工程材料及成形技术基础实验指导书

工程材料及成形技术基础

实验指导书

机械与材料工程学院

目录

实验一金属材料的硬度实验 (1)

实验二铁碳合金平衡状态显微组织分析 (6)

实验三钢的热处理 (9)

附表1： (12)

附表2：布氏、洛氏、维氏硬度与强度换算对照表 (16)

实验一 金属材料的硬度实验

一、实验目的

1、了解硬度测定的基本原理及应用范围；

2、测定钢试样的布氏、洛氏硬度值。

二、概述

金属的硬度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，因而硬度值综合的反映压痕附近局部体积内金属的弹性、微量塑变、抗力塑变强化以及大量形变抗力。金属表面硬度值越高，抵抗塑性变形能力越大，材料产生塑性变形就越困难。另外，硬度与其他机械性能（如强度指标b σ及塑性指标ψ和δ）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和工具的使用性能及寿命具有决定性意义。

三、布氏硬度实验基本原理

1、实验原理

布氏硬度实验是在布氏试验机上进行。将直径为D 的硬化钢球在一定的载荷P 下压入金属表面（图1-1），并根据所得压痕d 的大小来断定硬度。布氏硬度值是根据作用于钢球上的载荷对所得压痕表面积之比来确定，即

B

A P

=

HB （Kgf/mm 2） （1） 式中：P ——载荷（Kg ）

B A —— 压痕的球面体（球缺） HB ——布氏硬度值

由几何学可知球缺的面积等于：

Dh A B π= （2）

式中：D ——钢球直径

h ——压痕深度

(a) 原理图 (b) h 和d 的关系

图1-1布氏硬度测定原理

用压痕的直径和表示B A 可得：

2

2

2d D D h --=

（3） 如果把所得的B A 值代入公式（1）中，则有：

]

[2][2

HB 2222d D D D P

d D D D P Dh P --=

--==

πππKgf/mm 2 （4） 式（4）中只有d 是变量，因此只需测出压痕直径，根据已知D 和P 值即可计算出金属表面的布氏硬度HB 的值。在实际实验中，可由测出之压痕直径d 直接查表得到HB 值。

由于材料有软有硬，所测工件有厚有薄，若只采用一种载荷（如3000kgf ）和钢球直径（如10mm ）时，则对硬的金属适合，而对软的金属就不适合，会发生整个钢球陷入金属中的现象；若对于厚工件适合，则对于薄件会出现压透的现象，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 。氏硬度的压头钢球直径有Φ2.5mm ，Φ5mm ，Φ10mm 三种，载荷有15.6kg 、62.5kg 、182.5kg 、250kg 、750kg 、1000kg 、3000kg 七种。为了得到统一的、可以相互进行比较的数值，必须使P 和D 之间维持某一比例关系，以保证所得到的压痕形状的几何相似关系，其必要条件是压入角

?保持不变。

根据相似原理由图1-1（b ）可知d 和?的关系是：

22sin 2d D =?或2

sin ?

D d = （5）

将式（5）代入式（4），得：

???

? ??--?=

2sin 112

HB 22

?πD P （6） 式（6）说明，当?为常值时，为使HB 值相同，2D

P

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，只要满足2

D P

=常数，所得到的HB 值也是一样的。根据GB231-63规定，

2

D P

比值有30、10和2.5三种，具体实验数据和适用范围参考表1-1。 表1-1 布氏硬度实验规范

2、操作步骤

首先打开电源开关，指示灯亮后，将试件样品放在布氏硬度试验机样品台上，按顺时针方向转动手轮，使丝杠升至试件样品与压头接触，最后至手轮不能转动位置（注意用力不能太大），此时按下绿色按键，试验机马达将会自动开启加载----保持-----卸载。马达停止转动后，按逆时针方向转动手轮，取下试件样品，用带刻度的放大镜测量其压痕直径，根据所得直径值，从附表1中查出HB 值，将数据填入实验数据表1-1。

注意：实验完成后，按照布氏硬度数0.102F/D 2和压痕最大直径为10mm 查取HB 值。

四、洛氏硬度实验的基本原理

1、实验原理

洛氏硬度实验使用顶角120°的金刚石或直径为1/16英寸（1.58mm ）的淬火钢球作为压入物，根据压痕塑性变形深度计算材料的硬度。由于所用的压入物和载荷不同求得的硬度分别用HRC ，HRB 等代表（见表1-2）。

