金属材料专业综合试验教学大纲

1、金属材料专业综合实验Comprehensive Experiments in Metal Materials课程编号： 07310420课程教学总学时： 75 实验学时： 75 总学分： 5先修课程： 金属学、金属组织控制原理、金属材料强韧化、力学性能、金属材料学适用专业： 金属材料工程 ,一、目的与任务金属材料专业综合实验是金属材料专业的学生在学习了技术基础课和专业基础课 后，为了把课堂上学的理论知识与实践相结合，把所学到的专业知识系统地在实验中运 用，对所学过的理论知识在实验中更加理解、更加清楚，并能有所提高、有所发现、有 所创造、有所收获。系统的训练学生的基本实验技能。在实验室营造一个有

2、浓郁的科研 气氛，使置于其中的学生能激发自己的主观能动性。能自己思考、自己设计、按照自己 的设想在实验室学习。培养理论知识面宽、动手能力强、有在实验室做研究工作能力的 复合型人才。二、实验教学的基本要求1掌握基本实验技能，并能灵活地运用到本次实验中，达到综合训练的目的。2了解科学实验的基本研究思路和方法。3学会在实践中分析问题和解决问题三、本课程开设的实验项目序号实验项目名称学时类型必做选做本实验所需主要设备型号、名称1用热分析法建立相图 及显微组织分析 金属 材料专业综合实验15综合必做（1） 金相相图实验炉； （ 2）4X型金相显微 镜及数码相机； （3）抛光机；（4）小坩埚； （5）温度

3、计等2塑性变形对再结晶显微组织和硬度的影响20综合必做（1） 拉伸试验机或压力机； （2）箱式电炉；（3）4X 型金相显微镜及数码相机； （4） 抛光机等。3热处理工艺对碳钢（合金钢）组织的影响20综合必做（ 1） SQ5-20-10DM 井式气体脉冲真空多 用炉（炉膛尺寸： 400 700mm）；（2） 实验电炉；（ 3）4X型金相显微镜及数码相 机；（4）镶嵌机；（5）硬度计等。4钢的化学热处理碳氮共渗工艺设计与操作20综合必做（ 1）冲击试验机； （2）电炉；（ 3）硬度 计；（4）4X型金相显微镜及数码相机； （5）抛光机等。注： 1、类型- 指设计性、综合性、验证性； 2、要求 -

4、指必修、选修； 3、该表格不够可拓展四、实验成绩的考核与评定办法 实验成绩的考核，以实验方案报告、实验报告和实验过程为考核依据，成绩分优、 良、中、及格和不及格五等。五、大纲说明制定人： 吴晶 审定人： 批准人：2013 年 4 月 22 日金属材料专业综合实验实验指导书Comprehensive Experiment Instruction in Metal Materials课程编号： 07310420学时： 75实验学时： 75 学分：5先修课程： 金属学、金属组织控制原理、金属材料强韧化、力学性能、金属材料学适用专业： 金属材料工程专题 一 用热分析法建立相图及显微组织分析一实验目的1

5、学会用热分析法建立二元合金相图。2熟悉二元合金的典型组织及其与相图的关系。二实验内容1参考 PbSn 二元相图，配制共晶、亚共晶及过共晶六种典型成分的合金。 将称量好的料放入小坩埚内，随炉升温熔化。待熔化后进行适当地搅拌，以减轻比 重偏析，然后按两种方式进行冷却：（1）使其得到接近平衡组织的铸锭。（2）使其得到非平衡组织的铸锭。2. 将熔化的合金自高温缓慢地冷却，在冷却过程中每隔相等的时间测量、记录一 次温度，由此得到温度与时间的关系曲线，称为冷却曲线。在曲线上找出水平台或转折 点，即为所求的相变临界点。将六种合金的冷却曲线中的临界点合成为一张图，即 Pb Sn二元合金相图。2 利用凝固后的铸

6、锭制备金相试样。3 通过金相显微镜对试样进行观察与分析 （ 包括六种成分，每种成分又有两种冷却 条件） 。对照相图分析各合金的组织组成物及合金凝固时冷却速度对显微组织的影响。4对上述显微组织进行显微照相。三实验设备和材料1. 设备：（ 1）箱式电炉；（2）4X型金相显微镜及数码相机；（ 3）抛光机；（4）小坩埚；（5）温度计； 2材料：（1）金属铅和锡颗粒；（2）石墨粉；（3）金相砂纸；（4）腐蚀剂。四实验步骤1. 根据实验内容查阅资料。2. 写出实验方案：（1） 根据建立铅锡合金相图的需要，选择六种合金（其中100的铅和 100的锡用理论值，不在选择范围） 。（2）写出实验的操作步骤。1）配

