机械工程技术基础实验指导书.pdf

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1、 机械工程技术基础实验指导书机械工程技术基础实验指导书 祝金兰祝金兰 周萌周萌 杨信伟杨信伟 编编 沈阳建筑大学交通与机械工程学院沈阳建筑大学交通与机械工程学院 二二 00 六年七月六年七月 机械电子工程实验教学中心机械电子工程实验教学中心实验一 钢的硬度试验 一、实验目的 1.了解硬度测定的基本原理及应用范围。2.了解布氏，洛氏硬度实验机的主要结构及操作方法。二、概述 金属的硬度可以认为是金属材料表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的一种能力。硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念。由于在金属表面以下不同深处材料所承受的应力和所发生的变形程度不同，因而硬度值可以综合地反映压痕附近局部体积内金

2、属的弹性，微量塑变抗力，塑变强化能力以及大量形变抗力。硬度值越高，表明金属抵塑性变形能力越大，材料产生塑性变形能力就越困难。另外，硬度与其它机械性能（如强度指标b 及塑性指标和）之间有着一定的内在联系，所以从某种意义上说硬度的大小对于机械零件或工具的使用性能及寿命具有决定意义。硬度的实验方法很多，在机械工业中广泛采用压入法来测定硬度，压入法又可分为布氏硬度，洛氏硬度，维氏硬度等。压入法硬度实验的主要特点是：压入法硬度实验的主要特点是：（1）试验时应力状态最软（即最大切应力远远大于最大正应力），因而无论是塑性材料还是脆性材料均能发生塑性变形。（2）金属的硬度与强度指标之间存在如下近似关系：b=K

3、HB 式中：b-材料的抗拉强度值；HB-布氏硬度值；K-系数。退火状态的碳钢 K=0.340.36 合金调质钢 K=0.330.35 有色金属合金 K=0.330.53（3）硬度值对材料的耐磨性，疲劳强度等性能也有定性的参考价值，通常硬度值高，这些性能也就好。在机械零件设计图纸上对机械性能的技术要求，往往只标注硬度值，其原因就在于此。（4）硬度测定后由于仅在金属表面局部体积内产生很小压痕，并不损坏零件，因而适合于成品检验。（5）设备简单，操作迅速方便。三、布氏硬度（HB）（一）布氏硬度实验的基本原理（一）布氏硬度实验的基本原理 布氏硬度实验是施加一定大小的载荷 P，将直径为 D 的钢球压入被测

4、金属表面（如图 1-1 所示）保持一定时间，然后卸除载荷，根据钢球在金属表面上所压出的凹痕面积 F 凹求出平均应力值，以此作为硬度值的计量指标，并用符号 HB 表示。其计算公式如下：HB=P/F 凹 式中：HB-布氏硬度值；P-载荷（kgf）；(1kgf=9.8N)F 凹-压痕面积（mm）。根据压痕面积和球面之比等于压痕深度 h 和钢球直径之比的几何关系，可知压痕部分的球面积为：F 凹=Dh 式中：D-钢球直径（mm）；h-压痕深度（mm）。由于测量压痕直径 d 要比测定压痕深度 h 容易，故可将（1-2）式中 h 改换成 d 来表示，这可根据图 1-1（b）中 Oab 的关系求出 D-h=2

5、)2/(2)2/(dD h=1/2（D-22dD）将式（1-2）和（1-3）代入式（1-1）即得：HB=P/Dh 式中只有 d 是变数，故只需测出压痕直径 d，根据已知 d 和 p 值就可计算出 HB 值。在实际测量时，可由测出压痕直径 d 直接查表得到 HB 值。由于金属材料有硬有软，所测工件有厚有薄，若只采用同一种载荷（如 3000kg）和铅球直径（如 10mm）时，则对硬的金属适合，而对极软的金属就不适合，会发生整个钢球陷入金属中的现象；若对于厚的工件适合，则对于薄件会出现压透的可能，所以在测定不同材料的布氏硬度值时就要求有不同的载荷 P 和钢球直径 D。为了得到统一的、可以相互进行比较

