工程材料2011[1][1].2

工程材料及机械制造基础(Ⅰ) 实验指导书机械与电子工程学院机械基础实验室2011年2月目录实验一：金属材料的机械性能－硬度实验二：铁碳平衡组织的分析附录一金相显微镜的使用附录二金相试样的制备实验三：综合性实验实验规则1. 实验前按实验指导书有关内容进行预习，了解本次实验的目的、要求。

2. 按规定的时间到实验室。

除与本次实验有关的书籍和文具外，其它物品不得携入室内。

3. 实验室内保持整洁、安静，严禁吸烟，不准乱扔杂物，不准随地吐痰。

4. 开始实验之前，应在教师指导下，对照实验仪器，了解它们的结构、调整和使用方法。

5. 作实验时，须经教师同意方可使用仪器。

在接通电源时，要特别注意仪器所要求的电压。

实验中要严肃认真，按规定的操作步骤操作，记录数据。

操作要仔细，切忽用手触摸仪器的工作表面和光学镜片。

6. 要爱护实验设备，节约使用消耗材料。

若仪器发生故障，应立即报告教师进行处理，不得自行拆修。

7. 凡与本次实验无关的仪器设备，均不得动用触摸。

8. 实验完毕，切断仪器电源，清理实验场地，将所用的实验设备整理好，放还原处，认真书写实验报告。

经教师同意后，方可离开实验室。

9. 凡不遵守实验规则者，经指出不改正者，教师有权停止其实验。

如情节严重，对实验设备造成损坏者，应负赔偿责任，并给予处分。

实验报告内容和要求学生对所作的实验应该做到原理清楚，实验方法及操作步骤正确。

实验数据比较可靠，而且会处理实验数据，会查阅相关资料。

实验报告应由每个学生个人独立完成，用钢笔或圆珠笔（图可用铅笔）书写。

报告内容要层次清楚，文字简明通顺，图、表清晰。

实验报告的一般内容如下：1. 实验名称；2. 实验目的；3. 实验设备（名称、测量范围），实验材料等；4. 实验原理；5. 实验数据；6. 实验结论；7. 认真回答实验思考题。

实验一： 金属材料的机械性能－硬度一、硬度的概念所谓硬度是材料对一更硬物体压入其内时所表现的抵抗力。

硬度计在生产和科研中应用十分广泛，这是由于硬度试验与其他机械性能试验如拉伸、弯曲试验等比较，具有下列特点：(1)试验后工件不被破坏；2)可以在各种形状和尺寸的试件上进行试验，不需要特别试样； (3)试验方法简单，操作方便，测量迅速；(4)材料的硬度值与其强度极限有近似的正比关系：σb=KHB(MPa)式中K 为一系数，不同的材料和不同的热处理状态其k 值不同。

例如碳钢的K 值为3．6，调质状态的合金钢为3．4，铸铝为0.26。

常用的硬度试验方法有：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度。

二、布氏硬度计 1．基本原理如附图1—l 所示，用截荷P (N)，将直径为 D (mm)的淬火钢球或硬质 合金球压入试件表面，并保持一定时间，而后卸除截荷，测出压痕直径"d (mm)，求得压痕球形面积F ，单位压痕面积上所承受的平均压力(P ／F)的大小，定义为试样的布氏硬度。

附图1－1 布氏硬度试验原理 )(2102.022d DD D PF P HB --⨯==π (1-1)在P 和D 一定的情况下，布氏硬度值的高低取决于压痕的直径d ，d 越大，表明金属的变形抗力越低，HB 值越低，反之硬度高。

