《工程材料及热加工》实验指导书

1工程材料及热加工实验指导书湖北文理学院机械与汽车工程学院机械基础教研室2实验一硬度实验一、实验目的1、了解布氏硬度计、洛氏硬度计、里氏硬度计的主要构造及操作方法。2、初步掌握布氏硬度值、洛氏硬度值、里氏硬度值的测定方法。3、初步建立碳钢的含碳量与其硬度间的关系和热处理能改变材料硬度的概念。二、实验概述硬度试验设备简单，操作迅速方便，不需要专门制备试样，也不破坏被测试的工件。因此，在工业生产中，被广泛应用于产品质量的检验。此外，硬度值与其他力学性能及某些工艺性能（如切削加工性、冷成形性等）都有一定的联系，故在产品设计图样的技术条件中，硬度是一项主要技术指标。目前，在测定硬度的方法中，最常用的是压入硬度法。其中以布氏硬度和洛氏硬度应用最广。它们的试验原理都是用一定几何形状的压头在一定载荷下压入被测金属材料的表面，根据压头被压入的程度来测定其硬度值。1、布氏硬度布氏硬度试验方法是将一直径为D的淬火钢球或硬质合金球在规定载荷F的作用下压入被测试金属表面，停留一定时间后卸除载荷，在被测试金属表面上形成一个直径为d的压痕。计算出压痕单位面积所承受的平均压力，以此作为被测试金属的布氏硬度值。但实际试验时都是用读数显微镜测出压痕直径d，再根据d值，查对照表得出所测的硬度值。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450～650的金属材料。在进行布氏硬度试验时，应根据被测试金属材料的种类和试样厚度，选用不同大小的球体直径D、施加载荷F和载荷保持时间。布氏硬度试验法因压痕面积较大，能反映出较大范围内被测试金属的平均硬度，故试验结果较准确。但因压痕较大，不宜测试成品或薄片金属的硬度。2、洛氏硬度洛氏硬度试验方法是以一个锥顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588mm)161(in的钢球为压头，在先后两次截荷（初载荷与主载荷）作用下，压入被测试金属表面，然后卸除主截荷，在保留初载荷情况下，测出由主截荷引起的塑性变形的压力深度h，再由h值确定洛氏硬度值。h值愈大时，被测试金属的洛氏硬度值愈低；反之，则愈高。在实际试验时，都是由硬度计的指示器表盘上直接读出所测的硬度值。洛氏硬度试验时，可用不同压头和不同的主载荷组成不同的洛氏硬度标尺。最常用的是HRA、HRB、HRC三种，其中HRC适用于测量硬度值高于230HBS的较硬金属；HRB适用于测量硬度值低于230HBS的较软金属；HRA适用于测量硬脆的金属材料或浅层表面硬化的金属。洛氏硬度试验操作迅速简便，且压痕较小，可以测定成品或较薄金属的硬度，故目前生产上应用广泛。退火状态碳钢的硬度一般是随着含碳量的增加而逐渐增加。3、里氏硬度●工作原理用规定质量的冲击体在弹力作用下，以一定速度冲击试样表面，用冲头在距试样表面1mm处回弹3速度与冲击速度的比值计算硬度值。计算公式如下：HL＝1000×VB/VA式中：HL——里氏硬度值VB——冲击体回弹速度VA——冲击体冲击速度●适用范围碳钢、铸铁、合金钢●主要用途已安装的机械或永久性组装部件。模具型腔。重型工件。压力容器、汽轮发电机组及其设备的失效分析。试验空间很狭小的工件。轴承及其它零件。要求对测试结果有正规的原始记录。金属材料仓库的材料区分。大型工件大范围内多处测量部位的快速检验。三、实验设备及注意事项1、布氏硬度计布氏硬度试验主要设备有布氏硬度计和读数显微镜。常见的布氏硬度计有液压式和机械式两大类。用机械式布氏硬度计试验时，先将试样放在工作台上，按顺时针方向转动手轮，使工作台上升至试样与压头接触，并在手轮打滑后，再开动电动机，经二级蜗轮蜗杆减速器减速后，驱动连杆与摇杆向下运动，此时压头在砝码通过大杠杆、小杠杆及压轴作用下，以一定大小的载荷压入试样。停留一定时间后，电动机自动反转，曲柄连杆带动摇杆上升而卸除载荷。在关闭电动机后，反时针方向转动手轮，使工作台下降并取下试样。