机械制造基础课程实验指导书

机械制造基础课程

实验指导书

机电设备系设备教研室

二00四年四月

前B

为了更好地完成《机械制造基础》课程教学,培养提高学生理论联

系实际与实践动手能力，根据《机械制造基础》课程教学大纲对实验

教学要求，编写本实验指导书。

实验指导书包含实验指导与报告书两部分。其中指导书部分介绍

了实验目的与要求、实验设备及仪器、实验原理、实验步骤等；报告

书部分要紧有实验数据记录、处理，分析及思考题等。

本教材由吴少爽主编，由谢仁明主审。由于水平有限，时间仓促,

书中会有很多缺点与错误，恳请各位读者枇判指正。

编者

2004.4

目录

实验一拉伸实验...........................................

实验二硬度实验...........................................11

实验三冲击实验...........................................17

实验四铁碳合金平衡组织分析...............................20

实验五热处理实验.........................................24

实验六碳钢热处理后的显微组织观察........................27

实验七不一致金属的焊接性能................................31

实验八车刀几何角度测量...................................34

实验九专用夹具拆装及组合夹具组装实验....................38

实验十数控线切割加工演示实验.............................41

附录金相显微镜的使用及金相试样的制备....................42

图1-2图1-3

在不一致的，只是工作台由螺杆、螺母筒与蜗轮蜗杆等腰三角形机构所传动。

（二）测力、示值系统

测力、示值系统的功能，是要随时反映出作用于试件上载荷的数值。它是试验机的心

脏部门。机械式与液压式材料试验机，通常都使用如图1.3所示的摆锤式测力、示值

系统。二者的区别，仅在于传递拉力Ps的机构不一致。机械式试验机，足由测力杠杆

传递Ps力；而液压式的，是由测力油缸的活塞传递Ps力。因此，它们的测力、示值原

理相同。

I.摆锤式测力、示值系统的工作原理。如图1.3所示，试验机作用于试件上的载

荷，就是作用在工作油缸上的压力Pw。由于工作油缸与测力油缸相连通，它们

的油压强度相等，因此测力油缸的活塞对连杆作用的拉力Ps与Pw成线性关系，

又Ps使摆杆联同法码扬起a摆角的同时，拨杆推动齿杆位移x,从而带动齿动

使指针转动。因此，指针转动的角度小与试验机的作用力Pw也成线性关系。它

们的关系式：

Pw=黑告cosa。・甲（1.I）

式中，Q、1、d、h、Sw、Ss与预置角a都是常量。由（1.1）式可得结论：

（1）试验机的载荷Pw与指针的转角力成线性关系，因此，测力度盘能够以圆

等分刻度。

（2）当小视为常量（指针指在同一角度时），而Q视为变量，则Pw与Q成正

比关系，因此，更换祛码重量Q能够得到不一致的测力范围。

国产试验机，通常具有三档不一致范围的测力度盘，相应地配有三个不一致重量

的祛码。实验时需要正确选择、配合使用。

（3）当小视为常量，而L视为变量时，则Pw与L成正比关系。因此，更换摆

杆L也能够得到不一致的测力范围。

2摆锤式测力、示值系统的线性范围。

式（1.1）中的载荷Pw与指针转角由成线性关系，是在理想状态下成立的，式中没有考

虑到摩擦力；支承、夹具、机架受力后的变形；加工装配中几何尺寸的偏差，与各零件之间

的间隙等因素的影响，这些都会使Pw与力之间产生非线性偏差。当摆杆扬起a角较大（相

应指针的转角力也大）时，由于摩擦力引起的非线性误差显著增加，指针临近度盘的满度区

域，示值的精度较差。又根据国家对试验机示值精度的规定：以每级测量范围10%开始，

但不小于该机最大载荷的4%,误差应在±1%以内。可见指针在度盘开始的区域内，精度也

较差。实验时，应正确选择度盘的测力范围，通常使需要测量的载荷，最好全落在度盘的

10%〜80%范围内。

摩擦力对试验机进程（加载）、回程（卸载）都有影响，而在进回程中引起的是双倍误

差。因此，试验机加载时，务必平稳增加，不应忽减。

3指针度盘式的示值机构

普通材料试验机均为指针度盘式的示值方式。它具有二根示值指针：一根是主动针，另

一根是从动针。假如1.1中所示。当试验加载时，主动针带着从动针随载荷增加而沿刻度值

增大方向旋转。当试验终了卸载时，主动针自动回至零位，而从动针停示在终止的力值上，

以供充裕时间准确读值。从动针的位置，可由手动调节。

4游鸵自动平衡式测力、示值系统

图1-4

国产WJ-10型万能试验机与NJ型扭转试验机，都使用游铃自动平衡式的测力机构。这

种机构的精度、灵敏度都比摆锤式测力、示值机构的高，如图1.4所示，为该机构的工作

原理图。水平杠杆I,支承于O点，由测力杠杆传递的力Ps作用于A点，当试验机空载,

即Ps=0时，游铉2位于M位置，使杠杆及其悬挂物处于水平平衡状态。当试验机承载，

