验结果1.布氏硬度实验结果项目试验参数实验结果钢球直径D（mm）载荷P(N)P/D2载荷停留时间（s）压痕直径d（mm）硬度值HB试验材料2.根据实验，分析布氏硬度计测量试样硬度时，可能产生误差的原因。实验二洛氏硬度计测量金属试样硬度一、实验目的1.了解洛氏硬度计的构造及使用方法。2.掌握洛氏硬度值的测定方法。3.初步建立碳钢的含碳量与其硬度间的关系。二、实验概述洛氏硬度试验方法是以一个锥顶角为120º的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的钢球为压头,在先后两次载荷（初载荷与主载荷）作用下压入被试金属表面,然后卸除主载荷,在保留初载荷情况下,测出由主载荷引起的塑性变形的压入深度h,再由h值确定洛氏硬度值HR。h值愈大时,被试金属的洛氏硬度值HR愈低,反之,则愈高。在实际试验时,都是由硬度计的指示器表盘上直接读出所测的硬度值。洛氏硬度实验时,可用不同压头和不同的主载荷,组成不同的洛氏硬度标尺。最常用的是HRA、HRB、HRC三种,其中HRC适用于测量硬度值高于HB230的较硬金属,HRB适用于测量硬度值低于HB230的较软金属,HRA适用于测量硬脆的金属材料或浅层表面硬化的金属。洛氏硬度试验操作迅速简便,且压痕较小,可以测定成品或较薄金属的硬度,故目前生产上应用广泛。三、实验设备及试样HRS-150A型洛氏硬度计1台洛氏标准块5块机械零件若干图1-3为洛氏硬度计。实验时将试样6放在工作台5上，按顺时针方向转动手轮3，使工作台上升至试样与压头7接触，继续转动手轮，待小针对准红点，大针置于垂直向上位置试样已施加了100N的预载荷，随后转动指示盘使大针对准“0”，再按下按钮1加主载荷停留数秒钟后，指示盘指针所指的读数即为所求的洛氏硬度值（HRC和HRA读C标尺，HRB读B标尺）。图1-3洛氏硬度计四、实验步骤及注意事项1.清理试样表面。被测表面应无油脂、氧化皮、裂纹、凹坑、显著的加工痕迹以及其它外来污物。2.根据试样材料,选择压头及载荷。根据试样形状,选择合适的工作台。3.把试样放在硬度计工作台上,按洛氏硬度计的操作顺序进行实验,由指示盘上读得硬度值并作好记录。4.移动试样,并在另一位置继续进行实验,前后共测三点。计算三次实验数据得出硬度值的平均值,并作好记录。注：为了使实验结果精确,相邻两压痕的中心以及任一压痕中心距试样边缘的距离都不得小于3mm。五、实验结果1.根据洛氏硬度实验结果记录数据,并填写下表。项目试验规范压头总载荷P（N）硬度标尺试验材料实验结果材料第一次第二次第三次平均硬度值2.根据所学知识及实验结果，总结布氏硬度计和洛氏硬度计的使用范围和优缺点。实验三金相显微镜观察碳钢显微组织结构一、实验目的1.认识铁碳合金的特征，初步识别各种铁碳合金在平衡状态下的显微组织。2.了解碳钢中碳的存在形式和不同的热处理方法对合金组织结构的影响。二、实验概述在室温下铁碳合金系统存在Fe-Fe3C和Fe-G双重相图。不同碳的质量分数和不同的热处理方法，使C的存在形式和分布状态不同。在铁碳状态图上，根据碳的质量分数的不同，铁碳合金分为工业纯铁，碳钢及白口铸铁。1.工业纯铁碳的质量分数小于0.0218%的铁碳合金称为工业纯铁。室温下的组织为单相的铁素体晶粒。用4%的硝酸酒精浸蚀后，铁素体呈白色。当碳的质量分数偏高时，在少数铁素体晶界上析出微量的三次渗碳体小薄片，见图3-2。2.碳钢碳的质量分数在0.0218～2.11%范围内的铁碳合金称为碳钢，根据钢中含碳量的不同，其组织也不同，钢又分为亚共析钢，共析钢，过共析钢三种。1）亚共析钢碳的质量分数在0.0218～0.77%范围内，室温下的组织为铁素体和珠光体，随着碳的质量分数的增加，先共析铁素体逐渐减少，珠光体数量增加。见图3-3。白色有晶界的为铁素体，黑色层片状的组织为珠光体。2)过共析钢碳的质量分数在0.77～2.11%范围的碳钢为过共析钢。室温下的组织为层片状珠光体和二次渗碳体。用4%硝酸酒精浸蚀，二次渗碳体呈白色网状分布在珠光体周围。。3、白口铸铁含碳量在2.11～6.69%范围内的铁碳合金为白口铸铁。根据含碳量的不同又分为亚共晶白口铸铁，共晶白口铸铁，过共晶白口铸铁三类。1）亚共晶白口铸铁碳的质量数为2.11～4.3%，室温组织为珠光体二次渗碳体和低温莱氏体。黑色树枝状为初生奥氏体转变的珠光体，其周围白色网状物为二次渗碳体。其余为莱氏体，莱氏体中的黑色粒状或短杆状物为共晶珠光体。2)共晶白口铸铁碳的质量分数为4.3%。室温组织为单一的莱氏体。图中黑色的粒状短杆状为珠光体，白色基体为渗碳体。