工程材料与热成形实验指导书.docx
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工程材料与热成形实验指导书
实验指导书
（第一版）
机械工程系教研室主编
机械工程系工程训练中心
2015年6月
实验安全须知
一、使用仪器设备必须每次按记录簿的所列内容认真填写。
使用人必须遵守我校实验室管理规章制度的有关规定。
使用记录要认真、准确、及时、如实地填写，书写时工整规范。
二、实验（实训）室人员及参加实验（实训）课的人员应按照相关要求正确着装并穿戴必要的劳动保护用品，未按要求着装者严禁入内。
三、使用人必须严格遵守仪器操作规程，在指导教师的指导进行操作仪器设备，严禁擅自拆卸或改装仪器设备。
发生故障、事故要立即报告，不得隐瞒，否则一切后果由当事人承担。
四、使用人如违反规定而损坏仪器设备或降低使用性能时，需在登记表中做出明确记录并由当事人、指导教师及实验室管理员签字确认；同时根据情节轻重给予批评或处分，情节严重者按照相关规定予以经济或者行政处罚。
五、实验（实训）室所有化学试剂、放射性物品等耗材必须妥善存放和保管。
使用时，随领随用，废弃的要放回指定位置，并妥善处理。
六、实验（实训）结束后必须妥善关停设备及其附属装置，整理整顿实验（实训）现场，杜绝火灾等安全隐患。
机械工程系
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第1篇材料成形和工程材料学课程实验
实验内容
1、金相显微镜的使用与金相样品的制备
2、碳钢热处理工艺基本训练及硬度测试
1.1金相显微镜的使用及金相样品的制备
1.1.1实验目的
1、初步学习金相样品制备的基本方法及操作过程；
2、熟悉金相显微镜的基本结构、工作原理、工作过程及操作要领；
3、初步了解金相显微镜下组织形貌的特征显示。
1.1.2实验内容
1、初步了解金相试样的制备过程、化学腐蚀剂的作用、操作的注意事项等，分析
样品制备过程中易产生的缺陷及防治措施；
2、熟悉金相显微镜的工作原理、基本结构及操作规程，为进行显微分析掌握实验
手段；
3、将制备好的样品在显微镜下观察，初步认识显微镜下的材料组织特征。
1.1.3实验用设备仪器及材料
1、准备工作：
金相显微镜、抛光机、预磨机、腐蚀剂容器、吹风器、样品、不同号数砂纸、玻璃板、抛光粉悬浮液、4%的硝酸酒精溶液、酒精、棉花等。
2、金相显微镜的工作原理（以XJP—3C型金相显微镜为例）
由灯泡发出一束光线，经过聚光镜组
（1）及反光镜，被会聚在孔径光栏上，然后经过聚光镜组
（2），将光线会聚在物镜后焦面上。
最后光线通过物镜，用平行光照明样品，使其表面得到充分均匀的照明。
从物体表面散射出来的成象光线，复经物镜、辅助物镜片
（1）、半透反光镜、辅助物镜片
（2）、棱镜与双目棱镜组，造成一个物体的放大实象。
目镜将此象再次放大，显微镜里观察到的就是通过物镜和目镜两次放大所得图象。
其光学系统原理图如图1-3所示。
图1-3XJP—3c型金相显微镜光学系统图
1.1.4实验方法及步骤
1、金相显微试样的制作
图1-4金相显微试样制备的基本操作流程
表1-1金相样品制备的基本流程及要领
序号
步骤
方法
注意事项
1
取样
在要检测的材料或零件上截取样品，取样部位和磨面根据分析要求而定，截取方法视材料硬度选择，有车、刨、砂轮切割机，线切割机及锤击法等，尺寸以适宜手握为宜。
无论用哪种方法取样，都要尽量避免和减少因塑性变形和受热所引起的组织变化现象。
截取时可加水等冷却。
2
镶嵌
若由于零件尺寸及形状的限制，使取样后的尺寸太小、不规则，或需要检验边缘的样品，应将分析面整平后进行镶嵌。
有热镶嵌和冷镶嵌及机械夹持法。
应根据材料的性能选择。
