材料成型与控制工程综合实验试验报告Word格式文档下载.docx

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钢铁的火花鉴别法及断口分析......................7

1.7实验七：

金相综合分析..................................9

第二部分:

材料设计、创新实验...............................11

2.1实验目的..............................................11

2.2实验内容..............................................11

2.3工艺设计.............................................11

2.4实验步骤及相应的结果.................................14

2.5实验结果总结.........................................15

第三部分：

实验总结........................................16

参考文献.................................................17

综合设计实验

实验一：

冲击试验

1、一次摆锤冲击弯曲试验

1、试验机的原理

本实验采用30/15公斤*米摆锤式冲击试验机。

试验时把试样放在试验支座上，然后将扬起的一定高度的摆锤释放下来，把试验一次冲断，冲断试样所需的功是靠消耗摆锤的位能来供给的。

材料的冲击韧性指标AK值是以冲断试样时单位面积上所消耗的功来衡量的。

2、试样及试验的要求

试样尺寸、形状、加工精度对AK值得影响是很大的。

因此，为了使获得数值能相互比较，国家标准钟规定了试样的式样，试样上刻槽的目的是为了使试样处于较硬的应力状态，使试验条件更接近与工程材料的冲击负荷下工作的情况。

如果试样需要经过热处理，开槽工作应该在热处理条件下进行，这样是为了防止热处理时产生氧化、脱碳、裂纹等缺陷而急剧影响AK值。

3、试验程序

1　检验试验机的零点：

把摆锤架好释放空打一次，看指针指数是否指“0”若不在“0”需进行检查、调整

2　试样安放在机座上，刻槽背面应对准摆锤的刀口上

3　架好摆锤指针拨到最大读数处。

4　释放摆锤冲击，并制动摆锤，读出AK数值。

（冲击过程要注意安全，人要离开摆锤摆动平面）。

5　计算Ak值

6　观察断口形状，并分析其韧脆性。

4、试验目的：

1.测定材料的冲击韧性Ak，进行正确认识一次冲击指标的意义。

2.分析断口形貌，确定材料的韧脆性。

实验二：

硬度试验

1、实验目的

1、掌握布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度、的试验方法及应用范围

2、验证材料的硬度和抗拉强度之间的经验关系式。

2、布氏硬度试验

1、布氏硬度试验原理：

布氏硬度用符号HB表示，布氏硬度的测定原理是在直径为D（毫米）的淬火钢球上施加规定的负荷P（公斤力），压入试样表面，保持一定的时间后卸除负荷。

以压痕表面面积F上所承受的平均压力（Mpa/㎡）来表示布氏硬度数值，一般不标单位。

2、布氏硬度机的操作

1　、根据试样形状选择载物台、必须保证所施力与试样表面垂直。

2　、选择负荷和负荷保持时间。

3　、转动加载手轮、使工作台缓慢上升，使压头与试样接触，压紧、

4　、打开电源开关，电源指示灯燃亮，然后启动按钮开关，在加荷指示灯燃亮的同时迅速拧紧计时压紧螺母。

直至电动机自动停止运转为止，卸下试样。

3、洛氏硬度试验

1、洛氏硬度以符号HR表示，有数种不同的落实硬度标度，我国常用的有三种，即：

HRA、HRB、HRC。

洛氏硬度试验也是压入硬度法的一种，是以压痕深度大小来表示材料的硬度值。

它的压痕较小，可测量较高和较低的硬度，可直接读数，操作方便，生产检验效率高，为热处理车间产品检验主要方法之一。

2、洛氏硬度试验操作方法

1　准备工作：

根据试样材料按试验规范选择压头和负荷；

