工程材料及材料成型基础实验报告

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实验一金属材料硬度的测定实验一、实验目的1、了解布氏硬度和洛氏硬度的测定方法。2、掌握布氏、洛氏换度试验计的基本构造和操作方法。二、实验内容及步骤1、布氏硬度的测定布氏硬度的测定在HB-3000型布氏硬度机上进行。（1）实验原理布氏驶度数值通过布氏驶度试验测定。布氏硬度试验是指用一定直径的球体（钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入被测材料或零件表面，经规定保持时间后卸除试验力，通过测量表面压痕直径來计算硬度的一种压痕硬度试验方法。布氏硬度值是试验力除以压痕球形表面积所得的商。使用淬火钢球压头时用符号HBS,使用硬质合金球压头吋用符号HBW,计算公式如下：HBS（HBW）=0.102式中：F—试验力（N）；D—球体直径（mm）；d—压痕平均直径（mm）o由上式可以看出，当F、D—定吋，布氏硬度值仅与压痕直径d的大小有关。所以在测定布氏硬度时，只要先测得压痕直径d,即可根据d值查有关表格得出HB值，并不需要进行上述计算。国家标准GB231-1984规定，在进行布氏硬度试验时，首先应选择压头材料，布氏硬度值在450以下（如灰铸铁、有色金属及经退火、正火和调质处理的钢材等）时，应选用钢球作压头：当材料的布氏硬度值在450、650时，则应选用硕质合金球作压头。其次是根据被测材料种类和试样厚度，按照表1一1所示的布氏锁度试验规范正确地选择压头直径D、试验力F和保持时间t。布氏硬度习惯上只写出硬度值而不必注明单位，其标注方法是，符号HBS或HBW•之前为硬度值，符号后面按以下顺序用数值表示试验条件：球体直径、试验力，试验力保持时间（10~15s不标注）例如:120HBS10/1000/30,表示直径lOnun钢球在9.80KN（lOOOkgf）的试验力作用下,保持30s测得的布氏硬度值为120o500HBW5/750,表示用肓径5nmi的硬质合金球在7.35KN（750kgf）试验力作用下，保持10'15s测得的布氏硬度值为500o布氏硬度值的测最谋差小，数据稳定，重复性强，常用于测最退火、正火、调质处理后的零件以及灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等毛坯或半成晶（2）操作前的准备工作a.选定压头擦拭干净，装入主轴衬套中； a.选定载荷，加上相应的祛码；b.确定持续吋间，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 （3）操作顺序a.接通电源，打开指示灯；b.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打滑为止；c.按动加载按钮，即加载开始，当达到所要求的持续时间后，圆盘转动即口行停止，尔后自动卸载；d.逆时针转动手轮降下工作台，取下式样用读数显微镜测出压痕直径d值，查表即得出HB值。2、洛氏硬度的测定洛氏硬度的测定在HR-150A型洛氏硬度机上进行。（1）实验原理洛氏硬度试验是在初始试验力F0及总试验力E1的先后作用下，将压头（金刚石圆锥或钢球）压入被测材料或零件表面，经规定保持吋间后，卸除主试验力，用测量的残余压痕深度增量计算硬度值的一种压痕硬度试验方法。实际测定时，试件的洛氏硬度值由硬度计的表盘上直接读出，材料越硬，则表盘上示值越大。为了便于用洛氏硬度计测定从软到硬较大范围的材料硬度，根据被测试对象的不同，国家标准GB/T230-1991规定可采用不同类型压头、试验力及硬度公式，组合成为不同的洛氏硬度标尺。现将常用的三种洛氏硬度标尺的硬度符号、试验规范列于表1,以供参考。表1常用洛氏硕度试验规范（摘口GB/T230-1991）洛氏硬度标尺硬度符号测量范围初试验力F0/N主试验力F1/N总试验力F/N压头类型应用举例AHRA20、8898.07490.358&4金刚石圆锥硬质合金表面淬火层渗碳层等BHRB20~10098.07882.6980.71.5875mm钢球有色金属退火钢正火钢CHRC20〜7098.0713731471金刚石圆锥调质钢淬火钢等以上三种常用洛氏硬度中，以HRC应用最多，一般经过淬火处理的零件和工具都用他测试硕度。