热镶嵌要在专用设备上进行，只适应于加热对组织不影响的材料。
若有影响，要选择冷镶嵌或机械夹持。
3
粗磨
用砂轮机或挫刀等磨平检验面，若不需要观察边缘时可将边缘倒角。
粗磨的同时去掉了切割时产生的变形层。
若有渗层等表面处理时，不要倒角，且要磨掉约1.5mm，如渗碳。
防止再一次产生过热问题
4
细磨
按金相砂纸号顺序：
120、280、01、03、05或120、280、02、04、06将砂纸平铺在玻璃板上，一手拿样品，一手按住砂纸磨制，更换砂纸时，磨痕方向应与上道磨痕方向垂直，磨到前道磨痕消失为止，砂纸磨制完毕，将手和样品冲洗干净。
每道砂纸磨制时，用力要均匀，一定要磨平检验面，转动样品表面，观察表面的反光变化确定，更换砂纸时，勿将砂粒带入下道工序。
5
粗抛光
用绿粉（Cr203）水溶液作为抛光液在帆布上进行抛光，将抛光液少量多次地加入到抛光盘上进行抛光。
注意安全，以免样品飞出伤人。
要将手和整个样品清洗干净，初次制样时，适宜在抛光盘约半径一半处抛光，用力要均匀，感到阻力大时，就该加抛光液了。
6
细抛光
用红粉（Fe2O3）水溶液作为抛光液在绒布上抛光，将抛光液少量多次地加入到抛光盘上进行抛光。
同上
7
腐蚀
抛光好的金相样品表面光亮无痕，若表面干净干燥，可直接腐蚀，若有水分可用酒精冲洗吹干后腐蚀。
将抛光面浸入选定的腐蚀剂中（钢铁材料最常用的腐蚀剂是3—5%的硝酸酒精），或将腐蚀剂滴入抛光面，当颜色变成浅灰色时，再过2—3秒，用水冲洗，再用酒精冲洗，并充分干燥。
这步动作之间的衔接一定要迅速，以防氧化污染，腐蚀完毕，必须将手与样品彻底吹干，一定要完全充分干燥，方可在显微镜下观察分析。
否则显微镜镜头损坏。
2、金相显微镜的基本构造
金相显微镜的种类和型式很多，最常见的有台式、立式和卧式三大类。
金相显微镜的构造通常由光学系统、照明系统和机械系统三大部分组成，有的显微镜还附带有多种功能及摄影装置。
目前，已把显微镜与计算机及相关的分析系统相连，能更方便、更快捷地进行金相分析研究工作（金相实验互动系统）。
以XJP—3c型金相显微镜为例进行说明，其结构见图1-5：
金相显微镜各系统的功能如下：
（1）照明系统：
在底座内装有一低压卤钨灯泡，通过一系列透镜作用及配合组成了照明系统。
目的是样品表面能得到充分均匀的照明，使部分光线被反射而进入物镜成象。
并经物镜及目镜的放大而形成最终观察的图象。
（2）调焦装置：
在显微镜两侧有粗调焦和微调焦手轮，转动粗调手轮，可使载物弯臂上下运动，其中一侧有制动装置，而微动手轮使弯臂很缓慢的移动，右微动手轮上刻有分度，每小格值为0.002毫米，在右粗动手轮左侧，装有松紧调节手轮，在左粗动手轮右侧，装有粗动调焦单向限位手柄，当顺时针转动锁紧后，载物台不再下降，但反向转动粗动调焦手轮，载物台仍可迅速上升，当图象调好后，更换物镜时，聚焦很方便。
（3）物镜转换器：
位于载物台下方，可更换不同倍数的物镜，与目镜配合，可获得所需的放大倍数。
（4）载物台：
位于显微镜的最上部，用于放置金相样品，纵向手轮和横向手轮可使载物台在水平面上作一定范围内的十字定向移动。
1—载物台；2—双目镜；3—调节螺钉；4—视场光栏圈；5—孔径光栏圈；6—底座；7—物镜；8—纵动手轮；9—横动手轮；10—粗调焦手轮；11—微调焦手轮；12—偏心螺钉
2—
图1-5XJP—3c型金相显微镜的结构
物镜与目镜的种类及标志
（1）物镜的种类
物镜是成象的重要部分，而物镜的优劣取决于其本身象差的校正程度，所以物镜通常是按照象差的校正程度来分类，一般分为消色差及平面消色差物镜、复消色差及平面复消色差物镜、半复消色差物镜、消象散物镜等。
还有按物体与物镜间介质分类的，有介质为空气的干系物镜和介质为油的油系物镜。