6、的数值，必须使 P 和 D 之间维持某一比值关系，以保证所得到的压痕形状的几何相似关系，其必要条件就是使压入角保持不变。根据相似原理由图 1-1（b）中可知 d 和 的关系是：以此代入式（1-4）得：HB=式（1-6）说明，当值为常数时，为使 HB 值相同，P/D也应保持为一定值。因此对同一材料而言，不论采用何种大小的载荷和钢球直径，只要能满足 P/D=常数，所得的 HB 值是一样的。对不同材料来说，所得的HB 值也是可以比较的。按照 GB231-63 规定，P/D比值有 30、10 和 2.5 三种，具体实验数据和适用范围可参考表 1-1.表 1-1 布氏硬度试验规范 材 料 硬度范围（HB

7、）试 样 厚度 （mm）P/D 钢 球 直径 D（mm）载 荷P（kaf）载 荷 保持 时 间（秒）表 1-1 布氏硬度试验规范 材 料 硬度范围（HB）试 样 厚度 （mm）P/D 钢 球 直径 D（mm）载 荷P（kaf）载 荷 保持 时 间（秒）黑色金属 140 450140 63 42 6 63 3 30 10 10 5 2.5 10 5 2.5 3000 750 187.5 1000 250 62.5 10 10 黑色金属 140 450140 63 42 6 63 6 63 6 63 6 63 6 63 3 2.5 10 5 2.5 250 62.5 15.6 60（二）布氏硬度测

8、定的技术要求（二）布氏硬度测定的技术要求 1 试样表面必须平整光洁，以使压痕边缘清晰，保证精确测量压痕直径 d。2 压痕距离试样边缘应大于 D（钢球直径），两压痕之间距离应不小于 D。3.用读数显微镜测量压痕直径 d 时，应从相互垂直的两个方向上进行，取其平均值。4.为了表明试验条件，可在 HB 值后标注 D/P/T,如 HB10/3000/10,即表示此硬度值是在 D=10mm，P=3000kgf，T=10 秒的条件下得到的。（三）布氏硬度试验机的结构和操作 1.HB-3000 型布氏硬度实验机的外形结构如图 1-2 所示。其主要部件及作用如下：（三）布氏硬度试验机的结构和操作 1.HB-3

9、000 型布氏硬度实验机的外形结构如图 1-2 所示。其主要部件及作用如下：（1）机体与工作台：硬度机有铸铁机体，在机体前台面上安装了丝杠座，其中装有丝杠，丝杠上装立柱和工作台，可上下移动。（2）杠杆机构：杠杆系统通过电动机可将载荷自动加在试样上。（3）压轴部分：用以保证工作时试样与压头中心对准。（4）减速器部分：带动曲柄及曲柄连杆，在电机转动及反转时，将载荷加到压轴上或压轴上卸除。（5）换向开关系统：是控制电机回转方向的装置，使加，卸载荷自动进行。2.操作前的准备工作：2.操作前的准备工作：（1）把根据表 1-1 选定的压头擦拭干净，装入主轴衬套中。（2）按表 1-1 选定载荷，加上相应的砝

10、码。（3）安装工作台。当试样高度70 适用测量硬度质合金、表 面 淬 火层、渗碳层 HRA 120金刚石圆锥 60 70 适用测量硬度质合金、表 面 淬 火层、渗碳层 HRB 1/16 钢球 100 25100（HB60250）适用测量有色金属、退火及正火钢 HRB 1/16 钢球 100 25100（HB60250）适用测量有色金属、退火及正火钢 HRC 120 金刚石圆锥 150 2067（HB230 700）适用测量调质钢、淬火钢 HRC 120 金刚石圆锥 150 2067（HB230 700）适用测量调质钢、淬火钢 洛氏硬度值的计算公式如下：HR=K-（h3-h1）/0.002 式中

