金属材料及热处理

实验指导书

材料科学与工程学院材料科学实验中心

二零一零年十二月一日

实验一 显微硬度测定

一、实验目的

硬度是材料的重要力学性能之一，可用于要求高耐磨性的场合；硬度试验方法相对简单，所需设备也较为价廉，故硬度测定是常用的力学性能检测手段。

掌握维氏硬度测试的原理和方法。

一． 实验原理

1．陶瓷材料的硬度一般用压入法测定。

维氏硬度的压头是一相对面夹角α=136°的金刚石四棱锥，其试验原理如图一所示。压头在试验力F作用下，在试样

表面压出一个四方锥形的压痕，经规定时

间（常为10～15秒）后，卸除试验力，测

量出压痕对角线平均长度d，d=(d1+d2)/2,

用以计算压痕的表面积。维氏硬度值（HV）

即为试验力F除以压痕表面积S的商，计

算公式如下： F2Fsin(1360/2)F

2d2HV=S==1.8544d ,

F单位为kg，d为mm，HV通常不标单位。

或 0.102FSHV==0.1891Fd2,

F单位为N，d为mm，HV通常不标单位。

陶瓷材料由于硬度高、脆性大，大的试验

力易使试样崩裂，进而损坏金刚石压头，

维氏硬度试验力通常在1～10kg(9.8～

98N)。

二． 实验设备

HVS-50型维氏硬度计；

三． 实验步骤

1．试样：待测试样大小无特殊规定，以能在试验机的工作平台平稳放置为宜，但需注意高度不能过大或过小，过高会造成不稳，过薄易被压裂。上下两面应为平行平面，测试面与工作台平行，为保证测量准确和保护金刚石压头，测试面应先研磨加工，维氏硬度试验时还必须抛光至镜面，粗糙度≤0.1μm,否则不能清晰地看清压痕。弯曲强度测试后的已断试样（有抛光镜面）可加以利用。

2．维氏硬度：以HVS—50型维氏硬度计为例说明。

（1）旋动硬度计右侧变力手轮，选择好欲加载荷（有5、10、20…50 kg档），测硬度时不超过10 kg (98N)；硬度计接通电源，操作加力长柄压至水平位置，处于预工作状态。

（2）两手转动前侧下方大转盘使工作台下降足够距离，将试样抛光面向上放于工作台中心；拨动上方装有压头和物镜的转盘，使物镜对准试样；

两手缓慢

转动大转盘使工作台上升，同时从测微目镜中观察，可观察到试样抛光面反射出的光，最后更细心地来回调整大转盘直到试样表面形貌最清晰为止，此时通过目镜观察和平移试样选择好表面待测部位（划痕很少、无气孔），使该部位处于目镜中央。注意该部位不可在试样的边缘处，以免加力时损坏压头。

（3）转动大转盘使工作台下降约7mm ，拨动上方装有压头和物镜的转盘，使装有金属保护套的压头处于试样上方，注意必须下降后才能拨动转盘，否则压头会侧向划刻试样；升起工作台直至试样与保护套下端接触为止，向左平推操作长柄，加力开始，长柄缓缓向上转动，指示红灯亮，力保持一定时间后自动卸力；待指示灯熄灭后，下降工作台约7mm，再拨回物镜，然后转动大转盘使试样表面处于物镜焦距上，从目镜中可见清晰的压痕。

（4）测量压痕：测微目镜中有一刻有若干等间距刻线的分划板和一刻有细长线的玻璃指示板，旋动左边小旋钮，两板可同时移动，旋动右边微分筒只有指示板移动；用10倍物镜时，分划板上每一刻度相当于0.1mm，微分筒上最小分度为0.001mm；用4倍物镜时，上述两刻度分别为0.25mm、0.0025mm。测量时先转动左边小旋钮，使分划板的0线对齐压痕的一个角，再转动微分筒，使指示板上细长线对齐压痕的另一角，压痕对角线长度即为分划板上整格数值与微分筒上格数之和。测微目镜转90°，依上法再测量另一对角线长度。取其平均值以供计算。

（5）按下操作长柄至水平位置，移动该试样或另换试样，重复下一次测试。每个试样应在表面的两至三个不同点各测一次，取其所测硬度的平均值。不同点之间不可靠得太近。

四． 注意事项

1．金刚石压头虽极硬但性脆，价值不菲，要特别注意避免冲击碰撞损坏，一旦崩边崩角就无法再用；在试验力未卸除前，切记不能转动工作台升降手柄（转盘）或移动试样；维氏硬度试验中由加压位置拨回物镜位置测量压痕时，一定要下降工作台后才能进行。

