工程材料实验指导书.doc

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1、实验一 金属材料的洛氏硬度测试一、实验目的1了解不同种类硬度测定的基本原理及应用范围；2了解布氏、洛氏硬度实验的操作方法及设备特点；3学会使用硬度计。二、实验原理金属材料的硬度可以认为是金属材料表面局部区域在接触应力作用下抵抗塑性变形或破裂的能力。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，是表征材料性能的一个综合参量。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。硬度测量能够定量地给出金属材料软硬程度的相对数量概念。硬度的实验方法有十多种，基本可分为压入

2、法和刻划法两大类。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、洛氏硬度等，它们只是一些不同的实验方法而已，没有什么必然的内在关系。压入法硬度实验有以下几方面的优点，导致它在生产和科研中的广泛应用：1、 硬度实验设备简单，操作迅速方便；2、 实验对象可以是各类工程材料和各种尺寸的零件，无须加工专门的试样，而且实验时一般不会破坏成品零件；3、 作为一种综合的性能参量，硬度与其他机械性能指标之间有着一定的内在联系，从一定程度上，可用硬度实验结果估算相关性能而免做复杂的实验。如：金属的硬度与强度指标之间存在着如下近似关系：b=K*HB式中：b 材料的抗拉强度；K系数，取值见表一；HB

3、布氏硬度。表一 系数K取值表材料及状态退火碳钢合金调质钢有色金属合金K0.340.360.330.350.330.534、 材料的硬度还与工艺性能之间有联系，可以作为评定材料工艺性能的参考；5、 硬度能敏感地反映材料的成分与组织结构的变化，可用来检验原材料和控制冷热加工质量。（一）布氏硬度：布氏硬度实验是对试样施加一定大小的载荷P，将直径为D的钢球压入试样表面（如图1所示）保持一定时间，然后卸除载荷，根据钢球在试样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，用符号HB表示。计算公式如下：HB=P/F凹式中：HB布氏硬度；P施加外力，N；F凹压痕面积，mm2。根据压痕面积

4、和球面之比等于压痕深度h和钢球直径D之比的几何关系，可以求出：F凹 =Dh式中：D压头直径，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，而在数学表达式中可将h的改换成d来表示，这样，在实际测量时，可由压痕直径d直接查表得到HB值。当压头为淬火钢球时，硬度符号为HBS，适用于布氏硬度值低于450的金属材料；当压头为硬质合金球时，硬度符号为HBW，适用于布氏硬度值为450650的金属材料。由于金属材料有软有硬，所测工件有厚有薄，若只采用一种载荷和同一个压头直径，则可能对有些试样合适，而对另一些试样不合适，会发生整个压头陷入试样中或将试样压透的现象。所以，在测定不同材料时应用不

5、同的载荷P和不同的直径D的钢球。但为了得到统一的、可以进行相互比较的数据，必须使D和P之间维持一定的比值关系，以保证所得到的压痕形状的几何相似关系。经数学推导可知，只要满足P/D2=常数，所得到的HB值就是一样的，不同材料、不同载荷P和压头直径D所得到的HB可以进行相互比较。国标GB231-88对此进行了规定，具体实验数据和适用范围参见表一布氏硬度试验规范。表一 布氏硬度试验规范材 料硬度范围试样厚度/mmP/D2压头直径/mm载荷P/N载荷保持时间/s黑色金属14045014063422663330101052.51052.52940073501837.598002450612.510铜合金

6、及镁合金361306633101052.598002450612.530铝合金及轴承合金83566332.51052.52450612.5152.8860试样厚度不应小于压痕深度的10倍。压痕中心距试样边缘的距离不应小于压痕直径的2.5倍，而距相邻压痕中心距离不小于压痕直径的4倍。用读数显微镜测量压痕直径时，应从相互垂直的两个方向测量，精确到小数点后两位的毫米值，并取其算术平均值。压痕直径之差应不大于较小直径的2%。实验后压痕直径大小应在0.25Dd0.6D范围内，否则认为试验结果无效；试验后试样边缘与试样背面呈变形痕迹，则试验无效，这时均应重新选择试验条件重做。（二）洛氏硬度：洛氏硬度试验常