洛氏硬度测定简单，方便快捷，可直接从表盘上读出硬度数值，压痕小，多用来测较硬材料的硬度或成品零件破度；测试范围大，能测较薄零件的锁度。但由于压痕小，测定结果波动较大，稳定性较差，故需测试三点，取其算术平均值，一般不适宜测试组织不均匀的材料。（2）操作顺序a.选择圧头和载荷，并将圧头装入实验机；b.试样放在式样台上，顺时针转动手轮，使试样与压头缓慢接触，直到表盘小指针指至“0”为止，此时已预加载荷10kg,然后将表盘大指针调至零点；c.按动按钮，加主载荷。当表盘中大指针反向旋转若干格并停止时，保持3-4秒再顺时针旋转摇柄，直到H锁为止，即卸除主载荷。此时大指针退回若T•格。指针所指的位置为洛氏硬度值，HRA、HRC读外圈黑刻度，HRB读内圈红刻度。d.逆时针旋转手轮，取出试样，测试完毕。 三、实验设备器材1、布氏锁度机洛氏破度机2、读数放大镜3、试样：45钢正火态①30X10T10钢淬火态030X10四、实验注意事项1、要求试样表面平整，两端平行，用砂纸去氧化皮和汕污。2、洛氏硬度机金刚石压头属贵重物件，质硕而脆，严禁碰击。3、加载时细心操作，以免损坏机件。 实验二金相试样的制备实验一、试样制备：1、试样截取的方向，垂直于径向，长度不超过8mm。2、试样可用手锯或切割机床等切取，不论用何种方法取样均应注意试样的温度条件,必耍吋用水冷却，以避免正式试样因过热而改变其组织。二、试样的研磨1、准备好的试样，先在粗砂轮上磨平，候磨痕均匀一致后，即移至细砂轮上续磨，磨时须用水冷却试样，使金属的纟ft织不因受热而发生变化。2、经砂轮懒好、洗净、吹干后的试样，随即依次在由粗到细的各号砂纸上磨制，可采用在预磨机上进行磨制，从粗砂纸到细砂纸、再换一次砂纸，试样须转90°角为旧磨良成垂直方向。3、经预磨后的试样，先在抛光机上进行粗抛光（抛光织物为细绒布、抛光液为W2.5金刚石抛光膏），然后进行粕抛光（抛光织物为锦丝绒，抛光液为W1.5金刚石抛光膏）抛光到试样上的磨痕完全除去而表面像镜面时为止，即粗糙度为RaO.04以下。三、试样的浸蚀1、粹抛后的试样，便可浸入盛于玻璃皿之浸蚀剂中进行浸蚀。浸蚀时，试样可不时地轻微移动，但抛光而不得与皿底接触。2、浸蚀剂一般采用4%硝酸酒精溶液。3＞浸蚀时间视金属的性质、检验冃的及显微检验的放大倍数而定，以能在显微镜下清晰显出金属组织为宜。4、试样浸蚀完毕后，须迅速用水洗净，表血两用，酒梢洗净，然后用吹风机吹T。四、金相显微组织检验1、金相显微镜操作按仪器说明书规定进行。2、金相检验包括浸蚀前的检验和浸蚀后的检验，浸蚀前主要检验钢件的夹杂物和铸件的石墨形态、浸蚀后的检验为试样的显微组织。按有关金相标准进行检验。5、使用金相显微镜注意事项：1、取用镜头时，应避免手指接触透镜的表面，镜头平时应放在干燥器屮妥善有效。2、物镜与试样表而接近吋，调节吋勿使物镜头与试样接触。3、显微镜不使用时需用防尘罩盖起。 实验三碳钢的热处理实验一、实验目的1、了解碳钢的基木热处理（正火、淬火及回火）工艺方法；2、掌握冷却条件与钢性能的关系；3、分析止火、淬火及回火温度对钢性能的影响。二、实验原理1、钢的退火和正火钢的退火通常是把钢加热到临界温度A®或Acs以上，保温一段时间，然后缓慢地随炉冷却。此时奥氏体在低于Ar,温度以下的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（HB180〜22）有利于下一步进行切削加工。正火是将钢加热到Acs或A%以上30〜50°C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；对低碳钢來说，正火后捉髙硬度可改善切削加工性;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做准备。2、钢的淬火淬火是将钢加热到临界温度以上30〜50°C,保温后淬人各种不同的冷却介质中快速冷却以获得淬火马氏体或下贝氏体组织。碳钢经淬火后得到淬火马氏体、下贝氏体和少量的残余奥氏体纟R织。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。3、钢的回火回火是将淬火后的钢加热到临界点（AcJ以下的某一温度，保温一定时间后以适当的冷却速度冷却到室温的热处理工艺。钢经淬火示得到的淬火马氏体纟fl织是亚稳相，有转变为其它组织的趋势，同时淬火使工件内部产住很大的内应力，导致工件变形其至开裂。