机械工程材料综合性开放性设计性实验

《机械工程材料》

综合性开放性设计性实验一实验目的二实验条件三实验内容及步骤四实验报告要求五实验内容简述六硬度试验简述七金相试样制备简述八光学金相显微镜简述4/19/2023第一页，共四十九页。一实验目的

本次实验是一次综合性、开放性、设计性的实验。要求运用已学过的《机械工程材料》基本理论知识并参考相关资料，依据设定的零件的结构形状、尺寸及力学性能指标进行综合分析后，进行正确选材；制订合理的热处理工艺规范和实施路线；选择热处理加热设备；检测试样的硬度；并要求亲自动手、独立完成热处理操作、试样制备、组织观察与分析等过程。以达到提高学生的分析问题和解决问题及实际动手的能力；了解并初步掌握依据零件的结构形状、尺寸及其力学性能要求进行正确选材、制定热处理工艺规范的一般原则以及金属材料的化学成分、热处理工艺、显微组织与力学性能之间的关系。4/19/2023第二页，共四十九页。二实验条件1）连杆螺栓（图1）：30～38HRC（263～322HBS）；2）滚动轴承套圈：61～65HRC；3）手工锯条：60～62HRC；4）手工丝锥（图2）：齿部60～62HRC、柄部30～45HRC；5）机用板牙（图3）：59～63HRC；6）汽车半轴（图4）：杆部37～44HRC，盘部外圆24～34HRC；7）机床变速箱齿轮（m=4，图5）：齿部45～58HRC，其余部位30～42HRC；8）活塞销（图6）：表面硬度59-62HRC，心部硬度24～30HRC；9）Ф20mm冷冲头（图7）：最终热处理后的硬度见图7所示。10）汽车板簧（图8：）41～45HRC。（详细内容见实验指导书）

(一)机械零件及其性能指标：4/19/2023第三页，共四十九页。二实验条件（二）、实验材料及仪器设备实验材料：45钢、T10A钢、20Cr、9SiCr、Q235、60Si2Mn、20CrMnTi钢等。仪器设备：高、中、低温箱式电阻炉及其相应的炉温测控仪表；淬火用油、水及其桶；洛氏、布氏硬度计；装出炉用的铁钳或钩子；制备金相试样所需的成套设备、金相砂纸和浸蚀剂；观察金相显微组织用的台式光学金相显微镜等。

4/19/2023第四页，共四十九页。三实验内容及步骤按下述实验内容及步骤进行：

1.分析零件的服役条件及力学性能要求；进行选材及其分析；拟订零件的生产工艺流程、热处理工艺规范并对其进行理论分析和讨论；选择热处理加热设备及工装夹具；该零件常见的热处理缺陷及其预防措施；零件热处理后的质量检验方法、步骤及其注意事项等。上述内容以书面小论文的形式完成后，交指导教师进行审阅，批改后方可具体实施。4/19/2023第五页，共四十九页。三实验内容及步骤

2.在进行热处理工艺实施操作的前一天，以班为单位进入实验室。在指导教师的带领下了解、熟悉与本实验有关的各种设备、仪器仪表的结构、功能及其操作规程和注意事项。

3.进入热处理实验室（实验楼2楼）后，按本人拟定的热处理工艺规范及实施路线进行操作。对每道热处理工序处理后的试样进行硬度检测（一般每个试样上只少打三点，取其平均值作为其有效值）。

4/19/2023第六页，共四十九页。三实验内容及步骤

4.试样硬度检测合格后，方可到试样制备室（实验楼9楼15号房间）将其制备成金相试样。随后在台式光学显微镜上进行显微组织观察与分析，同时画出其组织形貌特征示意图，并在图旁注明材料名称、热处理状态、显微组织和浸蚀剂名称以及放大倍数。5.对热处理及试样制备等过程中出现的缺陷及其原因要进行分析，并提出预防或解决的措施。

