機械制造基礎課程

1、機械制造基礎課程實驗指導書機電設備系設備教研室二 00 四年四月、八前言為了更好地完成機械制造基礎課程教學 ,培養(yǎng)提高學生理論聯(lián) 系實際和實踐動手能力，根據(jù)機械制造基礎課程教學大綱對實驗 教學要求，編寫本實驗指導書。實驗指導書包括實驗指導和報告書兩部分。其中指導書部分介紹 了實驗目的與要求、實驗設備及儀器、實驗原理、實驗步驟等；報告 書部分主要有實驗數(shù)據(jù)記錄、處理，分析及思考題等。本教材由吳少爽主編，由謝仁明主審。由于水平有限，時間倉促， 書中會有不少缺點和錯誤，懇請各位讀者批評指正。編者2004.459目錄實驗一拉伸實驗1實驗二硬度實驗11實驗三沖擊實驗17實驗四鐵碳合金平衡組織分析20實驗

2、五熱處理實驗24實驗六碳鋼熱處理后的顯微組織觀察27實驗七不同金屬的焊接性能31實驗八車刀幾何角度測量34實驗九專用夾具拆裝及組合夾具組裝實驗38實驗十數(shù)控線切割加工演示實驗41附錄金相顯微鏡的使用及金相試樣的制備 42實驗一拉伸實驗一. 萬能材料試驗機介紹材料試驗的目的，是模仿工程實際中的零件、構(gòu)件的真實情況，在實驗室研究他們的性 能。因此，需要將各種零件、構(gòu)件以及不同的工作情況，在實驗室作出再現(xiàn)。作為被測試 對象的零件、構(gòu)件稱為試件，應按相似原理制成模型或試樣，并模仿其具體工作條件，作 出模擬實驗，從而測量試件的承載能力和變形等參數(shù)。提供模擬試驗、給出穩(wěn)定參數(shù)的設 備，稱為試驗機。試驗機品

3、種繁多。如果按照所模擬的工作環(huán)境來分，有高溫、常溫、低溫、腐蝕等； 如果按照所模擬的載荷情況來分，有靜載、動載、沖擊、交變等；也可以按照試驗機的功 能來分，有拉伸、壓縮、彎曲、硬度等。在常溫、靜載拉力試驗機上，增設一些附具擴展 功能，還能進行壓縮、剪切、彎曲等試驗。這種多功能的試驗機稱為萬能材料試驗機。圖 11所示的是材料力學中通常使用的試驗機。圖1-1萬能材料試驗機是由機架、加載系統(tǒng)、測力示值系統(tǒng)、載荷位移記錄系統(tǒng)以及夾具、 附具等五個基本部分所組成。其中以加載系統(tǒng)、測力示值系統(tǒng)和載荷位移記錄系統(tǒng)反映了 試驗機的主要性能。以下分別闡述這些系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)。（一）加載系統(tǒng)加載系統(tǒng)的功能是，

4、提供適合于靜載荷的力源。這力源必須是穩(wěn)定的、可控的，而且 重合于軸線的軸向力。實現(xiàn)這種力源的機構(gòu)，一般的液壓式和機械式兩種。圖1.2所示是液壓式的加載機構(gòu)。當高壓油泵向油缸送油時，逐漸頂起油缸中的活塞聯(lián)同傳力架將工作臺升起。如果試件裝入下層空間的夾頭中，就向其施加了拉力；若放 入上層空間的墊塊上，就向試件施加壓力。機械式的加載機構(gòu)，也是使工作臺移動，強迫試件伸長或壓縮而施加拉力或壓力。所圖1-2圖1-3在不同的，只是工作臺由螺桿、螺母筒和蝸輪蝸桿等腰三角形機構(gòu)所傳動。（二）測力、示值系統(tǒng)測力、示值系統(tǒng)的功能，是要隨時反映出作用于試件上載荷的數(shù)值。它是試驗機的心 臟部門。機械式和液壓式材料試驗機

5、，一般都采用如圖1. 3所示的擺錘式測力、示值系統(tǒng)。二者的區(qū)別，僅在于傳遞拉力Ps的機構(gòu)不同。機械式試驗機，是由測力杠桿傳遞Ps力；而液壓式的，是由測力油缸的活塞傳遞Ps力。因此，它們的測力、示值原理相同。1. 擺錘式測力、示值系統(tǒng)的工作原理。如圖1 . 3所示，試驗機作用于試件上的載荷，就是作用在工作油缸上的壓力Pw。由于工作油缸與測力油缸相連通，它們的油壓強度相等，于是測力油缸的活塞對連桿作用的拉力Ps與Pw成線性關(guān)系，又Ps使擺桿聯(lián)同法碼揚起a擺角的同時，撥桿推動齒桿位移X,從而帶動齒動使指針轉(zhuǎn)動。因此，指針轉(zhuǎn)動的角度$與試驗機的作用力Pw也成線性關(guān)系。它們的關(guān)系式：Pw = frh 甘

6、 COS a 0（ 1 . 1 ）式中，Q、I、d、h、Sw、Ss以及預置角a都是常量。由（1.1）式可得結(jié)論：（1）試驗機的載荷 Pw與指針的轉(zhuǎn)角”成線性關(guān)系，因此，測力度盤可以以圓 等分刻度。（2） 當2視為常量（指針指在同一角度時），而Q視為變量，則 Pw與Q成正比關(guān)系，因此，更換砝碼重量Q可以得到不同的測力范圍。國產(chǎn)試驗機，一般具有三檔不同范圍的測力度盤，相應地配有三個不同重量的砝 碼。實驗時需要正確選擇、配合使用。（3） 當”視為常量，而 L視為變量時，則 Pw與L成正比關(guān)系。因此，更換擺 桿L也可以得到不同的測力范圍。2擺錘式測力、示值系統(tǒng)的線性范圍。式（1.1）中的載荷Pw與指針

