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《工程资料及热办理》实验指南
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《工程资料及热办理》
实验指导书
机械与能源工程系
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实验6铁碳合金均衡状态的显微组织分析
一、实验目的
1、认识铁碳合金均衡组织的特色,初步鉴别各种铁碳合金在均衡状态下的显微组织。
2、分析和认识碳钢的含碳量与其均衡组织的关系。
3、进一步认识对均衡状态下碳钢的成分、组织、性能间的关系。
二、实验原理
碳钢和铸铁是工业上最重要、最基本、应用最广的金属资料,平常把钢和铸铁统称为铁碳合金,
他们的性能与组织有着亲密的关系,所以熟****并掌握它们的组织,对于合理使用钢铁资料拥有十分重
要的实质指导意义,也是对钢铁资料使用者最基本的要求。
1、碳钢和白口铸铁的均衡组织
均衡组织一般是指合金在极为缓慢冷却的条件下(如退火状态)所获得的组织。铁碳合金在均衡
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状态下的显微组织可以依照

Fe-Fe3C相图来分析。由相图可知,全部碳钢和白口铸铁在室温时的显微
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组织均由铁素体(F)和渗碳体(Fe3C)构成。但是,由于碳质量分数的不相同、结晶条件的差异,铁
素体和渗碳体的相对数目、形态、分布的混杂状况均不相同样,因此表现各种不相同特色的组织构成物。
2、各种相组分或组织组分的特色
碳钢和白口铸铁的金相试样经浸蚀后,其均衡组织中各种相组分或组织组分的形态特色和性能如
下所述。
铁素体:铁素体是碳溶于α-Fe中形成的缝隙固溶体。经3%~5%的***酒精溶液浸蚀后,在显微
镜下为白亮色多边形晶粒。在亚共析钢中,铁素体呈块状分布;当含碳量凑近于共析成分时,铁素体
则呈断续的网状分布于珠光体四周。铁素体拥有优异的塑性及磁性,硬度较低,一般为80HBS~
120HBS。
渗碳体:抗浸蚀能力较强,经3%~5%酒精溶液浸蚀后,在显微镜下观察相同呈白亮色。一次渗
碳体呈长白条状分布在莱氏体之间;二次渗碳体呈网状分布于珠光体的界线上;三次渗碳体分布在铁
素体晶界处;珠光体中的渗碳体一般呈片状。其余,经不相同的热办理后,渗碳体可以呈片状、粒状或
断续网状。渗碳体的硬度很高,可达800HV以上,但其强度、塑性都很差,是一种硬而脆的相。
珠光体:是由铁素体片和渗碳体片相互交替摆列形成的层片状组织。经3%~5%酒精溶液浸蚀后,
在显微镜下观察其组织中的铁素体和渗碳体都呈白亮色,而铁素体和渗碳体的相界被浸蚀后呈黑色线
条。实质上,珠光体在不相同放大倍数的显微镜下观察时,拥有不大相同的特色。在高倍(600×以上)
下观察时,珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体都呈亮白色,而其界线呈黑色;在中倍(400
×左右)下观察时,白亮色的渗碳体被黑***线所“吞食”,而成为细黑条,这时看到珠光体是宽白条
铁素体和细黑条渗碳体的相间混杂物;在低倍(200×以下)下观察时,连宽白条的铁素体和细黑条的渗
碳体也很难分辨,这时珠光体为黑色块状组织。因而可知,在其余条件相同状况下,当放大倍数不相同时,同一组织所表现的特色会不相同样,所以在显微镜下鉴别金相组织第一要注意放大倍数。珠光体硬度为190~230HBS,且随层间距的变小硬度高升。强度较好,塑性和韧性一般。
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莱氏体:在室温下是珠光体和渗碳体的机械混杂物。渗碳体中包括共晶渗碳体和二次渗碳体,两
种渗碳体相联在一起,没有界线限,没法分辨开来。经3%~5%酒精溶液损害后,其组织特色是在白
亮色渗碳体基体上分布着好多黑色点〔块〕状或条状珠光体。莱氏体硬度为700HV,性脆。它一般存
%的白口铸铁中,在某些高碳合金钢的锻造组织中也常出现。
三、实验仪器和器具
1、光学金相显微镜
2、各种铁碳合金的均衡组织标准金相试样
四、实验方法与步骤
1、在显微镜下仔细观察辨识下表中所列试样组织,研究每个样品的组织特色,并结合铁碳相图
分析其组织形成过程。
表5-1
钢铁均衡组织试样
资料
碳质量分数w(C)/%
办理方法
组织
亚共析钢
~
退火
铁素体+珠光体
共析钢

