实验一 金相显微镜的使用及第二个实验金相试样的制备

实验一金相显微镜的使用及第二个实验金相试样的制备 一、实验目的 1.了解普通金相显微镜的构造与使用方法 2.了解金相试样的制备方法 3.学习利用金相显微镜进行显微组织分析 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。为了研究金属材料的细微组织和缺陷,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细微组织和缺陷的方法。一般金相显微镜的放大倍数是10~2000倍,金属颗粒的平均直径在0.1~0.001mm范围内,正是借助于金相显微镜可看其轮廓的范围。故显微分析是目前生产检验与科学研究的主要方法之一。 为了能观察到真实、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射光来观察透明的物体,而金相显微镜则是利用反射光将不透明物体放大和进行观察。 1.金相显微镜成像原理 金相显微镜是由两个透镜组成,对着金相试样的透镜称为物镜,对着人眼的透镜称为目镜。现代金相显微镜的物镜与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。金相显微镜通过物镜与目镜两次放大而得到倍数较高的放大像。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 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。 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: d=λ/(2N·A) 式中:d——物镜能分辨出的物体相邻两点的最小距离; λ——照明用的入射光线的波长; N·A——物镜的数值孔径,它表示物镜的集光能力。 由 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 可见,物镜的数值孔径N·A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就愈小,即其鉴别率就愈高。 物镜的数值孔径用下式表示: N·A=n·sinθ 式中:n——物镜和试样间介质的折射率; θ——物镜孔径角的半角。 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间最小距离为0.15~0.30mm,故在显微镜下要使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: M=(0.15~0.30)/d 而d=λ/(2N·A) 故M=(0.3~0.6)N·A/λ 若取照明光的平均波长λ为0.55μm,则近似得出: M=(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,这正是光学金相显微镜的局限性。 (二)金相试样的制备 金相试样的制备包括取样、镶嵌、磨制、抛光、浸蚀等5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 选择合适的、有代表性的试样是进行金相显微分析的极其重要的一步,包括选择取样部位、检验面及确定截取方法、试样尺寸等。 (1)取样部位及检验面的选择 取样的部位和检验面的选择,应根据检验目的选取有代表性的部位。例如:分析金属的缺陷和破损原因时,应在发生缺陷和破损部位取样,同时也应在完好的部位取样,以便对比;检测脱碳层、化学热处理的渗层、淬火层、晶粒度等,应取横向截面;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时,则应截取纵向截面。 (2)试样的截取方法 试样的截取方法可根据金属材料的性能不同而异。对于软材料,可以用锯、车、刨等方法;对于硬材料,可以用砂轮切片机切割或电火花切割等方法;对于硬而脆的材料,如白口铸铁,可以用锤击方法;在大工件上取样,可用氧气切割等方法。