工程材料实验指导书工程材料Word格式.docx
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8~35
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④布氏硬度的标注
在选择P=3000kg、D=10mm,T=10s时,国家标准规定:
可不标注布氏硬度值的单位(kgf/mm2)。
所测得的硬度值可写成HB×
×
。
如HB175、HB388。
当P、D、T选择非上述数据时,应以有关数据标明。
如HB5/250/30=180,则表示用5mm直径的压头、在250kgf载荷作用下、保荷30s后,所测得的布氏硬度值为180。
⑤对试样的要求
试样的硬度:
试样的硬度应小于HB450,以防止压头变形和损坏。
试样的厚度:
试样的厚度不应小于压痕深度的10倍。
试样的面积:
必须保证压痕中心距试样边缘的距离不得小于压痕直径的2.5倍,两个压痕之间的距离不得小于压痕直径的4倍。
这是为了避免压痕附近的硬化现象,导致相邻压痕减小,硬度偏高。
试样的粗糙度≤Ra0.8μm
(2)布氏硬度试验特点
压痕面积大,能测出试样较大范围内的性能,不受个别组织的影响,特别适合测定灰铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料;
数据稳定,重复性强;
由于压痕较大,因此不适合成品及薄片金属检验。
通常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等原材料及结构钢调质件的硬度。
2.洛氏硬度试验
洛氏硬度试验也是压痕实验法。
与布氏不同的是:
布氏是测量压痕面积,洛氏是测量压痕的深度。
洛氏硬度试验法的压头采用锥度为120°
的金刚石圆锥或直径为1.588mm(1/16in)的钢球。
分别施加两次载荷,先加初载荷f1,然后加主载荷f2;
再卸除主载荷。
如图3所示,施加初载荷后压痕深度h0,h2为主载荷作用下的压痕深度,卸除主载荷后,由于试样弹性变形的恢复,使压头位置回升一段距离,此时压头受主载荷作用压入深度为h1,洛氏硬度就用(h1-h0)来表示。
显然:
(h1-h0)数值大,表示材料硬度低;
数值小,表示材料硬度高。
为了适应人们的习惯(即数值越大,硬度越高),人为规定,采用一常数K减去(h1-h0)来表示硬度值的大小。
并规定每0.002mm为一洛氏硬度单位,用符号hr表示。
当采用金刚石圆锥压头,总载荷为150kgf时,K值定为0.2,符号为HRC。
则计算公式为
当采用Φ1.588mm钢球压头,总载荷为100kgf时,K值定为0.26,符号为HRB,则计算公式为:
洛氏硬度共有15种标尺,常用的C、B、A三种,有关参数如表2所示。
根据上述表格的参数,结合待测试样的状态,可以选用相应的标尺来测量。
一般黑色金属淬火后,选用C标尺,黑色金属的供应状态硬度及有色金属选用B标尺,试件较薄又硬度很高以及表面硬化工件选用A标尺。
表2:
洛氏硬度试验规范
标尺符号
压头型号
负荷(kg)
标尺应
用范围
应用举例
初
主
总
C
120℃金刚石压锥
150
20~66
淬火、调质钢件
B
Φ1.588钢球压头
90
100
25~100
退火钢件和有色金属
A
50
68~85
硬质合金、表面硬化件
(2)洛氏硬度试验特点
洛氏硬度试验可由硬度计表盘直接读出硬度值,操作简单迅速,适用于成批零部件的检验;
采用不同形式的压头,可测量的材料范围较广;
由于压很小,代表性差,数据分散,精确度没有布氏硬度高。
三、操作方法
1.布氏硬度试验
①本实验选用p=3000kg;
d=10mm;
t=10s。
②布氏硬度试验的试样表面应无氧化层、油污及表面缺陷,试验面与硬度计支撑面平行。
③将试样放在工作台上,顺时针转动手轮,使压头与试样接触,继续转动手轮至手轮打滑
④按动加载按钮,硬度计自动进行加载、保持载荷及卸载。
⑤待加载电机停止转动,载荷回到原位后,逆时针转动手轮,取下试样。
用读数显微镜测量试样表面的压痕直径,水平方向、垂直方向各测量一次,然后取平均值,查表即可。
