工程材料与材料成型基础
实 验 指 导 书
沙 洲 工 学 院
机 电 工 程 系
2005年10月
实 验 守 则
制定本守则，旨在使学生注意爱护实验设备、掌握正确的实验方法和认真进行实验操作，保证实验质量。
实验前按实验指导书有关内容进行预习，了解本轮各个实验的目的、步骤及注意事项。
按时上实验课，无故缺课的学生其实验成绩以零分计算。
3、进入实验室，衣着整齐。除与本轮实验有关的书籍和文具外，其他物品不得携入室内。实验室内保持整洁、安静，严禁吸烟，不准乱扔纸屑，不准随地吐痰。
4、实验中要严肃认真，操作仔细，安全用电。
5、要爱护实验设备，节约使用消耗性用品。若设备发生故障，应立即报告教师进行处理，不得自行拆修。
6、实验完毕，要切断设备的电源，清理实验场地，将所用的实验设备整理好，放回原处，认真书写实验报告。经教师同意后，方可离开实验室。
7、凡不遵守实验守则经指出而不改正者，教师有权停止其实验。若情节严重，对实验设备造成损坏者，应负赔偿责任，并给处分。
实验报告的内容和要求
实验报告是学生对实验的总结，是考核学生学习成绩和评估教学质量的重要依据。
学生对所做的实验应做到原理清楚，操作方法、步骤正确，实验结果比较可靠。
实验报告应由每个学生独立完成，书写工整，内容层次分明，文字简明通顺，图表清晰。
实验报告一般包括下列八项内容：
实验名称；
实验目的；
实验设备；
实验原理；
实验步骤；
实验记录；
数据处理及相关结论；
回答思考题。
按时递交实验报告。
实验一 基本技能性实验
实验目的
了解金相显微镜的工作原理、结构及使用方法，掌握金相试样的制备方法。
了解布氏硬度计、洛氏硬度计的基本构造、测试原理及特点，能测定不同含碳量及热处理条件下碳钢试样的布氏硬度值、洛氏硬度值。
了解热处理电阻炉的结构、原理，掌握热处理操作方法及规则。
金相显微镜及金相试样制备
金相显微镜的结构及使用
金相显微镜通常由光学系统、照明系统和机械系统三大部分组成。现以XJB-1型台式金相显微镜为例加以说明。
XJB-1型金相显微镜的光学系统如图1所示，由灯泡发出的光线经聚光透镜组及反光镜聚集到孔径光栏，再经聚光镜聚集到物镜的后焦面，最后通过物镜平行照射到试样的表面。从试样表面反射回来的光线经物镜组和辅助透镜，由半反射镜转向，经过辅助透镜及棱镜形成一个倒立的放大实像，该像再经过目镜放大，就成为在目镜视场中能看到的放大映像。
XJB-1型金相显微镜的外形如图2所示，现分别介绍其各部件的功能及使用。
照明系统：在底座内装有一低压灯泡作为光源，聚光镜、孔径光栏及反光镜等均安置在圆形底座上，视场光栏及另一聚光镜则安在支架上，它们组成显微镜的照明系统，使试样表面获得充分均匀的照明。
图1 XJB-1型金相显微镜的光学系统 图2 XJB-1型金相显微镜外形结构
显微镜调焦装置：在显微镜的两侧有粗调焦和微调焦手轮，粗调手轮的转动可使载物台的弯臂作上下移动，微调手轮使显微镜沿滑轮缓慢移动，在右侧手轮上刻有分度格，每一格表示物镜座上下微动0.002mm。
载物台（样品台）：用于放置金相样品，观察面需向下。载物台和下面托盘之间有导架，用手推动，可使载物台在水平面上作一定范围的十字定向移动，以改变试样的观察部位。
孔径光栏和视场光栏：孔径光栏装在照明反射镜座上面，调整孔径光栏能够控制入射光束的粗细，以保证物像达到清晰的程度。视场光栏设在物镜支架下面，其作用是控制视场范围，使目镜中视场明亮而无阴影。
物镜转换器：转换器呈球面状，上有三个螺孔，可安装不同放大倍数的物镜，旋动转换器可使各物镜镜头进入光路，与不同的目镜搭配使用，以获得各种放大倍数。
目镜筒：目镜筒呈45°倾斜安装在附有棱镜的半球座上，还可将目镜转向45°呈水平状态以配合照相装置进行金相摄影。
金相试样的制备
金相试样的制备包括取样、镶嵌、磨制、抛光、侵蚀等工序。
取样是制备试样的第一道工序，应考虑在被测试金属材料的最合适部位取样；对取的尺寸过小或形状不规则的样品，常通过镶嵌制成一定的尺寸及外形；磨指是指在制取的样品上磨出一个平整的磨面；抛光是指利用抛光机消除磨面上的磨痕，将磨面加工成平整光亮的镜面的过程。在金相显微镜下观察试样的镜面只能看到裂纹、气孔、非金属夹杂物等，不能看到显微组织。因此必须对试样的磨面进行浸蚀。
