熱處理綜合實驗

湖南科技大學

金屬材料專業(yè)綜合實驗

題目綜合實驗（2）

作者

學院機電工程學院

專業(yè)金屬材料工程

學號

指導教師

二。一二年六月十日

實驗一熱膨脹系數測試

一、實驗目的：測定在高溫狀態(tài)金屬材料，陶瓷，釉料，耐火材料以及其他非金

屬材料在受熱焙燒過程中德熱膨脹和受挫性能，也適用于GB1T3810.8-2006對陶

瓷磚線性熱膨脹的測定。

二、實驗儀器：RPY、ZRPY—1400系列熱膨脹系數測定儀（該儀器是用于測定

在高溫狀態(tài)金屬材料?，陶瓷、釉料、耐火材料以及其它非金屬材料在受熱焙燒過

程中的膨脹和收縮性能，也適用于GB/T3810.8-2006對陶瓷磚線性熱膨脹的測

定。）

三、主要技術參數：

RPY、ZRPY系列熱膨脹系數測定儀

2.主要技術參數：

A.最高爐溫：1400℃

B.升溫速度：2.5小時可達最高溫度，可程序升溫，可根據需要手動調節(jié)

C.電源電壓：220V±10%,50Hz

D.最大功耗：2.0kw

E.位移測量誤差：^0.01mm

F.溫度記錄值誤差：土1C

G1600c復樣幅差：膨脹率&W0.036%,膨脹系數aW0.25X10競

1、ZRPY智能膨脹儀自動控溫，記錄，存儲，打印數據，打印溫度-膨脹系數曲

線，所有試驗操作均由計算機界面完成，操作方便并提供全套軟件。

四、儀器的組成及原理：

物體的體積或長度隨溫度的升高而增大的現象稱為熱膨脹。熱膨脹系數是材

料的主要物理性質之一，它是衡量材料的熱穩(wěn)定性好壞的一個重要指標。在實際

應用中，當兩種不同的材料彼此焊接或熔接時，選擇材料的熱膨脹系數顯得尤為

重要，如玻璃儀器、陶瓷制品的焊接加工，都要求二種材料具備相近的膨脹系數。

在電真空工業(yè)和儀器制造工業(yè)中廣泛地將非金屬材料（玻璃、陶瓷）與各種金屬

焊接，也要求兩者有相適應的熱膨脹系數；如果選擇材料的膨脹系數相差比較大,

焊接時由于膨脹的速度不同，在焊接處產生應力，降低了材料的機械強度和氣密

性，嚴重時會導致焊接處脫落、炸裂、漏氣或漏油。如果層狀物由兩種材料迭置

連接而成，則溫度變化時，由于兩種材料膨脹值不同，若仍連接在一起，體系中

要采用一中間膨脹值，從而使一種材料中產生壓應力而另一種材料中產生大小相

等的張應力，恰當地利用這個特性，可以增加制品的強度。因此，測定材料的熱

膨脹系數具有重要的意義。

儀器由傳感裝置，電爐火，小車，基座，電器控制柜五部分組成，電驢升溫

后，爐膛內的試樣發(fā)生膨脹，頂在試樣端部的測試桿產生與之等量的位移量（如

果不計系統(tǒng)的熱變形量的話）。這一位移量由電感位移計精確地測量出來，并由

位移顯示。

為消除系統(tǒng)熱變形量對測試結果的影響，在計算中需加上相應的補償值才是

試樣的真實膨脹值才是試樣的真實膨脹值C

1、傳感裝置中德測試桿一端頂著試樣，端連著電感位移計鐵芯，試樣的另一

端頂在固定的試樣擋板上，因而試樣在此端的自由度被限制了，所以試樣的膨脹

將引起位移傳感器的鐵芯相應的位移。

2、試樣裝在試管中固定不動，進出爐膛靠移動電阻爐來實現。這樣避免了試

樣受到振動。電阻爐膛裝在小車上，小車可在基座導軌上移動。

3、電氣部分。電驢采用硅碳棒發(fā)熱，爐溫測定采用相應熱電偶及溫控儀。

五、實驗結果分析:

溫度/戰(zhàn)整版系數

20

18

(

9

2

X

)

I一線弊賬系數］

溫度(r)

