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机械制造基础课程
《机械制造基础》课程
实验指导书
机电设备系设备教研室
二00四年四月
前言
为了更好地完成《机械制造基础》课程教学,培养提高学生理论联系实际和实践动手能力，根据《机械制造基础》课程教学大纲对实验教学要求，编写本实验指导书。
实验指导书包括实验指导和报告书两部分。
其中指导书部分介绍了实验目的与要求、实验设备及仪器、实验原理、实验步骤等；报告书部分主要有实验数据记录、处理，分析及思考题等。
本教材由吴少爽主编，由谢仁明主审。
由于水平有限，时间仓促，书中会有不少缺点和错误，恳请各位读者批评指正。
编 者
2004.4
目录
实验一 拉伸实验………………………………………………………1
实验二 硬度实验………………………………………………………11
实验三 冲击实验………………………………………………………17
实验四 铁碳合金平衡组织分析………………………………………20
实验五 热处理实验……………………………………………………24
实验六 碳钢热处理后的显微组织观察………………………………27
实验七 不同金属的焊接性能…………………………………………31
实验八 车刀几何角度测量……………………………………………34
实验九 专用夹具拆装及组合夹具组装实验…………………………38
实验十 数控线切割加工演示实验……………………………………41
附录 金相显微镜的使用及金相试样的制备…………………………42
实验一拉伸实验
一．万能材料试验机介绍
材料试验的目的，是模仿工程实际中的零件、构件的真实情况，在实验室研究他们的性能。
因此，需要将各种零件、构件以及不同的工作情况，在实验室作出再现。
作为被测试对象的零件、构件称为试件，应按相似原理制成模型或试样，并模仿其具体工作条件，作出模拟实验，从而测量试件的承载能力和变形等参数。
提供模拟试验、给出稳定参数的设备，称为试验机。
试验机品种繁多。
如果按照所模拟的工作环境来分，有高温、常温、低温、腐蚀等；如果按照所模拟的载荷情况来分，有静载、动载、冲击、交变等；也可以按照试验机的功能来分，有拉伸、压缩、弯曲、硬度等。
在常温、静载拉力试验机上，增设一些附具扩展功能，还能进行压缩、剪切、弯曲等试验。
这种多功能的试验机称为万能材料试验机。
图1—1所示的是材料力学中通常使用的试验机。
图1-1
万能材料试验机是由机架、加载系统、测力示值系统、载荷位移记录系统以及夹具、附具等五个基本部分所组成。
其中以加载系统、测力示值系统和载荷位移记录系统反映了试验机的主要性能。
以下分别阐述这些系统的工作原理和结构。
（一）加载系统
加载系统的功能是，提供适合于静载荷的力源。
这力源必须是稳定的、可控的，而且重合于轴线的轴向力。
实现这种力源的机构，一般的液压式和机械式两种。
图1.2所示是液压式的加载机构。
当高压油泵向油缸送油时,逐渐顶起油缸中的活塞,联同传力架将工作台升起。
如果试件装入下层空间的夹头中，就向其施加了拉力；若放入上层空间的垫块上，就向试件施加压力。
机械式的加载机构，也是使工作台移动，强迫试件伸长或压缩而施加拉力或压力。
所
图1-2图1-3
在不同的，只是工作台由螺杆、螺母筒和蜗轮蜗杆等腰三角形机构所传动。
（二）测力、示值系统
测力、示值系统的功能，是要随时反映出作用于试件上载荷的数值。
它是试验机的心脏部门。
机械式和液压式材料试验机，一般都采用如图1．3所示的摆锤式测力、示值系统。
二者的区别，仅在于传递拉力Ps的机构不同。
机械式试验机，是由测力杠杆传递Ps力；而液压式的，是由测力油缸的活塞传递Ps力。
