機械制造基礎(chǔ)課程實驗指導書

機械制造基礎(chǔ)課程

實驗指導書

機電設(shè)備系設(shè)備教研室

二00四年四月

前B

為了更好地完成《機械制造基礎(chǔ)》課程教學,培養(yǎng)提高學生理論聯(lián)

系實際與實踐動手能力，根據(jù)《機械制造基礎(chǔ)》課程教學大綱對實驗

教學要求，編寫本實驗指導書。

實驗指導書包含實驗指導與報告書兩部分。其中指導書部分介紹

了實驗?zāi)康呐c要求、實驗設(shè)備及儀器、實驗原理、實驗步驟等；報告

書部分要緊有實驗數(shù)據(jù)記錄、處理，分析及思考題等。

本教材由吳少爽主編，由謝仁明主審。由于水平有限，時間倉促,

書中會有很多缺點與錯誤，懇請各位讀者枇判指正。

編者

2004.4

目錄

實驗一拉伸實驗...........................................

實驗二硬度實驗...........................................11

實驗三沖擊實驗...........................................17

實驗四鐵碳合金平衡組織分析...............................20

實驗五熱處理實驗.........................................24

實驗六碳鋼熱處理后的顯微組織觀察........................27

實驗七不一致金屬的焊接性能................................31

實驗八車刀幾何角度測量...................................34

實驗九專用夾具拆裝及組合夾具組裝實驗....................38

實驗十數(shù)控線切割加工演示實驗.............................41

附錄金相顯微鏡的使用及金相試樣的制備....................42

圖1-2圖1-3

在不一致的，只是工作臺由螺桿、螺母筒與蝸輪蝸桿等腰三角形機構(gòu)所傳動。

（二）測力、示值系統(tǒng)

測力、示值系統(tǒng)的功能，是要隨時反映出作用于試件上載荷的數(shù)值。它是試驗機的心

臟部門。機械式與液壓式材料試驗機，通常都使用如圖1.3所示的擺錘式測力、示值

系統(tǒng)。二者的區(qū)別，僅在于傳遞拉力Ps的機構(gòu)不一致。機械式試驗機，足由測力杠桿

傳遞Ps力；而液壓式的，是由測力油缸的活塞傳遞Ps力。因此，它們的測力、示值原

理相同。

I.擺錘式測力、示值系統(tǒng)的工作原理。如圖1.3所示，試驗機作用于試件上的載

荷，就是作用在工作油缸上的壓力Pw。由于工作油缸與測力油缸相連通，它們

的油壓強度相等，因此測力油缸的活塞對連桿作用的拉力Ps與Pw成線性關(guān)系，

又Ps使擺桿聯(lián)同法碼揚起a擺角的同時，撥桿推動齒桿位移x,從而帶動齒動

使指針轉(zhuǎn)動。因此，指針轉(zhuǎn)動的角度小與試驗機的作用力Pw也成線性關(guān)系。它

們的關(guān)系式：

Pw=黑告cosa。?甲（1.I）

式中，Q、1、d、h、Sw、Ss與預(yù)置角a都是常量。由（1.1）式可得結(jié)論：

（1）試驗機的載荷Pw與指針的轉(zhuǎn)角力成線性關(guān)系，因此，測力度盤能夠以圓

等分刻度。

（2）當小視為常量（指針指在同一角度時），而Q視為變量，則Pw與Q成正

比關(guān)系，因此，更換祛碼重量Q能夠得到不一致的測力范圍。

國產(chǎn)試驗機，通常具有三檔不一致范圍的測力度盤，相應(yīng)地配有三個不一致重量

的祛碼。實驗時需要正確選擇、配合使用。

（3）當小視為常量，而L視為變量時，則Pw與L成正比關(guān)系。因此，更換擺

桿L也能夠得到不一致的測力范圍。

2擺錘式測力、示值系統(tǒng)的線性范圍。

式（1.1）中的載荷Pw與指針轉(zhuǎn)角由成線性關(guān)系，是在理想狀態(tài)下成立的，式中沒有考

慮到摩擦力；支承、夾具、機架受力后的變形；加工裝配中幾何尺寸的偏差，與各零件之間

的間隙等因素的影響，這些都會使Pw與力之間產(chǎn)生非線性偏差。當擺桿揚起a角較大（相

應(yīng)指針的轉(zhuǎn)角力也大）時，由于摩擦力引起的非線性誤差顯著增加，指針臨近度盤的滿度區(qū)

域，示值的精度較差。又根據(jù)國家對試驗機示值精度的規(guī)定：以每級測量范圍10%開始，

但不小于該機最大載荷的4%,誤差應(yīng)在±1%以內(nèi)?？梢娭羔樤诙缺P開始的區(qū)域內(nèi)，精度也

較差。實驗時，應(yīng)正確選擇度盤的測力范圍，通常使需要測量的載荷，最好全落在度盤的

10%?80%范圍內(nèi)。

摩擦力對試驗機進程（加載）、回程（卸載）都有影響，而在進回程中引起的是雙倍誤

差。因此，試驗機加載時，務(wù)必平穩(wěn)增加，不應(yīng)忽減。

3指針度盤式的示值機構(gòu)

普通材料試驗機均為指針度盤式的示值方式。它具有二根示值指針：一根是主動針，另

一根是從動針。假如1.1中所示。當試驗加載時，主動針帶著從動針隨載荷增加而沿刻度值

增大方向旋轉(zhuǎn)。當試驗終了卸載時，主動針自動回至零位，而從動針停示在終止的力值上，

以供充裕時間準確讀值。從動針的位置，可由手動調(diào)節(jié)。

4游鴕自動平衡式測力、示值系統(tǒng)

圖1-4

國產(chǎn)WJ-10型萬能試驗機與NJ型扭轉(zhuǎn)試驗機，都使用游鈴自動平衡式的測力機構(gòu)。這

種機構(gòu)的精度、靈敏度都比擺錘式測力、示值機構(gòu)的高，如圖1.4所示，為該機構(gòu)的工作

原理圖。水平杠桿I,支承于O點，由測力杠桿傳遞的力Ps作用于A點，當試驗機空載,

即Ps=0時，游鉉2位于M位置，使杠桿及其懸掛物處于水平平衡狀態(tài)。當試驗機承載，

即Ps卉。時，杠桿失去平衡，B點的位移使傳感器4輸出電壓，通過放大器使伺服電機3

轉(zhuǎn)動，拖動游錢移到一個新的位置N,使杠桿重新恢復水平平衡。根據(jù)先后兩次平衡重要

條件，可得Ps與x的線性關(guān)系為：

Ps二?-4-0（1.2）

式中Q、八d都是常量。即得指針的轉(zhuǎn)動角度Ps與叱成線性關(guān)系。

（三）載荷位移記錄系統(tǒng)

