机械制造基础实验指导书-大作业

机械制造基础实验指导书

姓名

班级

学号

南京农业大学工学院机械工程系

机械制造教研室编

2006.10

目录

实验须知 (1)

实验

实验一金属材料的硬度测定 (2)

实验二铁碳合金平衡显微镜组织观察 (3)

实验三铁碳合金非平衡显微镜组织观察 (5)

实验四铸铁金相组织观察 (7)

实验五刀具角度的测量 (8)

附录

附录一 (9)

附录二 (11)

附录三 (14)

附录四 (17)

实验报告

实验报告一 (19)

实验报告二 (21)

实验报告三 (23)

实验报告四 (25)

实验报告五 (26)

实验须知

1. 实验不得无故缺席，否则取消期未考试资格；

2. 实验前认真做好预习，明确实验目的和原理，了解实验内容和步骤，以

及注意事项；

3. 实验过程中必须服从指导教师的指导，严格遵守安全及设备操作规章制

度；

4. 损坏设备、仪器根据情节轻重按学校规定进行全部或部分赔偿；

5. 在实验过程中认真记录好实验数据，实验完毕后，实验数据及结果需经

指导教师认可后方能离开实验室；

6. 实验部分成绩占期末总成绩的10%，即10分；

7. 在考试内容中涉及实验内容部分占20-30%，即20-30分。

实验一 金属材料的硬度测定

一、 实验目的

1. 了解材料硬度测定原理及方法；

2. 了解布氏和洛氏硬度的测量范围及其测量步骤和方法。

二、预习内容

1. 硬度试验的物理意义和工程意义；

2. 布氏硬度和洛氏硬度的原理，适用范围。

三、实验内容和安排 1. 测定HRC

（1）两块钢样品其中一块经淬火处理（测量HRC ），一块经退火处理（测量HB ）； （2）测HRC 所用压头为120?金刚石圆锥，压力为150kg （其中预加压力)100kg P =； （3）用淬火后的样品在洛氏硬度计测三个点的硬度数据，然后将三个数据求平均

值，得出该材料淬火后的HRC 。

2. 测定HB

（1）测HB 所用压头为mm D 10=淬火钢球，压力k P 3000=g （其中预加压力

)100kg P =；

（2）用退火后的样品在布氏硬度计上测1~2个压痕，每个压痕在垂直的两个方向

各测一个直径数值，求该数值的平均查表可得出HB （用内插外推法查表），再将压痕的硬度数值求平均值得出该材料退火后的材料的HB 。（要求每组同学测1~2个压痕直径值）。

3．硬度计的操作见附录一。 四、讨论内容

1. 测量硬度前为什么要进行打磨？

2. HRC 、HB 的试验原理有何异同？

3．HRC 、HB 各有什么优缺点？各自适用范围是什么？举例说明HRC 、HB 适用于哪

些材料及工艺？

4. 试分析硬度试验中产生误差的原因？ （请将解答做在指导书后面的相应实验报告中）

实验二铁碳合金平衡显微镜组织观察

一、实验目的

1.了解金相样品的制备及腐蚀过程；

2. 了解金相显微镜的构造、成像原理，学习金相显微镜的使用方法；

3. 了解铁碳合金在平衡状态下高温到室温的组织转变过程；

4. 分析铁碳合金平衡状态室温下的组织形貌；

5．加深对铁碳合金的成分、组织和性能之间关系的理解；

6．画出常用铁碳合金的组织形貌。

二、预习内容

1. 金相试样的制备过程（见附录二）；

2. 金相显微镜的成像原理（见附录三）；

3. 工业纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢、亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁和过共

