工程材料及材料成型基础实验报告

实验一金属材料硬度的测定实验一、实验目的1、了解布氏硬度和洛氏硬度的测定方法。

2、掌握布氏、洛氏硬度试验计的基本构造和操作方法。

二、实验内容及步骤1、布氏硬度的测定布氏硬度的测定在HB-3000型布氏硬度机上进行。

(1)实验原理布氏硬度数值通过布氏硬度试验测定。

布氏硬度试验是指用一定直径的球体（钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入被测材料或零件表面，经规定保持时间后卸除试验力，通过测量表面压痕直径来计算硬度的一种压痕硬度试验方法。

布氏硬度值是试验力除以压痕球形表面积所得的商。

使用淬火钢球压头时用符号HBS，使用硬质合金球压头时用符号HBW，计算公式如下：HBS（HBW）=0.102式中：F—试验力（N）；D—球体直径（mm）；d—压痕平均直径（mm）。

由上式可以看出，当F、D一定时，布氏硬度值仅与压痕直径d的大小有关。

所以在测定布氏硬度时，只要先测得压痕直径d，即可根据d值查有关表格得出HB值，并不需要进行上述计算。

国家标准GB231-1984规定，在进行布氏硬度试验时，首先应选择压头材料，布氏硬度值在450以下（如灰铸铁、有色金属及经退火、正火和调质处理的钢材等）时，应选用钢球作压头；当材料的布氏硬度值在450~650时，则应选用硬质合金球作压头。

其次是根据被测材料种类和试样厚度，按照表1—1所示的布氏硬度试验规范正确地选择压头直径D、试验力F和保持时间t。

布氏硬度习惯上只写出硬度值而不必注明单位，其标注方法是，符号HBS或HBW之前为硬度值，符号后面按以下顺序用数值表示试验条件：球体直径、试验力，试验力保持时间（10~15s不标注）例如：120HBS10/1000/30，表示直径10mm钢球在9.80KN（1000kgf）的试验力作用下，保持30s测得的布氏硬度值为120。

500HBW5/750，表示用直径5mm的硬质合金球在7.35KN（750kgf）试验力作用下，保持10~15s测得的布氏硬度值为500。

布氏硬度值的测量误差小，数据稳定，重复性强，常用于测量退火、正火、调质处理后的零件以及灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等毛坯或半成品（2）操作前的准备工作a. 选定压头擦拭干净，装入主轴衬套中；b. 选定载荷，加上相应的砝码；c. 确定持续时间，把圆盘上的时间定位器（红色指示点）转到与持续时间相符的位置上。

（3）操作顺序a. 接通电源，打开指示灯；b. 将试样放在工作台上，顺时针转动手轮，使压头压向试样表面直至手轮打滑为止；c. 按动加载按钮，即加载开始，当达到所要求的持续时间后，圆盘转动即自行停止，尔后自动卸载；d. 逆时针转动手轮降下工作台，取下式样用读数显微镜测出压痕直径d值，查表即得出HB值。

2、洛氏硬度的测定洛氏硬度的测定在HR-150A型洛氏硬度机上进行。

（1）实验原理洛氏硬度试验是在初始试验力F0及总试验力F1的先后作用下，将压头（金刚石圆锥或钢球）压入被测材料或零件表面，经规定保持时间后，卸除主试验力，用测量的残余压痕深度增量计算硬度值的一种压痕硬度试验方法。

实际测定时，试件的洛氏硬度值由硬度计的表盘上直接读出，材料越硬，则表盘上示值越大。

为了便于用洛氏硬度计测定从软到硬较大范围的材料硬度，根据被测试对象的不同，国家标准GB/T230-1991规定可采用不同类型压头、试验力及硬度公式，组合成为不同的洛氏硬度标尺。

现将常用的三种洛氏硬度标尺的硬度符号、试验规范列于表1，以供参考。

表1 常用洛氏硬度试验规范（摘自GB/T 230-1991）三、实验设备器材1、布氏硬度机洛氏硬度机2、读数放大镜3、试样： 45钢正火态Φ30×10 T10钢淬火态Φ30×10四、实验注意事项1、要求试样表面平整，两端平行，用砂纸去氧化皮和油污。