2．陶瓷硬度高，硬度计使用不当更易损坏压头，建议先用金属试样模拟试验，熟悉各手柄、转盘的功用和压痕测量、数值读取的方法后，再用陶瓷试样试验。

五． 实验报告要求

1．实验目的、实验原理简介；

2．试样状态（材料类别、数量、尺寸等）；

3．试验条件（载荷大小、保持时间）；

4．测试结果，HV（列出算式）；

5．实验的体会与注意事项。

六、思考题

影响材料硬度测试准确性的因素是什么？

实验二 钢的热处理工艺操作

一、 实验目的

1. 全面熟悉钢的热处理综合实验过程；

2. 掌握常用材料热处理工艺规范的制定；

3. 了解热处理的操作方法；

4．研究热处理对钢的性能的影响；

5．认识碳钢经各种热处理后的显微组织，.进一步了解碳钢经热处理后，在组织和性能上有什么改变。

二、 实验设备和材料

设备 箱式电炉和控温仪表

洛氏硬度计

材料45# 钢样

三、 实验内容

(1)制定出表1-1 所列材料的热处理工艺规范。

(2)分组进行热处理操作。

(3)测定热处理后样品的硬度值。

表1-1

四、 实验步骤及注意事项

(1) 实验前认真阅读实验指导书。

(2) 制定好的热处理工艺规范要经教师检查无误后方可进行热处理操作。

(3) 当炉温达到设计温度后(或从控温仪表上读出)，将工件装入炉内，保温时要注意控温仪表是否正常，发现问题及时报告教师。

(4) 淬火冷却时，应迅速地将试样放入水或油中，并不停地搅动试样，注意不要将试样露出液面。

(5) 淬火后的试样用砂布磨掉氧化皮，然后测定硬度疽，同时将本次实验的全部

硬度值记在实验报告上。

实验三 碳钢热处理后的显微组织观察与分析

一、实验目的

1．认识碳钢和白口铁的室温平衡组织；

2．了解金相显微镜的构造基本原理及其使用方法；

3．加深理解铁碳合金中成份、组织和性能之间的关系。

二、实验材料及设备

材料：碳钢和白口铁的典型金相样品一套。

设备：金相显微镜、计算机

三、实验内容

1．金相显微镜的构造及其使用方法介绍

(1)金相显微镜的构造

金相显微镜是用来观察金属材料显微组织的基本仪器，金相显微镜和生物显微镜的外观形貌有些相似。其不同点在于生物显微镜是利用透射光来观察透明物体。而金相显微镜则是利用反射光将不透明物体放大后进行观察的，不同类型的金相显微镜(卧式、立式、台式等)在构造上是不一样的。

(2)金相显檄镜的使用方法

①将显微镜从木箱中轻轻取出后，把选择好倍数的目镜和物镜分别装到显微镜上，把制备好的金相显微样品放在载物台上。

②将变压器接在220V 的电源上，使光源插入变压器的6V 接头上，然后打开变压器开关使其亮灯。千万不可将其直接插入220V 电源，以免烧毁灯泡发生触电事故。

③调焦距时要避免物镜与样品接触。应先将载物台下降，使样品尽量靠近物镜，然后用眼睛从目镜中观察，先用双手旋转粗凋焦手轮，使载物台慢慢上升，待看到组织后，再调节细调焦手轮，直到图像清晰为止。

④为了扩大视野，可轻轻向前后左右移动载物盘，以达到全面观察显微组织的目的；

⑤显微镜上的一切光学玻璃均需保持清洁，若有灰尘，应用镜头纸或镜头纸蘸二甲苯溶液擦净，切勿用手纸或手帕等物擦。

金相显微镜属于精密仪器，使用时应特别细心，若带照相装置，则应按其说明书认真操作。

2．观察、分析碳钢和白口铁的平衡组织，然后在实验报告中绘出五种组织示意图

四、实验报告要求

1．认真观察，认识组织，并了解不同含碳量对其组织以及相的形态有什么影响。

2．认真绘出五个显微组织，井用箭头标出各组织中的组织组成物。

19# 45钢 860℃水淬 M+Ar

20# 45钢 860℃ 水淬+低温回火 M回+Ar

25# T12 球化退火 F+粒状K

26# T12 780℃水淬+低温回火 M回+K+Ar

27# T12 1100℃水淬+低温回火 M回+K+Ar

实验四 合金钢、铸铁、有色金属的显微组织观察与分析

一、实验目的

1、观察和分析各种灰口铸铁的显微组织。

2、熟悉常用的铝合金，铜合金及轴承合金的显微组织。

二、实验内容

三、概述

(一)灰口铸铁的组织分析

灰口铸铁显微组织与白口铸铁的显微组织不同，白口铸铁中碳全部以化合物渗碳体的形式存在，在组织中有共晶莱氏体，其断口白亮。性质硬而脆。故工业上很少应用，主要作炼钢原料，普通灰口铸铁中碳全部或部分以自由碳——片状石墨形式存在，断口呈现灰色。其显微组织根据石墨化程度不同为铁素体或珠光体或铁素体+珠光体基体上分布片状石墨，由于片状石墨无反应能力，故试样未经腐蚀即可看出呈灰黑色。石墨性脆，在磨削时容易脱落，此时在显微镜下只能见到空洞。为了研究石墨的形状和分布，一般均先观察未经腐蚀的试片。灰口铸铁的基体上未经腐蚀的试片上呈白亮色，经过硝酸酒精腐蚀后和碳钢一样。在铁素体基体的灰口铸件中看到晶界清晰的等轴铁素体晶粒，在珠光体基体的灰口铸铁中，珠光体片的大小随冷却速度而异。

四、方法指导

1、实验材料及设备

①金相显微镜、计算机

②铸铁、有色金属金相样品(表7－1)一套。

2、实验步骤

①全班同学分两组进行，每次2小时，2～3人—台金相显微镜，轮流对每个试样进行观察。

②观察几种铸铁中石墨的形状，基体的特征。分析其组织的形成。

③将所观察到的金相组织，用示意图画出。