工程材料指导书重点Word格式.docx
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退火
400×
3%硝酸酒精
单一等轴晶F(少量夹杂),在显微镜中只能见F晶界及夹杂
2
20#
同上
F(白色晶粒)+P(黑色晶粒)
3
45#
同上,但P量多
4
T8
片状P,无晶界显示
5
T12
100×
沿晶界白色网状Fe3CII,晶内黑色P(局部少量的片状P)
6
亚共晶白口铸铁
组织为(P+Fe3CII)+Le,黑色树枝状为P,Le是Fe3C(白色)和P(均匀分布黑色小点或条状组织)
表2Fe-C合金非平衡组织观察样品状态
势处理工艺
45
淬火
500×
3%HNO3酒精
黑色竹叶状互成120度针状M,其余板条M.
T8钢
正火
索氏体
正火组织
65Mn
等温淬火
200×
上贝氏体
快冷正火
屈氏体
附录一金相显微镜的使用
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4为XJP-2型金相显微镜外型及构造图。
图4XJP-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5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5光学显微镜成像原理图
得到倒立的实象
。
显微镜的构造使
位于目镜2与其焦点
之间,目镜2又将实象
进行第二次放大得到与
方位相同的虚象
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
XJP-2型金相显微镜光学系统见图6。
图6XJP-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,图15中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。
实验二碳钢的热处理及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;
3.了解显微硬度的测量范围及方法;
4.熟悉碳钢热处理的基本方法;
5.了解不同热处理方法对碳钢组织与性能的影响。
二、实验设备和工具
1.加热炉;
2.硬度机;
3.热处理试样。
4.洛氏硬度计、布氏硬度计。
三、实验原理
1.铁碳合金热处理过程中加热、保温、冷却的方式,时间对材料组织有着巨大的影响,不同的处理方式可以得到不同组织,其力学性能尤其是硬度也就不同。
故可以尝试不同的加热温度,冷却方式,回火温度得到不同的组织,并测试其硬度加以验证。
2.硬度是指一种材料抵抗另一较硬的具有一定形状和尺寸的物体(金刚石压头或钢球)压入其表面的阻力。
由于硬度试验简单易行,又无损于零件,因此在生产和科研中应用十分广泛。
另外,硬度和抗拉强度之间有近似的正比关系:
σb=K·
HB×
10MN/m2
式中K为系数,对不同材料和其不同的热处理状态K值不同。
例如,碳钢的K值为0.36调质状态的合金钢为0.34,铸铝为0.26。
常用的硬度试验方法有:
洛氏硬度计:
主要用于金属材料热处理后的产品性能检验。
布氏硬度计:
应用于黑色、有色金属原材料检验,也可测一般退火、正火后试件的硬度。
维氏硬度计:
应泪于薄板材料及材料表层的硬度测定,以及较精确的硬度测定。
显微硬度计:
主要应用于测定金属材料的显微组织及各组成相的硬度。
3.⑴洛氏硬度试验,是用特殊的压头(金刚石压头或钢球压头),在先后施加两个载荷(预载荷和总载荷)的作用下压入金属表面来进行的,总载荷P为预载荷P0和主载荷P1之和,即p=P0+P1。
洛氏硬度值是施加总载荷P并卸除主载荷P1后,在预载荷P0继续作用下,由主载荷P1引起的残余压入深度e来计算(图2-5)。
图1洛氏硬度测量原理示意图
图1中,h0表示在预载荷P0作用下,压头压入被试材料的深度;
h1表示施加总载荷P并卸除主载荷P1,但仍保留预载荷P0时,压头压入被试材料的深度。
深度差e=h1-h0,该值用来表示被测材料硬度的高低。
在实际应用中,为了使硬的材料得出的硬度值比软的材料得的硬度值高,以符合一般的习惯,将被测材料的硬度值用公式加以适当变换。
即
HR=[K-(h1-h0)]/C
