机械基础实验指导书讲解.docx
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机械基础实验指导书讲解
机械基础实验指导书
房强汉景艳
山东交通学院
二〇一四年二月
实验要求
1．实验课是巩固课堂理论教学、培养实际工作能力的重要方面。
因此学生在实验前必须认真复习与本次实验有关的教材和预习实验指导书，明确实验目的，了解实验内容、操作步骤及注意事项等。
2．按规定时间准时进入实验室。
有特殊情况必须请假，并及时与实验室联系，尽快补做，不能无故缺席。
为保证测量结果的正确性和仪器的正常使用，入室必先换拖鞋或穿上鞋套，入室后必须保持安静、清洁、卫生，不得随地吐痰，严禁吸烟。
3．必须听从实验指导教师指挥，严格遵守纪律；不准打闹、大声喧哗，不得随意动用与本次实验无关的设备、试样等，严格遵守操作规程，切实注意人身及设备、仪器安全。
4．实验时应按操作程序正确使用量具、量仪，不得任意拆卸、摆弄。
实验所用量具、量仪，在使用中发生故障时，应立即报告指导教师，不得自行处理。
损坏仪器、设备根据情节轻重按学校规定须进行全部或部分赔偿。
5．实验时专心、细心。
对量仪、量具要轻拿轻放，调整仪器的活动部分动作要缓慢，对锁紧机构锁紧时用力不要过大。
6．实验完毕后，按量具、量仪等保养要求，进行清洗保养，将所有物品归还原位，并整理工作现场。
按时完成并上交实验报告，并须经指导教师评阅。
实验一铁碳合金平衡组织和铸铁组织的观察与分析
一、实验目的
1.观察和分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织和铸铁的显微组织结构。
2.了解铁碳合金中的相及组织组成物的本质、形态及分布特征。
3.进一步熟悉金相显微镜的使用。
二、实验说明
碳钢和铸铁是工业上应用最广的金属材料，它们的性能与组织有密切的联系。
因此，熟悉并掌握它们的组织结构是对钢铁材料使用者最基本的要求。
1.碳钢和白口铸铁的平衡组织
平衡组织一般是指合金在极为缓慢冷却的条件下（如退火状态）所得到的组织。
铁碳合金在平衡状态下的显微组织可以根据Fe-Fe3C相图来分析。
从相图可知，所有碳钢和白口铸铁在室温时的显微组织均由铁素体（F）和渗碳体（Fe3C）组成。
但是，由于碳质量分数的不同、结晶条件的差别，铁素体和渗碳体的相对数量、形态、分布和混合情况均不一样，因而呈现各种不同特征的组织组成物。
碳钢和白口铸铁在室温下的显微组织见表1-1。
表1-1各种铁碳合金在室温下的显微组织
合金分类
W（C）/%
显微组织
工业纯铁
<0.0218
铁素体
碳钢
亚共析钢
0.0218～0.77
铁素体+珠光体
共析钢
0.77
珠光体
过共析钢
0.77～2.11
珠光体+二次渗碳体
白口铸铁
亚共晶白口铁
2.11～4.3
珠光体+二次渗碳体+莱氏体
共晶白口铁
4.3
莱氏体
过共晶白口铁
4.3～6.69
一次渗碳体+莱氏体
2.各种相组分或组织组分的特征
碳钢和白口铸铁的金相试样经浸蚀后，其组织中各相组分和组织组分的形状和性能如下：
铁素体：
