北京航空航天大学工程材料实验指导书.docx
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北京航空航天大学工程材料实验指导书
工程材料实验指导书
姓名
班级
学号
选课通知
一注意事项：
1、本课程共有两次实验，同一实验每个班选两个时间，分两组做，共选四个时间段。
2、时间选定后，一般不允许改，如特殊原因需提前来改，只对班不对个人。
3、无故没做实验不予补做，特殊原因要有假条，补做时间，另行通知。
4、个别同学实验课与选修课冲突需自己找人对调。
5、课代表负责提前通知同学，以免忘做或漏做。
6、一次实验不做，考试成绩扣10分两次不做不允许考试。
7、迟到5分钟以上者不允许做实验。
8、要求复印实验指导书及报告，上实验时必须带（其中报告人手一份，指导书2-3人一份）认真阅读，了解实验内容，做好预习报告。
9、文件下载地址：
大班邮箱
二、上课地点：
工程材料第一次实验————工程训练中心南205实验室
工程材料第二次实验————工程训练中心南205实验室
实验须知
工程材料第二次实验是热处理实验，必须先做预习报告，每个班已分两大两组，每个大组再分四个小组，3-5人一小组，每个小组选一个实验题目（在实验指导书第10页上）完成实验参数及表格的设计，未完成预习报告，不允许做实验，按旷课处理。
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实验一测定碳钢的机械性能
实验目的
1、了解材料强度，硬度，塑料和冲击韧性值的测量方法及有关设备的使用方法。
2、了解材料成分对机械性能的影响。
实验设备
1、拉伸试验机
2、冲击试验机
3、洛氏硬度机
实验说明
（一）金属材料
1、强度与塑性的测定
钢的强度和塑性指标是通过拉伸试验来测定的，拉伸试验所用的试样的尺寸和形状都是标准的，用以消除尺寸，形状对拉伸数据的影响，本实验所用的试样如图1所示。
图1金属圆形拉伸试样
将试样装在试验机上拉伸。
在拉伸载荷的作用下试样将先产生弹性变形，当载荷增加到一定值时试样发生屈服，产生塑性变形，并将发生冷作硬化，使载荷继续增加。
当载荷增加到某一值（Fb）后，便不再增加，而试样继续变形伸长，并在某一局部产生集中变形，出现缩颈最后在缩颈处断裂。
用屈服时的载荷Fs除以原始载面积A0就得到材料的屈服强度：
σs=
用断裂前的最大载荷Fb除以原始截面积A0就得到材料的抗拉强度：
σb=
缩颈处截面积的相对收缩量就是断面收缩率：
Ψ=
试样两标距间的相对伸长量就是材料的延伸率：
δ=
式中A0为试样原始截面积，A1用拉断后试样缩颈处截面积：
L0为试样原始标距，L1为拉断后试样的标距。
2、冲击韧性值测定：
冲击韧性值（ak）是衡量材料承受冲击载荷的能力的性能指标。
用材料在冲击载荷作用下断裂时单位面积所吸收的功来衡量。
ak=
J/cm2
Ak——冲断试样所用的功，冲击试样如图2所示。
图2金属冲击试样
3、硬度值的测定：
硬度是材料抵抗表面微小区域内的塑性变形和破坏能力的衡量指标。
由于测试法法不同，硬度又分为布氏硬度，洛氏硬度等多种。
实验方法
1、先用游标卡尺测量拉伸试样的直径和标点间距离，再将试样装在试验机上拉伸，同时注意指会变化，记录屈服时的载荷和拉断前的最大载荷，最后将拉断的试样对接起来，测量标点间的距离和缩颈处的直径。
分别求出σs,σb,δ,Ψ值。
2、用洛氏硬度机分别测出不同材料的洛氏硬度值。
3、用冲击机分别冲断不同材料的冲击试样，记录冲击韧性αk值。
（二）非金属材料
实验目的测量几种工程塑料及玻璃钢试样的抗拉强度及冲击强度值。
比较其性能，了解测试方法。
试验设备万能材料试验机、冲击实验机及卡尺等。
拉伸实验说明
本实验是对塑料试样施加静态拉伸载荷，以测定抗拉强度。
1．试样板材试样尺寸如图3（每组每种试样不少于l一2个）:
图3非金属拉伸试样
2．试验步骤
（1）测量试样的宽度（b）和厚度（d）精确至0．05毫米。
每个试样用卡尺测量二点，取算术平均值。
（2）将试样夹在实验机的试验夹具上。
（3）将载荷指针拨到零载荷位置。
（4）开动实验机，试样断裂后读取载荷值。