①根据试样大致硬度,选择测量标尺。
如本试验件45钢淬火、t8淬火、t12淬火应选择c标尺,ly12淬火件则应选择b标尺。
②将试样放在工作台上,顺时针转动手轮,加初载荷,使工作台缓慢上升,当试样与压头接触后,表盘内的小指针开始转动,使小指针指到红色点,同时还要保证大指针要在c或b点附近±
5格以内,将大指针调零。
③将加载手柄向前推转45°
,加主载荷(注意不要用力过大,以免产生震动,影响测量精度),表盘内大指针停止转动后,保持数秒再向后将手柄扳回至原始位置,这时卸除主载荷保留初载荷。
④由表盘大表针停留位置,直接读出硬度值。
⑤逆时针转动手轮,移动试样或取下试样。
在每个试样的不同位置测三点。
四、实验仪器和实验材料
1.实验仪器
hb-3000型布氏硬度计
Hr150型洛氏硬度计
20x读数显微镜
2.实验材料
试样材料牌号
材料状态
硬度范围
45
原材料(供应态)
HB160~240
T8
HB170~260
淬火+200℃回火
HRC40
HRC50
LY12
淬火+自然时效
HRB50
五、实验报告
1.写出实验目的
2.将实验数据填写在下表
(1)布氏硬度
试验材料及状态
压痕直径(mm)
HB
横向
纵向
平均
(2)洛氏硬度
项目
试验材
料及状态
试验规范
实验结果
压头
总载荷
硬度
标尺
第一次
第二次
第三次
硬度值
3.实验分析
1.HRC、HRB在测量时所用的压头,载荷和读数方法有什么区别,各适用于测量什么材料?
2.说明布氏硬度与洛氏硬度试验的优缺点与应用范围。
3.下列工件应采用何种硬度试验方法检测其硬度?
(1)锉刀
(2)黄铜轴套
(3)供应态的各种碳钢
(4)硬质合金刀片
(5)轴承内、外圈
(6)耐磨工件表面硬化层
附表:
压痕直径与布氏硬度及相应洛氏对照表
d10
2d5
4d2.5
HR
30D2
10D2
2.5D2
HRB
HRC
HRA
2.20
780
72
89
3.20
363
121
30.3
39
70
2.25
745
69
85
3.25
352
117
29.3
38
2.30
712
67
3.30
341
114
28.8
37
2.35
682
65
84
3.35
331
110
27.6
36
68
2.40
635
63
83
3.40
321
107
26.7
35
2.45
627
61
82
3.45
311
104
25.9
34
2.50
601
59
81
3.50
302
101
25.2
33
2.55
578
58
80
3.55
293
97.7
24.5
31
66
2.60
555
56
79
3.60
285
95.0
23.7
2.65
534
54
78
3.65
277
92.3
23.1
27
64
2.70
514
52
77
3.70
269
89.7
22.4
28
2.75
495
51
3.75
262
87.2
21.6
2.80
477
49
76
3.80
255
84.9
21.2
26
2.85
461
48
74
3.85
248
82.6
20.7
25
2.90
444
47
3.90
241
80.4
20.1
24
2.95
429
73
3.95
235
73.3
19.6
99
23
62
3.00
415
34.6
44
4.00
229
76.3
19.1
98
22
3.05
401
33.4
43
4.05
223
74.3
18.6
97
21
3.10
388
129
32.3
41
71
4.10
217
72.4
18.1
20
3.15
375
125
31.3
40
4.15
211
70.6
17.5
96
4.20
207
68.8
17.2
95
5.15
134
44.6
11.2
4.25
201
67.1
16.8
94
5.20
131
43.7
10.9
4.30
197
65.5
16.4
93
5.25
128
42.8
10.7
4.35
192
63.9
16.0
92
5.30
126
41.9