表1-2 试验的载荷和压头的选取表

大约的硬度（HB ）

洛氏仪器刻度符号

压入头的形状

荷重 硬度的符号

允许的刻度范围

60-230 B 钢球 100 HRB 25-100 230-700 C 金刚石园锥体 150 HRC 20-67 大于700

A

金刚石园锥体

60

HRA

﹥70

洛氏硬度值用h 来计算，h 相当于压头向下轴向移动的距离，一个硬度等于0.002毫米的距离（如图1-2）。因此试验时h 愈大，即表示硬度愈低，反之，则硬度愈高。

图1-2洛氏硬度实验过程

洛氏硬度值用HR 表示，并注明所用标尺A 、B 或C ，如HRB ，HRC 其硬度值可以分别按下公式计算：

当做A 或C 标尺实验时：

HRA 或002.02.0h

HRC -=

002

.0100h -

= （7） 当做B 标尺实验时：

002.026.0h

HRB -=

002

.0130h -= （8）

式中：h ——压痕深度，01h h h -=，毫米；

0h ——在初载荷作用下，压头压入试件表面的深度，毫米；

1h ——在施加总载荷后卸去主载荷，在初载荷作用下，压头压入试件表面的深度，毫米。

2、操作步骤

打开电源开关，使屏幕显示标尺（HRC 或HRB ）和载荷相符后把试样放在洛氏硬度试验样品台上，按顺时针方向转动手轮，使试件与压头紧触，然后慢慢由左向右继续转动手轮，注意使屏幕上显示箭头（???）符号布满屏幕后，则会听到仪器发出“嘀嘀”提示声，此时立即停止转动手轮，仪器会自动加载----保持-----卸载，加载完毕后屏幕上显示实际洛氏硬度值，将实验数据填入表1-2，并反方向转动手轮，从样品台上取下试件。

五、显微硬度实验的基本原理

1、实验原理

维氏硬度的测量原理基本上和布氏硬度相同，所不同的是用金刚石正四棱锥压头。正四棱锥两对面的夹角为136°，底面为正方形。维氏硬度所用的载荷有1kg 、3kg 、5kg 、10kg 、20kg 、30kg 、50kg 、100kg 、120kg 等，负载的选择主要取决于试件的厚度。

在载荷P 的作用下压头在试样表面压出一个底面为正方形的正四棱锥压痕。维氏显微硬度是通过光学放大，测出在一定试验力下的金刚石角锥体压头压入被测物后所残留的压痕的对角线长度来求出被测物的硬度。

硬度值计算公式如下：

2

8544.1HV d

P

A P ==

（9） 式中：P ——载荷（Kg ）

A ——压痕的面积，mm 2 d ——压痕对角线长度，mm

HV ——布氏硬度值。

（a ）金刚石压头 （b ）维氏硬度压痕

图1-3维氏硬度实验过程

2、操作步骤

1）在显微镜下将图像调清楚；

2）按下主机上“启动”按钮，显微硬度计开始工作（仪器工作期间请勿对仪器进行操作），计算机屏幕为黑色，测量结束后，屏幕上出现菱形压痕。

3）在计算机屏幕上单击“静态”，使用十字线测量压痕，先测量水平顶点距离，再测量竖直顶点距离，将屏幕数据表格里d1、d2和HV值填入表1-3。

六、综合以上各项实验报告要求

1、写明实验目的。

2、布氏硬度计实验的基本原理：实验原理和操作步骤。

3、洛氏试验计实验的基本原理：实验原理和操作步骤。

4、显微硬度计实验的基本原理：实验原理和操作步骤。

5、将实验结果填入下列表格中，并将HRB、HRC值换算成HB值。

表1-1 布氏硬度计测量数据

表1-2 洛氏硬度计测量数据

表1-3 显微硬度计测量数据

实验二铁碳合金平衡状态显微组织分析

一、实验目的

1、了解铁碳合金（碳钢和白口铁的显微组织）在平衡状态下的，显微组织；

2、分析碳钢与白口铁的组织和铁碳相图之间的关系。

二、铁碳合金的组织特征

铁碳相图（如图2-1和2-2所示）上的各种合金，通常按其含碳量及组织的不同，分成下列三类：

L—液体、A—奥氏体、FeC—渗碳体、F—铁素体、P—珠光体、Ld—莱氏体。

图2-1 6个典型的铁碳合金在相图上的位置

纯铁（C<0.02％），显微组织为 —固溶体晶粒。

钢（0.02～2.11％）——高温组织为均匀的单相奥氏体，727℃有共析转变，低温组织因成分而异，根据低温组织的不同，钢分为三种，即亚共析钢（0.02～0.8％），共析钢（0.8％）和过共析钢（0.8～2.11％）。