7、用的压头为圆锥角1200、顶部曲率半径0.2MM的金刚石锥体或直径D=1.588mm的淬火钢球。试验时先对试样施加初试验力F0，在金属表面得一压痕深度h0，以此作为测量压痕深度的基线，随后再施加主试验力F1，此时压痕深度的增量为h1。金属在F1作用下产生的总变形h1中包括弹性变形和塑性变形。当卸载后，总变形中的弹性变形恢复，使压头回升一段距离，于是得到金属在F1作用下的残余压痕深度h（将此压痕深度h表示成e，其值以0.002为单位表示）。e值越大表示金属洛氏硬度越低，反之，则表明硬度越高。为了照顾习惯上数值越大硬度越高的概念，用一常数k减去e来表示洛氏硬度值，并以符号HR表示，即：HR=ke当

8、使用金刚石圆锥体压头时，常数k定为100；当使用淬火钢球压头时，常数k定位130。实际测量洛氏硬度时，由于在硬度计的压头上方装有百分表，可直接测量出压痕深度，并可直接按上式换算出相应的硬度值。因此，在实验过程中金属的洛氏硬度值可直接读出。为了测定软硬不同的金属材料的硬度，在洛氏硬度计上可配有不同的压头与试验力，组合成几种不同的洛氏硬度标尺，每一种标尺用一个字母在HR后注明。我国常用的标尺有A、B、C三种，其硬度值的符号分别用HRA、HRB、HRC表示。他们的试验条件、硬度值计算公式及应用实例如表二所示。表二 洛氏硬度标尺试验条件、硬度值计算公式及应用实例标尺压头类型初试验力/kgf(N)主试验

9、力/kgf(N)硬度值计算公式硬度值测量范围应用实例HRA金刚石圆锥体10(98)50(490)HRA=100-e6585高硬度的薄件、表面处理钢件、硬质合金等HRC140(1372)HRC=100-e2067调质钢、淬火钢等HRB1.588mm淬火钢球90(882)HRB=130-e25100有色金属、退火及正火钢等三、实验设备、仪器和试样1 硬度计。布氏、洛氏硬度计；2 读数显微镜。最小分度值为0.01MM；3 标准硬度块。不同硬度方法的标准二等硬度块各一套；4 试样。制备试样时表面应平整、光滑，不应有氧化皮和污物，并应避免由于冷热加工而影响表面硬度。四、实验方法及步骤1了解硬度计的构造、

10、原理、使用方法、操作规程和安全注意事项。见图一、二； 图一 洛氏硬度计 图二 布氏硬度计2对各种试样选择合适的实验方法和仪器，确定实验条件。根据实验和实验条件选择压头和载荷（砝码），必要时根据试样形状更换实验台；3用标准硬度块校验硬度计。校验的硬度值不应超过标准硬度块硬度值的3%（布氏）或11.5%（洛氏）；4试样支撑面、工作台和压头表面应清洁。将试样平稳地放在工作台上，保证在实验加载过程中不发生移动和翘曲。实验力平稳地加在试样上，不得造成冲击和震动，施力方向与试样表面垂直。保证载荷规定的时间，卸载后测量读数（布氏硬度）或直接读数（洛氏硬度），准确记录试验数据。五、实验报告要求1说明本实验所用

11、硬度计的型号、操作规程和注意事项；2说明实验方法及选择实验条件的原则；3列举实验结果，并加以分析；4说明硬度值的表示方法。六、参考资料及附件1参考资料：1）GB321-84金属布氏硬度试验方法2）GB230-83金属洛氏硬度试验方法2附件：压痕直径与布氏硬度值对照表压痕直径与布氏硬度值对照表压痕直径d0/mm在下列载荷P/kgf下的硬度值(HB)压痕直径d0/mm在下列载荷P/kgf下的硬度值(HB)压痕直径d0/mm在下列载荷P/kgf下的硬度值(HB)30D210D22.5D230D210D22.5D230D210D22.5D22.506012003.6527792.323.14.8015

