机械工程材料实践指导及实践报告

《机械工程材料》实践指导书与实践报告班级学号学生姓名指导教师实践一碳钢拉伸实践班级姓名学号小组成员日期年月日指导老师成绩一：实践目的：1.掌握万能试验机操作；2.理解塑性材料拉伸时的力学性能；3.观察低碳钢拉伸时的变形特点；4.观察低碳钢材料的冷作硬化现象；5.测定材料屈服极限σs和强度极限σb；6、测定材料伸长率δ和截面收缩率Ψ7、观察钢中含碳量对钢的力学性能影响的变化二：所用设备：1.WDW3050型万能试验机2.电子引伸计（标距：50mm；量程：5mm；精度0.001mm）3.游标卡尺三：实践记录：四:思考题：低碳钢属于典型的塑性材料，试绘制低碳钢拉伸曲线，并说明低碳钢拉伸过程分为几个典型阶段？试验材料试验原始记录试验结果L0((mm)L1(mm)Fs(N)Fb(N)σsσbδΨ2045T10HT200实践二硬度操作实践一、实践目的1、了解布氏、洛氏硬度计的构造及使用方法。2、掌握布氏硬度值及洛氏硬度值的测定方法。3、初步建立碳钢中的Wc与其硬度的关系。二、原理硬度是检验原材料、毛坯或成品件、热处理件的重要力学性能指标。常用的硬度实验有布氏硬度和洛氏硬度试验法。（一）布氏硬度根据GB231-84规定，布氏硬度试验法是用直径为D的淬火钢球（或硬质合金球），以相应的试验力F压入被测材料的表面，保持规定的时间后，卸掉试验力，用读数显微镜测出材料表面的压痕直径d。计算压痕单位面积上所受的力，即为被测金属的布氏硬度值HBS（或HBW）。但实验时，是根据d值查表求硬度值。布氏硬度试验是在布氏硬度试验机（图1—2）上进行。当F/D2的比值保持一定时，能使同一材料所的布氏硬度值相同，不同材料的硬度值可以比较。故在进行布氏硬度试验时，应根据材料和布氏硬度值范围选择表1-1中的F/D2的值。然后将试样放在工作台21上，按顺时针方向转动手轮24，使工作台上升至试样与压头20接触，并在手轮打滑后开动电动机27，经减速器7减速后，驱动连杆11与摇杆19向下运动，此时大杆12、砝码10、小杆15及压轴17也向下运动，压头就以一定的载荷压入试样。停止规定时间后，电动机自动反转，曲柄连杆带动摇杆上升，卸掉载荷。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查表求得布氏硬度值。（二）洛氏硬度洛氏硬度试验是将顶角为120°金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球压头，在一定载荷F作用下压入被测金属表面，保持一定时间后卸掉载荷。根据压痕的深度h确定被测金属的硬度值。根据所加的载荷和压头不同，洛氏硬度值有三种标度：HRA、HRB、HRC见下表硬度符号测量范围初始试验力主试验力压头类型应用举例HRC20～7010㎏140㎏金刚石圆锥体调质钢、淬火钢等HRB20～10010㎏90㎏钢球有色金属、退火钢等HRA20～9010㎏50㎏金刚石圆锥体硬质合金、表面淬火层渗碳淬火层等洛氏硬度试验是在洛氏硬度机上进行，如图1—4所示。实验时试样15放在工作台16上，按顺时针方向转动手轮18，使工作台上升至试样与压头14接触。继续转动手轮，通过压头和压轴顶起杠杆10，并带动指示器表盘12的指针转动，待小指针指到黑点时，试样即已加上98N的强载荷，随后转动指示器表盘使大指针对准“O”（测HRB时对准“30”），按下按钮1释放转盘4。在砝码5、6的作用下，顶杆11在缓冲器3的控制下匀缓下降。主载荷通过杠杆、压轴和压头作用于试样上。停留规定时间后，扳动手柄2，使转盘顺时针方向转动至原来被锁住的位臵。由于转盘上齿轮使扇齿轮、齿条同时运动而将顶杆顶起卸掉主载荷。这时指针所指的读数（HRC、HRA读C标尺，HRB读B标尺）即为所求的洛氏硬度值。三、实践步骤（一）布氏硬度试验1、清理试样表面，并根据试样的材料、厚度和硬度范围选择钢球压头直径D、载荷F及保载时间。2、放在硬度计工作台上，按布氏硬度计的操作规程进行试验，在试样表面产生一个压痕。移动试样重做一次试验，产生第二个压痕。