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1、工程材料及成型工艺实验指导书主编 工程材料教研室南京理工大学材料科学及工程学院20098前言材料、信息和能源是国民经济的三大支柱，且人类文明的发展就是以材料为标志的。材料学科的实践性很强，实验教学又是理论教学中不可或缺的重要环节，它不仅可培养工科学生的动手能力，巩固理论知识，还可激发同学的学习激情和创新精神，练就过硬本领，迎接未来的各种挑战。通过工程材料及成型工艺课程的学习，可使学生在掌握各种工程材料和热成形技术的基本理论和基本知识的基础上，熟悉各类材料成分、组织及性能之间的关系，掌握各种材料成形方法的工艺特点和强化材料的主要技术途径，了解新近发展的各类新型高性能结构材料和各种先进的材料成形技
2、术，初步具备根据零件使用条件和性能要求，合理选用材料和毛坯成形方法及制订零件加工工艺路线的能力。然而，由于本课程的实践性非常强，实验环节也非常重要，在颜银标主任的提议和组织下，我教研室老师结合当前工程材料的最新发展、机械类本科生的教学特点以及未来工作的实际需要，共同编写了本课程的实验指导书。具体分工如下：实验1、实验2李友荣执笔，实验3徐跃编写，实验4、实验5及实验1和实验2的插图由朱和国完成。由于水平有限，错误难免，敬请指正！工程材料教研室目录实验1 铁碳合金平衡组织的观察3实验2 钢的热处理7实验3 金属零件失效及原因分析12实验4 工程材料的选材分析15实验5 常见工程材料的组织观察17
3、实验1铁碳合金平衡组织的观察一、实验目的1）观察铁碳合金平衡状态下的显微组织。2）了解铁碳合金成分、组织及性能的关系。二、实验内容1）用放大倍数为400600倍的显微镜观察下列成分铁碳合金的显微组织，了解其形态。样品号牌号状态浸蚀剂显微组织观察要点1纯铁完全退火4硝酸酒精溶液F白色等轴晶为铁素体，黑色线条为铁素体晶界220钢完全退火4硝酸酒精溶液FP白色为铁素体，黑色块为片状珠光体345钢完全退火4硝酸酒精溶液FP白色为铁素体，黑色块为片状珠光体4T8钢完全退火4硝酸酒精溶液P层片状珠光体5T10钢完全退火4硝酸酒精溶液PFe3C基本为片状珠光体，白色网络状为二次渗碳体6T10钢完全退火苦味酸
4、钠溶液PFe3C基本为片状珠光体，黑色网络状为二次渗碳体7T10钢球化退火4硝酸酒精溶液FFe3C铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体8亚共晶生铁铸态4硝酸酒精溶液PFe3CLe黑色枝晶状为细珠光体（初生奥氏体转变产物），基体为共晶莱氏体9共晶生铁铸态4硝酸酒精溶液Le白色基体为渗碳体，黑色为珠光体2）绘出上述观察的各成分铁碳合金的组织示意图。3）分析铁碳合金成分及组织之间的关系。三、实验原理图1Fe碳平衡相图C%wt.本实验主要是研究铁碳合金在平衡状态下的显微组织。所谓平衡状态是指合金中一切相的变化都是按状态图进行。这种状态只有在极缓慢的冷却时才可能达到。铁碳合金的平衡组织可以根据Fe碳平衡相图（
5、图1）进行分析。从相图可知，所有的碳钢和白口铸铁在室温时的组织均由铁素体和渗碳体两相所组成。由于含碳量的不同，铁素体和渗碳体相的相对数量、形态及分布是不一样的，从而构成了各种不同特征的组织。图2 工业纯铁组织 200 图3 20钢的显微组织200 组织：F 组织：F（白块）+P（黑块）1）铁素体（F）是碳溶于Fe中的固溶体，有较高的塑性，但硬度低，经35硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈白色大粒状或块状（见图2）。钢中随含碳量的增加，铁素体量减少。铁素体较多时呈块状分布见图3、图4。当含碳量接近共析成分时，往往呈断续网状，分布在珠光体周围（见图5）。图4 40钢的显微组织330 图5 60钢的显
