机械制造基础课程实验指导书

机械制造基础课程实验指导书 机电设备系设备教研室 二00四年四月 1 前 言 为了更好地完成《机械制造基础》课程教学,培养提高学生理论联系实际和实践动手能力，根据《机械制造基础》课程教学大纲对实验教学要求，编写本实验指导书。 实验指导书包括实验指导和报告书两部分。其中指导书部分介绍了实验目的与要求、实验设备及仪器、实验原理、实验步骤等;报告书部分主要有实验数据记录、处理，分析及思考题等。 本教材由吴少爽主编，由谢仁明主审。由于水平有限，时间仓促，书中会有不少缺点和错误，恳请各位读者批评指正。 编 者 2004.4 2 目 录 实验一 拉伸实验………………………………………………………1 实验二 硬度实验………………………………………………………11 实验三 冲击实验………………………………………………………17 实验四 铁碳合金平衡组织分析………………………………………20 实验五 热处理实验……………………………………………………24 实验六 碳钢热处理后的显微组织观察………………………………27 实验七 不同金属的焊接性能…………………………………………31 实验八 车刀几何角度测量……………………………………………34 实验九 专用夹具拆装及组合夹具组装实验…………………………38 实验十 数控线切割加工演示实验……………………………………41 附录 金相显微镜的使用及金相试样的制备…………………………42 3 实验一 拉伸实验 一( 万能材料试验机介绍 材料试验的目的，是模仿工程实际中的零件、构件的真实情况，在实验室研究他们的性能。因此，需要将各种零件、构件以及不同的工作情况，在实验室作出再现。作为被测试对象的零件、构件称为试件，应按相似原理制成模型或试样，并模仿其具体工作条件，作出模拟实验，从而测量试件的承载能力和变形等参数。提供模拟试验、给出稳定参数的设备，称为试验机。 试验机品种繁多。如果按照所模拟的工作环境来分，有高温、常温、低温、腐蚀等;如果按照所模拟的载荷情况来分，有静载、动载、冲击、交变等;也可以按照试验机的功能来分，有拉伸、压缩、弯曲、硬度等。在常温、静载拉力试验机上，增设一些附具扩展功能，还能进行压缩、剪切、弯曲等试验。这种多功能的试验机称为万能材料试验机。图1—1所示的是材料力学中通常使用的试验机。 图1-1 万能材料试验机是由机架、加载系统、测力示值系统、载荷位移记录系统以及夹具、附具等五个基本部分所组成。其中以加载系统、测力示值系统和载荷位移记录系统反映了试验机的主要性能。以下分别阐述这些系统的工作原理和结构。 (一) 加载系统 加载系统的功能是，提供适合于静载荷的力源。这力源必须是稳定的、可控的，而且重合于轴线的轴向力。实现这种力源的机构，一般的液压式和机械式两种。 图1.2所示是液压式的加载机构。当高压油泵向油缸送油时,逐渐顶起油缸中的活塞,联同传力架将工作台升起。如果试件装入下层空间的夹头中，就向其施加了拉力;若放入上层空间的垫块上，就向试件施加压力。 机械式的加载机构，也是使工作台移动，强迫试件伸长或压缩而施加拉力或压力。所 4 图1-2 图1-3 在不同的，只是工作台由螺杆、螺母筒和蜗轮蜗杆等腰三角形机构所传动。 (二) 测力、示值系统 测力、示值系统的功能，是要随时反映出作用于试件上载荷的数值。它是试验机的心 脏部门。机械式和液压式材料试验机，一般都采用如图1(3所示的摆锤式测力、示值 系统。二者的区别，仅在于传递拉力Ps的机构不同。机械式试验机，是由测力杠杆传 递Ps力;而液压式的，是由测力油缸的活塞传递Ps力。因此，它们的测力、示值原理 相同。 1( 摆锤式测力、示值系统的工作原理。如图1(3所示，试验机作用于试件上的载 荷，就是作用在工作油缸上的压力Pw。由于工作油缸与测力油缸相连通，它们 的油压强度相等，于是测力油缸的活塞对连杆作用的拉力Ps与Pw成线性关系， 又Ps使摆杆联同法码扬起α摆角的同时，拨杆推动齿杆位移x，从而带动齿动 使指针转动。因此，指针转动的角度φ与试验机的作用力Pw也成线性关系。它 们的关系式: SQldw P= ,?Ψ (1(1) ?cosW2rhS0s 式中，Q、l、d、h、Sw、Ss以及预置角α都是常量。由(1.1)式可得结论: (1) 试验机的载荷Pw与指针的转角ψ成线性关系，因此，测力度盘可以以圆 等分刻度。 (2) 当ψ视为常量(指针指在同一角度时)，而Q视为变量，则Pw与Q成正 比关系，因此，更换砝码重量Q可以得到不同的测力范围。 国产试验机，一般具有三档不同范围的测力度盘，相应地配有三个不同重量的砝 码。实验时需要正确选择、配合使用。 (3) 当ψ视为常量，而L视为变量时，则Pw与L成正比关系。因此，更换摆 杆L也可以得到不同的测力范围。 2 摆锤式测力、示值系统的线性范围。 式(1.1)中的载荷Pw与指针转角ψ成线性关系，是在理想状态下成立的，式中没有考虑到摩擦力;支承、夹具、机架受力后的变形;加工装配中几何尺寸的偏差，以及各零件之间的间隙等因素的影响，这些都会使Pw与ψ之间产生非线性偏差。当摆杆扬起α角较大(相应指针的转角ψ也大)时，由于摩擦力引起的非线性误差显著增加，指针临近度盘的满度区域，示值的精度较差。又根据国家对试验机示值精度的规定:以每级测量范围10%开始，但不小于该机最大载荷的4%，误差应在?1%以内。可见指针在度盘开始的区域内，精度也 5 较差。实验时，应正确选择度盘的测力范围，一般使需要测量的载荷，最好全落在度盘的10%,80%范围内。 摩擦力对试验机进程(加载)、回程(卸载)都有影响，而在进回程中引起的是双倍误差。所以，试验机加载时，必须平稳增加，不应忽减。 3 指针度盘式的示值机构 普通材料试验机均为指针度盘式的示值方式。它具有二根示值指针:一根是主动针，另一根是从动针。如果1.1中所示。当试验加载时，主动针带着从动针随载荷增加而沿刻度值增大方向旋转。当试验终了卸载时，主动针自动回至零位，而从动针停示在终止的力值上，以供充裕时间准确读值。从动针的位置，可由手动调节。 4 游铊自动平衡式测力、示值系统 图1-4 国产WJ—10型万能试验机和NJ型扭转试验机，都采用游铊自动平衡式的测力机构。这种机构的精度、灵敏度都比摆锤式测力、示值机构的高，如图1.4所示，为该机构的工作原理图。水平杠杆1，支承于O点，由测力杠杆传递的力Ps作用于A点，当试验机空载，即Ps=0时，游铊2位于M位置，使杠杆及其悬挂物处于水平平衡状态。当试验机承载，即Ps?0时，杠杆失去平衡，B点的位移使传感器4输出电压，通过放大器使伺服电机3转动，拖动游铊移到一个新的位置N，使杠杆重新恢复水平平衡。根据先后两次平衡重要条件，可得Ps与x的线性关系为: Qd P=??Φ (1.2) Sr2 式中Q、r、d都是常量。即得指针的转动角度Ps与ψ成线性关系。 (三) 载荷位移记录系统 万能材料试验机的载荷位移记录系统，它的一般机构如图1.5所示。 力值的记录:在测力系统的齿杆上装有笔架，记录笔随齿杆的移动而在记录筒上描绘。 如使指针转动一圈，记录笔所绘直线的长度，代表该度盘的满度力值。可作为力值的坐 标。 位移的记录:试验机上、下夹头之间有相对位移时，绳线通过绳轮带动记录筒转动。 记录笔在筒纸上绘出了代表位移的线段。记录筒上的绳轮，一般具有2,3条不同直径 的线槽，使描绘位移线段的长度，比真实位移放大1、2、4倍。可以选择使用。 6 图1-5 力和位移同时记录:当夹头强迫试件伸长的同时，试样不断产生抗力，这时记录笔和 记录筒一起动作，二者的合成运动，描绘了力和变形的曲线。 应该注意，这机构所记录的变形，并非试样标距内的真实变形，而是试验机上、下两 夹头间的位移，其精度较差。如果需要大比例、高精度的P—?L曲线图，可应用现代 的电子设备，在普通的试验机上，使用传感器直接测量试样的抗力和标距的变形转化为 电讯号输出，经放大器接入x—y函数记录仪，可得放大倍数为1000以上的精度图线。 更先进的记录，是将传感器采集的讯息，经A|D转换输入电子计算机，通过计算机数据 处理，打印出更精确的数据和曲线图。 了解试验机的主要功能，其目的是为了更好地掌握和使用试验机。实验测试的质量， 除了试验机本身达到规定的精度外，更重要的是决定于实验者的操作技能。然而，正确、 熟练的操作技能，也反映了实验者的水平和能力。各试验机的具体操作 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，在附录中 已有详细叙述。对于在实验中将使用的试验机，希认真阅读和掌握。 二、拉伸试验中四个主要指标的测定 (一)拉伸试验图 一般材料试验机都具有载荷位移记录装置，可以装试样的抗力和变形的关系P—?L曲线记录下来。 图1-6 如图1.6所示，为低碳钢的P—?L曲线图，以说明试样在拉伸全过程中，它抗力和变形的关系。其纵坐标表示载荷P，单位是公斤力(kgf)，横坐标表示绝对伸长?L，单位是毫米(mm)，整个变化过程，可分为四个阶段: Oa——弹性阶段。其特征是载荷与伸长成线性关系，即材料服从虎克定律。 bd——屈服阶段。b为上屈服点，c为下屈服点。cd为屈服平台。 dB——强化阶段。沿试样长度产生均匀塑性变形，此时,，且有趋向于零的连续变化，表明试样的抗力其塑性变化为非线性增加。 BK——局部塑性变形阶段。在B点,，载荷达到最大值PB，以后转为,的变化，表示试样抗力下降而变形继续增加，出现颈缩。这时变形局限于颈缩附近，直到断裂。 本实验，需遵照国家 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ，测定两个指标:屈服极限σs、强度极限σb和两个塑性指标:伸长率δ和面缩率ψ。 (二)屈服极限的测定 1(物理屈服极限σs 按国家标准规定，对于有明显屈服现象的材料，其屈服点可借助于试验机测力度盘的指针或拉伸曲线图来确定。 (1)指针法:当测力度盘的指针停止转动时的恒定载荷，或第一次回转的最小载荷， 7 即为所求屈服点的载荷Ps。 (2)图示法:在P—?L曲线上找出屈服平台的恒定载荷，或第一次下降的最载荷，即为所求屈服点载荷Ps。如具的上、下屈服的拉伸图，应取下屈服点c点为屈服载荷Ps。因为下屈服点对试验条件的影响较小，其值较稳定。 (3)屈服极限的计算 P2S σ= kgf/mm sA0 式中A0为试样的原始面积 2(条件屈服极限 大部分金属材料都不存在明显的屈服现象，在拉伸图上由弹性到弹塑性的过渡是光滑连续的，如图1.7所示。根据国家标准规定:试样在拉伸过程中，标距部分的残余伸长达到原标距长度的0.2%时的应力为条件屈服极限σ0.2。 图1-7 (1)图解法。如图1.7所示的P—?L曲线，在其横坐标上，截取使OD=0.2%?l?n，从D点作弹性直线段的平行线，交曲线于B点，点B的纵坐标值，即所求的屈服载荷P0.2。式中L为上、下夹头间试件长度，n为夹头位移的放大倍数，应不小于50倍。 (2)引伸计法。由引伸计法测出试样在残余变形为0.2%时所对应的载荷值为屈服载荷P0.2。 条件屈服极限的计算式为 P20.2 σ= kgf/mm 0.2A0 3(试验条件 加载速度对屈服极限有影响，一般加载速度增高时，σs也增高。为了保证所测性能的准确性，一般规定拉伸速度为: (1)屈服前，应力增加的速度为1公斤力,毫米m?,秒。 (2)屈服后，试验机活动夹头移动速度不大于0.5L,分。 (三)强度极限的测定 根据国家标准规定:向试样连续施加载荷直至拉断。由测力度盘或拉伸曲线上读出最大载荷值PMax。抗力强度的计算式为: 2Pmax σ= kgf/mm (1(5) bA0 (四)塑性指标的测定 塑性，是指断裂前材料发生塑性变形能力。塑性的量值，是以断裂后的塑性变形的大小来 8 度量。拉伸时的塑性指标，通常以拉断时残余相对伸长δ表示，称为伸长率，以及断裂时截面相对收缩ψ表示，称为截面收缩率。 1(伸长率的测定 先用试样的标距长度L0内，用划线器刻划等间距的标点或圆周细线10格。每格间距:长试样为10?;短试样为5?。为拉断后量测之用。 断后标距部分长度L1的量测:将试样拉断后的两段，在断口处紧密对齐，尽量使它们的轴线位于同一直线上，按下述方法量测L1: 直线法:如断口到邻近的标距端点(或端线)的距离大于L0,3时，需移位换算，可直接量测两端点(线)间的距离L1。 移位法:如断口到邻近的标距端点(线)的距离小于或等于L0,3时，需位移换算。移位换算方法如下: 在试样的长段上，如图1.8所示,从断口”O”处截面取基本等于短段的格数,得到B点(即令OB=OA)。接着如图1.8(a)所示，长段的其余格数为偶数时，则取其一半得C点，于是 L1=OA+OB+2BC (1.6a) 如图1.8所示,长段其余格数为奇数时,则分别取其减1加与加1的一半得C与C1两点,于是 L1=AO+OB+BC+BC1 (1.6b) 伸长率的计算式为: l _l0δ= ?100% (1.7) l0 智、长比例试样的伸长率，分别以δ5、δ10表示。 图1-8 2(截面收缩率的测定 圆形试样拉断后，在颈缩最小处的两个互相垂直方向上量测其直径，以二者的算术平均值，计算颈缩处最小横截面积A1;板状试样的断口如图1.9所示，用颈缩处最大宽度b1乘以最小厚度a1算得断面截面积A1。 截面收缩率的计算式: A_A01ψ = ?100% A0 图1-9 9 3(量测精度和结果处理 按技术标准规定，所量测的量具都应达到三位有效数字的精度，计算结果应以三位有效数字表达。 如不符合国家规定，断裂在标距端线上或标距端线外，或二个、二个以上的颈缩等情况，实验无效。 三、拉伸试样 拉伸试样的形状，通常有圆形试样和板状试样两种。在标准中曾规定的“标准圆形试样”尺寸为: d0=20?, L0=200?， 即L0=10 d0，称长试样 d0=20?， L0=200?， 即L0=5 d0，称短试样 将L0=10 d0，L0=5 d0，A0=πd0 d0,4代入(1.9)式，分别得 l=κ (1.9) A00 于是 l=11.3?10 (长试样) (1.10a) dA00 l=5.65?5 (短试样) (1.10b) dA00 如果由于原材料或其它原因限制，不能采用标准试样时，只要试样尺寸满足(1.10)式的试样，都称为比例试样。GB228—76中规定，对于钢试样一般采用d0=10?长、短比例试样。对于板状长、短比例试样，也应满足(1.10)。关于圆形试样，其各部分允许偏差及表面加工光洁度应符合图1.10的规定。 图1,10 试样标距部分直径d0的允许偏差?0.2。试样标距长度内最大与最小直径的允许差值0.05。 L=L0+100?，最小R=3?。 试样头部的形状及尺寸，可按材料和试验机的夹具等条件自行 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 。 四、实验过程 测定低碳钢、铸铁的拉伸机械性能 [实验目的] 练习材料在拉伸时机械性能的测试方法 [实验项目] 1(观察低碳钢、铸铁试样在拉伸全过程中的各种现象。 2(了解低碳钢、铸铁在拉伸全过程中，抗力和变形的相互关系，并绘制P—?L拉伸曲线图。 3(测定低碳钢的几个主要拉伸机械性能的指标，屈服极限σs，强度极限σb，伸长率 10 δ，和断面收缩率ψ，以及铸铁的抗拉强度极限σb。 [实验要求] 1(测试方法: 遵守国家技术规定，测试拉伸性能指标的训练。 2(数据处理: 学习掌握测量中的有效数字及其运算。 3(操作技能: 继续练习万能试验机的操作方法。 [设备和试样] 1(材料试验机一台 2(游标尺、千分尺各一把。 3(低碳钢、铸铁标准(或比例)试样各一根， [内容与步骤] 1(量测试样直径。在试样标距长度的两端和中间三处用千分尺量测直径，为了消除截面椭圆度的误差，应在每处以相互垂直方向量测，取算术平均值。在强度计算时，考虑到试样从最薄弱处开始破坏，应取三处平均直径中的最小直径。测量精度至少达到0.02?。 2(试样划线。为了观察低碳钢试样拉断后的变形分布情况，在试样的标距长度内，用划线器等间距划10格。如长试样间距为10?;短试样则为5?。铸铁试样不必划线。 3(试验机的准备工作 选择测力度盘，配置相应的砝码，将试验机的测力指针调到零位。 安装试样 调整载荷位移记录机构 4(检查和试车。在教师检查、允许下，以手动或缓慢加载试车，观察测力机构、绘图机构运行是否正常。然后卸载，使测力指针接近回零，将试验机处于待令工作状态。 5(实验测试。加载人员集中精力，手动或慢速机动操作试验机，使试样受到均匀、缓慢的载荷而变形。 注意观察试样、观察测力指针和记录图在拉伸过程中的全部现象，尤其低碳钢试样在屈服时其表面的变化，测力指针的摆动和记录图的形状;记下指针停止转动时的恒定值，或第一次回转的最小值，为屈服载荷Ps，临近颈缩时试样表面的变化，颈缩现象，直到试样断裂，记录指针的最大载荷Pmax,取下试样，观察和分析试样断口，以及考察物理现象。 取下记录曲线图，实验完毕，将试验机各机构恢复原位。 6(量测低碳钢断裂试样。 [注意事项] 1(临开机前，必须仔细检查，排除遗漏和误失。在教师同意下才开动试验机。 2(开始加载要缓慢，特别是油压试验机，防止油门开得过大，引起载荷冲击突加，容易造成事故。 3(试样安装必须正确，防止偏斜和夹入过短。 4(运行时，如发现异常(如声音、气味或机构失灵等)，应立即停车，排除故障。 [预习和准备] 1(了解金属材料拉伸机械性能的意义和测试方法。 2(掌握量测试样的方法和规定，注意量具和有效数字的应用。实验前后要量测试样的哪些尺寸，事先画好数据记录表格。 3(拉伸过程中要观察哪些现象，注意几个变形阶段，如何记录应测的数据等，亦应画在数据记录的表格内。 11 4(如果低碳钢的强度极限σb=4000kgf,?2左右，预先合理选择测力度盘和配置砝码。 [实验报告] 材料力学实验报告(供参考) 实验二 日期: 实验名称: 实验设备: 实验目的: (一)试样尺寸记录 原 始 尺 寸 材 截面 标 直 径 d0(?) 料 面积A0 距 截 面? 截 面? 截 面? L0(?) 1 2 平均 1 2 平均 1 2 平均 低碳钢 铸 铁 材料 断后尺寸 标 距L1断裂处直径d1(?) 断裂处截面 (?) 面积 低碳钢 1 2 平均 (二)实验记录 实验数据记录 材料 屈服载荷Ps(kgf) 最大载荷Pb(kgf) 低碳钢 铸铁 实验图象记录 图形 低碳钢 铸 铁 P—?L 曲线 断口 形状 (三)计算结果 12 低碳钢: P2S 屈服极限: σ== kgf/mm= MP saA0 P2b 强度极限: σ= kgf/mm= MP baA0 l_l10 伸长率: δ=?100%= % l0 A_A01面缩率: ψ =?100%= % A0 铸 铁: P2b强度极限: σ= = kgf/mm= MP baA0 (四)实验结果讨论 比较低碳钢所代表的塑性材料和铸铁所代表的脆性材料，它们的拉伸时机 械性能的共同点和不同点。 13 实验二 硬度试验 一、实验目的 (1)了解布氏硬度.洛氏硬度的主要构造及操作方法。 (2)初步掌握布氏硬度值.洛氏硬度值的测定方法。 (3)初步建立碳钢的含碳量与其硬度间的关系和热处理能改变材料硬度的概验。 二、实验概述 硬度实验设备简单，操作迅速方便，不需要专门制备试样，也不破坏被测试的工件。此外，在工业生产中，被广泛应用于产品质量的检验。此外，硬度值与其他力学性能及某些工艺性能(如切削加工性.冷成形性等)都有一定的联系，故在产品设计图样的技术条件中，硬度是一项主要技术指标。 目前，在测定硬度的方法中，最常用的是压入硬度法。其中以不氏硬度和洛氏硬度应用最广。它们的试验原理都是用一定几何形状的压头在一定载荷下压入被测金属材料的表面，根据压头被压入的程度来测定其硬度值。 1( 布氏硬度 布氏硬度试验方法是将一直径为D的淬火钢球或硬质合金球在规定载荷F作用下压入被测试金属表面，停留一定时间后卸除载荷，在被测试金属表面上形成一个直径d的压痕。计算出压痕单位面积所承受的平均压力，以此作为被测试金属的布氏硬度值。但实际试验是都是用读数显微镜测出压痕直径d，再根据d值，查对照表得出所测的硬度值。 当压头为淬火钢球时，硬度符号为HBS，适用于布氏硬度值低于450的金属材料;当压头为硬质合金球时，硬度符号为HBW，适用于布氏硬度值为450~650的金属材料。 在进行布氏硬度试验时，应根据被测试金属材料的种类和试样厚度，选用不同大小的球体直径D.施加载荷F保持时间。