按放大倍数分类的低、中、高倍物镜和特殊用途的专用显微镜上的物镜如高温反射物镜、紫外线物镜等。
（2）物镜的标志
1）物镜类别
国产物镜，用物镜类别的汉语拼音字头标注，如平面消色差物镜标以“PC”。
西欧各国产物镜多标有物镜类别的英文名称或字头，如平面消色差物镜标以“Planarchromatic或Pl”，消色差物镜标以“Achromatic”，复消色差物镜标以“Apochromatic”。
2）物镜的放大倍数和数值孔径
标在镜筒中央位置，并以斜线分开，如10X/0.30，45X/0.63，斜线前如10X，45X为放大倍数，其后为物镜的数值孔径如0.30，0.63。
3）适用的机械镜筒长度如170，190，∞/0，表示机械镜筒长度（即物镜座面到目
镜筒顶面的距离）为170，190，无限长。
0表示无盖玻片。
4）油浸物镜标有特别标注，刻以HI,oil，国产物镜标有油或Y。
物镜的标志如图1-6所示。
（a）国产物镜（b）Zeiss公司物镜
PC—平场；Achromatic—消色差；10X—放大倍数；40X—放大倍数；0.30—数值孔径；0.65—数值孔径；
∞—机械镜筒长度；170—机械镜筒长度；0—无盖玻片
图1-6物镜的性能标志
（3）目镜的类型
目镜的类型目镜的作用是将物镜放大的象再次放大，在观察时于明视距离处形成一个放大的虚象，而在显微摄影时，通过投影目镜在承影屏上形成一个放大的实象。
目镜按象差校正及适用范围分类如下：
1）负型目镜（如福根目镜）
由两片单一的平凸透镜在中间夹一光栏组成，接近眼睛的透镜称目透镜起放大作用，另一个称场透镜,使图象亮度均匀，未对象差加以校正，只适用于与低中倍消色差物镜配合使用。
2）正型目镜（如雷斯登目镜）
与上述不同的是光栏在场透镜外面，它有良好的象域弯曲校正，球面象差也较小，但色差比较严重，同倍数下比负型目镜观察视场小。
3）补偿型目镜
是一种特制目镜，结构较复杂，用以补偿校正残余色差，宜与复消色差物镜配合使用，以获得清晰的图象。
4）摄影目镜
专用于金相摄影，不能用于观察，球面象差及象域弯曲均有良好的校正。
5）测微目镜
用于组织的测量，内装有目镜测微器，与不同放大倍数的物镜配合使用时，测微器的格值不同。
（4）目镜的标志
通常一般目镜上只标有放大倍数，如7X，10X，12.5X等，补偿型目镜上还有一个K字，广视域目镜上还标有视场大小。
3、XJP—3c型金相显微镜操作规程
（1）将显微镜的电源接通，并打开开关。
（2）根据放大倍数选择适当的物镜和目镜，用物镜转换器将其转到固定位置，然后调整两目镜的中心距，使之与观察者的瞳孔距相适应，同时转动目镜调节圈，是其示值与瞳孔距一致。
（3）把样品放在载物台上，使观察面向下。
转动粗调手轮，使载物台下降，在看到物体的象时，再转动微调焦手轮，直到图象清晰为止。
（4）纵向手轮和横向手轮可是使载物台在水平面上作一定范围内的十字定向移动。
用于选择视域。
但移动范围较小，要一边观察，一边转动。
（5）转动孔径光栏至合适位置，得到亮而均匀的照明。
（6）转动视场光栏使图象与目镜视场大小相等，以获得最佳质量的图象。
4、注意事项
（1）在用显微镜进行观察前必须将手洗净擦干，并保持室内环境的清洁，操作时必须特别仔细，严禁任何剧烈的动作。
（2）显微镜的玻璃部分及样品观察面严禁手指直接接触。
（3）在转动粗调手轮时，动作一定要慢，若遇到阻碍时，应立即停止操作，报告指导教师，千万不能用力强行转动，否则仪器损坏。
（4）要观察用的金相样品必须完全干燥。
（5）选择视域时，要缓慢转动手轮，边观察边进行。
勿超出范围。
1.1.5实验结果分析
1、简述金相样品的制备过程及注意事项
2、简述金相显微镜的基本原理、主要结构及操作步骤
1.2碳钢热处理工艺基本训练及硬度测试