退火
片状珠光体
过共析钢
~
退火
珠光体+渗碳体(Ⅱ)
亚共晶白口铸铁
~
铸态
珠光体+莱氏体+渗碳体(Ⅱ)
共晶白口铸铁

铸态
莱氏体
过共晶白口铸铁
~
铸态
渗碳体(Ⅰ)+莱氏体
2、绘出所观察样品的显微组织表示图(绘在规定的圆圈内),并用箭头和代表符号注明各组织
构成物。注意要点是,绘图时要抓住各种组织构成物形态的特色,用表示的方法去画。绘制组织表示
图一律用铅笔,绘制组织图一定在实验室内完成。
3、实验结束后将显微镜照明灯关闭,交回试样,清整实验场所。
五、实验分析及结论
1、实验目的。
2、实验内容。
3、画出所观察组织表示图,表示图按一致规格画,并注明各组
织。
资料名称
图5-1
金相显微组织记录格式
金相组织
办理方法
放大倍数
浸蚀剂
4、依照所观察的组织,说明碳含量对铁碳合金的组织和性能影响的大体规律。
六、注意事项
1、在观察显微组织时,可先用低倍全面地进行观察,找出典型组织,尔后再用高倍放大,对部
分地域进行详细观察。
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2、在搬动金相试样时,不得用手指触摸试样表面或将试样表面在载物台上滑动,免得引起显微
组织模糊不清,影响观察成效。
3、画组织表示图时,应抓住组织形态的特色,画出典型地域的组织。注意不要将磨痕或杂质画
在图上。
七、思虑题
1、渗碳体有哪几种?它们的形态有什么差异?
2、珠光体组织在低倍观察和高倍观察时有何不相同?
3、如何差异铁素体和渗碳体组织?
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实验7金属资料的硬度试验
一、实验目的
1、认识布氏、洛氏和维氏硬度试验机的使用方法和试验原理。
2、初步掌握布氏、洛氏硬度的测定方法和应用范围。
二、实验原理
硬度是指金属资料抵抗比它硬的物体压入其表面的能力。硬度越高,表示金属抵抗塑性变形的能
力越大。它是重要的力学性能指标之一,它与强度、塑性指标之间有着内在的联系。硬度试验简单易
行,又不会损坏零件,所以在生产和科研中应用广泛。
常用的硬度试验方法有:
布氏硬度试验——主要用于黑色、有色金属原资料检验,也可用于退火、正火钢铁零件的硬度测
定。所用设备为布氏硬度计。
洛氏硬度试验——主要用于金属资料热办理后的产品性能检测。所用设备为洛氏硬度计。
维氏硬度试验——主要用于薄板材或金属表层的硬度测定,以及较精确的硬度测定。所用设
备为维氏硬度计。
显微硬度试验——主要用于测定金属资料的组织构成物或相的硬度。所用设备为显微硬度计。
1、布氏硬度试验原理
布氏硬度试验是将素来径为D的淬火钢球或硬质合金球,在规定的试验力P作用下压入被测金属
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表面,保持一准时间

t

后卸除试验力,并丈量出试样表面的压痕直径

d,依照所选择的试验力

P、球
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体直径

D及所测得的压痕直径

d的数值,求出被测金属的布氏硬度值

HBS或

HBW,布氏硬度的测试原
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理如图

6-1

所示。布氏硬度值的大小就是压痕单位面积上所承受的压力。单位为

kg/mm2或

N/mm2,
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但一般不标出。硬度值越高,表示资料越硬。在实验丈量时,可由测出的压痕直径