萬能材料試驗機的載荷位移記錄系統(tǒng)，它的通常機構(gòu)如圖1.5所示。

力值的記錄：在測力系統(tǒng)的齒桿上裝有筆架，記錄筆隨齒桿的移動而在記錄筒上描繪。

如使指針轉(zhuǎn)動一圈，記錄筆所繪直線的長度，代表該度盤的滿度力值。可作為力值的坐

標。

位移的記錄：試驗機上、下夾頭之間有相對位移時，繩線通過繩輪帶動記錄筒轉(zhuǎn)動。

記錄筆在筒紙上繪出了代表位移的線段。記錄筒上的繩輪，通常具有2?3條不一致直

徑的線槽，使描繪位移線段的長度，比真實位移放大1、2、4倍。能夠選擇使用。

圖1-5

力與位移同時記錄：當夾頭強迫試件伸長的同時，試樣不斷產(chǎn)生抗力，這時記錄筆與

記錄筒一起動作，二者的合成運動，描繪了力與變形的曲線。

應(yīng)該注意，這機構(gòu)所記錄的變形，并非試樣標距內(nèi)的真實變形，而是試驗機上、下兩

夾頭間的位移，其精度較差。假如需要大比例、高精度的P—AL曲線圖，可應(yīng)用現(xiàn)代

的電子設(shè)備，在普通的試驗機上，使用傳感器直接測量試樣的抗力與標距的變形轉(zhuǎn)化為

電訊號輸出，經(jīng)放大器接入x—y函數(shù)記錄儀，可得放大倍數(shù)為1000以上的精度圖線。

更先進的記錄，是將傳感器采集的訊息，經(jīng)A|D轉(zhuǎn)換輸入電子計算機，通過計算機數(shù)據(jù)

處理，打印出更精確的數(shù)據(jù)與曲線圖。

熟悉試驗機的要緊功能，其目的是為了更好地學握與使用試驗機。實驗測試的質(zhì)量，

除了試驗機本身達到規(guī)定的精度外，更重要的是決定于實驗者的操作技能。然而，正確、

熟練的操作技能，也反映了實驗者的水平與能力。各試驗機的具體操作方法，在附錄中

已有全面敘述。關(guān)于在實驗中將使用的試驗機，希認真閱讀與掌握。

二、拉伸試驗中四個要緊指標的測定

(-)拉伸試驗圖

通常材料試驗機都具有載荷位移記錄裝置，能夠裝試樣的抗力與變形的關(guān)系P-AL曲

線記錄卜來。

圖1-6

如圖1.6所示，為低碳鋼的P—ZXL曲線圖，以說明試樣在拉伸全過程中，它抗力與變

形的關(guān)系。其縱坐標表示載荷P,單位是公斤力(kgf),橫坐標表示絕對伸長AL,單位是

亳米(mm),整個變化過程，可分為四個階段：

0a——彈性階段。其特征是載荷與伸長成線性關(guān)系，即材料服從虎克定律。

bd——屈服階段。b為上屈服點，c為下屈服點。cd為屈服平臺。

dB一一強化階段。沿試樣長度產(chǎn)生均勻塑性變形，如今？，且有趨向于零的連續(xù)變化,

說明試樣的抗力其塑性變化為非線性增加。

BK一一局部塑性變形階段。在B點？，載荷達到最大值PB,以后轉(zhuǎn)為？的變化，表

示試樣抗力下降而變形繼續(xù)增加，出現(xiàn)頸縮。這時變形局限于頸縮鄰近，直到斷裂。

本實驗，需遵照國家標準，測定兩個指標：屈服極限。s、強度極限。b與兩個塑性指

標：伸長率6與面縮率M

(二)屈服極限的測定

I.物理屈服極限。s

按國家標準規(guī)定，關(guān)于有明顯屈服現(xiàn)象的材料，其屈服點可借助于試驗機測力度盤的

指針或者拉伸曲線圖來確定。

(1)指針法：當測力度盤的指針停止轉(zhuǎn)動時的恒定載荷，或者第一次回轉(zhuǎn)的最小載荷,

即為所求屈服點的載荷Ps。

（2）圖示法：在P—4L曲線上找出屈服平臺的恒定載荷，或者第一次下降的最載荷,

即為所求屈服點載荷Ps。如具的上、下屈服的拉伸圖，應(yīng)取下屈服點c點為屈服載荷Ps。

由于下屈服點對試驗條件的影響較小，其值較穩(wěn)固。

（3）屈服極限的計算

①二今kgf/mm2

式中AO為試樣的原始面積

2.條件屈服極限

大部分金屬材料都不存在明顯的屈服現(xiàn)象，在拉伸圖上由彈性到彈塑性的過渡是光

滑連續(xù)的，如圖1.7所示。根據(jù)國家標準規(guī)定：試樣在拉伸過程中，標距部分的殘余伸長達

到原標距長度的0.2%時的應(yīng)力為條件屈服極限。0.2。

圖1-7

（1）圖解法。如圖1.7所示的P—Z\L曲線，在其橫坐標上，截取使OD=0.2%-l?n,

從D點作彈性直線段的平行線，交曲線于B點，點B的縱坐標值，即所求的屈服載荷P0.2。

式中L為上、下夾頭間試件長度，n為夾頭位移的放大倍數(shù)，應(yīng)不小于50倍。

（2）引伸計法。由引伸計法測出試樣在殘余變形為0.2%時所對應(yīng)的載荷值為屈服載荷

P0.2。

條件屈服極限的計算式為

（7o.2=務(wù)kgf/mm2

3.試驗條件

加載速度對屈服極限有影響，通常加載速度增高時，os也增高。為了保證所測性能的

準確性，通常規(guī)定拉伸速度為：

（1）屈服前，應(yīng)力增加的速度為1公斤力/亳米m/秒。

（2）屈服后，試驗機活動夾頭移動速度不大于0.5L/分。

（三）強度極限的測定

根據(jù)國家標準規(guī)定：向試樣連續(xù)施加載荷直至拉斷。由測力度盤或者拉伸曲線上讀出最大

載荷值PMax。抗力強度的計算式為：

。尸kgf/mm2（1.5）

（四）塑性指標的測定

塑性，是指斷裂前材料發(fā)生塑性變形能力。塑性的量值，是以斷裂后的塑性變形的大小來

度量。拉伸時的塑性指標，通常以拉斷時殘余相對伸長6表示，稱之伸長率，與斷裂時截面

相對收縮力表示，稱之截面收縮率。

1.伸長率的測定

先用試樣的標距長度L0內(nèi)，用劃線器刻劃等間距的標點或者圓周細線10格。每格間距:

長試樣為10mm；短試樣為5mm。為拉斷后量測之用。

斷后標距部分長度L1的量測：將試樣拉斷后的兩段，在斷口處緊密對齊，盡量使它們

的軸線位于同一直線上，按下述方法量測L1：

直線法：如斷I」到鄰近的標距端點（或者端線）的距離大于Lo/3時，需移位換算，可

直接量測兩端點（線）間的距離L1.

移位法：如斷口到鄰近的標距端點（線）的距離小于或者等于Lo/3時，需位移換算。

移位換算方法如下：

在試樣的長段.匕如圖1.8所示，從斷口“0”處截面取基本等于短段的格數(shù)，得到B點（即令

OB=OA）o接著如圖1.8（a）所示，長段的其余格數(shù)為倡數(shù)時，則取其一半得C點，因此

LI=OA+OB+2BC（1.6a）

如圖1.8所示，長段其余格數(shù)為奇數(shù)時，則分別取其減1加與加I的一半得C與CI兩點，因此

LI=AO+OB+BC+BC1（1.6b）

伸長率的計算式為：

3=早X100%(1.7)

智、長比例試樣的伸長率，分別以85、8]0表示。

圖1-8

2.截面收縮率的測定

圓形試樣拉斷后，在頸縮最小處的兩個互相垂直方向上量測其直徑，以二者的算術(shù)平均值,

計算頸縮處最小橫截面積Ai；板狀試樣的斷口如圖1.9所示，用頸縮處最大寬度曲乘以最

小厚度ai算得斷面截面積Ai。

微面收縮率的計算式：

圖1-9

3.量測精度與結(jié)果處理

按技術(shù)標準規(guī)定，所量測的量具都應(yīng)達到三位有效數(shù)字的精度，計算結(jié)果應(yīng)以三位有效數(shù)

字表達。

如不符合國家規(guī)定，斷裂在標距端線上或者標距端線外，或者二個、二個以上的頸縮等情況,

實驗無效。

三、拉伸試樣

拉伸試樣的形狀，通常有圓形試樣與板狀試樣兩種。在標準中曾規(guī)定的“標準圓形試

樣”尺寸為：dO=20mm,L0=200mm,即L0=10do,稱長試樣

d0=20mm,L0=200mm,即L0=5do,稱短試樣

將LO=lOdO,L0=5dO,A0=Jid0d0/4代入（1.9）式，分別得

Zo=K74（⑼

因此（長試樣）（1.10a）

4=5.65（短試樣）（1.10b）

假如由于原材料或者其它原因限制，不能使用標準式樣時，只要試樣尺寸滿足（1.10）

式的試樣，都稱之比例試樣。GB228—76中規(guī)定，關(guān)于鋼試樣通常使用do=10mm長、短比

例試樣。關(guān)于板狀長、短比例試樣，也應(yīng)滿足（1.10）。關(guān)于圓形試樣，其各部分同意偏差

及表面加工光潔度應(yīng)符合圖1.10的規(guī)定。

圖1-10

試樣標距部分直徑do的同意偏差±0.2。試樣標距長度內(nèi)最大與最小直徑的同意差值

0.05o

L=L0+100mm,最小R=3mm0

試樣頭部的形狀及尺寸，可按材料與試驗機的夾具等條件自行設(shè)計。

四、實驗過程

測定低碳鋼、鑄鐵的拉伸機械性能

［實驗?zāi)康模?/p>

練習材料在拉伸時機械性能的測試方法

［實驗項目］

1.觀察低碳鋼、鑄鐵試樣在拉伸全過程中的各類現(xiàn)象。

2.熟悉低碳鋼、鑄鐵在拉伸全過程中，抗力與變形的相互關(guān)系，并繪制P—Z\L拉伸

曲線圖。

3.測定低碳鋼的幾個要緊拉伸機械性能的指標，屈服極限。s,強度極限。b,伸長率

6,與斷面收縮率力，與鑄鐵的抗拉強度極限。b。

［實驗要求］

1.測試方法：

遵守國家技術(shù)規(guī)定，測試拉伸性能指標的訓練。

2.數(shù)據(jù)處理：

學習掌握測量中的有效數(shù)字及其運算。

3.操作技能：

繼續(xù)練習萬能試驗機的操作方法。

［設(shè)備與試樣］

1.材料試驗機一臺

2.游標尺、千分尺各一把。

3.低碳鋼、鑄鐵標準（或者比例）試樣各一根，

［內(nèi)容與步驟］

1.量測試樣直徑。在試樣標距長度的兩端與中間三處用千分尺量測直徑，為了消除截

面橢圓度的誤差，應(yīng)在每處以相互垂宜方向量測，取算術(shù)平均值。在強度計算時，考慮到試

樣從最薄弱處開始破壞，應(yīng)取三處平均直徑中的最小直徑。測量精度至少達到0.02mm。

2.試樣劃線。為了觀察低碳鋼試樣拉斷后的變形分布情況，在試樣的標距長度內(nèi)，用

劃線器等間距劃10格。如K試樣間距為10mm；短試樣則為5mm。鑄鐵試樣不必劃線。

3.試驗機的準備工傳

選擇測力度盤，配置相應(yīng)的跌碼，將試驗機的測力指針調(diào)到零位。

安裝試樣

調(diào)整載荷位移記錄機構(gòu)