白口铁（2.11～6.69％）——特点是液相结晶时，都有共晶反应，共晶反应得到的组织是莱氏共晶（奥氏体+渗碳体），由于奥氏体在727℃时发生的共析反应，故常温莱氏体为：珠光体+渗碳体，此组织是以渗碳体为基体的组织，所以白口铁很脆，不能锻造。白口铁的低温组织因成分而异，根据其低温组织的不同，白口铁分为三种，即亚共白口铁（2.11～4.3％）、共晶白口铁（4.3％）和过共晶白口铁（4.3～6.69％）。

1、亚共析钢：其组织是由先共析铁素体和珠光体组成。随含碳量增加，先共析铁素体逐渐减少，珠光体逐渐增多。由于铁素体是从奥氏体中析出的，因此先共析铁素体分布在珠光体周围，即在原为奥氏体晶体处。在显微镜下我们看到的白色的先共析铁素体包围着墨色的珠光体，当钢中碳含量

低时，先共析铁素体很多，成粒状分布，而碳含量高时先共析铁素体成为细网状，当成分接近共析成分时先共析铁素体数量接近于零。

2、共析钢：其组织全部为珠光体，珠光体是铁素体的渗碳体的机械混合物。在显微镜下我们看到的铁素体和渗碳体成片状交替分布着，当放大倍数低时，由于鉴别率低分辨不出片层结构，看到的只是不同程度暗黑色块状组织，每个块是由相同方位的片组成的珠光体集团，由于集团之间的位相不同，受浸蚀程度和对光线的反射能力不同，因此在显微镜下成明暗度不同的块状。

3、过共析钢：是由珠光体和网状渗碳体（二次）所组成，渗碳体是Fe 、C二组元的化合物（FeC）含碳6.69﹪显微镜下白色网状为渗碳体，暗色为光体。随着钢中碳含量增加渗碳体量增加。

4、亚共晶白口铁：在1147～727℃时，由初生奥氏体和莱氏体共晶组成，初生奥氏体的数量将随含碳量的增加而逐渐减少。从1147℃冷却到727℃时初生奥氏体与莱氏体共晶中的奥氏体因析出二次渗碳体而降低奥氏体中的含碳量，至727℃时转变成珠光体，所以亚共晶白铁的室温组织系由珠光体与共晶变态莱氏体所组成。

5、共晶白口铁：全部是莱氏体，莱氏体（共晶体）是在温度为1147℃所产生的，在1147～727℃时为奥氏体与渗碳体的机械混合物，在727℃以下时，其中奥氏体转变为珠光体。

6、过共晶白口铁：由初生（一次）渗碳体与莱氏体共晶所组成，一次渗碳体在随后冷却过程中不再发生相变。故其显微组织在室温时为白亮条状的一次渗碳体和变态莱氏体共晶，其中一次渗碳体量将随着碳含量的增加而增多。

图2-2 Fe－Fe3C相图（含碳量）

三、实验内容

将表2-1中所列组织放置在显微镜下，观察其合金组织结构。

表2-1 铁碳合金组织

四、实验报告要求

1、写明实验目的。

2、铁碳合金的组织特征。

3、实验内容。

4、将已准备好的金相样品在显微镜下进行细致观察研究，并画出所观察到的显微组织图，（画在直线为Ф30mm的圆内）。

5、思考题：分析含碳量和金相组织之间的关系。

实验三钢的热处理

一、实验目的

1、不同加热温度对钢性能的影响；

2、了解退火、淬火和回火的应用;

3、熟悉碳钢经淬火、回火后的组织和淬火和回火对碳钢性能的影响。

二、概述

热处理是一种重要的金属加工工艺。它对改善钢材的质量，提高工件使用寿命起着极其重要的作用。例如在机床制造中，百分之六十到七十的零件都要经过热处理。至于模具和滚动轴承等都进行热处理之后才能使用。因此，热处理将在现代化工业中发挥更重要的作用。

退火、正火、淬火和回火是钢的基本热处理工艺。退火和正火可作为钢材的预先处理，也可以是最终热处理，钢材经退火或正火后一般均得到珠光体类组织。但由于冷却速度不同，正火冷却速度大于退火，因此正火所得珠光体比退火为细，其硬度和强度等性能比退火高。