即Ps卉。时，杠杆失去平衡，B点的位移使传感器4输出电压，通过放大器使伺服电机3

转动，拖动游钱移到一个新的位置N,使杠杆重新恢复水平平衡。根据先后两次平衡重要

条件，可得Ps与x的线性关系为：

Ps二?-4-0（1.2）

式中Q、八d都是常量。即得指针的转动角度Ps与叱成线性关系。

（三）载荷位移记录系统

万能材料试验机的载荷位移记录系统，它的通常机构如图1.5所示。

力值的记录：在测力系统的齿杆上装有笔架，记录笔随齿杆的移动而在记录筒上描绘。

如使指针转动一圈，记录笔所绘直线的长度，代表该度盘的满度力值。可作为力值的坐

标。

位移的记录：试验机上、下夹头之间有相对位移时，绳线通过绳轮带动记录筒转动。

记录笔在筒纸上绘出了代表位移的线段。记录筒上的绳轮，通常具有2〜3条不一致直

径的线槽，使描绘位移线段的长度，比真实位移放大1、2、4倍。能够选择使用。

图1-5

力与位移同时记录：当夹头强迫试件伸长的同时，试样不断产生抗力，这时记录笔与

记录筒一起动作，二者的合成运动，描绘了力与变形的曲线。

应该注意，这机构所记录的变形，并非试样标距内的真实变形，而是试验机上、下两

夹头间的位移，其精度较差。假如需要大比例、高精度的P—AL曲线图，可应用现代

的电子设备，在普通的试验机上，使用传感器直接测量试样的抗力与标距的变形转化为

电讯号输出，经放大器接入x—y函数记录仪，可得放大倍数为1000以上的精度图线。

更先进的记录，是将传感器采集的讯息，经A|D转换输入电子计算机，通过计算机数据

处理，打印出更精确的数据与曲线图。

熟悉试验机的要紧功能，其目的是为了更好地学握与使用试验机。实验测试的质量，

除了试验机本身达到规定的精度外，更重要的是决定于实验者的操作技能。然而，正确、

熟练的操作技能，也反映了实验者的水平与能力。各试验机的具体操作方法，在附录中

已有全面叙述。关于在实验中将使用的试验机，希认真阅读与掌握。

二、拉伸试验中四个要紧指标的测定

(-)拉伸试验图

通常材料试验机都具有载荷位移记录装置，能够装试样的抗力与变形的关系P-AL曲

线记录卜来。

图1-6

如图1.6所示，为低碳钢的P—ZXL曲线图，以说明试样在拉伸全过程中，它抗力与变

形的关系。其纵坐标表示载荷P,单位是公斤力(kgf),横坐标表示绝对伸长AL,单位是

亳米(mm),整个变化过程，可分为四个阶段：

0a——弹性阶段。其特征是载荷与伸长成线性关系，即材料服从虎克定律。

bd——屈服阶段。b为上屈服点，c为下屈服点。cd为屈服平台。

dB一一强化阶段。沿试样长度产生均匀塑性变形，如今？，且有趋向于零的连续变化,

说明试样的抗力其塑性变化为非线性增加。

BK一一局部塑性变形阶段。在B点？，载荷达到最大值PB,以后转为？的变化，表

示试样抗力下降而变形继续增加，出现颈缩。这时变形局限于颈缩邻近，直到断裂。

本实验，需遵照国家标准，测定两个指标：屈服极限。s、强度极限。b与两个塑性指

标：伸长率6与面缩率M

(二)屈服极限的测定

I.物理屈服极限。s

按国家标准规定，关于有明显屈服现象的材料，其屈服点可借助于试验机测力度盘的

指针或者拉伸曲线图来确定。

(1)指针法：当测力度盘的指针停止转动时的恒定载荷，或者第一次回转的最小载荷,

即为所求屈服点的载荷Ps。

（2）图示法：在P—4L曲线上找出屈服平台的恒定载荷，或者第一次下降的最载荷,

即为所求屈服点载荷Ps。如具的上、下屈服的拉伸图，应取下屈服点c点为屈服载荷Ps。

由于下屈服点对试验条件的影响较小，其值较稳固。

（3）屈服极限的计算

①二今kgf/mm2

式中AO为试样的原始面积

2.条件屈服极限

大部分金属材料都不存在明显的屈服现象，在拉伸图上由弹性到弹塑性的过渡是光

滑连续的，如图1.7所示。根据国家标准规定：试样在拉伸过程中，标距部分的残余伸长达

到原标距长度的0.2%时的应力为条件屈服极限。0.2。

图1-7

（1）图解法。如图1.7所示的P—Z\L曲线，在其横坐标上，截取使OD=0.2%-l・n,

从D点作弹性直线段的平行线，交曲线于B点，点B的纵坐标值，即所求的屈服载荷P0.2。

式中L为上、下夹头间试件长度，n为夹头位移的放大倍数，应不小于50倍。

（2）引伸计法。由引伸计法测出试样在残余变形为0.2%时所对应的载荷值为屈服载荷

P0.2。

条件屈服极限的计算式为

（7o.2=务kgf/mm2

3.试验条件

加载速度对屈服极限有影响，通常加载速度增高时，os也增高。为了保证所测性能的

准确性，通常规定拉伸速度为：

（1）屈服前，应力增加的速度为1公斤力/亳米m/秒。

（2）屈服后，试验机活动夹头移动速度不大于0.5L/分。

（三）强度极限的测定

根据国家标准规定：向试样连续施加载荷直至拉断。由测力度盘或者拉伸曲线上读出最大

载荷值PMax。抗力强度的计算式为：

。尸kgf/mm2（1.5）

（四）塑性指标的测定

塑性，是指断裂前材料发生塑性变形能力。塑性的量值，是以断裂后的塑性变形的大小来

度量。拉伸时的塑性指标，通常以拉断时残余相对伸长6表示，称之伸长率，与断裂时截面

相对收缩力表示，称之截面收缩率。

1.伸长率的测定

先用试样的标距长度L0内，用划线器刻划等间距的标点或者圆周细线10格。每格间距:

长试样为10mm；短试样为5mm。为拉断后量测之用。

断后标距部分长度L1的量测：将试样拉断后的两段，在断口处紧密对齐，尽量使它们

的轴线位于同一直线上，按下述方法量测L1：

直线法：如断I」到邻近的标距端点（或者端线）的距离大于Lo/3时，需移位换算，可

直接量测两端点（线）间的距离L1.

移位法：如断口到邻近的标距端点（线）的距离小于或者等于Lo/3时，需位移换算。

移位换算方法如下：

在试样的长段.匕如图1.8所示，从断口“0”处截面取基本等于短段的格数，得到B点（即令

OB=OA）o接着如图1.8（a）所示，长段的其余格数为倡数时，则取其一半得C点，因此

LI=OA+OB+2BC（1.6a）

如图1.8所示，长段其余格数为奇数时，则分别取其减1加与加I的一半得C与CI两点，因此

LI=AO+OB+BC+BC1（1.6b）

伸长率的计算式为：

3=早X100%(1.7)

智、长比例试样的伸长率，分别以85、8]0表示。

图1-8

2.截面收缩率的测定

圆形试样拉断后，在颈缩最小处的两个互相垂直方向上量测其直径，以二者的算术平均值,

计算颈缩处最小横截面积Ai；板状试样的断口如图1.9所示，用颈缩处最大宽度曲乘以最

小厚度ai算得断面截面积Ai。

微面收缩率的计算式：

图1-9

3.量测精度与结果处理

按技术标准规定，所量测的量具都应达到三位有效数字的精度，计算结果应以三位有效数

字表达。

如不符合国家规定，断裂在标距端线上或者标距端线外，或者二个、二个以上的颈缩等情况,

实验无效。

三、拉伸试样

拉伸试样的形状，通常有圆形试样与板状试样两种。在标准中曾规定的“标准圆形试

样”尺寸为：dO=20mm,L0=200mm,即L0=10do,称长试样

d0=20mm,L0=200mm,即L0=5do,称短试样

将LO=lOdO,L0=5dO,A0=Jid0d0/4代入（1.9）式，分别得

Zo=K74（⑼

因此（长试样）（1.10a）

4=5.65（短试样）（1.10b）

假如由于原材料或者其它原因限制，不能使用标准式样时，只要试样尺寸满足（1.10）

式的试样，都称之比例试样。GB228—76中规定，关于钢试样通常使用do=10mm长、短比

例试样。关于板状长、短比例试样，也应满足（1.10）。关于圆形试样，其各部分同意偏差

及表面加工光洁度应符合图1.10的规定。

图1-10

试样标距部分直径do的同意偏差±0.2。试样标距长度内最大与最小直径的同意差值

0.05o

L=L0+100mm,最小R=3mm0

试样头部的形状及尺寸，可按材料与试验机的夹具等条件自行设计。

四、实验过程

测定低碳钢、铸铁的拉伸机械性能

［实验目的］

练习材料在拉伸时机械性能的测试方法

［实验项目］

1.观察低碳钢、铸铁试样在拉伸全过程中的各类现象。

2.熟悉低碳钢、铸铁在拉伸全过程中，抗力与变形的相互关系，并绘制P—Z\L拉伸

曲线图。

3.测定低碳钢的几个要紧拉伸机械性能的指标，屈服极限。s,强度极限。b,伸长率

6,与断面收缩率力，与铸铁的抗拉强度极限。b。

［实验要求］

1.测试方法：

遵守国家技术规定，测试拉伸性能指标的训练。

2.数据处理：

学习掌握测量中的有效数字及其运算。

3.操作技能：

继续练习万能试验机的操作方法。

［设备与试样］

1.材料试验机一台

2.游标尺、千分尺各一把。

3.低碳钢、铸铁标准（或者比例）试样各一根，

［内容与步骤］

1.量测试样直径。在试样标距长度的两端与中间三处用千分尺量测直径，为了消除截

面椭圆度的误差，应在每处以相互垂宜方向量测，取算术平均值。在强度计算时，考虑到试

样从最薄弱处开始破坏，应取三处平均直径中的最小直径。测量精度至少达到0.02mm。

2.试样划线。为了观察低碳钢试样拉断后的变形分布情况，在试样的标距长度内，用

划线器等间距划10格。如K试样间距为10mm；短试样则为5mm。铸铁试样不必划线。

3.试验机的准备工传

选择测力度盘，配置相应的跌码，将试验机的测力指针调到零位。

安装试样

调整载荷位移记录机构

4.检查与试车。在教师检查、同意下，以手动或者缓慢加载试车，观察测力机构、绘

图机构运行是否正常。然后卸载，使测力指针接近回零，将试验机处于待令工作状态。

5.实验测试。加载人员集中精力，手动或者慢速机动操作试验机，使试样受到均匀、

缓慢的载荷而变形。

注意观察试样、观察测力指针与记录图在拉伸过程中的全部现象，特别低碳钢试样在

屈服时其表面的变化，测力指针的摆动与记录图的形状；记下指针停止转动时的恒定值，或

者第一次回转的最小值，为屈服载荷Ps,临近颈缩时试样表面的变化，颈缩现象，直到试

样断裂，记录指针的最大载荷Pmax,取下试样，观察与分析试样断口，与考察物理现象。

取FI已录曲线图，实验完毕，将试验机各机构恢更原位。

6.量测低碳钢断裂试样。

［注意事项］

1.临开机前，务必认真检查，排除遗漏与误失。在教师同意下才开动试验机。

2.开始加载要缓慢，特别是油压试验机，防止油门开得过大，引起载荷冲击突加，容

易造成事故。

3.试样安装务必正确，防止偏斜与夹入过短。

4.运行时，如发现特殊（如声音、气味或者机构失灵等），应立即停车，排除故障。

［预习与准备］

1.熟悉金属材料拉伸机械性能的意义与测试方法。

2.掌握量测试样的方法与规定，注意量具与有效数字的应用。实验前后要量测试样的

什么尺寸，事先画好数据记录表格。

3.拉伸过程中要观察什么现象，注意儿个变形阶段，如何记录应测的数据等，亦应画

在数据记录的表格内。

4.假如低碳钢的强度极限。b=4000kgf/cm2左右，预先合理选择测力度盘与配置秩码。

［实验报告］

材料力学实验报告（供参考）

实验二口期:

实验名称:

实验设备:

实验目的:

（一）试样尺寸记录

原始尺寸

材标直径do(nun)截面

料距截面I截面II截面m面积A0

L0(mm)12平均12平均12平均

低碳钢

铸铁

材料断后尺寸

标距L1断裂处直径dl（mm）断裂处截面

低碳钢(mm)12平均面积

（二）实验记录

实验数据记录

材料屈服载荷Ps（kgf）最大载荷Pb（kgf）

低碳钢

铸铁

实验图象记录

图形低碳钢铸铁

P—AL

曲线

断口

形状

（三）计算结果

低碳钢:

2

屈服极限：G二今二kgf/mm=MP（f

强度极限：5二£kgf/mm2=MP”