4.檢查與試車。在教師檢查、同意下，以手動或者緩慢加載試車，觀察測力機構(gòu)、繪

圖機構(gòu)運行是否正常。然后卸載，使測力指針接近回零，將試驗機處于待令工作狀態(tài)。

5.實驗測試。加載人員集中精力，手動或者慢速機動操作試驗機，使試樣受到均勻、

緩慢的載荷而變形。

注意觀察試樣、觀察測力指針與記錄圖在拉伸過程中的全部現(xiàn)象，特別低碳鋼試樣在

屈服時其表面的變化，測力指針的擺動與記錄圖的形狀；記下指針停止轉(zhuǎn)動時的恒定值，或

者第一次回轉(zhuǎn)的最小值，為屈服載荷Ps,臨近頸縮時試樣表面的變化，頸縮現(xiàn)象，直到試

樣斷裂，記錄指針的最大載荷Pmax,取下試樣，觀察與分析試樣斷口，與考察物理現(xiàn)象。

取FI已錄曲線圖，實驗完畢，將試驗機各機構(gòu)恢更原位。

6.量測低碳鋼斷裂試樣。

［注意事項］

1.臨開機前，務(wù)必認真檢查，排除遺漏與誤失。在教師同意下才開動試驗機。

2.開始加載要緩慢，特別是油壓試驗機，防止油門開得過大，引起載荷沖擊突加，容

易造成事故。

3.試樣安裝務(wù)必正確，防止偏斜與夾入過短。

4.運行時，如發(fā)現(xiàn)特殊（如聲音、氣味或者機構(gòu)失靈等），應(yīng)立即停車，排除故障。

［預(yù)習與準備］

1.熟悉金屬材料拉伸機械性能的意義與測試方法。

2.掌握量測試樣的方法與規(guī)定，注意量具與有效數(shù)字的應(yīng)用。實驗前后要量測試樣的

什么尺寸，事先畫好數(shù)據(jù)記錄表格。

3.拉伸過程中要觀察什么現(xiàn)象，注意兒個變形階段，如何記錄應(yīng)測的數(shù)據(jù)等，亦應(yīng)畫

在數(shù)據(jù)記錄的表格內(nèi)。

4.假如低碳鋼的強度極限。b=4000kgf/cm2左右，預(yù)先合理選擇測力度盤與配置秩碼。

［實驗報告］

材料力學實驗報告（供參考）

實驗二口期:

實驗名稱:

實驗設(shè)備:

實驗?zāi)康?

（一）試樣尺寸記錄

原始尺寸

材標直徑do(nun)截面

料距截面I截面II截面m面積A0

L0(mm)12平均12平均12平均

低碳鋼

鑄鐵

材料斷后尺寸

標距L1斷裂處直徑dl（mm）斷裂處截面

低碳鋼(mm)12平均面積

（二）實驗記錄

實驗數(shù)據(jù)記錄

材料屈服載荷Ps（kgf）最大載荷Pb（kgf）

低碳鋼

鑄鐵

實驗圖象記錄

圖形低碳鋼鑄鐵

P—AL

曲線

斷口

形狀

（三）計算結(jié)果

低碳鋼:

2

屈服極限：G二今二kgf/mm=MP（f

強度極限：5二￡kgf/mm2=MP”

伸長率：3=驢乂100%=%

*0

面縮率：W=*LX1OO%=%

鑄鐵：

2

強度極限：。尸導kgf/mm=MPa

（四）實驗結(jié)果討論

比較低碳鋼所代表的塑性材料與鑄鐵所代表的脆性材料，它們的拉伸時機

械性能的共同點與不一致點。

實驗二硬度試驗

一、實驗?zāi)康?/p>

（1）熟悉布氏硬度.洛氏硬度的要緊構(gòu)造及操作方法。

（2）初步掌握布氏硬度值.洛氏硬度值的測定方法。

（3）初步建立碳鋼的含碟量與其硬度間的關(guān)系與熱處理能改變材料硬度的概驗。

二、實驗概述

硬度實驗設(shè)備簡單，操作迅速方便，不需要專門制各試樣，也不破壞被測試的工件。此

外，在工業(yè)生產(chǎn)中，被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品質(zhì)量的檢驗。此外，硬度值與其他力學性能及某些工