晶白口铸铁的平衡结晶过程；

4. 铁素体、珠光体、渗碳体、莱氏体组织的相组成、组织特征、性能特点以及成分范

围。

三、实验内容

1. 了解金相样品的制备过程（阅附录二）；

2. 了解金相显微镜结构，学习使用方法（阅附录三，了解金相显微镜结构，具体使用

在综合实验中进行）；

3. 观察表1中样品的显微组织。

四、实验要求

1. 携带铅笔（2B、1H各一支）和橡皮擦等在实验室中做实验；

2. 用铅笔画表1中任意四个样品的显微组织，每一种样品都各画在一个 30mm的圆

内，并用箭头标出图中各相组织（用符号表示），在圆的下方标注材料名称，热处理状态，放大倍数和浸蚀剂等。

五、讨论内容

1. Fe-C合金平衡组织中，渗碳体可能有几种存在方式和组织形态？试分析它对性能有

什么影响？

2. 铁碳合金的C%与平衡组织中的P和F组织组成物的相对数量的关系是什么？

3. 珠光体P组织在低倍观察和高倍观察时有何不同？为什么？

（请将讨论内容和金相组织画到指导书后面的相应实验报告中）

实验三铁碳合金非平衡显微镜组织观察

一、实验目的

1.掌握碳钢热处理工艺及操作方法；

2.掌握铁碳合金非平衡的组织形态特征；

2. 加深热处理工艺对钢组织和性能影响的理解。

二、实验原理（由学生预习时准备）

1. 过冷奥氏体等温转变产物组织特征和性能特点；

2. CCT图和TTT图的应用；

3. 钢淬火回火时的组织转变、组织特征和性能特点。

三、实验内容

观察表2中样品的显微组织。

表2 Fe-C合金非平衡组织观察样品状态

四、实验要求

1. 携带铅笔和橡皮擦等在实验室观察表2中各种组织；

2. 用铅笔画表2中各种样品显微组织。每一种样品都各画在 30mm的圆内。并用箭

头标出图中各组织（用符号表示）在圆的下方标注材料名称、热处理工艺、放大倍数和浸蚀剂等。

五、讨论内容

1. 碳钢的平衡组织和非平衡组织各有哪些？

2. 实际生产中T12钢在900℃水淬200℃回火是否符合要求？为什么？

3. 45钢淬火后硬度HRC35—40，其组织是什么？造成硬度偏低的原因有哪些？

4. 表2中2、3两种样品组织在形态和性能上有什么差异？

5. 含C量为1.1%的工具钢加热至880℃淬火后发现硬度不足，脆性很大，试分析原

因，并提出改进措施。

（请将讨论内容和金相组织画到指导书后面的相应实验报告中）

实验四铸铁金相组织观察

一、实验目的

1.从组成物和形态上区别白口铸铁与灰口铸铁；

2. 掌握灰口铸铁、可锻铸铁及球墨铸铁中石墨形态的特征；

3. 掌握铸铁的三种不同基体。

二、实验原理（由学生预习时准备）

1. 石黑化进行的不同程度对铸铁显微组织的影响；

2. 石墨的形态差异对铸铁性能的影响；

3. 可锻铸铁和球墨铸铁的形成机理。

三、实验内容

观察表3中所列金相样品的显微组织。

表3 铸铁显微组织观察样品状态

四、实验要求

1. 携带铅笔和橡皮擦等在实验室做实验；

2. 用铅笔画出表3中的1、4、5种显微组织；每一样品都各画在一个 30mm的圆内，

并用箭头标出图中各显微组织，在圆下方标注材料名称、工艺状态、放大倍数和浸蚀剂等。

五、讨论内容

1. 从化学成分、组织、性能说明铸铁与钢的区别。

2. 不同基体的灰口铸铁性能有哪些差别？

3．三种铸铁的使用范围是什么？

（请将讨论内容和金相组织画到指导书后面的相应实验报告中）

实验五刀具角度的测量

一、实验目的

1、加深对课堂讲授内容的理解，帮助掌握车刀切削部分的基本概念和基本定义，使之了解以下几方面的内容：

（1）刀具切削部分的结构；

（2）刀具切削角度的参考平面；

（3）刀具标准角度的参考系；

（4）刀具的标准角度。

2、了解车刀量角台的结构（如图4所示）和使用方法，学会用车刀量角台测量车刀的角度。

二、实验原理及方法

1、利用车刀量角台测量外圆车刀的γ0‘、a0‘、K r、k r′、λs‘

2、利用车刀量角台测量切断车刀的γ0‘、a0‘、K r、k r′、λs、

3、把上面测得的角度分别填入表5-1和表5-2中，

三．实验仪器及材料

1、车刀量角台。

2、90°外圆车刀、75°外圆车刀、切断刀各一把。

3、定位块。

四．实验步骤

1、将车刀量角台指针调到零位，先将75°外圆车刀靠在量角台的定位块上，按顺序测量刀具的几个角度。

2、测量切断刀的角度。

五．分析整理实验数据，写出实验报告

将测得数据分别填入表5-1和表5-2。

附录一硬度计的使用方法

硬度计由机身、主轴杠杆机构、加荷机构、测量指示机构、负荷变换机构及试验台机构等部分组成；

洛氏硬度计可以进行150、100、60公斤等3个级别的负荷试验。在表盘上直接读出试样的洛氏硬度值；布氏硬度计钢球直径为10mm，压力为P=30D2，试样上的压痕需在读数显微镜下测量，然后再计算或查表求出硬度值。