6、微组织118组织：FP 组织：F（白色网状）+P（黑色）2）渗碳体（Fe3C,Cm）是铁及碳的化合物，含碳量为6.69。渗碳体的硬度很高，可达HB800，但脆性很大，强度和塑性也差。一次渗碳体（Cm）是从液态合金中析出的，呈长条状（板状，见图11）；二次渗碳体（Cm）是由奥氏体中析出的，在奥氏体转变为珠光体后，呈网状分布在珠光体的边界上，见图7；三次渗碳体（Cm）是由铁素体中析出的，通常呈不连续薄片状存在于铁素体晶界处，数量极微，可忽略不计。渗碳体的抗浸蚀能力强，经3-5硝酸酒精溶液浸蚀后呈白亮色（图6，图7），这及亚共析钢中的网状铁素体很难区分。若用苦味酸钠溶液浸蚀后，二次渗碳体在显微镜下呈
7、黑色，就能比较清楚地区分出亚共析钢中的铁素体及过共析钢中的二次渗碳体了。图6 T8钢的显微组织 400 图7 T12钢的显微组织400组织：P（片状）组织：P（层片状）+Fe3C（白色网状）3）珠光体（P）是铁素体和渗碳体的共析混合物。片状珠光体一般是经退火得到的。它是铁素体和渗碳体交替分布的层片状组织（见图6、图7）。经硝酸酒精溶液浸蚀后，在不同放大倍数显微镜下可以看到具有不同特征的珠光体组织。在高倍（600倍以上）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，而边界呈黑色（见图8）。在中倍（400倍左右）下观察时，白亮色渗碳体被黑色边界所“吞食”，而成为细黑条。这时看到的珠
8、光体是宽白条铁素体和细黑条渗碳体的相间混合物。在低倍（200倍以下）观察时，宽白条的铁素体和黑条的渗碳体很难分辨。此时，珠光体为黑块状组织（见图9）。球状珠光体是共析钢或过共析钢经球化退火，使渗碳体球化后而得到的。经35硝酸酒精溶液浸蚀后球状珠光体为白亮色铁素体基体上均匀分布着白亮色渗碳体小颗粒，其边界为黑圈。图8 T12钢的显微组织600 图9 亚共晶白口铁显微组织150组织：P（白色块状）Fe3C（黑色网状）组织：P（黑色团状）+Fe3CLd图10 共晶白口铁显微组织 400 图11 过共晶白口铁显微组织150组织：Ld（小黑色条、点、白色Fe3C基体）组织：Fe3C（白色宽条）+Ld（小
9、黑色条、点、白色Fe3C基体）4）莱氏体（Le）在室温时是珠光体和渗碳体的混合物。此时渗碳体中包括共晶渗碳体和二次渗碳体两种，但它们相连在一起，而分辨不开。经35硝酸酒精溶液浸蚀后，莱氏体的组织特征是，在白亮色的渗碳体基体上均匀分布着许多黑点（块）状或条状珠光体（见图10）。莱氏体的硬度很高，达HB700，性脆。一般存在于含碳量大于2.11的白口铸铁中。亚共晶白口铸铁的组织包括：莱氏体、呈黑粗树枝状分布的珠光体和周围白亮圈的二次渗碳体（图9）。二次渗碳体及莱氏体中的渗碳体相连，无法区别。过共晶白口铸铁的组织由莱氏体和长白条一次渗碳体组成，（图11）。四、实验设备及材料金相显微镜、标准试样、金相
10、砂纸等。五、实验方法及步骤1）清洁试样表面；2）观察各种不同成分的合金试样；3）比较不同成分合金组织的差别，并绘制不同组织的形貌图。六、实验报告要求1）绘制不同成分的组织形貌图；2）分析不同组织形貌的产生原因。七、注意事项1）注意安全即仪器设备的合理正确使用；2）注意成分及组织形貌之间的关系；八、实验思考题1）铁碳平衡相图的不足之处是什么？2）简述组织及相的区别及联系。实验2 钢的热处理一、实验目的1）熟悉碳钢的几种基本热处理（退火、正火、淬火及回火）操作方法。2）了解加热温度、冷却速度、回火温度等因素对碳钢热处理后性能（硬度）的影响。3）了解合金元素对淬火钢回火稳定性的影响。二、实验内容1）
11、按表1所列工艺条件进行各种热处理操作。2）测定热处理后的全部试样的硬度，并将数据填入表内。3）各小组将实验数据列同行业实验报告表中。4）将表中的数据以硬度（HRC）回火温度（）为坐标作曲线（画出40钢及40Cr钢两条曲线）。5）简要分析淬火温度、冷却方式、回火温度对钢组织及性能的影响，以及合金元素对淬火钢回火后硬度的影响。三、实验原理钢的热处理就是将钢通过加热、保温和冷却改变其内部组织，从而获得所要求的物理、化学、机械和工艺性能的一种操作方法。常用热处理的基本操作有退火、正火、淬火及回火等。热处理操作中，加热温度、保温时间和冷却方式是最重要的三个基本工艺因素，正确地选择热处理规范，是确保热处理