藝性能（如切削加工性.冷成形性等）都有一定的聯(lián)系，故在產(chǎn)品設(shè)計圖樣的技術(shù)條件中，

硬度是一項要緊技術(shù)指標，

目前，在測定硬度的方法中，最常用的是壓入硬度法。其中以不氏硬度與洛氏硬度應(yīng)用

最廣。它們的試驗原理都是用一定幾何形狀的壓頭在一定載荷下壓入被測金屬材料的表面，

根據(jù)壓頭被壓入的程度來則定其硬度值。

1.布氏硬度

布氏硬度試驗方法是將一直徑為D的淬火鋼球或者硬質(zhì)合金球在規(guī)定載荷F作用卜壓入被

測試金屬表面，停留一定時間后卸除載荷，在被測試金屬表面上形成一個直徑d的壓痕。計

算出壓痕單位面積所承受的平均壓力，以此作為被測試金屬的布氏硬度值。但實際試驗是都

是用讀數(shù)顯微鏡測出壓痕直徑d,再根據(jù)d值，查參照表得出所測的硬度值。

當壓頭為淬火鋼球時，硬度符號為HBS,適用于布氏硬度值低于450的金屬材料：當

壓頭為硬質(zhì)合金球時，硬度符號為HBW,適用F布氏硬度值為450?650的金屬材料。

在進行布氏硬度試驗時，應(yīng)根據(jù)被測試金屬材料的種類與試樣厚度，選用不一致大小

的球體直徑D.施加載荷F保持時間。按GB231-84規(guī)定，球體直徑有1052.52與lmn15

種；載荷與球體直徑平方的比值（F/D*D）有30151052.51.25與1七種，根據(jù)金

屬材料的種類與布氏硬度值，可按表2-1選定F/D*D：載荷的保持時間：黑色金屬為1（）?15s,

有色金屬為30s,布氏硬度值小于35時為60s。

表2-1布氏硬度試臉的F/D2值的選擇（摘自GB231-84）

材料布氏硬度F/D2

<14010

鋼及鑄鐵

>14030

<355

銅及其合金35?13010

>13030

<352.5（或者1.25）

輕金屬及合金35?13010（或者5、15）

>8010（或者15）

鉛、錫1.25（或者1）

布氏硬度試驗大因壓痕面積較大，能反映較大范圍內(nèi)被測試金屬的平均硬度，故試

驗結(jié)果較準確。但壓痕較大，不宜測試成品或者薄片金屬的硬度。

2.洛氏硬度

洛氏硬度試驗方法是以一個錐頂角為120度的金剛石圓錐體或者直徑為1.558mm（1/I6in）

的鋼球為壓頭，在先后兩次載荷（初載荷與主載荷）作用下，壓入被測試金屬表面，然后卸

除主載荷，在保留初載荷情況下，測出由主載荷引起的塑性變形的壓入深度h,再由h值確定

洛氏硬度值。H值愈大時，被測試金屬的洛氏硬度值愈低；反之，則愈高。在實際實驗時，

都是由硬度計的指示器表盤上直接讀出所測的硬度值。

洛氏硬度試驗時，可用不一致壓頭與不一致的主載荷構(gòu)成不一致的洛氏硬度標尺。最常

用的是HRAHRBHRC三種其中HRC適用于測量硬度值高于230HBs的較硬金屬;HRB

適用于測量硬度值低于23OHBS的較軟金屬；HRA適用于測量硬脆的金屬材料或者淺層表

面硬化的金屬。

洛氏硬度試驗操作迅速簡便，且壓痕較小，能夠測定成品或者較薄金屬的硬度，故目前

生產(chǎn)上應(yīng)用廣泛。

退火狀態(tài)碳鋼的硬度通常是隨著含碳量的增加而逐步增加。

三、實驗設(shè)備

1.布氏硬度試驗

圖2-1HB-3000型布氏硬度計

1-電動機2—手輪8-工作臺4一試樣5-壓頭6一壓軸,

，一小杠桿8一搖桿9-大杠桿10-連桿”一般碼12一減速器

布氏硬度試驗要緊設(shè)備有布氏硬度計與讀數(shù)顯微鏡。常見的布氏硬度計有液壓式與機械

式兩大類。圖2-1為HB-3000型機械式布氏硬度計。試驗時，將試樣4放在工作臺3上，

按順時針方向轉(zhuǎn)動手輪2,使工作臺上升至試樣與壓頭，接觸，并在手輪打滑后再開電動機

1,經(jīng)二級蝸輪蝸桿減速湍減速后，驅(qū)動連桿10與遙桿8向下運動，如今壓頭在祛碼11通

過大杠桿9小杠桿7及壓軸6作用下，以一定大小的載荷壓入試樣。停留一定時間后，電

動機自動反轉(zhuǎn)，曲柄連桿帶動遙桿上升而卸除載荷。在關(guān)閉電動機后，反時針方向轉(zhuǎn)動手輪,

使工作臺下降并取下試樣，最后用讀數(shù)顯微鏡測出壓痕直徑d,如圖2-2所示，根據(jù)d的大

小查表即可求得布氏硬度值。

鍍筒

圖2-2測意壓痕直徑示意圖

2.洛氏硬度試驗

圖2-3H-100型洛氏硬度計

1一按鈕2-手柄S-手輪4-轉(zhuǎn)盤5-工作臺6一試梯7—壓頭

8—壓“，一揭示普衰盤10一杠桿1：一昧碼12-第吁13-黑世

輪14一由條15一緩沖外

我國生產(chǎn)的洛氏硬度試驗計有H-100HR-150DTHR4-150AT等多種型式。圖2-3為

H-10型洛氏硬度計。試驗時將試樣6放在工作臺5上按順時針方向轉(zhuǎn)動手輪3,使工作臺

上升至試樣與壓頭7接觸，繼續(xù)轉(zhuǎn)動手輪，通過壓頭與壓軸8頂起杠桿10,并帶動指示盤9

的指針轉(zhuǎn)動，洛氏硬度指示器表盤如圖2—4所示。待指示器表盤中小針對準黑點，大針置

于垂直向上位置時（左右偏移不超過5格），試樣即施加了lOKgf（lkgf=9.8N）的初載荷。

隨后轉(zhuǎn)動指示器表盤，使大針對準“0"（測HRB時對準“30”），再按下按鈕1釋放轉(zhuǎn)盤：4,

在祛碼11重量的作用下，頂桿12便在緩沖器15的操縱下勻緩下降，使主載荷通過杠桿壓

軸與壓頭作用于試樣上。停留數(shù)秒鐘后再扳動手柄2,使轉(zhuǎn)盤順時針方向轉(zhuǎn)動至原先被鎖住

的位置。由于轉(zhuǎn)盤上齒輪使扇齒輪13齒條14同時運轉(zhuǎn)而將頂桿頂起，卸除了主載荷。這

時指示器指針所指的讀數(shù)卻為所求的洛氏硬度值（HRC與HRA讀外圈黑色的C標尺，HRB

讀內(nèi)圈紅色的B持標尺）。

圖2-4洛氏硬度指示器表盤

四、實驗材料

布氏硬度退火狀態(tài)的低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼

洛氏硬度淬火狀態(tài)的低碳鋼、中碳鋼，高碳鋼

五、實驗步驟及注意事項

1.布氏硬度試驗

（I）清理試樣表面.被測表面應(yīng)是無氧化皮及外來污物的光潔表面，以保證能準確測

量壓痕直徑。

（2）根據(jù)試樣材料及厚度，按布氏硬度試驗規(guī)范選擇鋼球壓頭的直徑載荷大小及載

荷保持時間。

（3）把試樣穩(wěn)固地放在硬度計工作臺上，按布氏硬度計的操作順序進行表面留下一個

壓痕。試驗時，應(yīng)使載荷均勻平穩(wěn)地垂直施加于試樣的測試表面，不得有沖擊或者宸動。

（4）移動試樣后重做一次試驗，使試樣表面又留下一個壓痕。為了使實驗結(jié)果精確，

相鄰兩壓痕的中心距離；應(yīng)不小于壓痕直徑的4倍；壓痕中心距試樣邊緣的距離不小于壓痕

直徑的2.5倍:壓痕直徑d的大小應(yīng)在0.24?D?0.6D范圍內(nèi)；壓痕深度應(yīng)小于試樣厚度的1/10。

（5）自工作臺上取下試樣，用讀數(shù)顯微鏡在相互垂直方向上測量壓衡直徑，然后計算

其平均值并作好記錄。

（6）根據(jù)壓痕宜徑d,查參照表求得各試樣的布氏硬度值。

2.洛氏硬度試驗

（1）清理試樣表面。被測表面應(yīng)無油脂、氧化皮、裂紋、凹坑、顯著的加工痕跡與其

它外來污物。

(2)根據(jù)試樣材料選擇壓頭及載荷。根據(jù)試樣形狀選擇合適的工作臺。工作臺表面、

試樣的支承面與壓頭表面均應(yīng)清潔。

(3)把試樣穩(wěn)固地放在硬度計工作臺上，按洛氏硬度計的操作順序進行試驗。試驗中

務(wù)必保證載荷平穩(wěn)地垂直施加于試樣的測試表面，不得有沖擊或者震動。然后有指示器上讀

得硬度值并作好記錄。

(4)移動試樣，并在另一位置繼續(xù)進行試驗，兩相鄰壓痕中心距離或者任一壓痕中心距

試樣邊緣距離通常不得小于3mm。前后共測三點，計算后兩次試驗得出硬度值的平均值，

并作好記錄。

六實驗報告

(I)根據(jù)選用的試驗規(guī)范與記錄數(shù)據(jù)填寫下表。

布氏硬度

\項目

試驗規(guī)范試驗結(jié)果

載荷停留第一次

試驗材米\鋼球直徑載荷F

F/D2時間壓痕直徑硬度值

及處理狀態(tài)\D(mm)(kgf)