11、：h1-预加载荷压入试样的深度（mm）；h3-卸除主载荷后压入试样的深度（mm）；K-常数，采用金刚石圆锥时 K=0.2（用于 HRA、HRC），采用钢球时 K=0.26（用于 HRB）。因此，上式可改为：HRC（式 HRA）=100-（h3-h1）/0.002 HRB=130-（h3-h1）/0.002（二）测定洛氏硬度的技术要求（二）测定洛氏硬度的技术要求 1根据被测金属材料的硬度高低，按表 1-2 选定压头和载荷。2试样表面应平整光洁，不得有氧化皮或油污以及明显的加工痕迹。3.试样厚度应不小于压入深度的 10 倍。4.两相邻压痕及压痕试样边缘的距离均不应小于 3mm.5.加载时力作用线，

12、必须垂直于试样表面。（三）洛氏硬度实验机的结构和操作 1.H-100 型杠杆式洛氏硬度试验机的结构如图 1-4 所示，其主要部分及作用如下：（三）洛氏硬度实验机的结构和操作 1.H-100 型杠杆式洛氏硬度试验机的结构如图 1-4 所示，其主要部分及作用如下：（1）机体及工作台：试验机有坚固的铸铁机体，在机体前面安装有不同形状的工作台，通过手轮的转动，借助螺杆的上下移动而使工作台上升或下降。（2）加载机构：由加载杠杆（横杆）及挂重架（纵杆）等组成，通过杠杆系统将载荷传至压头而压入试样，借扇形齿轮的转动可完成加载和卸载任务。（3）千分表指示盘：通过刻度盘指示各种不同的硬度值（如图 1-5所示）。

13、2.操作规程如下：2.操作规程如下：（1）根据试样预期硬度按表 1-2 确定压头和载荷，并装入试验机。（2）将符合要求的试样放置在试样台上，顺时针转动手轮，然后将表盘大指针调整至零点（HRA、HRC 零点为 O，HRB 零点为 30）。此时压头位置即为图 1-3 中的 1-1 位置。（3）按动按钮，平稳地加上主载荷。当表盘中大指针反向旋转若干格并停止时，持续 34 秒（此时压头位置如图 1-3 中的 2-2 位置），再顺时针旋转摇柄，直至自锁为止，即卸除主载荷。此时大指针退回若干格，这说明弹性变形得到恢复，指针所指位置反映了压痕的实际深度（此时压头位置相当于图1-3中的3-3位置）。由表盘上可

14、直接读出洛氏硬度值，HRA、HRC 读外圈黑刻度，HRB 读内圈红刻度。（4）逆时针旋转手轮，取出试样，测试完毕。五、实验方法指导（一）实验内容及步骤（一）实验内容及步骤 1.分成两大组，分别进行洛氏和布氏硬度实验，并相互轮换。2.在进行实验操作前必须事先阅读并弄清布氏和洛氏硬度实验机的结构及注意事项。3.按照规定的操作顺序测定试样的硬度值（HB 和 HRC）。（二）实验设备及材料（二）实验设备及材料 1.HB-3000 型布氏硬度试验机；2.H-100 型洛氏硬度实验机；3.读数放大镜；4.试样：20*10 毫米 45 钢和 T12 钢，正火及淬火状态。（三）注意事项（三）注意事项 1.试样

15、两端要平行，表面应平整，若有油污或氧化皮，可用砂纸打磨，以免影响测试。2.圆柱形试样应放在带有“V”型槽的工作台上操作，以防试样滚动。3.加载时应细心操作，以免损坏压头。4.加预载荷（10kgf）时若发现阻力太大，应停止加载，立即报告，检查原因。5.测完硬度值，卸掉载荷后，必须使压头完全离开试样后再取下试样。6.金刚钻压头是贵重物件，质硬，使用时要小心谨慎，严禁与试样或其它物件碰撞。7.应根据硬度试验机使用范围，按规定合理选用不同的载荷和压头，超过使用范围将不能获得准确的硬度值。（四）实验报告要求（四）实验报告要求 1.简述布氏和洛氏硬度试验原理。2.测定 45 钢正火试样的布氏硬度值 HB（