式中,K为一常数,其值在采用金刚石压头时为0.2,采用钢球压头时为0.26;
C为另一常数,代表指示器读数盘每一刻度相当于压头压入被测材料的深度,其值为0.002mm。
HR为标注洛氏硬度的符号。
当采用金刚石压头及150kg的总载荷试验时,应标注HRC;
当采用钢球压头及100kg总载荷试验时,则应标注HRB。
HR值为一无名数,测量时可直接由硬度计表盘读出。
表盘上有红、黑两种刻度,红线刻度的30和黑线刻度的0相重合,见图2。
图2洛氏硬度计的刻度盘
为了扩大洛氏硬度的测量范围,可采不同的压头和总载荷配成不同的洛氏硬度标度,每一种标度用同一个字母在洛氏硬度符号HR后加以注明,常用的有HRA,HRB,HRC等三种。
试验规范见表1。
标度符号
压头
总载荷kg
表盘上
刻度颜色
常用硬度
值范围
应用举例
HRA
金刚石圆锥
50
黑线
70-85
碳化物、硬质合金、表面硬化工件等
HRB
1/16"
钢球
100
红线
25-100
软钢、退火钢、铜合金等
HRC
150
20-67
淬火钢、调质钢等
HRD
40-77
薄钢板、表面硬化工件等
HRE
1/8"
70-100
铸铁、铝、镁合金、轴承合金等
HRF
60
40-100
薄硬钢板、退火铜合金等
HRG
31-94
磷青铜、铍青铜等
表1各种洛氏硬度值的符号、试验条件与应用
⑵.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均相同。
图3为洛氏硬度计机构示意图。
4.⑴布氏硬度实验是用载荷P把直径为D的淬火钢球压入试件表面,并保持一定时间,而后卸除载荷,测量钢球在试样表面上所压出的压痕直径d,从而计算出压痕球面积F,然后再计算出单位面积所受的力(P/F值),用此数字表示试件的硬度值,即为布氏硬度,用符号HB表示。
布氏硬度试验原理如图4所示。
图3洛氏硬度计机构示意图
设压痕深度为h,则压痕的球面积为:
F=πDh=πD/2(D-D2-d2)
HB=P/F=2P/πD(D-D2-d2)kg/mm2
式中
P-施加的载荷,kg;
D-压头(钢球)直径,mm;
d-压痕直径,mm;
F-压痕面积,mm2.
图4布氏硬度计试验原理示意图
由于金属材料有硬有软,工件有厚有薄,有大有小,为适区不同的情况,布氏硬度的钢球Φ0.5mm,Φ5mm,Φ10mm三种。
载荷有15.6kg,62.5kg,187.5kg,250kg,750kg,1000kg,3000kg六种。
当采用不同大小的载荷和不同直径的钢球进行布氏硬度试验时,只要能满足P/D2为常数,则同一种材料到得的布氏硬度值是相同的。
而不同材料所列得的布氏硬度值也可进行比较。
国家标准规定P/D2的比值为30,20,2.5三种。
根据金属材料种类,试样硬度范围和厚度的不同,按照表2.5中的规范选择钢球直径D,载荷P及载荷保持时间。
在试样厚度和载面大小允许的情况下,尽可能选用直径大的钢球和大的载荷,这样更易反映材料性能的真实性。
另外,由于压痕大,测量的误差也小。
所以测定钢的硬度时,尽可能用Φ10mm钢球和3000kg的载荷。
试验后的压痕直径应在0.25D<
d<
0.6D的范围内,否则试验结果无效。
这是因为若d值太小,灵敏度和准确性将随之降低。
若d值太大,压痕几何形状不能保持相似的关系,影响试验结果的准确性。
将测量的压痕直径值查表2-8即得试样硬度值。
布氏硬度值的表示方法是:
若用10mm钢球,在3000kg载荷下保持10s,测得布氏硬度值为400时,可表示为HB400。
在其它试验条件下,符号HB应以相应的指数注明钢球直径、载荷大小及载荷保持的时间。
例如HB5/250/30=100即表示:
用5mm直径钢球,在250kg载荷下保持30s时,所到得的布氏硬度为100。
表2布氏硬度试验规范
金属类型
布氏硬度
范围HB
试件厚度
mm
载荷P与压头
直径D的关系
钢球直径
D.mm
载荷P,kg
载荷保持
时间,s
黑
色
金
属
140-450
6-2
4-2
<
P=30D2
10
5.0
2.5
3000
750
187.5
140
>
6-3
P=10D2
10.0
1000
250
62.5
有
130
30
36-130
9-3
8-35
P=2.5D2
15.6
⑵.布氏硬度试验的优缺点
