长安大学材料学院专业实验报告

1、长安大学实验报告材料成型及控制工程专业实验20Mn2学 院:名:学 院:名:专 业:班 级:学 号:指导老师:材料成型及控制工程3102080314二0年七月目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 实验一静拉伸实验2实验二硬度测试4实验三 冲击试验6实验四 金相综合分析7实验五 高铬铸铁试样的制备9综合实验20Mn2钢的热处理9实验总结15致谢15参考文献15以20Mn2钢为例，进行有关材料成型及控制工程专业实验，包括拉伸实验， 硬度测量，冲击试验，金相分析，铸铁制备，打磨抛光等以熟悉本专业。通过不 同的热处理工艺，

2、得到20Mn2钢的性能也不相同。关键字：静拉伸，硬度，冲击，金相组织，热处理，正火，退火，淬火，回火， 20Mn2实验一静拉伸试验一、实验目的1、掌握拉伸试验机和引伸仪等设备仪器的使用方法。2、掌握刚才的强度指标、央、。02、气及塑性指标。的测试方法。3、对拉伸试样断口进行初步宏观分析，并说明其韧、脆性。二、实验过程在试样上打好标距100mm （或50mm），并分成10格。检查设置，调整使之处于工作状态。装好试样，放好记录仪及记录纸。试验应在2010吒的温度范围内进行，如试验温度超过了这一限制，试验报告中 应予以注明。试验拉伸速度，在达到。s或a0.2之前，应力增加速度不大于 9.8MP/S,

3、对 d0=100mm的试验，即为764.4N/S,屈服后，活动夹头移动速度不大于0.5L/min, 整个过程必须平稳而无冲击。1、屈服点 as 的测定对于有明显屈服现象的材料屈服点可借助于试验机测力表盘的指针或拉伸曲线 确定，也就是拉伸曲线上的屈服平台的恒定载荷或第一次下降的最小载荷即为 Ps，用下式计算：屈服点as=F02、屈服强度a0.2的确定对于拉伸曲线上无明显屈服现象的材料，则必须测其屈服强度。屈服强度a0.2为试样在拉伸过程中标距部分残余伸长达原标距长度的0.2%时 之应力。残余伸长量0.2%是根据需要人为规定的。试验时用百分表式引伸仪卸荷法测定，其步骤如下：1、试样装好后，施加初载

4、荷P0，P0相当于a0.2载荷的10%，即：P0=10%xF0 x a0.2 =0.1xnx 52=470kg取整得 P0=500kg再安装引伸仪。2、加荷到2P0，保持510分钟，卸荷至P0其中2P0=2x500=1000kg此时引伸仪上指针位置为条件零点（初读数一般转动表盘对0）。3、第一次加载，使引伸仪读数（小倍数）为：总二初读数+ X 2+2其中：为产生0.2%残余变形的绝对伸长量。=0.2%xL0 x100=0.2%x50 x100=10 倍X2所用杠杆式引伸仪放大倍数为2.+2考虑到弹性变形量。记录下相应的载荷P1、卸载至P0后，读出残余变形数为：残1.4、第二次加载：P2+P1+

5、AP=（P1+150）kg其中：AP=2kg/mm2 xF0=2x78.5=157kg取整得P=150kg卸载至P0，记录下残余变形数为：残2。5、第三次加载：P3=P2+AP卸载至P0，记录残余变形量为：残3。如此逐渐进行，每次加AP的负荷，直到最终残余变形量在引伸仪上的读数达到 20分格（即0.2%L0）时为止，此时载荷为P0.2。用式。.2二詈计算试验结果列入下表加荷次序负荷P(kg)卸载至P0后引伸仪读数（分 格）残余伸长量（分格）P05000P1P2P3P43、测ob、oK将试样装在60t油压万能材料试验机上，将试样拉断，并记录PB和PK数值用式ob聋Ek聋计算4、测&中测出长度及直