铁素体经w（HNO3）=3%-5%酒精溶液浸蚀后，在显微镜下观察呈白亮色多边形晶粒，如图1-1所示。
随着钢中碳质量分数的增加，铁素体质量分数减少，当其质量分数较多时呈块状分布（图1-2），碳质量分数接近共析成分时，铁素体往往呈断续的网状分布在珠光体的周围。
铁素体具有良好的塑性和韧性，但硬度较低，一般为80-120HBS，强度也较低。
图1-1工业纯铁的显微组织图1-2w（C）==0.45%碳钢的显微组织
渗碳体：
渗碳体经w（HNO3）=3%-5%酒精溶液浸蚀后，也呈白亮色。
一次渗碳体呈长条状分布在莱氏体之间，如图1-3所示；二次渗碳体呈网状分布在珠光体的边界上，如图1-4所示；三次渗碳体分布在铁素体晶界处；珠光体中的渗碳体一般呈片状，如图1-5、1-6所示。
图1-3过共晶白口铸铁组织中的一次渗碳体图1-4过共析钢（wc=1.2%）组织中的二次渗碳体
铁素体和渗碳体经w（HNO3）=3%-5%酒精溶液浸蚀后都呈白亮色，若用苦味酸纳溶液热浸蚀，则渗碳体被染成黑褐色，而铁素体仍为白色。
用此方法可以区别铁素体和渗碳体。
渗碳体的硬度为800HBW，强度、塑性、韧性都很差，它是一个硬、脆相。
珠光体：
珠光体是由铁素体片和渗碳体片相互交替排列形成的层片状组织。
它经w（HNO3）=3%-5%酒精溶液浸蚀后，其组织中的铁素体和渗碳体都呈白亮色，而铁素体和渗碳体的相界被浸蚀后呈黑色线条。
在600倍以上的显微镜下观察时，珠光体中的片状渗碳体呈白亮色分布在白亮色铁素体的基体上，而其相界是黑色线条，如图1-6所示。
图1-5中倍下的珠光体图1-6高倍下的珠光体
在200倍以下的显微镜下观察时，由于放大倍数低，难以分辨出哪是铁素体，此时珠光体是一片黑暗，成为黑块的组织，如图1-2中黑色部分。
珠光体硬度为190-230HBS，随片层间距的变小，硬度升高。
莱氏体：
莱氏体在室温时是珠光体和渗碳体的机械混合物。
渗碳体中包括共晶渗碳体和二次渗碳体，两种渗碳体相连在一起，没有边界线，无法分辨开。
莱氏体经w（HNO3）=3%-5%酒精溶液浸蚀后，其组织特征是在白亮色渗碳体基体上分布着许多黑色点（块）状或条状珠光体，如图1-7所示。
莱氏体硬度为700HBS，性脆。
它一般在w（C）>2.11%的白口铸铁中，在某些高碳合金钢的铸造组织中也常出现。
在亚共晶白口铸铁中，莱氏体被黑色粗枝状的珠光体所分割，而且可以看到在珠光体周围有一圈白亮的二次渗碳体，如图1-8所示。
图1-7共晶白口铁（莱氏体）组织图1-8亚共晶白口铸铁组织
3.铸铁的显微组织
依铸铁在结晶过程中石墨化程度不同，可分为白口铸铁、灰口铸铁、麻口铸铁。
白口铸铁具有莱氏体组织而没有石墨，碳几乎全部以碳化物形式（Fe3C）存在；灰口铸铁没有莱氏体，而有石墨，即碳部分或全部以自由碳、石墨的形式存在。
因此，灰口铸铁的组织可以看成是由钢基体和石墨所组成，其性能也由这两个组织的特点所决定；麻口铸铁的组织介于灰口铸铁与白口铸铁之间。
白口铸铁和麻口铸铁由于莱氏体的存在而有较大的脆性。
（1）石墨石墨本身的强度、硬度、塑性都很低，几乎等于零。
因此，石墨对铸铁性能的影响极大。
石墨的形状愈细长、粗大或分布不均匀，则产生应力集中的程度就愈严重，从而大大降低铸铁的强度和塑性。