若试样断裂在非有效部分时，此试样作废，另取试样补做。
（5）抗拉强度σb按下式计算：
σb＝Fb/bd（MN／m2）
式中：
Fb——破坏载荷（MN）b——试样宽度（m）d——试样厚度（m）（6）实验结果以每组试样的算术平均值表示。
取三位有效数字。
冲击实验说明
本实验对试样施加冲击载荷，试样受冲击破坏时单位横截面所耗的功。
1．试样
（1）试样长（L）120±2毫米，宽（b）15±0．2毫米，厚（d）10±0．2毫米，如下图：
120±2
15±0.2
15
12±0.2
（2）缺口试样的缺口深度（d2）为2±0.2毫米，如下图：
120±2
15±0.2
15
12±0.2
d1=d2=6
2．实验方法：
（1）取两种不同的试样，测量它们试样中间部位的宽度和厚度，准确到0.05毫米。
在试样中间部位测量二次。
取平均值，缺口试样测量缺口的剩余厚度。
（2）将试样放在支座上，其位置是便摆锤能打在宽的一面，并要紧贴支座的垂直面。
（3）放开摆锤使之自由落下，将试样冲断，使摆锤停止摆动，由刻度盘读取冲断试样所消耗的功。
（4）凡试样不破断，或不破断在试样三等分的中间部分，或缺口部分者，该试样作废另取试样重作。
3．实验结果处理：
冲击强度ak按下式计算：
ak＝Ak/bd（J／cm2焦耳／厘米2）
式中：
Ak——冲断试样所消耗的功（焦耳）
b——试样的宽度（厘米）
d——试样的厚度（厘米）
缺口试样冲击强度ak按下式计算：
ak＝Ak/bd1（J／cm2焦耳／厘米2）
式中：
Ak——冲断缺口试样所消耗的功（焦耳）
b——试样宽度（厘米）
d1——缺口试样剩余厚度（厘米）
实验二观察碳钢的平衡组织
实验目的
1.学习使用显微镜
2.了解各种碳钢的平衡组织，加深对铁碳合金相图的认识。
3.了解碳含量对钢组织的影响。
实验设备
1.金相显微镜
2.碳钢退火试样
实验说明
1、金相试样
要观察金属的显微组织，需先把所要观察的金属制成大小合适的试块，经磨平，抛光，使表面平整平净，并经腐蚀后才能看到显微组织，由于各种不同的相和晶界部位腐蚀程度不同，腐蚀后的表面不再是平整的，光线照射到上面后的反射程度和反射方向也各不相同，在目镜中可看到明暗的差别，我们就是利用这种差别来区分不同的组织。
纯金属或单相合金的组织是多晶体。
晶界处原子排列不规则、杂质多、易腐蚀而凹陷。
光线在晶界处被散射而呈黑色，晶料内部腐蚀均匀，腐蚀后仍为平面，光线被垂直反射而呈白色，在显微镜下看到的组织如图4。
图4腐蚀后的铁素体
多相组织如珠光体腐蚀后，其中的铁素体受腐蚀后凹陷而渗碳体凸出。
凸出的渗碳体露出一斜面，尖锐的棱边也被腐蚀圆了，光线照到这些地方后不能垂直反射而呈暗区，顶部平面和铁素体则呈白色，其组织如图5。
图5腐蚀后的珠光体
2、平衡组织
钢的平衡组织是指钢在缓慢冷却条件下所得到的组织，其相变过程是按Fe—Fe3C相图进行的。
退火状态的组织接近平衡组织。
亚共析钢—亚共析钢的平衡组织是由铁素体和珠光体晶粒组成的。
铁素体晶料呈白色，周围是黑色的晶界，珠光体是层片状的，显微镜放大倍数足够大时能见的黑白相间的条纹，放大倍数较小时珠光体呈黑色。
共析钢—全部是珠光体。
晶界不明显，同一晶粒中的片层方向、间距基本相同。
过共析钢—由渗碳体和珠光体组成。
几个珠光体晶粒聚成一团，周围分部着网状渗碳体。
3、组织与机械性能的关系
钢的平衡组织都是由铁素体和渗碳体两相组成的，两相的成分、晶格结构都不一样，机械性能也不一样。
铁素体强度、硬度低，塑性、韧性高。
而渗碳体硬度很高，塑性、韧性很差。
下表是各组成物的机械性能。
性能
组成物
硬度
HB
抗拉强度
σb（MPa）,
断面收缩率
Ψ（%）
延伸率
δ（%）
冲击韧性
ak（J/cm2）
铁素体
80~100
250
60~75
45
200
渗碳体
800
30
—
≈0
≈0
珠光体
180
800
10~15
20~25
30~40
当钢中的铁素体相增多时，钢的强度、硬度较低，而塑性、韧性较高；当渗碳体相增多时，钢的硬度较高，而塑性较差。
实验方法
1.了解显微镜的原理、构造、使用方法和注意事项后，在教师指导下调整显微镜，熟悉显微镜的操作方法。