伸长率：3=驴乂100%=%

*0

面缩率：W=*LX1OO%=%

铸铁：

2

强度极限：。尸导kgf/mm=MPa

（四）实验结果讨论

比较低碳钢所代表的塑性材料与铸铁所代表的脆性材料，它们的拉伸时机

械性能的共同点与不一致点。

实验二硬度试验

一、实验目的

（1）熟悉布氏硬度.洛氏硬度的要紧构造及操作方法。

（2）初步掌握布氏硬度值.洛氏硬度值的测定方法。

（3）初步建立碳钢的含碟量与其硬度间的关系与热处理能改变材料硬度的概验。

二、实验概述

硬度实验设备简单，操作迅速方便，不需要专门制各试样，也不破坏被测试的工件。此

外，在工业生产中，被广泛应用于产品质量的检验。此外，硬度值与其他力学性能及某些工

艺性能（如切削加工性.冷成形性等）都有一定的联系，故在产品设计图样的技术条件中，

硬度是一项要紧技术指标，

目前，在测定硬度的方法中，最常用的是压入硬度法。其中以不氏硬度与洛氏硬度应用

最广。它们的试验原理都是用一定几何形状的压头在一定载荷下压入被测金属材料的表面，

根据压头被压入的程度来则定其硬度值。

1.布氏硬度

布氏硬度试验方法是将一直径为D的淬火钢球或者硬质合金球在规定载荷F作用卜压入被

测试金属表面，停留一定时间后卸除载荷，在被测试金属表面上形成一个直径d的压痕。计

算出压痕单位面积所承受的平均压力，以此作为被测试金属的布氏硬度值。但实际试验是都

是用读数显微镜测出压痕直径d,再根据d值，查参照表得出所测的硬度值。

当压头为淬火钢球时，硬度符号为HBS,适用于布氏硬度值低于450的金属材料：当

压头为硬质合金球时，硬度符号为HBW,适用F布氏硬度值为450〜650的金属材料。

在进行布氏硬度试验时，应根据被测试金属材料的种类与试样厚度，选用不一致大小

的球体直径D.施加载荷F保持时间。按GB231-84规定，球体直径有1052.52与lmn15

种；载荷与球体直径平方的比值（F/D*D）有30151052.51.25与1七种，根据金

属材料的种类与布氏硬度值，可按表2-1选定F/D*D：载荷的保持时间：黑色金属为1（）〜15s,

有色金属为30s,布氏硬度值小于35时为60s。

表2-1布氏硬度试脸的F/D2值的选择（摘自GB231-84）

材料布氏硬度F/D2

<14010

钢及铸铁

>14030

<355

铜及其合金35〜13010

>13030

<352.5（或者1.25）

轻金属及合金35〜13010（或者5、15）

>8010（或者15）

铅、锡1.25（或者1）

布氏硬度试验大因压痕面积较大，能反映较大范围内被测试金属的平均硬度，故试

验结果较准确。但压痕较大，不宜测试成品或者薄片金属的硬度。

2.洛氏硬度

洛氏硬度试验方法是以一个锥顶角为120度的金刚石圆锥体或者直径为1.558mm（1/I6in）

的钢球为压头，在先后两次载荷（初载荷与主载荷）作用下，压入被测试金属表面，然后卸

除主载荷，在保留初载荷情况下，测出由主载荷引起的塑性变形的压入深度h,再由h值确定

洛氏硬度值。H值愈大时，被测试金属的洛氏硬度值愈低；反之，则愈高。在实际实验时，

都是由硬度计的指示器表盘上直接读出所测的硬度值。

洛氏硬度试验时，可用不一致压头与不一致的主载荷构成不一致的洛氏硬度标尺。最常

用的是HRAHRBHRC三种其中HRC适用于测量硬度值高于230HBs的较硬金属;HRB

适用于测量硬度值低于23OHBS的较软金属；HRA适用于测量硬脆的金属材料或者浅层表

面硬化的金属。

洛氏硬度试验操作迅速简便，且压痕较小，能够测定成品或者较薄金属的硬度，故目前

生产上应用广泛。

退火状态碳钢的硬度通常是随着含碳量的增加而逐步增加。

三、实验设备

1.布氏硬度试验

图2-1HB-3000型布氏硬度计

1-电动机2—手轮8-工作台4一试样5-压头6一压轴,

，一小杠杆8一摇杆9-大杠杆10-连杆”一般码12一减速器

布氏硬度试验要紧设备有布氏硬度计与读数显微镜。常见的布氏硬度计有液压式与机械