6、径的变形。（测出LK、DK），注意断口，若位置不在中间，而在试 样两头1/3的范围内，就必须用补偿法测量，并计算出LK。计算6=l-lo x100%L0F-FK X100%实验二硬度测试一、实验目的1掌握布氏、洛氏、维氏、显微硬度的试验方法及应用范围。2熟练掌握测量金属材料硬度的常用方法。二、实验过程以洛氏硬度测量为例：对试样进行打磨处理使其有一对平行面将试件放在测量仪的托盘上，缓慢转动转盘，让试件与压头接触加初载荷（10kg）使小指针从黑转到红加载，调零，使大指针对准零点加主载荷，加载10s钟U 1 HEQ U 1 HEQ A犀*壮曲由亦丈田iois-wiSpllTjlF 蝎也，1主僵嗥一您

7、餐啤蚱，1主Lt拉一血fb6-财r 1工出白U一上陋 isMl机蛇“一峨的责可霄箱，争_枝姓探说fib b一升点萱m 9-于做Jfl-jRI-F b J7fiffr蹈5冷氏现辰试验原里对沿半径方向的不同位置重复上述操作，得到一系列硬度值，并记录填入如下 表格：次数123456硬度 值45.840.139.438.441.640.9三、洛氏硬度试验注意事项：更换压头或载物台时注意将配合处擦拭干净。放置后，应初步试验几次，直到 连续两次所得硬度值相同后才能开始正式试验。目的是为了使压头及载物台接触 部分压紧，接触良好。金刚石压头很脆，任何时间都要记住不要与试样、载物台等硬物相碰；当更换 压头、载物

8、台时，应先用手轮把载物台旋至较低位置，再用手指覆盖住金刚石尖 端，然后再做更换动作。压痕间距或压痕与试样边缘距离：HRB、HRA应大于2.5毫米，而HRC应大于4 毫米。四、显微硬度试验用布氏、洛氏和维氏等等硬度试验法测定材料的硬度时，只能得到金属材料组织 的平均硬度值。这就是说，当金属材料是有几个相的机械混合物组成时，测得的 硬度值只是这个混合物的平均硬度值。当测量某个相、某个晶粒、夹杂物或其他 组成物的硬度时，或者对于研究扩散层组织，偏析相，硬化层深度以及极薄层试 样等等，这时就可以用显微硬度试验法。显微硬度试验法其实验原理也是维氏硬度试验的原理。也是利用顶角为136 金刚石角锥体，其负荷

9、为一公斤以下的小负荷，一般为25200克，压痕也很小， 故试验机上测量对角线用的显微镜有较大的放大倍数。得到的硬度值以HM表示。（也有HV或HD表示）HM=1854P （公斤力/毫米2）d2式中P以克力为单位，d以毫米为单位，这样换算后其系数就不是维氏试验 的 1.854，而是 1854。由于负荷小，压痕也小，因此这样必须制成金相样品，且在磨制与抛光试样时应 注意不能产生较厚的金属扰乱层和表面形变硬化层，以免影响试验结果。在可能 的范围内，选用较大的负荷，以免减少因磨制试样时产生的表面硬化层的影响， 并可提高测量的精确性。显微硬度机一般都包括一个带有测量目镜的显微镜和一个压痕机构两大部分。先

10、将做好的显微试样放在载物台上，试样的显微组织可通过目镜观察，选择好欲测 微区后，将其调整到目镜中央部分，然后用手柄将载物台旋转180，这时要测 试的地方就正好对准在压头之下了，将砝码直接压在压头上，旋转手柄加载荷， 在载荷作用下停留5-10秒后，即可卸载，再用手柄将载物台反向旋转180，此 时压痕就正好在物镜之下，目镜上带有测微螺旋及固定网格和可动网格，用以测 定压痕对角线的长度。显微硬度测量步骤如下：（一）视域内08标尺是不动的，十字交叉线和较高的两条竖线是随测微螺旋 的旋动而左右移动的。每次测量前应先调零，如图所示：较高两条竖线在4的两侧，测微螺旋零对准细 横线。（二）旋动载物台上的螺丝，