如圖所示，線膨脹百分率隨著溫度的增加增大。基本上是呈線性關系。體膨張系

數與溫度的關系：開始時體膨脹系數增加的比較快，過一段時間后增加的比較慢,

然后區(qū)于平穩(wěn)。

實驗二樹脂導熱系數測試

一、實驗目的：測試樹脂材料的導熱系數

二、實驗原理：

1.導熱系數

根據1882年傅立葉(J.Fourier)建立的熱傳導理論，當材料內部有溫度梯

度存在時，就有熱量從高溫處傳向低溫處，這時，在力時間內通過dS面積的熱

量"Q,正比于物體內的溫度梯度，其比例系數是熱導系數，即：

dQdT.

=-X——dS(1)

dtdz

式中華為傳熱速率，《是與面積dS相垂直的方向上的溫度梯度，負號表示熱

dtdz

量從溫度高的地方傳到溫度低的地方，2是導熱系數。國際單位制中，導熱系數

的單位為一小?口。

2.用穩(wěn)態(tài)平板法測不良導體的導熱系數

設圓盤P為待測樣品，如圖1所示，待測樣品P、散熱盤B二者的規(guī)格相同,

厚度均為人、截面積均為S（S二號,。為圓盤直徑），上下兩面的溫度為（和

心保持穩(wěn)定，側面近似絕熱，則根據（1）式可以知道傳熱速率為：

也一ZLzZLs=%ZlzZLs（2）

dthh

為了減小側面散熱的影響，圓盤P的厚度/?不能太大。由于待測圓盤的L下

表面的溫度（和心是用加熱盤A的底部和散熱盤B的頂部的溫度來表示的，所以

必須保證樣品與加熱盤A和散熱盤B緊密接觸。

溫度方

所謂穩(wěn)態(tài)法就是獲得穩(wěn)定的溫度分布，這時溫度十和八也就穩(wěn)定了。當著和

心的值穩(wěn)定不變時，這時可以認為通過樣品P的傳熱速率與散熱盤B在溫度為5

時的散熱速率相當。為了求出這時的傳熱速率，可以先求散熱盤在溫度7；時的散

熱速率。實驗中，在讀得穩(wěn)定的T和7?時，即可將樣品移去，然后將加熱盤A

與散熱盤B直接接觸，當B盤的溫度上升了大約10℃后，將加熱盤A移開，讓B

盤自然冷卻，每隔一定的時間間隔采集一個溫度值，由此求出銅盤B在溫度，附

近的冷卻速率。由于物體的冷卻速率與它的散熱面積成正比，考慮到銅盤散熱時,

其表面是全部暴露在空氣中，即散熱面積是上、下表面與側面，而實驗中達到穩(wěn)

態(tài)散熱時，銅盤的上表面卻是被樣品覆蓋著的，故需對散熱速率加以修正。修正

后，銅盤P的散熱速率為：

（考■+血2）

dQ心(3)

dt（與+孫）dt

這里隼表示在自然冷卻時的散熱速率，它和冷卻速率￡之間的關系為:

4Q金dT

=me——(4)

dtdt

相和。分別為待測樣品的質量和比熱容，根據（2）（3）（4）式，可以求出導熱

系數的公式為:

(2+?

A=meh-----------------(5)

或+〃)UM)dt

式中，，小。、。、爪TP北，都可由實驗測出準確值，由此可見，只要求出竺,

~dt

就可以求出導熱系數2。

根據熱電偶的工作原理，熱電偶是將一定的溫差轉化為電動勢而顯示出來:

Ex必7(6)

這里a為溫差系數，根據上面式子可以知道

7＞心」出_4)

(a)

a

(7)

dT1dE

—=............,?(3

dtadt

將（7）式代入（5）式，得到

(1+h)

dE

A=meh--------------------(8)

dt

+h)(E]-E2)