按GB231-84规定，球体直径有10 5 2.5 2和1mm5种;载荷与球体直径平方的比值(F/D*D)有30 15 10 5 2.5 1.25和1七种，根据金属材料的种类和布氏硬度值，可按表2-1选定F/D*D;载荷的保持时间:黑色金属为10~15s，有色金属为30s，布氏硬度值小于35时为60s。 表2-1 布氏硬度试验的F/D2值的选择(摘自GB231-84) 材 料 布氏硬度 F/D2 ,140 10 钢及铸铁 ,140 30 ,35 5 铜及其合金 35~130 10 ,130 30 ,35 2.5(或1.25) 轻金属及合金 35~130 10(或5、15) ,80 10(或15) 铅、锡 1.25(或1) 布氏硬度试验大因压痕面积较大，能反映出较大范围内被测试金属的平均硬度，故试验结果较准确。但压痕较大，不宜测试成品或薄片金属的硬度。 2. 洛氏硬度 洛氏硬度试验方法是以一个锥顶角为120度的金刚石圆锥体或直径为1.558mm(1/16in)的钢球为压头，在先后两次载荷(初载荷与主载荷)作用下，压入被测试金属表面，然后卸除 14 主载荷，在保留初载荷情况下，测出由主载荷引起的塑性变形的压入深度h,再由h值确定洛氏硬度值。H值愈大时，被测试金属的洛氏硬度值愈低;反之，则愈高。在实际实验时，都是由硬度计的指示器表盘上直接读出所测的硬度值。 洛氏硬度试验时，可用不同压头和不同的主载荷组成不同的洛氏硬度标尺。最常用的是HRA HRB HRC三种其中HRC适用于测量硬度值高于230HBS的较硬金属;HRB适用于测量硬度值低于230HBS的较软金属;HRA适用于测量硬脆的金属材料或浅层表面硬化的金属。 洛氏硬度试验操作迅速简便，且压痕较小，可以测定成品或较薄金属的硬度，故目前生产上应用广泛。 退火状态碳钢的硬度一般是随着含碳量的增加而逐渐增加。 三、实验设备 1. 布氏硬度试验 布氏硬度试验主要设备有布氏硬度计和读数显微镜。常见的布氏硬度计有液压式和机械式两大类。图2-1为HB-3000型机械式布氏硬度计。试验时，将试样4放在工作台3上，按顺时针方向转动手轮2，使工作台上升至试样与压头5接触，并在手轮打滑后再开电动机1，经二级蜗轮蜗杆减速器减速后，驱动连杆10与遥杆8向下运动，此时压头在砝码11通过大杠杆9 小杠杆7及压轴6作用下，以一定大小的载荷压入试样。停留一定时间后，电动机自动反转，曲柄连杆带动遥杆上升而卸除载荷。在关闭电动机后，反时针方向转动手轮，使工作台下降并取下试样。最后用读数显微镜测出压痕直径d，如图2-2所示，根据d的大小查表即可求得布氏硬度值。 15 2. 洛氏硬度试验 我国生产的洛氏硬度试验计有H-100 HR-150DT HR4-150AT等多种型式。图2-3为 16 H-10型洛氏硬度计。试验时将试样6放在工作台5上按顺时针方向转动手轮3，使工作台上升至试样与压头7接触，继续转动手轮，通过压头和压轴8顶起杠杆10，并带动指示盘9的 指针转动，洛氏硬度指示器表盘如图2,4所示。待指示器表盘中小针对准黑点，大针置于垂直向上位置时(左右偏移不超过5格)，试样即施加了10Kgf (1kgf=9.8N)的初载荷。随后转动指示器表盘，使大针对准“0”(测HRB时对准“30”)，再按下按钮1释放转盘4，在砝码11重量的作用下，顶杆12便在缓冲器15的控制下匀缓下降，使主载荷通过杠杆 压轴和压头作用于试样上。停留数秒钟后再扳动手柄2，使转盘顺时针方向转动至原来被锁住的位置。由于转盘上齿轮使扇齿轮13 齿条14同时运转而将顶杆顶起，卸除了主载荷。这时指示器指针所指的读数即为所求的洛氏硬度值(HRC和HRA读外圈黑色的C标尺，HRB读内圈红色的B持标尺)。 四 、实验材料 布氏硬度 退火状态的低碳钢、中碳钢、高碳钢 洛氏硬度 淬火状态的低碳钢、中碳钢、高碳钢 五、 实验步骤及注意事项 1.布氏硬度试验 (1)清理试样表面。被测表面应是无氧化皮及外来污物的光洁表面，以保证能准确测量压痕直径。 (2)根据试样材料及厚度，按布氏硬度试验 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 选择钢球压头的直径 载荷大小及载荷保持时间。 (3)把试样稳固地放在硬度计工作台上，按布氏硬度计的操作顺序进行表面留下一个压痕。试验时，应使载荷均匀平稳地垂直施加于试样的测试表面，不得有冲击或震动。 (4)移动试样后重做一次试验，使试样表面又留下一个压痕。为了使实验结果精确，相邻两压痕的中心距离;应不小于压痕直径的4倍;压痕中心距试样边缘的距离不小于压痕直径的2.5倍;压痕直径d的大小应在0.24~D~0.6D范围内;压痕深度应小于试样厚度的1/10。 (5)自工作台上取下试样，用读数显微镜在相互垂直方向上测量压衡直径，然后计算其平均值并作好记录。 (6)根据压痕直径d，查对照表求得各试样的布氏硬度值。 2.洛氏硬度试验 (1)清理试样表面。被测表面应无油脂、氧化皮、裂纹、凹坑、显著的加工痕迹以及 17 其它外来污物。 (2)根据试样材料选择压头及载荷。根据试样形状选择合适的工作台。工作台表面、试样的支承面和压头表面均应清洁。 (3)把试样稳固地放在硬度计工作台上，按洛氏硬度计的操作顺序进行试验。试验中必须保证载荷平稳地垂直施加于试样的测试表面，不得有冲击或震动。然后有指示器上读得硬度值并作好记录。 (4)移动试样，并在另一位置继续进行试验，两相邻压痕中心距离或任一压痕中心距试样边缘距离一般不得小于3mm。前后共测三点，计算后两次试验得出硬度值的平均值，并作好记录。 六 实验报告 (1)根据选用的试验规范和记录数据填写下表。 布氏硬度 项目 试验规范 试验结果 第一次 载荷停留 钢球直径 载荷F F/D2 时间 试验材料 压痕直径 硬度值 D(mm) (kgf) (s) 及处理状态 d(mm) HBS 项目 试验结果 换算成洛氏硬度值 第二次 平均硬度值 HRC HRB 试验材料 压痕直径 硬度值 HBS d(mm) HBS 及处理状态 洛氏硬度 试验规范 测得硬度值 项目 换算成布 氏硬度值 总载荷 硬度 平均硬 压头 第一次 第二次 第三次 HBS F(kgf) 标尺 度 值 试验材料 及处理状态 18 (2)根据本实验中布氏硬度试验测得的硬度值，分析退火状态碳钢的含碳量与硬度间的 关系，并画出其关系曲线图。 19 实验三 冲击试验 一、实验目的 (1) 了解冲击试验机的主要构造及操作方法。 (2) 初步掌握金属材料韧性的测定方法。 (3) 初步建立碳钢的含碳量于其冲击韧度间的关。 二、实验概述 一次冲击弯曲试验是测定金属材料韧性的常用方法。它是将一定尺寸和形状的金属试样放在试验机的支座上，再将一定重量的摆锤升高到一定高度，使其具有一定位能，然后让摆锤自由下落将试样冲断。摆锤冲断试样所消耗的能量即为冲击吸收功Ak ,Ak值的大小代表金属材料韧性的高低。但习惯上仍采用冲击韧度值ak表示金属材料韧性。冲击韧度ak是用冲击吸收功Ak除以样式断口处的 原始横切面积S来表示的。 退火状态碳钢的韧性随着含碳量的增加而下降。 三、实验设备及用品 冲击试验主要设备和用品为冲击试验机和测量试样尺寸用的游标卡尺。冲击试验机有手动和半自动两种。图3-1为手动摆锤式冲击试验机的外形结构。 图3,1 试验时先把手柄5拨至“预备”位置，然后将摆锤7稍加抬起并固定后，把试样放在支座钳口1上，再把摆锤抬到试验高度，使插销插入摆轴6的支槽内，待一切准备完毕后，将手柄由“预备”位置拨至“冲击”位置，这时摆锤就以摆轴为旋转中心而自由下落。 当摆锤冲断试样后，其剩余能量有使摆锤向另一方向扬起一定高度，这时将手柄再拨至“停止”位置，使摆捶停止摆动。 试样的冲击吸收功Ak值由指针4指示。因为当摆捶自由下落时，待拨针碰到指针时，又带动指针一起转动。但当摆捶回摆，拨针反转时，指针停止不动。这时指针在刻度盘3上指出的读数，即为试样所承受的冲击吸收功值。 半自动摆捶式冲击实验机的构造原理与手动的基本相同，但摆捶的上扬挂摆.下落冲击和制动等均由电气机械控制，免去了人工扬摆的劳动。 四、冲击试样及实验材料 20 按GB229—84和GB2106-80规定，冲击试验标准试样有夏比U型缺口试样和夏比V型缺口试样两种。习惯上前者简称为梅式试样，后者为夏式试样。两种试样的尺寸及加工要求如图3-2和图3-3所示。 图3,2 夏比U型缺口试样 图3,3 夏比V型缺口试样 每实验小组所用的实验试样为退火状态的低碳钢.中碳钢.高碳钢冲击试样各一根.材料分别采用20钢.45钢和T12钢。 五、 实验步骤 (1)检查试样有无缺陷，试样缺口部位一般不能划伤或锈蚀。 (2)用精度不低于0.02mm的量具测量试样缺口处的断面尺寸，并记下测量数据。 (3)检查摆捶空打时的指针是否指零(即摆捶自由地处在铅垂位置时，使指针紧靠拨针并对最大打击能量处，然后扬起摆捶空打，指针指示零位)，其偏离不应超过最小分度的1/4。 (4)放置冲击试样。试样应紧贴支座，并使试样缺口背向摆捶的刀刃，然后用找正样板使试样处于支座的中心位置。 (5)按冲击试验机的操作顺序将冲击试样冲断。 (6)读出指针在刻度盘上指出的冲击吸收功Ak值，并做好记录。 (7)观察试样的断口特征。 六、实验注意事项 (1)在试验机摆捶运动的平面内，严禁站人，以防因摆捶运动或冲断的试样飞出伤人。 (2)未经许可不准随便搬动摆捶和控制手柄。 (3)在装置冲击试样时，应将摆捶用支架支住。切不可将摆捶抬高到预备位置，以防摆锤偶然落下时造成严重事故。 (4)当手柄在“预备”位置，摆捶已上扬至预定的试验高度后，应平稳缓慢地将手放开，并使插销插入摆轴的槽内，以防放手过急而冲断插销。 (5)当试样被冲断而摆捶尚在摆动时，不能将手柄拨回至“预备”位置，以防插销的头部与摆捶发生摩擦或插销有可能插入摆捶的槽内而被冲断。 (6)试样冲断时如有卡锤现象，则数据无效。 七、实验报告 (1) 根据实验记录填写下表。 21 试验材料试 验 试样缺口处断面尺寸 冲击吸 冲击韧性断口 及其处理 收功Akk α 高 宽 断面积 状 态 温 度 (J) (J/cm2) 特性 (cm) (cm) (cm2) (2)根据实验测得的冲击韧度值，分析退火状态碳钢的含量与冲击韧度见的关系，并画出其关系曲线图。 (2) 实验中会影响材料冲击韧度值的因素有哪些,本实验测得的冲击韧度值是否精 确,为什么, 22 (3) 实验四 铁碳合金平衡组织分析 一、实验目的 1( 观察和识别铁碳合金(碳钢和白口铁)在平衡状态下的显微组织。 