由于压头的材料不同,布氏硬度用不同符号表示，以示区别。

当压头为淬火钢球时，其符号为HBS(适用于布氏硬度值在450以下的材料)，当压头为硬质合金球时，其符号为HBW(适用于布氏硬度值为450～650的材料)。

符号HBS 或HBW 之前的数字为硬度值，符号后面的数值依次表示球体直径，载荷大小及载荷保持时间，用以表示试验条件(保持时间为10～15s 的，可不标注)。

例如150HBSl0／1000／30，即用10mm 淬火钢球在9．81kN(1000kgf)载荷作用下，保持30s ，测得的布氏硬度为150。

在测定软硬不同材料或厚薄不一工件的布氏硬度值时，必须选用不同大小的载荷P 和球体直径D 。

在这种情况下，为了收到统一的、可以相互比较的 硬度值，必须使压痕的形状遵守相似原理，即当用不同直径D 1和D 2的球体，在不同的载荷P 1和P 2作用下压入同一种金属表面时，应使两个 压痕的压入角相等，如附图1-2所示。

由图可见d=Dsin2ϕ(1-2)PP钢球钢材D钢材附图1-2 压痕相似原理代入（1-1）式得：)2s i n 11(22ϕπ--=D P HB （1-3）由（1-3）可见，只要压入角ϕ不变，2DP 为定值，则对同一材料来说，布氏硬度值是相同的；而对不同材料，所得布氏硬度值是可进行比较的。

根据国家标准(GB231—8．4)规定，2DP 值有7种。

主要根据试样材及其硬度和厚度按附表1-1来选择球体直径D 、载荷P 载荷保持时间。

附表1-1 布氏硬度试验规范金 属 类 型布氏硬度范围(HB)试件厚度 (mm) 负荷P 与压头直径D的关系钢球直径D(mm) 负荷P ⊗)(N载荷保持时间(秒)黑 色 金 属 140—4506—3 4—2 <2 P ＝302D10.0 5.0 2.5 30000 7500 1875 10黑 色 金 属<140>66—3 <3P ＝302D10.0 5.0 2.5 30000 7500 1875 30有 色 金 属31.8—1309—3 6—3 <3 P ＝102D10.0 5.0 2.5 10000 2500 625 30有 色 金 属8—35>6 6—3 <3P ＝2.52D10.0 5.0 2.52500 625 15660注：⊗1Kg=9.80665N 10≈试验后，压痕直径应在0．25D<d<0．6D 的范围内，否则试验结果无效。

此时应考虑换用其他载荷重作试验。

这是因为若d 值太小，灵敏度和准确性将降低，若d 值太大，压痕的几何形状不能保持相似的关系，影响结果的准确性。

布氏硬度的压痕较大，对零件表面质量有影响；操作较麻烦，不能直接读数。

布氏硬度广泛用于试验各种退火状态下的钢材、铸铁、有色金属等，也用于试验经调质处理的机器零件。

2．布氏硬度计的构造及操作附图1—3所示，为布氏硬度计的机构，钢球a 受载荷g 的作用而压进试样b 内，试样放于载物台c 上，载荷经一系列杠杆系统传达到钢球上，曲柄d 连杆h 是用来控制加荷或去荷的，其运动由电动机e 通过蜗杆减速器f 控制。

在曲柄上装有一套换向开关，控制加荷时间。

a 一压头钢球 e 一电动机；b 一试样 f 一蜗杆减速器c 一载物台 e 一载荷砝码d 一曲柄 h 一连杆附图1—3 布氏硬度计机构示意图目前采用较多的是HB-3000型布氏硬度计，其操作方法如下：①安装压头与载物台；②选择载荷：按附表1—1选择载荷。

载荷吊架为1875N(187．5kgf)。

若加上625N (62．5kgf)砝码就形成2500N(250kgf)载荷；再加上5000N(500kgf)砝码便形成7500N (750kgf)载荷，依此类推；○3选择载荷的保持时间：载荷保持时间长短按附表1—1规定。