在用砂轮切割或电火花切割时,应采取冷却措施,以减少由于受热而引起的试样组织变化。试样上由于截取而引起的变形层或烧损层必须在后续工序中去掉。 (3)试样尺寸和形状 金相试样的大小和形状以便于握持、易于磨制为准,通常采用直径ф15~20mm、高15~20mm 的圆柱体或边长15~20mm的立方体。 2、镶嵌 一般情况下,如果试样大小合适,则不需要镶嵌。但试样尺寸过小或形状极不 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 者(如金属丝、薄片、管等),制备试样十分困难,这时就需要使用试样夹或利用样品镶嵌机,把试样镶嵌在低熔点合金或塑料(如胶木粉、聚乙烯及聚合树脂等)中。 3、磨制 试样取下后,如是钢铁材料试样可先用砂轮磨平,如是很软的材料(如铝、铜等有色金属)可用锉刀锉平。在砂轮上磨制时,应握紧试样,使试样受力均匀,压力不要太大,并随时用水冷却,以防受热引起金属组织变化。此外,在一般情况下,试样的周界要用砂轮或锉刀磨成圆角,以免在磨光及当抛光时将砂纸和抛光织物划破。但是,对于需要观察表层组织(如渗碳层,脱碳层)的试样,则不能将边缘磨圆,这种试样最好进行镶嵌。 磨平的试样经清水冲洗并吹干后,随即把磨面依次在由粗到细的各号金相砂纸上磨光。常用的砂纸号数有01、02、03、04号4种,号小者磨粒较粗,号大者较细。磨制时砂纸应平铺于厚玻璃板上,左手按住砂纸,右手握住试样,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,且造成试样磨面的变形。试样退回时不能与砂纸接触,这样“单程单向”地反复进行,直至磨面上旧的磨痕被去掉,新的磨痕均匀一致为止。在调换下一号更细的砂纸时,应将试样上磨屑和砂粒清除干净,并转动90°角,使新、旧磨痕垂直。 金相试样的磨光除了要使表面光滑平整外,更重要的是应尽可能减少表层损伤。每一道磨光 工序必须除去前一道工序造成的变形层(至少应使前一道工序产生的变形层减少到本道工序生产的变形层深度),而不是仅仅把前一道工序的磨痕除去;同时,该道工序本身应尽可能减少损伤,以便进行下一道工序。最后一道磨光工序产生的变形层深度应非常浅,应保证能在下一道抛光工序中除去。 磨制铸铁试样时,为了防止石墨脱落或产生曳尾现象,可在砂纸上涂一薄层石墨或肥皂作为润滑剂。磨制软软的有色金属试样时,为了防止磨粒嵌入软金属内和减少磨面的划损,可在砂纸上涂一层机油、汽油、肥皂水溶液或甘油水溶液作润滑剂。 金相试样还可以用机械磨制来提高磨制效率。机械磨制是将磨粒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。配有微型计算机的自动磨光机可以对磨光过程进行程序控制,整个磨光过程可以在数分钟内完成。 4、抛光 抛光的目的在于去除磨面上的细磨痕和变形层,以获得光滑的镜面。常用的抛光方法有机械抛光、电解抛光和化学抛光3种。 (1)机械抛光 机械抛光是在专用的抛光机上进行的,抛光机主要是由电动机和抛光圆盘(Ф200~300mm)组成,抛光盘转速为200~600r/min以上。抛光盘上铺以细帆布、呢绒、丝绸等。抛光时在抛光盘上不断滴注抛光液。抛光液通常采用Al2O3、MgO或Cr2O3等细粉末(粒度约为0.3~1μm)在水中的悬浮液。机械抛光就是靠极细的抛光粉末与磨面间产生相对磨削和液压作用来消除磨痕的。操作时将试样磨面均匀地压在旋转的抛光盘上,并沿盘的边缘到中心不断作径向往复运动。抛光时间一般为3~5min。抛光后的试样,其磨面应光亮无痕,且石墨或夹杂物等不应抛掉或有曳尾现象。这时,试样先用清水冲诜,再用无水酒精清洗磨面,最后用吹风机吹干。 (2)电解抛光 电解抛光是利用阳极腐蚀法使试样表面变得平滑光高的一种方法。将试样浸入电解液中作阳极,用铝片或不锈钢片作阴极,使试样与阴极之间保持一定距离(20~30mm),接通直流电源。当电流密度足够时,试样磨面即由于电化学作用而发生选择性溶解,从而获得光滑平整的表面。