2( 了解铁碳合金的成分、组织和性能之间的对应变化关系。 3( 熟悉金相显微镜的使用。 二、概述 利用金相显微镜观察金属的组织和缺陷的方法称为显微分析;所看到的组织称为显微组织。 合金在极缓慢冷却条件(如退火状态)下得到的组织为平衡组织。铁碳合金的平衡组织可以根据Fe-C相图来分析。从相图可知，所有碳钢和白口铁在温室时的组织均由铁素体和渗碳体组成。但由于含碳量的不同，结晶条件的差异，铁素体和渗碳体的相对数量，形态，分布和混合情况不一样，因而将组成各种不同特征的组织或组织组成物，其基本特征如下: 1( 铁素体(F) 是碳溶于αFe中的固溶体，由良好的塑性，硬度较低(HB80,120)， 经3,5,硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈白色大粒状。随这钢中含碳量的增加，铁素体量减少。铁素体量较多时呈块状;当含碳量接近于共析成分时，往往呈断续的网状，分布在珠光体的周围。如图4-1所示。 工业纯铁的显微组织 20钢的显微组织 45钢的显微组织 T10钢的显微组织 23 图4-1 2( 渗碳体(Cm)是铁与碳的化合物，含碳量为6.69%，抗浸蚀能力较强。经3~5%硝 酸酒精溶液浸蚀后呈白亮色;若用苦味酸钠溶液热浸蚀，则被染成黑褐色，而铁素体仍为白色，由此可区别开铁素体和渗碳体。渗碳体的硬度很高，达HB800以上;脆性很大，强度和塑性很差。经过不同的热处理，渗碳体可以呈片状、粒状或断续网状。 3( 珠光体(P)铁素体和渗碳体的共析混合物，有片状和珠状两种。 (1) 片状珠光体 一般经退火得到，是铁素体和渗碳体交替分布的层片状组织， 疏密程度不同。经3~5%硝酸酒精溶液或苦味酸溶液浸蚀后，铁素体和渗碳体皆呈白亮色，但其边界被浸蚀呈黑色线条。在不同放大倍下观察是，组织具有不太一样的特征。 在高倍(600倍以上)下观察时，珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体都呈白亮色，而其边界呈黑色(图4-2)。 图4-2 中倍(400倍左右)观察时，白亮色渗碳体被黑色边界所“吞食”而成为细黑条。这时看到的珠光体时宽白条铁素体和细黑条渗碳体的相间混合物(图4-3)。 图4-3 低倍(200倍以下)观察时，连宽白条的铁素体和细黑条的渗碳体也很难分辨，这时，珠光体为黑块组织(见图4-1中的确良珠光体)。 (2)球状珠光体 共析钢或过共析钢经球化退火后，得到球状渗碳体。经3,5, 24 硝酸酒精浸蚀后，球状珠光体为白色铁素体基体上均匀分布这白色渗碳体小颗粒，其边界为黑圈(图4-4)。 图4-4 根据钢的组织，估计出各组织成的相对量，便可利用杠杆定律算出含碳量。 4( 莱氏体(,d) 在温室时是珠光体和渗碳体的混合物。此时，渗碳体中包括共晶 渗碳体和二次渗碳体两种，但它们相连在一起而分辨不开. 经3~5%硝酸酒精溶液侵蚀后，莱氏体的组织特征是，在白亮的渗碳基本上均匀分布着许多黑点(块)状或条状珠光体(图4-5)。 图4-5共晶白口铁 图4-6 亚共晶白口铁 莱氏体组织硬度很高，达HB700，性脆。一般存在于含碳量大于2.11%的白口铸铁中,在某些高碳合金钢的铸造组织中也常可见。 亚共晶白口铸铁的组织包括:莱氏体、呈黑粗树枝态分布的珠光体及其周围白亮圈的二次渗碳体(图4-6)。二次渗碳体与莱氏体中的渗碳体相连,无界线.无法区别。 过共晶白口铸铁的组织是:莱氏体和长白条一次渗碳体(图4-7) 图 4-7 过共晶白口铁 25 三、实验内容 1.观察表1-1中说列样品的显微组织并联系铁碳相图分析各组织的形成过程。 实验要求观察的样品 序号 样品名称 状态 显微组织 浸蚀剂 1 工业纯铁 退火 F 4,硝酸酒精 2 0.45,碳钢 同上 F+P 同上 3 0.8,碳钢 同上 P 同上 4 1.2,碳钢 同上 P，Fe3C11 同上 5 亚共晶白口铸铁 铸铁 P，Fe3C11，Ld 同上 6 共晶白口铸铁 同上 Ld 同上 7 过共晶白口铸铁 同上 Ld+Fe3C11 同上 8 未知铁碳合金 退火 同上 2.了解金相显微镜的大致构造和正确使用方法/ 3.绘出所观察样品的显微组织示意图/ 4.分析未知式样:指出它是何种钢或铸铁;是什么组织;用杠杆定律估算出大致含碳量，并通过各种组织组成物的相对含量估算出它的大致硬度(HB)。 四、实验报告要求 1.写出实验目的及实验简明原理。 2.画出所有样品的显微组织示意图(用箭头和代表符号标明各组织组成物、并注明材料、放大倍数和浸蚀剂)。 3.根据所观察组织，说明含碳量对铁碳合金的组织和性能的影响的大致规律。 4.利用杠杆定律确定(或估算)未知试样的含碳量和大致硬度(HB)。 五、思考题 1.珠光体组织在低倍观察和高倍观察时有何不同,为什么, 2.怎样鉴别0.6%C钢的网状铁素体和1.2%C钢的网状渗碳体, 3.二次渗碳体呈网状分布时，对钢材的机械性能有何影响,怎样才能避免, 4.渗碳体有几种,它们的形态有什么区别, 26 实验五 钢的热处理 一、实验目的 1.熟悉碳钢的几种基本热处理(退火、正火、淬火及回火)操作方法。 2.了解含碳量、加热温度、冷却速度、回火温度等主要因素对碳钢热处理后性能(硬度)的影响。 3.学会洛氏硬度计的使用。 二、概述 钢的热处理就是通过加热，保温和冷却改变其内部组织，从而获得所要求的物理、化学、机械和工艺性能的一种操作方法。一般热处理的基本操作有退火、正火、淬火及回火等。 热处理操作中，加热温度、保温时间和冷却方式是最重要的三个基本工艺因素，正确选择它们的规范，是热处理成功的基本保证。 1( 加热温度 (1) 退火加热温度对亚共析钢是Ac3+(30~50?)(完全退火)共析钢和过共析钢 是Ac+(30~50?)(球化退火)。 (2) 正火加热温度对亚共析钢是Ac3+(30~50?);过共析钢是Accm+(30~50?)， 即加热至奥氏体单相区。 退火和正火的加热温度范围见图5-1。 (3) 淬火加热温度 对亚共析钢是Ac3+(30~50?);过共析钢是Accm+(30~50?)， 见图5-2。 图5-1 退火、正火加热温度 图5-2 淬火加热温度 (4) 钢淬火后要回火。回火温度决定于最终所要求的组织和性能(工 厂中常根据硬度的要求)。按加热温度，回火分为低温、中温、高温回火三类。 低温回火 是在150,250?进行回火，所得组织为回火马氏体，硬度约为HRC60。 中温回火 是在350,500?进行回火，所得组织为回火屈氏体，硬度约为HRC35~45. 高温回火 是在(500,650?)进行回火，所得组织为回火索素体，硬度为约为HRC25,35。 高于650?的回火得到回火珠光体，可以改变高碳钢的切削性能。 2(保温时间 27 为了使工件各部温度均匀化，完成组织转变，并使碳化物完全溶解和奥氏体成分均匀一致，必须在淬火加热温度下保温一定时间。通常将工件升温和保温索需时间计算在一起，并统称为加热时间。 热处理加热时间必须考虑许多因素，例如工件的尺寸和形状、使用的加热设备及装炉量、装炉温度、钢的成分和原始组织、热处理的要求和目的等，具体时间可参考有关手册中的数据。 实际工作中多根据经验估算加热时间。一般规定，在空气介质中，升到规定温度后的保温时间，碳钢按工件厚度每毫米需一分至一分半钟估算;合金钢按每毫米两分钟估算。在盐溶炉中，保温时间可缩短1,2倍。 3(法冷却方 热处理的冷却方法必须适当，才能获得所要求的组织和性能。 退火一般采用随炉冷却。 正火(或常化)所采用空气冷却，大件常进行吹风冷却。 淬火的冷却方法非常重要。一方面冷却速度要大于临界冷却速度，以保证得到马氏体组织;另一方面冷却速度应当尽量缓慢，以减少内应力，避免变形和开裂。为了调和上述矛盾，可以采用特殊的冷却方法，使加热工件在奥氏体最不稳定的温度范围内(650,550?)快冷，超过临界冷却速度，而在马氏体转变温度(300,100?)以下慢冷。理想的淬火冷却如图2,3所示。常用淬火方法有单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火等，如图2-4所示。 图5-3 淬火时的理想冷却曲线 图5-4 ? 单液淬火 ? ?双液淬火 ? ?分级淬火 ? ?等温淬火 三、试验内容 1(按表5,1所列工艺条件进行各种热处理操作。 28 2(测定热处理后的全部试样的硬度(炉冷，空冷试样测HRB，水冷和回火试样测HRC)，并将数据填入表内。 实验任务表 表5,1 热处理工艺 硬度值HRC或HRB 换算为预计组钢号 HB或加热温冷却方回火温织 1 2 3 平均 HV 度? 法 度? 炉冷 空冷 油冷 860 水冷 45 水冷 200 水冷 400 水冷 600 750 水冷 炉冷 空冷 油冷 750 水冷 T12 水冷 200 水冷 400 水冷 600 860 水冷 四、试验步骤 1(全班分成两组，每组一套试样(45钢试样8块，T12试样8块)。炉冷试样可由试验室事先处理好。 2(将同一 加热温度的45钢和T12 钢试样，分别放入860度和750度加热(炉温预先由实验室升好)，保温15,20分钟后，分头进行水冷，油冷或空冷的热处理操作。 3(从两种加热温度的水冷试样中各取出三块45钢和T12钢试样，分别放入200摄氏度，400摄氏度，600摄氏度的炉内进行回火，回火保温时间为30分钟。 4(淬火时，试样用钳子夹好，出炉、入水迅速，并不断在水中或在油中搅动，以保证热处理质量。取、放试样时，炉子要先断电。 5(热处理后的试样用砂纸磨去两端面氧化皮，然后测定硬度(HRC或HRB)。每个试样测三点，取平均值，并将数据填入表内。 6(每个同学必须抄下全班试验数据，以便独立进行分析。 五、试验报告要求 1(写出试验目的。 2(列出全套硬度数据并将HR C、HRB 的硬度值查表换算为HB或HV值。 3(根据热处理原理，预计各种热处理后的组织，并填入表中。 4(分析含碳量、淬火温度、冷却方式及回火温度对碳钢性能(硬度)的影响，根据数据画出它们同硬度的关系曲线，并阐明硬度变化的原因。 