一试验前的准备工作

1.试验前的准备

（1）试样表面应精细制备，使其光滑，不得带有油脂、氧化皮、漆层、裂纹、显著加工痕迹、凹坑和其它污物；

（2）试样表面通常为平面，对于曲面试样，其曲率半径不应小于15mm。

2. 工作台的选择及安装

3. 总负荷的预选：

HRC按表1-1进行预选

HB按表1-2进行预选

表1-2 布氏硬度所用钢球直径、负荷大小与保荷时间的选择

三、注意事项

1. 试验时必须保证所施加作用力与试样表面垂直；

2. 试验过程中加载应平稳均匀，不得受任何冲击或振动；

3. 两压痕间距不能太小，至少大于3倍压痕直径以上；

4. 每个试样试验次数不宜少于3次；

5. 测量布氏硬度时，取下试样后在读数显微镜下测量压痕尺寸。

附录二金相试样的制备

金相样品的制备一般包括取样、镶嵌、磨制、抛光、浸蚀等工序。现简述如下：一、取样和镶嵌

取样部位及观察面的选择，必须根据被分析材料或零件的失效分析特点、加工工艺的性质，以及研究目的等等因素来确定；

进行失效分析研究时，应在失效部位完整地取样；

对于轧材，研究非金属夹杂物的分析和材料表面缺陷时，应垂直于轧制方向（即横向）取样；研究夹杂物的类型、形状、材料变形度、带状组织等时，应平行于轧制方面上（即纵向）取样；

对热处理后的零件，因为组织较均匀可任意选择取样部位和方向；对于表面处理过的零件，在表面部位取样，要能较全面地观察到整个表面层的变化；

取样时要注意方法，要避免因取样导致观察面的组织变化。一般软材料可用锯、车等方法；硬材料可用水冷砂轮切片机场割或电火花线切割；硬而脆的材料则可用锤击；大件可用氧割等；

试样大小一般以手拿操作方便即可（如直径10~15mm，高10mm的圆柱体）。若样品过小（如细丝、薄片）或形大辩论不规则，以及有特殊要求9例如要求观察表面组织），则必须进行镶嵌；

镶嵌方法有：低熔点合金的镶嵌、电木粉镶嵌、环氧树脂镶嵌等，此外还可用夹肯来夹持试样。

二、磨制

软材料粗磨可用锉刀锉平，一般钢铁用砂轮机磨平，打磨时用水冷，以防温度升高引起组织变化；

细磨可用手工磨或机械磨。手工磨是在金相砂纸上研磨。国产金相砂纸按粗到细分为01、02、03、04、05等号。研究磨时依次用01号磨至05号，且每换一号砂纸时将试样转90?（即与上道磨痕方向垂直），以便观察上道磨痕是否被磨去。研究磨软材料时，可在砂纸上涂一层润滑剂，如机测、汽油、甘油、肥皂水等，以免砂粒嵌入试样表面；

为了加快研磨速度，可采用在转盘上贴上水砂纸的预磨机时行机械磨。水砂纸按粗细有200、300、400、500、600、700、800、900号等。用水砂纸盘磨样时，应不断加水冷却。同样，每换一号砂纸时试样用水冲洗干净，也调换90?方向。

三、抛光

为了使磨面成为镜面，细磨后的试样还需进行抛光。抛光有机械抛光、电解抛光、化学抛光等方法，其中使用最广的是机械抛光；

机械抛光在专用抛光机上进行。抛光盘上装不同材料的抛光布（粗抛时常用帆而或粗呢，精抛时沿抛光盘上不断滴注抛光液（水或32O Al ，32O Cr ，MgO 的悬浮液）或在抛光盘上涂极细的金刚石研磨膏。试样磨面应均匀地、平正地压在旋转的抛光盘上。待试样表面磨痕全部消失且呈光亮的镜面时，抛光过程就告结束；