16、预期硬度 HB140），并填下表：钢球直径 D 载荷 P（kgf）持续时间（秒）P/D 钢球直径 D 载荷 P（kgf）持续时间（秒）P/D 45钢正火 2010mm 45钢正火 2010mm 凹凸直径 d 凹凸直径 d HB 值 HB 值 3、测定 45 钢和 T12 钢正火及淬火试样的洛氏硬度值（HRC），并填下表：试样材料 热处理 压 头 载荷（kgf）硬度值（HRC）试样材料 热处理 压 头 载荷（kgf）硬度值（HRC）+实验二 铁碳合金平衡组织观察 一、实验目的 1.研究和了解铁碳合金（碳钢及白口铸铁）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

17、理解成分、组织与性能之间的相互联系。二、概述 铁碳合金的显微组织是研究和分析钢铁材料性能的基础，所谓平衡状态的显微组织是指合金在在极为缓慢的冷却条件下（如退火状态，即接近平衡状态）所得到的组织。我们可根据3Fe-Fe C相图来分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织（如图 2-1 所示）。铁碳合金的平衡组织主要是指碳钢和白口铸铁组织，其中碳钢是工业上应用最广的金属材料，它们的性能与其显微组织密切相关。此外，对碳钢和白口铸铁显微组织的观察和分析，有助于加深对3Fe-Fe C相图的理解。从3Fe-Fe C相图上可以看出，所有碳钢和白口铸铁的室温组织均由铁素体（F）和渗碳体（3Fe C）这两个基本相所组成

18、。但是由于含碳量不同，铁素体和渗碳体的相对数量、析出条件以及分布情况均有所不同，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 2-1。表 2-1 各种铁碳合金在室温下的显微组织 类 型 含碳量（%）显 微 组 织 浸 油 剂 工 业 纯 铁 0.02 铁 素 体 4%硝酸酒精溶液 亚共析钢 0.02-0.8 铁素体+珠光体 4%硝酸酒精溶液 共析钢 0.8 珠 光 体 4%硝酸酒精溶液 碳 钢 过共析钢 0.8-2.06 珠光体+二次渗碳体苦味酝酸钠溶液，渗碳体变黑或呈棕红色 亚 共 晶 白 口铁 2.06-4.3 珠光体+二次渗碳体+莱氏体 4%硝酸酒精溶液 共晶

19、白口铁 4.3 莱 氏 体 4%硝酸酒精溶液 白口 铸铁 过 共 析 白 口铁 4.3-6.67 莱氏体+一次渗碳体4%硝酸酒精溶液 用浸蚀剂显露的碳钢和白口铸铁，在金相显微镜下具有下面基本组织组成物。(1)铁素体(F)-是碳在Fe中的固溶体。铁素体为体心立方晶格，具有磁性及良好塑性，硬度较低。用 34%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的等轴晶粒；亚共析钢中铁素体呈块状分布；当含碳量接近于共析成分时，铁素体则呈断续的网状分布于珠光体周围。(2)渗碳体(3Fe C)-是铁与碳形成的一种化合物，其碳含量为6.67%，质硬而脆，耐腐蚀性强，经 34%硝酸酒精溶液浸蚀后，渗碳体呈亮白色，若用苦味

20、酸钠溶液浸蚀，则渗碳体能被染成暗黑色或棕红色，而铁素体仍为白色，由此可区别铁素体和渗碳体。按照成分和形成条件的不同，渗碳体可以呈现不同形态：一次渗碳体（初生相）是直接由液体中析出的，故在白口铸铁中呈粗大的条片状；二次渗碳体（次生相）是从奥氏体中析出的，往往呈网络状沿奥氏体晶界分布；三次渗碳体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。(3)珠光体(P)-是铁素体和渗碳体的机械混合物。在一般退火处理情况下是由铁素体与渗碳体相互混合交替排列形成的层片状组织。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(如图 2-2 所示）。在高倍放