3、取下试样，用读数显微镜在相互垂直方向上测量压痕直径d，并根据d查表求出试样的布氏硬度值。（二）洛氏硬度试验1、清理试样表面，并根据试样的材料、形状、选择压头、载荷和工作台。2、把试样放在工作台上，按洛氏硬度计的操作规程进行试验。前后共测三点，取其平均值为洛氏硬度值。实践报告1、写出实验目的及简明原理。2、填写下表：布氏硬度项目材料（退火）实验规程实验结果换算成洛氏硬度值钢球直径D/mm载荷F/NF/D2保载时间S第一次第二次平均值HBSHRCHRB压痕直径d/mmHBS压痕直径d/mmHBSH62HT200洛氏硬度项目材料试验规范实验结果换算成布氏硬度值HBS压头总载荷F/N硬度标尺第一次第二次第三次平均值20钢（退火）45钢（退火）T12钢（退火）3、根据测得的布氏硬度值，分析退火钢的Wc与硬度的关系，并画出其曲线图。班级姓名学号小组成员日期年月日指导老师成绩实践三铁碳合金的平衡组织观察一、实践目的1、观察和分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织。2、分析成分（含碳量）对铁碳合金显微组织的影响，从而加深理解成分、组织与性能之间的关系。3、熟悉金相显微镜的使用。二、实验设备及材料①金相显微镜。②金相图谱。③各种铁碳合金的观察试样，见表1-1。三、实验观察组织概述平衡组织是指铁碳合金在极其缓慢的冷却条件下得到的组织。虽然铁碳合金的室温平衡组织都是由铁素体和渗碳体两个基本相组成的，但由于含碳量与析出条件的不同，导致铁素体和渗碳体的相对数量、形态、分布情况的不同，因而呈现各种不同的组织形态。各种不同成分的铁碳合金在室温下的显微组织见表1-2下面介绍铁碳合金的各种不同显微组织的特征。1、铁素体（F）铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体，体心立方晶格。用3~4%的硝酸酒精溶液腐蚀后，在显微镜下呈明亮的多边形晶粒，如图1-1；亚共析钢中的铁素体呈块状分布，如图1-2；当含碳量接近共析成分时，铁素体则呈断续的网状分布于珠光体的周围。2、渗碳体（Fe3C）渗碳体是铁碳合金中的一种复杂晶格的间隙化合物。用3~4%的硝酸酒精溶液腐蚀后，在显微镜下呈白亮色；若用苦味酸钠溶液浸蚀，则渗碳体被染成暗黑色或棕红，而铁素体仍为白亮色，由此可区别铁素体与渗碳体。由于成分和形成条件的不同，渗碳体可以呈现不同的形态。一次渗碳体（Fe3CⅠ）是直接从液体中析出的，在过共晶铸铁中呈粗大的条状分布在莱氏体（Le′）的基体上，如图1-6；二次渗碳体（Fe3CⅡ）一般沿奥氏体的晶界析出，呈网状分布，如图1-3；三次渗碳体（Fe3CⅢ）是由铁素体中析出的，通常呈不连续的薄片状存在于铁素体的晶界上，如图1-1，数量很少，一般忽略不计。3、珠光体（P）在平衡状态下得到的珠光体是由铁素体和渗碳体组成的层片状机械混合物。经硝酸酒精溶液浸蚀后，在不同放大倍数的显微镜下可以看到不同特征的珠光体组织。在低倍（200倍以下）观察时，由于显微镜的分辨能力小于渗碳体片的厚度，一般看不到单独的渗碳体片，而只能看到被腐蚀成一条黑线的铁素体和渗碳体的边界。当组织较细而放大倍数又较低时，珠光体的片层就不能分辨，看到的珠光体组织呈黑色。在400倍左右观察时，白亮色的渗碳体被黑色的边界所“吞食”而成为黑细条。这时看到的珠光体是宽白条铁素体和细黑条相间组成的混合物，如图1-4。在600倍以上观察时，可以清楚地看到珠光体中平行相间的白亮宽条铁素体和白亮窄条渗碳体及黑条的相界线4、莱氏体（Le′）高温莱氏体（Le）是金属液体在1148℃共晶转变形成的奥氏体和渗碳体的机械混合物。低温莱氏体（Le′）组织是由珠光体和渗碳体组成的机械混合物，渗碳体中包括共晶渗碳体和二次渗碳体，后者由于同前者连在一起而不能分辨。经4%的硝酸酒精浸蚀后，莱氏体的组织特征是在白亮色渗碳体的基体上分布着许多黑色点列状珠光体。