4/19/2023第七页，共四十九页。四实验报告要求详见电子实验报告4/19/2023第八页，共四十九页。五实验内容简述（一）材料成分—工艺—组织—性能之间的关系制订合理的热处理工艺是依据产品零件的工作性能要求、结构形状尺寸、材料的成分（即钢的临界相变点）、热处理加热设备及其功率的大小、装炉方式、装炉量的大小等。通过热处理工艺的实施来达到合理的组织匹配，从而满足零部件的使用性能要求。4/19/2023第九页，共四十九页。五实验内容简述（二）机械零件用钢选择1.选材的主要依据机械零件的服役条件及其使用性能要求；机械零件的结构、形状、尺寸及其精度要求；材料的冷热加工工艺性能及其经济性。

2.典型零件用钢选择及加工流程1）汽车变速箱二轴的二、三档齿轮受力条件分析→使用性能要求→材料选择下料→锻造→预先热处理（正火）→硬度检测→机加工（如车、铣等）→渗碳、淬火+低温回火→清洗→硬度、变形量等项的检测→机加工（如磨等）→包装入库。4/19/2023第十页，共四十九页。五实验内容简述（二）机械零件用钢选择

2.典型零件用钢选择及加工流程受力条件分析→使用性能要求→材料选择下料→锻造（散开空冷）→预先热处理（球化退火）→硬度、金相组织检测→机加工（如车、铣等）→盐浴加热淬火→清洗→整体低温回火→柄部局部中温回火→清洗→硬度、变形量等项的检测→机加工（如磨等）→包装入库2）手工丝锥

4/19/2023第十一页，共四十九页。（三）热处理工艺及其参数的确定

五实验内容简述1.退火、正火工艺的选择与应用退火与正火是钢预先热处理的一种形式，其工艺类型很多。如何合理选用其工艺呢？应根据零件选用的钢种、加工工艺流程及其具体技术要求来决定。通常可根据钢的含碳量按以下原则选择（详见实验指导书）。4/19/2023第十二页，共四十九页。（三）热处理工艺及其参数的确定

五实验内容简述2.钢退火、正火工艺规范的确定

钢退火通常是把钢加热到Ac1或Ac3以上一定温度（如亚共析钢TH=Ac3+30～50℃），保温一定时间，然后随炉缓冷，获得接近平衡状态的组织（如45钢退火后获得P+F组织）。（详见实验指导书）。

钢正火则是将钢加热到Ac3或Accm以上30～50℃，保温一定的时间，然后空冷。由于冷速较快，与退火相比组织中的P量较多，且P的片间距较小，故使其强韧性能由所提高。（详见实验指导书）。

4/19/2023第十三页，共四十九页。（三）热处理工艺及其参数的确定

五实验内容简述3.钢的淬火工艺规范确定

亚共析钢：TH=Ac3+30～50℃，若TH

<Ac3则淬火组织中将出现铁素体F，使钢的强度、硬度降低；若TH

>>Ac3则将得到粗大马氏体M，使钢的强度、韧性降低，脆性增加，同时工件氧化脱碳严重，淬火变形开裂倾向增大。1）淬火加热温度的确定过共析钢：TH=Ac1+30～50℃，淬火后得到细小M与粒状Fe3C。具有高的强度、硬度和耐磨性。若TH>Accm，不仅无助于钢的强度、硬度增加，反而会由于加热时产生粗大的奥氏体晶粒淬火后得到粗大M和较多的A’导致硬度和耐磨性下降，强度降低脆性增加，淬火变形开裂倾向增加。4/19/2023第十四页，共四十九页。（三）热处理工艺及其参数的确定