电解抛光是将试样放入电解槽中，作为阳极，用不锈钢板或铅板作阴极，通以直流电流，使试样表面凸起的磨痕被溶解而抛光。化学抛光是依靠化学溶液对试样表面的电化学溶解而获得抛光表面的方法。 四、浸蚀

除观察试样中的某些非金属夹杂物或铸铁中的石墨形态等情况外，金相样品在抛光后还需进行浸蚀处理。

抛光后的试样只有通过浸蚀后才使显策组织显现出来。金相显微镜光源的光线照到试样表面，由于有的组织或是昌界易腐蚀而呈现凹凸不平，表面与入射光线垂直的组织将大部分把光线反射回

去，在显微镜视场中呈白亮状；而有些组织由于表面不垂直

于入射光线，而使许多光线散射掉，只有很少的光线反射回去，在显微镜视场中呈灰暗状。由此明暗不同产生衬度而形成图象。

金属材料的常用化学浸蚀剂见表1。

浸蚀时，可钭试样磨面浸入腐蚀剂中，也可用棉花沾浸蚀剂擦拭表面。浸蚀的深浅根据组织的特点和观察时的放大倍数来确定。高倍观察浸蚀要轻一些。一般待试样表面颜色稍发暗时间即可。浸蚀后用水冲洗，再用洒精清洗，最后用吹用机吹干或用吸水纸、棉花等吸干。

图1 金相显微组织成像原理图

附录三金相显微镜的使用

一、金相显微镜的构造

金相显微镜由光学系统、照明系统和机械系统三部分组成。图2为XJP-2型金相显微镜外型及构造图。

图2 XJP-2、XJP-2A型金相显微镜外型及构造图

光学系统中主要部件是目镜和物镜，它们组合使用，将物象放大，每一个目镜和物镜均有其一定的放大倍数，总放大倍数，总放大倍数为物镜放大倍数与目镜放大倍数的乘积。（有的显微镜由于构造上的特点，尚需乘一个规定的系数），金相显微镜的放大倍数，可以达到1000~2000倍左右。

照明系统主要是光源（灯炮或弧光灯）和反射透镜（平面镜或棱镜）及其装置（如光栏、滤光片、聚光透镜、势过滤器、照相设备等）。

机构系统包括镜架、镜筒、样品台、升降调节等装置。

二、金相显微镜的原理

如图3所示，实物AB置于物镜1的焦点F外侧，由光源经反射镜投射到AB上的光线，被AB反射出来，反射光经物镜1第一次放大，

图3 光学显微镜成像原理图

得到倒立的实象B A ''。显微镜的构造使B A ''位于目镜2与其焦点F '之间，目镜2又将实象B A ''进行第二次放大得到与B A ''方位相同的虚象B A ''''。我们在显微镜中观察到的就是与实物方位相反（倒立）的经两次放大的虚象B A ''''。

XJP-2型金相显微镜光学系统见图4。

图4 XJP-2、XJP-2A 型金相显微镜光学系统图

由光源发出的光线，经过平面镜或棱镜反射，光线通过物镜到达试样表面，再由试样表面反射回来，又通过物镜到达人眼，一小部分光由于不能完全反射回来，而散失于物镜之外。反射回来的光又通过物镜到达平面镜，其中一部分并透过平面镜到达目镜，被观察到。

由图可见，由于平面镜能使物镜在整个视场起作用，适宜于高倍检验，但平面镜反射和透射光线时光线损失很大，因此亮度不足，而使用棱镜光线损失，适合于低倍及照相，然而棱镜只有一半入射光线，另一半产生物象，而且光线斜射，显出突出暗线。 三、金相显微镜的使用与维护