六、思考题 1(生产中对T12 钢进行正火处理(加热到Accm)以上的实际意义是什么,为什么, 2(45钢工件常用的热处理是什么,T12钢工件常用的热处理是什么,它们的组织和 29 大致硬度怎样, 3(为什么淬火,回火是不可分割的工序,确定工件回火温度规范的依据是什么, 30 实验六 碳钢热处理后的显微组织的观察 一、实验目的 1( 观察碳钢经不同热处理后的显微组织。 2( 了解热处理工艺对钢组织和性能的影响。 3( 熟悉碳钢几种典型热处理组织(M、T、S、M回火、S回火等)的形态及特征。 二、概述 碳钢经退火、正火可的到平衡或接近平衡的组织;经淬火得到的是不平衡组织。因此， 研究热处理后的组织时，不仅要参考铁碳相图，而且更主要的是参考C曲线(钢的等温转变曲线)。 铁碳相图能说明慢冷时合金的结晶过程和室温下的组织以及相的相对量，C曲线则能说明一定成分的钢在不同冷却条件下的结晶过程以及所得到的组织。 1、共析钢连续冷却时的显微组织 为了简便起见，不用CCT 曲线(连续冷却转变曲线)而用C曲线来分析。例如共析钢奥氏体，在慢冷时(相当于炉冷，见图6,1中的V1)，应得到100,珠光体。与由铁碳相图所得的分析结果一致;当冷却速度增大到V2时(相当于空冷)，得到的时较细的珠光体，即索氏体或屈氏体;当冷却速度增大到V3时(相当于水冷)，得到的为屈氏体和马氏体，当冷却速度增大至V4、V5时(相当于水冷)，很大的过冷度使奥氏体骤冷到马氏体转变始点(M)，瞬时转变成马氏体。其中与C曲线鼻尖相切的冷却速度(V4)称为淬火的临界冷却速度。 ] 图6-1 共析钢的C曲线 图6-2 亚、过共析钢的C曲线 2(亚共析和过共析钢连续冷却时的显微组织 亚共析钢的C曲线与共析钢的C曲线相比，在珠光体转变开始前多一条铁素体析出线，如图6-2所示。 当钢缓慢冷却时(相当与炉冷，见图验3-2中的V1)，得到的组织为接近与平衡状态的铁素体加珠光体;随着冷却速度逐渐增加，由V1?V2?V3时，奥氏体得过冷程度增大，生成的过共析铁索体量减少，并主要沿晶界分布;同时珠光体量增多，含碳量下降，组变得更细。因此，与V1、V2、V3对应得组织将为:铁素体，珠光体、铁素体，索素体、铁素体，屈氏体。当冷却速度增大到V4时，只析出很少量得网状铁素体和屈氏体(有时可见很少量得贝氏体)，奥氏体则是主要转变为马氏体。当冷却速度V6超过临界冷速时，钢全部转变为马氏体组织。 过共析钢得转变与亚共析钢相似，不同之处氏后者先析出的是铁素体，而前者先析出 的是渗碳体。 3、 基本组织的金相特征 (1)索氏体(S) 是铁素体与渗碳体的机械混合物。其片层比珠光体更细密，在显微 31 镜的高倍(700倍以上)放大时才能分辨。 (3) 屈氏体(T)也是铁素体与渗碳体的机械混合物，片层比索氏体还细密，在一般 光学显微镜下也无法分辨，只能看到如墨菊状的黑色形态。当其少量析出时，沿晶界分布，成黑色网状;包围着马氏体;当析出量较多时，成大块黑色团状，只有在电子显微镜下才能分辨其中的片层。 (4) 贝氏体(B)为奥氏体的中温转变产物，它也是铁素体与渗碳体的两相混合物。 在金相形态上，主要有三种形态: a. 上贝氏体是由成束平行排列的条状铁素体和条间断续分布的渗碳体所组成的非 层状组织。当转变量不多时，在光学显微镜下为成束的铁素体条向奥氏体内伸展，具有羽毛状特征。在电镜下，铁素体以几度到十几度的小位向差相互平行，渗碳体则沿条的长轴方向排列成行(图6-3)。 b. 下贝氏体是在片状铁素体内部沉淀有碳化物的两相混合物组织。它与淬火马氏 体易受侵蚀，在显微镜下呈黑色针状(图6-4)。在电镜下可以见到，在片状铁素体机体中分布有很细的碳化物片，它大致与铁素体片的长轴成55?~60º的角度。 图6-3 上贝氏体 图6-4 下贝氏体 (5) 马氏体(M) 是碳在αFe中的过饱和固溶体。马氏体的形态按含碳量主要分 两种，即板条状和针状(图6-5，图6-6) 图6-5 板条状马氏体 图6-6 针状马氏体 板条状马氏体一般为低碳钢或低碳合金钢的淬火组织。其组织形态是:由尺寸大致相同的细马氏体平行排列，组成马氏体束或马氏体区，各束或区之间位间差较大，一个奥氏体晶粒内可有几个马氏体束或区。板条状马氏体的韧性较好。 针状马氏体是含碳量较高的钢淬火后得到的组织。在光学显微镜下，它呈竹叶状或针状，针与针之间成一定角度。最先形成的马氏体较粗大，往往横穿整个奥氏体晶粒，将其分割，使以后形成的马氏体针的大小受到限制。因此，马氏体针的大小不一，并使针间残留有奥氏 32 体。针状马氏体的硬度较高，韧性较差。 (5)残余奥氏体(A残) 是含碳量大于0.5%的奥氏体淬火时被保留到室温不转变的那部分奥氏体。它不易受硝酸酒精溶液的浸蚀，在显微镜下呈白亮色，公布在马氏体之间，无固定形态。未经回火时，残余奥氏体与马氏体很难区分，都呈白亮色;只有马氏体回火变暗后，残余奥氏体才能被辨认。 (6)回火马氏体 马氏体经低温回火(150,250?)所得到的组织为回火马氏体。它仍具有原马氏体形态特征。针状马氏体由于由极细的碳化物析出，容易受浸蚀，载显微镜下为黑针状。 (7)回火屈氏体 马氏体经中温回火(350,500?)所得到的组织为回火屈氏体。它是铁素体与粒状渗碳体组成的极细的混合物。铁素体基体基本上保持原马氏体的形态(条粒或针状)，第二相渗碳体则析出在其中，呈极细颗粒状，用光学显微镜极难分辨，只有在电镜下才可观察到。 (8)回火索氏体 马氏体经高温回火(500~650?)所得到的组织为回火索氏体。它的金相特征是，铁素体上分布着粒状渗碳体。此时，铁素体已经再结晶，呈等轴细晶粒状。 回火屈氏体和回火索氏体是淬火马氏体的回火产物，它的渗碳体呈粒状，且均匀分布在铁素体基体上。而屈氏体和索氏体是奥氏体过泠时直接形成的，它的渗碳体呈片状。所以，回火组织同直接泠却组织相比，在相同的硬度下具有交好的塑性及韧性。 三、 实验内容 1、观察表验3-1所列的显微镜组织。 实验要求观察的样品 表验3-1 序号 材料 热处理工艺 浸蚀剂 显微组织(参照金相图册) 1 45,钢 860?空冷 4%硝酸酒精 F+S 2 45,钢 860?油冷 同上 M+T 3 45,钢 860?水冷 同上 M 4 45,钢 860?水冷600?回火 同上 回火S 5 45,钢 750?水冷 同上 M+F 6 T12 750?水冷200?回火 同上 回火M+Cm?，A残 7 T12 750?球化退火 同上 P(粒状)，,m?(粒状) 8 T12 1100?水冷200?回火 同上 回火M(粗针状)，A残 9 T12 950?加热300?等温淬火 同上 B下，M 2、描述出所观察样品的县委组织示意图，并注明材料。处理工艺。放大倍数。组织名称侵蚀剂等。 四、 实验报告要求 1.写出实验目的。 2.画出所观察样品的显微镜示意图。 3.说明所观察样品中的组织。 4.分析比较T12钢经750?加热。水泠和200?回火，以及T12钢经1100?加热。水泠 和200?回火的组织差别几性能特点。 5.比较并讨论直接泠却得到的M。T。S和淬火。回火得到的M回火。T回火。S回火 的组织形态和性能差异。 五、 思考问题 1(45钢淬火后硬度不足，如果根据组织来分析其原因是淬火加热不足，还是泠却速度不够, 33 2(45钢860?加热淬火得到的组织和T12钢1100?加热淬火得到的组织，在形态和性能上有什么差别, 3(指出下列工件的淬火几挥霍温度，并说明回火后所获得的组织: (1) 45钢的小轴; (2) 60钢的弹簧; (3) T12钢的锉刀。 34 实验七 不同金属的焊接性能 一、实验目的 1、了解不同焊接材料的冷裂敏感性。 2、了解不同焊接工艺规范对冷裂的影响。 3、初步掌握小铁研焊接性试验方法。 二、实验原理 1、金属焊接性的概念 金属焊接性是金属材料对焊接加工的适应性。主要指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。它包括两方面的内容:其一是接合性能，即在一定焊接工艺条件下，一定的金属形成焊接缺陷的敏感性;其二是使用性能，即在一定焊接工艺条件下，一定的金属的焊接接头对使用要求的适应性。 金属焊接性是金属的一种加工性能。它决定于金属材料本身性质和加工条件。随着焊 接技术的发展，金属焊接性也会改变。例如，铝用气焊和手工电弧焊工艺条件时焊接性差;而用氩弧焊接性良好。 2、 裂性试验方法 抗裂性试验方法很多，表7,1中列出几种常用方法。小铁研式和钢性固定对接试验 是两种十分相似的抗裂试验方法，适用试验焊缝和热影响区的热纹倾向;可变刚性试验的刚度比以前两种方法小一些，如果感到前两种方法对刚度要求过严，超出产品实际条件时，可以选用这个试验方法;十字接头试验是表中唯一的一种试验角焊缝的抗裂试验方法，当结构中有T型、十字型等角接型式时，可以选用这个方法。本实验仅选用小铁研式试验以反映不同焊接材料的冷裂敏感性和焊接工艺规范对冷裂的影响。 表7,1抗裂性能试验方法 试验方法 产生的主要裂纹类型 也可反映的裂纹 小铁研试验 过影响区冷裂纹类型 焊缝冷裂纹和热裂纹 刚性固定对接试验 焊缝金属的冷或热裂纹 热影响区冷裂纹 可变刚性试验 焊缝跟部的冷或热裂纹 热影响区冷裂纹 十字接头试验 热影响区冷裂纹 焊接金属裂纹 3、斜Y坡口对接裂试验原理 自由伸缩的两块板材对接焊时，由于其未受拘束，焊后焊缝冷却收缩较为自由，焊缝 及影响区所受应力较小。但在实际生产中工件不可能自由伸缩。焊缝的收缩、膨胀必然受到各种限制，这往往导致应力过大，应力集中，从而引起焊缝及热影响区产生冷裂纹。为了检验焊接工件是否产生冷裂纹，就需要进行抗裂性试验。小铁研试验主要模拟冷裂产生的三个条件:拘束度、扩散氢、淬硬组织。在试板上给以一定的拘束度，采用含有不同氢含量的焊接材料，使用不同碳当量的试板理行模拟施焊，以确定材料的可焊性，如图7,1所示。 当中心一段试验焊缝在加热膨胀及冷却收缩时，必将受到拘束焊缝的限制。由于此种 拘束度常常大于实际拘束度，故用该试验产生裂纹的多少作为制定实际工件是否产生裂纹的标准。 三、实验设备及材料 1(交流焊机BX3-300一台。 2(逆变变流弧焊机一台。 3(烘箱二台。 35 4(焊接试板20钢一副;45钢二副。 5(电焊条E4303φ4.0mm;E5015φ4.0mm 图7,1 斜Y坡口结接裂纹试验板 四、实验方法及步骤 1(本实验分两组施焊，如表7,2所示。 表7,2 斜Y坡口对接裂纹试验 组 试板温度(?) 焊条烘干 试样板裂纹情况 试板 焊条牌号 温度 延迟开裂时间 表面裂纹率 缎面裂纹率 别 (?) (min) (%) (%) ? 