11、使欲测硬度之黑色相置于十字交叉线下。（三）加载后即在黑色相上留下方形痕迹。（四）先旋测微螺旋，使十字交叉线至压痕右边，与压痕相切，得一读数K1。（五）再旋测微螺旋，使十字交叉线至压痕左边，相切读书记为K2。（六）K1-K2的值即为压痕对角线长。根据测得的螺旋格数，显微镜放大倍数、 选用的载荷，查表可得显微硬度值。（七）注意事项：显微硬度测量时需仔细耐心，放置显微硬度计的桌子不能震动，特别是在载荷 未卸除之前，不能移动或碰撞载物台，以免损坏压头。选好测定部位后，要求调焦清晰，测量压痕时要求准确，为减少误差，初学者 可重复测量23次，取一个较准确的数字。对于形状不规则的压痕应重新试验。显微硬度数值

12、由于种种原因，误差难免，一般取几个数值的平均值。测量时，若没有预先调零，压痕就会离开十字交叉线，甚至越出视域。实验三冲击试验一次摆锤冲击弯曲试验1、试验机原理本实验采用30/15公斤*米摆锤式冲击试验机，如下图所示。试验时把式样 放在试验机支座上的给定位置，然后将扬起一定高度的摆锤释放下来，把试样一 次冲断，冲断试样所需的功是靠消耗摆锤的重力势能来供给的。材料的冲击韧性 指标ak值就是以冲断试样时单位面积上所消耗的功来衡量的。根据物理知识，摆锤抬起在给定高度位置具有的重力势能为：Eb=GH1 式中G一摆锤重量H1摆锤抬起高度如果现在把摆锤释放下来，假设摆锤没有遇到障碍物（转轴及空气摩擦阻力不计

13、）， 则摆锤将摆至其对程位置时，这时摆锤的势能仍为GH1 ，故摆锤在冲摆前后能 量没有损失。如果摆锤在冲摆路程中冲断了试样，摆锤只能摆到K位置，这时摆锤的高度为H2，其势能为:Ek=GH2冲断试样所消耗的能量Ak可由试验前后摆锤的势能差来求得：Ak=Eb-Ek= GH1- GH2=G （H1-H2）Ak的数值可由试验机的指针上直接读出，单位为焦耳，用试样缺口处截面积F（厘米2）除Ak，即得冲击值（冲击韧性）ak：ak二学（焦耳/厘米2） ak的计算精度达到1焦耳/厘米2。2、试样及试验要求试样尺寸、形状、加工精度对ak值的影响是很大的。因此，为了使获得的 数据能互相比较，国家标准中规定了试样的

14、式样，加工时要注意刻槽处的尺寸、 形状及加工精度，因其对ak值的影响最敏感，缺口越深，圆弧半径越小，表面 越粗糙，其ak值越小。试样上刻槽的目的是为了使试样处于较硬的应力状态，使试验条件接近于工程材 料在冲击负荷下工作的情况。如果试样需要经过热处理，开槽工作应在热处理后才进行，这是为了防止热处理 时产生氧化、脱碳、裂纹等缺陷而急剧影响ak的值。ak值受试验温度的影响严重，试验温度越低，值越小，除要求测试低温冲击性 能外，一般钢材的检验规定在205T范围进行。3、试验程序检查试验机的零点把摆锤架好释放空打一次，看指针读数是否指“0”。若不在“0”位，需进行检查、调整。试样安放在机座上，刻槽背面应

15、对准摆锤的刀口。架好摆锤指针拨到最大的读数处。释放摆锤进行冲击，并制动摆锤，读出Ak数值。（冲击过程要注意安全，人要离开摆锤摆动平面）计算ak的值。观察断口形状，并分析其韧脆性。以上数据记录于下列表中：一次摆锤冲击数据记录表试样号材料刻槽处面积Akak断口形状145a xbK1K2实验四金相综合分析一、试验介绍金相分析是研究金属及合金内部组织及缺陷的主要方法之一，它在金属材料 研究领域中占有很重要的地位。利用金相显微镜在专门制备的试样上放大100 1500倍研究金属及合金组织的方法称为金相显微分析法，它是研究金属材料微 观结构最基本的一种实验技术。显微分析可以研究金属及合金的组织与其化合物 成

