工程材料實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書-工程材料

1PHBPHB==F①布氏硬度值的計(jì)算與查表驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康睦砑斑m用范圍。2.了解布氏、洛氏硬度計(jì)的基本結(jié)構(gòu)，掌握布氏硬度、洛氏硬度的試驗(yàn)方法。二、實(shí)驗(yàn)概述硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種力學(xué)性能指標(biāo)。它是材料強(qiáng)度、韌性、塑性和彈性等許多力學(xué)性能指標(biāo)的綜合反映。硬度的試驗(yàn)方法很多，基本可分為壓入法和刻劃法兩大類。壓入法又可分為動(dòng)載壓入法和靜載壓入法。常用的布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度均屬于靜載壓入法的硬度試驗(yàn)。硬度值的物理意義隨著試驗(yàn)方法的不同，其含義也不同。壓入法的硬度值是材料表面抵抗另一物體壓入時(shí)所引起的塑性變形的能力。硬度實(shí)驗(yàn)是金屬力學(xué)性能試驗(yàn)中最簡單、迅速和易行的方法，可對零部件直接進(jìn)行檢驗(yàn)，且損傷小，為非破壞性試驗(yàn)。此外，硬度值和抗拉強(qiáng)度之間可以近似換b正是因?yàn)橛捕仍囼?yàn)由上述優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)和科研等領(lǐng)域，布氏硬度和洛氏硬度就是硬度實(shí)驗(yàn)中最常用的兩種方法。(1)原理質(zhì)合金鋼球)壓入被測金屬表面，保持一定時(shí)間后卸除載PPHB==(kg/mm2h換為壓痕直徑d的表達(dá)式：22Dhd2用讀數(shù)顯微鏡測出壓痕直徑d后代入上述公式，即可算出布氏硬度值，但在實(shí)際應(yīng)用中一般不用公式計(jì)算，只須查表(見附表)便可得到相應(yīng)的布氏硬度值。②載荷及壓頭鋼球的選擇由于金屬材料有軟有硬，試樣有薄有厚，有大有小，如果只采用一種標(biāo)準(zhǔn)的載荷和鋼球直徑，則可能對有些試樣合適，而對另一些試樣不合適，例如有些試樣會(huì)發(fā)生整個(gè)鋼球陷入金屬中的現(xiàn)象或有些試樣會(huì)出現(xiàn)被壓透的現(xiàn)象。因此，進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)時(shí)，要采用不同的載荷和不同直徑的鋼球。而對同一種材料采用不同的載荷及不同的壓痕直徑進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)，其硬度值應(yīng)相同。這樣就必須使壓痕的立體幾何形狀相似，即壓入角0恒定這樣才能保證所測硬度值相等。如圖2所示。PPDΦdPPDΦdPDDdP2PP2P=K③壓痕直徑的范圍和壓頭選擇的小，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性將降低，d過大，鋼球剛度及試驗(yàn)機(jī)構(gòu)不能承擔(dān)，出的布氏硬度值才能相互比較。在測量布氏硬度時(shí)，應(yīng)根據(jù)試樣的牌號(hào)，金屬種類，狀態(tài)，厚度來選擇P、D、3KK值(P/D2)范圍()(mm)保荷時(shí)間T(s)()(kgf)④布氏硬度的標(biāo)注⑤對試樣的要求兩個(gè)壓痕之間的距離不得小于壓痕直徑的倍。這是為了避免壓痕附近的硬化現(xiàn)象，導(dǎo)致相鄰壓痕減小，硬度偏高。試樣的粗糙度≤Ra0.8μm2布氏硬度試驗(yàn)特點(diǎn)大，能測出試樣較大范圍內(nèi)的性能，不受個(gè)別組織的影響，特別適合結(jié)構(gòu)鋼等原材料及結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)件的硬度。2洛氏硬度試驗(yàn)(1)原理洛氏硬度試驗(yàn)也是壓痕實(shí)驗(yàn)法。與布氏不同的是：布氏是測量壓痕面積，洛氏4 2洛氏硬度試驗(yàn)法的壓頭采用錐度為120°的金剛石圓錐或直徑為1.588mm(1/16in)的鋼球。分別施加兩次載荷，先加初載荷然后加主載荷；再卸除主載荷。