材料检验与理化实训.docx

1、材料检验与理化实训材料检验与理化实训教案试验一 金属材料硬度试验一、 实验目的1、 了解硬度测定的基本原理及应用范围。2、 了解维氏、洛氏硬度实验机的主要结构及操作方法。二、 概述金属的硬度可以认为是金属材料表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的一种能力。硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念。硬度值越高，表明金属抵抗塑性变形的能力越大，材料产生塑性变形就越困难。另外硬度与其他机械性能（如强度指标 b及塑性指标和）之间有着一定的内在联系。所以从某种意义上说硬度的大小对于机械零件或工具的使用性能及寿命具有决定性意义。测量硬度的方法很多，在机械工业中广泛采用压入法来测定硬度，压入法又分为布氏硬度、

2、洛氏硬度、维氏硬度等。压入法硬度试验的主要特点是：1 实验时应力状态最软，（即最大切应力远远大于最大正应力）因而不论是塑性材料还是脆性材料均能发生塑性变形。2 金属的硬度与强度指标之间存在如下近似关系： b=K*HB 式中： b 材料的抗拉强度值； HB布氏硬度值 K 系数 退火状态的碳钢 K0.340.36 合金调质钢 K0.330.35 有色金属合金 K0.330.533 硬度值对材料的耐磨性、疲劳强度等性能也有一定的参考价值，通常硬度值高，这些性能也就好。在机械零件设计图纸上对机械性能的技术要求，往往只标注硬度值，其原因就在于此。4 硬度测量后由于仅在金属表面局部体积内产生很小压痕，并不

3、损坏零件，因而适合于成品检验。5 设备简单，操作迅速方便。三、 布氏硬度 （一）布氏硬度试验的基本原理布氏硬度试验是施加一定大小的载荷P，将直径为D的钢球压入被测金属表面（如图3-1所示）保持一定时间，然后卸除载荷，根据钢球在金属表面上所压出的凹痕面积F凹 求出平均应力值，以此作为硬度值的计量指标，并用符号HB表示。 图3-1 布氏硬度试验原理图其计算公式如下： HBP/F凹 （3-1）式中： HB布氏硬度值； P载荷（Kgf）；（1 Kgf9.8N） F凹凹痕面积（mm2）。根据压痕面积和球面之比等于压痕深度和钢球直径之比的几何关系，可知压痕部分的球面积为： (3-2)式中：D钢球直径（mm

4、）； h压痕深度（mm）由于测量压痕直径d要比测定压痕深度h容易，故可将（3-1）式中h改换成d来表示，这可根据图3-1(b) 中Oab的关系求出。 (3-3)将式（3-2）和（3-3）代入式（3-1）即得： (3-4) 式中只有d是变数，故只需测出压痕直径d，根据已知D和P值就可计算出HB值。在实际测量时，可由测出之压痕直径d直接查表得到HB值。由于金属材料有硬有软，所测工件有厚有薄，若只采用同一种载荷（如3000kgf）和钢球直径（如10mm）时，则对硬的金属适合，而对极软的金属就不适合，会发生整个钢球陷入金属中的现象；若对于厚的工件适合，则对于薄件会出现压透的可能，所以在测定不同材料的布

5、氏硬度值时就要求有不同的载荷P和钢球直径D。为了得到统一的、可以相互进行比较的数值，必须使P和D之间维持某一比值关系，以保证所得到的压痕形状的几何相似关系，其必要条件就是压入角保持不变。根据相似原理由图3-1（b）中可知d和的关系是： (3-5)以此代入式（3-4）得： (3-6)式（3-6）说明，当值为常数时，为使HB值相同，也就保持为一定值。因此对同一材料而言，不论采用何种大小的载荷和钢球直径，只要能满足=常数，所得的HB值是一样的。对不同材料来说，所得的HB值也是可以进行比较的。按照GB231-63规定，比值有30、10和2.5三种，具体试验数据和适用范围可参考表3-1。表3-1 布氏硬