7、轉(zhuǎn)角”成線性關(guān)系， 是在理想狀態(tài)下成立的，式中沒有考慮到摩擦力；支承、夾具、機架受力后的變形；加工裝配中幾何尺寸的偏差，以及各零件之 間的間隙等因素的影響，這些都會使Pw與”之間產(chǎn)生非線性偏差。 當擺桿揚起a角較大（相 應指針的轉(zhuǎn)角“也大）時，由于摩擦力引起的非線性誤差顯著增加，指針臨近度盤的滿度區(qū)域，示值的精度較差。又根據(jù)國家對試驗機示值精度的規(guī)定：以每級測量范圍10%開始，但不小于該機最大載荷的 4% ,誤差應在土 1%以內(nèi)?？梢娭羔樤诙缺P開始的區(qū)域內(nèi)，精度也 較差。實驗時，應正確選擇度盤的測力范圍，一般使需要測量的載荷，最好全落在度盤的10%80%范圍內(nèi)。摩擦力對試驗機進程（加載）、回程

8、（卸載）都有影響，而在進回程中引起的是雙倍誤 差。所以，試驗機加載時，必須平穩(wěn)增加，不應忽減。3 指針度盤式的示值機構(gòu)普通材料試驗機均為指針度盤式的示值方式。它具有二根示值指針：一根是主動針，另 一根是從動針。如果1.1中所示。當試驗加載時，主動針帶著從動針隨載荷增加而沿刻度值 增大方向旋轉(zhuǎn)。當試驗終了卸載時，主動針自動回至零位，而從動針停示在終止的力值上， 以供充裕時間準確讀值。從動針的位置，可由手動調(diào)節(jié)。4 游鉈自動平衡式測力、示值系統(tǒng)國產(chǎn)WJ10型萬能試驗機和 NJ型扭轉(zhuǎn)試驗機，都采用游鉈自動平衡式的測力機構(gòu)。這種機構(gòu)的精度、靈敏度都比擺錘式測力、示值機構(gòu)的高，如圖1.4所示，為該機構(gòu)的

9、工作原理圖。水平杠桿1,支承于O點，由測力杠桿傳遞的力 Ps作用于A點，當試驗機空載， 即Ps=0時，游鉈2位于M位置，使杠桿及其懸掛物處于水平平衡狀態(tài)。當試驗機承載， 即Psm 0時，杠桿失去平衡，B點的位移使傳感器 4輸出電壓，通過放大器使伺服電機3轉(zhuǎn)動，拖動游鉈移到一個新的位置N ,使杠桿重新恢復水平平衡。根據(jù)先后兩次平衡重要條件，可得Ps與x的線性關(guān)系為：Ps普 d （1.2）式中Q、r、d都是常量。即得指針的轉(zhuǎn)動角度Ps與“成線性關(guān)系。（三）載荷位移記錄系統(tǒng)萬能材料試驗機的載荷位移記錄系統(tǒng)，它的一般機構(gòu)如圖1.5所示。力值的記錄：在測力系統(tǒng)的齒桿上裝有筆架，記錄筆隨齒桿的移動而在記錄

10、筒上描繪。如使指針轉(zhuǎn)動一圈，記錄筆所繪直線的長度，代表該度盤的滿度力值?？勺鳛榱χ档淖鴺?。位移的記錄：試驗機上、下夾頭之間有相對位移時，繩線通過繩輪帶動記錄筒轉(zhuǎn)動。記錄筆在筒紙上繪出了代表位移的線段。記錄筒上的繩輪，一般具有23條不同直徑的線槽，使描繪位移線段的長度，比真實位移放大1、2、4倍?？梢赃x擇使用。圖1-5力和位移同時記錄：當夾頭強迫試件伸長的同時，試樣不斷產(chǎn)生抗力，這時記錄筆和 記錄筒一起動作，二者的合成運動，描繪了力和變形的曲線。應該注意，這機構(gòu)所記錄的變形，并非試樣標距內(nèi)的真實變形，而是試驗機上、下兩 夾頭間的位移，其精度較差。如果需要大比例、高精度的PA L曲線圖，可應用現(xiàn)代

11、的電子設備，在普通的試驗機上，使用傳感器直接測量試樣的抗力和標距的變形轉(zhuǎn)化為 電訊號輸出，經(jīng)放大器接入 x y函數(shù)記錄儀，可得放大倍數(shù)為1000以上的精度圖線。更先進的記錄，是將傳感器采集的訊息， 經(jīng)A|D轉(zhuǎn)換輸入電子計算機， 通過計算機數(shù)據(jù) 處理，打印出更精確的數(shù)據(jù)和曲線圖。了解試驗機的主要功能，其目的是為了更好地掌握和使用試驗機。實驗測試的質(zhì)量，除了試驗機本身達到規(guī)定的精度外，更重要的是決定于實驗者的操作技能。然而，正確、熟練的操作技能，也反映了實驗者的水平和能力。各試驗機的具體操作方法，在附錄中 已有詳細敘述。對于在實驗中將使用的試驗機，希認真閱讀和掌握。二、拉伸試驗中四個主要指標的測定

12、（一）拉伸試驗圖一般材料試驗機都具有載荷位移記錄裝置，可以裝試樣的抗力和變形的關(guān)系PAL曲線記錄下來。ft圖1-6如圖1.6所示，為低碳鋼的 PA L曲線圖，以說明試樣在拉伸全過程中，它抗力和變 形的關(guān)系。其縱坐標表示載荷P,單位是公斤力（kgf），橫坐標表示絕對伸長厶 L,單位是毫米（mm）,整個變化過程，可分為四個階段：Oa彈性階段。其特征是載荷與伸長成線性關(guān)系，即材料服從虎克定律。bd屈服階段。b為上屈服點，c為下屈服點。cd為屈服平臺。dB 強化階段。沿試樣長度產(chǎn)生均勻塑性變形，此時？，且有趨向于零的連續(xù)變化， 表明試樣的抗力其塑性變化為非線性增加。BK局部塑性變形階段。在B點？，載荷

13、達到最大值 PB，以后轉(zhuǎn)為？的變化，表示試樣抗力下降而變形繼續(xù)增加，出現(xiàn)頸縮。這時變形局限于頸縮附近，直到斷裂。本實驗，需遵照國家標準，測定兩個指標：屈服極限bs、強度極限b b和兩個塑性指標：伸長率3和面縮率。（二）屈服極限的測定1 物理屈服極限b s按國家標準規(guī)定，對于有明顯屈服現(xiàn)象的材料，其屈服點可借助于試驗機測力度盤的 指針或拉伸曲線圖來確定。（1）指針法：當測力度盤的指針停止轉(zhuǎn)動時的恒定載荷，或第一次回轉(zhuǎn)的最小載荷，即為所求屈服點的載荷 PS。(2) 圖示法：在 PA L曲線上找出屈服平臺的恒定載荷，或第一次下降的最載荷，即為所求屈服點載荷 Pso如具的上、下屈服的拉伸圖，應取下屈服

