機械工程材料綜合性開放性設計性實驗

《機械工程材料》

綜合性開放性設計性實驗一實驗目的二實驗條件三實驗內容及步驟四實驗報告要求五實驗內容簡述六硬度試驗簡述七金相試樣制備簡述八光學金相顯微鏡簡述4/19/2023第一頁，共四十九頁。一實驗目的

本次實驗是一次綜合性、開放性、設計性的實驗。要求運用已學過的《機械工程材料》基本理論知識并參考相關資料，依據設定的零件的結構形狀、尺寸及力學性能指標進行綜合分析后，進行正確選材；制訂合理的熱處理工藝規(guī)范和實施路線；選擇熱處理加熱設備；檢測試樣的硬度；并要求親自動手、獨立完成熱處理操作、試樣制備、組織觀察與分析等過程。以達到提高學生的分析問題和解決問題及實際動手的能力；了解并初步掌握依據零件的結構形狀、尺寸及其力學性能要求進行正確選材、制定熱處理工藝規(guī)范的一般原則以及金屬材料的化學成分、熱處理工藝、顯微組織與力學性能之間的關系。4/19/2023第二頁，共四十九頁。二實驗條件1）連桿螺栓（圖1）：30～38HRC（263～322HBS）；2）滾動軸承套圈：61～65HRC；3）手工鋸條：60～62HRC；4）手工絲錐（圖2）：齒部60～62HRC、柄部30～45HRC；5）機用板牙（圖3）：59～63HRC；6）汽車半軸（圖4）：桿部37～44HRC，盤部外圓24～34HRC；7）機床變速箱齒輪（m=4，圖5）：齒部45～58HRC，其余部位30～42HRC；8）活塞銷（圖6）：表面硬度59-62HRC，心部硬度24～30HRC；9）Ф20mm冷沖頭（圖7）：最終熱處理后的硬度見圖7所示。10）汽車板簧（圖8：）41～45HRC。（詳細內容見實驗指導書）

(一)機械零件及其性能指標：4/19/2023第三頁，共四十九頁。二實驗條件（二）、實驗材料及儀器設備實驗材料：45鋼、T10A鋼、20Cr、9SiCr、Q235、60Si2Mn、20CrMnTi鋼等。儀器設備：高、中、低溫箱式電阻爐及其相應的爐溫測控儀表；淬火用油、水及其桶；洛氏、布氏硬度計；裝出爐用的鐵鉗或鉤子；制備金相試樣所需的成套設備、金相砂紙和浸蝕劑；觀察金相顯微組織用的臺式光學金相顯微鏡等。

4/19/2023第四頁，共四十九頁。三實驗內容及步驟按下述實驗內容及步驟進行：

1.分析零件的服役條件及力學性能要求；進行選材及其分析；擬訂零件的生產工藝流程、熱處理工藝規(guī)范并對其進行理論分析和討論；選擇熱處理加熱設備及工裝夾具；該零件常見的熱處理缺陷及其預防措施；零件熱處理后的質量檢驗方法、步驟及其注意事項等。上述內容以書面小論文的形式完成后，交指導教師進行審閱，批改后方可具體實施。4/19/2023第五頁，共四十九頁。三實驗內容及步驟

2.在進行熱處理工藝實施操作的前一天，以班為單位進入實驗室。在指導教師的帶領下了解、熟悉與本實驗有關的各種設備、儀器儀表的結構、功能及其操作規(guī)程和注意事項。

3.進入熱處理實驗室（實驗樓2樓）后，按本人擬定的熱處理工藝規(guī)范及實施路線進行操作。對每道熱處理工序處理后的試樣進行硬度檢測（一般每個試樣上只少打三點，取其平均值作為其有效值）。

4/19/2023第六頁，共四十九頁。三實驗內容及步驟

4.試樣硬度檢測合格后，方可到試樣制備室（實驗樓9樓15號房間）將其制備成金相試樣。隨后在臺式光學顯微鏡上進行顯微組織觀察與分析，同時畫出其組織形貌特征示意圖，并在圖旁注明材料名稱、熱處理狀態(tài)、顯微組織和浸蝕劑名稱以及放大倍數。5.對熱處理及試樣制備等過程中出現的缺陷及其原因要進行分析，并提出預防或解決的措施。