21、大时能清楚地看到珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体；当放大倍数较低时，由于显微镜的鉴别能力小于渗碳体片厚度，这时珠光体中的渗碳体就只能看到一条黑线，当组织较细而放大倍数较低时，珠光体的片层就不能分辨，而呈黑色。表 2-2 各类组织组成物的机械性能 性 能组成物 硬度 HB 抗拉强 b（MN/m）断面收缩率（%）相对延伸率（%）冲击韧性bA（J）铁素体 6090 120230 6075 4050 160 渗碳体 750820 3035 0 片状珠光体 190230 860900 1015 912 2432 球状珠光体 100190 850750 1825 1825 3227 高碳工具钢（过

22、共析钢）经球化退火处理后还可获得球状珠光体。上述各类组织组成物的机械性能见表 2-2。(4)莱氏体(Ld)是在室温时珠光体及二次渗碳体和渗碳体所组成的机械混合物。含碳量为 4.3%的共晶白口铸铁在 1147时形成由奥氏体和渗碳体组成的共晶体，其中奥氏体冷却时析出二次渗碳体，并在 723以下分解为珠光体。莱氏体的显微组织特征是在亮白色的渗碳体基底上相间地分布着暗黑色斑点及细条状的珠光体。二次渗碳体和共晶渗碳体连在一起，从形态上难以区分。莱氏体的金相特征可参看图 2-7。根据组织特点及碳含量的不同。铁碳合金可分为工业纯铁、钢和铸铁三大类。三、工业纯铁 纯铁在室温下具有单相铁素体组织。含碳量0.02

23、%的铁碳合金通常称为工业纯铁，它为两相组织，即由铁素体和少量三次渗碳体组成。图 2-3 所示为工业纯铁的显微组织，其中黑色线条是铁素体的晶界，而亮白色基底则是铁素体的不规则等轴晶粒，在某些晶界处可以看到不连续的薄片状三次渗碳体。图 2-3 工业纯铁显微组织（100）侵蚀剂：4%硝酸酒精溶液 四、钢(一)亚共析钢 亚共析钢的含碳量在 0.02%0.8%范围内，其组织由铁素体和珠光体所组成。随着含碳量的增加，铁素体的数量逐渐减少，而珠光体的数量则相应地增多，两者的相对量可由杠杆定律求得。例如：含碳量为 0.45%的钢（45 钢）珠光体的相对量为0.45P(%)=100%=56%0.8，铁素体的相对

24、量为 0.80.45(%)100%44%0.8F=。另外，也可通过直接在显微镜下珠光体和铁素体各自所占面积的百分数，近似地计算出钢的碳含量，即碳含量P0.8%，其中 P 为珠光体所占面积百分数。例如：在显微镜下观察到有 50%的面积为珠光体，50%的面积为铁素体，则此钢的含碳量50 0.8%0.4%100C=(室温下铁素体含碳量极微，约为 0.008%，可忽略不计），即相当于 40 钢。图 2-4 所示为亚共析钢（20 钢和 45 钢）的显微组织，其中亮白色为铁素体，暗黑色为珠光体。(二)共析钢 含碳量为 0.8%的碳钢称为共析钢，它由单一的珠光体组成，组织如图2-2 所示。(三）过共析钢 含

25、碳量超过 0.8%的碳钢称为过共析钢，它在室温下的组织由珠光体和二次渗碳体组成。钢中含碳量越多，二欢渗碳体数量就越多。图 2-5 表示含碳量为 1.2%的过共析钢的显微组织。组织形态为层片相间的珠光体和细小的网络状态渗碳体，经硝酸酒精溶液浸蚀后珠光体呈暗黑色，而二次渗碳体呈白色细网状，如图 2-5（a）所示；若采用苦味酸钠溶液浸蚀，渗碳体就被染成黑色，而铁素体仍能保留白色，如图 2-5（b）所示。侵蚀剂：4%硝酸酒精溶液 侵蚀剂：碱性苦味酸钠溶液 图 2-5 过共析钢（T12）显微组织（400）五、铸铁(一)亚共晶白口铸铁 含碳量4.3%的白口铸铁称为亚共晶白口铸铁。在室温下亚共晶白口铸铁的组