20钢 不烘 E44303 150 ? 45钢 不烘 E5015 350 ? 45钢 390?预热 E5015 350 ? 45钢 300?预热 E5015 350 2(气割下料后，坡口机械加工至无气割热影响区。按图7,1组装试板。 3(焊拘束焊缝，如图7,1。先从背面焊第一层，然后再焊正面一侧的第一层(注意 不要产生角变形或未焊透)。以下各层正面和背面交替焊接，直至焊完。拘束焊缝与中 间试验焊缝间留有2~3mm间隙。 4(焊接试验焊缝，焊前应将破口内飞溅物清除干净，去除水滴、油、锈等。焊接试 验焊缝时，应控制焊速为150mm/min左右，电弧电压24V左右，焊接电流为170A。 5(试件在焊接48h后开始进行裂纹检测、解剖。 五、实验报告要求 1(计算表面裂纹率和断面裂纹率，并填入实验报告。 1)表面裂纹率公式 表面裂纹率=(表面裂纹总长/试验焊缝长)?100% =[(L1裂+L2裂)/L]?100% 见图7-2。 36 2)断面裂纹率公式 断面裂纹率=(断面裂纹高度/断面焊缝厚度)?100% =h/H?100% 见图7,3。 图7,2 试件表面裂纹 图7,3 试件断面裂纹率计算 在试验焊缝开始均匀处与弧坑中心之间的距离四等分确定五个横断面位置。用上式对五个横断面分别计算出其裂纹率，然后求出平均值。 2(说明中碳钢焊接时易产生冷裂纹的原因，以及防止冷裂纹产生所应采用的工艺措施。 37 实验八 车刀几何角度测量 一、实验目的和要求 ,、了解车刀量角仪的结构与工作原理，学会使用车刀量角仪测量车刀标注角度。 ,、通过实验加深对常用车刀形状机独立角度、刀具标注坐标平面的理解。 ,、学会绘制车刀工作图。 二、实验装备 测量用车刀:,,?直头外圆车刀、,,?弯头外圆车刀、,,?弯头外圆车刀， ,,?偏刀、切断刀。(车刀量角仪略) 图8,1 车刀量角仪 三、车刀量角仪的结构与使用方法 车刀标注角度可以使用角度样板，万能量角器及各种量角仪进行测量。本实验所使用车刀量角仪(哈尔滨工业大学制造)不仅能测出主剖面坐标系内的角度，而且也能测量出法剖面、进给切深剖面坐标系内的角度。 ,、车刀量角仪的结构(图8,1) 圆形底盘,的周边刻有,?起向顺、逆时针两个方向各,,,?的刻度。工作台, 可以绕底座中心轴转动，基线板,可指示出所转的角度。工作台,上的定位块,和滑条 固定在一起，可在工作台,的槽内滑动。 螺纹丝杠立柱,安装在底盘上，旋转丝杠上的大螺帽,，滑体,,可上下滑动。滑体 ,,上装有小刻度盘,,，用旋钮,将弯板,,锁紧在滑体,,上。松开旋钮,，弯板 可顺逆时针两个方向转动，转动的角度有小指针,,在小刻度盘,,上指示出来。在弯 板,,的另一端固定着大刻度盘,，测量板,可绕螺紧轴顺逆时针转动，转动角度可在 38 大刻度盘,上指示出来。 当基线板,、测量板,、小指针,,都处于,?时，测量板,的前面,，侧边,垂直于工作台,的平面。测量车刀角度，就是通过调整工作台,、定位块,、大螺帽,、测量板,，使测量板,的测量刀口,、,和前面,与车刀有关的面域或线紧密贴和，从大刻度盘,上读出测量板,所指示的被测量角度值。 ,、测量车刀标注测量角度值 以外圆车刀为例，介绍用车刀量角仪测量车刀标住角度的方法。 ,)校准车刀量角仪原始位置 在测量车刀角度之前，必须将测量板、小指针、基线板全部调整刀零位。将车刀按 图8,,平放在工作台上。 此时称为原始位置。 图8,2 车刀量角仪原始位置 2)主偏角Кr、副偏角Кr′的测量 从原始位置起，转动工作台，使主(副)切削刃与测量板前面B紧密贴合，则基线板2上所指刻度值，即为主偏角Кr (副偏角Кr′)的数值。如图8—3所示。 3)刃倾角的测量 测量主偏角时的测量板平面，即与主切削刃贴合又垂直于工作台平面，因此，测 量板平面相当于切削平面。若转动螺帽8，同时调整测量板使底面A合主切削刃紧 密贴合，如图8-3所示，则大刻度盘上所指的刻度值，即为刃倾角的数值。 4)前角r。和后角a。的测量 前角r。和后角a。的测量，必须在测完主偏角数值后才能进行。从图8-3测量完 主偏角位置起，按逆时针方向使工作台转动90?，这时主切削刃在基面的投影恰 好垂直于测量板前面B，(此时B相当于主剖面P。)，调整大螺帽使测量板底面A 落在通过主切削刃上选定点的前刀面上(紧密贴合)，如图8-4所示，则测量板在 大刻度盘上的数值即为前角r。的数值。调整大螺帽及滑条，使测量板测量刀口面 紧密贴合，则测量板在大刻度盘上的数值，就是主剖面后角a。的数值。 39 图8,3 测量Кr(Кr′) 四、实验内容与注意事项 1( 测量60?、75?和90?外圆车刀、切断刀独立角度，记录其数值，并画出草图。 2( 思考外圆车刀法向前角Υn、进给前角Υf、切深前角Υp的测量方法。 3( 整理实验报告书并完成思考题。 4( 注意事项 ,) 测量车刀角度时，必须先分辨明主、副切削刃，前后刀面，设定走刀方向。然 后才能确定测量某一角度时量角仪的调整方法。要注意与各标注平面之间的关系。 ,) 测量刀刃倾角及前角时注意角度的正负号。 ,) 测量时防止测量刀口与工作台面撞击。 五、实验报告书内容 1. 记录测量的车刀角度数值，分别填入表8-1中。 2. 绘制车刀标注角度工作图。 3. 结合实验结果完成思考题。 六、思考题 1. 用车刀量角仪测量车刀角度时，量角仪大刻度盘及底盘平面相当于车刀标注角度坐 标系中的什么平面,按什么顺序测量角度才能节省时间。 2. 在什么条件下法向前角Υn=主前角Υ。，在什么条件进给前角Υf=主前角Υ。。 40 图8,4 测量车刀前角 表8-1 被测刀几何角度值 主 副 刃 副 进 切 法 序 前 后 偏 偏 倾 后 给 深 向 车刀名称 角 角 角 角 角 角 前 前 前 号 r。 a。 Кr Kr λs a。 角 角 角 Υf Υp Υn 41 实验九 专用夹具拆装及组合夹具组装实验 9-1 专用夹具拆装实验 一、实验目的: 1. 通过机床专用夹具拆装实验，进一步了解生产实际中夹具作用及工件安装状态。 2. 通过实验掌握夹具的基本组成部分。 3. 通过实验，分别了解钻、镗、铣等专用夹具定位元件夹紧装置，分度装置及机床联 接方式的特点，为进一步学习专用夹具设计打下基础。 二、 实验设备: 车床夹具 5副 钻床夹具 4副 铣床夹具 3副 刨床夹具 1副 通用可调夹具(滑柱式钻模1副) 端齿盘分度装置1台 六角解扳手一付，活络扳手2把，榔头2把。 三、实验方法及步骤: 1. 先选一副专用夹具，分析工作的夹紧方式，如何定位，定位元件是什么，限制几个 自由度，分度装置如何分度。 2. 弄清楚该夹具由几个部分组成，除了基本组成部分外，机床夹具还有一些特殊元件 或装置如何靠模装置、平衡块、钻套、镗套、对刀块等，这些装置和机床的安装连 接形式，分析不同的夹具安装在不同的机床上各有何特点。 3. 拆掉所有零件，观察各装置及元件结构功能。 4. 重新组装夹具。 5. 按同样方法拆装另一副夹具。 6. 观察其他夹具机构。 四、思考题: 1. 你所拆装的两副夹具在定位方法，夹紧装置，分度装置及机床联接上有何不同，一 副夹具应具备哪些基本结构。 2. 什么夹具有对刀或导向元件。 3. 你所拆装的夹具有没有要改进的地方, 五、 专用夹具拆装实验报告 1. 实验目的 2. 实验内容 3. 画出你所拆装的夹具中的工作图，结合工件图分析夹具中各个零件的作用，保证了 工件中的哪些尺寸要求，并简单叙述工件、夹具、机床之间的联接形式。 42 9-2 组合夹具组装实验 一、实验目的与要求: 1. 通过本实验对组合夹具有进一步的认识，了解其在实际生产中的使用范围及优点。 2. 通过对组合夹具元件接触，加深了解各种组合夹具元件的功用。识别各种类型的元 件(如基础件、定位件、导向件)。 3. 通过 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 构思，进一步巩固和应用课堂上讲授的工件定位一，夹紧原理及设计计算。 4. 通过实验，实际了解组合夹具的组装工艺及调整方法，并合理使用各种工具和量具。 二、 实验内容及设备: 把组合夹具的元件和组合件，按一定的步骤和要求组装成加工零件所需的夹具，这就是组合夹具的组装工作，组装工作是夹具设计和装配的统一过程。 实验时提供图纸、元件实物，有钻床夹具、铣床夹具等，要求组装不同工件的组合夹具，分析其结构和使用方法。 三、 实验步骤: 1. 组装前的准备: 它是组装过程中一个重要环节。准备工作主要是掌握各种原始资料，产品加工图纸、工艺文件及了解组装室的元件种类、规格、数量等。根据零件的形状、尺寸、公差、材料等结合提供的实物，考虑工件的加工方法、工件的定位夹紧方法。 2. 构思结构方案: 1) 根据工件的定位方式及定位基准面选择定位元件。 2) 根据工件的夹紧方式选择夹紧元件。 3) 根据工件的大小，夹紧结构及加工机床条件选择基础件。 4) 选择其他元件，如引导元件、对刀元件、支承件及有关联接件。 5) 有些夹具应进行定位，调整尺寸计算。 构思结构方案，可以用草图形式表达出来，组合夹具结构草图是试装，组装及检验的主要依据，夹具草图一般要求: A:表示工件在装夹位置的夹具视图1-2个。 B:标注必要的相关位置及其公差，如引导套不能超过定位销之间的尺寸及公差定位销之间的尺寸及公差，对刀位至定位件尺寸及公差。 3. 试装夹具 根据构思方案及夹具草图，选择元件先摆一个“样子”，这时元件可不必紧固，这一步要解决以下几个问题。 1) 工件的定位和夹紧是否合理，可行，能否保证加工精度。 2) 工件的装卸、加工是否方便，切削清除是否便利。 3) 选用元件是否合理。 4) 夹具结构是否紧凑，刚性是否足够，稳定性如何, 5) 夹具在机床的安装是否可靠, 4. 组装和调整: 1) 将夹具元件擦洗干净，装上定位键然后由上到下，由内到外，按一定顺序将各元件 仔细地、可靠地联接起来。 2) 联接的同时，进行主要尺寸的调整，根据结构草图标定的尺寸及公差调整相应元件 或加纸垫等方法进行补偿，确保尺寸精度，一般夹具的公差要控制在工件的三分之 一至五分之一内，调整好的夹具要及时紧固，以免位置发生变化。 5. 检验组合夹具 43 四、 预习要求: 1. 组合夹具的特点及它与专用夹具的异同。 2. 