浸蚀是指将抛光好的试样磨面浸入一定的化学试剂中（或用化学试剂擦拭），在化学溶解或电化学腐蚀的作用下晶界被腐蚀呈“组织浮雕”。在显微镜光线的照射下，凹陷的晶界处光线散射不能进入物镜，呈现黑色网状；晶粒平面的光线进入物镜，呈现明亮的区域。
观察试样的组织
金相试样制备好后，
（1）根据观察试样所需的放大倍数，选择物镜和目镜；
（2）然后将试样放在载物台中心，使载物台中心与物镜中心对正，试样被观察面向下；
（3）转动粗调焦距手轮降低载物台，使试样表面接近物镜；再慢慢反向转动手轮至目镜中出现模糊的影像；最后轻轻转动微调焦距手轮，直至看到清晰的组织。
（4）使载物台前后左右移动，观察试样的不同部位，找出具有代表性的显微组织，并画出试样的显微组织示意图。
金相观察注意事项
（1）严禁用手直接接触镜头、试样磨面等，注意使用镜头纸擦拭镜头或磨面上的赃物、灰尘。
（2）试样应清洁、干燥、不得有残留的浸蚀剂如酒精、苦味酸钠等，以防腐蚀物镜。
5．实验报告要求
（1）绘出观察试样的组织示意图，指出试样组织的特征。
（2）根据所观察钢组织中铁素体与珠光体块的面积比，判断钢的碳含量。
（3）根据所观察的组织组成判断合金的性能。
布氏硬度和洛氏硬度试验
布氏硬度试验
布氏硬度试验是施加一定大小的载荷P，将直径为D的钢球压入被测金属表面后保持一定时间，然后卸除载荷，根据钢球在金属表面上所压的压痕直径查表即可得硬度值。
用钢球压头所测出的硬度值用HBS表示；用硬质合金压头所测出的硬度值用HBW表示。布氏硬度的优点是测定结果较准确，缺点是压痕大。目前布氏硬度计一般以钢球为压头，主要用于测定较软的金属材料的硬度。布氏硬度值的计算式如下：
HBS(HBW) =
式中：F——试验力（N）；
D——压头球体直径（mm）；
d ——相互垂直方向测得的压痕直径d1、d2的平均值（mm）。
布氏硬度试验机的外形结构如图3所示，其基本操作和程序是：
（1）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对下面螺母产生相对运动（打滑）为止。此时试样以承受98.07N初载荷。
（2）按动加载按钮，开始加主载荷，当红色指示灯闪亮时，迅速拧紧压紧螺钉，使圆盘转动。达到所要求的持续时间后，转动即自行停止。
（3）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，如图4所示，以此查附表1即得HBS值。
试验注意事项：
（1）试样的测试面应是光滑的平面，不应有氧化皮及污物；
（2）试样的支撑面及试台表面、压头表面应清洁。试样应稳固地安放在试台上，在测试过程中不能产生位移或挠曲；
（3）压痕中心至试样边缘的距离不应小于压痕平均直径的2.5倍；两相邻压痕的中心距离不应小于压痕平均直径的4倍。
（4）测试的压痕直径应在0.24~0.6D之间，否则应重新选择F/D2、F、D，重新测试。
洛氏硬度实验
洛氏硬度以顶角为120℃的金刚石圆锥体作为压头，以一定的压力使其压入材料表面，通过测量压痕深度来确定其硬度。被测材料的硬度可在硬度计刻度盘上读出。洛氏硬度有HRA、HRB和HRC三种标尺，其中以HRC应用最多，一般用于测量经过淬火处理后较硬材料的硬度。
在实际使用中为了使硬材料的洛氏硬度值比软材料的高，以符合人们的习惯。因此被测材料的硬度值须用下式作适当变换：
HR =
式中：K——常数，采用金刚石压头时为0.2，采用1.5875mm钢球压头时为0.26；
C——常数，采用金刚石压头或钢球压头时都为0.002；
h3、h2——施加载荷前后的压痕深度（mm），如图5所示。
常用的三种洛氏硬度试验规范见表1。
表1常用三种洛氏硬度试验规范
硬度符号
压头类型
总试验力
Kg（N）
有效范围
应用
HRA
120℃金刚石圆锥体
60(588.4)
20~88
硬质合金、表面淬火、渗碳钢等
HRB
φ1.588mm钢球
100(980.7)
20~100
有色金属、退火、正火钢等
HRC
120℃金刚石圆锥体
150(1471.1)
20~70
淬火钢、调质钢
洛氏硬度试验机的结构如图6所示，其基本操
作程序是：
（1）将试样放置在试样台上，顺时针转动手轮，使