这种方法的优点是速度快,只产生纯化学的溶解作用而无机械力的影响,因此,可避免在机械抛光时可能引起的表层金属的塑性变形,从而能更确切地显示真实的金相组织。但电解抛光操作时工艺规程不易控制。 (3)化学抛光 化学抛光的实质与电解抛光相类似,也是一个表层溶解过程。它是一种将化学试剂涂在试样表面上约几秒至几分钟,依靠化学腐蚀作用使表面发生选择性溶解,从而得到光滑平整的表面的方法。 5、浸蚀 经抛光后的试样若直接放在显微镜下观察,只能看到一片亮光,除某些非金属夹杂物(如MnS及石墨等)外,无法辨别出各种组成物及其形态特征,必须使用浸蚀剂对试样表面进行“浸蚀”,才能清楚地看到显微组织的真实情况。钢铁材料最常用的浸蚀剂为3%~4%硝酸酒精溶液或4%苦味酸酒精溶液。 最常用的金相组织显示方法是化学浸蚀法,其主要原理是利用浸蚀剂对试样表面的化学溶解作用或电化学作用(即微电池原理)来显示组织。对于纯金属单相合金来说,浸蚀是一个纯化学溶解过程。由于金属及合金的晶界上原子排列混乱,并有较高的能量,故晶界处容易被浸蚀而呈现凹沟。同时,由于每个晶粒原子排列的位向不同,表面溶解速度也不一样,因此,试样浸蚀后会呈现出轻微的凹凸不平,在垂直光线的照射下将显示出明暗不同的晶粒。对于两相以上的合金而言,浸蚀主要是一个电化学腐蚀过程。由于各组成具有不同的电极电 位,试样浸入浸蚀剂中就有两相之间形成无数对“微电池”。具有负电位的一相成为阳极被迅速浸入浸蚀剂中形成凹洼;具有正电位的另一相则为阴极,在正常电化学作用下不受浸蚀而保持原有平面。当光线照射到凹凸不平的试样表面时,由于各处对光线的反射程度不同,在显微镜下就能看到各种不同的组织和组成相。 浸蚀方法是将试样磨面浸入浸蚀剂中,或用棉花沾上浸蚀剂控试表面。浸蚀时间要适当,一般试样磨面发暗时就可停止。如果浸蚀不足,可重复浸蚀。浸蚀完毕后,立即用清水冲诜,接着用酒精冲洗,最后用吹风机吹干。这样制得的金相试样即可在显微镜下进行观察和分析研究。如果一旦浸蚀过度,试样需要重新抛光,甚至还需在04号砂纸上进行磨光,再去浸蚀。 三、实验设备及材料 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、抛光剂、浸蚀剂、无水酒精。 4、待制备的金相试样。 四、实验方法与步骤 1、了解金相显微镜及有关设备的构造,熟悉正常操作步骤及注意事项。 2、在教师指导下学习使用金相显微镜。 3、按金相试样的制备步骤,每人制备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(画显微组织时应选择其典型区域,并抓往其组织特征)。 5、认真完成实验报告。 实验二盐类晶体结晶过程观察 一、实验目的 1.通过对盐类的晶体结晶过程观察,为学习金属的结晶过程建立感性认识。 2.通过对盐类结晶后的组织特征——树枝状晶体的观察,建立金属晶体以树枝状形成的直观概念。 二、实验概述 金属由液体转变为固体晶体的过程称为结晶。结晶是由两个基本过程所组成,即过冷液体产生细小的结晶核心(形核)以及这些核心的成长(长大)。其中,形核又分为自发形核和非自发形核。通常情况下,由于外来杂质、容器或模壁等的影响,一般都是非自发形核。 由于金属不透明,通常不能用显微镜直接观察金属的结晶的过程。然而,通过生物显微镜可以直接观察盐溶液的结晶过程。实践证明,通过对透明盐类结晶过程的研究所得到的许多结论,对金属的结晶都是适用的。 在玻璃片上滴一滴接近饱和的氯化铵(NH4Cl)或硝酸铅Pb(NO3)2水溶液,放在生物显微镜(或改装的金相显微镜)下,观察其结晶过程,随着液体的蒸发,液体逐渐达到饱和,由于液滴边缘处最薄,故其将首先达到饱和,因此,结晶过程首先从边缘开始,然后逐渐向里扩展。 结晶的第一阶段是在液滴的最外层形成一圈细小的等轴晶体,这是由于液滴外层蒸发最快,在短时间内形成了大量晶核之故。 结晶的第二阶段是形成较为粗大的柱状晶体,其成长的方向是伸向液滴的中心,这是由于此时液滴的蒸发已比较慢,而且液滴的饱和顺序是由外向内的,最外层的细小等轴晶中只有少数位向有利的才能向中心生长,而其横向生长则受到了彼此间的限制,因而形成了比较粗大、带有方向性的柱状晶体。 