6、度试验规范材料硬度范围（HB）试样厚度(mm)P/D2钢球直径D(mm)载荷P(kgf)载荷保持时间(s)黑色金属140-4501406-34- 266-366-366-332.51052.525062.515.660（二）布氏硬度试验机的结构和操作1、HB-3000型布氏硬度试验机的外形结构如图3-2所示。其主要部件及作用如下：（1）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。（2）杠杆机构：杠杆系统通过电动机可将载荷自动加在试样上。（3）压轴部分：用以保证工作时试样与压头中心对准。（4）减速器部分：带动曲柄及曲柄连杆，在电机转

7、动及反转时，将载荷加到压轴上或从压轴上卸除。（5）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。图3-2 HB-3000布氏硬度试验机外形结构图1指示灯；2压头；3工作台；4立柱；5丝杠；6手轮；7载荷砝码；8压紧螺钉；9时间定位器；10加载按钮2、操作前的准备工作：（1）根据表3-1选择压头，且将压头擦拭干净，装入主轴衬套中。（2）根据表3-1选定载荷，加上相应的砝码。（3）安装工作台。当试样高度120mm时，应将立柱安装在升降螺杆上，然后安装好工作台进行试验。（4）根据表3-1确定持续时间T，然后将压紧螺钉拧松，把圆盘上的时间定位器（红色指示点）转到与持续时间相符的位置上。

8、（5）接通电源，打开指示灯，证明通电正常。3、操作程序：（1）将试样放在工作台上，顺时针方向旋转手轮，工作台上升，使压头压向试样表面直到手轮与下面螺母产生相对滑动为止。（2）按动加载按钮，启动电动机，即开始加载荷。此时因压紧螺钉已拧松，圆盘并不转动，当红色指示灯闪亮时，迅速拧紧压紧螺钉，使圆盘转动。达到所要求的持续时间后，转动自动停止。（3）逆时针方向旋转手轮，使工作台降下。取下试样用读数显微镜测量压痕直径d值，并查表确定硬度HB数值。4、注意事项（1）安装砝码时，一定将吊杆的本身重量187.5公斤加进去。（2）试样厚度应不小于压痕直径的10倍。试验后，试样背面及边缘呈显变形痕迹时，则试验无效

9、。（3）压痕直径d应在以下范围内，否则无效。0.24Dd0.6D（4）压痕中心至试样边缘应大于D，两压痕中心大于2D。（5）试样表面必须平整光洁无氧化皮，以使压痕边缘清晰，保证精确测量压痕直径d。（6）用显微镜测量压痕直径d时，应从相互垂直的两个方向上读取，取其平均值。HB-3000B、HB-3000C是在HB-3000基础上改进的，具有比HB-3000硬度计操作更方便、测量更精确等特点。四、洛氏硬度(一) 洛氏硬度试验的基本原理 洛氏硬度同布氏硬度一样也属于压入硬度法，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3-3所示。图3-3 洛氏硬度试验原理图洛氏硬度试验所

10、用压头有两种：一种是顶角为120的金刚石圆锥，另一种是直径为1/16（1.588mm）的淬火钢球。根据金属材料软硬程度不一，可选用不同的压头和载荷配合使用，最常用的是HRA、HRB和HRC。这三种洛氏硬度的压头、负荷及使用范围列于表3-2。 表3-2 常见洛氏硬度的试验规范及使用范围标尺所用符号/压头总负荷kgf表盘上刻度颜色测量范围相当维氏硬度值应用范围HRA 金刚石圆锥60黑色70-85390-900碳化物、硬质合金、淬火工具钢、浅层表面硬化层HRB1/16钢球100红色25-10060-240软钢（退火态、低碳钢正火态）、铝合金HRC金刚石圆锥150黑色20-67249-900淬火钢、调

11、质钢、深层表面硬化层表注： (1)金刚石圆锥的顶角为120+30，顶角圆弧半径为0.210.01mm(2)初负荷均为10公斤洛氏硬度测定时，需要先后两次施加载荷（初载荷及主载荷），预加载荷的目的是使压头与试样表面接触良好，以保证测量结果准确。图3-3中0-0位置为未加载荷时的压头位置，1-1位置为加上10 Kgf预加载荷后的位置，此时压入深度为h1，2-2位置为加上主载荷后的位置，此时压入深度为h2，h2包括由加载所引起的弹性变形和塑性变形，卸除主载荷后，由于弹性变形恢复而稍提高到3-3位置，此时压头的实际压入深度为h3。洛氏硬度就是以主载荷所引起的残余压入深度（h=h3-h1）来表示。但这样