试样与压头缓慢接触，直至表盘小指针指到“0”为
止，然后将表盘上指针调零。
（2）按动按钮或转动手柄，加主载荷，当表盘大指
针反转停止后，再顺时针旋转摇柄，卸除主载荷，此
时表盘大指针即指示出该试样的HRC值。
（3）逆时针转动手轮，取出试样，硬度测定完毕。
图6 HR-100型洛氏硬度计
试验注意事项：
（1）试验应在10~35℃范围内进行；
（2）试验或试验层最小厚度应不小于10e(e是残余压痕深度增量)。试验后试样背面不得有肉眼可见的变形痕迹；
（3）试样的测试表面、支承表面、试台表面及压头表面应清洁。试样应在试台上放置稳固，在试验过程中不产生位移和变形；
（4）试样上两相邻压痕的中心距离至少应为压痕平均直径的4倍（但不得小于2mm）。任一压痕中心到试样边缘距离至少应为压痕直径的2.5倍(但不得小于1mm)。
（5）在每个试样上的试验点数应不少于四点。在大批量生产中试样的检验，点数可以适当减少。
3．实验报告要求
（1）比较布氏、洛氏硬度试验的测试原理、测试过程特点、应用范围、优缺点等，并指出布氏硬度、洛氏硬度两种测试方法的主要区别及内在联系；
（2）布氏硬度试验
试验材料及热处理状态
试验规范
试验结果
钢球
直径D(mm)
载荷
(Kg)
载荷停留时间(S)
第一次
第二次
平均硬度值
HBS
压痕
直径d(mm)
硬度值HBS
压痕
直径d(mm)
硬度值HBS
（3）洛氏硬度试验
试验材料及热处理状态
试验规范
试验结果
压头
总载荷
(Kg)
硬度标尺
第一次
第二次
第三次
平均
硬度值
热处理设备及操作方法
1．箱式电炉
热处理加热电炉有箱式、井式、盐浴或碱浴式等。实验室常采用箱式电炉，按加热温度箱式电炉分为低温、中温和高温之分，中温电阻炉的结构如图7所示，其最高加热温度为950℃。
图8 炉温自动测量及控制系统工作原理
热处理加热温度能够实现自动测量及控制，炉温的自动测量及控制系统工作原理如图8所示。工作时利用热电偶将炉内的温度信号转换成电势信号，电势信号通过测量机构、温度指示机构转换成仪表指针的指示值。同时，温度调节器把测得的实际炉温与给定机构给定的温度进行比较得到偏差值，调节机构根据偏差值发出相应的信号，驱动执行机构改变输出给电炉的电流，以消除偏差值，从而将炉温控制在某一给定值附近。
2．热处理工艺
钢的热处理是指将钢在固态下施以不同的加热、保温与冷却，以改变其组织和性能的工艺。普通热处理有退火、正火、淬火和回火等。
（1）加热温度
碳钢普通热处理的加热温度，可按表3-1选定。但生产中，应根据工件实际情况作适当调整。常用碳钢的临界点如表3-2所示。热处理加热温度不能过高，否则会使工件的晶粒粗大，氧化、脱碳严重，变形开裂倾向增加。但加热温度过低，也达不到要求的效果。
表3-1碳钢普通热处理的加热温度
方 法
加 热 温 度 (℃)
应 用 范 围
退 火
Ac3+(20~60)
亚共析钢完全退火
Ac1+(20~40)
过共析钢球化退火
正 火
Ac3+(50~100)
亚共析钢
Accm+(30~50)
过共析钢
淬 火
Ac3+(30~70)
亚共析钢
Ac1+(30~70)
过共析钢
回 火
低 温
150~250
刃具、模具、量具、高硬度零件
中 温
350~500
弹簧、中等硬度零件
高 温
500~650
齿轮、轴、连杆等综合机械性能零件
（2）加热时间
热处理加热时间（包括加热、保温时间）通常按工件有效厚度，用下列经验公式计算加热时间：
T =αD
式中：T——加热时间（min）；
α——加热系数（min/mm）；
D——工件有效厚度（mm）。
当碳钢工件D≤50 mm，在800~960℃箱式电阻炉中加热时，α=1~1.2（min/mm）。回火的保温时间要保证工件热透并使组织充分转变。实验时组织转变时间可取0.5h。
表3-2 常用碳钢的临界点
钢 号
临 界 点 (℃)
Ac1
Ac3
Accm
20钢
735
855
——
45钢
724
780
——
T8A钢
730
——
——
T12A钢
730
——
820
（3）冷却方法