结晶的第三阶段是在液滴中心部分形成不同位向的等轴晶体,这是由于液滴的中心此时也变 得较薄,蒸发也较快,同时液体的补充也不足的缘故。这时,可以看到明显的等轴晶体。氯化铵或硝酸铅水溶液的结晶是依靠水分的蒸发使溶液过饱和而结晶,而金属的结晶则是液态金属在冷却过程中在一定的过冷度下发生的。虽然它们存在上述差别,但我们可以从实验中看到晶体生长的共同特点是: (1)结晶的规律是形核和长大。 (2)晶体通常是以枝晶形式生长。 三、实验设备及材料 1.生物显微镜或经改装的金相显微镜。 2.玻璃片、吸管、放大镜、反光镜。 3.饱和的氯化铵或硝酸铅水溶液。 四、实验 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 及步骤 1.将氯化铵或硝酸铅溶解在水中,并使他们的水溶液成饱和状态(在配制时可以将水溶液微微加热,使盐分别溶解到水溶液中,直至呈饱和状态为止)。 2.用玻璃棒或吸管把过饱和溶液点滴在一块玻璃片上,在将玻璃片放在生物显微镜的试样台上,如果将玻璃片放在金相显微镜试样台上,还需在玻璃片上搁置一块反光镜,即后便可在显微镜中观察到它们的结晶过程。 五、注意事项 1.用玻璃棒或吸管点滴过饱和盐溶液量要适中,一般不宜太多,否则蒸发太慢,不易结晶。 2.由于饱和盐溶液的结晶过程相当快,故实验操作要求迅速。 3.观察饱和盐溶液结晶用的玻璃片和玻璃棒或吸管要保持清洁,不要让外来物质落入液滴而影响结晶过程。 4.在使用显微镜时,应防止液滴流到试样台或显微镜的其他位置,尤其不能让液滴碰到物镜。 5.显微镜的放大倍数不大于100倍。 6.认真完成实验报告。 实验三铁碳合金平衡组织观察 一、实验目的 1.初步识别各种铁碳合金在平衡状态下的显微组织特征。 2.分析成分(含碳量)对铁碳合金显微组织的影响,从而加深理解成分、组织与性能之间的相互关系。 二、实验概述 铁碳合金的显微组织是研究和分析钢铁材料性能的基础。所谓平衡状态的显微组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下(如退火状态即接近平衡状态)所得到的组织。我们可以根据Fe-Fe3C相图来分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织。 铁碳合金的平衡组织主要是指碳钢和白口铸铁的室温组织。从Fe-Fe3C相图上可见,碳钢和白口铁的室温组织均由铁素体和渗碳体这两个基本相所组成。但是由于含碳量不同,铁素体和渗碳体的相对数量、析出条件以及分布情况均有所不同,因而呈现各种不同的组织形态。 (一)铁碳合金室温下基本组织组成物的显微组织特征 各种不同成分的铁碳合金在室温下的显微组织见书中示意图。 用浸蚀剂显露的碳钢和白口铸铁。在金相显微镜下具有下面几种基本组织组成物。 1.铁素体(F) 铁素体是在碳在α—Fe中的固溶体。铁素体为体心立方晶体,具有磁性及良好的塑性,硬度较低,用3%—4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈现明亮的等轴晶粒;亚共析钢中铁素体呈块状分布;当含碳量接近于共析成分时,铁素体则呈断续的网状分布于珠光体周围。 2. 渗碳体(Fe3C) 渗碳体是铁和碳形成的一种化合物,其含碳量为6.69%,质硬而脆,耐腐蚀性强,经3%—4%硝酸酒精溶液浸蚀后,渗碳体呈亮白色,若用苦味酸钠溶液浸蚀,则渗碳体能被染成黑色或棕红色,而铁素体仍为白色,由此可区别铁素体与渗碳体。按照成分和形成条件的不同,渗碳体可以呈现不同的形态:一次渗碳体是直接由液体中结晶出来的,故在白口铸铁中呈粗大的条片状;二次渗碳体是从奥氏体中析出的,往往呈网络状沿奥氏体晶界分布;三次渗碳体是从铁素体中析出的,通常呈不连续薄片状存在于铁素体晶界处,数量极微,可忽略不计。 3.珠光体(P) 珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物。在一般退火处理情况下,是由铁素体与渗碳体相互混合交替排列形成的层片状组织。经硝酸酒精溶液侵蚀后,在不同放大倍数的显微镜下可以看到具有不同特性的珠光体组织。 