因布氏硬度试验压痕面积较大,其硬度值代表性较全面。
因此特别适用于测定灰口铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料。
试验数据较稳定,重复性也强。
布氏硬度值和强度极限(σb)的关系见表2-6。
其换算式为经验公式,知道硬度后可以粗略地估计其它某些机械性能,但铸铁不能用此经验公式。
布氏硬度用的压头是淬火钢球。
由于钢球本身存在变形和硬度问题,所以不能测试太硬的材料,一般大于HB450的材料即不能使用。
布氏硬度压痕较大,产品检验时有困难。
试验过程比洛氏硬度复杂,不能在硬度计上直接读数,还需用带刻度的低倍放大镜测出压痕直径,然后通过查表或计算才能得到布氏硬度值。
布氏硬度试验常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等的原材料以及结构钢调质后的硬度。
各种硬度值的换算见表2-7。
四、实验步骤
洛氏硬度计操作方法如下:
1)选择压头及载荷。
2)根据试样大小和形状选用载物台。
3)将试样上下两面磨平.然后置于载物台上。
4)加预载。
按顺时针方向转动升降机构的手轮,使试样与压头接触.并观察读数百分表上小针移动至小红点为止。
5)调整读数表盘,使百分表盘上的长针对准硬度值的起点。
如试验HRC、HRA硬度时,把长针与表盘上黑字C处对准。
试验HRB时,使长针与表盘上红字B处对准。
6)加主载。
平稳地扳动加载手柄,手柄自动升高至停止位置(时间为5—7s),并停留10s。
7)卸主载。
扳回加戴手柄至原来位置。
8)读硬度值。
表上长针指示的数字为硬度的读数。
HRC、HRA读黑数字。
HRB读红线数子。
9)下降载物台。
当试样完全离开压头后,才可取下试样。
10)用同样的方法在试样的不同位置测三个数据,取其算术平均值为试样的硬度。
各种洛氏硬度值之间,洛氏硬度与布氏硬度间都有一定的换算关系.对钢铁材料而言,大致有下列关系式:
HRC=2HRA-104
HB=10HRC(HRC=40-60范围)
HB=2HRB
热处理实验步骤:
1.介绍电炉、硬度机的使用方法及安全注意事项;
2.取一组45钢试样(共2块);
3.将试样放入箱式或坩锅电炉中加热至一定温度(45钢为860℃;
T10为780℃),保温时间为10分钟;
4.2人一组,分别进行水冷(1块)、空冷(1块)操作;
5.热处理后的试样依次用砂轮机、预磨机磨去两端氧化皮,然后测量硬度:
炉冷、空冷试样测布氏硬度(各测2点);
其它试样测洛氏硬度(各测3~4点)并填入表中。
五、思考题
1.淬火加热温度有什么要求?
2.为什么水冷后要进行回火处理?
3.测量硬度前为什么要进行打磨?
4.HRC、HB和HV的试验原理有何异同?
5.HRC、HB和HV各有什么优缺点?
各自适用范围是什么?
举例说明HRC、HB和HV适用于哪些材料及工艺?
6.试分析硬度试验中产生误差的原因?
实验三金相试样的制备
一、实验内容:
1.试样的取样、镶嵌、磨制;
2.浸蚀剂的选取,试样的浸蚀;
3.试样制备质量检验。
二、实验目的:
1.了解金相试样的制备过程。
2.初步掌握金相试样制备、浸蚀的基本方法。
三、实验条件及要求
1.设备:
金相切割机、砂轮机、镶嵌机、预磨机、抛光机、吹风机、显微镜。
2.材料:
金相砂纸、抛光粉、抛光布、浸蚀剂、棉球、酒精。
3.试样:
20
要求:
独立制备试样,试样无明显划痕、扰乱层等缺陷。
四、实验相关知识
在科研和实验中,人们经常借助于金相显微镜对金属材料进行显微分析和检测,以控制金属材料的组织和性能。
在进行显微分析前,首先必须制备金相试样,若试样制备不当,就不能看到真实的组织,也就得不到准确的结论。
金相试样制备过程包括:
取样(镶嵌)、磨制、抛光和浸蚀。
1.取样
取样部位的选择应根据检验的目的选择有代表性的区域。
一般进行如下几方面取样。
原材料及锻件的取样:
原材料及锻件的取样主要应根据所要检验的内容进行纵向取样和横向取样。
纵向取样检验的内容包括:
非金属夹杂物的类型、大小、形状;
金属变形后晶粒被拉长的程度;
带状组织等。
横向取样检验的内容包括:
检验材料自表面到中心的组织变化情况;
表面缺陷;
夹杂物分布;
金属表面渗层与覆盖层等。
事故分析取样:
当零件在使用或加工过程中被损坏,应在零件损坏处取样然后再在没有损坏的地方取样,以便于对比分析。
取样的方法:
取样的方法因为材料的性能不一样,有硬有软,所以取样的方法也不一样。
软材料可用锯、车、铣、刨等来截取;
对于硬的材料则用金相切割机或线切割机床截取,切割时要用水冷却,以免试样受热引起组织变化;
对硬而脆的材料,可用锤击碎,选取合适的试样。
试样的大小以便于拿在手里磨制为宜,通常一般1215mm圆柱体或121215mm正方体。
取样的数量应根据工件的大小和检验的内容取2-5个为宜。
镶嵌:
截取好的试样有的过于细小或是薄片、碎片,不宜磨制或要求精确分析边缘组织的试样就需要镶嵌成一定的形状和大小。
常用的镶嵌方法有机械镶嵌、塑料镶嵌或环氧树脂冷嵌。
如图1-1所示。
a机械镶嵌法b环氧树脂冷嵌c塑料镶嵌法
图1-1金相试样镶嵌方法
机械镶嵌:
用不同的夹具将不同外形的试样夹持。
夹持时,夹具与试样之间、试样和试样之间应放上填片,填片应采用硬度相近且电位高的金属片,以免浸蚀试样时填片发生反应,影响组织显示。
塑料镶嵌:
是在专用镶嵌机上进行,常用材料是电木粉,电木粉是一种酚醛树脂,不透明,有各种不同的颜色。
镶嵌时在压模内加热加压,保温一定时间后取出。
优点是:
操作简单,成型后即可脱模,不会发生变形。
缺点是不适合淬火件。
对于一些不能加热和加压的试样可采用环氧树脂冷嵌。
2.磨光
目的是得到一个平整光滑的表面。
磨光分粗磨和细磨。
粗磨:
一般材料可用砂轮机将试样磨面磨平;
软材料可用锉锉平,磨时要用水冷却,以防止试样受热改变组织。
不需要检查表层组织的试样要倒角倒边。
细磨:
目的是消除粗磨留下的划痕,为下一步的抛光作准备,细磨又分为手工细磨和机械细磨。
手工细磨:
选用不同粒度的金相砂纸(180、240、400、600、800),由粗到细进行磨制。
磨时将砂纸放在玻璃板上,手持试样单方向向前推磨,切不可来回磨制,用力均匀,不宜过重。
每换一号砂纸时,试样磨面需转90与旧划痕垂直,以此类推,直到旧划痕消失为止。
试样细磨结束后,用水将试样冲洗干净待抛。
机械细磨:
是在专用的机械予磨机上进行。
将不同号的水砂纸剪成圆形,置于予磨机圆盘上,并不断注入水,就可进行磨光,其方法与手工细磨一样,即磨好一号砂纸后,再换另一号砂纸,试样同样转90800号为止。
3.抛光
目的是去除试样磨面上经细磨留下的细微划痕,使试样磨面成为光亮无痕的镜面。
抛光有机械抛光、电解抛光、化学抛光。
最常用的是机械抛光。
机械抛光在金相抛光机上进行。
抛光时,试样磨面应均匀的轻压在抛光盘上。
并将试样由中心至边缘移动。
并做轻微移动。
在抛光过程中要以量少次数多和由中心向外扩展的原则不断加入抛光微粉乳液,抛光应保持适当的湿度,因为太湿降低磨削力,使试样中的硬质相呈现浮雕。
湿度太小,由于摩擦生热会使试样生温,使试样产生晦暗现象,其合适的抛光湿度是以提起试样后磨面上的水膜在3~5秒钟内蒸发完为准。
抛光压力不宜太大,时间不宜太长,否则会增加磨面的扰乱层。
粗抛光可选用帆布、海军呢做抛光织物,精抛光可选用丝绒、天鹅绒、丝绸做抛光织物。
抛光前期抛光液的浓度应大些,后期使用较稀的,最后用清水抛,直至试样成为光亮无痕的镜面,即停止抛光。
用清水冲洗干净后即可进行
浸蚀。
4.金相试样的显示
抛光后的金相试样置于金相显微镜下观察仅能看到铸铁中的石墨、非金属夹杂物。
金相组织只有显示后才能看到,金相组织显示的方法有化学浸蚀法,电解浸蚀法,物理浸蚀法。
常用的是化学浸蚀法。
化学浸蚀法就是利用化学试剂对试样表面进行溶解或电化学作用来显示金属的组织。
纯金属及单相合金的浸蚀是一个化学溶解过程,因为晶界原子排列较乱,不稳定,在晶界上的原子具有较高的自由能,晶界处就容易浸蚀而下凹,来自显微镜的光线在凹处就产生漫反射回不到目镜中,晶界呈现黑色,见图1-2a。
二相合金的浸蚀与纯金属截然不同,它主要是一个电化学过程。
因为不同的相具有不同的电位,当试样浸蚀时,就形成许多微小的局部电池,具有较高负电位的一相为阳极被迅速溶解,而逐渐凹洼,具有较高正电位的一相为阴极,不被浸蚀,保持原有的平面,两相形成的电位差越大,浸蚀速度越快,在光线的照射下,
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