d直接查压痕直径
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与布氏硬度比较表而获得所测的布氏硬度值。
设压痕深度为h则压痕球面积为
F
DhD(DD2
d2
2)
试样硬度值为:
HBPF2PD(D
D2
d2)
式中
P——施加的载荷,
kg或N;
D——压头(钢球)直径,
mm;
d——压痕直径,mm;
图6-1布氏硬度计试验原理表示图
F——压痕面积,mm2。
布氏硬度试验方法和技术条件有相应的国家标准。表
6-1为布氏硬度的试验规范。实质测准时,
应依照金属资料种类、试样硬度范围和厚度的不相同,依照标准试验规范,选择钢球直径、载荷及载荷
保持时间。
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布氏硬度值范围
金属种类
(HBS)
140~450
黑
色
金
属
<140
﹥130
有
色
金
36~130
属
8~35

表6-1
布氏硬度试验规范
试样厚度
载荷P与钢球直径
钢球直径D
载荷P
载荷保持时
/㎜
D的互有关系
/㎜
/kgf
间t/s
300
6~3
10
0
4~2
2
5
750
10
P=30D
<2

187.
5
100
﹥6
10
2
0
10
P=10D
6~3
5
250
3<


300
6~3
10
0
4~2
2
5
750
30
P=30D
<2

187.
5
100
9~6
10
2
0
30
P=10D
6~3
5
250
3


﹥6
10
250
6~3
2
5

60
P=
3


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2、洛氏硬度试验原理
洛氏硬度试验是目前应用最广的试验方法,和布氏硬度一
样,也是一种压入硬度试验,但它不是测定压痕的面积,而是
丈量压痕的深度,以深度的大小表示资料的硬度值。
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图6-2洛氏硬度计试验原理表示图
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洛氏硬度试验是以锥角为

120°的金刚石圆锥体也许直径为

,在规定
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的初载荷和主载荷作用下压入被测金属的表面,尔后卸除主载荷。在保留初载荷的状况下,测出由主
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载荷所引起的节余压入深度