高碳工具钢经球化退火处理后还可从中获得球状珠光体。 4.莱氏体(Ld) 莱氏体是在室温时珠光体及二次渗碳体和渗碳体所组成的机械混合物。含碳量为4.3%的共晶白口铸铁在1147摄氏度是形成由奥氏体和渗碳体组成的共晶体,其中奥氏体冷却时析出二次渗碳体,并在723摄氏度以下分解为珠光体。莱氏体的显微组织特征是在亮白色的渗碳体基底上相间地分布着暗黑色斑点及细条状的珠光体。二次渗碳体和共晶渗碳体连在一起,从形式上难以区分。 (二)铁碳合金平衡组织的显微分析 Fe—Fe3C相图的各种合金,按其含碳量与平衡组织的不同,可分为工业纯铁、碳钢及白口铸铁3类。 1.工业纯铁 纯铁在室温下具有单相铁素体组织。含碳量小于0.0218%的铁碳合金通常称为工业纯铁。它是两相组织,即由铁素体和少量渗碳体组成。 2.碳钢 含碳量在0.0218%~2.11%范围内的铁碳合金称为碳钢。按其含碳量与平衡组织的不同,可分为亚共析碳钢、共析碳钢和过共析碳钢3种。 (1)亚共析钢 亚共析钢的含碳量在0.0218%~0.8%范围内,其组织有铁素体和珠光体所组成。随着含碳量的增加,铁素体的数量则相应的逐渐减少,而珠光体的数量则相应增多,两者的相对量可由杠杆定律求得。 (2)共析钢 含碳量为0.8%的碳钢称为共析钢,它由单一的珠光体组成。 (3)过共析钢 含碳量在0.8%~2.11%范围内的碳钢称为过共析钢,它在室温下的组织由珠光体和二次渗碳体组成。钢中的含碳量越多,二次渗碳体的数量越多。二次渗碳体呈网状分布于晶界上。3.白口铸铁 白口铸铁是含碳量为2.11%~6.69%范围内的铁碳合金,按其含碳量及平衡组织的不同,又可分为亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁3种。 (1) 亚共晶白口铸铁 含碳量为2.11%~4.3%范围内的白口铸铁称为亚共晶白口铸铁。室温下亚共晶白口铸铁的组织为珠光体、二次渗碳体和莱氏体。 (2) 共晶白口铸铁 共晶白口铸铁的含碳量为4.3%,它的室温下的组织是单一的共晶莱氏体组织,经侵蚀后, 在显微镜下珠光体呈暗黑色细条及斑点状,渗碳体呈亮白色。 (3) 过共晶白口铸铁 含碳量为4.3%~6.69%范围内的白口铸铁称为过共晶白口铸铁。在室温下的组织由一次渗碳体和莱氏体组成。用硝酸酒精溶液侵蚀后,在显微镜下可观察到在暗色斑点状的莱氏体基底上分布着亮白色粗大条片状的一次渗碳体。 三.实验设备及材料 1.金相显微镜 2.金相图谱 3.各种铁碳合金的金相显微试样 四.实验内容及步骤 1.认真观察各种材料的显微组织,识别各显微组织的特征。 2.在显微镜下选择各种材料的显微组织的典型区域,并根据组织特征绘出其显微组织示意图。 3.记录所观察的各种材料的牌号或名称、显微组织、放大倍数及侵蚀剂,并把显微组织示意图中组织组成物用箭头标出其名称。 4.对指定钢样,根据显微组织中各组织所占面积,近似估算其平均含碳量及其钢号。 五.注意事项 1.在观察显微组织时,可先用低放大倍数全面的进行观察,找出典型组织,然后再用高放大倍数放大,对部分区域进行详细的观察。 2.在移动金相试样时,不得用手指触摸试样表面或将试样重叠起来,以免引起显微组织模糊不清,影响观察效果。 3.画组织图时,应抓住组织形态的特点,画出典型区域的组织,注意不要将磨痕或杂质画在图上。 4.认真完成实验报告。 实验四金属材料的硬度试验 一.试验目的 1.了解硬度测定的基本原理及应用范围。 2.了解布氏、洛氏硬度试验机的主要结构及其操作方法。 3.初步建立碳钢的含碳量与其硬度间的关系。 二.实验概述 金属的硬度可以认为是金属材料表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的一种能力。硬度测量能给出金属材料软硬程度的数量概念。由于在金属表面以下不同深处材料所承受的应力和所发生的变形程度不同,因而硬度值可以综合的反映压痕附近局部体积内金属的弹性,微量塑变抗力、塑变强化能力以及大量形变抗力。硬度值越高,表明金属抵抗塑性变形的能力越大,材料产生塑性变形就越困难。