4/19/2023第七頁，共四十九頁。四實驗報告要求詳見電子實驗報告4/19/2023第八頁，共四十九頁。五實驗內容簡述（一）材料成分—工藝—組織—性能之間的關系制訂合理的熱處理工藝是依據產品零件的工作性能要求、結構形狀尺寸、材料的成分（即鋼的臨界相變點）、熱處理加熱設備及其功率的大小、裝爐方式、裝爐量的大小等。通過熱處理工藝的實施來達到合理的組織匹配，從而滿足零部件的使用性能要求。4/19/2023第九頁，共四十九頁。五實驗內容簡述（二）機械零件用鋼選擇1.選材的主要依據機械零件的服役條件及其使用性能要求；機械零件的結構、形狀、尺寸及其精度要求；材料的冷熱加工工藝性能及其經濟性。

2.典型零件用鋼選擇及加工流程1）汽車變速箱二軸的二、三檔齒輪受力條件分析→使用性能要求→材料選擇下料→鍛造→預先熱處理（正火）→硬度檢測→機加工（如車、銑等）→滲碳、淬火+低溫回火→清洗→硬度、變形量等項的檢測→機加工（如磨等）→包裝入庫。4/19/2023第十頁，共四十九頁。五實驗內容簡述（二）機械零件用鋼選擇

2.典型零件用鋼選擇及加工流程受力條件分析→使用性能要求→材料選擇下料→鍛造（散開空冷）→預先熱處理（球化退火）→硬度、金相組織檢測→機加工（如車、銑等）→鹽浴加熱淬火→清洗→整體低溫回火→柄部局部中溫回火→清洗→硬度、變形量等項的檢測→機加工（如磨等）→包裝入庫2）手工絲錐

4/19/2023第十一頁，共四十九頁。（三）熱處理工藝及其參數的確定

五實驗內容簡述1.退火、正火工藝的選擇與應用退火與正火是鋼預先熱處理的一種形式，其工藝類型很多。如何合理選用其工藝呢？應根據零件選用的鋼種、加工工藝流程及其具體技術要求來決定。通常可根據鋼的含碳量按以下原則選擇（詳見實驗指導書）。4/19/2023第十二頁，共四十九頁。（三）熱處理工藝及其參數的確定

五實驗內容簡述2.鋼退火、正火工藝規(guī)范的確定

鋼退火通常是把鋼加熱到Ac1或Ac3以上一定溫度（如亞共析鋼TH=Ac3+30～50℃），保溫一定時間，然后隨爐緩冷，獲得接近平衡狀態(tài)的組織（如45鋼退火后獲得P+F組織）。（詳見實驗指導書）。

鋼正火則是將鋼加熱到Ac3或Accm以上30～50℃，保溫一定的時間，然后空冷。由于冷速較快，與退火相比組織中的P量較多，且P的片間距較小，故使其強韌性能由所提高。（詳見實驗指導書）。

4/19/2023第十三頁，共四十九頁。（三）熱處理工藝及其參數的確定

五實驗內容簡述3.鋼的淬火工藝規(guī)范確定

亞共析鋼：TH=Ac3+30～50℃，若TH

<Ac3則淬火組織中將出現鐵素體F，使鋼的強度、硬度降低；若TH

>>Ac3則將得到粗大馬氏體M，使鋼的強度、韌性降低，脆性增加，同時工件氧化脫碳嚴重，淬火變形開裂傾向增大。1）淬火加熱溫度的確定過共析鋼：TH=Ac1+30～50℃，淬火后得到細小M與粒狀Fe3C。具有高的強度、硬度和耐磨性。若TH>Accm，不僅無助于鋼的強度、硬度增加，反而會由于加熱時產生粗大的奧氏體晶粒淬火后得到粗大M和較多的A’導致硬度和耐磨性下降，強度降低脆性增加，淬火變形開裂傾向增加。4/19/2023第十四頁，共四十九頁。（三）熱處理工藝及其參數的確定