12、成功的关键。1）加热温度（1）退火加热温度亚共析钢的退火加热温度是Ac33050；共析钢和过共析钢的退火加热温度是Ac12040，目的是得到球状珠光体，降低硬度，改善高碳钢的切削加工性能。（2）正火加热温度亚共析钢正火加热温度是Ac33050；过共析钢正火加热温度是Accm3050。（3）淬火加热温度亚共析钢淬火加热温度是Ac33050；过共析钢淬火加热温度是Ac13050。（4）回火温度钢淬火后必须进行回火，回火的温度决定于最终所要求的组织和性能。按加热温度，可将回火分为低温、中温、高温回火三类。低温回火是在150250进行回火，所得的组织是回火马氏体，硬度约为HRC60。目的是降低淬火后的
13、应力，减少钢的脆性，保证钢的高硬度。低温回火常用于高碳钢切削刀具、量具和轴承等工件的处理。中温回火是在350500进行回火，所得组织为回火屈氏体，硬度约为HRC3545左右。目的是获得高的弹性极限，同时具有较好的韧性。主要用于中高碳钢弹簧的热处理。高温回火是在500650进行回火，所得组织为回火索氏体，硬度为HRC2535。目的是获得既有一定强度、硬度，又具有良好冲击韧性的综合机械性能。把淬火后经高温回火的处理工艺称调质处理。它主要用于中碳结构钢机器零件的热处理。钢中如含有铬（Cr）、钼（Mo）、钒（V）等合金元素时，它们阻碍钢中的原子扩散过程，因而在同样的回火温度下及碳钢相比，可起到延缓马氏
14、体分解和阻碍碳化物聚集长大的作用，从而使钢的硬度下降缓慢。这就是说合金元素延缓了钢的回火转变过程，提高了钢的回火稳定性。2）保温时间为了使工件各部分的温度均匀，完成组织转变，并使碳化物完全溶解和奥氏体成分均匀一致，必须在淬火加热温度下保温一定时间，通常将工件升温和保温所需时间计算在一起，统称为加热时间。热处理加热时间必须考虑许多因素，例如钢的化学成分、工件尺寸、形状、装炉量、加热炉类型、炉温和加热介质等。可根据热处理手册中介绍的经验公式估算，也可以由实验来确定。实际工作中常根据经验来估算加热时间，一般规定，在空气介质中，升到规定温度后的保温时间，碳钢按工件厚度每毫米需一分至一分半钟估算；合金钢
15、按每毫米两分钟估算。在盐浴炉中，保温时间可缩短12倍。3）冷却方式热处理中必须施以正确的冷却方式，才能获得所要求的组织及性能。退火一般采用随炉冷却。正火（或常化）多采用空气冷却，大件常进行吹风冷却。图1 钢的理想淬火冷却曲线淬火的冷却速度一方面要大于临界冷却速度，以保证获得马氏体组织；另一方面冷却速度应尽量缓慢，以减少内应力，避免变形和开裂。理想的淬火冷却方法应当是，工件在奥氏体最不稳定的温度范围（650550）快冷，超过临界冷却速度而在马氏体转变温度（300100）以下慢冷。理想淬火冷却曲线如图41所示。常用的淬火介质有水及水溶液（510NaCl、NaOH）和油等。淬火方法有单液淬火、双液淬
16、火、分级淬火和等温淬火等。以共析钢为例，不同冷却速度将有不同的组织对应。其产物分别有珠光体、贝氏体和马氏体三种。珠光体转变中，随着冷却速度的提高，其转变产物的组织变细，根据组织的粗细程度的不同又分为珠光体、索氏体和屈氏体三种，三者没有本质的区别，只是粗细程度的不同。见图2。贝氏体根据冷却速度的不同分为上贝氏体和下贝氏体两种，见图3。马氏体的形貌取决于含碳量，低碳（小于0.2%）时为板条状，见图4，当含碳量高于1.0%时，则为针状，见图5，当碳含量为0.2%1.0%时，马氏体则为针状板条混合状。abc图2 珠光体组织(500)a珠光体 b索氏体 c屈氏体ab上贝氏体显微组织a-540 b-130
