新編工程材料及熱加工實驗指導書(已修改)

　

【正文】 1 工程材料 與熱加工 實 驗 指 導 書 襄樊學院機械 與汽車工程學院 機械基礎教研室 2 實驗一 硬度實驗 一、實驗目的 了解布氏硬度計、洛氏硬度計、里氏硬度計的主要構造及操作方法。 初步掌握布氏硬度值、洛氏硬度值、里氏硬度值的測定方法。 初步建立碳鋼的含碳量與其硬度間的關系和熱處理能改變材料硬度的概念。 二、實驗概述 硬度試驗設備簡單，操作迅速方便，不需要專門制備試樣，也不破壞被測試的工件。因此，在工業生產中，被廣泛應用于產品質量的檢驗。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）都有一定的聯系，故在產品設計圖樣的技術條件中，硬度是一項主要技術指標。 目前，在測定硬度的方法中，最常用的是壓入硬度法。其中以布氏硬度和洛氏硬度應用最廣。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，根據壓頭被壓入的程度來測定其硬度值。 布氏硬度 布氏硬度試驗方法是將一直徑為 D的淬火鋼球或硬質合金球在規定載荷 F的作用下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為 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。但實際試驗時都是用讀數顯微鏡測出壓痕直徑d，再根據 d 值，查對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；當壓頭為硬質合金球時，硬度符號為 HBW，適用于布氏硬度值為 450～ 650 的金屬材料。 在進行布氏硬度試驗時，應根據被測試金屬材料的種類和試樣厚度，選用不同大小的球體直徑 D、施加載荷 F 和載荷保持時間。 布氏硬度試驗法因壓痕面積較大，能反映出較大范圍內被測試金屬的平均硬度，故試驗結果較準確。但因壓痕較大，不宜測試成品或薄片 金屬的硬度。 洛氏硬度 洛氏硬度試驗方法是以一個錐頂角為 120176。的金剛石圓錐體或直徑為 )161( in 的鋼球為壓頭，在先后兩次截荷（初載荷與主載荷）作用下，壓入被測試金屬表面，然后卸除主截荷，在保留初載荷情況下，測出由主截荷引起的塑性變形的壓力深度 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。在實際試驗時，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，可用不同壓頭和不同的主載荷組成不同的洛氏硬度標尺。最常用的是 HRA、 HRB、HRC 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 230HBS的較軟金屬； HRA 適用于測量硬脆的金屬材料或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，可以測定成品或較薄金屬的硬度，故目前生產上應用廣泛。 退火狀態碳鋼的硬度一般是隨著含碳量的增加而逐漸增加。 里氏硬度 ●工作原理 用規定質量的沖擊體在彈力作用下，以一定速度沖擊試樣表面，用沖頭在距試樣表面 1mm 處回彈速度與沖擊速度的比值計算硬度值。計算公式如下： 3 HL＝ 1000VB/VA 式中： HL——里氏硬度值 VB——沖擊體回彈速度 VA——沖擊體沖擊速度 ●適用范圍 碳鋼、鑄鐵、合金鋼 ●主要用途 已安裝的機械或永久性組裝部件。 模具型腔。 重型工件。 壓力容器、汽輪發電機組及其設備的失效分析。 試驗空間很狹小的工件。 軸承及其它零件。 要求對測試結果有正規的原始記錄。 金屬材料倉庫的材料區分。 大型工件大范圍內多處測量部位的快速檢驗。 三、實驗設備及注意事項 布氏硬度計 布氏硬度試驗主要設備有布氏硬度計和讀數顯微鏡。常見的布氏硬度計有液壓式和機械式兩大類。用機械式布氏硬度計試驗時，先將試 樣放在工作臺上，按順時針方向轉動手輪，使工作臺上升至試樣與壓頭接觸，并在手輪打滑后，再開動電動機，經二級蝸輪蝸桿減速器減速后，驅動連桿與搖桿向下運動，此時壓頭在砝碼通過大杠桿、小杠桿及壓軸作用下，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，曲柄連桿帶動搖桿上升而卸除載荷。