如圖3所示，施加初載荷后壓痕深度h，h為主載荷作用下的壓痕深度，卸02除主載荷后，由于試樣彈性變形的恢復(fù)，使壓頭位置回升一段距離，此時(shí)壓頭受主載荷作用壓入深度為h1，洛氏硬度就用(h1-h0)來表示。顯然：(h1-h0)數(shù)值大，表示材料硬度低；數(shù)值小，表示材料硬度高。為了適應(yīng)人們的習(xí)慣(即數(shù)值越大，硬度越高)，人為規(guī)定，采用一常數(shù)K減去(h1-h0)計(jì)算公式為HRC=10=10=10010K(hhHRC=10=10=100100.0020.0020.002HRB=10=130100.26HRB=10=130100.0020.002根據(jù)上述表格的參數(shù)，結(jié)合待測試樣的狀態(tài)，可以選用相應(yīng)的標(biāo)尺來測量。一試件較薄又硬度很高以及表面硬化工件選用A標(biāo)尺。5表：洛氏硬度試驗(yàn)規(guī)范金屬件負(fù)荷(kg)主CBA總初2洛氏硬度試驗(yàn)特點(diǎn)洛氏硬度試驗(yàn)可由硬度計(jì)表盤直接讀出硬度值，操作簡單迅速，適用于成批零部件的檢驗(yàn)；采用不同形式的壓頭，可測量的材料范圍較廣；由于壓很小，代表性差，數(shù)據(jù)分散，精確度沒有布氏硬度高。三、操作方法1.布氏硬度試驗(yàn)③將試樣放在工作臺(tái)上，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使壓頭與試樣接觸，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪至手輪打滑④按動(dòng)加載按鈕，硬度計(jì)自動(dòng)進(jìn)行加載、保持載荷及卸載。⑤待加載電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，載荷回到原位后，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，取下試樣。用讀數(shù)顯微鏡測量試樣表面的壓痕直徑，水平方向、垂直方向各測量一次，然后取2洛氏硬度試驗(yàn)試樣與壓頭接觸后，表盤內(nèi)的小指針開始轉(zhuǎn)動(dòng)，使小指針指到紅色點(diǎn)，同時(shí)還要保③將加載手柄向前推轉(zhuǎn)45°，加主載荷(注意不要用力過大，以免產(chǎn)生震動(dòng)，，這時(shí)卸除主載荷保留初載荷。④由表盤大表針停留位置，直接讀出硬度值。⑤逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，移動(dòng)試樣或取下試樣。在每個(gè)試樣的不同位置測三點(diǎn)。6四、實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)材料20X讀數(shù)顯微鏡原材料(供應(yīng)態(tài))原材料(供應(yīng)態(tài))淬火+自然時(shí)效2.將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填寫在下表(1)布氏硬度壓壓痕直徑(mm)橫向縱向平均(2)洛氏硬度平均第一次第二次第三次硬度值(Kgf)72.說明布氏硬度與洛氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)與應(yīng)用范圍。(1)銼刀(2)黃銅軸套(3)供應(yīng)態(tài)的各種碳鋼(4)硬質(zhì)合金刀片(5)軸承內(nèi)、外圈(6)耐磨工件表面硬化層8附表：壓痕直徑與布氏硬度及相應(yīng)洛氏對照表HBHRAHBHRA9HBHRAHBHRA實(shí)驗(yàn)二鐵碳合金平衡組織的顯微觀察與分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩?、?shí)驗(yàn)概述金相分析技術(shù)是研究與檢驗(yàn)金屬材料的重要手段。金相顯微鏡是用于觀察分析立式及臥式顯微鏡三類。按用途不同還可分為偏光金相顯微鏡、干涉金相顯微鏡、相襯金相顯微鏡和高、低溫金相顯微鏡等。(1)金相顯微鏡成像原理ΔfA2AF′1F′1F2B′1fB″BB″B第一次放大A′DA″D如圖1為顯微鏡放大原理簡圖。物體AB置于物鏡的一倍焦距(F)與二倍之間，1實(shí)像A′B′位于目鏡的前一倍焦距(F)以內(nèi)時(shí)，目鏡又使映像A′B′放大，而2在目鏡的前二倍焦距(2F)以外，得到A′B′的正立虛像A″B″。所以說，最2放大倍數(shù)的乘積。