17、0ab下贝氏体显微组织a-540 b-1300图3 贝氏体马氏体板条ab马氏体片a板条状马氏体b针状马氏体ab图4 马氏体表1 实验任务表钢号加热温度()保温时间(分)原始硬度(HRB)冷却方式硬度（HRC）回火温度()回火时间(分)回火后的硬度(HRC)123平均123平均40850空冷油冷水冷200水冷400水冷600750水冷40r850水冷200水冷400水冷600四、实验仪器及实验材料箱式淬火炉、金相显微镜、各种成分的金属试样等。五、实验方法及步骤1）熟悉并了解碳钢的几种基本热处理（退火、正火、淬火及回火）原理。2）按表1所列工艺条件进行各种热处理操作。3）测定热处理后的全部试样的硬
18、度，并将数据填入表内。4）将表中的数据以硬度（HRC）回火温度（）为坐标作曲线（画出40钢及40Cr钢两条曲线）。5）简要分析淬火温度、冷却方式、回火温度对钢组织及性能的影响，以及合金元素对淬火钢回火后硬度的影响。六、实验报告要求1）测定热处理后的全部试样的硬度，并将数据填入表内。2）将表中的数据以硬度（HRC）回火温度（）为坐标作曲线（画出40钢及40Cr钢两条曲线）。3）简要分析淬火温度、冷却方式、回火温度对钢组织及性能的影响，以及合金元素对淬火钢回火后硬度的影响。七、实验注意事项1）注意安全，尤其时淬火时的冷却过程。2）保持现场的安静，注意观察试样颜色的变化。八、实验思考题1）热处理的基
19、本条件是什么？是否所有的材料均可采用热处理工艺来改善、提高材料的性能？2）热处理的理想冷却介质是什么？3）介质的冷却速度及钢的淬透性是否有关联？影响淬透性的因素有哪些？4）显微镜所观察到的显微组织对材料的性能有何影响？实验金属零件失效及原因分析实验指导书一、实验目的1. 掌握金属零件磨损、疲劳和腐蚀等破坏的形式。掌握每种破坏形式不同工艺条件下的特点。2. 通过金属零件的破坏现象，分析形成的原因。3. 掌握磨擦实验机、疲劳实验机的结构和使用。二、实验内容金属零件失效及原因分析包括磨擦实验、疲劳实验、腐蚀实验三个实验，通过实验使学生掌握金属零件磨损、疲劳和腐蚀破坏的形式和形成原因，从而加深学生对金
20、属材料的认识，提高学生科学使用材料和分析解决材料破坏问题的能力。三、实验仪器设备和材料磨擦实验机、疲劳实验机。采用08、T12、2Cr13、45、40Cr等材料, 根据不同实验，按照国家标准制备试样。四、实验原理1. 磨损理论摩擦是指两个相互接触的表面发生相对运动或具有相对运动趋势时，在接触表面间产生的阻止相对运动或相对运动趋势的现象，按照物体运动时接触面的变化不同，又可以分为滑动磨擦和滚动摩擦。由于出现磨擦，系统的运动学和动力学性质受到影响和干扰，使系统的一部分能量以热量形式发散和以噪音形式消失，同时，摩擦效果还往往伴随着表面材料的逐渐消失，即磨损。磨损是零部件失效的一种基本类型。通常意义上
21、来讲，磨损是指零部件几何尺寸（体积）变小。零部件失去原有设计所规定的功能称为失效。失效包括完全丧失原定功能；功能降低和有严重损伤或隐患，继续使用会失去可靠性和安全性。磨损按照表面破坏机理特征，磨损可以分为磨料磨损、粘着磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损等。前三种是磨损的基本类型，后两种只在某些特定条件下才会发生。为了反映零件的磨损，常常需要用一些参量来表征材料的磨损性能。常用的参量有以下几种：(1)磨损量由于磨损引起的材料损失量称为磨损量，它可通过测量长度、体积或质量的变化而得到，并相应称它们为线磨损量、体积磨损量和质量磨损量。(2)磨损率 以单位时间内材料的磨损量表示，即磨损率I=dV
22、/dt (V为磨损量,t为时间）。(3)磨损度 以单位滑移距离内材料的磨损量来表示，即磨损度E=dV/dL (L为滑移距离）。(4)耐磨性指材料抵抗磨损的性能，它以规定摩擦条件下的磨损率或磨损度的倒数来表示，即耐磨性=dt/dV或dL/dV。(5)相对耐磨性指在同样条件下，两种材料（通常其中一种是Pb-Sn合金标准试样）的耐磨性之比值，即相对耐磨性w=试样标样。机械零件的磨损失效常经历一定的磨损阶段，可以将磨损失效过程分为三个阶段。(1)跑合磨损阶段。新的摩擦副在运行初期，由于对偶表面的表面粗糙度值较大，实际接触面积较小，接触点数少而多数接触点的面积又较大，接触点粘着严重，因此磨损率较大。但随