根据试样形状选择工作台，务必使试样能稳妥地放在其上，并使试样表面与压头保持垂直；

试样表面要磨平，试样的支撑面也应五氧化皮等污染物。

2　将试样放在工作台商，旋转手轮，使工作台上升，试样缓慢与压头接触，直至小指针指到红点，大指针垂直向上在5格范围内，表面已加10公斤力的初负荷；

旋转指针表盘，使大指针对准表盘0点。

3　将操纵手柄推向后方，将主负荷加载压头上，此时，大指针逆时针方向转动。

4　当大指针停转后，扳回手轮卸除主负荷，大指针回转一段距离。

此时，大指针所指的数字即为洛氏硬度值。

5　下降丝杆，取下试样，试验完毕。

3、洛氏硬度试验注意事项：

1　更换压头或载物台时注意将配合处搽拭干净。

放置后，应初步试验几次，直到连续两次所得硬度值相同后才能开始正式试验。

目的是为了使压头及载物台接触部分压紧，接触良好。

2　金刚石压头很脆，任何时间都要记住不要与试样、载物台等硬物相碰；

当更换压头、载物台时，应先用手轮把载物台旋至较低位置，在用手指覆盖住金刚石尖端，然后在作更换动作。

3　压痕间距或压痕试样边缘距离：

HRC、HRA、应大于2.5毫米，而HRC应大于4毫米。

4、维氏硬度法试验原理

1、维氏硬度以符号HV表示，与布氏硬度一样，维氏硬度也是根据压痕凹面积上所承受平均压力来确定的，即：

HV=

公斤/毫米2

式中：

P——负荷（公斤）

F——压痕凹陷面积（毫米2）

但维氏硬度所用的压头不是钢球，而是锥面夹角为136o的金刚石四方角锥。

2、维氏硬度试验注意事项

1　试样的准备；

维氏硬度试验时一般压痕较小。

为了保证测量准确。

试样表面光洁度的要求比其他方法的高，加工精度在-5以上。

表面不应有锈蚀，机加工粗划痕及油污等。

试验面与支撑面应平行，保证试验面能与压头轴线垂直。

2　当硬度HV>

500时，不允许选用超过50公斤的负荷。

为了使压痕测量准确性高些，压痕大一些好。

试验薄片或薄层时，为了防止压透，其负荷应根据压痕对角线长度至少应小于零件厚度的1.5倍选择之。

3　加荷时，保荷时间应不小于10秒。

4　压痕间距离应不小于压痕对角线的2.5倍。

5　测量压痕对角线时，应两对角线同时测量求平均值，然后在查表或计算的HV值。

由于维氏硬度试验压痕一般较小，代表性差，因而最好多测几点，取其硬度值的平均值。

实验三：

疲劳实验

1、描绘疲劳曲线，并求疲劳极限σ-1。

2、试验用设备

疲劳极限是疲劳曲线的水平部分，它表征材料能够承受无限次循环交变载荷的作用而不被破坏的能力。

一般是在旋转对称弯曲疲劳试验机上测定纯弯曲的对称疲劳极限σ-1。

3、试验过程

在同样的试样选取6-8根，第一根试样上所施加的应力，对钢为0.6σb，对有色金属及基合金0.4σb，以后每根试样应根据断裂周次相应地递减或增加2-4公斤力/毫米2，要做到断而不断之应力差<

1公斤力/毫米2，如有多余试样，即可在断与不断之间重复几次试验，以取得精确的试验结果。

试验时的注意事项：

1　试样不得有偏心现象。

将试样安上后，静态检查用手旋转试样，并用磁座千分表的杆端与试样接受，偏差不得大于±

0.01毫米，空载开动试验机，其偏差不得大于±

0.03毫米。

2　曾作过的试验但未断的试样，决不允许在其他应力下进行试验。

3　试验中途因故障停车的试验，不许重新再试，应做报废处理。

断与圆弧和明显可见的冶金缺陷处的试样，结果无效。

实验四：

静拉伸试验

1．试验目的

1、掌握拉伸试验机和引申义等设备仪器的使用方法。

2、掌握钢材的强度指标σb、σs、（σ0.2）、σk及塑性指标δ、ψ的测试方法。

3、对拉伸试样断口进行初步宏观分析，并说明其韧脆性。

2、试验用设备与仪器

静拉伸试验在万能材料试验机上进行，万能材料试验机有机械式和油压式，最新的电子拉伸试验机。

3、测试过程

在试样上打好标距100mm，并分成10格。

检查设置，调整使之处于工作状态。

装好试样，放好记录仪及记录纸。

试验在20±

10℃的温度范围内进行，如试验温度超多了。

这个限制，试验报告中应给予说明。

试验拉伸速度，在达到σs或σ0.2之前，应力增加速度不大于9.8MP/S，对do=100mm的试验，即为764.4N/S，屈服后，活动夹头移动速度不大于0.5L/min，整个加载过程必须平衡而无冲击。