M=M.M=.D物目ffM-------物鏡放大倍數(shù)；物M-------目鏡放大倍數(shù)；目f1----------物鏡焦距f2----------目鏡焦距Δ---------顯微鏡的光學(xué)鏡筒長D----------人眼明視距離(明視距離為人眼可以很好地區(qū)分物體的細(xì)微當(dāng)顯微鏡的機(jī)械鏡筒長度恰好等于光學(xué)鏡筒長時(shí)，M=M.M；當(dāng)顯微鏡物目物目筒長度、光學(xué)鏡筒長(Δ)有關(guān)。(2)金相顯微鏡的結(jié)構(gòu)金相顯微鏡主要由光學(xué)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)組成。有的金相顯微鏡還有P①光學(xué)系統(tǒng)XJP透鏡8聚集到孔徑光闌9，在經(jīng)過聚光鏡聚集到物鏡的后焦面，最后通場中能看到的放大影像。②照明系統(tǒng)W靠調(diào)節(jié)次級(jí)電壓(6~8V)來改變燈光的亮度。聚光鏡、孔徑光闌及反光鏡等裝置在底座上，視場光闌及另一聚光鏡則安裝在支架上，它們組成顯微鏡的照明系統(tǒng)，使③顯微鏡調(diào)焦裝置旋鈕可使載物臺(tái)迅速升降，，用以固定調(diào)焦正確后載物臺(tái)的位置。④載物臺(tái)(樣品臺(tái))用于放置金相試樣，載物臺(tái)和下面托盤之間有潤滑脂，用手推動(dòng)，可使載物臺(tái)在水平面上做一定范圍的移動(dòng)，以改變試樣的觀察位置。⑤孔徑光纜和視場光闌孔徑光闌裝在照明反射鏡座上，調(diào)整孔徑光闌能夠控制入射光束的粗細(xì)，以保證物像達(dá)到清晰的程度。視場光闌設(shè)在物鏡支架下面，通過調(diào)整視場光闌，可以改變視域大小、減小鏡筒內(nèi)部的反射與炫光，以提高映像襯度。⑥物鏡轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器呈球面形，上有3個(gè)螺孔，可安裝不同放大倍數(shù)的物鏡，旋動(dòng)轉(zhuǎn)換器可使每個(gè)物鏡鏡頭進(jìn)入光路，于不同的目鏡搭配使用，可獲得各種放大倍數(shù)。(2)金相顯微鏡的操作方法①首先將顯微鏡的電源插頭插在電源插座上。轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)至固定位置。③將試樣視察面朝下放在載物臺(tái)中心。面(但不得與試樣接觸)。然后向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)旋鈕，使載物臺(tái)漸漸上升以調(diào)節(jié)焦距，當(dāng)視場亮度增加時(shí)改用微調(diào)旋鈕調(diào)解，直至物像調(diào)整到最清晰程度為止。⑤適當(dāng)調(diào)整孔徑光纜和視場光闌，已獲得最佳質(zhì)量的物像。(3)顯微鏡使用注意事項(xiàng)①金相顯微鏡是一種精密的光學(xué)儀器，使用之前首先應(yīng)熟悉其構(gòu)造特點(diǎn)及各主要部件的相互位置和作用，使用時(shí)必須特別細(xì)心謹(jǐn)慎，不能有任何劇烈的動(dòng)作。光學(xué)系統(tǒng)不允許自行拆卸。②顯微鏡鏡頭的玻璃部分和試樣觀察面嚴(yán)禁手指直接接觸。報(bào)儀器設(shè)備。2.鐵碳合金的平衡組織平衡組織是指合金在極其緩慢的冷卻速度下得到的組織。在實(shí)驗(yàn)條件下，退火態(tài)的鐵碳合金組織可以看成是平衡組織。室溫下鐵碳合金的平衡組織均由鐵素體(F)和滲碳體(FeC)兩個(gè)基本相組成。3了不同的組織形態(tài)，其性能也各不相同。根據(jù)含碳量不同，可以將鐵碳合金劃分為工業(yè)純鐵、碳鋼、白口鑄鐵幾大類。表鐵碳合金室溫下的平衡組織(1)鐵素體(F)鐵素體是碳溶解于a-Fe中形成的間隔固溶體，室溫時(shí)溶碳量極少，幾乎為零。鐵素體的相對量減少，形態(tài)也發(fā)生變化。如碳含量較低時(shí)，鐵素體呈塊狀分布；當(dāng)鋼中碳含量接進(jìn)共析成分時(shí)，鐵素體沿晶界呈網(wǎng)狀分布。 (2)滲碳體(FeC)3酸酒精溶液侵蝕后，呈白亮色；用堿性苦味酸納溶液熱侵蝕后呈暗黑色，可以由此區(qū)別鐵素體和滲碳體。滲碳體在鋼中可呈片狀、網(wǎng)狀、板條狀等，經(jīng)球化退火也可呈球狀。