12、直接以压入深度的大小表示硬度，将会出现硬的金属硬度值小，而软的金属硬度值大的现象，这与布氏硬度所标志的硬度值大小的概念相矛盾。为了与习惯上数值越大硬度越高的概念相一致，采用一常数（K）减去（h3-h1）的差值表示硬度值。为简便起见又规定每0.002mm压入深度作为一个硬度单位（即刻度盘上一小格）。洛氏硬度值的计算公式如下： 式中：h1预加载荷压入试样的深度（mm）；h3卸除主载荷后压入试样的深度（mm）；K常数，采用金刚石圆锥时K0.2（用于HRA、HRC）；采用钢球时K0.26（用于HRB）。 因此上式可改为： HRC（或HRA） HRB （二）洛氏硬度试验机的结构和操作图3-4 H-100

13、型洛氏硬度试验机结构图1支点；2指示器；3压头；4试样；5试样台；6螺杆；7手轮；8弹簧；9按钮；10杠杆；11纵杆；12重锤；13齿轮；14油压缓冲器；15插销；16转盘；17小齿轮；18扇齿轮1、H-100型杠杆式洛氏硬度试验机的结构如图3-4所示，其主要部分及作用如下：（1）机体及工作台：试验机有坚固的铸铁机体，在机体前面安装有不同形状的工作台，通过手轮的转动，借助螺杆的上下移动而使工作台上升或下降。（2）加载机构：由加载杠杆（横杆）及挂重架（纵杆）等组成，通过杠杆系统将载荷传至压头而压入试样，借扇形齿轮的转动可完成加载和卸载任务。（3）千分表指示盘：通过刻度盘指示各种不同的硬度值（如图

14、3-5所示）。图3-5 洛氏硬度指示盘2、操作规程：（1）根据试样预期硬度按表3-2确定压头和载荷，并装入试样机。（2）将试样置于工作台上，顺时针旋转手轮，使试样与压头缓慢接触，直到表盘小指针指在“3”或“小红点”处，此时即已预加载荷10Kgf。然后将表盘大指针调整至零点（HRA、HRC零点为0，HRB零点为30），稍差一些可转动读数盘调整对准。（3）向前拉动右侧下方水平方向的手柄，以施加主载荷。（4）当指示器指针停稳后，将右后方弧形手柄向后推，卸除主载荷。（5）读数。采用金刚石压头（HRA、HRC）时读外圈黑字，采用钢球压头（HRB）时读内圈红字。（6）逆时针旋转手轮，使工作台下降，取下试样

15、，测试完毕。3、注意事项：（1）试样表面需平整光洁，不得带有油、氧化皮、裂缝、凹坑等。可用细砂轮或砂纸将工件表面磨平，磨制过程中工件表面温度不得超过150。（2）根据工件的大小与形状选择适当的工作台，以保证试件能平稳的安放在工作台上，并使被测表面与压头保持垂直。（3）根据被测金属材料的硬度高低，按表3-2选择压头、载荷。（4）试样厚度应不小于压痕深度的10倍。两相邻压痕中心距离及压痕中心至试样边缘的距离不应小于3mm。（5）加载时力的作用线必须垂直于试样表面。4、洛氏硬度计的校验与调试：（1）先检查硬度计安装是否平稳，把水平仪放在大工作台上检查水平（0.3/1000毫米以内）。（2）检查与调试