（2）基体组织根据石墨化程度不同，铸铁的基体组织不同，一般情况下，可分为三种：
铁素体、珠光体+铁素体、珠光体。
（3）各种铸铁的显微组织特征
普通灰铸铁：
石墨呈粗片状析出，如图1-9所示。
变质灰铸铁：
在铸铁浇注前，往铁水中加入变质剂增多石墨结晶核心，使石墨以细小片状析出。
（a）F灰铸铁（b）F+P灰铸铁（c）P灰铸铁
图1-9灰铸铁的显微组织
球墨铸铁：
在铁水中加入球化剂。
浇注后石墨呈球状析出，如图1-10所示。
（a）F球墨铸铁（b）F+P球墨铸铁（c）P球墨铸铁
图1-10球墨铸铁的显微组织特征
可锻铸铁：
将白口铸铁石墨化退火，使石墨呈团絮状析出，如图1-11所示。
三、实验内容
1.观察表1-2中所列试样的显微组织，研究每一个试样的组织特征，联系Fe-Fe3C相图分析其组织形成过程，并绘出所观察试样的显微组织示意图。
2.熟悉金相显微镜的构造和正确使用。
（a）F可锻铸铁（b）P可锻铸铁
图1-11可锻铸铁的显微组织
表1-2铁碳合金试样牌号及处理状态
试样号码
牌号
碳质量分数/%
处理状态
浸蚀剂
1
工业纯铁
～0.05
退火
3%HNO3酒精溶液
2
20
0.15～0.25
退火
3%HNO3酒精溶液
3
45
0.40～0.50
退火
3%HNO3酒精溶液
4
T8
0.75～0.80
退火
3%HNO3酒精溶液
5
T12
1.20～1.25
退火
3%HNO3酒精溶液
6
T12
1.20～1.25
退火
碱性苦味酸钠溶液
7
亚共晶白口铁
～3.5
铸造
3%HNO3酒精溶液
8
共晶白口铁
～4.3
铸造
3%HNO3酒精溶液
9
过共晶白口铁
～4.3
铸造
3%HNO3酒精溶液
四、实验方法指导
1.操作金相显微镜时，应先了解显微镜的原理、构造、各主要附件的作用和位置等，并要了解显微镜使用注意事项，要按显微镜操作程序细心操作。
2.观察试样的组织时，先明确材料成分、处理条件及浸蚀剂等。
动用试样时，不能用手摸试样磨面，或将试样磨面随意朝下乱放，或将试样叠起来，以免损坏试样。
3.观察组织前先选显微镜放大倍数，其选用原则是先用低倍观察，找出典型组织，然后再用中、高倍对这些典型组织进行仔细观察，这样，整体和局部观察结合起来，才能对一块金相试样做出全面分析。
金相显微镜放大倍数小于200倍时称低倍，200~600倍时称中倍，大于600倍时称高倍。
4.仔细阅览碳钢与白口铸铁的金相图片，认真观察每一个试样的组织，注意组织中每个相组分和组织组分，如铁素体、渗碳体、珠光体等的形态、数量、大小及分布特征。
并联系铁碳相图分析其结晶过程及组织。
5.待认识了各组织特征后，再画每个试样中典型区域的显微组织示意图，但注意不要把杂质、划痕等画在图上。
五、实验报告要求
1.写出实验目的。
2.画出所观察样品的显微组织示意图（用箭头和代表符号标明各组织组成物，并注明样品成分、浸蚀剂和放大倍数）。
3.根据所观察的组织，说明碳质量分数对铁碳合金的组织和性能的影响的大致规律。
六、思考题
1.珠光体组织在低倍观察和高倍观察时有何不同?
为什么?
2.渗碳体有哪几种?
它们的形态有什么差别?