23、着跑合的进行，表面微峰峰顶逐渐磨去，表面粗糙度值降低，实际接触面积增大，接触点数增多，磨损率降低，为稳定磨损阶段创造了条件。为了避免跑合磨损阶段损坏摩擦副，因此跑合磨损阶段多采取在空车或低负荷下进行；为了缩短跑合时间，也可采用含添加剂和固体润滑剂的润滑材料，在一定负荷和较高速度下进行跑合。(2)稳定磨损阶段。这一阶段磨损缓慢且稳定，磨损率保持基本不变，属正常工作阶段。(3)剧烈磨损阶段。经过长时间的稳定磨损后，由于摩擦副对偶表面间的间隙和表面形貌的改变以及表层的疲劳，其磨损率急剧增大，使机械效率下降、精度丧失、产生异常振动和噪声、摩擦副温度迅速升高，最终导致摩擦副完全失效。2. 疲劳理论机械零
24、件受到大小、方向随时间呈周期性变化的交变载荷作用，尽管交变应力低于屈服强度，但在交变载荷的长期作用下，零件发生突然断裂，这种现象称为疲劳。疲劳强度是指材料抵抗无限次应力循环也不疲劳断裂的强度指标，交变负荷-1s为设计标准。金属内部结构并不均匀，从而造成应力传递的不平衡，有的地方会成为应力集中区。及此同时，金属内部的缺陷处还存在许多微小的裂纹。在力的持续作用下，裂纹会越来越大，材料中能够传递应力部分越来越少，直至剩余部分不能继续传递负载时，金属构件就会全部毁坏。早在100多年以前，人们就发现了金属疲劳给各个方面带来的损害。但由于技术的落后，还不能查明疲劳破坏的原因。直到显微镜和电子显微镜相继出现
25、之后，使人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得新的成果，并且有了巧妙的办法来对付这个大敌。金属疲劳所产生的裂纹会给人类带来灾难。然而，也有另外的妙用。现在，利用金属疲劳断裂特性制造的应力断料机已经诞生。可以对各种性能的金属和非金属在某一切口产生疲劳断裂进行加工。这个过程只需要12秒钟的时间，而且，越是难以切削的材料，越容易通过这种加工来满足人们的需要。疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，记录了很多断裂信息。具有明显区别于其他任何性质断裂的断口形貌特征，而这些特征又受材料性质、应力状态、应力大小及环境因素的影响，因此对疲劳断口分析是研究疲劳过程、分析疲劳失效原因的重要方法。一个典型的疲劳断口往
26、往由疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个部分组成，具有典型的“贝壳”状或“海滩”状条纹的特征，这种特征给疲劳失效的鉴别工作带来了极大的帮助。3. 腐蚀理论金属腐蚀是金属材料受周围介质的作用而损坏。金属的锈蚀是最常见的腐蚀形态。金属腐蚀及防腐蚀问题及现代科学技术发展和人民生活息息相关，几乎所有金属材料都是在一定环境中使用。金属材料在使用过程中受环境的作用，往往随时间的延长而逐渐受到损毁或性能下降，通常称之为“腐蚀”或“老化”。自然环境主要是指大气、海水、土壤、酸碱等环境，它们对金属材料都会发生腐蚀作用。腐蚀时，在金属的界面上发生了化学或电化学多相反应，使金属转入氧化（离子）状态。这会显著
27、降低金属材料的强度、塑性、韧性等力学性能，破坏金属构件的几何形状，增加转动件间的磨损，恶化电学和光学等物理性能，缩短设备的使用寿命，甚至造成火灾、爆炸等灾难性事故。金属材料使用量的90%以上是钢铁，全世界现存的钢铁及金属设备大约每年腐蚀率为10%，全世界每年因腐蚀损失约高于7000亿美元，一般看来，由于腐蚀所造成的经济损失约占国民经济总产值的24%，由此可见，金属腐蚀问题十分严重和普通。金属在腐蚀过程中所发生的化学变化，从根本上来说就是金属单质被氧化形成化合物。这种腐蚀过程一般通过两种途径进行，化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀：金属表面及周围介质直接发生化学反应而引起的腐蚀。电化学腐蚀：金属材料
