金属工艺学实验指导书.docx

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金属工艺学实验指导书

金属工艺学

实验指导书

范培耕编

重庆科技学院材料工程教研室

实验一硬度试验

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、落氏硬度计（机）的主要结构及操作方法。

二、实验原理

硬度是衡量金属材料软硬的一个指标。

硬度值的物理意义随着实验方法的不同，其含义也不同。

例如压入法硬度值是材料表面抵抗另一物体压入时所应起的塑性变形能力；刻划硬度表示金属抵抗表面局部破裂的能力；而回跳法硬度值是代表金属弹性变形功的大小。

因此，硬度值实际上不是一个单纯的物理量，它是表征材料的弹性、塑性、变形强化率，强度和韧性等一系列不同物理量组合的一种综合性指标。

一般可以认为，金属材料的硬度是指金属表面上不大体积内抵抗变形和破裂的能力。

由于硬度实验方法比较简单一，不破坏材料内部且能敏感的反映材料的质量高低和热处理相变过程的结果；其次，硬度与强度之间可根据大量实验数据，找出粗略的换算式，而且，硬度与切削性、成型性及可焊性等工艺性能之间也存在着某些联系，因此可作为选择加工工艺时的参考。

所以在实际生产中，硬度试验作为一种简便实用的手段得到广泛的应用。

硬度实验方法可分为压入法、刻划法及反弹法，其中应用最为广泛的是压入法。

压入法中根据加荷速度不同，有分静负荷压入法和动负荷压入法两种。

在生产中使用最广的是静负荷压入法硬度试验，即洛氏硬度、布氏硬度、维氏硬度等。

本实验以介绍洛氏硬度、布氏硬度为主。

（一）、洛氏硬度（HR）

1、原理

洛氏硬度试验是目前应用最广的实验方法。

它以压痕深度来确定材料的硬度值指标。

洛氏硬度试验原理可见图1。

图1洛氏硬度原理

洛氏硬度试验所用压头有两种：

一种是锥顶角为120o的金刚石圆锥，另一种是直径为1/16''（1.588mm）或1/8''（3.1176mm）的淬火钢球。

根据金属材料软硬程度不一，可选用HRA、HRB和HRC等不同标尺。

洛氏硬度测定时，需要先后两次施加载荷（预载荷和主载荷）。

预加载荷的目的是使压头与试样表面接触良好，以保证测量结果准确。

图1中0-0位置为未加载前的压头位置。

1-1位置为加上10kgf预载荷后的位置，此时压入深度为h1，2-2位置为加上主载荷后的位置，此时压入深度为h2，h2包括有加载所引起的弹性变形和塑性变形。

卸除主载荷后，由于弹性变形恢复而稍提高到3-3位，此时压头的实际压入深度为h3。

洛氏硬度就是以主载荷所引起的产于压入深度（h=h3-h1）来表示。

但这样直接以压入深度的大小表示硬度，将会出现硬的金属硬度值小，而软的金属值大的现象，这与习惯的认识方法相矛盾。

为了与习惯上数值越大硬度越高的概念相一致，采用一常数（k）减去（h3-h1）的差值表示硬度值。

为简便起见又规定每0.002mm压入深度作为一个硬度单位（即刻度盘上一小格）。

洛氏硬度值的计算公式如下：

式中：

h1——预加载压入试样的深度（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）。

2、测定洛氏硬度的技术要求

a、根据被测金属材料的硬度高低，选定压头和载荷。

b、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。

c、试样厚度应不小于压入深度的10倍。

d、两相邻压痕迹压痕离试样边缘距离均不小于3mm。

（二）、布氏硬度（HB）

1、原理

试验室施加一定大小的载荷p，将直径为D的淬火钢球或硬质合金球压入被测金属表面（如图2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后求出平均应力值，以此作为硬度值的指标，并用符号HB表示。

其计算公式如下：

（1-1）

式中：

HB——布氏硬度

P——载荷（kgf）

F0——压痕面积（mm2）

根据压痕面积和球面之比等与压痕深度（h）和球的直径之比的集合关系，可求出压痕部分的（球）面积为：

（1-2）

图2布氏硬度原理

由于测量压痕直径d要比测定压痕深度h容易，故将（1-2）式中h该换成d来表示，且：

（1-3）

将式（1-2）和（1-3）带入式（1-1）即得：

（1-4）

式中只有d是变量，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。

在实际测量中也可测出的压痕直径d并直接查表得到HB值。

由于金属材料有软有硬，工件有薄有厚，有大有小，如果只采用一种标准的负荷P和钢球直径D,就会出现若对应的材料合适，而对软的材料就会发生钢球陷入金属材料内的现象；若对厚的的材料合适，而对薄的材料就可能发生压透的现象，因此在生产中进行布氏硬度试验时，要求能使不同大小的负荷P和钢球直径D。