3.根据杠杆定律确定（或估算）未知样品的碳质量分数。
实验二材料硬度实验测定
一、实验目的
1.了解硬度测定的基本原理及常用硬度试验法的应用范围。
2.学会正确使用硬度计。
二、实验原理
硬度是指材料抵抗另一较硬的物体压人表面抵抗塑性变形的一种能力，是重要的力学性能指标之一。
与其他力学性能相比，硬度试验简单易行，又无损于工件，因此在工业生产中被广泛应用。
常用的硬度试验方法有：
布氏硬度试验——主要用于黑色、有色金属原材料检验，也可用于退火、正火钢铁零件的硬度测定。
洛氏硬度试验——主要用于金属材料热处理后的产品性能检验。
维氏硬度试验——用于薄板材或金属表层的硬度测定，以及较精确的硬度测定。
显微硬度试验——主要用于测定金属材料的显微组织组分或相组分的硬度。
1.布氏硬度试验
（1）原理用载荷F把直径为D的硬质合金压头球压人试件表面，并保持一定时间，而后卸除载荷，测量压头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A，然后再计算出单位面积所受的力（F/A值），用此数字表示试件的硬度值，即为布氏硬度，用符号HBW表示。
布氏硬度试验原理如图2-1所示。
压痕平均直径
设压痕深度为h，则压痕的球面积为
布氏硬度值
式中F——施加的载荷，kg；
D——硬质合金压头球直径，mm；
A——压痕面积，mm2；
d——压痕平均直径，mm。
图2-1布氏硬度试验原理
由于金属材料有硬有软，工件有厚有薄，有大有小，为适应不同的情况，布氏硬度的压头球直径有φ1mm、φ2.5mm、φ5mm、φ10mm四种。
工作载荷有9.087N……、9807N、14700N、29400N等不同试验力。
试验力的保持时间一般为10s~15s。
当采用不同大小的载荷和不同直径的压头球进行布氏硬度试验时，只要能满足P/D2为常数，则同一种材料测得的布氏硬度值是相同的，而不同材料所测得的布氏硬度值也可进行比较。
国家标准规定试验力-压头球直径平方的比率（0102P/D2的比值）应根据材料和硬度值，按照表2-1中的规范选择。
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压头和大的载荷，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压头和3000kg的载荷。
试验后的压痕直径应在0.24D试样厚度至少应为压痕深度的8倍，试样最小厚度与压痕平均直径的关系见表2-2。
试验后如果试样背后出现可见变形，则表明试样太薄。
任一压痕中心距试样边缘的距离至少为压痕平均直径的2.5倍，两相邻压痕中心间距离至少为压痕平均直径的3倍。
应在相互垂直方向测量压痕直径，用两个读数的平均值计算布氏硬度，或查附表一即得试样的布氏硬度值。
表2-1布氏硬度实验规范
材料
布氏硬度HBW
试验力-压头球直径平方的比率
0.102F/D2
钢、镍合金、钛合金
30
铸铁
（1）
＜140
10
≥140
30
铜及铜合金
＜35
5
35~200
10
＞200
30
轻金属及合金
＜35
2.5
35~80
5
10
15
＞80
10
15
铅、锡
1
（1）对于铸铁的试验，压头球直径一般为2.5mm、5mm和10mm。
布氏硬度值的表示方法是：
若用10mm直径的硬质合金压头球在3000kg下保持10s，测得布氏硬度值为400时，可表示为400HBW。
在其他试验条件下符号HB应以相应的指数注明压头球直径、载荷大小及载荷保持的时间。
例如，350HBW5/750，表示用5mm直径的硬质合金压头球，在7355N试验力下保持10s~15s测定的布氏硬度值为350。
（2）布氏硬度计的构造与操作。
①HB-3000型布氏硬度试验机的外形结构如图2-2所示，其主要部件及作用如下：
（a）机体与工作台。
硬度机有铸铁机体，在机体前台面上安装了丝杠座，其中装有丝杠，丝杠上装立柱和工作台，可上下移动。
（b）杠杆机构：
杠杆系统通过电动机可将载荷自动加在试样上。
（c）压轴部分：