28、（合金或不纯的金属）及电解质溶液接触 , 通过电极反应产生的腐蚀。五、实验方法和步骤1. 磨擦实验方法和步骤实验采用08、T12材料，做成标准试样，在磨擦实验机进行摩擦实验，观察两种材料在相同实验载荷100N，不同时间30、45分钟实验条件下的磨损情况；08在相同时间45分钟，不同实验载荷100N、500N条件下的磨损情况，并分析其原因。2. 疲劳实验方法和步骤实验采用45、40Cr材料，45的疲劳强度为280MPa，40Cr的疲劳强度为552MPa，做成标准试样，在疲劳实验机进行疲劳实验，观察45在285MPa、350MPa、观察40Cr材料在560MPa、700MPa不同载荷实验条件下的疲
29、劳破坏情况，观察断口并分析其原因。3. 腐蚀实验方法和步骤实验采用45、2Cr13材料，做成10505试样，分别放入10%HCl、10%H2SO4、50%HCl、50%H2SO4溶液中进行腐蚀实验，采用10分钟、30分钟不同放入时间工艺条件，观察两种材料在实验溶液中的腐蚀情况，总结出钢铁材料腐蚀的不同，并分析其腐蚀原因。六、实验报告要求实验报告的书写要求语言通顺、表达清晰、论述准确、层次分明、重点突出。报告中要体现实验目的、实验内容、实验设备和材料、实验原理、实验过程等，对实验中出现的特殊现象，要重点加以论述，并且用所学的理论知识加以分析原因，以达到锻炼提高学生书写学术报告的能力和分析问题、解
30、决问题的能力。七、实验注意事项1. 实验中要求学生注意力高度集中，认真按照设备的使用规程来操作。2. 实验要求的保护装备要齐全，以免学生受到伤害。3. 严格按照实验步骤进行，学生分工明确，并做好实验记录。八、思考题1. 金属材料磨损到什么程度机械零件不能使用？2. 金属材料疲劳极限是什么？3. 金属材料腐蚀原因是什么？实验4工程材料的选材分析一、实验目的1）了解零件失效的形式、常用零件的工作条件。2）了解并灵活运用选材的基本原则。3）掌握常用结构零件的选材、制备、热处理工艺的制定等。二、实验内容共同分析轴、齿轮、枪管、压缩螺旋弹簧及板簧的工作条件、使用性能、选材、工艺路线、热处理工艺的作用。三
31、、实验仪器设备和材料金相显微镜、热处理炉、弹簧、板簧、枪管、齿轮、轴等。四、实验原理1）零件的失效失效是指由于某种原因导致零件的尺寸、形状或材料的组织及性能发生变化而丧失其规定功能的现象。，零件失效的类型可归纳为变形、断裂及表面损伤三种。根据丧失功能的程度，零件失效表现为下列三种情况：零件完全破断，丧失工作能力；零件已严重损伤，不能再安全工作；零件虽能安全工作，但已不能满意地起到预期作用。2）失效原因（1）零件设计不合理零件结构设计不合理会造成应力集中。对工作时的过载估计不足或结构尺寸计算错误，会造成零件不能承受一定的过载。对环境温度、介质状况估计不足，会造成零件承载能力降低。（2）选材不当未
32、能正确判断零件的失效形式，会导致设计时选错材料。对材料性能指标试验条件和应用场合缺乏全面了解，使所选材料抗力指标及实际失效形式不相符合而造成选材错误。材料冶金质量太差，由所选材料制成的零件达不到设计要求。（3）加工工艺不合理成形工艺不当会造成缺陷。如铸造工艺不当在铸件中会造成缩孔、气孔；锻造工艺不当，造成过热组织，甚至发生过烧；机加工不当，造成深刀痕和磨削裂纹；热处理工艺不当，造成组织不合要求、脱碳、变形、开裂等。这都是导致零件失效的重要原因。（4）安装使用不当安装时对中不好，配合过紧或过松，不按规程操作，维护不良等都可能导致零件失效。3）失效分析方法零件失效原因是相当复杂的，可能是设计有误，
33、或材料选用不合理，或加工工艺不当等。因此，失效分析是一个涉及面很广的复杂问题，所以分析零件失效必须要有一个科学的方法。其工作程序大体为：（1）收集失效零件残体，确定失效的源发部位。（2）整理失效零件的有关资料，如设计资料、加工工艺文件及使用记录等。（3）对失效零件残体进行宏观及微观断口分析，确定失效的发源地及失效方式。（4）测定失效零件残体样品的必要数据，包括设计所依据的性能指标及及失效有关的性能数据，材料的组织及化学成分是否符合要求，分析在失效零件上收集到的腐蚀产物的成分、磨屑的成分等。必要时还要进行无损探伤、断裂力学分析等，确定有无裂纹或其他缺陷。（5）综合各方面的资料做出判断，确定失效的