(s)d(mm)HBS

\項目

試驗結(jié)果換算成洛氏硬度值

第二次

平均硬度值

試驗材不、HRCHRB

壓痕直徑硬度值HBS

及處理狀態(tài)\d(mm)HBS

洛氏硬度

\項目試驗規(guī)范測得硬度值

換算成布

氏硬度值

總載荷硬度平均硬

試驗材分、壓頭第一次第二次第三次HBS

F(kgf)標尺度值

及處理狀久

（2）根據(jù)本實驗中布氏硬度試驗測得的硬度值，分析退火狀態(tài)碳鋼的含碳量與硬度間的

關(guān)系，并畫出其關(guān)系曲線圖。

實驗三沖擊試驗

一、實驗?zāi)康?/p>

（1）熟悉沖擊試驗機的要緊構(gòu)造及操作方法。

（2）初步掌握金屬材料韌性的測定方法。

（3）初步建立碳鋼的含碳量于其沖擊韌度間的關(guān)。

二、實驗概述

一次沖擊彎曲試驗是測定金屬材料韌性的常用方法.它是將一定尺寸與形狀的金屬試樣

放在試驗機的支座上，再將一定重量的擺錘升高到一定高度，使其具有一定位能，然后讓擺

錘自由下落將試樣沖斷。擺錘沖斷試樣所消耗的能量即為沖擊汲取功Ak,Ak值的大小代表

金屬材料韌性的高低。但習慣上仍使用沖擊韌度值ak表示金屬材料韌性。沖擊韌度ak是用

沖擊汲取功Ak除以樣式斷口處的原始橫切面積S來表示的。

退火狀態(tài)碳鋼的韌性隨著含碳量的增加而下降。

三、實驗設(shè)備及用品

沖擊試驗要緊設(shè)備與用品為沖擊試驗機與測量試樣尺寸用的游標卡尺。沖擊試驗機有手

動與半自動兩種。圖3-1為手動擺錘式?jīng)_擊試驗機的外形結(jié)構(gòu)。

手筋盤椽黃冷擊注驗機

.1一支座每口I2—捷什?，上一剃度盤

4一律?。?4千％/號包J一層管

試驗時先把手柄5撥至“預(yù)備”位置，然后將擺錘7稍加抬起并固定后，把試樣放在支

座鉗口1上，再把擺錘抬到試驗高度，使插銷插入擺軸6的支槽內(nèi)，待一切準備完畢后，將

手柄由“預(yù)備”位置撥至“沖擊”位置，這時擺錘就以擺軸為旋轉(zhuǎn)中心而自由下落。

當擺錘沖斷試樣后，其剩余能量有使擺錘向另一方向揚起一定高度，這時將手柄再撥至

“停止”位置，使擺捶停止擺動。

試樣的沖擊汲取功Ak值由指針4指示。由于當擺掩自由下落時，待撥針碰到指針時，

又帶動指針一起轉(zhuǎn)動。但當擺捶回擺，撥針反轉(zhuǎn)時，指針停止不動。這時指針在刻度盤3

上指出的讀數(shù)，即為試樣所承受的沖擊汲取功值。

半自動擺捶式?jīng)_擊實驗機的構(gòu)造原理與手動的基本相同，但擺捶的上揚掛擺.下落沖擊

與制動等均由電氣機械操縱，免去了人工揚擺的勞動。

四、沖擊試樣及實驗材料

按GB229—84與GB2106-80規(guī)定，沖擊試驗標準試樣有夏比U型缺口試樣與夏比V

型缺口試樣兩種。習慣上前者簡稱之梅式試樣，后者為復式試樣。兩種試樣的尺寸及加工要

求如圖3-2與圖3-3所示。

二

念

27.5±0.S0

+2I

圖3—2夏比U型缺口試樣

,??0.25±0.025

圖3—3夏比V型缺口試樣

每實驗小組所用的實驗試樣為退火狀態(tài)的低碳鋼.中碳鋼.高碳鋼沖擊試樣各一根.材料

分別使用20鋼.45鋼與T12鋼。

五、實驗步驟

（I）檢查試樣有無缺陷，試樣缺口部位通常不能劃傷或者銹蝕。

（2）用精度不低于0.02mm的量具測量試樣缺口處的斷面尺寸，并記下測量數(shù)據(jù)。

（3）檢查擺捶空打時的指針是否指零（即擺捶自由地處在鉛垂位置時，使指針緊靠撥針

并對最大打擊能量處，然后揚起擺捶空打，指針指示零位），其偏離不應(yīng)超過最小分度的1/4。

（4）放置沖擊試樣。試樣應(yīng)緊貼支座，并使試樣缺口背向擺捶的刀刃，然后用找正樣板

使試樣處于支座的中心位置。

（5）按沖擊試驗機的慷作順序?qū)_擊試樣沖斷。

（6）讀出指針在刻度盤上指出的沖擊汲取功Ak值，并做好記錄。

（7）觀察試樣的斷口特征。

六、實驗注意事項

（1）在試驗機擺捶運動的平面內(nèi)，嚴禁站人，以防因擺捶運動或者沖斷的試樣飛出傷人。

（2）未經(jīng)許可不準隨便搬動擺捶與操縱手柄。

（3）在裝置沖擊試樣時，應(yīng)將擺捶用支架支住。切不可將擺捶抬高到預(yù)備位置，以防擺

錘偶然落下時造成嚴重事故。

（4）當手柄在“預(yù)備”位置，擺捶已上揚至預(yù)定的試驗高度后，應(yīng)平穩(wěn)緩慢地將手放開,

并使插銷插入擺軸的槽內(nèi)，以防放手過急而沖斷插銷。

（5）當試樣被沖斷而理捶尚在擺動時，不能將手柄撥回至“預(yù)備”位置，以防插銷的頭

部與擺捶發(fā)生摩擦或者插銷有可能插入擺捶的槽內(nèi)而被沖斷。

（6）試樣沖斷時如有卡錘現(xiàn)象，則數(shù)據(jù)無效。

七、實驗報告

（I）根據(jù)實驗記錄滇寫下表。

試驗材料試驗試樣缺口處斷面尺寸沖擊吸沖擊韌性斷口

及其處理高寬斷面積收功Akak

狀態(tài)溫度(cm)(cm)(cm2)(J)(J/cm2)特性

(2)根據(jù)實驗測得的沖擊韌度值，分析退火狀態(tài)碳鋼的含量與沖擊韌度見的關(guān)系，并畫出

其關(guān)系曲線圖。

(2)實驗中會影響材料沖擊韌度值的因素有什么？本實驗測得的沖擊韌度值是否精

確？為什么？

(3)

