金属物理性能实验指导书1.docx
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金属物理性能实验指导书1
材料物理性能实验指导书
三院
材料物理性能实验
1.用示差热分析法测定钢的相变温度
一、实验目的：
1、了解示差热分析法的基本原理。
2、学习示差热分析法的实验技术。
3、
G
研究和讨论加热和冷却速度对相变温度的影响。
4、
熟悉测温元件热电偶及X―Y函数记录仪的使用。
二、示差热分析法测定钢的相变温度的原理：
示差热分析法是采用热电偶（两支同型号热
电偶极性反接串联如图1）通过测定试样的标样间
－
＋
在均匀和热却条件下的温差热电势。
并绘制温差热
电势随试样温度变化的曲线（即示差热分析曲线）。
用以分析过程中的转变和发生转变的温度参数等的
一种研究方法。
所用标样应为在所研究的温度范围
内不发生相变的镍、奥氏体不锈钢等。
图1
当试样无相变发生时，温差热电势很小，示差
曲线基本为一水平线。
当试样相变发生变化时，将伴随有一定的热效应。
吸热或放热。
此时，试样温度将发生停滞。
标样由于不发生相变，温度继续上升或下降，因而示差曲线上出现吸热峰或放热峰。
如图2为亚共析钢（含碳量0.35%）的示差热分析曲线。
三、实验装置：
标样及试样尺寸如图3。
铠装热电偶插入位置如图4。
实验装置如图5。
图3
图5
四、实验操作步骤及注意要点：
1、按图4所示用细镍铬丝将试样捆好，并在其上密绕一层石棉，然后放入不锈钢套管。
注意勿使试样与套管相接触。
2、按图4要求将铠装热电偶插入相应的孔中，并将装置好的试样平稳地送入炉内均热区。
送入时注意勿拉碰热电偶，以免热电偶脱出孔外。
3、如图5将实验装置连接好，注意要将套管上引出线和X―Y函数记录仪的接地端牢固接地。
1、3热电偶一定要同名级相接。
4、正确选择X―Y函数记录仪的mv/cm档次。
本实验的最高温度800―850oC，标样试样间的最大温度差约为20―50oC。
可根据这一数据在附录中查出相应的毫伏值。
选择适当的mv/cm档次。
以得到较为理想的曲线形貌。
5、选择适当的加热速度。
加热速度大时，使AC点与平衡状态转变点值增大。
此处，加热速度太大时，由于热电偶的热惰性会使示差曲线上转变点变的不大明显。
影响测量准确性，加热速度太小，使实验时间过长。
为了能在规定的时间内完成实验，本实验宜选用80V供电电压，并且为了防止过程中的干扰信号影响，电压一次选定后不再作变动。
6、上述步骤完成后，请辅导老师检查，然后按通电源进行实验。
当炉温升到800oC或稍上时去掉加热电源。
让试样随炉冷却。
到600oC或稍下的温度。
结束实验。
注意切勿使炉温超过900oC。
这样会损坏热电偶或降低其使用寿命。
五、实验数据
实验日期
1、3热电偶分度号
试样材料
4热电偶分度号
标样材料
4热电偶冷端
温度℃
室温℃
电势eto
函数记录仪
mv/cm
x
出现相变拐点时的cm数
对应电势etλ
y
对应电势e′tλ
计算公式
查表求出et相对应的温度℃
ACλ
Et=eto+etλ
AC3
[注]上表中“热电偶分度号”:
若为镍铬－镍硅热电偶分度为ＥＵ－２．若为铂铑一铂热电偶分度号为ＬＢ－３．见附录．
“出现相变拐点时的cm数对应电势”etλ=出现拐点时的cm×函数记录仪Ｘ坐标的mv/cm挡次．
六、实验报告要求：
1、简述示差热分析法的基本原理。
2、描述示差热分析曲线示意图。
标出钢的相变临界点。
3、从实验数据中计算出相变时的热电势et及相变温度。
4、比较和讨论加热和冷却条件下示差曲线上AC1和Ar1点差异。
2用电位计法测定淬火钢回火过程电阻的变化规律
一、实验目的：
1、根据65Mn钢淬火后随回火规范不同电阻的变化规律，分析不同回火阶段的组织变化。
2、掌握用电位计法测量低电阻的方法。
热习电位差计，标准电池、检流计等的使用方法。
二、基本原理：