因此，它们的测力、示值原理相同。
1．摆锤式测力、示值系统的工作原理。
如图1．3所示，试验机作用于试件上的载荷，就是作用在工作油缸上的压力Pw。
由于工作油缸与测力油缸相连通，它们的油压强度相等，于是测力油缸的活塞对连杆作用的拉力Ps与Pw成线性关系，又Ps使摆杆联同法码扬起α摆角的同时，拨杆推动齿杆位移x，从而带动齿动使指针转动。
因此，指针转动的角度φ与试验机的作用力Pw也成线性关系。
它们的关系式：
P
=
ａ
·Ψ（1．1）
式中，Q、l、d、h、Sw、Ss以及预置角α都是常量。
由（1.1）式可得结论：
（1）试验机的载荷Pw与指针的转角ψ成线性关系，因此，测力度盘可以以圆等分刻度。
（2）当ψ视为常量（指针指在同一角度时），而Q视为变量，则Pw与Q成正比关系，因此，更换砝码重量Q可以得到不同的测力范围。
国产试验机，一般具有三档不同范围的测力度盘，相应地配有三个不同重量的砝码。
实验时需要正确选择、配合使用。
（3）当ψ视为常量，而L视为变量时，则Pw与L成正比关系。
因此，更换摆杆L也可以得到不同的测力范围。
2摆锤式测力、示值系统的线性范围。
式（1.1）中的载荷Pw与指针转角ψ成线性关系，是在理想状态下成立的，式中没有考虑到摩擦力；支承、夹具、机架受力后的变形；加工装配中几何尺寸的偏差，以及各零件之间的间隙等因素的影响，这些都会使Pw与ψ之间产生非线性偏差。
当摆杆扬起α角较大（相应指针的转角ψ也大）时，由于摩擦力引起的非线性误差显著增加，指针临近度盘的满度区域，示值的精度较差。
又根据国家对试验机示值精度的规定：
以每级测量范围10%开始，但不小于该机最大载荷的4%，误差应在±1%以内。
可见指针在度盘开始的区域内，精度也较差。
实验时，应正确选择度盘的测力范围，一般使需要测量的载荷，最好全落在度盘的10%～80%范围内。
摩擦力对试验机进程（加载）、回程（卸载）都有影响，而在进回程中引起的是双倍误差。
所以，试验机加载时，必须平稳增加，不应忽减。
3指针度盘式的示值机构
普通材料试验机均为指针度盘式的示值方式。
它具有二根示值指针：
一根是主动针，另一根是从动针。
如果1.1中所示。
当试验加载时，主动针带着从动针随载荷增加而沿刻度值增大方向旋转。
当试验终了卸载时，主动针自动回至零位，而从动针停示在终止的力值上，以供充裕时间准确读值。
从动针的位置，可由手动调节。
4游铊自动平衡式测力、示值系统
图1-4
国产WJ—10型万能试验机和NJ型扭转试验机，都采用游铊自动平衡式的测力机构。
这种机构的精度、灵敏度都比摆锤式测力、示值机构的高，如图1.4所示，为该机构的工作原理图。
水平杠杆1，支承于O点，由测力杠杆传递的力Ps作用于A点，当试验机空载，即Ps=0时，游铊2位于M位置，使杠杆及其悬挂物处于水平平衡状态。
当试验机承载，即Ps≠0时，杠杆失去平衡，B点的位移使传感器4输出电压，通过放大器使伺服电机3转动，拖动游铊移到一个新的位置N，使杠杆重新恢复水平平衡。
根据先后两次平衡重要条件，可得Ps与x的线性关系为：
=
·
·Φ（1.2）
式中Q、r、d都是常量。
即得指针的转动角度Ps与ψ成线性关系。
（三）载荷位移记录系统
万能材料试验机的载荷位移记录系统，它的一般机构如图1.5所示。
力值的记录：
在测力系统的齿杆上装有笔架，记录笔随齿杆的移动而在记录筒上描绘。
如使指针转动一圈，记录笔所绘直线的长度，代表该度盘的满度力值。
可作为力值的坐标。
位移的记录：
试验机上、下夹头之间有相对位移时，绳线通过绳轮带动记录筒转动。
记录笔在筒纸上绘出了代表位移的线段。
记录筒上的绳轮，一般具有2～3条不同直径的线槽，使描绘位移线段的长度，比真实位移放大1、2、4倍。
可以选择使用。