式两大类。图2-1为HB-3000型机械式布氏硬度计。试验时，将试样4放在工作台3上，

按顺时针方向转动手轮2,使工作台上升至试样与压头，接触，并在手轮打滑后再开电动机

1,经二级蜗轮蜗杆减速湍减速后，驱动连杆10与遥杆8向下运动，如今压头在祛码11通

过大杠杆9小杠杆7及压轴6作用下，以一定大小的载荷压入试样。停留一定时间后，电

动机自动反转，曲柄连杆带动遥杆上升而卸除载荷。在关闭电动机后，反时针方向转动手轮,

使工作台下降并取下试样，最后用读数显微镜测出压痕直径d,如图2-2所示，根据d的大

小查表即可求得布氏硬度值。

镀筒

图2-2测意压痕直径示意图

2.洛氏硬度试验

图2-3H-100型洛氏硬度计

1一按钮2-手柄S-手轮4-转盘5-工作台6一试梯7—压头

8—压“，一揭示普衰盘10一杠杆1：一昧码12-第吁13-黑世

轮14一由条15一缓冲外

我国生产的洛氏硬度试验计有H-100HR-150DTHR4-150AT等多种型式。图2-3为

H-10型洛氏硬度计。试验时将试样6放在工作台5上按顺时针方向转动手轮3,使工作台

上升至试样与压头7接触，继续转动手轮，通过压头与压轴8顶起杠杆10,并带动指示盘9

的指针转动，洛氏硬度指示器表盘如图2—4所示。待指示器表盘中小针对准黑点，大针置

于垂直向上位置时（左右偏移不超过5格），试样即施加了lOKgf（lkgf=9.8N）的初载荷。

随后转动指示器表盘，使大针对准“0"（测HRB时对准“30”），再按下按钮1释放转盘：4,

在祛码11重量的作用下，顶杆12便在缓冲器15的操纵下匀缓下降，使主载荷通过杠杆压

轴与压头作用于试样上。停留数秒钟后再扳动手柄2,使转盘顺时针方向转动至原先被锁住

的位置。由于转盘上齿轮使扇齿轮13齿条14同时运转而将顶杆顶起，卸除了主载荷。这

时指示器指针所指的读数却为所求的洛氏硬度值（HRC与HRA读外圈黑色的C标尺，HRB

读内圈红色的B持标尺）。

图2-4洛氏硬度指示器表盘

四、实验材料

布氏硬度退火状态的低碳钢、中碳钢、高碳钢

洛氏硬度淬火状态的低碳钢、中碳钢，高碳钢

五、实验步骤及注意事项

1.布氏硬度试验

（I）清理试样表面.被测表面应是无氧化皮及外来污物的光洁表面，以保证能准确测

量压痕直径。

（2）根据试样材料及厚度，按布氏硬度试验规范选择钢球压头的直径载荷大小及载

荷保持时间。

（3）把试样稳固地放在硬度计工作台上，按布氏硬度计的操作顺序进行表面留下一个

压痕。试验时，应使载荷均匀平稳地垂直施加于试样的测试表面，不得有冲击或者宸动。

（4）移动试样后重做一次试验，使试样表面又留下一个压痕。为了使实验结果精确，

相邻两压痕的中心距离；应不小于压痕直径的4倍；压痕中心距试样边缘的距离不小于压痕

直径的2.5倍:压痕直径d的大小应在0.24〜D〜0.6D范围内；压痕深度应小于试样厚度的1/10。

（5）自工作台上取下试样，用读数显微镜在相互垂直方向上测量压衡直径，然后计算

其平均值并作好记录。

（6）根据压痕宜径d,查参照表求得各试样的布氏硬度值。

2.洛氏硬度试验

（1）清理试样表面。被测表面应无油脂、氧化皮、裂纹、凹坑、显著的加工痕迹与其

它外来污物。

(2)根据试样材料选择压头及载荷。根据试样形状选择合适的工作台。工作台表面、

试样的支承面与压头表面均应清洁。

(3)把试样稳固地放在硬度计工作台上，按洛氏硬度计的操作顺序进行试验。试验中

务必保证载荷平稳地垂直施加于试样的测试表面，不得有冲击或者震动。然后有指示器上读

得硬度值并作好记录。

(4)移动试样，并在另一位置继续进行试验，两相邻压痕中心距离或者任一压痕中心距

试样边缘距离通常不得小于3mm。前后共测三点，计算后两次试验得出硬度值的平均值，

并作好记录。

六实验报告

(I)根据选用的试验规范与记录数据填写下表。

布氏硬度

\项目

试验规范试验结果

载荷停留第一次

试验材米\钢球直径载荷F

F/D2时间压痕直径硬度值

及处理状态\D(mm)(kgf)