7、制合金成分；2）每种合金加热的温度、加热的方法。3）冷却的方法，在冷却时，测量的方法和时间间隔的确定。4）建立二元相图的方法。5）制成金相试样的方法。3. 提交实验方案，在指导教师确认后，方可进实验室操作。专题二 塑性变形对再结晶显微组织和硬度的影响一实验目的了解金属进行塑性变形时变形度对金属显微组织和硬度的影响。 二实验内容（一）金属材料的塑性变形1. 选择不同的变形度（不得少于 4 种），对退火状态的低碳钢进行变形处理。2. 对四种状态的低碳钢试样进行硬度测试 （HRB），每块试样测量三点，取平均值。 3金相试样制备。4 金相观察。用金相显微镜进行观察、分析变形度对低碳钢显微组织的影响。

8、5拍摄观察到的典型组织的显微照片。（二）金属材料的再结晶 1将变形度最大的试样，在测试硬度后，选择再结晶退火温度（不得少于四个温 度），然后在同一温度分别用不同的保温时间（不得少于三） ，进行再结晶退火。2对退火后的试样进行硬度测试 （HRB），每块试样测试三点，取平均值。3金相试样制备。4金相观察。用金相显微镜进行观察，分析退火加热温度、保温时间对冷轧低碳 钢显微组织的影响。5将观察到的典型组织拍摄下来。 三实验设备和材料设备：（1）拉伸试样机；（2）箱式电炉（3）金相显微镜（4）抛光机等。试样：（1）低碳钢试样。（2）金相砂纸等四实验步骤1. 根据实验内容查阅资料。2. 写出实验方案：（1

9、） 根据实验要求选择四种变形度。（2）选择四个再结晶温度，并在每个温度选择三个保温时间，使试样能晶粒回 复，然后晶粒长大。（2）写出实验的操作步骤：1）材料变形实验步骤。2）加热温度和保温时间的确定。3）制成金相试样的方法。3. 提交实验方案，在指导教师确认后，方可进实验室操作。专题三 热处理工艺对碳钢（合金钢）组织的影响一实验目的1了解典型零件材料的选用原则。2掌握典型零件的热处理工艺和加工工艺路线。3学会分析每道热处理工艺后的显微组织。二实验内容典型零件的选材及热处理1热处理工艺的制定根据 FeFeC3相图、C曲线及回火转变得原理， 参考有关教材热处理工艺部分的内 容，制定给定材料（ 45

10、 钢和 T10 钢）应获得组织的热处理工艺参数，选择热处理设备、 冷却方法及介质。2综合训练1）机床主轴在工作时受到交变扭转、弯曲复合作用力，承受中等载荷，冲击载荷 不大，轴颈部位受到摩擦磨损。要求：机床主轴整体硬度要求为 2530HRC轴, 颈、锥孔部位硬度要求为 4550HRC本（ 次实验不做要求 ） 。2）手用丝锥在工作时受到扭转和弯曲的复合作用，不受震动与冲击载荷。 手用丝锥（ M12）的硬度要求为 HRC不低于 60 62。手用丝锥（ M12）的金相组织要求：淬火马氏体针 2 级。 三实验设备和材料1）箱式电阻炉。2）硬度计。3）金相显微镜和数码相机。4）抛光机。5）金相砂纸等。6）

11、供选择的金属材料。四实验步骤：1. 机床主轴1）查资料。2）试从下列材料： 45 钢、T10、20CrMnTi、Cr12MoV中选定一种最适合的材料制造 机床主轴。3）写出加工工艺线路。4）制定预先热处理和最终热处理工艺。5）写出各热处理工艺的目的和获得的组织。6）经指导教师认可后，进实验室操作。7）利用实验室现有的设备，将选好的材料，按照自己制定的热处理工艺进行热处 理。8）测试热处理后的硬度、观察每道热处理工艺后的组织并用数码相机拍摄其组织 照片，看是否达到预期的目的。如有偏差，分析原因。2手用丝锥1）查资料。2）试从下列材料： 65 钢、T10、9CrSi 、W18Cr4V、20Cr、H