14、點c點為屈服載荷PSo因為下屈服點對試驗條件的影響較小，其值較穩(wěn)定。(3) 屈服極限的計算Pskgf/mm式中A0為試樣的原始面積2 條件屈服極限大部分金屬材料都不存在明顯的屈服現(xiàn)象，在拉伸圖上由彈性到彈塑性的過渡是光 滑連續(xù)的，如圖1.7所示。根據(jù)國家標準規(guī)定：試樣在拉伸過程中，標距部分的殘余伸長達 到原標距長度的0.2%時的應力為條件屈服極限b0.2o圖1-7(1) 圖解法。如圖1.7所示的PA L曲線，在其橫坐標上，截取使 OD=0.2% l n, 從D點作彈性直線段的平行線， 交曲線于B點，點B的縱坐標值，即所求的屈服載荷 P0.2o 式中L為上、下夾頭間試件長度， n為夾頭位移的放大

15、倍數(shù)，應不小于 50倍。(2) 引伸計法。由引伸計法測出試樣在殘余變形為0.2%時所對應的載荷值為屈服載荷P0.2o條件屈服極限的計算式為P2(ja.2=詈 kgf/mm3 試驗條件加載速度對屈服極限有影響，一般加載速度增高時，bs也增高。為了保證所測性能的準確性，一般規(guī)定拉伸速度為：(1) 屈服前，應力增加的速度為1公斤力/毫米 m m2/秒。(2) 屈服后，試驗機活動夾頭移動速度不大于0.5L /分。(三)強度極限的測定根據(jù)國家標準規(guī)定：向試樣連續(xù)施加載荷直至拉斷。由測力度盤或拉伸曲線上讀出最大載荷值PMax。抗力強度的計算式為：PmaxA0kgf/mm 2(1. 5)(四)塑性指標的測定

16、塑性，是指斷裂前材料發(fā)生塑性變形能力。 塑性的量值，是以斷裂后的塑性變形的大小來度量。拉伸時的塑性指標，通常以拉斷時殘余相對伸長3表示，稱為伸長率，以及斷裂時截 面相對收縮®表示，稱為截面收縮率。1 伸長率的測定先用試樣的標距長度 L0內(nèi)，用劃線器刻劃等間距的標點或圓周細線10格。每格間距：長試樣為10伽；短試樣為5伽。為拉斷后量測之用。斷后標距部分長度 L1的量測：將試樣拉斷后的兩段， 在斷口處緊密對齊， 盡量使它們 的軸線位于同一直線上，按下述方法量測L1:直線法：如斷口到鄰近的標距端點(或端線)的距離大于L0/ 3時，需移位換算，可直接量測兩端點(線)間的距離L1。移位法：如斷

17、口到鄰近的標距端點(線)的距離小于或等于L0/3時，需位移換算。移位換算方法如下：在試樣的長段上，如圖 1.8所示,從斷口 ”0”處截面取基本等于短段的格數(shù)，得到B點(即令OB=OA)。接著如圖1.8 (a)所示，長段的其余格數(shù)為偶數(shù)時，則取其一半得C點，于是L仁 OA+OB+2BC(1.6a)如圖1.8 所示，長段其余格數(shù)為奇數(shù)時，則分別取其減1加與加1的一半得C與C1兩點，于是L仁AO+OB+BC+BC1(1.6b)伸長率的計算式為：3=罟 X 100%(1.7)智、長比例試樣的伸長率，分別以35、3 10表示。圖1-82. 截面收縮率的測定圓形試樣拉斷后，在頸縮最小處的兩個互相垂直方向上

18、量測其直徑，以二者的算術(shù)平均值，計算頸縮處最小橫截面積 A1;板狀試樣的斷口如圖 1.9所示，用頸縮處最大寬度 b1乘以最 小厚度a1算得斷面截面積 A1。截面收縮率的計算式：圖1-93. 量測精度和結(jié)果處理按技術(shù)標準規(guī)定，所量測的量具都應達到三位有效數(shù)字的精度，計算結(jié)果應以三位有效數(shù) 字表達。如不符合國家規(guī)定， 斷裂在標距端線上或標距端線外，或二個、二個以上的頸縮等情況，實 驗無效。三、拉伸試樣拉伸試樣的形狀，通常有圓形試樣和板狀試樣兩種。在標準中曾規(guī)定的“標準圓形試樣”尺寸為：d0=20伽,L0=2OO伽， 即L0=10 dO,稱長試樣d0=20 mm,L0=200 伽， 即 L0=5 d

19、o，稱短試樣將 L0=10 d0, L0=5 d0, A0= n d0 d0/4 代入(1.9)式，分別得l0 = k A(1.9)10=11.3 . A 10d0（長試樣）(1.10a)丨0=5.65、A 5d0（短試樣）(1.10b)如果由于原材料或其它原因限制，不能采用標準試樣時，只要試樣尺寸滿足（1.10)式的試樣，都稱為比例試樣。GB228 76中規(guī)定，對于鋼試樣一般采用d0=10伽長、短比例試樣。對于板狀長、短比例試樣，也應滿足（1.10）。關(guān)于圓形試樣，其各部分允許偏差及表面加工光潔度應符合圖1.10的規(guī)定。圖 1- 10試樣標距部分直徑 d0的允許偏差土 0.2。試樣標距長度內(nèi)

20、最大與最小直徑的允許差值0.05。L=L 0+100 mm,最小 R=3mm。試樣頭部的形狀及尺寸，可按材料和試驗機的夾具等條件自行設計。四、實驗過程測定低碳鋼、鑄鐵的拉伸機械性能實驗目的練習材料在拉伸時機械性能的測試方法實驗項目1 觀察低碳鋼、鑄鐵試樣在拉伸全過程中的各種現(xiàn)象。2 了解低碳鋼、鑄鐵在拉伸全過程中，抗力和變形的相互關(guān)系，并繪制PL拉伸曲線圖。3 測定低碳鋼的幾個主要拉伸機械性能的指標，屈服極限bs,強度極限b b,伸長率3,和斷面收縮率"，以及鑄鐵的抗拉強度極限bbo實驗要求 1測試方法：遵守國家技術(shù)規(guī)定，測試拉伸性能指標的訓練。2數(shù)據(jù)處理：學習掌握測量中的有效數(shù)字及