特别是一些精密的零件在使用过程屮将会引起尺寸变化而失去精度，因此淬火钢必须进行回火处理。不同的冋火工艺可以便钢获得所需的各种不同性能。对碳钢來说，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。在实际牛产屮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屮杏阅。三、实验材料及设备1、实验材料：20钢，45钢,T12钢；2、实验设备：箱式电炉、控温仪表、洛氏硬度机3、淬火介质：水，汕（使用温度约20°C）o四、实验内容本次实验为综合性实验，包括三部分内容，即正火实验、淬火实验及回火实验。1、同一加热温度不同材料（含碳最）的正火实验；2、同一材料（含碳量），同一冷却条件（水冷）不同加热温度的淬火实验；3、同一材料（含碳量），同一加热温度不同冷却介质冷却的淬火实验；4、同一加热温度，同一冷却介质冷却（水冷或汕冷），不同材料（含碳蜃）的淬火实验；4、同一材料（45钢）相同淬火条件不同温度的回火实验。五、实验步骤1、淬火和正火实验步骤： 根据淬火条件不同，淬火和正火实验分五个小组进行，见表1。 (1)将试样分类，编号，以免热处理过程中混淆；(2)加热前先将全部试样测定硬度。为便于比较，一律用洛氏硬度测定；(3)将电炉升温至表1规定的温度，根据试样钢号，按照表1规定的淬火和正火加热温度加热，保温时间按表2确定；(4)各组将淬火及正火后的试样表面用砂纸(或砂轮)去掉氧化皮并磨平，测出硬度值(HRC)分别填入表1中。表1淬火与正火实验组别加热温度(°C)冷却方式20钢45钢T12钢处理前硬度(HRC)处理后硬度(HRC)处理前硬度(HRC)处理后硕度(HRC)处理前硬度(HRC)处理后硕度(HRC)11000水冷2750水冷3860空冷4860汕冷5860水冷注1〜4组每种钢号各一块；5组除20、T12钢各一块外，45钢取6块，其中5块供冋火用。表2碳钢在箱式电阻炉屮加热时间的确定加热温度CC)工件形状圆柱形方形板形分钟/毫米直径分钟/亳米厚度分钟/毫米厚度7001.52.228001.01.529000.81.21.610000.40.60.82、回火实验步骤：⑴将已经止常淬火并测过硬度的45钢试样分五个小组(见表3),做好记录；(2)各小组试样分别放人表3规定温度的炉内加热，保温3()分钟，然后取出空冷；(3)用砂纸磨光试样表而，分别在洛氏硬度机上测定硬度值，将测定的硬度值分别填人表3中。表3冋火实验组别12345回火温度(°C)200300400500600回火前硬度(HRC)回火后硬度(HRC)六、注意事项1、本实验加热所用加热炉为电炉，由于炉内电阻丝距离炉腔较近，容易漏电，所以电炉一定要接地，在放、取试样时必须先切断电源；2、往炉中放、取试样必须使用夹钳，夹钳必须擦干，不得沾有油和水。开关炉门要迅速，炉门打开时间不宜过长；3、试样由炉屮取出淬火时，动作要迅速，以免温度下降，影响淬火质最；4、试样在淬火液屮应不断搅动，否则试样表面会由于冷却不均而出现软点； 5、淬火吋水温应保持20-30°C左右，水温过高要及时换水；6、淬火或回火后的试样均要川砂纸打辭表面，去掉氧化皮后再测定锁度值。七、实验报告要求1、明确本次实验目的；2、简述木次实验的实验原理；3、实验材料与实验内容；4、实验步骤；5、分析化学成分(C%)、加热温度与冷却速度对钢性能的影响并加以讨论；6、绘制出45钢冋火温度与便度的关系曲线图并加以讨论；7、分析实验中存在的问题；8、实验结论。 实验四铁碳合金平衡组织观察一、实验目的1、观察和识别铁碳合金在平衡状态下的显微组织。2、了解铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系。3、掌握常用显微镜的使用方法。二、实验设备及材料1、金相显微镜2、金相图谱3、各种铁碳合金的观察试样，见表1-1。表1-1各种铁碳合金观察试样试样材料浸蚀剂室温下的显微组织工业纯铁4%硝酸酒精溶液铁素体20钢4%硝酸酒精溶液铁素体+珠光体45钢4%硝酸酒精溶液铁素体+珠光体60钢4%硝酸酒精溶液铁素体+珠光体T8钢4%硝酸酒精溶液珠光体T12钢4%硝酸酒精溶液珠光体卜二次渗碳体（亮白色）T12钢碱性苦味酸钠水溶液（苛性钠苦味酸水溶液）珠光体+二次渗碳体（陪黑色）亚共晶口口铁4%硝酸酒精溶液珠光体+二次渗碳体+低温莱氏体共晶白口铸铁4%硝酸酒精溶液低温莱氏体过共晶口口铸恢4%硝酸酒梢溶液一次渗碳体+低温莱氏体三、实验观察组织概述铁碳合金在极缓慢冷却条件（如退火状态）下得到的组织称为平衡组织。