问题在于对同一种材料当采用不同的P和D进行试验时，能否保证得到同一布氏硬度值。

要保证同意材料的布氏硬度值相同，必须是形成的压入角为常数。

也就是要得到几何形状相似的压痕，为达到此要求，应保持p/D2为常数。

当采用不同大小的负荷和不同直径的钢球进行布氏硬度试验时。

只有能满足P/D2为常数，则对同一材料来说布氏硬度值是相同的，且面对不同材料所得到的布氏硬度值才可以进行比较。

国家标准规定布氏硬度试验时，P/D2的比值为30，10，5三种。

根据金属材料种类：

试验硬度范围和要求不同，按规定选择钢球直径D负荷P及负荷保持时间。

试验后压痕直径应在0.25D~0.6D的范围内，否则实验结果无效，应考虑使用其它负荷重新试验。

因为若d太小，灵敏度及准确性将随之降低，若d值太大，压痕的几何形状不能保持相似关系，影响实验结果的准确性。

当选择的P/D2比值不同时，布氏硬度值不能进行直接比较。

2、布氏硬度测定的技术要求

a、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。

b、压痕距离试样边缘应大于D（钢球直径），两压痕之间的距离应不小于D。

c、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，取二者的平均值。

三、实验设备与材料：

1、TH550型洛氏硬度试验机、TH600型布氏硬度试验机、读数放大镜。

2、退火低碳钢或中碳钢、淬火钢或高碳钢试样。

四、实验步骤

（一）洛氏硬度

1、根据试样预期硬度确定压头和载荷，并装入试验机。

2、开启试验机电源。

3、将符合要求的试样放置在试样台上，顺时针缓慢转动手轮，使试样与压头缓慢接触，“初载荷”指示灯亮起。

4、继续缓慢顺时针转动手轮，“初载荷”指示灯将显示“9、8、7……”直至“0”，此时“初载荷”指示灯熄灭，将依次亮起“加载”、“保持”、“卸载”指示灯。

5、当“卸载”指示灯熄灭后，读取硬度值。

6、逆时针转动手轮，卸掉所有载荷。

7、继续测试重复步骤“3～6”，两个测试点间距离大于3mm。

（二）布氏硬度

1、根据试样预期硬度确定压头和载荷，并装入试验机。

2、开启试验机电源。

3、将试样放在工作台上，顺时针转动手轮，使压头向试样表面直至手轮下面螺母产生相对运动（打滑）为止。

4、按“开始”按钮，硬度计上指示灯将依次亮“加载”、“保持”、“卸载”。

5、指示灯熄灭后，逆时针转动手轮降下工作台，取下试样用读数显微镜测出压痕直径d值，以此值查表即得出HB值或计算HB值。

6、继续测试重复步骤“3～5”。

五、实验记录及数据处理：

1、记录所测材料洛氏硬度值。

2、测定布氏硬度试验后的压痕直径d，通过公式计算硬度值或查表求硬度值。

六、实验注意事项

1、测定洛氏硬度时，加初载时速度要慢，避免撞坏压头。

2、测定布氏硬度时，注意安全。

七、实验思考题

比较布氏硬度与洛氏硬度的优缺点。

实验二冲击试验

一、实验目的

1、了解冲击韧性的含义。

2、测定钢的冲击韧性，了解断口形貌与韧性的关系。

二、实验原理

如图1冲击试验机中，将质量为m的摆锤抬到一定高度H1，该摆锤具有势能mgH1，释放摆锤，使摆锤自由转动落下，撞断试样，摆锤继续上摆到高度H2，具有势能mgH2，二者势能差即为试样在被撞断过程中所吸收的能量，称为冲击吸收功，用AK表示：