21、其運算。3操作技能：繼續(xù)練習萬能試驗機的操作方法。設備和試樣 1材料試驗機一臺2. 游標尺、千分尺各一把。3低碳鋼、鑄鐵標準（或比例）試樣各一根， 內(nèi)容與步驟 1. 量測試樣直徑。在試樣標距長度的兩端和中間三處用千分尺量測直徑，為了消除截面橢圓度的誤差，應在每處以相互垂直方向量測， 取算術(shù)平均值。 在強度計算時， 考慮到試 樣從最薄弱處開始破壞，應取三處平均直徑中的最小直徑。測量精度至少達到0.02 mm。2. 試樣劃線。為了觀察低碳鋼試樣拉斷后的變形分布情況，在試樣的標距長度內(nèi)，用劃線器等間距劃10格。如長試樣間距為10伽；短試樣則為5 m。鑄鐵試樣不必劃線。3. 試驗機的準備工作選擇測力度

22、盤，配置相應的砝碼，將試驗機的測力指針調(diào)到零位。安裝試樣調(diào)整載荷位移記錄機構(gòu)4 .檢查和試車。在教師檢查、允許下，以手動或緩慢加載試車，觀察測力機構(gòu)、繪圖 機構(gòu)運行是否正常。然后卸載，使測力指針接近回零，將試驗機處于待令工作狀態(tài)。5 .實驗測試。加載人員集中精力，手動或慢速機動操作試驗機，使試樣受到均勻、緩 慢的載荷而變形。注意觀察試樣、觀察測力指針和記錄圖在拉伸過程中的全部現(xiàn)象，尤其低碳鋼試樣在 屈服時其表面的變化， 測力指針的擺動和記錄圖的形狀； 記下指針停止轉(zhuǎn)動時的恒定值， 或 第一次回轉(zhuǎn)的最小值，為屈服載荷Ps，臨近頸縮時試樣表面的變化，頸縮現(xiàn)象，直到試樣斷裂，記錄指針的最大載荷 Pm

23、ax, 取下試樣，觀察和分析試樣斷口，以及考察物理現(xiàn)象。 取下記錄曲線圖，實驗完畢，將試驗機各機構(gòu)恢復原位。6 .量測低碳鋼斷裂試樣。 注意事項 1 .臨開機前，必須仔細檢查，排除遺漏和誤失。在教師同意下才開動試驗機。2 .開始加載要緩慢，特別是油壓試驗機，防止油門開得過大，引起載荷沖擊突加，容 易造成事故。3 .試樣安裝必須正確，防止偏斜和夾入過短。4 .運行時，如發(fā)現(xiàn)異常（如聲音、氣味或機構(gòu)失靈等） ，應立即停車，排除故障。 預習和準備 1. 了解金屬材料拉伸機械性能的意義和測試方法。2. 掌握量測試樣的方法和規(guī)定，注意量具和有效數(shù)字的應用。實驗前后要量測試樣的 哪些尺寸，事先畫好數(shù)據(jù)記錄

24、表格。3. 拉伸過程中要觀察哪些現(xiàn)象，注意幾個變形階段，如何記錄應測的數(shù)據(jù)等，亦應畫 在數(shù)據(jù)記錄的表格內(nèi)。4. 如果低碳鋼的強度極限cb=4000kgf /cm 2左右，預先合理選擇測力度盤和配置砝碼。實驗報告材料力學實驗報告 （供參考）實驗二日期:實驗名稱：實驗設備：實驗目的：（一）試樣尺寸記錄材料原始尺寸截面面積A0標距L0（伽）直徑do （伽）截面I截面n截面川12平均12平均12平均低碳鋼鑄鐵材料斷后尺寸標距L1（伽）斷裂處直徑d1 （伽）斷裂處截面 面積低碳鋼12平均（二）實驗記錄實驗數(shù)據(jù)記錄材料屈服載荷Ps（kgf）取大載何Pb（kgf）低碳鋼鑄鐵實驗圖象記錄圖形低碳鋼鑄鐵PA L

25、曲線斷口形狀（三）計算結(jié)果低碳鋼:屈服極限：J =L兀-2kgf/mm=MP a強度極限：k Pb db= Akgf/mm2 =MP a伸長率：8=耳° X100%= %面縮率：A0 _A1 片AoX 100%= %鑄鐵：強度極限：P>d= a0 =kgf/mm2 =MP a（四）實驗結(jié)果討論它們的拉伸時機比較低碳鋼所代表的塑性材料和鑄鐵所代表的脆性材料, 械性能的共同點和不同點。實驗二硬度試驗一、實驗目的（1）了解布氏硬度洛氏硬度的主要構(gòu)造及操作方法。（2）初步掌握布氏硬度值洛氏硬度值的測定方法。（3）初步建立碳鋼的含碳量與其硬度間的關(guān)系和熱處理能改變材料硬度的概驗。二、實驗

26、概述硬度實驗設備簡單， 操作迅速方便，不需要專門制備試樣，也不破壞被測試的工件。此 外，在工業(yè)生產(chǎn)中，被廣泛應用于產(chǎn)品質(zhì)量的檢驗。此外，硬度值與其他力學性能及某些工 藝性能（如切削加工性冷成形性等）都有一定的聯(lián)系，故在產(chǎn)品設計圖樣的技術(shù)條件中， 硬度是一項主要技術(shù)指標。目前，在測定硬度的方法中，最常用的是壓入硬度法。其中以不氏硬度和洛氏硬度應用 最廣。它們的試驗原理都是用一定幾何形狀的壓頭在一定載荷下壓入被測金屬材料的表面， 根據(jù)壓頭被壓入的程度來測定其硬度值。1. 布氏硬度布氏硬度試驗方法是將一直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球在規(guī)定載荷F作用下壓入被測試金屬表面，停留一定時間后卸除載荷，在被測