最后用读数显微镜测出压痕直径d，根据d的大小查表即可求得布氏硬度值。2、洛氏硬度实验注意事项（1）清理试样表面。被测表面应无油脂、氧化皮、裂纹、凹坑、显著的加工痕迹以及其它外来污物。（2）根据试样材料选择压头及载荷。根据试样形状选择合适的工作台。工作台表面、试样的支承面和压头表面均应清洁。（3）把试样稳固地放在硬度计工作台上，按洛氏硬度计的操作顺序进行试验，试验中心必须保证载荷平衡地垂直施加于试样的测试表面，不得有冲击或震动。然后由指示器上读得硬度值并作好记录。（4）移动试样，并在另一位置继续进行试验，两相邻压痕中心距离或任一压痕中心距试样边缘距离一般不得小于3mm，前后共测三点，计算后两次试验得出硬度值的平均值，并作好记录。3、里氏硬度计使用前的准备和检查（1）在制备试样表面过程中，应尽量避免由于受热、冷加工等对试样表面硬度的影响。（2）被测表面过于粗糙，则会引起测量误差。因此，试样的被测表面必须露出金属光泽，并且平整、光滑、不得有油污。（3）曲面：试样的试验面最好是平面。当被测表面曲率半径R小于30mm的试样在测试时应使用小支承环或异型支承环。（4）试样应有足够的厚度四、实验材料布氏硬度试验退火状态的低碳钢、中碳钢、高碳钢4洛氏硬度试验淬火状态的低碳钢、中碳钢、高碳钢里氏硬度试验铸钢、灰铸铁、铸铝合金五、实验步骤1、布氏硬度试验（1）清理试样表面。被测表面应是无氧化皮及外来污物的光洁平面，以保证能准确测量压痕直径。（2）根据试样材料及厚度，按布氏硬度试验规范选择钢球压头的直径、载荷大小及截荷保持时间。（3）把试样稳固地放在硬度计工作台上，按布氏硬度计的操作顺序进行试验，使试样表面留下一个压痕。试验时，应使载荷均匀平衡地垂直施加于试样的测试表面，不得有冲击或震动。（4）移动试样后重做一次试验，使试样表面又留下一个压痕。为了使实验结果精确，相邻两压痕的中心距离应不小于压痕直径的4倍；压痕中心距试样边缘的距离不小于压痕直径的2.5倍；压痕直径d的大小应在0.24D～0.6D范围内；压痕深度应小于试样厚度的1/10。（5）自工作台上取下试样，用读数显微镜在相互垂直方向上测量压痕直径，然后计算其平均值并做好记录。（6）根据压痕直径d，查对照表求得各试样的布氏硬度值。2、洛氏硬度试验步骤（1）硬度计试验程序HBRV－187.5型（2）将机身后端电源插头接上电源后，打开机身右侧下方的光源开关，使在投影屏上能看到清晰的影像。（3）根据试验要求选用压头（120°金刚石圆锥HRC），并将压头安装在主轴的孔中，安装时应使压头的肩部与主轴端面紧密接触，然后适当拧紧紧固螺钉。（4）根据试验需要选择试验负荷（150kgHRC），转动机身右侧的变换旋钮，使所需负荷数字对正标记。（5）将手柄推向后方，然后将试样放在工作台上，转动手轮使试样的试面与压头接触，继续转动手轮，使试样升高，直到投影屏上的基线与左边刻度“100”接近重合。（6）旋转投影屏下的调整旋钮，使分划板上的刻度100与投影屏横线重合。（7）拉动手柄，使主负荷缓慢施加在试样上，投影屏上的刻线慢慢回行而停止在一定位置。（8）将手柄推向后方，使主负荷卸除，此时投影屏上横线对准标尺的数字，即为洛氏硬度值（左边读HRC）。3、里氏硬度实验（1）装打印纸●用拇指和中指轻轻捏住打印仓盖两端的长条棱状凸起部位，稍稍用力使打印仓盖向上旋起。向前上方按打印机搬把，使出纸口抬起并处于打开状态。●向打印仓中装入打印纸，拉起打印纸并对准朝向打印仓一端的出纸口并装入。（2）启动●将冲击装置插头插入位于仪器上的冲击装置插口。●按键接通电源，仪器进入测量状态。（3）加载●向下推动加载套锁住冲击体；对于DC型冲击装置，则可将加载杆吸于试验表面，将DC型冲击装置插入加载杆，直到停止位置为止，此时就完成加截。●将冲击装置支承环紧压在试样表面上，冲击方向应与试验面垂直。（4）测量5●按动冲击装置上部的释放按钮，进行测试。此时要求试样、冲击装置、操作者均稳定，并且作用力方向应通过冲击装置轴线。