在操作盘面上时间12秒、30秒或60秒相对应④将试样用砂轮磨平上下两表面后，置于载物台上；⑤正式试验：首先打开电源开关，电源指示灯发亮。

转动手轮使试件与压头接触。

然后启动按钮开关，直至自动停止为止。

从加荷指示灯燃亮到熄灭为全载荷保持时间；⑥确定试验结果：试验结束后，转动手轮取下试样，用读数显徼镜测量试样表面前压痕直径，从相互垂直方向各测一次(见附图1—4)，取其平均值，用该值查表，(见附表1—3)即得试样硬度值。

三、洛氏硬度计1基本原理洛氏硬度法是采用金刚石圆锥体(锥角为1200)和附图1—4 布氏硬度压痕测量图采用淬火钢球(直径为1．588毫米)做压头。

一般较硬的金属材料(如淬火后的工件)用金刚石压头；较软的金属材料则用钢球做压头。

如附图4—6所示，压头压入金属表面时，分两次(附图加载。

先加98N(10kgf)的初载使压头与试样的表面接触良好，此时，压痕深度为h11-5a)，然后加1372N(140kg／)的主载荷，这时总载荷(初载荷+主载荷)为1470N(150kgf)，而压痕的深度增加到h位置(附图1—5b)，然后将主载荷卸除，由于主载荷所产生的弹性变形2即行恢复，使压头回升一段距离，此时压痕深度为h(附图1-5(c))。

在初载荷继续作用下；由主载荷引起的残余压痕深度L=h-h1，可作为测量硬度的依据。

(a) (b) (c)附图1-5 洛氏硬度试验原理如果直接以压痕深度L大小作计量指标，则会出现硬金属的硬度值小，而软金属的硬度值反而大的现象，这不合人们的习惯。

因此用一个选定的常数K来减去所得压痕深度度值L作为洛氏硬度的指标，即HR=K—L。

当以钢球为压头时，K=0.26; 以金刚石圆锥体为压头时，K＝0.2，此外，在读数上又规定以压入深度0.002毫米作为标尺刻度的一格，这样前者的0.26常数相当于130格，后者的 0.2常数相当于100格，因此洛氏硬度值可由下式确定： HRB=130-002.0L (红色表盘) HRC=100-002.0L (黑色表盘)HRB 取o ．26作为常数的原因，是因为HRB 是测定较软的金属材料的，试验时有的压痕深度可能蚂过o ．2毫米以上，若取o ．2作为常数时，硬度将会得负值，为此常把常数取得大些。

根据所用的压头和载荷的不同，洛氏硬度有几种硬度符号，常用的有HRA ，HRB ，HRC 等，如附表1—2。

附表1-2 常用洛氏硬度值的符号，试验条件和应用硬度符号压头总载荷 N （kgf ） 表盘上刻度 颜色 常用硬度范值围应用举例 HRA 金刚石圆锥 600（60）黑色70—85碳化物. 硬质合金.表面淬火钢等 HRB 钢球 1000（100） 红色 25—100 软钢.退火钢.铜合金.铝合金.调质钢等HRC金刚石圆锥1500（150）黑色20—70淬火钢. 调质钢等洛氏硬度法克服了布氏硬度法的缺点，它的压痕小，可测量高硬度，可直接读数，操作方便，效率高。

洛氏硬度应用范围很广，可用于试验各种钢铁原材料、有色金属；、经淬火后高硬度工件、表面热处理工件及硬质合金等。

2．洛氏硬度计的构造及操作洛氏硬度计类型较多，外形构造也各不相同，但构造原理及主要部件相同。

附图4—7为洛氏硬度计机构示意图。

利用杠杆传递压力，一方面将重锤压力加至受试的材料上：另一方面利用杠杆把受试材料的压痕深度传递到读数百分表上，能直接读出硬度的数值。

硬度计的外形构造根据实物所示，其操作方法；a 一压头 e 一表盘b 一载荷砝码 f 一缓冲装置c 一主杠杆 g 一载物台 d--测量杠杆 h--升降丝杆附图4-7 洛氏硬度计机构示意图①按附表4—2选择压头及载荷。

②按试样形状、大小选用载物台，然后将试样上下两面磨平，置于载物台上。