16、加载速度，在100公斤载荷空程（即未接触工件）时，行程时间规定为4-6秒。如果发现太快或太慢，可将缓冲器油的螺母旋出或旋入一些。（3）调试：按标准块检查硬度示值超差时，可以调整测量杠杆的放大倍数。将调整螺母松开，向后移动调整板，增加放大倍数，会使硬度值变低；反之，向前移动调整板，减少放大倍数，硬度值变高，再把螺钉拧紧，再用标准块检查，直到合格为止。必须指出，有些硬度计由于预载荷、主载荷不准确或刀口磨损，甚至结构不合理，此时单靠调试测量杠杆可能达不到目的，应送生产厂修理或调试。全洛氏硬度计操作说明：全洛氏硬度计用途比较广泛，它可以测量金属、硬纸板、塑料等；根据工件的材质，事先设置压头及载荷大小，

17、TH-300洛氏硬度计采用洛氏测量原理，具有测量精度高，测量范围宽，主试验力自动加卸载，测量结果数字显示并自动打印。有以下特点：（1）结构独特 本硬度计采用特殊的压头结构，可以测试普通硬度计无法测到的表面，如环状、管状零件内表面。（2）测量范围宽 可测HRA、HRB、HRC、HRE、HRF、HRG、HRH、HRK、HRL、HRM、HRP、HRS、HRV共15种标尺的硬度。（3）辅助功能强 除一般硬度值测试外，具有以下辅助功能：上下线设置、超差判断报警、数据统计、求平均值、最大最小值；标尺转换，可将测试结果转换为HB、HV、HLD以及强度b；曲面修正等。五、 实验用设备、材料 1、设备如下：HR

18、-150A型洛氏硬度计TH-300全洛数显硬度计HB-3000、 HB-3000B、HB-3000C型布氏硬度计 2、标准硬度块若干六、实验内容 1、显微维氏硬度测量 2、洛氏硬度测量七、实验报告要求 1、实验目的 2、简述维氏和洛氏硬度试验原理。 3、简述维氏、洛氏硬度试验机的结构、操作步骤及注意事项。 4、将各试样的硬度测量结果填入表中给出。试验二 偏光显微镜试验四 材料力学性能测试（6学时）一、实验目的1、测定高分子材料的屈服强度REh 、ReL及Re 、抗拉强度Rm 、断后伸长率A和断面收缩率Z 。2、观察并分析材料在拉伸过程中的各种现象（包括屈服、强化、冷作硬化和颈缩等现象），并绘制

19、拉伸图。4、了解万能材料试验机的结构及工作原理，掌握使用方法。二、使用设备万能试验机、游标卡尺、试样分划器或钢筋标距仪三、试样本试验采用经机加工的直径d =10 mm的圆形截面比例试样，其是根据国家试验规范的规定进行加工的。它有夹持、过渡和平行三部分组成（见图21），它的夹持部分稍大，其形状和尺寸应根据试样大小、材料特性、试验目的以及试验机夹具的形状和结构设计，但必须保证轴向的拉伸力。其夹持部分的长度至少应为楔形夹具长度的3/4（试验机配有各种夹头，对于圆形试样一般采用楔形夹板夹头，夹板表面制成凸纹，以便夹牢试样）。机加工带头试样的过渡部分是圆角，与平行部分光滑连接，以保证试样破坏时断口在平行

20、部分。平行部分的长度Lc按现行国家标准中的规定取Lo+d ，Lo是试样中部测量变形的长度，称为原始标距。四、实验原理按我国目前执行的国家GB/T 2282002标准金属材料 室温拉伸试验方法的规定，在室温1035的范围内进行试验。将试样安装在试验机的夹头中，然后开动试验机，使试样受到缓慢增加的拉力（应根据材料性能和试验目的确定拉伸速度），直到拉断为止，并利用试验机的自动绘图装置绘出材料的拉伸图（图22所示）。应当指出，试验机自动绘图装置绘出的拉伸变形L主要是整个试样（不只是标距部分）的伸长，还包括机器的弹性变形和试样在夹头中的滑动等因素。由于试样开始受力时，头部在夹头内的滑动较大，故绘出的拉伸