16、分的关系，可以确定各类合金材料经不同的加工及热处理后的显微组织，可以 判别金属材料质量的优劣，如各种非金属夹杂物，如一氧化碳，硫化物等在组织 中的数量及分布情况以及金属晶粒度的大小等。在现代金相显微分析中，使用的主要仪器有光学显微镜和电子显微镜两大类，现 在就光学显微镜作一般介绍。二、金相显微镜的构造和使用金相显微镜的种类和类型有很多，通常由光学系统、照明系统和机械系统三 大部分组成，有的还附有摄影装置，现在以XJB-1型台式金相显微镜为例加以 说明。如下图：照明系统：在底座内有一低电压（6-8V，15W）灯泡作为光源，由变压器降压供 电，靠调节次级电压（6-8V）来改变灯光的亮度。聚光镜、孔

17、径光栏及反光镜等装置均安装在圆形底座上，视场光栏及另一聚光镜则安在支架上，他们组成显微 镜的照明系统，使试样表面获得充分、均匀的照明。显微镜调焦装置：在显微镜的两侧有粗动和微动调焦轮，两者在同一部位，随粗 调手轮的转动，支撑载物台的弯臂作上下运动。在粗调手轮的一侧有制动装置， 用以固定调焦正确后载物台的位置。微调手轮使显微镜本体沿着滑轨缓慢移动。 在右侧手轮上刻有分度格，每一格表示物镜座上下微动0.002毫米。与刻度盘同 侧的齿轮箱上刻有两条白线，用以指示微动升降范围，当旋到极限位置时，微动 手轮就自动被限制住，此时，不能再继续旋转而应倒转回来使用。载物台：用于放置金相样品，载物台和下面托盘之

18、间的导架，用手推动可使载物 台在水平面上作一定范围的十字定向移动，以改变试样的观察部位。孔径光栏和视场光栏：孔径光栏装在照明反射镜座上面，调整孔径光栏能够控制 入射光束的粗细，以保证物象达到清晰的程度。视场光栏设在物镜支架下面，其 作用是控制视场范围，使目镜中视场明亮而无阴影。在刻有直纹的套圈上还有两 个调节螺钉，用来调整光栏中心。物镜转换器：转换器成球面形，上有三个螺孔，可以安装不同放大倍数的物镜， 旋转转换器可使各物镜镜头进入光路，与不同的目镜搭配使用，可获得各种放大 倍数。目镜筒：目镜筒成45倾斜安装在附有棱镜的半球形座上，还可将目镜转向90呈 水平状态以配合照相装置进行金相摄影。三、金

19、相显微镜镜头使用方法及注意事项金相显微镜是一种精密的光学仪器，使用时要求细心谨慎。在使用显微镜工作之 前首先应熟悉其构造特点及各主要部件的相互位置和作用，然后按照显微镜的使 用规程进行操作。1、金相显微镜的使用规范程首先将显微镜的光源插头插在变压器上，通过低压(68 V)变压器接通 电源。根据放大倍数选用所需的物镜和目镜，分别安装在物镜座上及目镜筒内， 并使转换器转至固定位置(有定位器定位)将试样放在样品台中心，使观察面朝下并用弹簧片压住。转动粗调手轮，先使载物台下降，同时用眼观察，使物镜尽可能接近试样 表面但不得与试样相碰，然后相反转动粗调手轮，使载物台渐渐上升以调节焦距， 当视场亮度增强时

20、再改用微调手轮调节，直到物象调整到最清晰程度为止。适当调节孔径光栏和视场光栏，以获得最佳质量的物象。如果使用油浸系物镜，则可以在物镜的前透镜上滴一点松柏油，也可以将 松柏油直接滴在试样上，油镜头用后应立即用棉花蘸取二甲苯溶液擦净，再用擦 镜纸擦干。2、使用注意事项操作时必须特别细心，不能有任何剧烈的动作，光学系统不允许自行拆卸。显微镜镜头的玻璃部分和试样磨面严禁手指直接接触，若镜头中落有灰尘， 可用镜头纸或软刷轻轻擦拭。显微镜的灯泡(68V)插头，切勿直接插在200V的电源插座上，应当插 在变压器上，否则灯泡会立即烧坏，观察结束后及时关闭电源。在旋转粗调(或微调)手轮时动作要慢，碰到某种阻碍时