(s)d(mm)HBS

\项目

试验结果换算成洛氏硬度值

第二次

平均硬度值

试验材不、HRCHRB

压痕直径硬度值HBS

及处理状态\d(mm)HBS

洛氏硬度

\项目试验规范测得硬度值

换算成布

氏硬度值

总载荷硬度平均硬

试验材分、压头第一次第二次第三次HBS

F(kgf)标尺度值

及处理状久

（2）根据本实验中布氏硬度试验测得的硬度值，分析退火状态碳钢的含碳量与硬度间的

关系，并画出其关系曲线图。

实验三冲击试验

一、实验目的

（1）熟悉冲击试验机的要紧构造及操作方法。

（2）初步掌握金属材料韧性的测定方法。

（3）初步建立碳钢的含碳量于其冲击韧度间的关。

二、实验概述

一次冲击弯曲试验是测定金属材料韧性的常用方法.它是将一定尺寸与形状的金属试样

放在试验机的支座上，再将一定重量的摆锤升高到一定高度，使其具有一定位能，然后让摆

锤自由下落将试样冲断。摆锤冲断试样所消耗的能量即为冲击汲取功Ak,Ak值的大小代表

金属材料韧性的高低。但习惯上仍使用冲击韧度值ak表示金属材料韧性。冲击韧度ak是用

冲击汲取功Ak除以样式断口处的原始横切面积S来表示的。

退火状态碳钢的韧性随着含碳量的增加而下降。

三、实验设备及用品

冲击试验要紧设备与用品为冲击试验机与测量试样尺寸用的游标卡尺。冲击试验机有手

动与半自动两种。图3-1为手动摆锤式冲击试验机的外形结构。

手筋盘椽黄冷击注验机

.1一支座每口I2—捷什・，上一剃度盘

4一律小：54千％/号包J一层管

试验时先把手柄5拨至“预备”位置，然后将摆锤7稍加抬起并固定后，把试样放在支

座钳口1上，再把摆锤抬到试验高度，使插销插入摆轴6的支槽内，待一切准备完毕后，将

手柄由“预备”位置拨至“冲击”位置，这时摆锤就以摆轴为旋转中心而自由下落。

当摆锤冲断试样后，其剩余能量有使摆锤向另一方向扬起一定高度，这时将手柄再拨至

“停止”位置，使摆捶停止摆动。

试样的冲击汲取功Ak值由指针4指示。由于当摆掩自由下落时，待拨针碰到指针时，

又带动指针一起转动。但当摆捶回摆，拨针反转时，指针停止不动。这时指针在刻度盘3

上指出的读数，即为试样所承受的冲击汲取功值。

半自动摆捶式冲击实验机的构造原理与手动的基本相同，但摆捶的上扬挂摆.下落冲击

与制动等均由电气机械操纵，免去了人工扬摆的劳动。

四、冲击试样及实验材料

按GB229—84与GB2106-80规定，冲击试验标准试样有夏比U型缺口试样与夏比V

型缺口试样两种。习惯上前者简称之梅式试样，后者为复式试样。两种试样的尺寸及加工要

求如图3-2与图3-3所示。

二

念

27.5±0.S0

+2I

图3—2夏比U型缺口试样

,??0.25±0.025

图3—3夏比V型缺口试样

每实验小组所用的实验试样为退火状态的低碳钢.中碳钢.高碳钢冲击试样各一根.材料

分别使用20钢.45钢与T12钢。

五、实验步骤

（I）检查试样有无缺陷，试样缺口部位通常不能划伤或者锈蚀。

（2）用精度不低于0.02mm的量具测量试样缺口处的断面尺寸，并记下测量数据。

（3）检查摆捶空打时的指针是否指零（即摆捶自由地处在铅垂位置时，使指针紧靠拨针

并对最大打击能量处，然后扬起摆捶空打，指针指示零位），其偏离不应超过最小分度的1/4。

（4）放置冲击试样。试样应紧贴支座，并使试样缺口背向摆捶的刀刃，然后用找正样板

使试样处于支座的中心位置。

（5）按冲击试验机的慷作顺序将冲击试样冲断。

（6）读出指针在刻度盘上指出的冲击汲取功Ak值，并做好记录。

（7）观察试样的断口特征。

六、实验注意事项

（1）在试验机摆捶运动的平面内，严禁站人，以防因摆捶运动或者冲断的试样飞出伤人。

（2）未经许可不准随便搬动摆捶与操纵手柄。

（3）在装置冲击试样时，应将摆捶用支架支住。切不可将摆捶抬高到预备位置，以防摆

锤偶然落下时造成严重事故。

（4）当手柄在“预备”位置，摆捶已上扬至预定的试验高度后，应平稳缓慢地将手放开,

并使插销插入摆轴的槽内，以防放手过急而冲断插销。

（5）当试样被冲断而理捶尚在摆动时，不能将手柄拨回至“预备”位置，以防插销的头

部与摆捶发生摩擦或者插销有可能插入摆捶的槽内而被冲断。

（6）试样冲断时如有卡锤现象，则数据无效。

七、实验报告

（I）根据实验记录滇写下表。

试验材料试验试样缺口处断面尺寸冲击吸冲击韧性断口

及其处理高宽断面积收功Akak

状态温度(cm)(cm)(cm2)(J)(J/cm2)特性

(2)根据实验测得的冲击韧度值，分析退火状态碳钢的含量与冲击韧度见的关系，并画出

其关系曲线图。

(2)实验中会影响材料冲击韧度值的因素有什么？本实验测得的冲击韧度值是否精

确？为什么？

(3)

实验四铁碳合金平衡组织分析

一、实验目的

1.观察与识别铁碳合金（碳钢与白口铁）在平衡状态下的显微组织。

2.熟悉铁碳合金的成分、组织与性能之间的对应变化关系。

3.熟悉金相显微镜的使用。

二、概述

利用金相显微镜观察金属的组织与缺陷的方法称之显微分析：所看到的组织称之显微组

织。

合金在极缓慢冷却条件（如退火状态）下得到的组织为平衡组织。铁碳合金的平衡组织

能够根据Fe-C相图来分析。从相图可知，所有碳钢与白口铁在温室时的组织均由铁素体与

渗碳体构成。但由于含碳量的不一致，结晶条件的差异，铁素体与渗碳体的相对数量，形态,

分布与混合情况不一样，因而将构成各类不一致特征的组织或者组织构成物，其基本特征如

下：

1.铁素体（F）是碳溶于aFe中的固溶体，由良好的塑性，硬度较低（HB80〜120）,

经3〜5%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜卜.呈白色大粒状。随这钢中含碳量的增加，铁素