图1-5
力和位移同时记录：
当夹头强迫试件伸长的同时，试样不断产生抗力，这时记录笔和记录筒一起动作，二者的合成运动，描绘了力和变形的曲线。
应该注意，这机构所记录的变形，并非试样标距内的真实变形，而是试验机上、下两夹头间的位移，其精度较差。
如果需要大比例、高精度的P—△L曲线图，可应用现代的电子设备，在普通的试验机上，使用传感器直接测量试样的抗力和标距的变形转化为电讯号输出，经放大器接入x—y函数记录仪，可得放大倍数为1000以上的精度图线。
更先进的记录，是将传感器采集的讯息，经A|D转换输入电子计算机，通过计算机数据处理，打印出更精确的数据和曲线图。
了解试验机的主要功能，其目的是为了更好地掌握和使用试验机。
实验测试的质量，除了试验机本身达到规定的精度外，更重要的是决定于实验者的操作技能。
然而，正确、熟练的操作技能，也反映了实验者的水平和能力。
各试验机的具体操作方法，在附录中已有详细叙述。
对于在实验中将使用的试验机，希认真阅读和掌握。
二、拉伸试验中四个主要指标的测定
（一）拉伸试验图
一般材料试验机都具有载荷位移记录装置，可以装试样的抗力和变形的关系P—△L曲线记录下来。
图1-6
如图1.6所示，为低碳钢的P—△L曲线图，以说明试样在拉伸全过程中，它抗力和变形的关系。
其纵坐标表示载荷P，单位是公斤力（kgf），横坐标表示绝对伸长△L，单位是毫米（mm），整个变化过程，可分为四个阶段：
Oa——弹性阶段。
其特征是载荷与伸长成线性关系，即材料服从虎克定律。
bd——屈服阶段。
b为上屈服点，c为下屈服点。
cd为屈服平台。
dB——强化阶段。
沿试样长度产生均匀塑性变形，此时？
，且有趋向于零的连续变化，表明试样的抗力其塑性变化为非线性增加。
BK——局部塑性变形阶段。
在B点？
，载荷达到最大值PB，以后转为？
的变化，表示试样抗力下降而变形继续增加，出现颈缩。
这时变形局限于颈缩附近，直到断裂。
本实验，需遵照国家标准，测定两个指标：
屈服极限σs、强度极限σb和两个塑性指标：
伸长率δ和面缩率ψ。
（二）屈服极限的测定
1．物理屈服极限σs
按国家标准规定，对于有明显屈服现象的材料，其屈服点可借助于试验机测力度盘的指针或拉伸曲线图来确定。
（1）指针法：
当测力度盘的指针停止转动时的恒定载荷，或第一次回转的最小载荷，即为所求屈服点的载荷Ps。
（2）图示法：
在P—△L曲线上找出屈服平台的恒定载荷，或第一次下降的最载荷，即为所求屈服点载荷Ps。
如具的上、下屈服的拉伸图，应取下屈服点c点为屈服载荷Ps。
因为下屈服点对试验条件的影响较小，其值较稳定。
（3）屈服极限的计算
σs=
kgf/mm
式中A0为试样的原始面积
2．条件屈服极限
大部分金属材料都不存在明显的屈服现象，在拉伸图上由弹性到弹塑性的过渡是光滑连续的，如图1.7所示。
根据国家标准规定：
试样在拉伸过程中，标距部分的残余伸长达到原标距长度的0.2%时的应力为条件屈服极限σ0.2。
图1-7
（1）图解法。
如图1.7所示的P—△L曲线，在其横坐标上，截取使OD=0.2%·l·n，从D点作弹性直线段的平行线，交曲线于B点，点B的纵坐标值，即所求的屈服载荷P0.2。
式中L为上、下夹头间试件长度，n为夹头位移的放大倍数，应不小于50倍。
（2）引伸计法。
由引伸计法测出试样在残余变形为0.2%时所对应的载荷值为屈服载荷P0.2。
条件屈服极限的计算式为
σ0.2=
kgf/mm
3．试验条件
加载速度对屈服极限有影响，一般加载速度增高时，σs也增高。
为了保证所测性能的准确性，一般规定拉伸速度为：
（1）屈服前，应力增加的速度为1公斤力／毫米m㎡／秒。
（2）屈服后，试验机活动夹头移动速度不大于0.5L／分。