27、試金屬表面上形成一個直徑d的壓痕。計算出壓痕單位面積所承受的平均壓力，以此作為被測試金屬的布氏硬度值。但實際試驗是都是用讀數(shù)顯微鏡測出壓痕直徑d，再根據(jù)d值，查對照表得出所測的硬度值。當壓頭為淬火鋼球時，硬度符號為HBS，適用于布氏硬度值低于450的金屬材料；當壓頭為硬質(zhì)合金球時，硬度符號為HBW，適用于布氏硬度值為 450650的金屬材料。在進行布氏硬度試驗時，應根據(jù)被測試金屬材料的種類和試樣厚度，選用不同大小的球體直徑D.施加載荷F保持時間。按 GB231-84規(guī)定，球體直徑有 1052.52和1mm5種；載荷與球體直徑平方的比值（ F/D*D ）有301510 52.51.25和1七種，

28、根據(jù)金屬材料的種類和布氏硬度值，可按表2-1選定F/D*D ;載荷的保持時間：黑色金屬為1015s,有色金屬為30s,布氏硬度值小于 35時為60s。表2-1布氏硬度試驗的 F/D2值的選擇（摘自GB231-84）材料布氏硬度F/D2鋼及鑄鐵V 14010> 14030V 355銅及其合金3513010> 13030V 352.5（或 1.25）輕金屬及合金3513010（或 5、15）> 8010 （或 15）鉛、錫1.25 （或 1）布氏硬度試驗大因壓痕面積較大，能反映出較大范圍內(nèi)被測試金屬的平均硬度，故試 驗結(jié)果較準確。但壓痕較大，不宜測試成品或薄片金屬的硬度。2. 洛

29、氏硬度洛氏硬度試驗方法是以一個錐頂角為120度的金剛石圓錐體或直徑為1.558mm （1/16in ）的鋼球為壓頭，在先后兩次載荷（初載荷與主載荷）作用下，壓入被測試金屬表面，然后卸除主載荷，在保留初載荷情況下，測出由主載荷引起的塑性變形的壓入深度h,再由h值確定洛氏硬度值。H值愈大時，被測試金屬的洛氏硬度值愈低；反之，則愈高。在實際實驗時，都 是由硬度計的指示器表盤上直接讀出所測的硬度值。洛氏硬度試驗時，可用不同壓頭和不同的主載荷組成不同的洛氏硬度標尺。最常用的是HRA HRB HRC三種其中HRC適用于測量硬度值高于 230HBS的較硬金屬；HRB適用 于測量硬度值低于 230HBS的較軟

30、金屬；HRA適用于測量硬脆的金屬材料或淺層表面硬化 的金屬。洛氏硬度試驗操作迅速簡便，且壓痕較小，可以測定成品或較薄金屬的硬度，故目前生產(chǎn)上應用廣泛。退火狀態(tài)碳鋼的硬度一般是隨著含碳量的增加而逐漸增加。三、實驗設備1.布氏硬度試驗圖HB-300GS布氏理炭計電駒梶1-16 工澤會”壓決t一小社桿1太杜桿“亠底建m布氏硬度試驗主要設備有布氏硬度計和讀數(shù)顯微鏡。常見的布氏硬度計有液壓式和機械式兩大類。圖2-1為HB-3000型機械式布氏硬度計。試驗時，將試樣4放在工作臺3上，按順時針方向轉(zhuǎn)動手輪 2,使工作臺上升至試樣與壓頭5接觸，并在手輪打滑后再開電動機1,經(jīng)二級蝸輪蝸桿減速器減速后，驅(qū)動連桿1

31、0與遙桿8向下運動，此時壓頭在砝碼11通過大杠桿9小杠桿7及壓軸6作用下，以一定大小的載荷壓入試樣。停留一定時間后，電 動機自動反轉(zhuǎn)，曲柄連桿帶動遙桿上升而卸除載荷。在關(guān)閉電動機后，反時針方向轉(zhuǎn)動手輪，使工作臺下降并取下試樣。最后用讀數(shù)顯微鏡測出壓痕直徑d，如圖2-2所示，根據(jù)d的大小查表即可求得布氏硬度值。2.洛氏硬度試驗圖27 HTOQ型需氏度卄l-tttt 2-孚棉$-爭槍4T金 工薦古8-試掙7-K#r一盤 tOttfF il«RM-MiSft 14-W*】”沖1我國生產(chǎn)的洛氏硬度試驗計有H-100 HR-150DT HR4-150AT等多種型式。圖2-3為H-10型洛氏硬度

32、計。試驗時將試樣6放在工作臺5上按順時針方向轉(zhuǎn)動手輪3,使工作臺上升至試樣與壓頭 7接觸，繼續(xù)轉(zhuǎn)動手輪，通過壓頭和壓軸8頂起杠桿10，并帶動指示盤9 的 指針轉(zhuǎn)動，洛氏硬度指示器表盤如圖 2-4所示。待指示器表盤中小針對準黑點，大針置于垂直向上位置時(左右偏移不超過5格)，試樣即施加了 10Kgf (1kgf=9.8N )的初載荷。隨后轉(zhuǎn)動指示器表盤，使大針對準“0”(測HRB時對準“ 30”)，再按下按鈕1釋放轉(zhuǎn)盤4,在砝碼11重量的作用下，頂桿12便在緩沖器15的控制下勻緩下降，使主載荷通過杠桿 壓 軸和壓頭作用于試樣上。停留數(shù)秒鐘后再扳動手柄2,使轉(zhuǎn)盤順時針方向轉(zhuǎn)動至原來被鎖住的位置。由

33、于轉(zhuǎn)盤上齒輪使扇齒輪13齒條14同時運轉(zhuǎn)而將頂桿頂起，卸除了主載荷。這時指示器指針所指的讀數(shù)即為所求的洛氏硬度值(HRC和HRA讀外圈黑色的C標尺，HRB讀內(nèi)圈紅色的B持標尺)。圖站d帝氏鎖度指示簽黑盤四、實驗材料布氏硬度退火狀態(tài)的低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼洛氏硬度淬火狀態(tài)的低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼五、實驗步驟及注意事項1. 布氏硬度試驗(1) 清理試樣表面。被測表面應是無氧化皮及外來污物的光潔表面，以保證能準確測 量壓痕直徑。(2) 根據(jù)試樣材料及厚度，按布氏硬度試驗規(guī)范選擇鋼球壓頭的直徑載荷大小及載 荷保持時間。(3) 把試樣穩(wěn)固地放在硬度計工作臺上，按布氏硬度計的操作順序進行表面留下一個 壓痕