AK=mgH1-mgH2

冲击韧度为

式中：

为试样在断口处的横截面面积。

图1冲击试验原理图

按照国家标准GB/T229—1994《金属夏比缺口冲击试验方法》，金属冲击试验所采用的标准冲击试样为

并开有

或

深的

形缺口的冲击试样（图2）以及

张角

深的

形缺口冲击试样（图3）。

如不能制成标准试样，则可采用宽度为

或

等小尺寸试样，其它尺寸与相应缺口的标准试样相同，缺口应开在试样的窄面上。

冲击试样的底部应光滑，试样的公差、表面粗糙度等加工技术要求参见国家标准GB/T229—1994。

（a）（b）

图2夏比

形冲击试样

（a）深度为

；（b）深度为

图3夏比

形冲击试样

三、实验设备和材料

1、冲击试验机。

2、游标卡尺。

3、冲击试样。

四、实验步骤

1、了解冲击试验机的操作规程和注意事项。

2、测量试样的尺寸。

3、将试样安装好。

注意在安装试样时，不得将摆锤抬起。

4、开启电源，打开控制屏，设置好参数，选择试验运行。

5、按下“取摆”按钮。

6、按下“退销”按钮。

7、按下“冲击”按钮，记录屏幕上显示的数据。

8、按下“退销”按钮。

9、按下“放摆”按钮。

10、若继续试验，重复步骤2～9。

五、实验数据的记录与计算

表测定低碳钢和灰铸铁的冲击性能指标试验的数据记录与计算

试样号

试样缺口处的横截面面积

/cm2

试样所吸收的能量AK/J

冲击韧度

/J.cm2

六、实验注意事项

1、实验中注意安全。

2、摆放试样时，让摆锤刀口正对试样缺口，否则，误差较大。

七、思考题

1、为什么冲击试样要有切槽？

2、分析断口形貌与冲击韧性的关系。

实验三钢铁材料组织观察

一、实验目的

1、了解铁碳合金平衡组织。

2、了解金相显微镜结构。

3、掌握金相显微镜使用方法。

4、观察铁碳合金平衡组织。

二、实验原理

根据铁碳相图（图1），在平衡状态下，铁碳合金分为工业纯铁、钢（包括亚共析钢、共析钢、过共析钢）、白口铸铁（包括亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁）三大类，每一种铁碳合金都具有不同的组织（图2）。

图1铁碳合金相图

图2铁碳合金组织组成图

1、铁碳合金基本相和组织

（1）铁素体

铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体，为体心立方晶格，具有磁性和良好的塑性，硬度较低。

（2）渗碳体

铁与碳形成的具有复杂晶格的化合物，含碳量为6.69%，用硝酸酒精腐蚀后呈亮白色。

渗碳体具有片状、网状、颗粒状等多种形貌。

渗碳体的特点是硬而脆。

（3）珠光体

铁碳合金共析转变时形成的铁素体与渗碳体的混合物，两者含量比约为8:

1。

珠光体也具有不同的形貌，一般为片层状或球状。

（4）莱氏体

铁碳合金发生共晶转变时得到的奥氏体与渗碳体的两相混合物。

低温下奥氏体发生析出二次渗碳体并发生共析转变，最终莱氏体转变为低温莱氏体（变态莱氏体）。

2、铁碳合金室温下显微组织

（1）工业纯铁

铁素体加少量的三次渗碳体。

（2）亚共析钢

铁素体加珠光体。

（3）共析钢

珠光体。

（4）过共析钢

珠光体加二次渗碳体。

（5）亚共晶白口铸铁

珠光体、二次渗碳体及低温莱氏体。

（6）共晶白口铸铁

低温莱氏体。

（7）过共晶白口铸铁

低温莱氏体加一次渗碳体。

三、实验设备与材料

1、制备好的铁碳合金金相试样。

2、金相显微镜。

四、实验步骤

1、打开金相显微镜电源，根据铁碳合金平衡组织特点选用合适的放大倍数。

2、将试样观察面朝下置于金相显微镜上。

3、转动显微镜粗调旋钮，待能看见组织后转动微调旋钮，使组织清晰。

4、观察组织。

五、实验记录

1、观察不同的铁碳合金平衡组织。

2、绘出各种组织的结构示意图。

3、拍摄典型的金相组织照片。

六、实验注意事项

1、显微镜操作时，先用肉眼观察，把物镜尽量靠近试样，再逐步远离试样进行焦距调节，避免物镜和试样接触，损伤物镜。

2、试样不观察时，观察面向上放置，避免试样表面划伤。