2、洛氏硬度机金刚石压头属贵重物件，质硬而脆，严禁碰击。

3、加载时细心操作，以免损坏机件。

实验二金相试样的制备实验一、试样制备：1、试样截取的方向，垂直于径向，长度不超过8mm。

2、试样可用手锯或切割机床等切取，不论用何种方法取样均应注意试样的温度条件，必要时用水冷却，以避免正式试样因过热而改变其组织。

二、试样的研磨1、准备好的试样，先在粗砂轮上磨平，候磨痕均匀一致后，即移至细砂轮上续磨，磨时须用水冷却试样，使金属的组织不因受热而发生变化。

2、经砂轮磨好、洗净、吹干后的试样，随即依次在由粗到细的各号砂纸上磨制，可采用在预磨机上进行磨制，从粗砂纸到细砂纸、再换一次砂纸，试样须转90°角与旧磨良成垂直方向。

3、经预磨后的试样，先在抛光机上进行粗抛光(•抛光织物为细绒布、抛光液为W2.5 金刚石抛光膏)，然后进行精抛光(抛光织物为锦丝绒，抛光液为W1.5 金刚石抛光膏)•抛光到试样上的磨痕完全除去而表面像镜面时为止，即粗糙度为Ra0.04以下。

三、试样的浸蚀1、精抛后的试样，便可浸入盛于玻璃皿之浸蚀剂中进行浸蚀。

浸蚀时，试样可不时地轻微移动，但抛光面不得与皿底接触。

2、浸蚀剂一般采用4％硝酸酒精溶液。

3、浸蚀时间视金属的性质、检验目的及显微检验的放大倍数而定，以能在显微镜下清晰显出金属组织为宜。

4、试样浸蚀完毕后，须迅速用水洗净，表面两用，酒精洗净，然后用吹风机吹干。

四、金相显微组织检验1、金相显微镜操作按仪器说明书规定进行。

2、金相检验包括浸蚀前的检验和浸蚀后的检验，浸蚀前主要检验钢件的夹杂物和铸件的石墨形态、浸蚀后的检验为试样的显微组织。

按有关金相标准进行检验。

5. 使用金相显微镜注意事项：1、取用镜头时，应避免手指接触透镜的表面，镜头平时应放在干燥器中妥善有效。

2、物镜与试样表面接近时，调节时勿使物镜头与试样接触。

3、显微镜不使用时需用防尘罩盖起。

实验三碳钢的热处理实验一、实验目的1、了解碳钢的基本热处理（正火、淬火及回火）工艺方法；2、掌握冷却条件与钢性能的关系；3、分析正火、淬火及回火温度对钢性能的影响。

二、实验原理1、钢的退火和正火钢的退火通常是把钢加热到临界温度Ac1或Ac3以上，保温一段时间，然后缓慢地随炉冷却。

此时奥氏体在低于Ar1温度以下的高温区发生分解而得到比较接近平衡状态的组织。

一般中碳钢（如40、45钢）经退火后组织稳定，硬度较低（HB180～22）有利于下一步进行切削加工。

正火是将钢加热到Ac3或Ac m以上30～50℃保温后进行空冷。

由于冷却速度稍快，与退火组织相比，组织中的珠光体相对量较多，且片层较细密；对低碳钢来说，正火后提高硬度可改善切削加工性；对高碳钢则正火可消除网状渗碳体，为下一步球化退火及淬火做准备。