34、。試驗時，應使載荷均勻平穩(wěn)地垂直施加于試樣的測試表面，不得有沖擊或震動。(4) 移動試樣后重做一次試驗，使試樣表面又留下一個壓痕。為了使實驗結(jié)果精確，相鄰兩壓痕的中心距離； 應不小于壓痕直徑的 4倍；壓痕中心距試樣邊緣的距離不小于壓痕 直徑的2.5倍；壓痕直徑d的大小應在0.24D0.6D范圍內(nèi)；壓痕深度應小于試樣厚度的1/10。(5) 自工作臺上取下試樣，用讀數(shù)顯微鏡在相互垂直方向上測量壓衡直徑，然后計算 其平均值并作好記錄。(6) 根據(jù)壓痕直徑d，查對照表求得各試樣的布氏硬度值。2. 洛氏硬度試驗(1) 清理試樣表面。被測表面應無油脂、氧化皮、裂紋、凹坑、顯著的加工痕跡以及其它外來污物。(

35、2) 根據(jù)試樣材料選擇壓頭及載荷。根據(jù)試樣形狀選擇合適的工作臺。工作臺表面、試樣的支承面和壓頭表面均應清潔。(3) 把試樣穩(wěn)固地放在硬度計工作臺上，按洛氏硬度計的操作順序進行試驗。試驗中 必須保證載荷平穩(wěn)地垂直施加于試樣的測試表面，不得有沖擊或震動。然后有指示器上讀得硬度值并作好記錄。(4) 移動試樣，并在另一位置繼續(xù)進行試驗，兩相鄰壓痕中心距離或任一壓痕中心距試樣邊緣距離一般不得小于3mm。前后共測三點，計算后兩次試驗得出硬度值的平均值，并作好記錄。六 實驗報告(1) 根據(jù)選用的試驗規(guī)范和記錄數(shù)據(jù)填寫下表。 布氏硬度項目及處理狀態(tài)試驗規(guī)范試驗結(jié)果鋼球直徑D ( mm)載荷F(kgf)F/D2

36、載荷停留 時間(s)第一次壓痕直徑d(mm)硬度值HBS項目試驗材料、 及處理狀態(tài)試驗結(jié)果換算成洛氏硬度值第二次平均硬度值HBSHRCHRB壓痕直徑d(mm)硬度值HBS洛氏硬度項目試驗規(guī)范測得硬度值換算成布 氏硬度值HBS試驗材料 及處理狀態(tài)壓頭總載荷F(kgf)硬度標尺第一次第二次第三次平均硬 度值(2) 根據(jù)本實驗中布氏硬度試驗測得的硬度值，分析退火狀態(tài)碳鋼的含碳量與硬度間的 關(guān)系，并畫出其關(guān)系曲線圖。實驗三沖擊試驗一、實驗目的(1) 了解沖擊試驗機的主要構(gòu)造及操作方法。(2) 初步掌握金屬材料韌性的測定方法。(3) 初步建立碳鋼的含碳量于其沖擊韌度間的關(guān)。二、實驗概述一次沖擊彎曲試驗是

37、測定金屬材料韌性的常用方法。它是將一定尺寸和形狀的金屬試樣放在試驗機的支座上， 再將一定重量的擺錘升高到一定高度， 使其具有一定位能， 然后讓擺 錘自由下落將試樣沖斷。擺錘沖斷試樣所消耗的能量即為沖擊吸收功Ak ,Ak值的大小代表金屬材料韌性的高低。 但習慣上仍采用沖擊韌度值 ak表示金屬材料韌性。 沖擊韌度ak是用 沖擊吸收功Ak除以樣式斷口處的原始橫切面積S來表示的。退火狀態(tài)碳鋼的韌性隨著含碳量的增加而下降。三、實驗設備及用品沖擊試驗主要設備和用品為沖擊試驗機和測量試樣尺寸用的游標卡尺。沖擊試驗機有手動和半自動兩種。圖 3-1為手動擺錘式?jīng)_擊試驗機的外形結(jié)構(gòu)。乎瑞!*直或沖擊試驗機一與咲氣

38、塚町L碗a. "IB -.-. oS. L. a ._ .1試驗時先把手柄5撥至“預備”位置，然后將擺錘7稍加抬起并固定后，把試樣放在支 座鉗口 1上，再把擺錘抬到試驗高度，使插銷插入擺軸 6的支槽內(nèi)，待一切準備完畢后，將 手柄由“預備”位置撥至“沖擊”位置，這時擺錘就以擺軸為旋轉(zhuǎn)中心而自由下落。當擺錘沖斷試樣后，其剩余能量有使擺錘向另一方向揚起一定高度，這時將手柄再撥至“停止”位置，使擺捶停止擺動。試樣的沖擊吸收功 Ak值由指針4指示。因為當擺捶自由下落時，待撥針碰到指針時， 又帶動指針一起轉(zhuǎn)動。但當擺捶回擺，撥針反轉(zhuǎn)時，指針停止不動。這時指針在刻度盤3上指出的讀數(shù)，即為試樣所承受

39、的沖擊吸收功值。半自動擺捶式?jīng)_擊實驗機的構(gòu)造原理與手動的基本相同，但擺捶的上揚掛擺下落沖擊和制動等均由電氣機械控制，免去了人工揚擺的勞動。四、沖擊試樣及實驗材料按GB229 84和GB2106-80規(guī)定，沖擊試驗標準試樣有夏比U型缺口試樣和夏比 V型缺口試樣兩種。習慣上前者簡稱為梅式試樣，后者為夏式試樣。兩種試樣的尺寸及加工要求如圖3-2和圖3-3所示。cc hi- o e.圖3-2夏比U型缺口試樣每實驗小組所用的實驗試樣為退火狀態(tài)的低碳鋼中碳鋼高碳鋼沖擊試樣各一根材料分別采用20鋼.45鋼和T12鋼。五、實驗步驟(1) 檢查試樣有無缺陷，試樣缺口部位一般不能劃傷或銹蝕。(2) 用精度不低于0