10.5
4.40
187
62.4
15.6
91
5.35
123
41.0
10.3
4.45
183
60.9
15.2
5.40
40.2
10.1
4.50
179
59.5
14.9
88
5.45
118
39.4
9.86
4.55
174
58.1
14.5
87
5.50
116
38.6
9.66
4.60
170
56.8
14.4
86
5.55
37.9
9.46
4.65
167
55.5
13.9
5.60
111
37.1
9.27
4.70
163
54.3
13.6
5.65
109
36.4
9.10
4.75
159
53.0
13.3
5.70
35.7
8.93
4.80
156
51.9
13.0
5.75
105
35.0
8.76
4.85
149
49.6
12.4
5.8
103
34.3
8.59
57
4.90
5.85
33.7
8.46
4.95
146
48.6
12.2
5.90
99.2
33.1
8.26
5.00
143
47.5
11.9
5.95
97.3
32.4
8.11
53
5.05
46.5
11.6
6.00
95.5
31.8
7.96
5.10
137
45.5
11.4
75
实验二铁碳合金平衡组织的显微观察与分析
1.学习使用金相显微镜。
2.观察及分析铁碳合金平衡组织。
1.金相显微镜
金相分析技术是研究与检验金属材料的重要手段。
金相显微镜是用于观察分析金属内部组织结构的主要工具。
普通光学金相显微镜的类型很多,通常可分为台式、立式及卧式显微镜三类。
按用途不同还可分为偏光金相显微镜、干涉金相显微镜、相衬金相显微镜和高、低温金相显微镜等。
(1)金相显微镜成像原理
显微镜中装有两组放大透镜,靠近试样的一组为物镜,靠近人眼的一组为目镜,如图1为显微镜放大原理简图。
物体ab置于物镜的一倍焦距(f1)与二倍之间,它的一次像在物镜的另一侧二倍焦距以外,形成一个倒立、放大的实像a′b′;
当实像a′b′位于目镜的前一倍焦距(f2)以内时,目镜又使映像a′b′放大,而在目镜的前二倍焦距(2f2)以外,得到a′b′的正立虚像a″b″。
所以说,最后的映像a″b″是经过物镜、目镜两次放大后得到的,其放大倍数应为物镜与目镜放大倍数的乘积。
式中:
M---------金相显微镜放大倍数;
M物-------物镜放大倍数;
M目-------目镜放大倍数;
f1----------物镜焦距
f2----------目镜焦距
Δ---------显微镜的光学镜筒长
D----------人眼明视距离(明视距离为人眼可以很好地区分物体的细微部分又不易疲劳的距离,约为250mm)
当显微镜的机械镜筒长度恰好等于光学镜筒长时,
;
当显微镜的机械镜筒长度与光学镜筒长不等于时,
,c为系数,与机械镜筒长度、光学镜筒长(Δ)有关。
(2)金相显微镜的结构
金相显微镜主要由光学系统、照明系统和机械系统组成。
有的金相显微镜还有照相装置及其他附件。
现以xjP-200型金相显微镜为例加以说明。
①光学系统
xjP-200型金相显微镜的光学系统如图1所示,由灯泡1发出的光线经聚光透镜组2及反光镜8聚集到孔径光阑9,在经过聚光镜聚集到物镜的后焦面,最后通过物镜平行照射试样7的表面,从试样反射回来的光线复经物镜组6和辅助透镜5,由半反射镜4转向,经过辅助透镜以及棱镜造成一个被观察物体的倒立的放大实像,该像再经过目镜的放大,就成为在目镜视场中能看到的放大影像。
②照明系统
在显微镜底座内装有一低压(6~8v,15w)灯泡作为光源,由变压器降压供电,靠调节次级电压(6~8v)来改变灯光的亮度。
聚光镜、孔径光阑及反光镜等装置在底座上,视场光阑及另一聚光镜则安装在支架上,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。
③显微镜调焦装置
在显微镜体的两侧有粗动和微动调焦旋钮,旋转粗调旋钮可使载物台迅速升降,微调旋钮可使载物台缓慢上下运动,以便精确调焦。
在粗调旋钮的一侧有制动装置,用以固定调焦正确后载物台的位置。