在關閉電動機后，反時針方向轉動手輪，使工作臺下降并取下試樣。最后用讀數顯微鏡測出壓痕直徑 d，根據 d 的大小查表即可求得布氏硬度值。 洛氏硬度實驗注意事項 （ 1）清理試樣表面。被測表面應無油脂、氧化皮、裂紋、凹坑、顯著的加工痕 跡以及其它外來污物。 （ 2）根據試樣材料選擇壓頭及載荷。根據試樣形狀選擇合適的工作臺。工作臺表面、試樣的支承面和壓頭表面均應清潔。 （ 3）把試樣穩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，試驗中心必須保證載荷平衡地垂直施加于試樣的測試表面，不得有沖擊或震動。然后由指示器上讀得硬度值并作好記錄。 （ 4）移動試樣，并在另一位置繼續進行試驗，兩相鄰壓痕中心距離或任一壓痕中心距試樣邊緣距離一般不得小于 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。 里氏硬度計使用前的準備和檢查 （ 1）在制備試樣表面過程中，應盡量避免由于受熱、冷加工等對試樣表面硬度的影響。 （ 2）被測表面過于粗糙，則會引起測量誤差。因此，試樣的被測表面必須露出金屬光澤，并且平整、光滑、不得有油污。 （ 3）曲面：試樣的試驗面最好是平面。當被測表面曲率半徑 R 小于 30mm 的試樣在測試時應使用小支承環或異型支承環。 （ 4）試樣應有足夠的厚度 四、實驗材料 布氏硬度試驗 退火狀態的低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼 洛氏硬度試驗 淬火狀態的低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼 4 里氏硬度試驗 鑄鋼、灰鑄鐵、鑄鋁合金 五、實驗步驟 布 氏硬度試驗 （ 1）清理試樣表面。被測表面應是無氧化皮及外來污物的光潔平面，以保證能準確測量壓痕直徑。 （ 2）根據試樣材料及厚度，按布氏硬度試驗規范選擇鋼球壓頭的直徑、載荷大小及截荷保持時間。 （ 3）把試樣穩固地放在硬度計工作臺上，按布氏硬度計的操作順序進行試驗，使試樣表面留下一個壓痕。試驗時，應使載荷均勻平衡地垂直施加于試樣的測試表面，不得有沖擊或震動。 （ 4）移動試樣后重做一次試驗，使試樣表面又留下一個壓痕。為了使實驗結果精確，相鄰兩壓痕的中心距離應不小于壓痕直徑的 4 倍；壓痕中心距試樣邊緣的距離不小于壓痕 直徑的 倍；壓痕直徑d 的大小應在 ～ 范圍內；壓痕深度應小于試樣厚度的 1/10。 （ 5）自工作臺上取下試樣，用讀數顯微鏡在相互垂直方向上測量壓痕直徑，然后計算其平均值并做好記錄。 （ 6）根據壓痕直徑 d，查對照表求得各試樣的布氏硬度值。 洛氏硬度試驗步驟 （ 1）硬度計試驗程序 HBRV－ 型 （ 2）將機身后端電源插頭接上電源后，打開機身右側下方的光源開關，使在投影屏上能看到清晰的影像。 （ 3）根據試驗要求選用 壓 頭（ 120176。金剛石 圓錐 HRC），并將壓頭安裝在主軸的孔中，安裝時應使壓 頭的肩部與主軸端面緊密接觸，然后適當擰緊緊固螺釘。 （ 4）根據試驗需要選擇試驗負荷（ 150kg HRC），轉動機身右側的變換旋鈕，使所需負荷數字對正標記。 （ 5）將手柄推向后方，然后將試樣放在工作臺上，轉動手輪使試樣的試面與壓頭接觸，繼續轉動手輪，使試樣升高，直到投影屏上的基線與左邊刻度 “100”接近重合。 （ 6）旋轉投影屏下的調整旋鈕，使分劃板上的刻度 100 與投影屏橫線重合。 （ 7）拉動手柄，使主負荷緩慢施加在試樣上，投影屏上的刻線慢慢回行而停止在一定位置。 （ 8）將手柄推向后方，使主負荷卸除，此時投影屏 上橫線對準標尺的數字，即為洛氏硬度值（左邊讀 HRC）。 里氏硬度實驗 （ 1）裝打印紙 ●用拇指和中指輕輕捏住打印倉蓋兩端的長條棱狀凸起部位，稍稍用力使打印倉蓋向上旋起。向前上方按打印機搬把，使出紙口抬起并處于打開狀態。 ●向打印倉中裝入打印紙，拉起打印紙并對準朝向打印倉一端的出紙口并裝入。 （ 2）啟動 ●將沖擊裝置插頭插入位于儀器上的沖擊裝置插口。 ●按鍵接通電源，儀器進入測量狀態。 （ 3）加載 ●向下推動加載套鎖住沖擊體；對于 DC 型沖擊裝置，則可將加載桿吸于試驗表面，將 DC 型沖擊裝置插入加載桿，直到停 止位置為止，此時就完成加截。 ●將沖擊裝置支承環緊壓在試樣表面上，沖擊方向應與試驗面垂直。 （ 4）測量 ●按動沖擊裝置上部的釋放按鈕，進行測試。此時要求試樣、沖擊裝置、操作者均穩定，并且作用 5 力方向應通過沖擊裝置軸線。 ●試樣的每個測量部位一般進行五次試驗。數據分散不應超過平均值的 177。15HL。 （ 5）讀取測量值 （ 6）打印輸出結果 （ 7）按鍵關機 六、實驗報告 （ 1）洛氏硬度數值 項目 試驗材料及 其處理狀態 試驗規范 測得硬度值 換算成布氏硬度值HBS 壓頭 總載荷 F （ kgf） 硬度標尺 第一次 第二次 第三次 平均硬度 值 （ 2）里氏硬度試驗結果處理 用五個有效試驗點的平均值作為一個里氏硬度試驗數據。 TH160 里氏硬度計 探頭型號： 沖擊方向： 平均次數： 材料： 測量值： 平均值： （ 3）分 析 碳鋼的含碳量與硬度間關系，并畫出其關系曲線圖。 （ 4）分析熱處理對硬度的影響 （ 5）比較各種硬度計的原理及適用范圍。 6 實驗二 碳鋼的平衡組織分析及熱處理后的組 織識別 一、實驗目的 ① 了解金相試樣的制備過程及金相顯微鏡的使用。 ② 識別碳鋼平衡組織的顯微特征并分析成份對組織的影響。 ③ 明確化學成分與組織變化間的關系，加深對 Fe－ Fe3C 相圖的理解 ④ 識別 碳鋼熱處理后 的顯微組織特征及其相與組織組成物的分布規律。 二、金相試樣的制備。 為了在金相顯微鏡下確切地、清楚地觀察到金屬內部的顯微組織，金屬試樣必須進行精心的制備。試樣制備過程包括取樣、鑲嵌、磨制、拋光、浸蝕等工序。 取樣 取樣部位及觀察面的選擇，必須根據被分析材料或零件的失效特點、加工工藝的性質以及研究的目的 等因素來確定。 例如，研究鑄造合金時，由于它的組織不均勻，應從鑄件表面、中心等典型區域分別切取試樣，全面地進行金相觀察。 研究零件的失效原因時，應在失效的部位取樣，并在完好的部位取樣，以便作比較性的分析。 對于軋材，如研究材料表層的缺陷和非金屬夾雜物的分布時，應在垂直軋制方向上切取橫向試樣；研究夾雜物的類型、形狀、材料的變形程序、晶粒被拉長的程度、帶狀組織等，應在平行于軋向切取縱向試樣。 在研究熱處理后的零件時，因為組織較均勻可自由選取斷面試樣。對于表面熱處理后的零件，要注意觀察表面情況，如氧化層、脫碳層、 滲碳層等。 取樣時，要注意取樣方式，應保證不使試樣被觀察面的金相組織發生變化。對于軟材料可用鋸、車等方法；硬材料可用水冷砂輪切片機切取或電火花線切割機切割；硬而脆的材料（如白口鑄鐵），可用錘擊；大件可用氧氣切割，等等。 試樣尺寸不要太大，一般以高度為 10mm～ 15mm，觀察面的邊長或直徑為 15mm～ 25mm 的方形或圓柱形較為合適。 鑲樣 一般試樣不需鑲樣。尺寸過于細小，如細絲、薄片、細管或形狀不規則，以及有特殊要求（例如要求觀察表層組織）的試樣，制備時比較困難，則必須把它鑲嵌起來。 鑲樣方法很多，有低熔 點合金的鑲嵌、電木粉鑲嵌、環氧樹脂鑲嵌、夾具夾持法等。目前一般多用電木粉鑲嵌，采用專門的鑲樣機。用電木粉鑲嵌時要加一定的溫度和壓力，這可使馬氏體回火和軟金屬產生塑性變形。在這種情況下，可改用夾具夾持法。 可以用環氧樹脂加凝固劑來鑲嵌試樣，其配方如下：環氧樹脂 100g,磷苯二甲酸二丁脂 20g,乙二胺20g。但必須停留 7h～ 8h 后方可使用。 磨制 1）粗磨 軟材料（有色金屬）可用銼刀銼平。一般鋼鐵材料通常在砂輪機上磨平，磨樣時應利用砂輪側面，以保證試樣磨平。打磨過程中，試樣要不斷用水冷卻，以防溫度升高引起試 樣組織變化。另外，試樣邊緣的棱角如沒有保存的必要，可最后磨圓（倒角），以免在細磨及拋光時劃砂紙或拋光布。 2）細磨 7 細磨有手工磨和機械磨兩種。手工磨是用手拿持試樣，在金相砂紙上磨平。我國金相砂紙按粗細分為 01 號、 02 號、 03 號、 04 號、 05 號幾種。細磨時，依次從 01 號磨至 05 號。必須注意，每更換一道砂紙時，應將試樣的磨制方向調轉 90176。，即與上一磨痕方向垂直，以便觀察上一道磨痕是否被磨去。另外，在磨制軟材料時，可在砂紙上涂一層潤滑劑，如機油、汽油、甘油、肥皂水等，以免砂粒嵌入試樣磨面。 為了加快磨制速度，減 輕勞動強度，可采用在轉盤上貼水砂紙的預磨機進行機械磨光。水砂紙按粗細有 200號、 300