另外,硬度与其他机械性能(如强度指标σb及塑性指标ψ和δ)之间有着一定的内在联系。因此,从某种意义上说,硬度的大小对机械零件或工件的使用性能及寿命具有决定性的意义,故在产品 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 图纸的技术条件中,硬度是一项主要的指标。目前,测定硬度的方法很多,在机械工业中,广泛采用压入法测硬度,其中又以布氏硬度和洛氏硬度应用最为普遍。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的金属材料的表面,根据压头被压入的程度来测定其硬度值。因此,在工艺生产中,它们被广泛应用于产品质量的检验。 (一)布氏硬度(HB) 1.布氏硬度测定的基本原理 布氏硬度测定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,保持一定时间,然后卸除载荷,根据钢球在金属表面上所压出的凹痕面积F凹,求出平均应力值,以此作为硬度值的计量指标,并用符号HB表示,其计算公式如下: HB=P/F凹 式中: HB为布氏硬度值; P为载荷(N) F凹为压痕面积(mm2) 根据压痕面积和球面之比等于压痕深度h和钢球直径之比的几何关系,可知压痕部分的球面积为: F凹=πDh 式中:D为钢球直径(mm); h为压痕深度(mm); 由于测量压痕d要比测量压痕深度h容易,故可将上式中h改换成d。 HB=P/(πDh)=2P/(πD(D-(D2-d2)1/2)) 式中只有d是变量,故只需要测出压痕直径d,再根据已知D和P值,就可以计算HB值。在实际测量时,可由测出之压痕直径d直接查表得到HB值。 由于金属材料有硬有软,所测工件有厚有薄,因此,在测量不同材料的布氏硬度值时,就要求有不同的载荷P和钢球直径D。 2.布氏硬度测定的技术要求 (1)试样表面必须平整光洁,以使压痕边缘清晰,保证精确测量压痕直径d。 (2)压痕距离试样边缘应大于D,两压痕之间距离应不小于D。 (3)用读数显微镜测量压痕直径d时,应从相互垂直的两个方向上进行,取其平均值。 (4)为了表明试验条件,可在HB值后标注D/P/T,如HB10/3000/10即表示此硬度值是在D为10mm;P为3000N;T为10秒的条件下得到的。 3.布氏硬度实验机的结构和操作 HB—3000型布氏硬度试验机。试验时,将试样放在工作台上,按顺时针方向转动手轮,使工作台上升,直至试样与压头接触,并在手轮打滑后,再开动电动机,经二级蜗轮蜗杆减速器减速后,驱动连杆与摇杆向下运动,此时压头即可由砝码通过大杠杆、小杠杆及压轴作用,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,曲轴连杆带动摇杆上升而卸除载荷,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,根据d的大小查表,即可求得布氏硬度值。 (二)洛氏硬度(HR) 1. 洛氏硬度测定的基本原理 洛氏硬度和布氏硬度一样,也属压入硬度法,但它不是测定压痕面积,而是根据压痕深度来确定硬度值指标。 洛氏硬度实验所用压头有两种:一种是顶角为120度的金刚石圆锥,另一种是直径为1.588mm或3.176mm的淬火钢球。根据金属材料软硬程度的不一,可选用不同的压头和载荷配合使用,最常用的是HRA、HRB和HRC,这3种洛氏硬度的压头。 洛氏硬度值得计算法公式如下: HR=(K-(h3-h1))/0.002 式中:h1——预加载荷压入试样的深度(mm); h3——卸除主载荷后压入试样的深度(mm); K——常数,录用金刚石圆锥时,K为0.2(用于HRA,HRC),采用钢球时,K为0.26(用于HRB)。 因此,上式可改为: HRC(或HRA)=100-500(h3-h1) HRB=130-500(h3-h1) 2.测定布氏硬度的技术要求 (1)根据被测金属材料的硬度高低选定压头和载荷。 (2)试样表面应平整光洁,不得有氧化皮或油污以及明显的加工痕迹。 (3)试样厚度应不小于压入深度的10倍。 (4)两相邻压痕及压痕离试样边缘的距离不应小于3mm。 (5)加载时,力的作用线必须垂直于试样表面。 3. 洛氏硬度试验机的结构和操作 HR—150型(原H—100型)洛氏硬度试验机的结构。试验时,将试样6放在工作台5上,按顺时针方向动手轮3,使工作台上升,直至试样与压头7接触,继续转动手轮,通过压头和压轴8顶起杠杆10,并带动指示器表盘9的指针转动。待小针对准黑点,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98.1N(或10Kgf)的预载荷,随后转动指示器表盘,使大针对准“O”(测HRB时对准“30”),再按下按钮1,释放转置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停留数秒钟后,再扳动手柄2,使转盘顺时针方向转动,直至原来被销住的位置。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,故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C标尺,HRB读B标尺)。 三、实验设备及材料 1.HB—3000型布氏硬度试验机。 2.HB—150型洛氏硬度试验机。 3.读数放大镜。 4.试样:Φ20×10mm45钢和T12钢,正火及淬火状态。 四.实验内容及步骤 1.分成两大组,分别进行布氏和洛氏硬度试验,并相互轮换。 2.在进行试验操作前,必须事先阅读并弄清布氏和洛氏硬度试验机的结构和注意事项。 3.按照规定的操作顺序测定试样的硬度值。 五.注意事项 1.试样两端要平行,表面应平整,若有油污和氧化皮,可用砂纸打磨,以免影响测试。 2.圆柱形试样应放在带有”v”型的工作台上操作,以防试样滚动。 3.加预载荷98.1N时,若发现阻力太大,应停止加载,立即报告,检查原因。 4.加载时,应小心操作,以免损坏压头。 5.测完硬度值时,卸掉载荷后,必须使压头完全离开试样后再取下试样。 6.金刚钻压头系贵重物品,质硬而脆,使用时要小心谨慎,严禁与试样和其它物件碰撞。 7.应根据硬度试验机使用范围,按规定合理地选用不同的载荷和压头,若超过使用范围,将不能获得正确的硬度值。 8.认真完成试验报告。 实验五碳钢的热处理 一、实验目的 1、了解碳钢普通热处理(退火、正火、淬火、回火)的操作方法。 2、分析碳钢在热处理时含碳量、加热温度、冷却速度及回火温度等主要因素对碳钢热处理后组织与性能的影响。 3、了解金属材料的硬度试验方法。 二、实验概述 热处理是一种很重要的金属加工工艺方法,也是充分发挥金属材料性能潜力的重要手段。热处理的主要目的是改变钢的性能,其中包括使用性能及工艺性能。热处理之所以能使钢的性能发生显著变化,主要是由于钢的内部组织结构可以发生一系列的变化。采用不同的热处理工艺过程,将会使钢得到不同的组织结构,从而获得所需要的性能。钢的热处理工艺特点是:将钢加热到一定的温度,经一段时间的保温,然后以某种速度冷却下来,通过这样的工艺过程能使钢的性能发生改变。 (一)碳钢的普通热处理工艺方法 1.钢的退火:钢的退火通常是把钢加热到临界温度Ac1或Ac3线以上,保温一段时间,然后缓慢地随炉冷却。此时,奥氏体在高温区发生分解,从而得到比较接近平衡状态的组织。一般中碳钢(如40、45钢)经退火后消除了残余应力,组织稳定,硬度较低(HB180~220)有利于下一步进行切削加工。 2.钢的正火:钢的正火通常是把钢加热到临界温度Ac3或Accm线以上,保温一段时间,然后进行空冷。由干冷却速度稍快,与退火组织相比,组织中的珠光体量相对较多,且片层较细密,故性能有所改善,细化了晶粒,改善了组织,消除了残余应力。对低碳钢来说,正火后提高硬度可改善切削加工性,提高零件表面光洁度;对于高碳钢,则正火可消除网状渗碳体,为下一步球化退火及淬火作好组织准备。 3.钢的淬火:钢的淬火通常是把钢加热到临界温度Ac1或Ac3线以上,保温一段时间,然后放入各种不同的冷却介质中快速冷却(V冷>V临),以获得具有高硬度、高耐磨性的马氏体组织。 4.