从Fe-Fe3C相图对知，铁碳合金在室温时的平衡组织由铁素体相和渗碳体相组成，但由于碳的质量分数不同，结晶条件的差别，铁素体和渗碳体的相对量、形态、分布是不一样，因而将组成各种不同的组织形态。1、铁素体（F）是碳溶于a—Fe中的固溶体，冇良好的塑性，破度较低（80HBS）o工业纯铁用4%硝酸酒梢溶液浸蚀后，在显微镜下呈明亮的等轴品粒图一。亚共析钢中铁素体呈块状分布见图二，当Wc接近共析成分时，往往呈断续的网状分布在珠光体的周围（图三）。2、渗碳体（F®C）是铁与碳形成的化合物，Wc=6.69%,质硬而脆，抗蚀性较强，经4%硝酸酒精溶液浸蚀后呈口亮色，用苦味酸钠溶液热浸蚀，则被染成黑褐色，而铁索体仍为口色，由此可区别铁素体和渗碳体。渗碳体可呈不同的形态：一次渗碳体（FesCi）是从液体结晶出的，呈粗大长条状；二次渗碳体（FsCh）是由奥氏体中析出，常呈网状分布于奥氏体的晶界；三次渗碳体（Fe3Cn.）是由铁素体中析出，呈不断连续片状分布于铁素体晶界处,因数量减少，可忽略不计。 图一工业纯恢图二20钢图三45钢图四T12钢3、珠光体（P）是铁索体和渗碳体的共析混合物，在平衡状态下Wc=0.07%o珠光体有片状和球状两种。片状珠光体的组织形态如图五所示。经4%硝酸酒精溶液浸蚀后，由于铁素体的电极电位低，作为阳极被溶解，渗碳体电极电位高，作为阴极则不被溶解而凸出，因而在高倍显微镜卜•能看到珠光体是由层片状的渗碳体和铁素体相互平行交替排列而成，若显微镜放人倍数较低，只能看到白色基体的铁素体相和代表渗碳体和的一条条黑线（图六）。若显微镜的放大倍数更低，则珠光体的层片组织就无法分辨而成黑色一片。图五珠光体组织2000X图六珠光体组织400X4、低温莱氏体（LeT）在室温时是由珠光体和渗碳体的机械混合物，在平衡条件下，其We=4.3%o低温莱氏体的显微组织（如图八），白色基体为渗碳体（包括共晶渗碳体和二次渗碳体），而珠光体呈黑点（块）状或条状。共晶口口恢的We=4.3%,其室温下的显微组织为低温莱氏体。亚共晶白口铁室温下的显微组织如图七所示，组织中黑色块状或树枝状为珠光体，白色底上分布着暗色散粒状的基体是低温莱氏体，二次渗碳体与共晶渗碳体连在一起，在显微镜下难以分辨。过共晶白口铁室温下显微组织如图九所示。组织中口底上分布着陪黑色散粒状的基体是低温莱氏体，粗大 的、亮长口条状为一次渗碳休。图七亚共晶白口铁图八共晶白口铁图九过共晶白口铁四、实验内容及步骤1、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中，并通过对铁碳合金平衡组织的观察和分析，熟悉碳钢和铸铁在金相显微镜下的纽织特征，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冇关部分并阅读实验指导弔，为实验做好理论方面的准备3、在显微镜下对表1-1屮各种试样进行对比观察和分析，在观察显微组织时，可先用低的放大倍数较全面地进行观察，找出典型组织，然后再用高倍数放大，対典型组织部分区域进行详细的观察。并确定其所属类型。4、绘出所观察到的显微纟fl织特征图。画图时应抓组织形态的特征，并在图屮表示出来。五、实验报告要求1、写出实验目的2、画出所观察样品的显微组织示意图，注明合金成分、状态、放大倍数及各组织组成物的名称，说明其特征及形成过程。3、用箭头标明和组成物和纟R织组成物的名称于纟fl织图外。4、根据指导老师的要求，做规定思考题。六、注意事项1、在观察显微组织时，叮先川低放大倍数全面的进行观察,找出典型组织，然后再川高放大倍数放大，对部分区域进行详细的观察。2、在移动金相试样时，不得用于•指触摸试样表而或将试样重叠起来，以免引起显微组织模糊不清，影响观察效果。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。可参照教科书或金相图册上的显微组织图。七、思考题1、在铁碳合金中有哪儿个基本相？英结构和性能特点如何？2、渗碳体有几种？形态上有何差别？3、根据所观察组织，说明含碳虽对铁碳介金的组织和性能影响的人致规律。