實驗四鐵碳合金平衡組織分析

一、實驗?zāi)康?/p>

1.觀察與識別鐵碳合金（碳鋼與白口鐵）在平衡狀態(tài)下的顯微組織。

2.熟悉鐵碳合金的成分、組織與性能之間的對應(yīng)變化關(guān)系。

3.熟悉金相顯微鏡的使用。

二、概述

利用金相顯微鏡觀察金屬的組織與缺陷的方法稱之顯微分析：所看到的組織稱之顯微組

織。

合金在極緩慢冷卻條件（如退火狀態(tài)）下得到的組織為平衡組織。鐵碳合金的平衡組織

能夠根據(jù)Fe-C相圖來分析。從相圖可知，所有碳鋼與白口鐵在溫室時的組織均由鐵素體與

滲碳體構(gòu)成。但由于含碳量的不一致，結(jié)晶條件的差異，鐵素體與滲碳體的相對數(shù)量，形態(tài),

分布與混合情況不一樣，因而將構(gòu)成各類不一致特征的組織或者組織構(gòu)成物，其基本特征如

下：

1.鐵素體（F）是碳溶于aFe中的固溶體，由良好的塑性，硬度較低（HB80?120）,

經(jīng)3?5%硝酸酒精溶液浸蝕后，在顯微鏡卜.呈白色大粒狀。隨這鋼中含碳量的增加，鐵素

體量減少。鐵素體量較多時呈塊狀；當含碳量接近于共析成分時，往往呈斷續(xù)的網(wǎng)狀，分布

在珠光體的周圍。如圖4-1所示。

工業(yè)純鐵的顯微組織20鋼的顯微組織

45鋼的顯微組織T10鋼的顯微組織

圖4-1

2.滲碳體（Cm）是鐵與碳的化合物，含碳最為6.69%,抗浸蝕能力較強。經(jīng)3?5%硝

酸酒精溶液浸蝕后呈白亮色；若用苦味酸鈉溶液熱浸蝕，則被染成黑褐色，而鐵素體仍為白

色，由此可區(qū)別開鐵素體與滲碳體。滲碳體的硬度很高，達HB800以上；脆性很大，強度

與塑性很差。通過不一致的熱處理，滲碳體能夠呈片狀、粒狀或者斷續(xù)網(wǎng)狀。

3.珠光體（P）鐵素體與滲碳體的共析混合物，有片狀與珠狀兩種。

（1）片狀珠光體通常經(jīng)退火得到，是鐵素體與滲碳體交替分布的層片狀組織,

疏密程度不一致。經(jīng)3?5%硝酸酒精溶液或者苦味酸溶液浸蝕后，鐵素體與滲碳體皆呈白亮

色，但其邊界被浸蝕呈黑色線條。在不一致放大倍下觀察是，組織具有不太一樣的特征。

在高倍（600倍以上）下觀察時，珠光體中平行相間的寬條鐵素體與細條滲碳體都呈白

亮色，而其邊界呈黑色（圖4?2）。

圖4-2

中倍（400倍左右）觀察時，白亮色滲碳體被黑色邊界所“百食”而成為細黑條。這時

看到的珠光體時寬白條鐵索體與細黑條滲碳體的相間混合物（圖4-3）。

圖4-3

低倍（200倍下列）觀察時，連寬白條的鐵素體與細黑條的滲碳體也很難分辨，這時,

珠光體為黑塊組織（見圖4-1中的確良珠光體）。

（2）球狀珠光體共析鋼或者過共析鋼經(jīng)球化退火后，得到球狀滲碳體。經(jīng)3?5%

硝酸酒精浸蝕后，球狀珠光體為白色鐵素體基體上均勻分布這白色滲碳體小顆粒，其邊界為

黑圈（圖4-4）。

圖4-4

根據(jù)鋼的組織，估計出各組織成的相對量，便可利用杠桿定律算出含碳量。

4.萊氏體（Ld）在溫室時是珠光體與滲碳體的混合物。如今，滲碳體中包含共晶

滲碳體與二次滲碳體兩種，但它們相連在一起而分辨不開.經(jīng)3?5%硝酸酒精溶液侵蝕后，

萊氏體的組織特征是，在向亮的滲碳基本上均勻分布著途多黑點（塊）狀或者條狀珠光體（圖

4-5）。

圖4-5共晶白口鐵圖4-6亞共晶白口鐵

萊氏體組織硬度很高，達HB700,性脆。通常存在于含碳最大于2.11%的白口鑄鐵中,

在某些高碳合金鋼的鑄造組織中也?？梢?。

亞共晶白口鑄鐵的組織包含：萊氏體、呈黑粗樹枝態(tài)分布的珠光體及其周圍白亮圈的二

次滲碳體（圖4-6）o二次滲碳體與萊氏體中的滲碳體相連,無界線.無法區(qū)別。

過共品白口鑄鐵的組織是：萊氏體與長白條一次滲碳體（圖4-7）

圖4-7過共晶白口鐵

三、實驗內(nèi)容

1.觀察表1-1中說列樣品的顯微組織并聯(lián)系鐵碳相圖分析各組織的形成過程。

實驗要求觀察的樣品

序號樣品名稱狀態(tài)顯微組織浸蝕劑

1工業(yè)純鐵退火F4%硝酸酒精

20.45%碳鋼同上F+P同上

30.8%碳鋼同上P同上

41.2%碳鋼同上P+Fe3cli同上

5亞共晶白口鑄鐵鑄鐵P+Fe3Cll+Ld同上

6共晶白口鑄鐵同上Ld同上

7過共品白口鑄鐵同上Ld-Fe3Cll同上

8未知鐵碳合金退火同上