34、原因，提出改进措施、写出分析报告。零件失效的原因是多方面的。就材料而言，通过对零件工作条件和失效形式的分析，确定零件的使用性能要求，将使用性能具体转化为相应的性能指标，根据这些指标来选用材料。3）选材的三原则（1）使用性能原则使用性能是保证零件实现规定功能的必要条件，是选材最主要的依据。使用性能主要指零件在使用状态下应具有的力学性能、物理性能和化学性能。零件必须满足的使用性能要在对工作条件和失效形式分析的基础上提出。（2）工艺性能原则在选材中，工艺性能也可成为选材考虑的主要依据。当某一可选材料的性能很理想，但极难加工或加工成本很高时，选用该材料就没有意义了。因此，选材时必须考虑材料的工艺性能。
35、（3）经济性原则材料的经济性也是选材的重要原则之一。从材料的经济性考虑，选材时应注意以下几个方面：材料的价格、零件的总成本、国家的资源等4）齿轮的选材及其热成型工艺（1）工作条件齿轮是机械工业中应用最广的零件之一，是机床、汽车、拖拉机等机器设备中的重要零件，主要用于传递扭矩、改变运动方向和调节速度，其工作时的受力情况如下：由于传递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲应力；齿面相互滑动和滚动，承受较大的接触应力，并发生强烈的摩擦；由于换档、启动或啮合不良，齿部承受一定的冲击。（2）失效形式a)齿根的疲劳断裂，通常一齿断裂引起数齿、甚至更多的齿断裂，它是齿轮最严重的失效形式；b)齿面磨损，导致齿厚变小，齿
36、隙增大；在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹并逐渐发展，最终齿面接触疲劳破坏，出现点状剥落；c)过载断裂，主要是冲击载荷过大造成齿断。（3）性能要求a)高的弯曲疲劳强度；b)高的接触疲劳强度和耐磨性；c)轮齿心部要有足够的强度和韧性。此外，对金属材料，应有较好的热处理工艺性，如淬透性高，过热敏感性小，变形小等。（4）齿轮零件的选材根据工作条件，表1给出了一些齿轮的工作条件、选材、热处理工艺和性能要求等情况。表1一些齿轮的工作条件、选材、热处理工艺和性能要求序号齿轮工作条件钢种热处理工艺硬度要求 1在低载荷下工作，要求耐磨性好的齿轮 15 (20)900950渗碳，直接淬火或预冷到780800淬
37、火(水冷)；180200回火5863HRC 2速度6的齿轮(如立车上的重要齿轮) 20SiMnVB20CrMnTi900950渗碳，预冷820850淬火，180200回火5863HRC 5高速、重载荷、形状复杂要求热处理变形小的齿轮 38CrMoAlA正火或调质后500550渗氮850HV以上（5）工艺路线工艺路线的一般形式：下料锻造预热处理机加工终热处理后序零件。工艺路线中的预热处理和终热处理取决于所选的齿轮材料。当齿轮材料为低碳的渗碳钢时，预热处理为正火，其目的除了均匀组织、改善组织外，更主要的是提高锻件的硬度便于切削加工。此时的终热处理为渗碳低温回火。齿轮的表面组织为高碳回火马氏体，心部
38、为低碳回火马氏体。如果所选材料为中碳钢，则预热处理为正火或退火，目的消除内应力，均匀组织，改善组织。终热处理分调质处理，使整过齿轮的组织转变为回火索氏体，但对轴颈部位还需进行表面淬火低温回火热处理，使轴颈部位的表面获得中碳回火马氏体组织，以提高轴颈的耐磨性能。五、实验方法及步骤1）弄清楚零件的工作条件，诸如所承载荷性质、大小，工作环境温度，介质性质，用户要求等；并分析估计零件失效的方式和原因，提出零件的性能要求。2）将零件的性能要求量化为材料的性能指标。3）根据材料的性能指标，提出备选材料。备选材料可通过查阅有关手册，参考相类似零件提出。4）从使用性能、工艺性能及经济性等方面综合考虑，并进行计