26、织为珠光体、二次渗碳体和莱氏体，如图 2-6 所示。用硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下呈现黑色枝晶状的珠光体和斑点状莱氏体。(二)共晶白口铸铁 共晶白口铸铁的含碳量为 4.3%，它在室温下的组织由单一的共晶莱氏体组成。经浸蚀后，在显微镜下珠光体呈暗黑色细条及斑点状，渗碳体呈亮白色，如图 2-7 所示。(三)过共晶白口铸铁 含碳量大于 4.3%的白口铸铁称为过共晶白口铸铁，在室温时的组织由一次渗碳体和莱氏体组成。用硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下可观察到在暗色斑点状的莱氏体基底上分布着亮白色粗大片状的一次渗碳体，如图 2-8 所示。图 2-6 亚共晶白口铸铁显微组织(200)图 2-7 共晶白口铁显微

27、组织(200)侵蚀剂：4%硝酸酒精溶液 侵蚀剂：4%硝酸酒精溶液 图 2-8：过共晶白口铁显微组织（200）侵蚀剂：4%硝酸酒精溶液 六、实验方法指导(一)实验内容及步骤 1.在本实验中，学生应根据铁碳合金相图分析各类成分合金的组织形成过程，并通过对铁碳合金平衡组织的观察和分析，熟悉钢和铸铁的金相组织和形态特征，以进一步建立成分与组织之间相互关系的概念。2.实验前学生应复习讲课中的有关部分并阅读实验指导书，为实验做好理论方面的准备。3.在显微镜下对各种试样进行观察和分析，并确定其所属类型。4.绘出所观察到的显微组织图。画图时应抓住组织形态的特征，并在图中表示出来。5.根据显微组织近似地确定亚析

28、钢（20 钢或 45 钢）中的平均含碳量。(二)实验设备及材料 1.金相显微镜；2.金相图谱 3.各种铁碳合金的显微样品（见表 2-3）。表 2-3 几种碳钢和白口铸铁的显微样品 编号 材料 热处理组织名称及特征 浸蚀刘 放大倍数 1 工业纯铁 退火 铁素体（呈等轴晶粒）和微量三次渗碳体（薄片状）4%硝酸酒精溶液 100500 2 20 钢 退火 铁素体（呈块状）和少量的珠光体 4%硝酸酒精溶液 100500 3 45 钢 退火 铁素体（呈块状）和相当数量的珠光体 4%硝酸酒精溶液 100500 4 T8 钢 退火 铁素体（宽条状）和渗碳体（细条状）相间交替排列 4%硝酸酒精溶液 100500

29、 5 T12 钢 退火 珠光体（暗色基底）和细网络状二次渗碳体 4%硝酸酒精溶液 100500 6 T12 钢 退火 珠光体（呈浅色晶粒）和二次渗碳体（黑色网状）苦味酸钠溶液 100500 7 亚共晶白口铁 铸态 珠光体（呈黑色枝晶状）、莱氏体（斑点状）和二次渗碳体（在枝晶周围）4%硝酸酒精溶液 100500 8 共晶白口铁 铸态 莱氏体，即珠光体（黑色细条及斑点状和渗碳体（亮白色）4%硝酸酒精溶液 100500 9 过共晶白口铁 铸态 莱氏体（暗色斑点）和一次渗碳体（粗大条片状）4%硝酸酒精溶液 100500 (三)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，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，不得用手指触摸试样表面或将试样重迭起来，以免引起显微组织模糊不清，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，注意不要将磨痕或杂质画在图上。(四)实验报告要求 1.明确本次实验目的 2.画出所观察过的组织，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，并将组织组成物名称以箭头引出标明。3.根据所观察的显微组织近似地确定和估算一种亚共析钢的含碳量。4.本次实验的心得体会。