2、钢的淬火淬火是将钢加热到临界温度以上30～50℃，保温后淬人各种不同的冷却介质中快速冷却以获得淬火马氏体或下贝氏体组织。

碳钢经淬火后得到淬火马氏体、下贝氏体和少量的残余奥氏体组织。

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。

3、钢的回火回火是将淬火后的钢加热到临界点(Ac1)以下的某一温度，保温一定时间后以适当的冷却速度冷却到室温的热处理工艺。

钢经淬火后得到的淬火马氏体组织是亚稳相，有转变为其它组织的趋势，同时淬火使工件内部产生很大的内应力，导致工件变形甚至开裂。

特别是一些精密的零件在使用过程中将会引起尺寸变化而失去精度，因此淬火钢必须进行回火处理。

不同的回火工艺可以使钢获得所需的各种不同性能。

对碳钢来说，回火工艺的选择主要是考虑回火温度和保温时间这两个因素。

在实际生产中通常以图纸上所要求的硬度要求作为选择回火温度的依据，各种钢材的回火温度与硬度之间的关系曲线可从有关手册中查阅。

三、实验材料及设备1、实验材料：20钢，45钢，T12钢；2、实验设备：箱式电炉、控温仪表、洛氏硬度机3、淬火介质：水，油（使用温度约20℃）。

四、实验内容本次实验为综合性实验，包括三部分内容，即正火实验、淬火实验及回火实验。

1、同一加热温度不同材料（含碳量）的正火实验；2、同一材料（含碳量），同一冷却条件（水冷）不同加热温度的淬火实验；3、同一材料（含碳量），同一加热温度不同冷却介质冷却的淬火实验；4、同一加热温度，同一冷却介质冷却（水冷或油冷），不同材料（含碳量）的淬火实验；4、同一材料（45钢）相同淬火条件不同温度的回火实验。

五、实验步骤1、淬火和正火实验步骤：根据淬火条件不同，淬火和正火实验分五个小组进行，见表1。

(1) 将试样分类，编号，以免热处理过程中混淆；(2) 加热前先将全部试样测定硬度。

为便于比较，一律用洛氏硬度测定；(3) 将电炉升温至表1规定的温度，根据试样钢号，按照表1规定的淬火和正火加热温度加热，保温时间按表2确定；(4) 各组将淬火及正火后的试样表面用砂纸(或砂轮)去掉氧化皮并磨平，测出硬度值(HRC)分别填入表1中。

2、回火实验步骤：(1) 将已经正常淬火并测过硬度的45钢试样分五个小组(见表3)，做好记录；(2) 各小组试样分别放人表3规定温度的炉内加热，保温30分钟，然后取出空冷；(3) 用砂纸磨光试样表面，分别在洛氏硬度机上测定硬度值，将测定的硬度值分别填人表3中。

六、注意事项1、本实验加热所用加热炉为电炉，由于炉内电阻丝距离炉膛较近，容易漏电，所以电炉一定要接地，在放、取试样时必须先切断电源；2、往炉中放、取试样必须使用夹钳，夹钳必须擦干，不得沾有油和水。

开关炉门要迅速，炉门打开时间不宜过长；3、试样由炉中取出淬火时，动作要迅速，以免温度下降，影响淬火质量；4、试样在淬火液中应不断搅动，否则试样表面会由于冷却不均而出现软点；5、淬火时水温应保持20~30℃左右，水温过高要及时换水；6、淬火或回火后的试样均要用砂纸打磨表面，去掉氧化皮后再测定硬度值。

七、实验报告要求1、明确本次实验目的；2、简述本次实验的实验原理；3、实验材料与实验内容；4、实验步骤；5、分析化学成分(C%)、加热温度与冷却速度对钢性能的影响并加以讨论；6、绘制出45钢回火温度与硬度的关系曲线图并加以讨论；7、分析实验中存在的问题；8、实验结论。

实验四铁碳合金平衡组织观察一、实验目的1、观察和识别铁碳合金在平衡状态下的显微组织。

2、了解铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系。

3、掌握常用显微镜的使用方法。

二、实验设备及材料1、金相显微镜2、金相图谱3、各种铁碳合金的观察试样，见表1-1。

三、实验观察组织概述铁碳合金在极缓慢冷却条件（如退火状态）下得到的组织称为平衡组织。

从Fe—Fe3C 相图可知，铁碳合金在室温时的平衡组织由铁素体相和渗碳体相组成，但由于碳的质量分数不同，结晶条件的差别，铁素体和渗碳体的相对量、形态、分布是不一样，因而将组成各种不同的组织形态。

1、铁素体（F）是碳溶于α—Fe中的固溶体，有良好的塑性，硬度较低（80HBS）。