1、屈服点σs的测定

对有明显屈服现象的材料其屈服点可借助于试验机测力表盘的指针或拉伸曲线来确定之，也就是拉伸曲线上的屈服平台的恒定载荷或第一次下降的最小载荷即为PS,用下式计算：

屈服点：

σS=

2、屈服强度σ0.2的确定

对拉伸曲线上无明显屈服现象的材料，则必须测其屈服强度。

屈服强度σ0.2为试样在拉伸过程中标距部分残余伸长达原标距长度的0.2%时之应力。

残余伸长量0.2%是根据需要人为规定的数值。

实验五：

高铬铸铁试样的制备

1、概述

高铬铸铁是一种耐磨合金白口铁，它具有很高的抗磨料磨损性能、适当的韧性以及较高的抗磨蚀性，并且经退火后能被切割加工。

因此在世界上它得到了越来越多的应用，已被成功地用于各种磨煤机，矿石破碎机、水泥磨机、抛丸机、泥浆泵等受磨损严重的零件上，并获得显著的经济效益。

2、高铬铸铁成分设计

为了保证高硬度及强韧性，高铬铸铁成分设计为：

2.8—3.90％C15％Cr1％Cu1％Mo0.8—1％Mn

0.5％Si<

0.08％S、P。

3、配料

我们使用的原材料化学成分如下表：

成分（％）

原材料

C

Si

Mn

Cr

Mo

Cu

球10#生铁

4.0

1.0

0.5

废钢

0.2

0.3

高碳铬铁

8.2

1.4

65

Mo铁

紫铜材

99

根据选定的高铬铸铁成分，就可以计算出各种原材料加入百分比，在配料过程中，碳烧损按5-10％考虑，Mo烧损按5％考虑，其他元素烧损不予考虑。

4、造型

试样尺寸12普通砂型铸造。

5、浇注

浇注温度1450，等试样完全冷却后清理出试样，根据综合实验要求可测定铸态、淬火态、退火态的硬度及冲击韧性，耐磨性等机械性能。

实验六：

钢铁的火花鉴别法及断口分析

鉴别钢铁材料化学成分的方法有很多,主要可分为化学方法和物理方法两大类。

化学分析法虽然精确可靠,但所耗的时间和费用太多,往往不能满足现场生产的需要。

物理法中最快捷、准确

的一种方法是利用钢材在磨削时所发出的火花,来判断它们的化学成分,这种方法至今还是一种行之有效的好方法,得到了国内外有关专家和学者的肯定。

因此,在高校积极地开展这方面的实验和

科学研究,具有较大的实际意义。

一、实验目的

用火花检测或断口分析来鉴别钢铁材料的种类及其主要的化学成分。

二、用具和材料

电动砂轮，各种实验用的钢铁试样。

三、实验说明

（一）火花鉴别要点：

火花鉴别的要点是：

详细观察火花的火束粗细、

长短、花次层叠程度和它的色泽变化情况，注意观察组成火束的流线形态，火花束根部、中部及尾部的特殊情况和它的运动规律和火花爆裂形态、花粉大小和多少等。

（二）火花产生的基本原理：

火花产生的机理

是,当钢铁材料试件以一定的压力压在高速旋转的砂轮表面时,根据磨削原理,试件会被砂轮“切削”下来无数的细微金属碎屑,由于变形热和摩擦热的作用,这些细微的金属颗粒瞬间即达到熔融状态,在离心力的作用下,从试件与砂轮接触处的切线方向高速抛射出去,形成一条条光亮的流线。