（三）强度极限的测定
根据国家标准规定：
向试样连续施加载荷直至拉断。
由测力度盘或拉伸曲线上读出最大载荷值PMax。
抗力强度的计算式为：
σb=
kgf/mm
（1．5）
（四）塑性指标的测定
塑性，是指断裂前材料发生塑性变形能力。
塑性的量值，是以断裂后的塑性变形的大小来度量。
拉伸时的塑性指标，通常以拉断时残余相对伸长δ表示，称为伸长率，以及断裂时截面相对收缩ψ表示，称为截面收缩率。
1．伸长率的测定
先用试样的标距长度L0内，用划线器刻划等间距的标点或圆周细线10格。
每格间距：
长试样为10㎜；短试样为5㎜。
为拉断后量测之用。
断后标距部分长度L1的量测：
将试样拉断后的两段，在断口处紧密对齐，尽量使它们的轴线位于同一直线上，按下述方法量测L1：
直线法：
如断口到邻近的标距端点（或端线）的距离大于L0／3时，需移位换算，可直接量测两端点（线）间的距离L1。
移位法：
如断口到邻近的标距端点（线）的距离小于或等于L0／3时，需位移换算。
移位换算方法如下：
在试样的长段上，如图1.8所示,从断口”O”处截面取基本等于短段的格数,得到B点（即令OB=OA）。
接着如图1.8（a）所示，长段的其余格数为偶数时，则取其一半得C点，于是
L1=OA+OB+2BC（1.6a）
如图1.8所示,长段其余格数为奇数时,则分别取其减1加与加1的一半得C与C1两点,于是
L1=AO+OB+BC+BC1（1.6b）
伸长率的计算式为:
δ=
×100%（1.7）
智、长比例试样的伸长率，分别以δ5、δ10表示。
图1-8
2．截面收缩率的测定
圆形试样拉断后，在颈缩最小处的两个互相垂直方向上量测其直径，以二者的算术平均值，计算颈缩处最小横截面积A1；板状试样的断口如图1.9所示，用颈缩处最大宽度b1乘以最小厚度a1算得断面截面积A1。
截面收缩率的计算式：
ψ=
×100%
图1-9
3．量测精度和结果处理
按技术标准规定，所量测的量具都应达到三位有效数字的精度，计算结果应以三位有效数字表达。
如不符合国家规定，断裂在标距端线上或标距端线外，或二个、二个以上的颈缩等情况，实验无效。
三、拉伸试样
拉伸试样的形状，通常有圆形试样和板状试样两种。
在标准中曾规定的“标准圆形试样”尺寸为：
d0=20㎜,L0=200㎜，即L0=10d0，称长试样
d0=20㎜，L0=200㎜，即L0=5d0，称短试样
将L0=10d0，L0=5d0，A0=πd0d0／4代入（1.9）式，分别得
=κ
（1.9）
于是
=11.3
≈10
（长试样）（1.10a）
=5.65
≈5
（短试样）（1.10b）
如果由于原材料或其它原因限制，不能采用标准试样时，只要试样尺寸满足（1.10）式的试样，都称为比例试样。
GB228—76中规定，对于钢试样一般采用d0=10㎜长、短比例试样。
对于板状长、短比例试样，也应满足（1.10）。
关于圆形试样，其各部分允许偏差及表面加工光洁度应符合图1.10的规定。
图1－10
试样标距部分直径d0的允许偏差±0.2。
试样标距长度内最大与最小直径的允许差值0.05。
L=L0+100㎜，最小R=3㎜。
试样头部的形状及尺寸，可按材料和试验机的夹具等条件自行设计。
四、实验过程
测定低碳钢、铸铁的拉伸机械性能
[实验目的]
练习材料在拉伸时机械性能的测试方法
[实验项目]
1．观察低碳钢、铸铁试样在拉伸全过程中的各种现象。
2．了解低碳钢、铸铁在拉伸全过程中，抗力和变形的相互关系，并绘制P—△L拉伸曲线图。
3．测定低碳钢的几个主要拉伸机械性能的指标，屈服极限σs，强度极限σb，伸长率δ，和断面收缩率ψ，以及铸铁的抗拉强度极限σb。
[实验要求]
1．测试方法：
遵守国家技术规定，测试拉伸性能指标的训练。