体量减少。铁素体量较多时呈块状；当含碳量接近于共析成分时，往往呈断续的网状，分布

在珠光体的周围。如图4-1所示。

工业纯铁的显微组织20钢的显微组织

45钢的显微组织T10钢的显微组织

图4-1

2.渗碳体（Cm）是铁与碳的化合物，含碳最为6.69%,抗浸蚀能力较强。经3〜5%硝

酸酒精溶液浸蚀后呈白亮色；若用苦味酸钠溶液热浸蚀，则被染成黑褐色，而铁素体仍为白

色，由此可区别开铁素体与渗碳体。渗碳体的硬度很高，达HB800以上；脆性很大，强度

与塑性很差。通过不一致的热处理，渗碳体能够呈片状、粒状或者断续网状。

3.珠光体（P）铁素体与渗碳体的共析混合物，有片状与珠状两种。

（1）片状珠光体通常经退火得到，是铁素体与渗碳体交替分布的层片状组织,

疏密程度不一致。经3〜5%硝酸酒精溶液或者苦味酸溶液浸蚀后，铁素体与渗碳体皆呈白亮

色，但其边界被浸蚀呈黑色线条。在不一致放大倍下观察是，组织具有不太一样的特征。

在高倍（600倍以上）下观察时，珠光体中平行相间的宽条铁素体与细条渗碳体都呈白

亮色，而其边界呈黑色（图4・2）。

图4-2

中倍（400倍左右）观察时，白亮色渗碳体被黑色边界所“百食”而成为细黑条。这时

看到的珠光体时宽白条铁索体与细黑条渗碳体的相间混合物（图4-3）。

图4-3

低倍（200倍下列）观察时，连宽白条的铁素体与细黑条的渗碳体也很难分辨，这时,

珠光体为黑块组织（见图4-1中的确良珠光体）。

（2）球状珠光体共析钢或者过共析钢经球化退火后，得到球状渗碳体。经3〜5%

硝酸酒精浸蚀后，球状珠光体为白色铁素体基体上均匀分布这白色渗碳体小颗粒，其边界为

黑圈（图4-4）。

图4-4

根据钢的组织，估计出各组织成的相对量，便可利用杠杆定律算出含碳量。

4.莱氏体（Ld）在温室时是珠光体与渗碳体的混合物。如今，渗碳体中包含共晶

渗碳体与二次渗碳体两种，但它们相连在一起而分辨不开.经3〜5%硝酸酒精溶液侵蚀后，

莱氏体的组织特征是，在向亮的渗碳基本上均匀分布着途多黑点（块）状或者条状珠光体（图

4-5）。

图4-5共晶白口铁图4-6亚共晶白口铁

莱氏体组织硬度很高，达HB700,性脆。通常存在于含碳最大于2.11%的白口铸铁中,

在某些高碳合金钢的铸造组织中也常可见。

亚共晶白口铸铁的组织包含：莱氏体、呈黑粗树枝态分布的珠光体及其周围白亮圈的二

次渗碳体（图4-6）o二次渗碳体与莱氏体中的渗碳体相连,无界线.无法区别。

过共品白口铸铁的组织是：莱氏体与长白条一次渗碳体（图4-7）

图4-7过共晶白口铁

三、实验内容

1.观察表1-1中说列样品的显微组织并联系铁碳相图分析各组织的形成过程。

实验要求观察的样品

序号样品名称状态显微组织浸蚀剂

1工业纯铁退火F4%硝酸酒精

20.45%碳钢同上F+P同上

30.8%碳钢同上P同上

41.2%碳钢同上P+Fe3cli同上

5亚共晶白口铸铁铸铁P+Fe3Cll+Ld同上

6共晶白口铸铁同上Ld同上

7过共品白口铸铁同上Ld-Fe3Cll同上

8未知铁碳合金退火同上

2.熟悉金相显微镜的大致构造与正确使用方法/

3.绘出所观察样品的显微组织示意图/

4.分析未知式样：指出它牯何种钢或者铸铁；是什么组织；用杠杆定律估算出大致含微量，

并通过各类组织构成物的相对含量估算出它的大致硬度（HB）。

四、实验报告要求

1.写出实验目的及实验简明原理。

2.画出所有样品的显微组织示意图（用箭头与代表符号标明各组织构成物、并注明材料、放