21、应立即停止操作， 报告指导老师查找原因，不得用力强行转动，否则会损坏仪器。实验五高铬铸铁试样的制备1、概述高格铸铁是一种耐磨合金白口铁，它具有很高的抗磨料磨损性能、适当的韧性以 及较高的抗磨蚀性，并且经退火后能被切割加工。因此在世界上它得到了越来越 多的应用，已被成功地用于各种磨煤机，矿石破碎机、水泥磨机、抛丸机、泥浆 泵等受磨损严重的零件上，并获得显著的经济效益。2、高铬铸铁成分设计为了保证高硬度及强韧性，高铭铸铁成分设计为：2.83.90% C 15%Cr 1%Cu 1%Mo 0.81%Mn0.5%Si0.08%S、P。3、配料我们使用的原材料化学成分如下表：成分（%） 原材CSiMnCr

22、MoCu球10#生铁4.01.00.5废钢0.20.30.3高碳铭铁8.21.40.265Mo铁65紫铜材99根据选定的高格铸铁成分，就可以计算出各种原材料加入百分比，在配料过程中， 碳烧损按5-10%考虑，Mo烧损按5%考虑，其他元素烧损不予考虑。4、造型试样尺寸12x 10 x 110普通砂型铸造。5、浇注浇注温度1450T，等试样完全冷却后清理出试样，根据综合实验要求可测定铸 态、淬火态、退火态的硬度及冲击韧性，耐磨性等机械性能。综合实验20Mn2钢的热处理一、实验目的：培养学生理论联系实际的学风，独立动脑分析问题，独立动手解决问题，独 立设计实验方案，独立完成实际全过程，独立总结实验全

23、过程，独立总结实验过 程的实际工作能力和初步的创新能力。二、概述：热处理是一种很重要的金属加工工艺方法，也是充分发挥金属材料性能潜力 的重要手段。热处理的主要目的是改变钢的性能，其中包括使用性能和工艺性能。钢的热处理工艺特点是将钢加热到一定温度，经一定时间的保温，然后以某种速 度冷却下来，通过这样的工艺过程能是钢的性能发生改变。热处理之所以能是钢的性能发生显著变化，主要是钢的内部组织结构可以发 生一系列变化。采用不同的热处理工艺过程，将会使钢得到不同的组织结构，从 而获得所需要的性能。钢的热处理基本工艺方法可分为退火，正火，淬火和回火等。三、钢的退火和正火钢的退火通常是把钢加热到临界温度A1或

24、A1以上，保温一段时间，然后缓 慢的随炉冷却。此时奥氏体在高温区发生分解而得到比较接近平衡状态的组织。一般中碳钢（如40、45）钢经退火后组织稳定，硬度较低，有利于下一步 的机加工。正火则是将钢加热到Ac3或Acm以上3050吒，保温后进行空冷。由于冷 却速度稍快，与退火组织相比，组织中的珠光体相对量较多，且片层较细密，所 以性能有所改善。对于碳钢来说，正火后提高硬度可改善切削加工性，提高零件 表面光洁度；对于高碳钢正火则可消除网状渗碳体，为下一步球化退火及淬火做 好准备。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下表：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（%）0.10

25、.20.30.40.6硬度 (HB)退火120150160180230正火130140160180220250强度(MN/m2)退火300330420500560670正火340360480550660760四、钢的淬火所谓淬火就是将钢加热到Ac3（亚共析钢）或A1 （过共析钢）以上3050吒， 保温一段时间后放入各种不同的冷却介质中快速冷却（V应大于Vk），以获得马 氏体组织。碳钢经淬火后的组织由马氏体及一定数量的残余奥氏体组成。为了正确的进行钢的淬火，必须考虑三个重要因素：淬火加热温度，保温时 间和冷却速度。淬火温度的选择正确选定加热温度是保证淬火质量的重要一环，淬火时的具体加热温度主要