12、651.913.02.555781933.7026989.722.44.8515250.712.72.605551853.7526287.221.84.9014949.612.42.655341783.8025584.921.24.9514648.512.22.705141713.8524882.620.75.0014347.511.92.754951653.9024180.421.15.0514046.511.62.804771593.9523578.319.65.1013745.511.42.854611544.0022976.319.15.1513444.611.22.904441484

13、.0522374.318.65.2013143.710.92.954291434.1021772.418.15.2512842.810.73.0041513834.64.1521270.617.65.3012641.910.53.0541013333.44.2020768.817.25.3512341.010.33.1038812932.34.2520167.116.85.4012140.210.13.1537512531.34.3019765.516.45.4511839.49.863.2036312130.34.3519263.916.05.5011638.69.663.253521182

14、9.34.4018762.415.65.5511437.99.463.3034111428.44.4518360.915.25.6011137.19.273.3533111027.54.5017959.514.95.6510936.49.103.4032110726.74.5517458.114.55.7010735.58.903.4531110425.94.6017056.814.25.7510535.08.763.5030210125.24.6516755.513.95.8010334.38.593.552939824.54.7016354.313.65.8510133.78.343.60

15、2859523.74.7515953.013.35.909933.18.26实验二 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（碳素钢和白口铸铁）在平衡状态下的显微组织特征；2了解铁碳合金成分（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、性能之间的关系；3悉金相显微镜的使用。二、实验原理及内容概述Fe-Fe3C状态图是研究铁碳合金组织与成分关系的重要工具，了解和掌握Fe-Fe3C状态图对于制定钢铁材料的各种加工工艺有着重要的指导意义。所谓平衡状态的显微组织是指合金在极其缓慢的条件下冷却到室温所得到的组织。铁碳合金的平衡组织主要是指碳钢和白口铸铁缓慢冷却到室温得到的组织，

16、它们（特别是碳钢）是工业上应用最广泛的金属材料，其性能和显微组织有着密切的关系。从Fe-Fe3C状态图可以看出，所有的碳钢和白口铸铁的平衡组织都是铁素体和渗碳体这两个基本的相组成。但由于含碳量不同，结晶条件的差异，铁素体和渗碳体的相对数量、形态、分布和混合情况不同，因此而呈现各种不同特征的组织形态，具有不同的性能。不同含碳量的铁碳合金的平衡显微组织如下图所示：1、 亚共析钢的显微组织 亚共析钢显微组织（低倍） 亚共析钢显微组织（高倍） 亚共析钢显微组织（示意）2、 共析钢的显微组织 共析钢显微组织（低倍） 共析钢显微组织（高倍） 共析钢显微组织（示意）3、 过共析钢的显微组织 过共析钢显微组织

17、（低倍） 过共析钢显微组织（高倍） 过共析钢显微组织（示意）4、 亚共晶白口铸铁的显微组织 亚共晶白口铸铁显微组织（低倍） 亚共晶白口铸铁显微组织（高倍） 亚共晶白口铸铁显微组织（示意）5、 共晶白口铸铁的显微组织 共晶白口铸铁显微组织（低倍） 共晶白口铸铁显微组织（高倍） 共晶白口铸铁显微组织（示意）6、 过共晶白口铸铁的显微组织 过共晶白口铸铁显微组织（低倍） 过共晶白口铸铁显微组织（高倍） 过共晶白口铸铁显微组织（示意）三、实验设备、仪器和试样金相显微镜若干台；铁碳合金平衡组织试样一套。四、实验方法及步骤1 打开显微镜电源；2 根据观察要求，选择合适的放大倍数：调整物镜和更换目镜；3 将