●试样的每个测量部位一般进行五次试验。数据分散不应超过平均值的±15HL。（5）读取测量值（6）打印输出结果（7）按键关机六、实验报告（1）洛氏硬度数值项目试验材料及其处理状态试验规范测得硬度值换算成布氏硬度值HBS压头总载荷F（kgf）硬度标尺第一次第二次第三次平均硬度值（2）里氏硬度试验结果处理用五个有效试验点的平均值作为一个里氏硬度试验数据。TH160里氏硬度计探头型号：冲击方向：平均次数：材料：测量值：平均值：（3）分析碳钢的含碳量与硬度间关系，并画出其关系曲线图。（4）分析热处理对硬度的影响（5）比较各种硬度计的原理及适用范围。6实验二碳钢的平衡组织分析及热处理后的组织识别一、实验目的①了解金相试样的制备过程及金相显微镜的使用。②识别碳钢平衡组织的显微特征并分析成份对组织的影响。③明确化学成分与组织变化间的关系，加深对Fe－Fe3C相图的理解④识别碳钢热处理后的显微组织特征及其相与组织组成物的分布规律。二、金相试样的制备。为了在金相显微镜下确切地、清楚地观察到金属内部的显微组织，金属试样必须进行精心的制备。试样制备过程包括取样、镶嵌、磨制、抛光、浸蚀等工序。1、取样取样部位及观察面的选择，必须根据被分析材料或零件的失效特点、加工工艺的性质以及研究的目的等因素来确定。例如，研究铸造合金时，由于它的组织不均匀，应从铸件表面、中心等典型区域分别切取试样，全面地进行金相观察。研究零件的失效原因时，应在失效的部位取样，并在完好的部位取样，以便作比较性的分析。对于轧材，如研究材料表层的缺陷和非金属夹杂物的分布时，应在垂直轧制方向上切取横向试样；研究夹杂物的类型、形状、材料的变形程序、晶粒被拉长的程度、带状组织等，应在平行于轧向切取纵向试样。在研究热处理后的零件时，因为组织较均匀可自由选取断面试样。对于表面热处理后的零件，要注意观察表面情况，如氧化层、脱碳层、渗碳层等。取样时，要注意取样方式，应保证不使试样被观察面的金相组织发生变化。对于软材料可用锯、车等方法；硬材料可用水冷砂轮切片机切取或电火花线切割机切割；硬而脆的材料（如白口铸铁），可用锤击；大件可用氧气切割，等等。试样尺寸不要太大，一般以高度为10mm～15mm，观察面的边长或直径为15mm～25mm的方形或圆柱形较为合适。2、镶样一般试样不需镶样。尺寸过于细小，如细丝、薄片、细管或形状不规则，以及有特殊要求（例如要求观察表层组织）的试样，制备时比较困难，则必须把它镶嵌起来。镶样方法很多，有低熔点合金的镶嵌、电木粉镶嵌、环氧树脂镶嵌、夹具夹持法等。目前一般多用电木粉镶嵌，采用专门的镶样机。用电木粉镶嵌时要加一定的温度和压力，这可使马氏体回火和软金属产生塑性变形。在这种情况下，可改用夹具夹持法。可以用环氧树脂加凝固剂来镶嵌试样，其配方如下：环氧树脂100g,磷苯二甲酸二丁脂20g,乙二胺20g。但必须停留7h～8h后方可使用。3、磨制1）粗磨软材料（有色金属）可用锉刀锉平。一般钢铁材料通常在砂轮机上磨平，磨样时应利用砂轮侧面，以保证试样磨平。打磨过程中，试样要不断用水冷却，以防温度升高引起试样组织变化。另外，试样边缘的棱角如没有保存的必要，可最后磨圆（倒角），以免在细磨及抛光时划砂纸或抛光布。2）细磨细磨有手工磨和机械磨两种。手工磨是用手拿持试样，在金相砂纸上磨平。我国金相砂纸按粗细分7为01号、02号、03号、04号、05号几种。细磨时，依次从01号磨至05号。必须注意，每更换一道砂纸时，应将试样的磨制方向调转90°，即与上一磨痕方向垂直，以便观察上一道磨痕是否被磨去。另外，在磨制软材料时，可在砂纸上涂一层润滑剂，如机油、汽油、甘油、肥皂水等，以免砂粒嵌入试样磨面。为了加快磨制速度，减轻劳动强度，可采用在转盘上贴水砂纸的预磨机进行机械磨光。水砂纸按粗细有200号、300号、400号、500号、600号、700号、800号、900号等。用水砂纸磨制时，要不断加水冷却，由200号逐次磨到900号砂纸，每换一道砂纸，将试样用水冲洗干净，并调换90°方向。4