1.2.1实验目的
1、了解碳钢的热处理操作过程，能够制定热处理工艺；
2、分析碳钢在热处理时,不同的冷却速度对钢的组织与性能的影响；
3、了解金属材料的硬度测试方法。
1.2.2实验内容
1、以45号钢为例，分析不同热处理冷却速度对钢的组织、性能的影响；
1.2.3实验用设备仪器及材料
准备工作：
实验用箱式电阻加热炉四台（附测温控温装置）：
SX2-4-10型加热炉三台、SX2-4-10型加热炉一台；220HR-150型洛氏硬度计一台；冷却剂：
水，10号机油（使用温度约20℃）；热处理操作辅助装置等
实验试样
表1-4实验材料
试样材料
数量
用途
45钢
3块（每组）
分析热处理时冷却速度对钢组织、性能的影响
T10钢
3块（每组）
分析钢淬火后不同回火温度对钢组织、性能的影响
45钢
T8钢
T10钢
各1块（每组）
分析含碳量对钢淬火硬度的影响
1.2.4实验原理
不同的热处理冷却速度、不同回火工艺、不同含碳量的钢都将导致材料微观组织呈现不同的特征，这又直接影响材料的宏观使用性能，如表面硬度等。
1.2.5实验方法及步骤
1、钢的热处理工艺
1）钢的退火
钢的退火通常是把钢加热到临界温度Ac1或Ac3线以上，保温一段时间，然后缓慢地随炉冷却。
此时，奥氏体在高温区发生分解，从而得到比较接近平衡状态的组织。
一般中碳钢（如40钢、45钢）经退火后消除了残余应力，组织稳定，硬度较低（HBS180~220）有利于下一步进行切削加工。
图1-1545钢退火处理
4%硝酸酒精溶液浸蚀
灰黑色区为细片状及粗片状珠光体，沿晶界析出白色条状铁素体。
图1-1620钢正火处理
（加热至900℃后空冷）
4%硝酸酒精溶液浸蚀
白色块状为铁素体，黑色块状为片状珠光体，晶粒比较细小。
图1-1735钢940℃正火处理
4%硝酸酒精溶液浸蚀
黑色为细片状珠光体，白色为铁素体，铁素体大部分沿奥氏体晶界析出，部分在奥氏体晶粒内成条状或针状析出，呈魏氏组织状态。
2）钢的正火
钢的正火通常是把钢加热到临界温度Ac3或Accm线以上，保温一段时间，然后进行空冷。
由于冷却速度稍快，与退火组织相比，组织中的珠光体量相对较多，且片层较细密，故性能有所改变，细化了晶粒，改善了组织，消除了残余应力。
对于低碳钢来说，正火后提高硬度可改善切削加工性，提高零件表面光洁度；对于高碳钢，则正火可消除网状渗碳体，为下一步球化退火及淬火做组织准备。
不同含碳量的碳钢在退火及正火状态下的强度和硬度值见表1-5。
表1-5碳钢在退火及正火状态下的机械性能
性能
热处理状态
含碳量
≤0.1
0.2~0.3
0.4~0.6
硬度
（HB）
退火
~120
150~160
180~230
正火
130~140
160~180
220~250
强度σb
（MPa）
退火
300~330
420~500
560~670
正火
340~360
480~550
660~760
3）钢的淬火
钢的淬火通常是将钢加热到临界温度Ac3或Accm线以上，保温一段时间，然后放入冷却介质中快速冷却（V冷＞V临），以获得马氏体组织的一种工艺。
CK15钢（低碳冲压板材）860℃保温0.5h，淬水
4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：
铁素体和低碳马氏体在双相区加热，淬火时铁素体保留下来，奥氏体转变为马氏体。
CK15钢（低碳冲压板材）900℃保温0.5h，淬油
4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：
上贝氏体、珠光体、网状铁素体，部分铁素体呈针状向晶内发展。
由于加热温度高，晶粒粗大，冷却较慢，铁素体沿晶界析出后，奥氏体又继续进行扩散型转变。