21、图最初一段是曲线。1、低碳钢（典型的塑性材料）当拉力较小时，试样伸长量与力成正比增加，保持直线关系，拉力超过FP后拉伸曲线将由直变曲。保持直线关系的最大拉力就是材料比例极限的力值FP 。在FP的上方附近有一点是Fc，若拉力小于Fc而卸载时，卸载后试样立刻恢复原状，若拉力大于Fc后再卸载，则试件只能部分恢复，保留的残余变形即为塑性变形，因而Fc是代表材料弹性极限的力值。当拉力增加到一定程度时，试验机的示力指针（主动针）开始摆动或停止不动，拉伸图上出现锯齿状或平台，这说明此时试样所受的拉力几乎不变但变形却在继续，这种现象称为材料的屈服。低碳钢的屈服阶段常呈锯齿状，其上屈服点B受变形速度及试样形式等

22、因素的影响较大，而下屈服点B则比较稳定（因此工程上常以其下屈服点B所对应的力值FeL作为材料屈服时的力值）。确定屈服力值时，必须注意观察读数表盘上测力指针的转动情况，读取测力度盘指针首次回转前指示的最大力FeH（上屈服荷载）和不计初瞬时效应时屈服阶段中的最小力FeL（下屈服荷载）或首次停止转动指示的恒定力FeL（下屈服荷载），将其分别除以试样的原始横截面积（S0）便可得到上屈服强度ReH和下屈服强度ReL。即ReH= FeH/S0 ReL = FeL/S0屈服阶段过后，虽然变形仍继续增大，但力值也随之增加，拉伸曲线又继续上升，这说明材料又恢复了抵抗变形的能力，这种现象称为材料的强化。在强化阶段

23、内，试样的变形主要是塑性变形，比弹性阶段内试样的变形大得多，在达到最大力Fm之前，试样标距范围内的变形是均匀的，拉伸曲线是一段平缓上升的曲线，这时可明显地看到整个试样的横向尺寸在缩小。此最大力Fm为材料的抗拉强度力值，由公式Rm=Fm/S0 即可得到材料的抗拉强度Rm。如果在材料的强化阶段内卸载后再加载，直到试样拉断，则所得到的曲线如图23所示。卸载时曲线并不沿原拉伸曲线卸回，而是沿近乎平行于弹性阶段的直线卸回，这说明卸载前试样中除了有塑性变形外，还有一部分弹性变形；卸载后再继续加载，曲线几乎沿卸载路径变化，然后继续强化变形，就像没有卸载一样，这种现象称为材料的冷作硬化。显然，冷作硬化提高了材

24、料的比例极限和屈服极限，但材料的塑性却相应降低。当荷载达到最大力Fm后，示力指针由最大力Fm缓慢回转时，试样上某一部位开始产生局部伸长和颈缩，在颈缩发生部位，横截面面积急剧缩小，继续拉伸所需的力也迅速减小，拉伸曲线开始下降，直至试样断裂。此时通过测量试样断裂后的标距长度Lu和断口处最小直径du，计算断后最小截面积（Su），由计算公式、 即可得到试样的断后伸长率A和断面收缩率Z。2、铸铁（典型的脆性材料）脆性材料是指断后伸长率A5 的材料，其从开始承受拉力直至试样被拉断，变形都很小。而且，大多数脆性材料在拉伸时的应力应变曲线上都没有明显的直线段，几乎没有塑性变形，也不会出现屈服和颈缩等现象（如图

25、22b所示），只有断裂时的应力值强度极限。铸铁试样在承受拉力、变形极小时，就达到最大力Fm而突然发生断裂，其抗拉强度也远小于低碳钢的抗拉强度。同样，由公式Rm=Fm/S0 即可得到其抗拉强度Rm，而由公式则可求得其断后伸长率A。五、试验步骤一、低碳钢拉伸试验1、试样准备：为了便于观察标距范围内沿轴向的变形情况，用试样分划器或标距仪在试样标距L0 范围内每隔5 mm刻划一标记点（注意标记刻划不应影响试样断裂），将试样的标距段分成十等份。 用游标卡尺测量标距两端和中间三个横截面处的直径，在每一横截面处沿相互垂直的两个方向各测一次取其平均值，用三个平均值中最小者计算试样的原始横截面积S0（计算时S0