鋼中一次滲碳體(Fe3C)系直接由液態(tài)金屬中結(jié)晶，呈粗大片狀；二次Ⅰ滲碳體(Fe3C)由奧氏體中析出，一般呈網(wǎng)狀分布于奧氏體晶界，共析轉(zhuǎn)變后分Ⅱ布于珠光體邊界；三次滲碳體(Fe3C)由鐵素體中析出，呈不連續(xù)片狀分布于鐵Ⅲ(3)珠光體(P)珠光體是鐵素體和滲碳體片層相間的混合物。經(jīng)4%硝酸酒精侵蝕后，鐵素體和滲碳體均呈白色，二者的邊界呈黑色。顯微鏡放大倍數(shù)較低時(shí)，只能看到白色的鐵素體相和代表滲碳體的一條條黑線；若顯微鏡放大倍數(shù)更低，則鐵素體和滲碳體難以分辨，成為黑色塊狀組織；當(dāng)放大倍數(shù)足夠高時(shí)，可以看到狀光體中平行相間(4)萊氏體(Le′)室溫下低溫萊氏體是珠光體和滲碳體的機(jī)械混合物。其中白色基體為滲碳體(包括二次滲碳體和共晶滲碳體)，黑色的點(diǎn)狀(塊、條狀)物為珠光體。在亞共晶白口或樹枝狀分布的是珠光體。過共晶白口鐵中，粗大的一次滲碳體呈白色板條狀分布于萊氏體基體上。三、實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)材料鐵素體(F)鐵素體(F)+珠光體(P)鐵素體(F)+珠光體(P)液液液珠珠光體(P)珠光體(P)+滲碳體(FeC)3石墨(條狀)+石墨(球狀)+石墨(團(tuán)絮狀)+鐵素體(F)鐵素體(F)+珠光體(P)珠光體(P)鐵素體(F)鐵素體(F)+珠光體(P)珠光體(P鐵素體(F)鐵素體(F)+珠光體(P)珠光體(P液液液液液2.將所觀察金相樣品的顯微組織示意圖畫在下面圓圈內(nèi)，并在圖下標(biāo)出材料名稱、狀態(tài)、放大倍數(shù)、和顯微組織。(1)根據(jù)觀察的組織，說明含碳量對鐵碳合金顯微組織的影響規(guī)律。(2)鑄鐵與碳鋼在組織上的根本區(qū)別是什么？(3)本次實(shí)驗(yàn)的體會(huì)。實(shí)驗(yàn)三鋼的熱處理實(shí)驗(yàn)(設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn))一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解熱處理工藝對鋼的組織性能的影響2.掌握不同材料熱處理工藝的制定二、實(shí)驗(yàn)概述鋼的熱處理就是將鋼在固態(tài)范圍內(nèi)加熱、保溫、冷卻，通過改變其內(nèi)部組織結(jié)退火、正火、淬火、回火是最常用的熱處理工藝方法。在熱處理工藝規(guī)范中，加熱溫度、保溫時(shí)間、冷卻速度是三個(gè)最重要的工藝參數(shù)。選擇正確、合理的參數(shù)，是熱處理操作的關(guān)鍵。1.加熱溫度工件尺寸、原材料及加工過程中的工藝方法均對加熱溫度的選擇有影響。加熱溫度過高將導(dǎo)致奧氏體晶粒劇烈長大，冷卻后出現(xiàn)粗大的組織；加熱溫度過低，鋼未充為碳鋼的幾種基本熱表碳鋼熱處理的加熱溫度應(yīng)應(yīng)用范圍具、冷沖模具、高硬度零件等綜合機(jī)械性能的零件加熱溫度(℃)法火火火低高方退正淬溫溫溫2.保溫時(shí)間到工藝要求而保持恒溫的一段時(shí)間，它與加熱設(shè)備、加熱介質(zhì)、工件形狀大小、裝爐量及工藝本身的要求均有關(guān)系，確切計(jì)算保溫時(shí)間比較復(fù)雜。在實(shí)驗(yàn)室中，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算保溫時(shí)間，當(dāng)工件有效厚度在這個(gè)前提下又應(yīng)盡量緩慢冷卻，以減少內(nèi)應(yīng)力，防止工件變形和開裂。為了保證淬火效果，應(yīng)選用適當(dāng)?shù)睦鋮s介質(zhì)(如水、油等)和冷卻方法(如雙液淬火、分級(jí)淬火等)。三、實(shí)驗(yàn)要求在實(shí)驗(yàn)之前，要預(yù)習(xí)教材的“鋼的熱處理、鐵碳合金及合金鋼”及《實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》中相關(guān)內(nèi)容，并回答以下問題。(1)鋼的熱處理有哪幾種？它們的目的及特點(diǎn)是什么？(2)箱式電爐的基本結(jié)構(gòu)及使用、控溫儀表的使用方法。(3)零件熱處理后采用什么方法檢測硬度？根據(jù)零件技術(shù)要求(見表2)，選擇材料(見表3)，制定熱處理工藝規(guī)范。表零件及其技術(shù)要求序號(hào)序號(hào)零件名稱技術(shù)要求1彈簧HRC42~452齒輪HRC28~32傳動(dòng)軸HRC45~484冷滾壓模HRC62~65沖壓模HRC58~626