图1-18CK15钢不同淬火工艺下的显微组织
4）钢的回火
钢的回火通常是把淬火钢重新加热至Ac1线以下的一定温度，经过适当时间的保温后，冷却到室温的一种热处理工艺。
由于钢经淬火后得到的马氏体组织质硬而脆，并且工件内部存在很大的内应力，如果直接进行磨削加工则往往会出现龟裂，一些精密的零件在使用过程中将会引起尺寸变化从而失去精度，甚至开裂。
因此，淬火钢必须进行回火处理。
不同的回火工艺可以使钢获得所需的各种不同性能，表1-6即为45钢淬火后经不同温度回火后的组织及性能。
表1-645钢经淬火后经不同温度回火后的组织及性能
类型
回火温度
（℃）
回火后的组织
回火后硬度（HRC）
性能特点
低温回火
150~250
回火马氏体+残余奥氏体+碳化物
60~57
高硬度，内应力减少
中温回火
350~500
回火屈氏体
35~45
硬度适中，有高的弹性
高温回火
500~650
回火索氏体
20~33
具有良好的塑性、韧性和一定强度相结合的综合性能
20钢加热至930℃，淬入5%NaCl水溶液，180℃回火
4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：
板条状马氏体具有成排的特征，在显微镜下为一束束由许多尺寸大致相同并几乎平行排列的细板条结合起来的组织，每束内的条与条之间以小角度晶界分开，束与束之间有较大的位向差。
由于板条状马氏体的形成温度较高，在形成过程中常有碳化物析出，即产生自行回火现象，所以板条马氏体易受浸蚀，呈现较深的颜色。
20钢加热至930℃，淬入5%NaCl水溶液，180℃回火
4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：
基体为板条状马氏体，沿晶界有少量的铁素体、托氏体和贝氏体析出，硬度为40~44HRC。
图1-1920钢不同淬火工艺后低温回火组织
回火马氏体
回火索氏体
回火屈氏体
图1-20回火马氏体、回火屈氏体、回火索氏体一览
2、碳钢整体热处理工艺
（1）主要设备
热处理工艺所要求的设备有两大类：
主要设备和辅助设备。
其中主要设备可分为加热和冷却设备。
图1-21为热处理加热设备及控温仪表。
图1-21热处理加热设备及控温仪表
（2）热处理工艺参数
1）加热温度
碳钢普通热处理的加热温度，原则上可按表1-7选定。
但生产中，应根据工件实际情况作适当调整。
表1-7碳钢普通热处理的加热温度
方法
加热温度（℃）
应用范围
退火
Ac3+（20~40）
亚共析钢完全退火
Ac1+（20~40）
过共析钢完全退火
正火
Ac3+（50~100）
亚共析钢
Accm+（30~50）
过共析钢
淬火
Ac3+（30~50）
亚共析钢
Ac1+（30~50）
共析钢、过共析钢
回火
低温
150~250
切削刀具、量具、冷冲模具、高硬度零件等
中温
350~500
弹簧、中等硬度零件等
高温
500~650
齿轮、轴、连杆等要求综合机械性能的零件
各种碳钢的临界温度如表1-8所示。
表1-8各种碳钢的临界温度（近似值）
类
别
钢
号
临界温度（℃）
Ac1
Ac3
Accm
Ar1
Ar3
碳
素
结
构
钢
20
735
855
-
680
835
30
732
813
-
677
835
40
724
790
-
680
796
45
724
780
-
682
760
50
725
760
-
690
750
60
727
766
-
695
721
碳
素
工
具
钢
T7
730
770
-
700
743
T8
730
-
-
700
-
T10
730
-
800
700
-
T12
730
-
820
700
-
T13
730
-
830
700
-