用以保证工作时试样与压头中心对准。
（d）减速器部分：
带动曲柄及曲柄连杆，在电机转动及反转时，将载荷加到压轴上或从压轴上卸除。
（e）换向开关系统是控制电机回转方向的装置，使加、卸载荷自动进行。
表2-2压痕平均直径与试样最小厚度的关系mm
压痕平均直径
d
试样最小厚度
压头球直径
D=1
D=2.5
D=5
D=10
0.2
0.08
0.3
0.18
0.4
0.33
0.5
0.54
0.6
0.80
0.29
0.7
0.40
0.8
0.53
0.9
0.67
1.0
0.83
1.1
1.02
1.2
1.23
0.58
1.3
1.46
0.69
1.4
1.72
0.80
1.5
2.00
0.92
1.6
1.05
1.7
1.19
1.8
1.34
1.9
1.50
2.0
1.67
2.2
2.04
2.4
2.46
1.17
2.6
2.92
1.38
2.8
3.43
1.60
3.0
4.00
1.84
3.2
2.10
3.4
2.38
3.6
2.68
3.8
3.00
4.0
3.34
4.2
3.70
4.4
4.08
4.6
4.48
4.8
4.91
5.0
5.36
5.2
5.83
5.4
6.33
5.6
6.86
5.8
7.42
6.0
8.00
②操作前的准备工作：
（a）把根据表2-2选定的压头擦拭干净，装入主轴衬套中。
（b）安装工作台。
当试样高度小于120mm时应将立柱安装在升降螺杆上，再装好工作台进行试验。
（c）接通电源，打开指示灯，证明通电正常。
（d）确定试验力保持时间T，一般10s~15s，操作按键选择确定。
（e）根据压头球直径确定试验力，按键选择相应工作载荷。
③操作程序：
（a）将试样平稳地放在工作台上，顺时针转动手轮，待工件接触压头的同时试验力开始显示。
（b）当试验力接近自动加荷值时须缓慢上升。
当达到自动加荷值90（THB-3000的自动加荷值为90）时，仪器发出蜂鸣音，停止转到手轮，加荷指示灯亮，自动加载。
（c）加载到所选定的力值，发出蜂鸣音，加荷指示灯灭，保荷指示灯亮，并进行倒计时。
（d）保荷时间结束，发出蜂鸣音，保荷指示灯灭，卸荷指示灯亮开始卸荷；卸荷结束，反向转动手轮使工件与压头脱开，一次试验结束。
（e）取下试样用读数显微镜测出压痕直径d1、d1，根据平均值d值，查附表即得HBW值。
2.洛氏硬度试验
（1）原理：
用金刚石圆锥压头或一定直径的硬质合金球压头，在初试验力F0和主试验力F1先后作用下，压入试样表面，保持一定时间，卸除主试验力，测量在初试验力下的残余压痕深度h。
根据h值及常数N和S，用以下公式计算洛氏硬度值。
洛氏硬度
式中S——给定标尺单位；
N——给定标尺硬度数。
常用的洛氏硬度标尺的计算公式为：
，
图2-3洛氏硬度试验原理图
1-在初试验力F0下的压入深度2-由主试验力F1引起的压入深度3-卸除主试验力F1后的弹性恢复深度4-残余压入深度h5-试样表面6-测量基准面7-压头位置
表2-3各种洛氏硬度值的符号、实验条件与应用
洛氏硬度标尺
硬度
符号
压头类型
初试验力F0/N
主试验力F1/N
总试验力F/N
应用范围
A
HRA
金刚石圆锥
98.07
490.3
588.4
20HRA~88HRA
（硬质合金、渗碳钢）
D
HRD
882.6
980.7
40HRD~77HRD
（薄钢、表面淬火层）
C
HRC
1373
1471
20HRC~70HRC
（淬火钢、调质钢、硬铸铁）
F
HRF
直径1.5875mm球
490.3
588.4
60HRF~100HRF
（退火铜合金、薄软钢）
B
HRB
882.6
980.7
20HRB~100HRB
（软钢、铝合金、铜合金、可锻铸铁）
G
HRG
1373
1471
30HRG~94HRG
（珠光体铁、铜、镍、锌、镍合金）
H
HRH
直径3.175mm球
490.3
588.4
80HRH~100HRH
E
HRE
882.6
980.7
70HRE~100HRE
K
HRK
1373
1471