大倍数与浸蚀剂）。

3.根据所观察组织，说明含碳量对铁碳合金的组织与性能的影响的大致规律。

4.利用杠杆定律确定（或者估算）未知试样的含碳量与大致硬度（HB）。

五、思考题

1.珠光体组织在低倍观察与高倍观察时有何不一致？为什么？

2.如何鉴别0.6%C钢的网状铁素体与1.2%C钢的网状渗碳体？

3.二次渗碳体呈网状分布时，对钢材的机械性能有何影响？如何才能避免？

4.渗碳体有几种？它们的形态有什么区别？

实验五钢的热处理

一、实验目的

I.熟悉碳钢的几种基本热处理（退火、正火、淬火及回火）操作方法。

2.熟悉含碳量、加热温度、冷却速度、回火温度等要紧因素对碳钢热处理后性能（硬度）的

影响。

3.学会洛氏硬度计的使用。

二、概述

钢的热处理就是通过加热，保温与冷却改变其内部组织，从而获得所要求的物理、化

学、机械与工艺性能的一种操作方法。通常热处理的基本操作有退火、正火、淬火及回火等。

热处理操作中，加热温度、保温时间与冷却方式是最重要的三个基本工艺因素，正确

选择它们的规范，是热处理成功的基本保证。

1.加热温度

（1）退火加热温度对亚共析钢是Ac3+（30〜50C）（完全退火）共析钢与过共所钢

是Ac+（30〜50℃）（球化退火）。

（2）正火加热温度对亚共析钢是Ac3+（3O~5O℃）；过共析钢是Accm+（30〜50C）,

即加热至奥氏体单相区。

退火与正火的加热温度范围见图5-1o

（3）淬火加热温度对亚共析钢是Ac3+（3O〜50C）：过共析钢是Accm+（30〜50℃）,

见图5-2。

0*20*40*60.8l*i）L2L4

%（％）

图5.1退火、正火加热温度图5-2淬火加热温度

（4）钢淬火后要回火。回火温度决定于最终所要求的组织与性能（工

厂中常根据硬度的要求）。按加热温度，回火分为低温、中温、高温回火三类。

低温回火是在150〜250c进行回火，所得组织为回火马氏体，硬度约为HRC6O。

中温回火是在350〜500c进行回火，所得组织为回火屈氏体，硬度约为HRC35〜45.

高温回火是在（500〜650C）进行回火，所得组织为回火索素体，硬度为约为

HRC25〜35。

高于650C的回火得到回火珠光体，能够改变高碳钢的切削性能。

2.保温时间

为了使工件各部温度均匀化，完成组织转变，并使碳化物完全溶解与奥氏体成分均匀一

致，务必在淬火加热温度下保温一定时间。通常将工件升温与保温索需时间计算在一起，并

统称之加热时间。

热处理加热时间务必考虑许多因素，比如工件的尺寸与形状、使用的加热设备及装炉量、

装炉温度、钢的成分与原始组织、热处理的要求与目的等，具体时间可参考有关手册中的数

据。

实际工作中多根据经验估算加热时间。通常规定，在空气介质中，升到规定温度后的保

温时间，碳钢按工件厚度每亳米需一分至一分半钟估算；合金钢按每亳米两分钟估算。在盐

溶炉中，保温时间可缩短1〜2倍。

3.法冷却方

热处理的冷却方法务必适当，才能获得所要求的组织与性能。

退火通常使用随炉冷却。

正火（或者常化）所使用空气冷却，大件常进行吹风冷却。

淬火的冷却方法非常重要。一方面冷却速度要大于临界冷却速度，以保证得到马氏体

组织；另一方面冷却速度应当尽量缓慢，以减少内应力，避免变形与开裂。为了调与上述矛

盾，能够使用特殊的冷却方法，使加热工件在奥氏体最不稳固的温度范围内（650〜55OC）

快冷，超过临界冷却速度，而在马氏体转变温度（300〜