共晶铸铁的显微组织就是低温莱氏体；亚共晶铸铁的显微组织是珠光体、二次渗碳体和莱氏体，经4%的硝酸酒精浸蚀后，在显微镜下可以看到黑色岛状的珠光体（由先共晶奥氏体转变而来）、黑色点列状的珠光体和白色的渗碳体基体，如图1-5；过共晶铸铁的显微组织是一次渗碳体和莱氏体，经4%的硝酸酒精浸蚀后，在显微镜下看到在白色渗碳体的基体上分布着点列状的珠光体和粗条状的一次渗碳体，如图1-6。四、实验内容及步骤1、根据铁碳合金相图分析各类成分合金的组织形成过程，并通过对铁碳合金的平衡组织观察与分析，熟悉碳钢与铸铁的金相组织及其形态特征，以进一步明确成分与组织之间的相互关系。2、实验前，复习教科书中的有关内容并仔细阅读实验指导书，为实验做好理论上的准备。3、在显微镜下对表1-1中的各种试样进行观察与分析，并确定组织类型。4、绘出所观察到的显微组织形貌，绘图时应注意抓住组织的主要形貌特征并进行科学的抽象。五、注意事项1、在进行组织观察时，可先用低倍全面地进行观察，找出典型组织，然后再用高倍放大，对部分地区进行详细的观察。2、在移动金相试样时，不要用手指触摸试样表面或将试样重迭起来，以免引起组织模糊不清，影响观察。3、画组织图时应抓住组织形态的特点，画出典型区域的组织，注意将显微组织与磨痕或杂质区分开来。可参照教课书或金相图册上的显微组织图。实践报告班级姓名学号小组成员日期年月日指导老师成绩一、写出实践名称、目的、观察的试样。二、画出所观察试样的组织形貌，并注明材料名称、含碳量、浸蚀剂和放大倍数。显微组织图画在直径为30mm的圆内，并将组织组成物的名称以箭头引出标明。三、思考题1、珠光体组织在低倍和高倍观察时有何不同，为什么？实践四碳钢的热处理一、实践目的1、了解碳钢的基本热处理（退火、正火、淬火及回火）工艺方法。2、研究冷却条件对碳钢性能的影响。3、分析淬火及回火温度对碳钢性能的影响。二、原理1、钢的淬火所谓淬火就是将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1(过共析钢)以上30～50℃，保温后放入各种不同的冷却介质中（V冷应大于V临），以获得马氏体组织。碳钢经淬火后的组织由马氏体及一定数量的残余奥氏体所组成。为了正确地进行钢的淬火，必须考虑下列三个重要因素：淬火加热的温度、保温时间和冷却速度。（1）淬火温度的选择选定正确的加热温度是保证淬火质量的重要环节。淬火时的具体加热温度主要取决于钢的含碳量，可根据相图确定（如图4所示）。对亚共析钢，其加热温度为＋30～50℃，若加热温度不足（低于），则淬火组织中将出现铁素体而造成强度及硬度的降低。对过共析钢，加热温度为＋30～50℃，淬火后可得到细小的马氏体与粒状渗碳体。后者的存在可提高钢的硬度和耐磨性。（2）保温时间的确定淬火加热时间是将试样加热到淬火温度所需的时间及在淬火温度停留保温所需时间的总和。加热时间与钢的成分、工件的形状尺寸、所需的加热介质及加热方法等因素有关，一般可按照经验公式来估算，碳钢在电炉中加热时间的计算如表1所示。表1碳钢在箱式电炉中加热时间的确定加热温度(℃)工件形状圆柱形方形板形保温时间分钟/每毫米直径分钟/每毫米厚度分钟/每毫米厚度7001.52.238001.01.529000.81.21.610000.40.60.8（3）冷却速度的影响冷却是淬火的关键工序，它直接影响到钢淬火后的组织和性能。冷却时应使冷却速度大于临界冷却速度，以保证获得马氏体组织；在这个前提下又应尽量缓慢冷却，以减少钢中的内应力，防止变形和开裂。为此，可根据C曲线图（如图2所示），使淬火工作在过冷奥氏体最不稳定的温度范围（650～550℃）进行快冷（即与C曲线的“鼻尖”相切），而在较低温度（300～100℃）时冷却速度则尽可能小些。为了保证淬火效果,应选用合适的冷却方法（如双液淬火、分级淬火等).不同的冷却介质在不同的温度范围内的冷却速度有所差别。各种冷却介质的特性见表2.表2几种常用淬火介质的冷却能力冷却介质在下列温度范围内的冷却速度（℃/秒）650～550℃300～200℃18℃的水60027050℃的水10027010％NaCl水溶液（18℃）110030010％NaoH水溶液（18℃）120030010％NaoH水溶液（18℃）800270蒸馏