金相显微镜属于精密仪器，使用时务必小心谨慎，在操作前须熟悉其构造，原理及

各零部件的作用，相互关系，切不可随意乱动乱折。

1、操作步骤：

（1）根据要求的放大倍数，选择物镜和目镜的倍数，将所选物镜和目镜安装于显微镜上；

（2）安装是照明装置，先将显微镜光源插头接变压器，再将变压器插入电源插座。（切不可将显微镜光源插头直接插入电源插座！！否则光源灯泡烧毁）；

（3）拧动镜架上的粗调手轮，将物镜抬高，把试样置于样品台上，对准物镜，检查调节滤光片、光圈、反射镜的位置，使样品台上有一明亮的小圆光点；

（4）拧动镜架上的粗调手轮，使物镜接近试样表面（切勿触及！！）

（5）从目镜观察，同时拧粗调手轮，使物镜由紧挨着样品表面开始慢慢向上，（切不可拧反方向，使物镜压到样品表面上，造成物镜破碎）。调到亮度最大附近就出现模糊现象，然后拧动镜架上的微调手轮，即可得清晰的物象；

（6）观察时，最好不要紧闭一眼，否则容易疲劳，若长时间观察眼睛感觉疲劳，可稍加休息再看；

（7）观察完毕或另换试样时务须将镜筒上提，时物镜抬高，然后取下或更换试样；

（8）显微镜用毕，切断电源，目镜置于镜盒中，套上目镜罩，用干净毛巾或显微镜罩将显微镜盖好。

2、维护注意事项：

（1）安装，换取物镜、目镜时，切勿使镜头触及硬物，切不可失手跌落，严禁用手、毛巾、手绢、棉花或一般纸张去擦拭镜头，镜头上若有赃物油污，必须用特制的擦镜纸轻轻擦拭；

（2）显微镜光源为低压电灯，必须使用固定的变压器，不得直接接220V电源；

（3）要熟悉镜筒、样品台升降手轮的拧动方向，拧动时不要用力过猛，拧不动了是拧到头了，应反向拧回，不可粗暴用力；

（4）显微镜出现故障，应立即报告指导老师或实验人员，不得擅自拆卸部件；

（5）不能将浸蚀后未冲洗、冲洗后未干燥的样品置于样品台上，以免显微镜头、样品台等受浸蚀。

附录四 车刀量角仪的结构原理及使用方法

图5所示为SJ34型车刀量角仪。它能测量各类型车刀的任意剖面中的几何角度。其结构与工作原理及使用方法如下：

立柱2上有三条间隔90°且铅垂的V 形槽，靠近顶部有一条水平的圆环V 形槽。滑块3可轻便地沿立柱2上下移动。通过调节滑块3中钢珠的弹簧压力（钢珠被压在立柱2的V 形槽中），能保持装在滑块3上的小扇形刻度盘4、大扇形刻度盘6、测量片7等零件停留在任意高度位置上，且不需要锁紧。当滑块3向上移动到顶端时，钢珠落入圆环V 形槽中，滑块3即可自由转动，以供选择合适的测量工作位置。由于有三个相互垂直的测量工位，使测量角度时调整极为方便。特别要注意的是：滑块3只有上移到顶端时才可转位，否则钢珠将会拉毛立柱2的表面。

被测车刀放在转盘8的载刀台（在旋钮11大两侧各有一个载刀台）上贴紧相互垂直的两个承刀面上，可将其在转盘座10上回转或在底座1及滑板9上纵、横向平移，并调整滑块3的位置，以使被测车刀的被测面或被测刀刃能与测量片7接触。这样，可分别测得在主剖面坐标系内的被测车刀的偏角、前角、后角和刃倾角。

若调整转盘8，使转盘8的指示针在转盘座10的刻度盘上所指示的数值为零，并用

图5 车刀量角仪

1—底座 2—立柱 3—滑块 4—小扇形刻度盘 5—小转盘 6—大扇形刻度

盘 7—测量片 8—转盘 9—滑板 10—转盘底 11—旋钮 12—旋钮

旋钮11锁紧。利用两个测量工位先后测量，可较方便地测量进给剖面与切深剖面中的被测车刀的前角和后角。

若将大扇形刻度盘6旋转一个刃倾角，并用旋钮12、13锁紧(旋钮13图中未表示)。使测量片7的测量面（即测量片的两铅垂大平面）处于主切削刃垂直的方位，按前述的测量方法即可测得法向剖面中的被测车刀的前角和后角。

使用车刀量角仪时，零部件的调整应轻而缓慢。特别是向下调整滑块3时，一只手的食指和中指应在滑块3的下部用力夹住立柱2，另一只手向下缓慢移动滑块3。以避免因滑块3快速下移而产生的测量片对转盘8、转盘座10、底座1和被测车刀等的冲击，从而造成测量片7的损坏及人身事故。