这些高速运行的熔融金属颗粒,与空气发生剧烈的氧化作用,在它们的表面上形成一层氧化铁薄膜。

而钢中的碳元素在高温下极易与氧结合而生成CO,使Fe还原,还原后的铁再次被空气氧

化,然后再次被还原,这种反应多次重复进行,于是熔滴内聚积了大量的CO气体。

当它们的压力大于表面氧化膜的约束时,便爆裂成为“火花”。

实践证明,由于钢铁材料中的化学成分不同,各种材质通过磨削后所产生的火花的形状、颜色及火束等状态都会有较大区别,通过火花不同的状态,即可判断钢铁材料的化学成分。

对于碳素钢

来说,有资料表明,利用火花鉴别碳的含量,能达0.01%的精度。

对于合金钢的鉴别,由于各种合金元素对火花、火束等产生的影响不同,因而也可凭经验鉴别出它们的大概含量,但是,相对鉴别碳

素钢来说准确度要低一些。

（1）火束—是指被测材料在砂轮上磨削时产生的全部火花，常由根部、中部、尾部组成。

（2）流线—从砂轮上直接射出的好像直线的火流称为流线。

每条流线都由节点、爆花和尾花组成。

（3）节点—就是流线上火花爆裂的原点，呈明亮点。

（4）爆花节点处爆裂的火花。

钢的化学成分不同，尾花的形状也不同。

通常，尾花可分为狐尾尾花、枪尖尾花、菊花状尾花、羽状尾花等。

四、实验内容：

1、碳素钢通常低碳钢火花束较长，流线少，芒线稍粗，多

为一次花，发光一般，带暗红色，无花粉。

20钢的火花特征。

中碳钢火花束稍短，流线较细长而多，爆花分叉较多，开始出现二次、三次花，花粉较多，发光较强，颜色为橙色。

高碳钢火花束较短而粗，流线多而细，碎花、花粉多，分叉多且多为三次花，发光较亮。

08钢

磨出的火束较长,发光适中,暗红色。

流线较多且粗,芒线粗,仅有极稀少的一次花两根分叉及三根分叉爆裂,呈星形、花角狭小。

芒流线尾部略下垂,有弧形,并有不太明显的枪尖尾花。

20钢

火束较08钢集中,较长较粗,发光适中,桔黄色。

流线有逐渐膨胀之感,尾部有少量的枪尖尾花呈现。

花量增多,多呈一次多分叉单花星形

形式,花角较小,不时可发现有极少量二次爆花芒线、花苞及少量花粉。

45钢

火束明亮,呈黄色,流线挺直,量多且较细长,尾部可发现偶有分叉及小型的枪尖。

火花盛开,大多数集中在火束中部,有较强烈的爆裂强度,爆花为多分叉的二次花和三次花,开始呈现有复花形态,有较多的小花及花花粉出现,枝芒爆花强度很弱。

2、合金钢合金钢的火花特征与其含有的合金元素有关。

一般情况下，镍、硅、钼、钨等元素抑制火花爆裂，而锰、钒、铬等元素却可助长火花爆裂。

一般铬钢的火花束白亮，流线稍粗而长，爆裂多为一次花、花型较大，呈大星形，分叉多而细，附有碎花粉，爆裂的火花心较明亮；

镍铬不锈钢的火花束细，发光较暗，爆裂为一次花，五、六根分叉，呈星形，尖端微有爆裂；

高速钢火花束细长，流线数量少，无火花爆裂，色泽呈暗红色，根部和中部为流线，尾花呈弧状

W18Cr4V

火束呈暗红色,发光极暗弱,根部也不明亮。

流线稀少细长呈断裂状,并可发现有波浪流线。

因钨的含量高,故几乎无爆裂,仅可在尾部发现极少量的多分叉爆花。

芒线短小稀疏,尾部下垂,形

成典型狐尾尾花。

9SiCr

火束根部明亮且长,呈橙黄色,流线稀疏明亮且粗,粗细近于一致,尾部呈狐尾状,且多见爆花。

爆花形极小,芒线极短而稀少,

花角小有花粉、复花多,花蕊明亮,多为三次

多分叉花。

3、灰铸铁的火花束很粗，流线较多，一般为二次花，

花粉多，爆花多，尾部渐粗下垂成弧形，颜色多为橙

红

HT200

火束粗短,呈橙红色。

流线量多且短,根部极细,至中尾部处会突然膨胀变粗扩散,下垂成弧形,发光晦暗,且有显著的狐尾花爆裂出现。

爆花多簇集在砂轮近处,芒线碎长,紊乱,类似羽毛状,量特多,多

为二、三次花。

实验七：

金相综合分析

一、实验介绍

金相分析是研究金属及合金内部组织及缺陷的主要方法之一，它在金属材料研究领域中占有很重要的地位。

利用金相显微镜在专门制备的试样上放大100～1500倍研究金属及合金组织的方法称为金相显微分析法，它是研究金属材料微观结构最基本的一种实验技术。

显微分析可以研究金属及合金的组织与其化合物成分的关系，可以确定各类合金材料经不同的加工及热处理后的显微组织，可以判别金属材料质量的优劣，如各种非金属夹杂物，如一氧化碳，硫化物等在组织中的数量及分布情况以及金属晶粒度的大小等。

在现代金相显微分析中，使用的主要仪器有光学显微镜和电子显微镜两大类，现在就光学显微镜作一般介绍。

2、金相显微镜的构造和使用

（一）金相显微镜的构造

金相显微镜的种类和类型有很多，通常由光学系统、照明系统和机械系统三大部分组成，有的还附有摄影装置，现在以XJB—1型台式金相显微镜为例加以说明。

照明系统：

在底座内有一低电压（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、孔径光栏及反光镜等装置均安装在圆形底座上，视场光栏及另一聚光镜则安在支架上，他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。