40、.02mm的量具測量試樣缺口處的斷面尺寸，并記下測量數(shù)據(jù)。(3) 檢查擺捶空打時的指針是否指零(即擺捶自由地處在鉛垂位置時，使指針緊靠撥針并對最大打擊能量處，然后揚起擺捶空打，指針指示零位)，其偏離不應超過最小分度的 1/4。(4) 放置沖擊試樣。試樣應緊貼支座，并使試樣缺口背向擺捶的刀刃，然后用找正樣板 使試樣處于支座的中心位置。(5) 按沖擊試驗機的操作順序?qū)_擊試樣沖斷。(6) 讀出指針在刻度盤上指出的沖擊吸收功Ak值，并做好記錄。(7) 觀察試樣的斷口特征。六、實驗注意事項(1) 在試驗機擺捶運動的平面內(nèi)，嚴禁站人，以防因擺捶運動或沖斷的試樣飛出傷人。(2) 未經(jīng)許可不準隨便搬動擺捶和

41、控制手柄。(3) 在裝置沖擊試樣時， 應將擺捶用支架支住。切不可將擺捶抬高到預備位置，以防擺 錘偶然落下時造成嚴重事故。(4) 當手柄在“預備”位置，擺捶已上揚至預定的試驗高度后，應平穩(wěn)緩慢地將手放開， 并使插銷插入擺軸的槽內(nèi)，以防放手過急而沖斷插銷。(5) 當試樣被沖斷而擺捶尚在擺動時，不能將手柄撥回至“預備”位置，以防插銷的頭 部與擺捶發(fā)生摩擦或插銷有可能插入擺捶的槽內(nèi)而被沖斷。(6) 試樣沖斷時如有卡錘現(xiàn)象，則數(shù)據(jù)無效。七、實驗報告(1) 根據(jù)實驗記錄填寫下表。試驗材料 及其處理 狀態(tài)試驗溫度試樣缺口處斷面尺寸沖擊吸收功Ak（J）沖擊韌性a k(J/cm2)斷口特性高（cm）寬（cm）斷

42、面積（cm2）（2）根據(jù)實驗測得的沖擊韌度值，分析退火狀態(tài)碳鋼的含量與沖擊韌度見的關(guān)系，并畫出 其關(guān)系曲線圖。（2） 實驗中會影響材料沖擊韌度值的因素有哪些？本實驗測得的沖擊韌度值是否精 確？為什么？(3)實驗四鐵碳合金平衡組織分析一、實驗目的1. 觀察和識別鐵碳合金（碳鋼和白口鐵）在平衡狀態(tài)下的顯微組織。2. 了解鐵碳合金的成分、組織和性能之間的對應變化關(guān)系。3. 熟悉金相顯微鏡的使用。二、概述利用金相顯微鏡觀察金屬的組織和缺陷的方法稱為顯微分析；所看到的組織稱為顯微組織。合金在極緩慢冷卻條件（如退火狀態(tài)）下得到的組織為平衡組織。鐵碳合金的平衡組織 可以根據(jù)Fe-C相圖來分析。從相圖可知，所

43、有碳鋼和白口鐵在溫室時的組織均由鐵素體和 滲碳體組成。但由于含碳量的不同，結(jié)晶條件的差異，鐵素體和滲碳體的相對數(shù)量，形態(tài)， 分布和混合情況不一樣，因而將組成各種不同特征的組織或組織組成物，其基本特征如下：1. 鐵素體（F）是碳溶于a Fe中的固溶體，由良好的塑性，硬度較低（HB80120）,經(jīng)35%硝酸酒精溶液浸蝕后，在顯微鏡下呈白色大粒狀。隨這鋼中含碳量的增加，鐵素 體量減少。鐵素體量較多時呈塊狀；當含碳量接近于共析成分時，往往呈斷續(xù)的網(wǎng)狀， 分布在珠光體的周圍。如圖 4-1所示。工業(yè)純鐵的顯微組織20鋼的顯微組織45鋼的顯微組織T10鋼的顯微組織圖4-12. 滲碳體（Cm）是鐵與碳的化合物

44、，含碳量為6.69%，抗浸蝕能力較強。經(jīng) 35%硝酸酒精溶液浸蝕后呈白亮色；若用苦味酸鈉溶液熱浸蝕，則被染成黑褐色，而鐵素體仍為白色，由此可區(qū)別開鐵素體和滲碳體。滲碳體的硬度很高，達HB800以上；脆性很大，強度和塑性很差。經(jīng)過不同的熱處理，滲碳體可以呈片狀、粒狀或斷續(xù)網(wǎng)狀。3. 珠光體（P）鐵素體和滲碳體的共析混合物，有片狀和珠狀兩種。（1）片狀珠光體一般經(jīng)退火得到，是鐵素體和滲碳體交替分布的層片狀組織，疏密程度不同。經(jīng) 35%硝酸酒精溶液或苦味酸溶液浸蝕后，鐵素體和滲碳體皆呈白亮色， 但其邊界被浸蝕呈黑色線條。在不同放大倍下觀察是，組織具有不太一樣的特征。在高倍（600倍以上）下觀察時，珠

45、光體中平行相間的寬條鐵素體和細條滲碳體都呈白 亮色，而其邊界呈黑色（圖4-2 ）。圖4-2中倍（400倍左右）觀察時，白亮色滲碳體被黑色邊界所“吞食”而成為細黑條。這時 看到的珠光體時寬白條鐵素體和細黑條滲碳體的相間混合物（圖4-3）。圖4-3低倍（200倍以下）觀察時，連寬白條的鐵素體和細黑條的滲碳體也很難分辨，這時， 珠光體為黑塊組織（見圖4-1中的確良珠光體）。（2）球狀珠光體共析鋼或過共析鋼經(jīng)球化退火后，得到球狀滲碳體。經(jīng)35 %其邊界為硝酸酒精浸蝕后，球狀珠光體為白色鐵素體基體上均勻分布這白色滲碳體小顆粒,黑圈（圖4-4）。圖4-4根據(jù)鋼的組織，估計出各組織成的相對量，便可利用杠桿定