淬火钢的组织状态是不稳定的。
在随后的回火过程将发生脱溶分解。
析出第二相――碳化物。
这将引起电阻率的降低。
因而利用电阻率的测量可以研究回火时的转变，检验钢的热处理质量。
淬火碳钢在不同的回火规范回火之后的电阻率变化曲线如图6。
图6
在100oC以下回火。
马氏体分解进行很缓慢。
即使马氏体已发生一定程度的脱溶分解。
但所析出的超显微过渡相ε―FexC增加了电子波的散射。
但碳原子脱溶所引起的电阻率的下降被这一次效应所补偿。
以致使100oC以下回火电阻变化几乎不明显。
当回火温度超过100oC时。
马氏体脱溶加速。
用ε―FexC相逐渐长大，因而ρ较快的下降。
对含碳较高（如>1.2%）完全淬火的钢，因含有较多的残余奥氏体。
其回火过程电阻率的变化如图中曲线2。
当回火温度在240oC附近ρ降低较快，甚至在曲线上出现拐点。
这与残留奥氏体的分解相联系。
当回火温度在300oC以后。
ρ缓慢降低。
这时马氏体与残留奥氏体中的碳已基本脱溶。
ε―FexC转变为Fe3C。
而且随回火温度的升高。
Fe3C聚集长大，ρ的降低就不明显了。
利用电位计法测量电阻的原理如图1.1。
图7
En—标准电池；K1—电位计倒向开关；EX—待测电势；R—可调标准电阻；G—检流计；E1—直流稳压电源；K2—双刀双掷开关；RX—待测电阻；RH—标准电阻；E2—恒流源；T1，T2—单刀开关。
图7的左部为电位差计原理图。
它由三个基本回路组成。
区为工作电流回路。
当T1闭合，回路
中有电流通过，电阻R和RW2上会产生电压降。
区为校正工作回路（也称标准化回路）。
将倒向开关K1倾向则回路
接通。
调节触点RW1使A、B之间的电压相等。
即检流计指零。
些时，IAB=VEn/R.因VEn=1.0186V。
若R为1.0186Ω则IAB=1mA,
区为检测回路。
当K1倾向b时，则待测电势EX接入回路。
调节活动触点C（相当于电位计上的测量旋钮）。
使检流计指零，此时待测电势EX和B、C两点的电压降相等。
由于IAB=IBC（为已知）。
故VEX=RBC×IBC。
由RBC之读数即可知VEX的大小。
（RBC读数已预先刻在旋钮上）。
图7的右部为测量电阻线路，当T2闭合后，有恒定的直流通过RX和RH。
当K2倒向I搁置时。
电位差计测量的是RX上的电位差。
当K2倒向Ⅱ位置时，电位差计测量的是RH上的电位差。
由于IRX=IRH，则VRX/RX=VRH/RH，故RX=RH×VRX/VRH。
RH为已知，则测出
RX和RH即可计算出RX。
三、实验材料、实验仪器及装置。
1、试样及预处理、本实验研究的对象是65Mn弹簧钢丝淬火回火后试样的电阻率变化。
试样用Ф2.5×1000mm相等长度的七根弹簧钢丝。
作以下过程预处理：
1）软化处理：
将1000mm长整根长弹簧钢丝夹于盐炉变压器输出电极板上加
热退火约700oC3分钟。
2）统制如图8所示形状。
3）
淬火：
电炉加热820oC7分钟油冷。
4）热大碱水洗除油。
冷一势水冲洗晾干。
5）回火：
按下列不同温度30分钟回火
处理：
1#试样未回火。
2#试样100oC烘箱上进行。
3#试样200oC烘箱中进行。
4#试样300oC硝盐中进行。
5#试样400oC硝盐中进行。
6#试样500oC硝盐中进行。
7#试样600oC硝盐中进行。
热水清洗。
冷一热水洗晾干。
图8
2、实验仪器：
（1）UJ9高阻直流电位计。
精度0.03，量程10Μv―1.2110V。
（2）标准电阻。
BC2型。
Ⅱ级，E20=1.01862V。
（3）标准电阻，BZ3型。
0.01级0.1Ω。
额定电流1000mA
（4）直流复射式检流计。
AC15/4型。
分度值8×10―9安/分度。
（5）晶体管直流稳压电源WYJ―30型。
（6）恒定电源。
3、实验装置如图9
图9
三、实验操作注意点：
1、被测试样接线端应使用砂纸打磨干净。