五实验内容简述3.钢的淬火工艺规范确定

淬火加热时间=零件加热到淬火温度所需时间+均温时间。加热时间与钢的化学成分、工件的结构形状尺寸、加热介质、加热方式和方法等因素有关。2）保温时间的确定

一般按经验公式估算，即：τH=K·α·D（min）

，式中K-装炉修正系数（1～2）；α-加热系数（箱式电炉取2min/mm，中温盐炉取1min/mm）；D-工件有效厚度（mm，圆柱体取其直径；正方形截面取其边长；长方形截面取其短边长；板件取其厚度；套筒零件取其壁厚；圆锥体取距小端面2/3长度处直径；球体取球径的0.6倍4/19/2023第十五页，共四十九页。（三）热处理工艺及其参数的确定

五实验内容简述3.钢的淬火工艺规范确定

冷却是淬火的关键工序，他直接影响到钢的组织和性能。通常应Vc>V临，以保证获得M组织。3）冷却速度的影响为保证淬火效果，应选择适当的冷却介质、冷却方式和方法。一般碳钢用水或盐水冷却，合金钢用油冷却。冷却时间，通常使工件在冷却介质中冷到室温。但应根据工件变形量要求及冷却装置等条件试定。一般工件出油其表面略带青烟即可空冷，也可按在20～60℃油中冷却3～6min/10mm，在80～150℃油中冷却10～15min/mm经验来估算。若在水中冷却，则按1秒/2～3mm估算。

4/19/2023第十六页，共四十九页。（三）热处理工艺及其参数的确定

五实验内容简述4.钢的回火工艺参数确定淬火钢件回火后的性能主要取决于回火温度。确定回火温度的方法是：通常以零件所要求的硬度范围作为选择回火温度的依据。各种钢的回火温度与硬度关系（曲线或表格），可查阅有关手册资料。也可采用经验公式来估算回火温度。1）回火温度的确定

如45钢的回火温度Th≈200+K（60-X），式中K—系数，当回火硬度值>30HRC时，K取11；当回火硬度值<30HRC时，K取12；X—为所要求的硬度值（HRC）。其他成分的碳钢，含碳量每增加或减少0.05%，则回火温度相应增加或减少10～15℃。4/19/2023第十七页，共四十九页。（三）热处理工艺及其参数的确定

五实验内容简述4.钢的回火工艺参数确定一般采用1～3h，也可用经验公式估算，即：τH=KH+AH·D，式中τH—回火时间（min），AH—回火时间系数（min/mm）KH—回火时间基数（min），D—工件有效厚度（mm）。不同条件下的KH和AH值（见实验指导书附表1-1）。2）回火时间的确定3）回火后的冷却一般空冷至室温。合金钢件为避免第二类回火脆性，回火后需快冷（水冷或油冷），在此情况下，为消除由回火产生的内应力，随后需补充一次低温回火。

4/19/2023第十八页，共四十九页。（四）

实际操作注意事项五、实验内容简述1.装、出试样时必须先切断加热电源再开炉门。2.装、出试样时必须使用专用的钳子或钩子。3.试样由炉中取出淬火时动作要迅速。4.试样入淬火介质后应不断搅动，但不能露出液面。5.试样淬火、回火后，测其硬度前应在砂轮或砂纸上磨去氧化皮。要在每块样上只少打三点取其平均值作为有效值。6.淬火及回火温度的设定操作需在老师指导下进行。7.试样硬度测定后，到9楼制作金相试样。试样磨好后经指导教师检查后，方可进行组织观察与分析。8.实验过程中一定要注意人身、设备的安全，不懂的地方应随时询问指导教师。切记勿乱动。4/19/2023第十九页，共四十九页。(五)实验具体时间安排1.以授课班为单位集中讲述有关的实验内容（2h），具体时间和地点协商后再定。2.3～4人为一组，领取实验任务后按实验指导书中的“三、实验内容及步骤”规定，以小组为单位去进行工作。每组准备时间为1～2天。3.工艺方案实施前，先与指导老师预约，并说明实验内容及所需设备情况。4.以授课班为单位最好集中在3～5天内全部完成整个实验工作。五、实验内容简述4/19/2023第二十页，共四十九页。六硬度试验简述硬度实验是工业生产和科学研究中不可缺少的标准实验方法之一。他是将一个硬的压头压入欲检查零件（或试样）的待测表面时，材料抵抗这种压入的能力称为“硬度”。与其他力学性能（如强度）具有一定的关系。最常用的硬度实验方法有；布氏硬度和洛氏硬度。（一）硬度的概念：4/19/2023第二十一页，共四十九页。六硬度试验简述1.基本原理（二）布氏硬度试验布氏硬度试验原理示意图