2.熟悉金相顯微鏡的大致構(gòu)造與正確使用方法/

3.繪出所觀察樣品的顯微組織示意圖/

4.分析未知式樣：指出它牯何種鋼或者鑄鐵；是什么組織；用杠桿定律估算出大致含微量，

并通過各類組織構(gòu)成物的相對含量估算出它的大致硬度（HB）。

四、實驗報告要求

1.寫出實驗?zāi)康募皩嶒灪喢髟怼?/p>

2.畫出所有樣品的顯微組織示意圖（用箭頭與代表符號標明各組織構(gòu)成物、并注明材料、放

大倍數(shù)與浸蝕劑）。

3.根據(jù)所觀察組織，說明含碳量對鐵碳合金的組織與性能的影響的大致規(guī)律。

4.利用杠桿定律確定（或者估算）未知試樣的含碳量與大致硬度（HB）。

五、思考題

1.珠光體組織在低倍觀察與高倍觀察時有何不一致？為什么？

2.如何鑒別0.6%C鋼的網(wǎng)狀鐵素體與1.2%C鋼的網(wǎng)狀滲碳體？

3.二次滲碳體呈網(wǎng)狀分布時，對鋼材的機械性能有何影響？如何才能避免？

4.滲碳體有幾種？它們的形態(tài)有什么區(qū)別？

實驗五鋼的熱處理

一、實驗?zāi)康?/p>

I.熟悉碳鋼的幾種基本熱處理（退火、正火、淬火及回火）操作方法。

2.熟悉含碳量、加熱溫度、冷卻速度、回火溫度等要緊因素對碳鋼熱處理后性能（硬度）的

影響。

3.學會洛氏硬度計的使用。

二、概述

鋼的熱處理就是通過加熱，保溫與冷卻改變其內(nèi)部組織，從而獲得所要求的物理、化

學、機械與工藝性能的一種操作方法。通常熱處理的基本操作有退火、正火、淬火及回火等。

熱處理操作中，加熱溫度、保溫時間與冷卻方式是最重要的三個基本工藝因素，正確

選擇它們的規(guī)范，是熱處理成功的基本保證。

1.加熱溫度

（1）退火加熱溫度對亞共析鋼是Ac3+（30?50C）（完全退火）共析鋼與過共所鋼

是Ac+（30?50℃）（球化退火）。

（2）正火加熱溫度對亞共析鋼是Ac3+（3O~5O℃）；過共析鋼是Accm+（30?50C）,

即加熱至奧氏體單相區(qū)。

退火與正火的加熱溫度范圍見圖5-1o

（3）淬火加熱溫度對亞共析鋼是Ac3+（3O?50C）：過共析鋼是Accm+（30?50℃）,

見圖5-2。

0*20*40*60.8l*i）L2L4

%（％）

圖5.1退火、正火加熱溫度圖5-2淬火加熱溫度

（4）鋼淬火后要回火。回火溫度決定于最終所要求的組織與性能（工

廠中常根據(jù)硬度的要求）。按加熱溫度，回火分為低溫、中溫、高溫回火三類。

低溫回火是在150?250c進行回火，所得組織為回火馬氏體，硬度約為HRC6O。

中溫回火是在350?500c進行回火，所得組織為回火屈氏體，硬度約為HRC35?45.

高溫回火是在（500?650C）進行回火，所得組織為回火索素體，硬度為約為

HRC25?35。

高于650C的回火得到回火珠光體，能夠改變高碳鋼的切削性能。

2.保溫時間

為了使工件各部溫度均勻化，完成組織轉(zhuǎn)變，并使碳化物完全溶解與奧氏體成分均勻一

致，務(wù)必在淬火加熱溫度下保溫一定時間。通常將工件升溫與保溫索需時間計算在一起，并

統(tǒng)稱之加熱時間。

熱處理加熱時間務(wù)必考慮許多因素，比如工件的尺寸與形狀、使用的加熱設(shè)備及裝爐量、

裝爐溫度、鋼的成分與原始組織、熱處理的要求與目的等，具體時間可參考有關(guān)手冊中的數(shù)

據(jù)。

實際工作中多根據(jù)經(jīng)驗估算加熱時間。通常規(guī)定，在空氣介質(zhì)中，升到規(guī)定溫度后的保

溫時間，碳鋼按工件厚度每亳米需一分至一分半鐘估算；合金鋼按每亳米兩分鐘估算。在鹽

溶爐中，保溫時間可縮短1?2倍。

3.法冷卻方

熱處理的冷卻方法務(wù)必適當，才能獲得所要求的組織與性能。

退火通常使用隨爐冷卻。

正火（或者?；┧褂每諝饫鋮s，大件常進行吹風冷卻。

淬火的冷卻方法非常重要。一方面冷卻速度要大于臨界冷卻速度，以保證得到馬氏體

組織；另一方面冷卻速度應(yīng)當盡量緩慢，以減少內(nèi)應(yīng)力，避免變形與開裂。為了調(diào)與上述矛

盾，能夠使用特殊的冷卻方法，使加熱工件在奧氏體最不穩(wěn)固的溫度范圍內(nèi)（650?55OC）

快冷，超過臨界冷卻速度，而在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度（300?