18、要观察的试样放在载物台上，边观察边调整焦距：先转动粗调旋钮进行粗调，这时可以看见组织大致形貌；再转动微调旋钮进行微调，直至图像清晰；4 轻轻推动载物台，选择能够代表组织特征的典型视阈；5 适当调整孔径光阑和视场光阑，以获得最佳质量的物象；6 画出所观察金相样品的显微组织示意图，并在图中标出组织。五、实验报告要求1观察工业纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢、亚共晶白口铁、共晶白口铁和过共晶白口铁等七个试样的显微组织，并联系铁碳平衡图分析组织的形成过程；2画出所观察金相样品的显微组织示意图，并在图中标出组织，在图下标出钢种及放大倍数；3根据观察的组织，说明含碳量对铁碳合金的组织和性能影响的大致规律；

19、4本次实验的体会。六、预习内容：参考资料及附件参考资料：GB/T1329891金属显微组织检验方法。附件1、金相显微镜的使用规程金相显微镜是一种精密的光学仪器，使用时要求细心谨慎。在使用显微镜前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) 首先将显微镜的光源插在变压器上，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) 将试样观察面朝下放在载物台中心，并用弹簧片压住。4) 转动粗调旋钮先使载物台下降，同时观察使物镜尽量接近试样表面（但不得与试样相碰）。然后

20、向相反方向转动粗调旋钮，使载物台逐渐上升调整焦距，当视场亮度增强时改用微调旋钮调节，直到物象最清晰为止。5) 适当调整孔径光阑和视场光阑，以获得最佳质量的物象。6) 如果使用油系物镜，则可在物镜的前透镜上滴一点松柏油，也可以将松柏油直接滴在试样上。油镜头用后应立即用棉花沾取二甲笨溶液擦净，再用镜头纸擦干。附件2、金相显微镜使用注意事项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) 切记将显微镜的灯泡插在变压器上，若直接插在220V电源插座上将会立刻烧毁。观察结束后应

21、及时关闭电源。4) 在使用焦距调节旋钮是动作要慢，若碰到机械障碍应立即停止操作，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。附件3、金相显微镜结构示意见图1。1、 载物台 2、物镜 3、半反光镜 4、转换器 5、转动箱 6、微调焦手轮 7、粗调焦手轮 8、微心圈 9、目镜 10、目镜管 11、固定螺丝 12、调节螺钉 13、视场光圈 14、孔径光栏图1 金相显微镜结构示意图注：本实验指导书选用了西南交通大学精品课程及上海蔡康光学仪器厂部分网上资料，在此致谢。 执笔人：樊静波实验三 合金钢、铸铁、有色金属的显微组织观察一、 实验目的1熟悉几种常用材料的典型金相组织特征。2了解常用铸铁

22、组织中石墨形态及分布对性能的影响。二、实验原理从金属学的角度，将含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁。根据碳在铸铁中存在形式的不同，铸铁通常可分为白口铸铁、灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁等几种。在白口铸铁中，碳是以渗碳体的形式存在的，性质硬脆，除了具有金属学的意义外，几乎没有实际应用价值；在其他铸铁中，则多是以石墨的形式存在，因石墨的形态、大小和分布的不同，性能差异很大。灰口铸铁的组织特征是在钢的基体上分布着片状石墨，可锻铸铁的组织特征是在钢的基体上分布着团絮状石墨，球墨铸铁的组织特征是在钢的基体上分布着圆球状石墨。铸铁除了不同形状的石墨特征外，其基体可以是铁素体、铁素体+珠光体和珠光体。由于

23、石墨的抗拉强度几乎为零，那么可以将铸铁理解为在组织中存在了很多形状不同的空洞的“钢”。这些空洞对基体的割裂作用使得铸铁的抗拉强度一般远远低于钢（但抗压强度差别不大，所以铸铁常用于制造受压部件），而且不同形状的空洞（决定于石墨的存在形态）对性能的影响不同。这也是人们通过工艺手段调整和改变石墨形状的意义所在。三、实验步骤及实验报告内容1 认真观察各种铸铁样品，分析其显微组织的特征及其形成过程。2 画出所观察金相样品的显微组织示意图，并在图中标出组织及放大倍数。3 分析显微组织中各种组织组成物的形态，并分析其对材料力学性能的影响。4 讨论如何通过调整成分、铸造及热处理工艺条件来获得不同的铸铁组织。5