HBS=P/F

=2P/πD（D-）

（Kgf/mm2）

HBS值的大小取决于压痕直径d，d值越大表明金属材料的变形抗力越低，即硬度越低，反之硬度越高。

4/19/2023第二十二页，共四十九页。2.布氏硬度计结构示意图4/19/2023第二十三页，共四十九页。根据试样的硬度，按附表1-2的硬度试验规范选择载荷、压头直径及载荷保持时间。欲测试试样的表面需用砂轮或砂布（纸）磨光，且上下端面要求平行。试样置于载物台上后，即可按照布氏硬度计的操作规程进行试验。试验结束后取下试样，用读数显微镜测量试样表面的压痕直径，从相互垂直方向各测一次（见下页示意图），取其平均值，用该直径值去查“压痕直径与布氏硬度对照表”即可得试样硬度值。3.布氏硬度计操作要点4/19/2023第二十四页，共四十九页。布氏硬度压痕测量

4/19/2023第二十五页，共四十九页。1.基本原理0-0为压头与试样不接触位置；1-1为压头受初载P0后压入试样深度h0的位置；2-2为加主载P1后压头压入试样的位置；3-3为去主载荷后压头由于试样弹性变形的恢复而略行提高的位置，此时实际压入试样深度为h1，则压头受主载荷而压入试样深度为h1-h0。h1-h0的数值越大，表示试样越软，反之，表示试样越硬。

（二）洛氏硬度试验

洛氏硬度试验过程中金刚石压头在各阶段的位置

4/19/2023第二十六页，共四十九页。2.洛氏硬度计结构示意图4/19/2023第二十七页，共四十九页。3.洛氏硬度计操作要点硬度符号压头总载荷Kg表盘上的刻度颜色常用范围应用举例HRA金刚石圆锥60黑色70～85碳化物硬质合金表面淬火钢等HRB1.588mm钢球100红色25～100退火钢铜合金等HRC金刚石圆锥150黑色20～67淬火钢调质钢等1).根据试样的硬度，按下表选择载荷及压头。

4/19/2023第二十八页，共四十九页。2）试样两端面在砂轮或砂纸上磨光且保证平行，随后应平稳地放在支承台上。

3）预加载荷（顺时针）旋转手轮，使试样与压头接触，并观察读数百分表上小针移动到小红点处为止。4）碉整读数表盘，使百分表盘上的长针对准硬度值的起点。（HRB时即红字B处；HRC、HRA时为黑字C处。5）加主载荷时平稳扳动加载手柄，手柄自动升高至停止位置（时间应为5～7秒）。并停留10秒钟。6）卸主载荷时扳回手柄至他原位置。7）读出硬度值，长针指向的数字为硬度的读数。HRB读红色字，HRC、HRA读黑色字。（注：布氏硬度值和洛氏硬度值之间的关系大致为10HBS=1HRC）。4/19/2023第二十九页，共四十九页。七金相试样制备简述（一）金相试样的制备其制备过程包括：取样、镶嵌、磨制、抛光和浸蚀。（1）取样的部位——(a)失效零件