五實驗內容簡述3.鋼的淬火工藝規(guī)范確定

淬火加熱時間=零件加熱到淬火溫度所需時間+均溫時間。加熱時間與鋼的化學成分、工件的結構形狀尺寸、加熱介質、加熱方式和方法等因素有關。2）保溫時間的確定

一般按經驗公式估算，即：τH=K·α·D（min）

，式中K-裝爐修正系數（1～2）；α-加熱系數（箱式電爐取2min/mm，中溫鹽爐取1min/mm）；D-工件有效厚度（mm，圓柱體取其直徑；正方形截面取其邊長；長方形截面取其短邊長；板件取其厚度；套筒零件取其壁厚；圓錐體取距小端面2/3長度處直徑；球體取球徑的0.6倍4/19/2023第十五頁，共四十九頁。（三）熱處理工藝及其參數的確定

五實驗內容簡述3.鋼的淬火工藝規(guī)范確定

冷卻是淬火的關鍵工序，他直接影響到鋼的組織和性能。通常應Vc>V臨，以保證獲得M組織。3）冷卻速度的影響為保證淬火效果，應選擇適當的冷卻介質、冷卻方式和方法。一般碳鋼用水或鹽水冷卻，合金鋼用油冷卻。冷卻時間，通常使工件在冷卻介質中冷到室溫。但應根據工件變形量要求及冷卻裝置等條件試定。一般工件出油其表面略帶青煙即可空冷，也可按在20～60℃油中冷卻3～6min/10mm，在80～150℃油中冷卻10～15min/mm經驗來估算。若在水中冷卻，則按1秒/2～3mm估算。

4/19/2023第十六頁，共四十九頁。（三）熱處理工藝及其參數的確定

五實驗內容簡述4.鋼的回火工藝參數確定淬火鋼件回火后的性能主要取決于回火溫度。確定回火溫度的方法是：通常以零件所要求的硬度范圍作為選擇回火溫度的依據。各種鋼的回火溫度與硬度關系（曲線或表格），可查閱有關手冊資料。也可采用經驗公式來估算回火溫度。1）回火溫度的確定

如45鋼的回火溫度Th≈200+K（60-X），式中K—系數，當回火硬度值>30HRC時，K取11；當回火硬度值<30HRC時，K取12；X—為所要求的硬度值（HRC）。其他成分的碳鋼，含碳量每增加或減少0.05%，則回火溫度相應增加或減少10～15℃。4/19/2023第十七頁，共四十九頁。（三）熱處理工藝及其參數的確定

五實驗內容簡述4.鋼的回火工藝參數確定一般采用1～3h，也可用經驗公式估算，即：τH=KH+AH·D，式中τH—回火時間（min），AH—回火時間系數（min/mm）KH—回火時間基數（min），D—工件有效厚度（mm）。不同條件下的KH和AH值（見實驗指導書附表1-1）。2）回火時間的確定3）回火后的冷卻一般空冷至室溫。合金鋼件為避免第二類回火脆性，回火后需快冷（水冷或油冷），在此情況下，為消除由回火產生的內應力，隨后需補充一次低溫回火。

4/19/2023第十八頁，共四十九頁。（四）

實際操作注意事項五、實驗內容簡述1.裝、出試樣時必須先切斷加熱電源再開爐門。2.裝、出試樣時必須使用專用的鉗子或鉤子。3.試樣由爐中取出淬火時動作要迅速。4.試樣入淬火介質后應不斷攪動，但不能露出液面。5.試樣淬火、回火后，測其硬度前應在砂輪或砂紙上磨去氧化皮。要在每塊樣上只少打三點取其平均值作為有效值。6.淬火及回火溫度的設定操作需在老師指導下進行。7.試樣硬度測定后，到9樓制作金相試樣。試樣磨好后經指導教師檢查后，方可進行組織觀察與分析。8.實驗過程中一定要注意人身、設備的安全，不懂的地方應隨時詢問指導教師。切記勿亂動。4/19/2023第十九頁，共四十九頁。(五)實驗具體時間安排1.以授課班為單位集中講述有關的實驗內容（2h），具體時間和地點協(xié)商后再定。2.3～4人為一組，領取實驗任務后按實驗指導書中的“三、實驗內容及步驟”規(guī)定，以小組為單位去進行工作。每組準備時間為1～2天。3.工藝方案實施前，先與指導老師預約，并說明實驗內容及所需設備情況。4.以授課班為單位最好集中在3～5天內全部完成整個實驗工作。五、實驗內容簡述4/19/2023第二十頁，共四十九頁。六硬度試驗簡述硬度實驗是工業(yè)生產和科學研究中不可缺少的標準實驗方法之一。他是將一個硬的壓頭壓入欲檢查零件（或試樣）的待測表面時，材料抵抗這種壓入的能力稱為“硬度”。與其他力學性能（如強度）具有一定的關系。最常用的硬度實驗方法有；布氏硬度和洛氏硬度。（一）硬度的概念：4/19/2023第二十一頁，共四十九頁。六硬度試驗簡述1.基本原理（二）布氏硬度試驗布氏硬度試驗原理示意圖