淬火和随后回火热处理经常是作为零件的最后的热处理。若制订的热处理工艺不正确，将使产品达不到要求的性能，以致需要重新处理，甚至使工件报废。

1、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快速冷却，以获得马氏体组织。碳钢经淬火组织为马氏体和一定数量的残余奥氏体的所组成。

为了正确地进行钢的淬火，必须考虑下列三个重要因素：淬火加热温度、保温时间和冷却速度。

淬火温度（如图3-1所示）的选择随钢种不同而异，但均应得到细小的奥氏体晶粒为原则，以便冷却后获得细小的马氏体。对于亚共析钢，淬火温度为Ac3以上30~50℃，淬火后得到细小马氏体组织。淬火温度过高会增加钢材的氧化和脱碳，且由于奥氏体晶粒的长大，淬火后得到粗大马氏体，工件易变形开裂，机械性能下降。淬火温度过低则得到铁素体加马氏体的混合组织，为不完全淬火，将造成淬火硬度不足。对于过共析钢，淬火温度在Ac1以上30-50℃，淬火后得到渗碳体+马氏体组织。

冷却是淬火的关键工序，它直接影响到钢淬火后组织和性能。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；在这个前提下有应尽量缓慢冷却，以减小内应力，防止变形和开裂。为此，可根据C曲线图（如图3-2所示），使淬火工件在过冷奥氏体最不稳定的温度范围（650~550℃）进行冷却（即与C曲线的“鼻尖”相切），而在较低温度（300~100℃）时的冷却速度则尽可能小些。

图3-1碳钢淬火温度范围图3-2 共析钢C曲线图上估计连续冷却速度的影响

2、回火

回火是淬火后继续进行的一种热处理操作。回火是将淬火钢在A1以下温度加热，使其转变为稳定的回火组织，并以适当方式冷却到室温的工艺过程。淬火后得到的马氏体组织，具有高度的强度和硬度，但韧性和韧性较差。因此回火的主要目的是减少或消除淬火应力，保证相应的组织转变，提高钢的韧性和塑性，获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合，以满足各种用途工件的性能要求。但在某些温度回火时，钢的韧性很低，此现象称为回火脆性。

回火温度（℃）

图3-3钢的硬度随回火温度的变化

低温回火（250℃以下）得到回火马氏体，回火马氏体是马氏体分解得到极细的碳化物和过饱和α-Fe组成。在电子显微镜下观察到暗黑色针状组织，仍有较高的强度和硬度。

中温回火（350-450℃）得到回火屈氏体组织，回火屈氏体是由α-Fe与碳化物组成。由于碳化物仍很细小，在光学显微镜下不能分辨呈暗黑组织，它具有较好的弹性。

高温回火（500-650℃）得到回火索氏体组织，由于碳化物集聚并球化，在高倍显微下观察到细状碳化分布在铁素体上它具有较高的综合机械性能。

三、实验内容

1、本次实验采用的钢材45钢。

2、本次实验的热处理工艺包括：

（1）45钢分别在600℃，860℃炉内加热，选择空、油、水三种介质作为冷却剂，并测定其硬度。

（2）选择150℃、400℃、600℃作为回火温度。

（3）观察淬火组织和回火组织。

四、实验组织和步骤

1、将试样放入已加热到两种不同温度的炉内加热（600℃炉中1块，80℃5块）15～30分钟，并制订热处理工艺（加热、保温、冷却）。

2、将加热好的试样分别在不同介质中冷却，取出后用砂轮打去脱碳层，然后用硬度计打硬度值。

3、将淬火后的试样随后在150℃、400℃、600℃进行回火，回火时间为15～30分钟，取出后再次测量试样的回火硬度值。

4、观察已准备好的样品组织。

五、实验报告要求

1、写明实验目的。

2、写明实验原理。

3、将实验结果填入表中：（将测得的硬度值统一换算为HB）

表1 在不同冷却介质中冷却后试样的硬度值

材料：__________ 退火硬度：__________

表2试样在不同温度下回火硬度值

4、将淬火组织和回火组织画在直径为ф30的圆内。

5、思考题：

（1）分析淬火时加热温度、冷却方式对碳钢性能的影响。

（2）画出回火温度与硬度之间的关系曲线图。

附表1：

附表2：布氏、洛氏、维氏硬度与强度换算对照表