2．数据处理：
学习掌握测量中的有效数字及其运算。
3．操作技能：
继续练习万能试验机的操作方法。
[设备和试样]
1．材料试验机一台
2．游标尺、千分尺各一把。
3．低碳钢、铸铁标准（或比例）试样各一根，
[内容与步骤]
1．量测试样直径。
在试样标距长度的两端和中间三处用千分尺量测直径，为了消除截面椭圆度的误差，应在每处以相互垂直方向量测，取算术平均值。
在强度计算时，考虑到试样从最薄弱处开始破坏，应取三处平均直径中的最小直径。
测量精度至少达到0.02㎜。
2．试样划线。
为了观察低碳钢试样拉断后的变形分布情况，在试样的标距长度内，用划线器等间距划10格。
如长试样间距为10㎜；短试样则为5㎜。
铸铁试样不必划线。
3．试验机的准备工作
选择测力度盘，配置相应的砝码，将试验机的测力指针调到零位。
安装试样
调整载荷位移记录机构
4．检查和试车。
在教师检查、允许下，以手动或缓慢加载试车，观察测力机构、绘图机构运行是否正常。
然后卸载，使测力指针接近回零，将试验机处于待令工作状态。
5．实验测试。
加载人员集中精力，手动或慢速机动操作试验机，使试样受到均匀、缓慢的载荷而变形。
注意观察试样、观察测力指针和记录图在拉伸过程中的全部现象，尤其低碳钢试样在屈服时其表面的变化，测力指针的摆动和记录图的形状；记下指针停止转动时的恒定值，或第一次回转的最小值，为屈服载荷Ps，临近颈缩时试样表面的变化，颈缩现象，直到试样断裂，记录指针的最大载荷Pmax,取下试样，观察和分析试样断口，以及考察物理现象。
取下记录曲线图，实验完毕，将试验机各机构恢复原位。
6．量测低碳钢断裂试样。
[注意事项]
1．临开机前，必须仔细检查，排除遗漏和误失。
在教师同意下才开动试验机。
2．开始加载要缓慢，特别是油压试验机，防止油门开得过大，引起载荷冲击突加，容易造成事故。
3．试样安装必须正确，防止偏斜和夹入过短。
4．运行时，如发现异常（如声音、气味或机构失灵等），应立即停车，排除故障。
[预习和准备]
1．了解金属材料拉伸机械性能的意义和测试方法。
2．掌握量测试样的方法和规定，注意量具和有效数字的应用。
实验前后要量测试样的哪些尺寸，事先画好数据记录表格。
3．拉伸过程中要观察哪些现象，注意几个变形阶段，如何记录应测的数据等，亦应画在数据记录的表格内。
4．如果低碳钢的强度极限σb=4000kgf／㎝2左右，预先合理选择测力度盘和配置砝码。
[实验报告]
材料力学实验报告（供参考）
实验二日期：
实验名称：
实验设备：
实验目的：
（一）试样尺寸记录
材料
原始尺寸
截面
面积A0
标
距
L0（㎜）
直径d0（㎜）
截面Ⅰ
截面Ⅱ
截面Ⅲ
1
2
平均
1
2
平均
1
2
平均
低碳钢
铸铁
材料
断后尺寸
标距L1（㎜）
断裂处直径d1（㎜）
断裂处截面面积
低碳钢
1
2
平均
（二）实验记录
实验数据记录
材料
屈服载荷Ps（kgf）
最大载荷Pb（kgf）
低碳钢
铸铁
实验图象记录
图形
低碳钢
铸铁
P—△L
曲线
断口
形状
（三）计算结果
低碳钢：
屈服极限：
σs=
=kgf/mm
=MP
强度极限：
σb=
kgf/mm
=MP
伸长率：
δ=
×100%=%
面缩率：
ψ=
×100%=%
铸铁：
强度极限：
σb=
=kgf/mm
=MP
（四）实验结果讨论
比较低碳钢所代表的塑性材料和铸铁所代表的脆性材料，它们的拉伸时机械性能的共同点和不同点。
实验二硬度试验
一、实验目的
（1）了解布氏硬度.洛氏硬度的主要构造及操作方法。
（2）初步掌握布氏硬度值.洛氏硬度值的测定方法。
（3）初步建立碳钢的含碳量与其硬度间的关系和热处理能改变材料硬度的概验。
二、实验概述