24、 本次实验的体会。四、观察不同石墨形态的常用铸铁显微组织形貌1灰口铸铁的显微组织 低倍显微组织 高倍显微组织灰口铸铁显微组织（片状石墨+铁素体基体） 低倍显微组织 高倍显微组织灰口铸铁显微组织（片状石墨+珠光体基体）2可锻铸铁的显微组织 低倍显微组织 高倍显微组织可锻铸铁显微组织（团絮状石墨+铁素体基体）3球墨铸铁的显微组织 低倍显微组织 高倍显微组织球墨铸铁显微组织（球状石墨+铁素体基体）五、习内容：参考资料及附件见工程材料实验（二）。注：本实验指导书选用了西南交通大学精品课程及上海蔡康光学仪器厂部分网上资料，在此致谢。 一、实验目的熟悉几种常用有色金属的典型金相显微组织特征。二、实验原理1

25、、 铝合金铝合金在工业生产中的应用十分广泛，按其成型方式可分为铸造铝合金和形变铝合金。铝硅合金（常称硅铝明，含硅量一般约为10-13%）是广泛应用的一种铸造合金。铝硅合金的成分接近共晶成分，因此其铸造性能良好，铸造后得到粗大的针状硅和固溶体组成的共晶体及少量呈多面体的初晶硅晶体。硅晶体性脆，又呈粗大针状存在，故极大地降低了合金的塑性和韧性。为了改善合金性能，可对其进行“变质处理”（所谓变质处理即是在硅铝明的液态合金中添加一些成分、结构相似的异类粒子，以利于提高合金结晶形核率，从而达到细化结晶组织的目的的一种工艺方法）。经变质处理后，不仅组织细化，还可得到由枝晶状的固溶体和细密共晶体组成的亚共晶

26、组织，从而提高了铝合金的强度和塑性。 未变质的硅铝明合金显微组织（低倍） 未变质的硅铝明合金显微组织（高倍） 图1 未变质的硅铝明合金显微组织 变质后的硅铝明合金显微组织（低倍） 变质后的硅铝明合金显微组织（高倍） 图二 变质后的硅铝明合金显微组织2、 铜合金工业生产中最常用的铜合金为黄铜和青铜。黄铜即铜锌合金。从铜锌相图可知，当含锌量少于39%时，其显微组织为单相的固溶体，常称为黄铜或单相黄铜，其塑性良好。常用黄铜的含锌量一般在30%左右（H70），在铸态下因晶内偏析腐蚀后呈树枝状，变形退火后得到多边形的具有退火孪晶组织特征的晶粒。含锌量在39-45%的黄铜，呈+两相组织，故称为双相黄铜。相

27、是以电子化合物为基的有序固溶体，低温时性硬而脆，在高温则有较好塑性，故适合于进行热加工。 黄铜或单相黄铜显微组织 双相黄铜显微组织图三 铜合金显微组织3、 轴承合金轴承合金又称巴氏合金，是制造滑动轴承轴瓦及内衬应用最多的一种合金。根据滑动轴承的服役条件要求，合金应同时具有软硬两种性质，因此其理想的组织应该是由软硬不同的相组成的混合物。以铅或锡为基的轴承合金具有满足上述要求的组织特征。锡基巴氏合金就是在软的固溶体上分布着方块状的(以化合物SnSb为基的有序固溶体)硬质点及白色星状或放射状的Cu6Sn5化合物。 ZCHSnSb11-6合金显微组织（低倍） ZCHSnSb11-6合金显微组织（高倍）图四 巴氏合金显微组织三、实验步骤及实验报告要求1、 观察铝合金、铜合金、轴承合金等常用有色合金显微组织，画出所观察金相样品的显微组织示意图，并在图中标出组织，在图下标出合金种类及放大倍数；2、 结合本次实验对有色合金的认识及体会。四、预习内容：参考资料及附件 见工程材料实验（二）。注：本实验指导书选用了西南交通大学精品课程及上海蔡康光学仪器厂部分网上资料，在此致谢。 执笔人：樊静波