39、算、校核，从备选材料中确定理想的材料。5）通过实验室试验检测、台架试验和批量考核，最终确定选材方案。六、实验报告要求1）分析压缩螺旋弹簧及板簧（图1）的工作条件、使用性能、选材、工艺路线、热处理工艺的作用。压缩螺旋弹簧板簧图1 弹簧形状2）分析枪管的工作条件、使用性能、选材、工艺路线、热处理工艺的作用。七、实验注意事项 1）应结合实际工作条件并借助现代实验手段进行选材分析； 2）选材时除了结合三原则外，还应考虑材料实际供应的条件。八、实验思考题1）如何合理应用选材的三原则？2）选材不当时，能否通过热处理的方式来弥补？试举例说明。3）工艺路线中的预热处理能否省？为什么？试举例说明。实验5 常用工
40、程材料的组织观察一、实验目的1）观察分析常用工程材料的显微组织；2）了解工程材料的组织、成分、性能之间的关系；3）了解组织、组织组成物、相、相组成物四个基本概念之间的区别及联系。二、实验内容1）观察分析下列常用材料的显微组织，见表1。2）绘出观察到的金相图。表1 常用工程材料的名称、显微组织编号名称状态显微组织特征腐蚀剂1高速钢铸态Ld(鱼骨状)T(暗黑色)+M3硝酸酒精2高速钢淬火态M(隐针状)碳化物（颗粒状）A3硝酸酒精3高速钢回火态M（暗黑色基体）碳化物（白色颗粒）3硝酸酒精4灰口铸铁铸态F（白色）+G（片状）3硝酸酒精5可锻铸铁铸造石墨化退火F（白色）+G（团絮状）3硝酸酒精6球墨铸铁
41、铸态F（白色）+G（球状状）3硝酸酒精7硅铝明变质处理（枝晶状）共晶体（细密基体）3硝酸酒精8双相黄铜铸态（白亮色）b（暗黑色）3FeCl3+10%HCl9锡基巴氏合金铸态（暗黑色）b（白色块状）Cu3Sn3FeCl3+10%HCl三、实验仪器设备和材料金相显微镜、铸铁、钢、铜合金、铝基复合材料等。四、实验原理常用工程材料主要包括：钢、铸铁、有色金属、金属基复合材料等。1）钢的显微组织钢即含碳量小于2.11的铁碳合金，以含碳量为0.77%的共析钢为界，可分为亚共析钢、过共析钢三种。其组织分别为F+P+Fe3C；P；P+ Fe3C.组织形貌见图1，2，3。图1 20钢的显微组织200 图2 T8
42、钢组织400组织：F(白色)P(黑色) 组织：P(F+Fe3C)图3 T12钢组织400组织：P（黑色）+Fe3C(网状)注意：亚共析钢中的Fe3C由于其含量极少，在其金相组织中未能显现。它只是点状分布于铁素体的晶界。2）合金钢的显微组织合金钢根据合金含量的不同可分为低合金（合金元素总量10%）三种。一般常用的合金结构钢、合金工具钢都是低合金钢。由于合金元素的加入，使铁碳平衡相图发生了变化，但其平衡态下的组织及相同含碳量的碳钢的区别取决于合金元素的含量，当合金元素的不高，即低合金时，平衡态下的组织没有太大的区别，如40Cr及40钢调质后的组织均为回火索氏体。再如GCr15钢840油淬，低回后的
43、显微组织及T12钢在780水淬，低回后的组织一样。所不同的在于热处理时获取马氏体的能力不同了，即淬透性发生了变化，即使冷却速度较低也能获得完整的马氏体。如4Cr13即使室温冷却也能完全转变为马氏体。而当合金元素含量较高时，平衡相图的变化显著了，其平衡态组织会发生较大的变化，如高速钢W18Cr4V，为高合金工具钢，其含碳量为0.70.8，及共析钢相近，但其组织及T8钢则有显著的不同。此时，平衡相图的E点左移，铸态时为亚共晶组织，由莱氏体、树枝状的马氏体和屈氏体组成，见图4。莱氏体中的共晶碳化物为粗大的鱼骨状，铸态组织脆化，需进行反复锻造，击碎共晶碳化物，使其均匀分布于基体中。锻造后需进行退火处理，以调整硬度，为机加工和后续的淬火作准备。退火后的组织为颗粒状的碳化物索氏体；为获取高合金含量的马氏体，即让合金元素充分进入奥氏体，淬火时的加热温度较高，达12701280，淬火厚的组织为隐针马氏体颗粒状碳化物30左右的残余奥氏体，见图5所示。为了减少残余奥氏体的量，需对淬火后的组织进行三次在560回火处理，此时的组织为回火马氏体颗粒状的碳化物少量的残余奥氏体（残余奥氏体的量3%），见图6。