钢退火一般采用随炉冷却到600~550℃以下再出炉空冷。正火采用空气中冷却。淬火时，钢在过冷奥氏体最不稳定的范围内（650~550℃）的冷却速度应大于临界冷却速度，以保证工件不转变为珠光体组织；而在Ms点附近的冷却速度应尽可能低，以降低淬火内应力，减少工件变形与开裂。因此，淬火时除了要选用合适的淬火冷却介质外，还应改进淬火方法。对形状简单的工件，常采用单液淬火法，碳钢用水或盐水溶液作冷却介质，合金钢常用油作冷却介质。
3．实验注意事项
（1）在取放试样时，操作者应戴上手套，夹钳应擦干，炉门开、关要快。
（2）淬火冷却是时，试样要用夹钳加紧，动作要迅速，并要在冷却介质中不断搅动。夹钳不要夹在测定硬度的表面上，以免影响硬度值。
（3）测定硬度前，必须用砂纸将试样表面的氧化皮除去并磨光。每个试样应在不同部位测定三次硬度，并计算其平均值。
（4）为便于比较，一律用洛氏硬度测定。
4．实验报告要求
（1）确定45钢的热处理加热温度与保温时间。将四块45钢试样放入炉中进行加热与保温。然后，分别进行炉冷、空冷、油冷与水冷。然后分别测定它们的硬度。
钢 号
尺 寸
（mm）
加热温度
（℃）
保温时间
（min）
冷却方法
硬 度
HRC
显微组织
炉 冷
空 冷
油 冷
水 冷
（2）分析奥氏体化后的冷却速度对钢组织、硬度的影响，为什么要注明钢号和尺寸？
（3）将三块45钢试样分别加热到750℃、840℃及960℃，保温后水冷，然后分别测定它们的硬度。
钢 号
尺 寸
（mm）
加热温度（℃）
保温时间（min）
冷却方式
硬 度HRC
显微组织
（比较晶粒大小）
750
840
960
（4）分析淬火时的加热温度对钢组织、硬度的影响，为什么加热温度对淬火钢的硬度有影响？在本实验中，如何比较奥氏体晶粒大小？
五、实验考核方式及评分方法
基本技能性实验完成后，每位同学须按要求提交一份实验报告，实验成绩主要根据学生的预习情况、实验态度、实验操作、实验数据和实验报告进行综合打分（其中：预习情况10%，实验态度10%，实验操作40%；实验数据20%；实验报告20%）。
实验二 综合性实验
一、实验目的
通过实验进一步加深、巩固基本概念，理论联系实践。
2．进一步认识典型成分铁碳合金平衡组织特征，以及状态下铁碳合金成分、组织和性能之间的关系。
3．通过实验掌握碳钢退火、正火、淬火和回火后组织和性能。
4．分析碳钢在热处理时，加热温度、冷却速度及回火温度对其组织与硬度的影响。
5．通过实验增强学生的动手能力、创新意识和创新能力。
6．培养学生实事求是的严谨作风，锻炼学生的工作协调能力和培养学生的团队协作精神。
二、实验内容和要求
1．分别对20钢、45钢和T10钢进行完全退火处理，观察并画出显微组织，测出其硬度值；
2．分别对完全退火处理的20钢、45钢和T10钢进行正火处理，观察并画出显微组织，测出其硬度值；
3．对经完全退火处理的T10钢进行760℃球化处理，对经完全退火处理又经正火处理的T10钢进行760℃球化退火，观察并画出显微组织，测出其硬度值，并比较二者的结果，从理论上说明其原因；
4．分别对经完全退火处理的45钢和经正火及760℃球化退火T10钢进行低温淬火（760℃）、中温淬火（850℃）、高温淬火（1000℃）处理，观察并画出显微组织，测出其硬度值。并从理论上进行分析不同的材料经不同的热处理以后，它们的组织和性能之间的相互关系。
5．对经中温淬火处理（850℃）的45钢和经低温淬火处理（760℃）的T10钢分别进行低温、中温、高温回火处理，观察并画出显微组织，测出其硬度值。
三、实验方法和手段
本实验采用开放式的办法进行。学生可以在一定的时间范围内根据实验内容、自己的学习计划和实验室开放的时间内自由选择做实验的时间。
每四人为一小组，每组在实验前必须按实验内容和要求编制出一套完整的实验工艺方案，包括具体的工艺参数和详细的实验步骤（需查找相关的资料），经实验指导教师审查通过后才能开始实验。实验结束后，每组对实验结果进行总结，分析出现的问题，并完成综合性实验报告一份，及时上交。
四、实验考核方式及评分方法
本综合性实验的成绩按小组评定，根据小组提交的实验报告、小组成员的工作态度、工作协调能力和团队协作精神综合评定，小组实验成绩就是小组内每个成员的成绩。（其中：实验报告40%、小组成员的工作态度20%、工作协调能力和团队协作精神40%）