HBS=P/F

=2P/πD（D-）

（Kgf/mm2）

HBS值的大小取決于壓痕直徑d，d值越大表明金屬材料的變形抗力越低，即硬度越低，反之硬度越高。

4/19/2023第二十二頁，共四十九頁。2.布氏硬度計結構示意圖4/19/2023第二十三頁，共四十九頁。根據試樣的硬度，按附表1-2的硬度試驗規(guī)范選擇載荷、壓頭直徑及載荷保持時間。欲測試試樣的表面需用砂輪或砂布（紙）磨光，且上下端面要求平行。試樣置于載物臺上后，即可按照布氏硬度計的操作規(guī)程進行試驗。試驗結束后取下試樣，用讀數顯微鏡測量試樣表面的壓痕直徑，從相互垂直方向各測一次（見下頁示意圖），取其平均值，用該直徑值去查“壓痕直徑與布氏硬度對照表”即可得試樣硬度值。3.布氏硬度計操作要點4/19/2023第二十四頁，共四十九頁。布氏硬度壓痕測量

4/19/2023第二十五頁，共四十九頁。1.基本原理0-0為壓頭與試樣不接觸位置；1-1為壓頭受初載P0后壓入試樣深度h0的位置；2-2為加主載P1后壓頭壓入試樣的位置；3-3為去主載荷后壓頭由于試樣彈性變形的恢復而略行提高的位置，此時實際壓入試樣深度為h1，則壓頭受主載荷而壓入試樣深度為h1-h0。h1-h0的數值越大，表示試樣越軟，反之，表示試樣越硬。

（二）洛氏硬度試驗

洛氏硬度試驗過程中金剛石壓頭在各階段的位置

4/19/2023第二十六頁，共四十九頁。2.洛氏硬度計結構示意圖4/19/2023第二十七頁，共四十九頁。3.洛氏硬度計操作要點硬度符號壓頭總載荷Kg表盤上的刻度顏色常用范圍應用舉例HRA金剛石圓錐60黑色70～85碳化物硬質合金表面淬火鋼等HRB1.588mm鋼球100紅色25～100退火鋼銅合金等HRC金剛石圓錐150黑色20～67淬火鋼調質鋼等1).根據試樣的硬度，按下表選擇載荷及壓頭。

4/19/2023第二十八頁，共四十九頁。2）試樣兩端面在砂輪或砂紙上磨光且保證平行，隨后應平穩(wěn)地放在支承臺上。

3）預加載荷（順時針）旋轉手輪，使試樣與壓頭接觸，并觀察讀數百分表上小針移動到小紅點處為止。4）碉整讀數表盤，使百分表盤上的長針對準硬度值的起點。（HRB時即紅字B處；HRC、HRA時為黑字C處。5）加主載荷時平穩(wěn)扳動加載手柄，手柄自動升高至停止位置（時間應為5～7秒）。并停留10秒鐘。6）卸主載荷時扳回手柄至他原位置。7）讀出硬度值，長針指向的數字為硬度的讀數。HRB讀紅色字，HRC、HRA讀黑色字。（注：布氏硬度值和洛氏硬度值之間的關系大致為10HBS=1HRC）。4/19/2023第二十九頁，共四十九頁。七金相試樣制備簡述（一）金相試樣的制備其制備過程包括：取樣、鑲嵌、磨制、拋光和浸蝕。（1）取樣的部位——(a)失效零件