3)过共晶白口铸铁碳的质量分数为4.3～6.6%之间。室温组织为一次渗碳体和莱氏体。一次渗碳体呈白色长条状，贯穿在莱氏体基体上，其余为共晶莱氏体。铁碳合金室温下基本相和组织组成物的基本特征：1.铁素体（F）是碳溶入α-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为体心立方晶格，具有良好的塑韧性，但强度硬度低，经4%硝酸酒精浸蚀呈白色多边形晶粒，在不同成分的碳钢中其形态为块状和断续网状。2.渗碳体（Fe3C）是铁与碳形成的化合物，含碳量为6.69%。晶格为复杂的八面体结构，硬度高，脆性大，用4%的硝酸酒精浸蚀后呈白色，用碱性苦味酸钠热蚀后呈黑色，用此法可以区分铁碳合金中的渗碳体和铁素体。由铁碳相图知，随着碳的质量分数的不同，渗碳体有不同的形态，一次渗碳体是由液态直接析出的渗碳体，呈白色长条状；二次渗碳体是从奥氏体中析出的渗碳体，呈网状分布，三次渗碳体是从铁素体中析出的渗碳体，沿晶界呈小片状，共晶渗碳体在莱氏体中为连续基体，共析渗碳体是同铁素体交替形成呈交替片状。3.珠光体（P）是铁素体与渗碳体的机械混合物，在平衡状态下，铁素体和渗碳体是片层相间的层状组织。在高倍下观察时铁素体和渗碳体都呈白色，渗碳体周围有圈黑线包围着，在低倍下当物镜的鉴别能力小于渗碳体厚度的时候，渗碳体就成为一条黑线。三、实验设备及试样金相显微镜1台金相试样1套四、实验方法与步骤1.认真观察各种材料的显微组织，识别各显微组织的特征。2.在显微镜下选择各种材料的显微组织的典型区域，并根据组织特征，绘出其显微组织示意图。五、实验结果根据观察的金相显微结构填写下表。序号材料类别状态显微组织示意图12345实验四碳钢的热处理一、试验目的1.了解碳钢的含碳量与其硬度间的关系。2.掌握碳钢淬火工艺的设计方法。3.钢的回火温度对钢性能的影响。二、实验概述热处理是一种很重要的金属热加工的工艺方法，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。其基本工艺方法可分为退火、淬火及回火等，本次试验要求淬火与回火。1.钢的淬火淬火就是将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上30~50ºC，保温后放入各种不同的冷却介质中快速冷却(V冷＞V临)，以获得具有高硬度、高耐磨性的马氏体组织。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。（1）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Fe-Fe3c相图确定。（2）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，一般按经验公式加以估算。（经验公式：加热温度为800ºC的圆柱形工件，保温时间为1.0分钟/每毫米）。（3）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，以减少内应力，防止变形和开裂。为保证淬火效果，应选用适当的冷却介质（如水、油等）。此实验的淬火冷却介质选用水。考虑到实验中加热炉的极限温度，将加热温度定在850ºC，保温30分钟后进行水冷。2.钢的回火钢经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的组织和性能。低温回火：回火温度150~250ºC；回火后的组织为回火马氏体+残余奥氏体+碳化物；性能特点是硬度高，内应力减少。中温回火：回火温度350~500ºC；回火后的组织为回火屈氏体；性能特点是硬度适中，有高的弹性。高温回火：回火温度500~650ºC；回火后的组织为回火索氏体；性能特点是具有良好塑性、韧性和一定强度相配合的综合性能。对碳钢来说，回火工艺的选择主要考虑回火温度和保温时间这两个因素。本次实验所用试样较小，故回火保温时间可为30分钟，回火温度选择200ºC、400ºC、600ºC温回火温度，出炉后在空气中冷却。三、实验设备及试样1.HRS-150A型洛氏硬度计6台2.热处理炉3.碳钢样块（Φ30mm×40mm）4．冷却介质：水（20ºC左右）。四、实验步骤及注意事项1.对碳钢进行淬火（1）在进行淬火前先测量实验试样的硬度3次，并将测量的数据计入表格中。（2）将试样放入加热炉中，打开加热炉。使其温度上升到850ºC开始计时。保温30分钟。（3）30分钟后，取出试样对其进行水冷。（4）待试样完全冷却，用磨砂纸将其表面磨平整光滑。（5）再次测量试样的硬度一共3次