2.用显微镜观察工业纯铁，20钢，45钢，T8钢及T12钢的退火试样。
注意区分其组织的组成物。
实验三钢的热处理
一、实验目的
1、了解钢的退火、正火、淬火、回火工艺。
2、了解加热温度、冷却速度、回火温度等工艺参数对钢机械性能的影响。
3、了解合金钢及铝合金的热处理特点。
二、实验设备
1、箱式电阻炉及其控制仪表。
2、洛氏硬度机
3、冷却介质：
水、油、盐水。
三、实验说明
1、热处理工艺
热处理工艺通常由加热、保温、冷却三个阶段组成。
见图6。
（1）淬火
（2）退火（3）正火（4）回火
图6热处理工艺曲线
退火——将钢加热到一定温度，保温一段时间后缓慢冷却，如炉冷、灰冷。
正火——将钢加热到某一临界温度以上，保温后在空气中冷却。
淬火——将钢加热到某一临界温度以上，保温后快速冷却，如淬入水或油中。
回火——将淬火后的钢加热到A1线以下某一温度保温后冷却。
2、热处理温度的选择
亚共析钢：
淬火、正火、退火的加热温度在AC3以上30~500C。
共析钢，过共析钢：
淬火、退火的加热温度在AC1以上30~500C；正火加热温度在ACcm以上30~500C。
亚共析钢和过共析的淬火，退火温度范围不同。
这是由于如果亚共析钢的淬火温度过低在AC1线以上是30~500C，这时钢的组织是铁素体和奥氏体，淬火后的组织是铁素体和马氏体，使钢件上出现软点。
而过共析钢在两相区加热后淬火得到的组织是马氏体和渗碳体。
由于渗碳体本身硬度很高，不会影响钢的硬度，相反如果过共析钢加热的奥氏体单相区淬火，得到的组织是马氏体和大量残余奥氏体，硬度反而要下降。
过共析钢在退火时若加热到奥氏体单相区，冷却时将在晶界析出网状渗碳体，使钢的塑性、韧性下降。
过共析钢的退火加热温度不能过高。
过共析钢的正火主要是为了消除己经形成的网状渗碳体。
只有加热到Acm线以上才能使网状渗碳体全部溶入奥氏体，由于正火的冷速较快网状渗碳体来不及析出而被消除。
3、实验设备（箱式电阻加热炉）
1—炉门；2—热电偶；3—炉体；4—温控仪5—温度偏差指示；6—温度调节
图7箱式电炉
热电偶——两根不同材料的金属丝联接成闭合回路，如果两联点温度不同就会产生热电势。
热电偶就是利用这个原理制成的，它的一端与待测系统放在一起，叫测量端；另一端置于零度或室温，叫参考端，参考端与电位计联接，当测量温度变化时，电位计可测出由此产生的电势变化。
温度显示控制仪表——简单的温度显示仪表就是一个毫伏计，但它的电压刻度换成了相应的温度刻度，这样就可以直接指示出温度值，一般的温度显示仪表同时也是控制仪表，它装有一个定温指针，使用时将定温指针置于需要的温度刻度处，当炉温达到这个温度时，控制电炉断电。
当炉温由于散热降到一定值时，控制电炉通电升温，这样将炉温控制在一定的范围之内。
炉体——用来加热试样的设备。
它靠通电的电阻丝或矽棒发热。
炉中装有热电偶用以测量炉温，电炉的温度受控制仪表的控制。
4、操作步骤
1）调节仪表的定温指针到所需的温度。
2）通电加热。
3）炉温到达指定温度后切断电源，打开炉门将试样放入。
此时炉温下降。
4）关好炉门，通电加热。
待炉温重新升到指定温度时开始记录保温时间。
5）到达所需要保温时间时停电，取出试样。
5、注意事项
1）淬火时动作要快，垂直淬入水（油）中后应不断移动试样。
但注意试样不要中途露出水（油）面。
2）测钢淬火、回火后的硬度用HRC；测退火、正火的钢和铝合金的硬度用HRB。
四、实验要求：
各组按选定的实验题目，自己设计实验记录表格，查找确定实验参数，并按时到实验室进行实验。
五、实验题目（每组3—4人，课代表分组）
1、测试分析45钢连续冷却条件下，不同冷却速度对硬度的影响（3种冷却方式以上），测定冷却介质（水，油）对45钢、40CrNiMo淬火硬度的影响；
2、测试分析45钢水冷条件下，不同加热温度对硬度的影响（4个温度）；
3、测试分析45钢淬火后（自己淬火），回火温度对性能的影响（硬度、韧度）；
4、测定LY12合金淬火后（自己淬火），时效时间对硬度的影响。
（画出某一个温度下的时效曲线）
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