40HRK~100HRK
（2）洛氏硬度计的构造与操作
图2-4为操作面板显示窗口。
图2-4操作面板
图中1——洛氏硬度标尺，有HRA、HRB、HRC等。
2——OVER指示灯亮，表示本组N次测试结束，可进行下一组测试。
3——操作键盘，按保载时间增加，按保载时间减少；
按选择每组测试次数，再按测试次数增加，按测试次数减少；
按<
>，显示平均值；
按，打印测试结果；
按清零。
4——显示保载时间s。
5——显示试验力，有588N、980N、1471N。
6——硬度测试数字显示。
图2-5为洛氏硬度计结构示意图。
其操作顺序如下：
①将压头安装在测杆孔中，贴紧支承面，把压头紧固螺钉略为拧紧。
②根据试样大小和形状选用载物台，将试样上下两面磨平，然后置于载物台上。
③接通电源，启动开关，根据试件的技术要求按键选择标尺（表2-2），即压头类型和试验力大小。
④按键、键选择保荷时间；先按键，后按键、键选择操作次数。
图2-5洛氏硬度计的结构示意图
1-旋轮2-保护罩3-试台4-压头5-上盖固定螺钉6-上盖7-后盖固定螺钉8-后盖9-操作面板10-压头止紧螺钉11-变荷手轮12-电源开关13-RS232接口14-电源插座15-打印机
⑤顺时针转动旋轮1，升降丝杆上升，压头与试件接触时，缓慢平稳上升丝杆，直到显示窗口显示大约为600（THRS-150D约为300），硬度计开始加荷→保荷→卸荷，自动完成测试过程。
⑥当硬度计主试验力完全卸除后，听到蜂鸣音，显示窗口所显示的数值即为硬度值。
此时才可以逆时针旋转旋轮使压头脱离被测试件，本机自动复零，则一次试验循环结束（有时如不自动复零则按键复零）。
⑦用同样方法在试样的不同位置再测三个数据，此时“OVER”指示灯亮，本组测试结束，取其算术平均值为试样的硬度。
⑧如果选择本机打印输出，等“OVER”指示灯点亮后，再直接按键，打印机会自动打印出统计数据。
三、实验内容及方法指导
1.演示布氏硬度试验测定操作过程。
2.演示洛氏硬度试验测定操作过程。
3.指导学生实验操作。
学生分成若干组，利用备好的硬度试块或试样，在硬度计上测定其相应硬度值，使之学会硬度计的使用方法。
四、实验所用设备及材料
1.布氏硬度计。
2.读数放大镜。
3.洛氏硬度计。
4.硬度试块若干。
5.φ30×40mm的工业纯铁，20、45、60、T8、T10、T12等退火钢试样。
6.φ40×30mm的20、45、60、T8、T10、T12钢，正火态、淬火及回火态的试样。
五、实验注意事项
1.试样两端要平行，表面应平整，若有油污或氧化皮，可用砂纸打磨，以免影响测定。
2.圆柱形试样应放在带有"v"形槽的工作台上操作，以防试样滚动。
3.加载时应细心操作，以免损坏压头。
4.测完硬度值，卸掉载荷后，必须使压头完全离开试样后再取下试样。
5.金刚石压头系贵重物件，质硬而脆，使用时要小心谨慎，严禁与试样或其他物件碰撞。
（6）应根据硬度实验机的使用范围，按规定合理选用不同的载荷和压头，超过使用范围，将不能获得准确的硬度值。
六、实验报告要求
1.简述布氏和洛氏硬度试验原理。
2.测定碳钢（20、45、60、T8、T12）退火试样的布氏硬度值（HBS）。
3.测定碳钢（45、T8、T12）正火及淬火试样的洛氏硬度值（HRC）。
4.测定45钢调质试样的洛氏硬度值（HRC）。
七、思考题
1.试分别说明布、洛氏硬度的使用范围以及对比其优缺点。
2.分析碳含量对钢组织和性能的影响。
实验五车刀标注角度测量实验
一、实验目的与要求
了解车刀角度测量仪器的构造，掌握其正确使用方法；学会使用它测量车刀的标注角度；掌握车刀切削部分的组成要素、参考系中的坐标平面等概念。
二、实验仪器及测量原理
车刀角度测量仪，直头外圆车刀、弯头外圆车刀、端面车刀、切断刀及三角形螺纹车刀。
车刀角度测量仪是测量车刀标注角度的专用仪器，其结构如图5-1所示。
装在支脚上的圆形底盘1上刻有从0°起向顺、逆时针方向各100°
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