1.金相试样的切取

取样的部位应具有代表性

截取的方法锯、车、铣、刨等

试样的尺寸一般ф15～20×10～20mm

轴上对比取样

长裂纹处取样

淬火裂纹取样

4/19/2023第三十页，共四十九页。（1）取样的部位——(b)热处理后的零件

环圈类零件取样

轴类零件取样

齿轮类取样

4/19/2023第三十一页，共四十九页。（1）取样的部位——(c)从铸、锻件上取样

从铸件上取样

锻件纵截面检查项目

1

表面折叠

2

碳化物分布3横向裂纹4

变形晶粒

5

夹杂物

6带状组织

锻件纵截面检查项目1

夹杂物分布

2组织及晶粒大小

3表面氧化脱碳

4心部表面缺陷

4/19/2023第三十二页，共四十九页。（1）取样的部位——(d)供应态轧制材料

钢中非金属夹杂物取样部位示意图

钢棒（左）、钢管（右）脱碳层取样部位示意图

4/19/2023第三十三页，共四十九页。（2）试样截取方法硬度低于30HRC可用锯、车、铣、刨等方法截取

硬度大于30HRC

可用水冷式砂轮切片机、钼丝切割机等方法截取

4/19/2023第三十四页，共四十九页。2.金相试样的镶嵌

XQ-2型金相试样镶嵌机

金相试样机械镶嵌方法

4/19/2023第三十五页，共四十九页。3.金相试样的磨制

（1）粗磨——在砂轮机上用砂轮磨制

正确错误4/19/2023第三十六页，共四十九页。（2）细磨——一般在3～6种金相砂纸上进行

手工磨制过程中手腕动作

单向磨制操作

合格不合格

磨面质量

塑料盖塑料罩磨光盘电动机水管M-2型金相试样预磨机

4/19/2023第三十七页，共四十九页。4.金相试样的抛光其目的是消除细磨时的微细磨痕，使磨面呈光亮无疵的镜面，抛光质量将直接影响到金相检验的结果。

P-2型抛光机主要由电动机1、塑料盘2、抛光盘3、抛光织物4、套紧圈5、抛光罩6、电动机开关盒7和底座或支架、工作台面及抛光盘盖等组成。其转速为1340r/min。

机械抛光

抛光方法

电解抛光

化学抛光

4/19/2023第三十八页，共四十九页。抛光操作过程及其应注意的事项：a)添加抛光液状态

b)初期抛光状态

C)抛光过程中向中心加水

d)抛光时的试样转动

e)抛光末期精抛状态

4/19/2023第三十九页，共四十九页。抛光操作过程及其应注意的事项：

甩尾现象

沾污现象

抛光缺陷

抛光后用水清洗

热风机吹干

电解抛光设备及其原理:4/19/2023第四十页，共四十九页。5.金相试样显微组织的显示方法

浸蚀法

擦蚀法

显示方法化学浸蚀法

热染法热浸蚀法阴极真空电子发射法

磁场法

物理显示法化学浸蚀的原理：是利用试剂对金属试样中各相或组织的浸蚀速度、着色能力不同，在抛光面上呈现出高低不平的峰谷及色泽的差异，在可见光的垂直照射下，对光线的吸收和反射不同，从而显示出各种明暗不同的组织来。

4/19/2023第四十一页，共四十九页。纯金属及单相合金化学腐蚀的情况

a）Sn-Sb合金

b）珠光体组织两相合金腐蚀的情况

4/19/2023第四十二页，共四十九页。浸蚀操作方法及步骤

试样浸蚀操作铁素体组织

回火索氏体组织

水清洗热风机吹干正常浸蚀（上）与欠浸蚀（下）的组织示意图

4/19/2023第四十三页，共四十九页。八、光学金相显微镜简述（一）光学金相显微镜的放大成象原理及结构1.放大成象基本原理

显微镜放大成象原理示意图

4/19/2023第四十四页，共四十九页。2.光学金相显微镜的构造其构造一般包括光学（放大）系统、光路（照明）系统和机械系统三部分。其中放大系统是显微镜的关键部分。

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