26、取决于钢的含碳量，可根据Fe-Fe3C （图1）相图。对亚共析钢，其加热温度为 Ac3,若加热温度低于Ac3，则淬火组织中将出现铁素体而造成强度及硬度的降 低。对过共析钢，加热温度为A1+30-50OC淬火后可得到细小的马氏体与粒状渗 碳体，后者的存在可提高钢的硬度和耐磨性。过高的温度不仅无助于强度及硬度 的增加，反而会由于产生过多的残余奥氏体而导致硬度和耐磨性的降低。googoo各种碳钢的临界温度（近似值）类别钢号临界温度Ac1Ac3 或 AccmAr1Ar3碳素结构钢20735855680835307328136778354072479068079645724780682760507257

27、6069075060727766695721碳素工具钢T7730770700743T8730-700-T10730800700-T12730820700-保温时间的确定淬火加热时间实际上是将式样加热到淬火温度所需的时间及在淬火温度停 留所需时间的总和。加热时间与钢的成分，工件的形状尺寸，所用的加热介质， 加热方法等因素有关，一般按经验公式加以估算，碳钢在电炉中的加热时间计算 列于下表：加热温度（C）工件形状圆柱形方形板型保温时间分钟/每毫米直径分钟/每毫米直径分钟/每毫米直径7001.52.238001.01.529000.81.21.610000.40.60.8冷却

28、速度的影响冷却是淬火的关键工序，它直接影响到钢淬火后的组织和性能。冷却时应使 冷却速度大于临界冷速，以保证获得马氏体组织，在这个前提下又应尽量缓慢冷 却，以减小内应力，防止变形开裂。由C曲线（如下图）可知，使淬火工件在过手去上|皓 T处一 if!a a | i i：o igr i# 1寸 in5 in*冷奥氏体最不稳定的温度范围（550-600吒）进行快冷（即与C曲线的“鼻尖” 相切），而在较低温度（300100。0时的冷却速度则尽可能小些。为了保证淬火效果，应选用适当的冷却介质（如水，油等）和冷却方法（如 双夜淬火，分级淬火等）。不同的冷却介质在不同温度范围内的冷却能力有所差 别。各种冷却介

29、质的特性见下表：冷却介质在下列温度范围内的冷却速度（。/秒）650550。30020018。的水60027026。的水50027050。的水10027074。的水3027010%NaCl 水溶液（18。）110030010%NaCl 水溶液（18。）120030010%NaCO3 水溶液（18。）800270蒸馏水250200肥皂水30200菜籽油（50。）20035矿物机器油（50。）15030变压器油（50。）12025五、钢的回火钢经淬火后得到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 寸变化而失去精度，甚

30、至开裂。因此淬火钢必须进行回火处理，不同的回火工艺 可以使钢获得所学的各种不同性能，下表为45钢经不同温度回火后的组织性能。类型回火温度(。0回火后的组织回火后硬度 (HRC)性能特点低温回 火150250回火马氏体+参 与奥氏体+碳化 物6057高硬度，内应力减 小中文回 火350500回火屈氏体3545硬度适中，有高的 弹性高温回 火500650回火索氏体2033具有良好的塑性、 韧性和一定轻度 配合的综合性能六、注意事项本实验加热所用都为电炉，由于炉内电阻丝距离炉膛较近，容易漏电，所以电 炉一定要接地，在放、取试样时必须先切断电源。往炉中放取试样必须使用夹钳，夹钳必须擦干，不得沾有油或水

31、。开关炉门要 迅速，炉门打开时间不宜过长。试样由炉中取出淬火时，动作要迅速，以免温度下降，影响淬火质量。试样在淬火液中应不断搅拌，否则试样表面会由于冷却不均匀而出现软点。淬火时水温应保持在20-30吒左右，水温过高要及时换水。淬火或回火后的试样均要用砂纸打磨表面，去掉氧化皮再打硬度。七、实验内容：将老师分配的20Mn2钢材先进行正火，使其恢复到珠光体组织，然后进行淬 火处理使其得到板条马氏体组织，再通过打磨，研磨，表面腐蚀，在显微镜下观 察20Mn2钢淬火后显微镜放大200和400倍的组织形态如下图所示：组织观察后，再用洛氏硬度测量仪测出20Mn2钢的硬度，其数据如下表:次数123456不同热处理 硬度值 （HRC）、淬火 （880。045.840.138.439.441.640.9淬火 （880。）+ 高温回火8