热处理加热温度不能过高，否则会使工件的晶粒粗大，氧化、脱碳严重，变形，开裂倾向增加。
但加热温度过低，也达不到要求。
（2）加热时间
热处理的加热时间（包括升温与保温时间）与钢的成分、原始组织，工件的尺寸与形状、使用的加热设备与装炉方式及热处理方法等许多因素有关。
因此，要确切计算加热时间是比较复杂的。
实验室中，一般按照经验公式加以估算，碳钢在电炉中加热时间的计算列于表1-9。
表1-9碳钢在箱式电炉中加热时间的确定
加热温度
（℃）
工件形状
圆柱形
方形
板形
保温时间
分钟/每毫米直径
分钟/每毫米厚度
分钟/每毫米厚度
700
1.5
2.2
3
800
1.0
1.5
2
900
0.8
1.2
1.6
1000
0.4
0.6
0.8
随回火温度、工作有效厚度、装炉量及加热方式而异。
生产中，一般为1～3小时。
由于实验采用试样较小，故回火保温时间可定为0.5小时。
（3）冷却方法
1）退火冷却式：
钢退火时，一般采用随炉冷却到600～550℃以下再出炉空冷。
2）正火冷却式：
钢正火时，一般采用在空气中冷却。
3）淬火冷却式：
钢淬火时，钢在过冷奥氏体最不稳定的范围内（650～550℃）的冷却速度应大于临界冷却速度，从而保证工件不转变为珠光体型组织；而在Ms点附近的冷却速度应尽可能低，从而降低淬火内应力，减少工件变形与开裂。
因此，淬火时，除了要选用合适的淬火冷却介质外，还应改进淬火方法。
对形状简单的工件，常采有简易的单液淬火法，如碳钢用水或盐水液作冷却介质，合金钢常用油作冷却介质。
各种冷却介质的特性见表1-10。
表1-10几种常用淬火介质冷却能力
冷却介质
在下列温度范围内的冷却速度（℃/S）
650～550（℃）
300～200（℃）
18℃的水
600
270
26℃的水
500
270
50℃的水
100
270
74℃的水
30
200
10%NaCl水溶液（18℃）
1100
300
10%NaOH水溶液（18℃）
1200
300
10%Na2CO3水溶液（18℃）
800
270
蒸馏水
250
200
肥皂水
30
200
菜籽油（50℃）
200
35
矿物机器油（50℃）
150
30
变压器油（50℃）
120
25
5）回火冷却式：
碳钢回火时，一般采用在空气中冷却。
3硬度测量----洛氏硬度（HR）
洛氏硬度试验常用的压头有两种：
一种是顶角为120°的金刚石圆锥，另一种是直径为1/16吋（1.588mm）的淬火钢球。
据金属材料软硬程度不同，可选用不同的压头和负荷配合使用，最常用的是HRA、HRB、和HRC。
这三种压头、负荷及应用范围可参考表1-24。
（1）、洛氏硬度计的结构
下面以200HR-150型洛氏硬度计为例进行介绍。
1-支点；2-指示器；3-压头；4-试样；5-工作台；6-螺杆；7-手轮；8-弹簧；9-按钮；
10-杠杆；11-纵杆；12-重锤；13-齿杆；14-油压缓冲器；15-插销；16－转盘；17－小齿轮；18－扇齿轮
图1-24200HR-150型洛氏硬度计及其结构图
（2）洛氏硬度计测试原理
洛氏硬度同布氏硬度一样，也属压入硬度法，但它不是测定压痕面积，而是根据压痕深度来确定硬度值指标。
其试验原理如图1-25所示。
图1-25洛氏硬度测试原理图
洛氏硬度值的计算公式如下：
（1-7）
式中h1--预加载荷压入试样的深度（㎜）；
H3--卸除主载荷后压入试样的深度（㎜）；
K--常数，采用金刚石圆锥时，K为0.2（用于HRA、HRC），采用钢球时，K为0.26（用于HRB）。
因此，上式可改为：
（1-8）
（1-9）
（3）试验流程
实验时，先将试
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