夹线卡应接触牢靠。
2、电位计上未知（+―），检流计（+―），标准电池（+―）。
直流稳压电源（+―）以恒定电源（+―）极性均不得接反。
标准电池绝对禁止短接（短路）和碰倒。
3、调节直流稳压电源供给电压2―4V。
恒流电源输出电流为500mA
4、高速标准电池电势的温度补偿旋钮：
标准电池20oC时电势为1.0186V，当室温变化时，应根据标准电池电势与温度对照表调节度补偿电势旋钮。
调至该温度下的电势值。
以消除因温度变化带来的误差。
5、测量前应先调整工作电流。
即将电位计上倒向开关拨向“标准”。
而后调节工作电流旋钮。
由粗调到细调这个调节。
直至检流计指零。
6、检流计接入电路时，在电位上有“短路”、“0”、“5000Ω”三个按键。
“短路”按下时，能起保护和阻尼作用。
使检流计短路光点迅速加零。
“5000Ω”为粗调按钮。
在开始“标准”和“测量”（未知）时，因电位还未调到接近于平衡位置，应先按此键使电位计粗调至接近平衡位置后，才能按下“0”按钮。
以提高检流计灵敏度作细调节，直至使电位计达到达到平衡。
7、实验完毕后将标准电池接线端线断开，并防止两极间短路；电位计各旋钮旋至零位、按钮全部复位；检流计旋天真无至短路端，关闭直流稳压电源和恒流电源产拨去外电源。
四、实验数据整理:
被测材料
标准电阻RH
（Ω）
试样尺寸
（mm）
恒流电流
（mA）
测试结果
试样号
热处理状态
VRH
VRX
RX
ρ
1
2
3
4
5
6
7
五、实验报告要求：
1、简述碳钢淬火后在不同的回火规范电阻率的变化规律。
2、绘制本次实验用材65Mn钢的ρ与回火温度（oC）的变化曲线。
3、结论与分析。
3、用膨胀仪测定钢的相变临界点
一、实验目的：
1、学习利用膨胀仪测量钢的临界点的方法。
分组测量45钢、T8钢加热、冷却时的相变点。
2、了解RPZ―1型晶体管式自动热膨胀仪的工作原理。
二、基本原理：
测定钢的临界点的方法很多，如金相法、热分析法等等。
但其中以热膨方法最好。
当碳钢在加热和冷却过程中发生一级相变时，体积发生明显突变。
；加热时，铁素体、珠光体转变为奥氏体，体积将发生收缩。
反之，冷却时奥氏体转变为铁素体。
珠光体或马氏体时，体积将膨胀。
这种伴随组织结构变化而发生明显的体积效应。
是热膨胀法测定钢的临界点的理论依据。
图10
图10为45钢加热时的膨胀曲线示意图。
因奥氏体的比容比铁素体和珠光体的比容要小，当温度升高到AC1温度时，由于珠光体转变为奥氏体，钢的体积产生收缩。
膨胀曲线突然上升趋势变为下降，如点a。
珠光体全部转变为奥氏体后，试样继续上升。
随着温度的升高。
铁素体不断转变为奥氏体。
这一因素会导致体积的收缩。
但是同时因为温度的升高，奥氏体及未转变的铁素体又发生热膨胀。
这两个相反因素的影响。
造成膨胀曲线上斜率逐渐变化的部分即ab段。
当温度达到AC3，全部组织已转变为奥氏体后，因奥氏体膨胀系数比其它组织的膨胀系数大，所以当继续升温时，钢样的长度以较大的斜率发生伸长。
由图14看出，ab正是膨胀曲线上的两个切点，此切点也即AC1、AC3点。
图11
利用热膨胀法测定相变点，应具有温度的测量和伸长（位移）的测量两部分构成。
示意图11所示。
将这两部分测量系统，利用―利用位移自动记录仪实现两者相应关系的曲线记录。
RPJ―1型晶体管自动热膨胀仪由位移单元、温度单元、电源单元三部分组成。
采用XWC―200自动记录仪记录温度―温度曲线和位移―时间曲线。
1、温度测量：
输给XWC―200自动记录仪的温度讯号的温度讯号是由插入试样小孔的铂铑―铂测量热电偶供给。
当放置在石英托架上的试样加热时，测量热电偶即输出温差电势。
2、位移测量：
预固于石英托管架上的试样，在加热或冷却沿轴向产生长度的变化（位移）。
此位移推动石英顶杆，使差动变压器芯产生位移。
该机械位移通过差动变压器转化为电讯号输入位移放大器。
经调制后输给自动记录仪.