组合夹具元件的分类及各自所起的作用。 五、实验报告: 1)实验目的 2)实验内容 3)填写组合夹具组装任务书 44 实验十 数控线切割加工演示实验 一、 实验目的及要求 1、了解电火花特种加工原理及线切割机床结构组装。 2、了解SM—IV型微机线切割控制器的使用、线切割加工程序的编辑方法。 3、演示加工过程。 二、 实验设备 SCX—2微控线切割机床 SM—IV微机线切割控制器 ST—16示波器 三、 实验步骤 1、 电火花加工原理 电火花加工是特种加工工艺方法之一，它是利用电能对导电材料进行尺寸加工。高频 脉冲电源以持续时间为10-6~10-8秒的脉冲形式加到工具电极(钼丝)和工件电极之 间，产生火花放电。电子撞击工作表面，使工件加工表面在瞬间急剧熔化、汽化和蒸 发，由于惯性效应将灼热的金属微粒抛出火花放电区，产生一个小圆穴。火花放电的 结果，使电极之间放电的间隙增大，通过信号检测、放大与伺服控制系统的共同作用， 使钼丝与工作间隙减少，并保持最佳的放电间隙状态。电蚀加工过程就会连续进行下 去，在金属表面上形成大量的圆穴，这些小圆穴无数次的重叠后，并形成工件的加工 表面。 线切割加工实际上是线电极电火花加工的简称，是电火花加工的一种方式，它是以金 属钼丝为工具电极，以被切割的材料为工具奠基，利用二者之间产生脉冲放电所形成 的电腐蚀进行切割加工。因此，可加工各种金属材料和高强度、高硬度、高韧性的导 电材料。如淬火钢、硬质合金钢。 2、 SM—IV型微机线切割控制器简介 SM—IV型微机线切割控制器适用于二维及四维电火花线切割机床的控制。具有以下 主要特征: (1) 全部采用触摸式防尘按键，在输入及检查中，拌以鸣叫提示以减少输入误码率。 (2) X、Y、U、V四轴均可设置齿隙补偿，补偿量0—255u (3) 大锥度切割小圆弧时保证步圆度小于1u。 (4) 加工时钼丝与工件短路能自动退回，同时按回退键，可动手快速退回。 (5) 程序能倒走加工。 (6) 可切割镜象对成图形，也可旋转任意角度。 (7) 一次可输入2399条线切割程序。 (8) 加工结束能控制自动关机。 (9) 可靠的断电保护功能。 (10) 可与编程机快速通讯。 3、 编程并校验。 4、 装夹工件毛坯，刀具，对刀设置。 5、 开机加工。 四、 实验报告 实验报告内容包括:零件加工图、程序、实验过程分析 45 附录一 金相显微镜的使用及金相试样的制备 一、 实验目的 (1) 了解台式金相显微镜的主要构造与使用方法。 (2) 了解金相试样的制备方法。 (3) 初步掌握利用金相显微镜进行显微组织分析的基本方法。 二、 实验概述 利用肉眼或放大镜观察分析金属材料的组织和缺陷的方法称为宏观分析。宏观分析的优点是方法简单易行，观察区域大，可以纵观全貌。它的不足之处是人眼鉴别率有限，缺乏洞察细微组织和细微缺陷的能力。为了研究金属材料的细微组织与缺陷，可采用显微分析。显微分析是利用放大倍数较高的金相显微镜，观察分析金属材料的显微组织和缺陷的方法。一般金相显微镜的放大倍数为十倍至2000倍，金属晶粒的平均值约在( )范围内，这正是借助于金相显微镜可看清的范围，故显微分析是目前生产检测与科学研究的常用方法之一。 为了能观察到真实的、清晰的显微组织，首先要了解金相显微镜的构造与使用，并制备好金相试样。 (一) 金相显微镜 研究金属显微组织的光学显微镜称为金相显微镜。金相显微镜不同于生物显微镜。生物显微镜是利用透视光来观察透明的物体;金相显微镜则利用反射光将不透明物体放大后进行观察或摄影。 图附,1金相显微成像原理图 1.金相显微镜的成像原理及放大倍数 正常人眼看物体时，最适宜的距离大约在250mm左右，这时人眼可以很好地区分物体的细微部分而不易疲劳，这个距离称为“明视距离”。一般人的眼睛在明视距离处能分辨的两点间最小距离约为0.15~0.30mm。因此，在观察金属材料的细微组织时需利用金相显微镜使之放大。 46 金相显微镜由两个透视组成，对着金相式样的透镜称为物镜，对着人眼的透镜称为目镜。现代金相显微镜中的物镜和目镜实际上不是单片透镜，而是由固定在金属筒内的组合透镜所构成的。金相显微镜通过物镜和目镜两次放大而得到倍数较高的放大象。图附,1为其放大成象原理图。将金相试样置于物镜前焦点F1外少许，则试样上被观察的物体(以箭头AB表示)在物镜的后方得到一个放大倒立的实象A”B’’。所以，人眼在目镜中观察到的是经物镜和两次放大的物象。 今相显微镜总算的放大倍数M应为物镜放大倍数M物与目镜放大倍数M目的乘积。物体AB可近似认为在物镜前焦点F1处，一次放大象近似认为在目镜的前焦点F2处，则显微镜的总的放大倍数应为: 250ΔM=M物?M目,? ff2 式中?——物镜后焦点F1到目镜的前焦点F2的距离，称为显微镜的光学镜长度; f 1——物镜的焦距; f 2——目镜的焦距; 现代金相显微镜的最高放大倍数可达1500~2000倍。 2.金相显微镜的鉴别率(分辨率) 显微镜的鉴别率是指在显微镜视场中能分辨出物体相邻两点的最小距离。由于物镜使被观察物体第一次放大，故显微镜的鉴别率主要取决于物镜的鉴别率。鉴别率不同的两个物镜，在显微镜上配成相同的放大倍数时，其显微观察的效果是不同的。如图3-2所示的试样细微组织中相邻的两点，在同样放大N倍下，当用鉴别率高的物镜时，可以清晰地把它们分辨出来，而只能看到已连成一片的轮廓(图3-2b)。 图附,2 物镜鉴别率示意图 a) 鉴别率高 b)鉴别率低 物镜的鉴别率取决于照明用的入射光线的波长和物镜的集光能力，其关系式为: λ d = 2N?A 式中 d——物镜能分辨出的物体相邻两点的最小距离; λ——照明用入射光的波长; N?A----物镜的数值孔径，它表示物镜的集光能力。 由公式，物镜的数值孔径N A(Numerical Aperture)愈大，入射光的波长λ愈短，则物镜能分辨出物体相邻两点的最小距离愈小，即其鉴别率愈高。 物镜的数值孔径用下式表示: N? A=nsinθ 式中 n ——物镜和试样间介质的折射率; θ ——物镜孔径半角。 47 进入物镜的光线锥所张开的角度称为物镜的孔径角，其半角为θ，如图附-3所示。 由于孔径半角θ总是小于90度，空气的折射率为1，故以空气为介质的干系物镜的数值孔径N A值总是小于1，目前最高可达0.95。若采用油浸物镜，在物镜与试样间滴以折射率为.515的松柏油为介质，则其数值孔径N A值可达1.43，这比以空气为介质时的鉴别率提高了许多。 图附,3 孔径半角 3.金相显微镜的有效放大倍数 人眼在明视距离处能分辨的两点最小距离为0.15~0.30mm，故在显微镜下要观察的两点的最小距离d能为人眼所分辨，必须把d放大到0.15~0.30mm,即显微镜的有效放大倍数M应为: 0.15,0.30M有效= d 而 λ d = 故 2N?A N?A M=(0.3,0.6) λ有效 若取照明光的平均波长λ为0.55μm,则近似得: M有效=(500~1000)N?A 由此可见，即使用数值孔径N A值为1.43的油浸物镜，也只能在1500倍以下才有效，这是光学金相显微镜的局限性所在，同时，根据有效放大倍数，可正确选择物镜与目镜的搭配，以充分发挥物镜的鉴别率而又不置造成虚放大。 例如:选用NA =0.65的32倍物镜，照明光度波长λ=0.55μm时， M有效=(500~1000)N?A=325~650? 因此，应选用10~20倍的目镜配用。如果目镜的倍数低于10倍，则物镜的鉴别率未能充分发挥;如果目镜的倍数高于20倍将会造成虚放大，仍不能显示超于物镜鉴别率的微细结构。 4.金相显微镜的构造 金相显微镜是由光学系统、照明系统和机械系统三部分组成，完善的金相显微镜还有 照明装置和其他附件。金相显微镜的形式很多，通常可分为台式、立式和卧式三类。 图附,4为国产XJB-1(4X)型小型台式金相显微镜光学及照明系统示意图。由灯泡1发出光线，经过聚光镜组2及反射镜13被会聚在孔径光阑12上，随后经过聚光镜组3，穿过半反射镜4后经补助透镜5再度将光线会聚在物镜6的后方焦平面上。最后，光线通过物镜，以平行光照亮试样，使其表面得到充分而均匀的照明。从试样反射回来的光线复经物镜6、补助透镜5、半反射镜4、补助透镜10以及棱镜9和棱镜8形成一个物体的放大倒立实像， 48 该象被目镜7再度放大。 图附,4 XJB,1(4X)型金相显微镜光学及照明示意图 XJB-1(4X)型金相显微镜构造如图附,5所示。它是采用倒置式光路，用安装在圆盘形底座15内的低压灯泡作为照明光源，利用灯座偏心套圈8调整光源位置。光源聚光系统、反射镜、孔径光阑14等都安装在底座内。 金相试样放在载物台1上，载物台与托盘之间有四方导架，并用粘性油加在两者之间，用手推动，可使载物台在水平面各方向上移动，以改变试样的观察部位。 粗调焦手轮7和微调焦手轮6共轴地安装在传动箱5的两 侧。旋转粗调焦手轮能使载物台迅速上升或下降，达到粗略调焦目的。微调焦手轮通过多级齿轮传动机构，使物镜作缓慢升降移动，达到精兢调焦目的。 物镜2安装在球面形的物镜转换器4上，转换器上同时可安装三个不同放大倍数的物镜，通过转换器绕轴旋转而变换观察用的物镜。 目镜9安装在目镜管10上，目镜管用固定螺钉11固定在联接座上。目镜管成45度倾斜，便于操作者观察。 孔径光阑13用以调节视场大小，一般以调节到其边缘正好与目镜视场同样大小或略小些为宜。有时为了观察某一试样的局部细微组织，也可将视场光阑缩小到期刚好包围此局部组织，以收到更好的效果。若视场光阑不在目镜视场正中，可通过两个调节螺钉12将其调到正中位置。 XJB-1(4X)型金相显微镜备有物镜、目镜，其放大倍数如表附-1所列。 表附3-1 XJB-1(4X)型金相显微镜的物镜和目镜 49 物镜 10? 40? 100?(油浸物镜) 总放大 目镜 5? 50? 200? 500? 10? 100? 400? 1000? 12.5? 125? 500? 1250? 图附,5 XJB(4X)型 金相显微镜构造 5(金相显微镜的使用及维护 金相显微镜是精密、践重的光学仪器，必须细心谨慎使用，认真负责维护。 (1) 使用XJB-(4X)型金相显微镜时，应按下列步骤进行: 1) 按放大倍数的要求，选配好物镜及目镜，分别安装在转换器的物镜座上及目镜筒内， 并使转换器转至固定位置。 