三、實驗儀器及說明：

1、儀器:DRLTI導熱系數測試儀

2、儀器概述：本儀器主要測試薄的熱導體、固體電絕緣材料、導熱樹脂、氧化

鍍瓷、氧化鋁瓷等陶瓷導熱系數測定。儀器參考標準：MTL-I-49456A（絕緣片材、

導熱樹脂、熱導玻纖增強）；GB5598-85（氧化鍍瓷導熱系數測定方法）；D5470-95

（薄的熱導性固體電絕緣材料傳熱性能的測試標準）等。DRL-H導熱系數測定

儀以穩(wěn)定導熱原理為基礎，在穩(wěn)定狀態(tài)下，單向熱流垂直流過試樣，通過測量試

樣上下兩表面的溫度，有效傳熱面積和厚度，即可計算試樣的導熱系數。儀器主

要用于測試薄的熱導體、硅膠、硅橡膠、固體電絕緣材料、導熱硅膠、導熱樹脂、

氧化鍍瓷、陶瓷基片、其他鋁基片、陶瓷基板、氧化鋁瓷等材料的導熱系數。儀

器參考標準：MIL-I-49456A(絕緣片材、導熱樹脂、熱導玻纖增強)；GB5598-85

(氧化鍍瓷導熱系數測定方法)；ASTMD5470-2006(薄的熱導性固體電絕緣材料

傳熱性能的測試標準)等。

四、DRL-II導熱系數測定儀主要參數

2、主要參數

A、試樣大?。褐睆叫∮?0mm

B、試樣厚度：0.02—10mm

C、溫度范圍：40-150℃,最高溫度可達500℃

D、真空度:0.15Pa

E、測試范圍：0.015—40W/mk

F、可連接上位機實際計算機自動測試，并實現數控打印輸出

G、電源：220V/50HZ

H、測定范圍：優(yōu)于1%

五、實驗結果分析：

序導熱系

平均溫熱面溫度冷面溫試樣厚度熱阻

號試樣名稱數

度(℃)(℃)度(℃)(mm)(km2/w)

(W/mk)

1樹脂48.60056.4040.803.0000.0340.08823

249.30057.0041.603.0000.0350.08571

348.85056.6041.103.0000.0460.06522

440.0056.741.33.0000.0340.08823

3.000

本次實驗采用的是樹脂材料，儀器的設定溫度為120C。儀器顯示溫度分別為上

熱極，試樣上表面，試樣下表面和下熱極。試樣的厚度為3rnm,試樣的截面積為

706.858mm。結合分析，試樣的導熱系數為0.034w/mk。

實驗三摩擦磨損實驗

一、實驗目的：測量材料運行時的摩擦磨損。

二、實驗設備：HRS-2M型高速往復摩擦實驗機

三、工作原理：本試驗機適用于材料和零部件表面的摩擦磨損測試。載荷范圍寬、

滑動速度可調，能夠準確地檢測材料的摩擦系數、磨痕深度、表面輪廓和耐

磨性，有針對性地對材料或零部件的潤滑特性、表面處理及材料特性做出評

估。

四、主要技術參數

HRS-2M型高型往復摩擦實驗機

序號項目技術指標

1載荷范圍1N?200N（100g?20kg）精度：0.IN

2往復滑動頻率3?50Hz（最高:3000次/min）

3滑動長度0.5?25mm（最長30mm）

4樣品尺寸①5?60nlm(最大直徑：①100mm,高度：60mm)

5樣品厚度0.5mm~30mm

6摩擦系統(tǒng)測量精度0.2%FS（滿量程）

7磨痕深度測量范圍±lnun精度：0.lMm

(1)1000g摩擦力傳感器(1N-10N)

8選配件

(2)樣品加熱爐(室溫?300℃)

樣品要求：金屬或非金屬塊體材料、涂層等

五、實驗原理：實驗壓力F=1ON400次/min時間20min

運行長度5mm

影響u的因素：壓力和速度。

實驗磨損三階段：跑合，穩(wěn)定、劇烈

載荷傳感器規(guī)格200N

根據摩擦系數的公式摩擦力為摩擦系數和載荷的乘積。

六、實驗步驟:

首先調零、摩擦力1=0載荷1=0

摩擦力2二0載荷2=0

其次：啟動運行

七、結果分析

Cu-film-H-7S0r-Fe(e操系數測定

I—厚與系聚|

Cu-film-14-660r-Fe摩擦系數測定

——iturftt

磨損形式有磨料磨損、粘著磨損、接觸疲勞磨損、微動磨損、氣蝕等。然而在實

際運轉條件下往往不止出現一種磨損形式，例如大功率柴油機軸瓦可能同時出現

粘著磨損和氣蝕。與其他試驗相比，磨損試驗受載荷、速度、溫度、周圍介質、

表面粗糙度、潤滑和偶合材料等因素的影響更大。試驗條件應盡可能與實際條

件一致，才能保證試驗結果的可靠性。

一般地說，金屬材料摩擦副在大氣中干摩擦時，輕載下，摩擦系數隨載荷的

增大而增大，因為載荷增大將氧化膜擠破，導致金屬直接接觸。不少的實驗也證

明，通常金屬在滑動中，摩擦系數隨載荷的增加而減小。這是因為真實接觸面積

的增大不如載荷增加得快。因此載荷的影響需要根據研究對象的實際工況來分

析。

一般情況下，摩擦系數隨著滑動速度增加而升高，超過一極大值后，又隨滑

動速度的增加而減少。當速度增大時，摩擦系數通過一個最大值，當壓力增大時,

該最大值對應于較小的速度值?；瑒铀俣葘δΣ料禂档挠绊?，主要是摩擦引起溫

度的變化所致C滑動速度引起的發(fā)熱和溫度的變化，改變了摩擦表面層的性質和

接觸狀況。因而摩擦系數必將隨之變化。

實驗四衍射實驗

一、實驗目的：1.了解X射線衍射儀的結構及工作原理

2.熟悉X射線衍射儀的操作

3.掌握運用X射線衍射分析軟件進行物相分析的方法。

實驗儀器本實驗使用的儀器為：XD-3X射線衍射儀1.XD-3X射線衍射儀。

二.主要技術參數：

A.測角儀掃描半徑：180mm,掃描方式：0/2。或0/0,掃描軸：水平

B.測角儀角度重現性:0.0006度

C.X射線發(fā)生器kY、mA穩(wěn)定度:優(yōu)于0.01%

D.X射線發(fā)生器額定功率：3kW

E.北京普析通用儀器有限責任公司

三、實驗原理：晶體結構可以用三維點陣來表示。每個點陣點代表晶體中的一個

基本單元，如離子、原子或分子等?？臻g點陣可以從各個方向予以劃分，而成

為許多組平行的平面點陣。因此，晶體可以看成是由一系列具有相同晶面指數的

平面按一定的距離分布而形成的。各種晶體具有不同的基本單元、晶胞大小、對

稱性，因此，每一種晶體都必然存在著一系列特定的d值，可以用于表征不同

的晶體。X射線波長與晶面間距相近，可以產生衍射。晶面間距d和X射線

的波長的關系可以用布拉格方程來表示2dsinO=nX根據布拉格方程，不同的晶

面，其對X射線的衍射角也不同。因此，通過測定晶體對X射線的衍射，就

可以得到它的X射線粉末衍射圖，與數據庫中的己知X射線粉末衍射圖對照

就可以確定它的物相。

四、實驗步驟：

1.樣品制備將待測粉末樣品在試樣架里均勻分布并用玻璃板壓平實，使試樣面

與玻璃表面齊平

2.測試第一步：開機

1打開墻體及主機電源，并按卜主機啟動校鈕。

2打開冷卻循環(huán)水系統(tǒng)開關，使冷卻水電導率在3以內，水溫在20-24

度范圍內。

3按下控制面板上的開真空按鈕，使真空度降至150mV以下。

4打開控制柜開關

5打開電腦，在軟件控制程序中開啟X射線后執(zhí)行預熱至需要功率預

熱時間為1-1.5小時。

第二步：裝樣將裝有待測粉末樣品的試樣架放置在測角儀中心的樣品架上

第三步：測量在電腦軟件控制中，打開測量控制程序，設定實驗參數如下表：

StartStopSamplingScanDivDivH.SetkVmARecslitangleangleW.speedSlitL.

SlitSlit20.00080.0000.02010.000401001deg.10mm1deg.0.15mm設定好參數

后，單擊執(zhí)行開始測量。測量結束后，保存數據以待分析。

第四步：關機

1利用軟件控制程序，將管電壓和管電流調至36kV.40mA后，關閉X射

線。關閉電腦。

2關閉控制柜開關。

3關閉真空系統(tǒng)。

4關閉X射線30min之后關閉冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的開關。

5關閉電源，實驗結束。

五、實驗結果分析:

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