三、仪器控制系统方框见图12
图12
与机械程序中滑线电位环上的结定讯号组成的差接讯号，输给偏差放大器。
经放大后的偏差讯号输给PID调节器。
再由PID运算整定后输出给可控硅触发器。
通过改变可控硅管的导通角来实现电炉供电的功率控制。
从而使炉温按预先设定的程序实现炉温控制。
2位移测量系统方框图，见图13。
图13
图13中稳流振荡器是为了供给差动变压器3KHZ激磁电流及位移讯号放大器调制讯号的。
而位移稳压电源为稳流振荡器及位移讯号放大器的直流稳压电源。
位移放大器的输出讯号。
经解调后输入给自动记录仪。
四、实验操作要求：
1、精心安装试样、捆扎测量热电偶和控制热电偶。
防止热电偶短及损坏石英托架、石英顶杆及石英套管。
2、连接热电偶补偿导线和温差电势讯号输入导线于冰并中。
防止极性连接。
3、开启电源单元“电源”。
按下直键开关“仪器”。
并开启XWC―200仪表开关。
选定走纸速度和开启记录开关。
4、位移调零。
开启位移单元“电源”开关。
按下直键开关“调零”。
旋转“调零”旋钮。
使位移表指针指0，再将“量程选择”波段旋扭至合适档位上（见5），将直接开关“位移”按下。
调节差动变压器铁芯位置。
使“位移”表指0，记录仪笔指起始刻度上。
5、“量程选择”的选定：
位移测量范围有50μ、100μ、250μ、500μ、1000μ五档。
即位移最大1mm，记录纸全长250mm。
当1000μ档时等于放大250倍。
当500μ时档时，全量程为0.5mm，位移放大5000倍……
如45钢20―800oC的线膨胀温度系数α平≈12.5×10―6/oC。
则25mm的试样在800oC左右伸长量△lo=lo×α.△t≈0.25mm.故选择500μ、档合适。
以使位移曲线形貌显目。
6、套好石英套管及有机玻璃后罩，注意真空系统的密封性，移动整电炉位置，使石英组件处于炉膛中央热区的位置，开启电炉冷却水。
7、程序给定调节下列步骤进行：
（1）开启温控单元电源，逆时针旋转“保温时间”旋扭至所需要的保温时间，此时升温指示灯亮。
（2）按下直键开关“调零”，将“PID选择”旋扭转至“PID”档。
旋转“调零旋钮”，使“偏差”表调节为0（即指针于50处档，旋转“调零”旋钮。
使“偏差”表调节为0（即指针指于50处）。
（3）逆时针方向转动“温度结定”旋钮。
使短指针指向欲给定温度。
注意：
机械给定温度比试样加热温度高约`100oC。
（4）按下直键开关“自动”，拨出“温度给定”旋钮。
旋转至使“偏差”表指0（即表针指在50处）。
然后推回旋钮，手感齿轮咬合为止。
（5）拨出“升降温速度”旋扭，旋转至所需升降温度档位（临界点测定可选200oC/小时）。
推回旋钮使齿轮咬合。
（6）开启“程序启动”开关，随后按下电源单元之“电炉”、“真空泵”按钮。
即可自动进行电炉升温、保温、降温过程。
8、试验完毕后，须待电炉冷却在较低温度（100―200oC）才能关闭电炉冷却水源。
若用护散泵真空系统，须在停机后20―30分钟后停供扩散泵冷却水。
五、相变临界点的确定：
1、XWC―200型记录仪与记录纸分度换算：
仪表Ⅱ笔为毫伏值批示。
其毫伏值大小以记录纸分格数求得。
记录纸分格为125格。
其满量程毫伏值为12.5mV。
故记录纸每一小分格为0.1mV。
测量热电偶铂铑―铂其分号为LB―3，冷端等于0oC时，则12.5mV对应的温度为1249oC。
因此，计算温度时，由记录纸的分格数换算成毫伏值。
再查附录中LB―3型温度―毫伏对照表，即可求出温度值。
2、从位移曲线上找出拐点所对应的温度值AC1、AC1、Ar1、Ar3。
其方法是：
见图18。
发生相变时的曲线拐点是曲线与膨胀直线的切点。
温度曲线纸笔和位移曲线笔之原始起点不同，有一笔距d。
作图：
由位移拐点作垂线（如PQ）后量取笔距d。
并从d点作水平线与温度曲线相交于e，则此e点所表示的毫伏值为相变临界温度对应的毫伏值，由附录换算后，即得相变临界点的温度。
图14
六、实验报告要求：
1、简述利用热膨胀测量相变临界点的基本原理。
2、描绘温度、位移曲线，并未填入下表：
加热
冷却
第一拐点
第二拐点
第一拐点
第二拐点
mv
℃
mv
℃
mv
℃
mv
℃
材料
相变温度℃
3、汇集其它小组实验结果，分析亚共析、共析、过共析碳钢热膨胀曲线上出现相变时的曲线特征。
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