46、律算出含碳量。4. 萊氏體（L d） 在溫室時是珠光體和滲碳體的混合物。此時，滲碳體中包括共晶滲碳體和二次滲碳體兩種，但它們相連在一起而分辨不開經(jīng)35%硝酸酒精溶液侵蝕后，萊氏體的組織特征是，在白亮的滲碳基本上均勻分布著許多黑點（塊）狀或條狀珠光體（圖4-5）。圖4-5共晶白口鐵圖4-6亞共晶白口鐵萊氏體組織硬度很高，達HB700，性脆。一般存在于含碳量大于2.11%的白口鑄鐵中在某些高碳合金鋼的鑄造組織中也?？梢姟喒簿О卓阼T鐵的組織包括：萊氏體、呈黑粗樹枝態(tài)分布的珠光體及其周圍白亮圈的二次滲碳體（圖4-6）。二次滲碳體與萊氏體中的滲碳體相連，無界線.無法區(qū)別。過共晶白口鑄鐵的組織是：萊氏體

47、和長白條一次滲碳體（圖4-7）圖4-7過共晶白口鐵三、實驗內(nèi)容1觀察表1-1中說列樣品的顯微組織并聯(lián)系鐵碳相圖分析各組織的形成過程。實驗要求觀察的樣品序號樣品名稱狀態(tài)顯微組織浸蝕劑1工業(yè)純鐵退火F4%硝酸酒精20.45 %碳鋼同上F+P同上30.8 %碳鋼同上P同上41.2 %碳鋼同上P+ Fe3C11同上5亞共晶白口鑄鐵鑄鐵P+ Fe3C11+ Ld同上6共晶白口鑄鐵同上Ld同上7過共晶白口鑄鐵同上Ld+Fe3C11同上8未知鐵碳合金退火同上2. 了解金相顯微鏡的大致構(gòu)造和正確使用方法/3繪出所觀察樣品的顯微組織示意圖/4分析未知式樣：指出它是何種鋼或鑄鐵；是什么組織；用杠桿定律估算出大致含

48、碳量，并 通過各種組織組成物的相對含量估算出它的大致硬度（HB）。四、實驗報告要求1寫出實驗目的及實驗簡明原理。2畫出所有樣品的顯微組織示意圖（用箭頭和代表符號標明各組織組成物、并注明材料、放 大倍數(shù)和浸蝕劑）。3根據(jù)所觀察組織，說明含碳量對鐵碳合金的組織和性能的影響的大致規(guī)律。4. 利用杠桿定律確定（或估算）未知試樣的含碳量和大致硬度（HB ）。五、思考題1. 珠光體組織在低倍觀察和高倍觀察時有何不同？為什么？2. 怎樣鑒別0.6%C鋼的網(wǎng)狀鐵素體和 1.2%C鋼的網(wǎng)狀滲碳體？3. 二次滲碳體呈網(wǎng)狀分布時，對鋼材的機械性能有何影響？怎樣才能避免？4. 滲碳體有幾種？它們的形態(tài)有什么區(qū)別？實驗

49、五 鋼的熱處理一、實驗目的1熟悉碳鋼的幾種基本熱處理(退火、正火、淬火及回火)操作方法。2了解含碳量、加熱溫度、冷卻速度、回火溫度等主要因素對碳鋼熱處理后性能(硬度)的 影響。3學會洛氏硬度計的使用。二、概述鋼的熱處理就是通過加熱，保溫和冷卻改變其內(nèi)部組織，從而獲得所要求的物理、化 學、機械和工藝性能的一種操作方法。一般熱處理的基本操作有退火、正火、淬火及回火等。熱處理操作中，加熱溫度、保溫時間和冷卻方式是最重要的三個基本工藝因素，正確 選擇它們的規(guī)范，是熱處理成功的基本保證。1. 加熱溫度(1) 退火加熱溫度對亞共析鋼是Ac3+(3050 C)(完全退火)共析鋼和過共析鋼是Ac+(3050

50、C )(球化退火)。(2) 正火加熱溫度對亞共析鋼是Ac3+(3050 C);過共析鋼是 Accm+(3050 C ),即加熱至奧氏體單相區(qū)。退火和正火的加熱溫度范圍見圖5-1。(3) 淬火加熱溫度對亞共析鋼是 Ac3+(3050 C );過共析鋼是 Accm+(3050 C ),見圖5-2。0 0.2 0.4 0.6 O.S 1.0 12 14»c<K)圖5-1退火、正火加熱溫度圖5-2淬火加熱溫度(4) 鋼淬火后要回火?；鼗饻囟葲Q定于最終所要求的組織和性能(工 廠中常根據(jù)硬度的要求)。按加熱溫度，回火分為低溫、中溫、高溫回火三類。低溫回火是在150250C進行回火，所得組織

51、為回火馬氏體，硬度約為HRC60。中溫回火是在350500C進行回火，所得組織為回火屈氏體，硬度約為HRC3545.高溫回火是在(500650 C)進行回火，所得組織為回火索素體，硬度為約為HRC25 35。高于650C的回火得到回火珠光體，可以改變高碳鋼的切削性能。2. 保溫時間為了使工件各部溫度均勻化，元成組織轉(zhuǎn)變，并使碳化物元全溶解和奧氏體成分均勻一致，必須在淬火加熱溫度下保溫一定時間。通常將工件升溫和保溫索需時間計算在一起，并統(tǒng)稱為加熱時間。熱處理加熱時間必須考慮許多因素， 例如工件的尺寸和形狀、 使用的加熱設備及裝爐量、 裝爐溫度、鋼的成分和原始組織、 熱處理的要求和目的等， 具體時

52、間可參考有關(guān)手冊中的數(shù) 據(jù)。實際工作中多根據(jù)經(jīng)驗估算加熱時間。一般規(guī)定，在空氣介質(zhì)中，升到規(guī)定溫度后的保溫時間，碳鋼按工件厚度每毫米需一分至一分半鐘估算；合金鋼按每毫米兩分鐘估算。在鹽溶爐中，保溫時間可縮短 12倍。3. 法冷卻方熱處理的冷卻方法必須適當，才能獲得所要求的組織和性能。退火一般采用隨爐冷卻。正火（或?；┧捎每諝饫鋮s，大件常進行吹風冷卻。淬火的冷卻方法非常重要。一方面冷卻速度要大于臨界冷卻速度，以保證得到馬氏體 組織；另一方面冷卻速度應當盡量緩慢，以減少內(nèi)應力，避免變形和開裂。 為了調(diào)和上述矛盾，可以采用特殊的冷卻方法，使加熱工件在奧氏體最不穩(wěn)定的溫度范圍內(nèi)（650550 C）快冷，超過臨界冷卻速度，而在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度（300100C ）以下慢冷。理想的淬火冷卻如圖2-3所示