钢的回火:钢的回火通常是把淬火钢重新加热至Ac1线以下的一定温度,经过适当时间的保温后,冷却到室温的一种热处理工艺。由于钢经淬火后得到的马氏体组织硬而脆,并且工件内部存在很大的内应力,如果直接进行磨削加工则往往会出现龟裂,一些精密的零件在使用过程中将会引起尺寸变化从而失去精度,甚至开裂。因此,淬火钢必须进行回火处理。不同的回火工艺可以使钢获得各种不同的性能。 (二)碳钢普通热处理工艺 1.加热温度:碳钢普通热处理的加热温度,原则上按加热到临界温度Ac1或Ac3线以上30~ 50℃选定。但生产中,应根据工件实际情况作适当调整。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、变形、开裂等倾向增加。但加热温度过低,也达不到要求。 2.加热时间:热处理的加热时间(包括升温与保温时间)与钢的成分、原始组织、工件的尺寸与形状、使用的加热设备与装炉方式及热处理方法等许多因素有关。因此,要确切计算加热时间是比较复杂的。在 实验室 17025实验室iso17025实验室认可实验室检查项目微生物实验室标识重点实验室计划 中,一般按照经验公式加以估算。回火的保温时间,要保证工件热透并使组织充分转变。组织转变时间一般不大于0.5小时,但热透时间则随回火温度、工件有效厚度、装炉量及加热方式而异。生产中,一般为1~3小时。由于实验所用试样较小,故回火保温时间可为30分钟。 3.冷却方法: a.退火冷却方式:钢退火时,一般采用随炉冷却到600~550℃以下再出炉空冷。 b.正火冷却方式:钢正火时,一般采用在空气中冷却。 c.淬火冷却方式:钢淬火时,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,从而保证工件不转变为珠光体型组织;而在Ms点附近的冷却速度应尽可能低,从而降低淬火内应力,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,常采用简易的单液淬火法,如碳钢用水或盐水液作冷却介质,合金钢常用油作冷却介质。 d.回火冷却方式:碳钢回火时,一般采用在空气中冷却。 (三)碳钢含碳量对淬火后硬度的影响 在正常淬火条件下,钢的含碳量越高,淬火后的硬度也越高。但含碳量大于0.8%的钢,一般低碳钢淬后,硬度在HRC40左右;中碳钢淬火后,硬度可达HRC50~62;高碳钢淬火后,硬度高达HRC62~65。 (四)不同的回火温度对碳钢硬度的影响 淬火钢在回火过程中发生了一系列的组织变化,这必然会引起机械性能发生相应的变化。淬火钢的回火,实质上是一个软化过程,性能变化的总趋势是,随着回火温度的升高,硬度、强度降低,而塑性、韧性提高。 三、实验设备及材料 1、实验用的箱式电阻加热炉(附测温控温装置)。 2、洛氏硬度计。 3、冷却剂:水;10号机油(使用温度约20℃)。 4、实验试样:45钢3块(每组);T10钢3块(每组);20钢、45钢、T8钢、T10钢各1块(每组)。 四、实验内容与步骤 1、学生分3个小组,按组领取实验试样,并打上钢号,以免混淆。 2、一组学生将3块45钢试样加热到820~840℃,保温15分钟,然后分别进行空冷、油冷和水冷,其后,分别测定它们的硬度,并作好记录。 3、一组学生将3块T10钢试样加热到770℃,保温15分钟后水冷,然后再分别放入200℃、400℃、600℃的电炉中回火30分钟。回火后的冷却,一般可用空冷。其后,分别测定回火后试样的硬度,并作好记录。 4、一组学生将20钢、45钢、T8钢、T10钢分别按它们的正常淬火温度加热(20钢:900℃; 45钢:840℃;T8钢:770℃;T10钢:770℃),保温后取出在水中冷却,然后测定淬火后硬度,并作好记录。 5、每组学生互相交换数据,各自整理(如果有条件,以上试验每组都可做一遍)。 五、注意事项 1、学生在实验中要有所分工,各负其责。 2、淬火冷却时,试样要用夹钳夹紧,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3次硬度,并计算其平均值。 4、热处理时应注意安全操作。