④载物台(样品台)
用于放置金相试样,载物台和下面托盘之间有润滑脂,用手推动,可使载物台在水平面上做一定范围的移动,以改变试样的观察位置。
⑤孔径光缆和视场光阑
孔径光阑装在照明反射镜座上,调整孔径光阑能够控制入射光束的粗细,以保证物像达到清晰的程度。
视场光阑设在物镜支架下面,通过调整视场光阑,可以改变视域大小、减小镜筒内部的反射与炫光,以提高映像衬度。
⑥物镜转换器
转换器呈球面形,上有3个螺孔,可安装不同放大倍数的物镜,旋动转换器可使每个物镜镜头进入光路,于不同的目镜搭配使用,可获得各种放大倍数。
(2)金相显微镜的操作方法
①首先将显微镜的电源插头插在电源插座上。
②根据放大倍数选用所需的物镜和目镜,分别安装在物镜座上及目镜筒内,并使转换器转至固定位置。
③将试样视察面朝下放在载物台中心。
④转动粗调旋钮先使载物台下降,同时用眼睛观察,使物镜尽可能接近试样表面(但不得与试样接触)。
然后向相反方向转动粗调旋钮,使载物台渐渐上升以调节焦距,当视场亮度增加时改用微调旋钮调解,直至物像调整到最清晰程度为止。
⑤适当调整孔径光缆和视场光阑,已获得最佳质量的物像。
(3)显微镜使用注意事项
①金相显微镜是一种精密的光学仪器,使用之前首先应熟悉其构造特点及各主要部件的相互位置和作用,使用时必须特别细心谨慎,不能有任何剧烈的动作。
光学系统不允许自行拆卸。
②显微镜镜头的玻璃部分和试样观察面严禁手指直接接触。
③在调整焦距,旋转调焦旋钮时,动作要慢,碰到阻碍时应立即停止操作,报告指导教师查找原因,不得用力强行转动,否则会损坏仪器设备。
2.铁碳合金的平衡组织
平衡组织是指合金在极其缓慢的冷却速度下得到的组织。
在实验条件下,退火态的铁碳合金组织可以看成是平衡组织。
室温下铁碳合金的平衡组织均由铁素体(f)和渗碳体(fe3c)两个基本相组成。
随着含碳量的变化,这两个基本相的相对量、形态、分布都要发生变化,由此形成了不同的组织形态,其性能也各不相同。
根据含碳量不同,可以将铁碳合金划分为工业纯铁、碳钢、白口铸铁几大类。
其室温平衡组织见表1。
表1铁碳合金室温下的平衡组织
合金分布
碳含量
显微组织
工业纯铁
0.0218
铁素体
碳钢
亚共析钢
共析钢
过共析钢
0.0218~0.77
0.77
0.77~2.11
铁素体+珠光体
珠光体
珠光体+二次渗碳体
白口铸铁
亚共晶白口铸铁
共晶白口铸铁
过共晶白口铸铁
2.11~4.3
4.3
4.3~6.69
珠光体+二次渗碳体+低温莱氏体
低温莱氏体
一次渗碳体+低温莱氏体
(1)铁素体(f)
铁素体是碳溶解于-fe中形成的间隔固溶体,室温时溶碳量极少,几乎为零。
工业纯铁经4%硝酸酒精溶液侵蚀后,在显微镜下呈白色晶粒。
随钢中含碳量的增加,铁素体的相对量减少,形态也发生变化。
如碳含量较低时,铁素体呈块状分布;
当钢中碳含量接进共析成分时,铁素体沿晶界呈网状分布。
(2)渗碳体(fe3c)
渗碳体是铁与碳形成的具有复杂结构的间隙化合物,含碳量是6.69%。
经4%硝酸酒精溶液侵蚀后,呈白亮色;
用碱性苦味酸纳溶液热侵蚀后呈暗黑色,可以由此区别铁素体和渗碳体。
渗碳体在钢中可呈片状、网状、板条状等,经球化退火也可呈球状。
钢中一次渗碳体(fe3cⅠ)系直接由液态金属中结晶,呈粗大片状;
二次渗碳体(fe3cⅡ)由奥氏体中析出,一般呈网状分布于奥氏体晶界,共析转变后分布于珠光体边界;
三次渗碳体(fe3cⅢ)由铁素体中析出,呈不连续片状分布于铁素体晶界处,由于数量极少,难以分辨,一般忽略不计。
(3)珠光体(p)
珠光体是铁素体和渗碳体片层相间的混合物。
经4%硝酸酒精侵蚀后,铁素体和渗碳体均呈白色,二者的边界呈黑色。
显微镜放大倍数较低时,只能看到白色的铁素体相和代表渗碳体的一条条黑线;
若显微镜放大倍数更低,则铁素体和渗碳体难以分辨,成为黑色块状组织;
当放大倍数足够高时,可以看到状光体中平行相间的铁素体和渗碳体,其间界呈黑色。
(4)莱氏体(le´
)
室温下低温莱氏体是珠光体和渗碳
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