26、应至少保留四位有效数字）。2、试验机准备：根据低碳钢的抗拉强度Rm和试样的原始横截面积S0估计试验所需的最大荷载，并据此选择合适的量程，配上相应的砝码砣，做好试验机的调零（注意：应消除试验机工作平台的自重）、安装绘图纸笔等准备工作。3、装夹试样：先将试样安装在试验机的上夹头内，再移动试验机的下夹头（或工作平台、或试验机横梁）使其达到适当位置，并把试样下端夹紧（注意：应尽量将试样的夹持段全部夹在夹头内，并且上下要对称。完成此步操作时切忌在装夹试样时对试样加上了荷载）。4、检查试车：请教师检查以上步骤完成情况，然后启动试验机，预加少许荷载后（对应的应力不能超过材料的比例极限），卸载回至零点，以检查

27、试验机工作是否正常。同时消除试样在夹头中的滑移对绘制拉伸图曲线的影响。5、进行试验：开动试验机使之缓慢匀速加载（依据规范要求，在屈服前以660 MPa/s的速率加载），并注意观察示力指针的转动、自动绘图的情况和相应的试验现象。当主动针不动或倒退时说明材料开始屈服，记录上屈服点FeH（主动针首次回转前的最大力）和下屈服点FeL（屈服过程中不计初始瞬时效应时的最小力或主动针首次停止转动的恒定力），具体情况如图24所示（说明：前所给出的加载速率是国标中规定的测定上屈服点时应采用的速率，在测定下屈服点时，平行长度内的应变速率应在0.000250.0025s之间，并应尽可能保持恒定。如果不能直接控制这一

28、速率，则应固定屈服开始前的应力速率直至屈服阶段完成）。根据国标规定，材料屈服过后，试验机的速率应使试样平行长度内的应变速率不超过0.008/s。在此条件下继续加载，并注意观察主动针的转动、自动绘图的情况和相应的试验现象（强化、冷作硬化和颈缩等现象在强化阶段的任一位置卸载后再加载进行冷作硬化现象的观察；此后，待主动针再次停止转动而缓慢回转时，材料进入颈缩阶段，注意观察试样的颈缩现象），直至试样断裂停车。记录所加的最大荷载Fm（从动针最后停留的位置）。6、试样断后尺寸测定：取出试样断体，观察断口情况和位置。将试样在断裂处紧密对接在一起，并尽量使其轴线处于同一直线上，测量断后标距Lu和颈处的最小直径

29、du（应沿相互垂直的两个方向各测一次取其平均值），计算断后最小横截面积Su。注意：在测定Lu时，若断口到最临近标距端点的距离不小于1/3L0，则直接测量标距两端点的距离；若断口到最临近标距端点的距离小于1/3L0，则按图25所示的移位法测定：符合图（a）情况的，Lu=AC+BC，符合图（b）情况的，Lu=AC1+BC；若断口非常靠近试样两端，而其到最临近标距端点的距离还不足两等份，且测得的断后伸长率小于规定值，则试验结果无效，必须重做。此时应检查试样的质量和夹具的工作状况，以判断是否属于偶然情况。7、归整实验设备：卸回油缸中的液压油，取下绘记录图纸，请教师检查试验记录，经认可后清理试验现场和所

30、用仪器设备，并将所用的仪器设备全部恢复原状。六、铸铁拉伸试验1、测量试样原始尺寸：测量方法要求同前，但只用快干墨水或带色涂料标出两标距端点，不用等分标距段。2、试验机准备：（要求同前）。3、安装试样：（方法同前）。 4、检查试验机工作是否正常：（检查同前，但勿需试车）。5、进行试验：开动试验机，保持试验机两夹头在力作用下的分离速率使试样平行长度内的应变速率不超过0.008/s的条件下对试样进行缓慢加载，直至试样断裂为止。停机并记录最大力Fm。6、试样断后尺寸测定：取出试样断体，观察断口情况。然后将试样在断裂处紧密对接在一起，并尽量使其轴线处于同一直线上，测量试样断后标距Lu（直接用游标卡尺测量标距两端点的距离）。7、归整实验设备：卸回油缸中的液压油，取下绘记录图纸，请教师检查试验记录，经认可后清理试验现场和所用仪器设备，并将所使用的仪器设备全部复原