h值,再由

h值确立洛氏硬度值

HR的大小,其计算公式以下:
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HR=(K-h)/
式中h的单位为mm。K为常数,当采用金刚石圆锥压头时,K=100;当采用淬火钢球压头时,K=130。
洛氏硬度试验试验原理如图6-2所示。
为了能用同一硬度计测定从极软到极硬资料的硬度,可以经过采用不相同的压头和载荷,构成15
种不相同的洛氏硬度标尺,此中最常用的有HRA、HRB、HRC三种。其试验规范如表6-2所示。
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表6-2
洛氏硬度的试验规范
标度符号
压头种类
总载荷
常用硬度值范围
应用举例
/kg
HRA
120°金刚石圆锥
60
70~85
碳化物、硬质合金、表面硬化工
件等
HRB
㎜
100
25~100
软钢、退火或正火钢、铜合金等
的淬火钢球
等
HRC
120°金刚石圆锥
150
20~67
适用淬火钢、调质钢等
3、维氏硬度试验原理
维氏硬度的测定原理基本上和布氏硬度相同,也是根
据压痕单位面积上的载荷计量硬度值。维氏硬度试验原理
图6-3所示。所不相同的是维氏硬度试验采用的压头为金刚石的锥面夹角为136°的正四棱锥体压头。试验时,在载荷
P(公斤力)的作用下,试样表面上压出一个四方锥形的压
痕,丈量压痕对角线长度d(毫米),借以计算压痕的表
面积F(毫米2),以P/F的数值表示试样的硬度值,用符号
HV表示。
图6-3维氏硬度计试验原理表示图
三、实验仪器和器具
1、HBRUV-
2、碳钢试样和标准硬度块
四、实验方法与步骤
(一)试验前的准备工作
1、接通电源,依照试验方法,开启开关。
2、测试件的表面应平展光洁,不得带有污物、氧化皮、裂缝、凹坑等明显的加工印迹。
3、依照试件的形状,采用适合的工作台。
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4、将硬度计的加荷手柄按逆时针方向拉向前面,使负荷处于卸荷状态。
(二)试验步骤
1、依照硬度试验方法,选择压头,将压头柄插入测杆轴孔中,略微拧动固定螺钉。
2、依照硬度试验方法,选择试验负荷,顺时针转动变荷手轮,使所需负荷数字对应于固定刻线。
3、将试件安妥地搁置在工作台上,尔后转动旋轮,使起落丝杆上升,当试件与压头接触,投影
标尺相应上升,最后使标尺基线凑近重合,可相差±5个分度值,停止上升。
4、用微调旋钮调整零位,使标尺基线与投影屏完整重合。
5、将加荷手柄心逆时针方向推向前,在加荷过程中,投影屏上显示出来的标尺刻线由上而下地
搬动,直至标尺停止降落,开始计算保荷时间。待保荷时间到,再扳着手柄到原位。
6、投影屏上指示标尺刻线于固定标尺线的计数值即是被没试件的洛氏硬度值。降落丝杆,使试
件离开压头。
7、此中布氏、维氏硬度试验以上述步骤完成以后,将上溜板与试件一起移至显微镜下,逐渐微
量上升丝杆,对准焦距,使压痕成像清楚,丈量压痕直径或压痕对角线的长度,尔后查附表获得布氏
或维氏硬度值。
8、丈量显微镜对压痕的计算方法以下:
L=n·l
式中:L——压痕直径或对角线长度(微米)
n——压痕丈量所得格数(即第一次计数与第二次读数之差)
l——丈量显微镜鼓轮最小分度值,
(三)实验内容
1、熟****各种硬度计的构造原理、使用方法及注意事项。
2、在硬度计上丈量碳钢试样或标准硬度块的压痕直径的水平长度和垂直长度,再取均匀值,然
后查附表或计算获得布氏硬度值。并记录试验结果。
3、在硬度计上测定碳钢试样的洛氏硬度,每个试样最少测三个试验点,再取一个均匀值,并记
录试验结果。
五、实验分析及结论
1、实验目的。
2、实验内容及结果。
3、简述布氏、洛氏、维氏硬度计的适用范围。
六、注意事项
1、试样的试验表面应尽可能是圆滑的平面,不应有氧化皮及外来污物。
2、试样的坯料可采用各种冷热加工方法从原资料或机件上截取,但试样在制备过程应尽量防备
各种操作要素引起的试样过热,造成试样表面硬度的改变。
3、试样的厚度最少应为压痕深度的
10倍。
七、思虑题
1、布氏、洛氏、维氏硬度值能否进行比较?
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2、布氏、洛氏、维氏硬度值能否有单位,需要写单位吗?
3、布氏、洛氏、维氏硬度试验方法各有何优弊端?
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实验8碳钢的热办理
一、实验目的
1、认识一般热办理四把火(退火,正火,淬火,回火)的方法。
2、分析碳钢在热办理时,加热温度、冷却速度及回火温度对其组织与硬度的影响。
3、认识碳钢含碳量对淬火后硬度的影响。
二、实验原理
热办理是一种很重要的热加工工艺方法,也是充发散挥金属资料性能潜力的重要手段。热办理的
主要目的是改变钢的性能,此中包括使用性能及工艺性能。钢的热办理工艺特色是将钢加热到必然的
温度,经一准时间的保温,尔后以某种速度冷却下来,经过这样的工艺过程能使钢的性能发生改变。
1、加热温度选择
(1)退火加热温度
钢的退火平常是把钢加热到临界温度Ac1或Ac3以上,保温一段时间,尔后慢慢地随炉冷却。此
时,奥氏体在高温区发生分解而获得比较接受均衡状态的组织。一般亚共析钢加热至AC3+(30~50)℃
(完整退火);共析钢和过共析钢加热至AC1+(20~30)℃(球化退火),目的是获得球化体组织,降
低硬度,改进高碳钢的切削性能,同时为最后热办理做好组织准备。
(2)正火加热温度
正火则是将钢加热到Ac3或Acm以上30~50℃,保温后进行空冷。由于冷却速度稍快,与退火组
图7-1退火和正火的加热温度范围图7-2淬火的加热温度范围
织对比,组织中的珠光体相对量很多,且片层较精密,所以性能有所改进。一般亚共析钢加热至AC3
(50~70)℃;过共析钢加热至ACm+(50~70)℃,即加热到奥氏体单相区。退火和正火加热温度范围选择见图7-1。
3)淬火加热温度
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