1.金相試樣的切取

取樣的部位應具有代表性

截取的方法鋸、車、銑、刨等

試樣的尺寸一般ф15～20×10～20mm

軸上對比取樣

長裂紋處取樣

淬火裂紋取樣

4/19/2023第三十頁，共四十九頁。（1）取樣的部位——(b)熱處理后的零件

環(huán)圈類零件取樣

軸類零件取樣

齒輪類取樣

4/19/2023第三十一頁，共四十九頁。（1）取樣的部位——(c)從鑄、鍛件上取樣

從鑄件上取樣

鍛件縱截面檢查項目

1

表面折疊

2

碳化物分布3橫向裂紋4

變形晶粒

5

夾雜物

6帶狀組織

鍛件縱截面檢查項目1

夾雜物分布

2組織及晶粒大小

3表面氧化脫碳

4心部表面缺陷

4/19/2023第三十二頁，共四十九頁。（1）取樣的部位——(d)供應態(tài)軋制材料

鋼中非金屬夾雜物取樣部位示意圖

鋼棒（左）、鋼管（右）脫碳層取樣部位示意圖

4/19/2023第三十三頁，共四十九頁。（2）試樣截取方法硬度低于30HRC可用鋸、車、銑、刨等方法截取

硬度大于30HRC

可用水冷式砂輪切片機、鉬絲切割機等方法截取

4/19/2023第三十四頁，共四十九頁。2.金相試樣的鑲嵌

XQ-2型金相試樣鑲嵌機

金相試樣機械鑲嵌方法

4/19/2023第三十五頁，共四十九頁。3.金相試樣的磨制

（1）粗磨——在砂輪機上用砂輪磨制

正確錯誤4/19/2023第三十六頁，共四十九頁。（2）細磨——一般在3～6種金相砂紙上進行

手工磨制過程中手腕動作

單向磨制操作

合格不合格

磨面質量

塑料蓋塑料罩磨光盤電動機水管M-2型金相試樣預磨機

4/19/2023第三十七頁，共四十九頁。4.金相試樣的拋光其目的是消除細磨時的微細磨痕，使磨面呈光亮無疵的鏡面，拋光質量將直接影響到金相檢驗的結果。

P-2型拋光機主要由電動機1、塑料盤2、拋光盤3、拋光織物4、套緊圈5、拋光罩6、電動機開關盒7和底座或支架、工作臺面及拋光盤蓋等組成。其轉速為1340r/min。

機械拋光

拋光方法

電解拋光

化學拋光

4/19/2023第三十八頁，共四十九頁。拋光操作過程及其應注意的事項：a)添加拋光液狀態(tài)

b)初期拋光狀態(tài)

C)拋光過程中向中心加水

d)拋光時的試樣轉動

e)拋光末期精拋狀態(tài)

4/19/2023第三十九頁，共四十九頁。拋光操作過程及其應注意的事項：

甩尾現象

沾污現象

拋光缺陷

拋光后用水清洗

熱風機吹干

電解拋光設備及其原理:4/19/2023第四十頁，共四十九頁。5.金相試樣顯微組織的顯示方法

浸蝕法

擦蝕法

顯示方法化學浸蝕法

熱染法熱浸蝕法陰極真空電子發(fā)射法

磁場法

物理顯示法化學浸蝕的原理：是利用試劑對金屬試樣中各相或組織的浸蝕速度、著色能力不同，在拋光面上呈現出高低不平的峰谷及色澤的差異，在可見光的垂直照射下，對光線的吸收和反射不同，從而顯示出各種明暗不同的組織來。

4/19/2023第四十一頁，共四十九頁。純金屬及單相合金化學腐蝕的情況

a）Sn-Sb合金

b）珠光體組織兩相合金腐蝕的情況

4/19/2023第四十二頁，共四十九頁。浸蝕操作方法及步驟

試樣浸蝕操作鐵素體組織

回火索氏體組織

水清洗熱風機吹干正常浸蝕（上）與欠浸蝕（下）的組織示意圖

4/19/2023第四十三頁，共四十九頁。八、光學金相顯微鏡簡述（一）光學金相顯微鏡的放大成象原理及結構1.放大成象基本原理

顯微鏡放大成象原理示意圖

4/19/2023第四十四頁，共四十九頁。2.光學金相顯微鏡的構造其構造一般包括光學（放大）系統(tǒng)、光路（照明）系統(tǒng)和機械系統(tǒng)三部分。其中放大系統(tǒng)是顯微鏡的關鍵部分。

XJ