2) 移动载物台，使物镜位于载物台中心孔的中央，然后把金相试样倒置在载物台上。 3) 将照明灯泡插头插入低压(6~8V)变压器插座中，然后接通变压器电源，并开亮灯 泡。 4) 旋转粗调焦手轮，直至所观察的象清晰为止。 5) 调节孔径光阑和视场光阑的大小，以获得最佳质量的物象。 6) 观察完毕，应立即关灯，以延长灯泡的使用寿命。 (2) 在金相显微镜的维护保养中，一般应注意以下事项: 1) 金相试样放在载物台之前，必须洗净、吹干，并注意操作者手的清规戒律洁干燥。 50 2) 光学零件必须保持清洁，切不可用手指触摸光学镜片。若发现镜面上有脏物或灰尘 时，应及时用吹灰球吹去灰尘或用擦镜头纸及二甲苯轻轻擦试清除，但不得用酒精， 以防透镜胶被深解。 3) 在更换物镜时，要防物镜受碰撞而损坏。在调焦时，要缓慢的旋转调焦手轮，谨防 物镜与试样接触相碰。 4) 使用照明灯泡时，必须通过低压变压器，切勿插入220V的电源插座，以免烧毁灯 泡。 5) 使用油浸物镜后，应立即用棉花沾取二甲苯深液擦净，再用擦镜头纸擦干。 6) 物镜、目镜内的镜片以及显微镜上其他光学构件不能私自拆卸。若出现故障，应立即报告老师处理。 (二)金相试样的制备 金相试样的制备包括取样、磨制、抛光、浸蚀四个步骤。制备好的试样应能观察到真实组织、无磨痕、麻点与水迹，并使金属组织中的夹杂物、石墨等不脱落，否则将会严重影响显微分析的正确性。 1( 取样 取样的部位和磨面的选择，应根据检验目的，先取有代表性的部位。例如:分析金属的缺陷和失效原因时，应在发生缺陷和失效部位取样，同时也在完好的部位取样，以便对比;检测脱碳层、化学热处理的渗层、淬火层、日粒度等应取横向截面或横向表层取样;研究带状组织及冷塑性变形工件的组织和夹杂物的变形情况等，则应截取纵向截面。 试样的截取可根据金属材料的性能而采用不同方法，如手锯、砂轮切割、机床截取、气割以及锤击等。但不论用哪种方法取样，都应避免试样受热或变形，从而引起金属组织变化。为防止受热，必要时应随时用水冷却试样。目前最理想的方法是用线切割，这种方法能进行较复杂部位的取样，而且不会引起金属组织变化。 选取金相试样的尺寸时要便于握持和易于磨制。常用的是直径12~20mm、高10~20mm的圆柱形试样，或边长12~20mm的正方柱体试样。对形状特殊或尺寸细小不易握持的试样，或为了试样不发生倒角，可采用如图附-6所示的机械镶嵌法或塑料镶嵌法。 图附,6 金相试样的镶嵌法 机械镶嵌法是将试样放在钢圈或小钢板中，然后用螺钉和垫片加以固定，如图附-6a、b所示。 塑料镶嵌法按其塑料加热与否，可分为冷塑镶嵌法和热塑镶嵌法两种。冷塑镶嵌法 51 是将试样放在事先准备好的金属圈内，把配制好的环氧树脂注入金属圈内，约2~3h后即可凝固(图附-6c)。热塑镶嵌法采用专用的镶嵌机，将试样放在塑料(聚氯乙烯、聚苯乙烯或电木粉)中加热到一定温度，并施加一定压力和保温一定时间，使镶嵌材料与试样固合在一起(图附-6)。 2( 磨制 截取试样后，将试样的磨面在砂轮上粗磨成平面。在磨制时，应握紧试样，使试样对砂轮的压力要均匀，且不宜太大，并随时用水冷却，以防受热引起金属组织变化。试样边缘的棱角若无保存必要时，均应磨钝或倒角，以免在细磨及抛光时损坏砂纸或抛光织物，甚至造成试样从抛光机上飞出伤人。 砂轮上粗磨的试样经清水冲洗并吹干后，随即依次在由粗到细的各号金相砂纸上细磨磨面。常用的砂纸号数有01、02、03、04四种，前者磨料较粗，后者较细。磨制时砂纸应平铺于厚下班板上，左手按住砂纸，左手握住试样，使磨面朝下并与砂纸接触，在轻微压力作用下，把试样向前推磨用力要均匀，务求平稳，否则会使磨痕过深，而且造成试样磨面的变形。试样退回时不得与砂纸接触。这样“单程单向”地反复进行，直到磨面上旧的磨痕被去掉、新的磨痕均匀一致为止。 在调换下一号更细砂纸时，应将试样上磨悄和砂料清除干净，并转动90度角，使新、旧磨痕垂直，直到将上一号砂纸所产生的磨痕全部消除为止。， 磨制铸铁试样时，为了防止石墨脱落或产生电告尾现象，可在砂纸上涂一薄层石墨或肥皂作为润滑剂。磨制较软的有色金属试样时，为了防止磨料嵌入软金属内和减少磨面的撕损现象，可在砂纸上涂一层机油、汽油、肥皂水深液或甘油水深液等润滑剂。 金相试样还可以用机械磨制来提高磨制效率。机械磨制是将磨料粗细不同的水砂 纸装在预磨机的各磨盘上，一边冲水、一边在转动的磨盘上磨制试样磨面。 3.抛光 抛光的目的在于去除磨面上的细磨痕和变形层，以获的光滑的镜面。常用的抛光方法有机械抛光、电解抛光、和化学抛光三种，其中以机械抛光应有最广，本实验仅介绍机械抛光。 机械抛光式在抛光机上进行的，它是靠抛光光料对磨面的磨削和流压作用而使其成为光滑的镜面。抛光机是由电动机主轴带动水平抛光盘转动，抛光盘的直径约为200~250mm，转速约为200~600r/min.抛光时应在抛光盘上装覆抛光织物，并在织物上加少量的抛光磨料，然后一将试样轻压在织物上进行抛光，并将试样从抛光盘中心到边缘作径向往复移动。抛光时间不宜过长，否则会导致表层金属变形及出现假象。 抛光织物和磨料和种类很多，可按不同要求选用。常用抛光织物有棉织物、毛织物、丝织物和人造纤维也纳织物等。钢一般用绒毛织物(丝绒、帆布、呢绒);灰铸铁用没有绒毛的织物，以防止石墨的脱落或拽尾;铝、镁、铜等有色金属可用丝绸。常用抛光磨料有氧化铝(AL2O3)、氧化铬(CR2O3)、氧化镁(MgO)及金刚石研磨膏(合成钻石研磨膏)等。一般钢、铸铁可用氧化铝、氧化铬及金刚石研磨膏;有色金属等软材料可用细粒度的氧化镁或微粒金刚石研磨膏。抛光时应将氧化物磨料配制成稀的含悬浮液。 抛光后的试样，其磨面应光亮无痕，且石墨或夹杂物等不应应抛掉或拽尾事象。这时试样先用清水冲洗，再用无水酒精清洗磨面，然后用吹风机吹干。 4.浸蚀 抛光后的试样磨面是光滑镜同，在显微镜下只能看到夹杂物、石墨、孔洞、裂纹等要观察金属的组织，必须经过适当的浸蚀，使显微组织能正确地显示出来。目前最常用的浸蚀方法是化学浸蚀法。 化学浸蚀法是将抛光好的试样磨面在化学浸蚀剂(常用酸、碱、盐的酒精或水深液)中浸润或拭擦一定时间，借助于化学或电化学作用显示金属的组织。 52 纯金属及单相合金的浸蚀是一个纯化学深解过种。由于晶界原子排列较乱，具有较高的能量，故晶界易被浸蚀而呈沟壑。在显微镜下观察时，使光线在晶界处被漫射而不能进入物镜，因此显示出一条条黑色的晶界。图附-7为在显微镜下铁素体晶界显示示意图及其显微组织。 图附,7 铁素体 应当提出，纯金属与单相合金中各个晶粒的成分虽然相同，但由于其原子排列位向不同，也会使磨面上各晶粒的深解程度不一样，使浸蚀后的试样磨面呈现轻微的凹凸不平，在垂直光线照射下，各个晶粒就呈现出明暗不一的颜色。 两相以上合金的浸蚀是一个电化学腐蚀过程。由于金属材料中各相的化学成分和结构不同，故具有不同的电极电极而被深解，电极电位高的相为阴极而保持不变。故在浸蚀后就形成了凹凸不平的表面，在显笥镜下，由于光线在各处的反射情况不同，在显微镜下就能观察到各种不同的相和显微组织。图附-8为层状珠光体中两相组织显示的示意图及其显微组织。 化学浸蚀剂的种类很多，应按金属材料的种类和浸蚀的目的，选择合适的浸蚀剂。最常用的浸蚀剂如表附-2所列。 浸蚀时，应将试样浸入一盛有浸蚀剂的容器内，并不断地轻微移动。待浸蚀适度后取出试样，迅速用水冲洗，再用无水酒精冲洗，然后用吹风机吹干。其表面需严格保持清洁。若不是立即观察时，应将试样保存于干燥器中。 浸蚀时间取决于金属的性质、浸蚀剂的浓度与温度以及显笥镜下观察时的放大倍数。总之，浸蚀时间以在显微镜下能清晰地揭示出组织的细节为准。若浸蚀不足，可再继续进行 53 图附,8 层状珠光体 浸蚀，但一旦浸蚀过度，试样则需重新抛光，甚至还需在最后一号砂纸上进行磨光。 表附-2 常见的化学浸蚀剂 序号 浸蚀剂名称 成分 适用范围 使用要点 硝酸酒精溶硝酸 1,5mL 碳钢及低合金钢的组硝酸含量按材料选择，1 液 酒精 100mL 织显示 浸蚀数秒钟 苦味酸酒精苦味酸 2,10g 对钢铁材料的细密组浸蚀时间自数秒钟至2 溶液 酒精 100mL 织显示较为清晰 数分钟 苦味酸 1,5, 苦味酸盐酸显示淬火及淬火回火浸蚀时间较上例为块3 盐酸 5mL 酒精溶液 后钢的晶粒合组织 些，约数秒钟至1min 酒精 100mL 苛性钠苦味苛性钠25g 酸水溶液(碱钢中的渗碳体、碳化加热煮沸浸蚀5,4 苦味酸 2g 性苦味酸钠物染成暗黑色 30min 水 100mL 溶液) 氯化铁 5g 显示不锈钢、高镍奥氯化铁盐酸5 盐酸 15,50mL 氏体钢、铜及铜合金浸蚀至显示组织 水溶液 水 100mL 组织 先将盐酸与甘油充分硝酸 10mL 混和酸甘油显示奥氏体镍铬合金混和，然后加入硝酸，6 盐酸 20,30mL 溶液 等组织 试样浸蚀前先用热水甘油 30mL 预热 (NH4)2S2,, 过硝酸铵水7 1,g 显示铜及铜合金组织 冷热使用均可 溶液 水 100mL 8 氢氧化钠水NaOH 1g 显示铝及铝合金组织 浸蚀数秒 54 溶液 水 100g 氢氟酸(浓) 1mL 盐酸 1.5mL 浸蚀10,20s或用棉花9 混和液 显示硬铝组织 硝酸 2.5mL 拭擦 水 95mL 氢氟酸(浓) 氢氟酸水溶10 0.5Ml 显示一般铝合金组织 用棉花揩擦 液 水 99.5mL 三、 实验设备及用品 (1) 金相显微镜 (2) 砂轮机、预磨机、抛光机、吹风机 (3) 不同粗细的金相砂纸一套、抛光磨料、浸蚀剂、无水酒精 (4) 待制备的金相试样等 四、实验方法与步骤 (1) 认真听取老师讲解金相显微镜的原理、构造和使用。熟悉金相显微镜的操作 规程和注意事项。 (2) 认真听取老师讲解金相试样的制备方法。 (3) 结合碳钢的成分、组织、性能实验的需要，每人按金相试样的制备步骤，把 实验一中已冲断的退火状态碳钢的冲击试样制备成一件合格的金相试样。 (4) 利用金相显微镜观察浸蚀前与浸蚀后的金相试样，并画出其浸蚀后的显微组 织示意图(绘显微组织时应选择典型区域，并抓住其组织特征)。 五、实验报告 (1) 记录与整理实验过程 试验材料 试样制备简要过程 试样的显微组织示意图 浸蚀剂 放大倍数 (2) 在金相显微镜下能否观察到金相试样磨面的外形轮廓和全貌,为什么, (3) 为什么未经制备过的金属材料，在金相显微镜下观察不到其显微组织, 55 56