硬度实验设备简单，操作迅速方便，不需要专门制备试样，也不破坏被测试的工件。
此外，在工业生产中，被广泛应用于产品质量的检验。
此外，硬度值与其他力学性能及某些工艺性能（如切削加工性.冷成形性等）都有一定的联系，故在产品设计图样的技术条件中，硬度是一项主要技术指标。
目前，在测定硬度的方法中，最常用的是压入硬度法。
其中以不氏硬度和洛氏硬度应用最广。
它们的试验原理都是用一定几何形状的压头在一定载荷下压入被测金属材料的表面，根据压头被压入的程度来测定其硬度值。
1．布氏硬度
布氏硬度试验方法是将一直径为D的淬火钢球或硬质合金球在规定载荷F作用下压入被测试金属表面，停留一定时间后卸除载荷，在被测试金属表面上形成一个直径d的压痕。
计算出压痕单位面积所承受的平均压力，以此作为被测试金属的布氏硬度值。
但实际试验是都是用读数显微镜测出压痕直径d，再根据d值，查对照表得出所测的硬度值。
当压头为淬火钢球时，硬度符号为HBS，适用于布氏硬度值低于450的金属材料；当压头为硬质合金球时，硬度符号为HBW，适用于布氏硬度值为450~650的金属材料。
在进行布氏硬度试验时，应根据被测试金属材料的种类和试样厚度，选用不同大小的球体直径D.施加载荷F保持时间。
按GB231-84规定，球体直径有1052.52和1mm5种；载荷与球体直径平方的比值（F/D*D）有30151052.51.25和1七种，根据金属材料的种类和布氏硬度值，可按表2-1选定F/D*D；载荷的保持时间：
黑色金属为10~15s，有色金属为30s，布氏硬度值小于35时为60s。
表2-1布氏硬度试验的F/D2值的选择（摘自GB231-84）
材料
布氏硬度
F/D2
钢及铸铁
＜140
＞140
10
30
铜及其合金
＜35
35~130
＞130
5
10
30
轻金属及合金
＜35
35~130
＞80
2.5（或1.25）
10（或5、15）
10（或15）
铅、锡
1.25（或1）
布氏硬度试验大因压痕面积较大，能反映出较大范围内被测试金属的平均硬度，故试验结果较准确。
但压痕较大，不宜测试成品或薄片金属的硬度。
2.洛氏硬度
洛氏硬度试验方法是以一个锥顶角为120度的金刚石圆锥体或直径为1.558mm（1/16in）的钢球为压头，在先后两次载荷（初载荷与主载荷）作用下，压入被测试金属表面，然后卸除主载荷，在保留初载荷情况下，测出由主载荷引起的塑性变形的压入深度h,再由h值确定洛氏硬度值。
H值愈大时，被测试金属的洛氏硬度值愈低；反之，则愈高。
在实际实验时，都是由硬度计的指示器表盘上直接读出所测的硬度值。
洛氏硬度试验时，可用不同压头和不同的主载荷组成不同的洛氏硬度标尺。
最常用的是HRAHRBHRC三种其中HRC适用于测量硬度值高于230HBS的较硬金属；HRB适用于测量硬度值低于230HBS的较软金属；HRA适用于测量硬脆的金属材料或浅层表面硬化的金属。
洛氏硬度试验操作迅速简便，且压痕较小，可以测定成品或较薄金属的硬度，故目前生产上应用广泛。
退火状态碳钢的硬度一般是随着含碳量的增加而逐渐增加。
三、实验设备
1.布氏硬度试验
布氏硬度试验主要设备有布氏硬度计和读数显微镜。
常见的布氏硬度计有液压式和机械式两大类。
图2-1为HB-3000型机械式布氏硬度计。
试验时，将试样4放在工作台3上，按顺时针方向转动手轮2，使工作台上升至试样与压头5接触，并在手轮打滑后再开电动机1，经二级蜗轮蜗杆减速器减速后，驱动连杆10与遥杆8向下运动，此时压头在砝码11通过大杠杆9小杠杆7及压轴6作用下，以一定大小的载荷压入试样。
停留一定时间后，电动机自动反
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