12、70中选定一种最适合的材料制造手用丝锥（ M12）3）写出加工工艺线路。4）制定预先热处理和最终热处理工艺。5）写出各热处理工艺的目的和最终热处理后的组织。6）经指导教师认可后，进实验室操作。7）利用实验室现有的设备，将选好的材料，按照自己制定的热处理工艺进行热处 理。8）测试热处理后的硬度、观察每道热处理工艺后的组织并用数码相机拍摄其组织 照片，看是否达到预期的目的。如有偏差，分析原因。五实验报告要求1实验目的2选择适当的材料。3制定热处理工艺。 4根据机床主轴和手用丝锥的实验步骤，写出实验的详细过程（包括材料选用、 加工工艺线路、热处理工艺、测试的硬度值及冲击值、附每道热处理工艺后的显微组

13、织 照片）。5分析存在问题，提出改进的方案。 6本次实验的体会。专题四 碳氮共渗工艺及热处理工艺对渗层组织性能的影响一、实验目的1、初步掌握碳氮共渗工艺过程及主要工艺参数的制定2 、初步掌握碳氮共渗的操作方法及化学热处理质量检测与控制方法 二、实验原理1. 碳氮共渗工艺参数的制定 碳氮共渗温度的选择温度的升高、 渗入速度显著加快。 在常用的碳氮共渗温度范围内， 随着温度的升高， 氮的表面层浓度越来越低，而且急剧下降，而碳的含量却逐渐提高，特别是碳原子的渗 入深度大大提高，但是高温下碳原子扩散加速所以碳的浓度达到一定值后又降低。碳氮共渗温度较低时表面易形成脆性的高氮低碳化合物 相，温度升高时可获

14、得含 氮渗碳体。另外，由于氮的作用及氮碳的共同作用，碳氮共渗后的残余奥氏体量比渗碳 时多且与共渗温度有关，温度的提高残余奥氏体在渗层中的分布加深，而其数量随温度 的升高先是降低而后又随温度的升高而增加。因此，在选择碳氮共渗温度时应该遵循的原则是： 尽可能提高渗速； 尽可能使渗层中保存一定的氮量； 尽可能使渗层中减少化合物层的出现； 尽可能使渗层在淬火后残余奥氏体量调整到一定值； 尽可能减少零件的变形。 综合各种因素，通常碳氮共渗温度在 820870之间。 碳氮共渗时间的选择 碳氮共渗工艺时间的长短主要决定于所要求的共渗层深度、共渗温度和钢种，此外 共渗剂的成分和流量以及装炉量等也都有一定的影响

15、。 共渗层深度与共渗时间的关系可 以用下式表示：X=K 式中： X为共渗层深度（ mm），为共渗时间（ h）, K 为共渗系数。其中共渗系数与共渗温度、共渗介质和钢种有关，可通过实验测得。表 2 列出了常用钢种的 K值。通常在较低的温度下碳氮共渗时，表面硬度随时间的延长而迅速增加；但当共渗时 间继续延长时表面硬度不再增加。而在较高的温度下碳氮共渗时，表面硬度值所对应的 时间是 23 小时，如时间继续延长，表面硬度反而有下降的趋势。表 2 常用钢种的 K 值钢号共渗温度 K值共渗介质20Cr8508700.30略20CrMnTi8508700.3220 CrMnTi8208400.3120MnM

16、o8400.3410或 208508700.28 碳氮共渗炉内气氛的控制 气体碳氮共渗以渗碳为主；共渗剂通常由滴入液体渗碳剂和通入氨气，液体渗碳剂 通常取丙酮或煤油和稀释剂甲醇。通常共渗气氛中， 氨气含量为 2535，对于碳氧共渗炉气的控制一般采用在稳定 炉气氮气的基础上控制炉气的碳势。当采用带有稀释气介质共渗时，炉内气体介质的流 量每小时应为炉膛容积的 610倍，即保证每小时换气 610 次（称换气次数）。这样 在已知炉膛尺寸、共渗介质的产气量就能计算出共渗介质的需求量，制定出炉内气氛控制的工艺参数。表 3 是几种常用渗剂的产气量：稀释剂除了可以控制炉内气氛成分的稳定外， 还可以配合废气排出孔开启的程度控 制炉内的气氛压力表 3几种常用渗剂的产气量渗剂名称产气量m3/L苯0.42煤油0.75甲醇1.66乙醇1.55丙酮1.23液氨1.4 m3/kg 2.8 m3（ 裂解后 ）实验设备及材料实验设备： SQ5-20-10DM井式气体脉冲真空多用炉（炉膛尺寸： 400700mm） 实验电炉，金相显微镜，镶嵌机，硬度计实验材料：甲醇、煤油、液氨、金相砂纸、腐蚀剂10、 20Cr或 20CrMnTi试样四实验步骤1. 根据实验内容查阅资料。据下列零件的技术要求选择合适的材料、加工工艺路线及热处理方法，并说明选取