显微镜调焦装置：

在显微镜的两侧有粗动和微动调焦轮，两者在同一部位，随粗调手轮的转动，支撑载物台的弯臂作上下运动。

在粗调手轮的一侧有制动装置，用以固定调焦正确后载物台的位置。

微调手轮使显微镜本体沿着滑轨缓慢移动。

在右侧手轮上刻有分度格，每一格表示物镜座上下微动0.002毫米。

与刻度盘同侧的齿轮箱上刻有两条白线，用以指示微动升降范围，当旋到极限位置时，微动手轮就自动被限制住，此时，不能再继续旋转而应倒转回来使用。

载物台（样品台）：

用于放置金相样品，载物台和下面托盘之间的导架，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，以保证物象达到清晰的程度。

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。

在刻有直纹的套圈上还有两个调节螺钉，用来调整光栏中心。

物镜转换器：

转换器成球面形，上有三个螺孔，可以安装不同放大倍数的物镜，旋转转换器可使各物镜镜头进入光路，与不同的目镜搭配使用，可获得各种放大倍数。

目镜筒：

目镜筒成45°

倾斜安装在附有棱镜的半球形座上，还可将目镜转向90°

呈水平状态以配合照相装置进行金相摄影。

（二）金相显微镜镜头使用方法及注意事项

金相显微镜是一种精密的光学仪器，使用时要求细心谨慎。

在使用显微镜工作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，然后按照显微镜的使用规程进行操作。

1.金相显微镜的使用规程

1）首先将显微镜的光源插头插在变压器上，通过低压（6～8V）变压器接通电源。

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（有定位器定位）

3）将试样放在样品台中心，使观察面朝下并用弹簧片压住。

4）转动粗调手轮，先使载物台下降，同时用眼观察，使物镜尽可能接近试样表面但不得与试样相碰，然后相反转动粗调手轮，使载物台渐渐上升以调节焦距，当视场亮度增强时再改用微调手轮调节，直到物象调整到最清晰程度为止。

5）适当调节孔径光栏和视场光栏，以获得最佳质量的物象。

6）如果使用油浸系物镜，则可以在物镜的前透镜上滴一点松柏油，也可以将松柏油直接滴在试样上，油镜头用后应立即用棉花蘸取二甲苯溶液擦净，再用擦镜纸擦干。

2、使用注意事项

1）操作时必须特别细心，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磨面严禁手指直接接触，若镜头中落有灰尘，可用镜头纸或软刷轻轻擦拭。

3）显微镜的灯泡（6～8V）插头，切勿直接插在200V的电源插座上，应当插在变压器上，否则灯泡会立即烧坏，观察结束后及时关闭电源。

在旋转粗调（或微调）手轮时动作要慢，碰到某种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，否则会损坏机件

第二部分材料设计、创新实验

目的就是培养学生理论联系实际的学风，独立动脑分析问题，独立动手解决问题，独立完成实验全过程，独立总结实验过程的实际工作能力和初步的创新能力。

二、实验内容

热处理（提供40Cr），根据材料的成分特点、用途与制作不同机器零件的性能要求。

本组分为A方案850度直接油淬不回火；

B方案850度直接水淬不回火；

C方案850度油淬+240度回火空冷；

D方案850度油淬+420回火空冷；

E方案850油淬+520度回火空冷。

五个方案相互参照对比，磨金相、打硬度，再作一分析。

本例为B方案，所以只做加热850度水淬，接着磨金相、打硬度、作分析，主要为其他其他方案提供参照，和对比。

制定完整的工艺路线为：

均匀化预退火→加热→淬火→洛氏硬度值→金相显微观测→分析金相组织并得出结论。

并加以实施。

测试性能指标与预期指标进行比较并加以分析。

三、工艺设计

选定材料：

40Cr

1、材料基本信息

（1）、化学成分

牌号

Ni

P

S

CU

0.37~0.44

0.17~0.37

0.50~0.80

0.80~1.10

≤0.030

≤0.035

≤0.030[2]

①铬（Cr）：

在结构钢40Cr中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。

铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性。

②硅（Si）：

在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15－0.30%的硅。

硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度。

在调质结构钢中加入1.0－1.2%的硅，强度可提高15－20%。

硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用。

硅量增加，会降低钢的焊接性能。

③锰（Mn）：

在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。

在钢中加入0.70%以上时，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。

④磷（P）：

在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。

因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。

⑤硫（S）：

硫在通常情况下也是有害元素。

使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。

硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。

所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。

⑥镍（N