工程材料实验指导手册

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《工程材料》实验

1、硬度试验

（1）布氏硬度试验【布氏硬度计】

TH－600型布氏硬度计的构造如图1所示。它主要由机体、可更换工作台6、大杠杆16、小杠杆l、压轴3、减速器13、换向开关14等部件组成。

工作台机构机体下部安装套筒11，套筒内装有螺杆8，在螺杆上部是工作台立柱7。立柱上安装可更换工作台6，旋转手轮9，通过螺母l0可使螺杆带动工作台上下垂直移动。

图1 TH－600型布氏硬度试验机简图

l-小杠杆；2-弹簧；3-压轴；4-主轴衬套；5-压头；6-可更换工作台；7-工作台立柱；8-螺杆；9-升降手轮；10螺母；11-套筒；12-电动机；13-减速器；14-换向开关；15-砝码；16-大杠杆；17-吊环；18-机体；19-电源开关；

杠杆机构它由大杠杆16、吊环17、小杠杆1和压轴3等组成。载荷是由砝码15通过大杠杆16、吊环17、小杠杆l和压轴3、主轴衬套4、压头5等部件的作用，将钢球压人试样表面。加载或卸载是由电动机12通过减速器13和一组连杆机构来实现的。

压轴机构它是由弹簧2．压轴3和主轴衬套4等部件组成。弹簧在非工作状态时是将主

轴衬套压靠在锥形座内，使压轴紧靠在小杠杆中间的刀刃支架上，从而保持压轴的准确位置。

【试样的技术条件】

1．试样的试验面，应制成光滑平面，不应有氧化皮及污物。试验面应能保证压痕直径能精确测量，试样表面粗糙度Ra值一般不应大于0.8μm。

2．在试样制备过程中，应尽量避免由于受热及冷加工对试样表面硬度的影响。

3．布氏硬度试样厚度至少应为压痕深度的l0倍。

4．试验温度一般在10～35oC范围内。【实验操作步骤】

1．根据材料和布氏硬度范围由第1章表1-2选择F／D2值，确定压头直径，载荷及载荷的保持时间。

2．将压头5装在主轴衬套4内，先暂时将压头固定螺钉轻轻地旋压在压头杆扁平处。

3．将试样和工作台6的台面揩擦干净，将试样稳固地放在工作台上，然后按顺时针方向转动工作台升降手轮9使工作台缓慢上升，并使压头与试样接触，直到手轮与升降螺母l0产生相对滑动（打滑）时为止，接着再将压头固定螺钉旋紧。此时按“开始”键，试验开始自动进行，依次自动完成以下过程：试验力加载（加载指示灯亮）；试验力完全加上后开始按设定的保持时间倒计时，保持该试验力（保持指示灯亮）；时间到后立即开始卸载（卸载指示灯亮），完成卸载后恢复初始状态（电源指示灯亮）。（钢铁材料试验载荷的保持时间为10～15秒；非铁金属为30秒；布氏硬度小于35时为60秒。）

4．检验并确定试验结果逆时针转动手轮，样品台下降，取下试样，用读数显微镜测量试样表面在两个垂直方向测出压痕直径d1和d2的数值，取平均值。然后根据压痕平均直径按附录1 中的公式计算或按附录2 查表确定硬度值。本硬度计所带读数显微镜为20 倍，鼓轮最小刻度值为0.01mm，使用时应合理利用光源。测量较小压痕直径时，也可以应用其它更大放大倍数的读数装置以提高读数准确度。

5. 关机卸除全部试验力，关闭电源开关。若长期不用，拔除电源连线；取下压头、砝码等，妥善存放。

【实验注意事项】

1．试样压痕平均直径d应在0.25D～0.6D之间，否则无效，应换用其他载荷做实验。

2．压痕中心距试样边缘距离不应小于压痕平均直径的2.5倍，两相邻压痕中心距离不

应小于压痕平均直径的4倍，布氏硬度小于35时，上述距离应分别为压痕平均直径的3倍和6倍。

（2）洛氏硬度实验【洛氏硬度计】

常用的TH－301型硬度计的简单构造如图2所示。TH-301型硬度计是由机架、加载机构、测量指示机构及工作台升降机构等主要部分组成。

图2 TH－301型洛氏硬度试验机简图

1-调整块；2·顶杆；3-调整螺钉；4-表盘；5-按钮；6-紧固螺母；7-试样；8-工作台；9-手轮；

10-放油螺钉；11-操纵手柄；12-砝码座；13-油针；14、15-磁码；16-吊杆；17-吊套；18-指

示器

加载机构由压头、主轴系统、加载杠杆、砝码、缓冲器、连杆和操纵手柄等组成。

硬度计初载荷98N(10kgf)是由主轴、加载杠杆、吊杆16等零件的重量以及指示器18

的测量载荷和指示杠杆对主轴的作用载荷等共同组成。顺时针方向旋转手轮9，升起工作台8使试样与压头接触直到指示器小指针指于红点，即表示初载荷已加上。

总载荷是由初载荷和通过加载杠杆放大后的砝码作用载荷(即主载荷)共同组成。在缓冲

器的托盘上放置一组砝码，当缓冲器活塞下降时，砝码也随同下降，砝码的重量便作用于加载杠杆上，于是压头就受到总载荷的作用。若选用不同数量的砝码，便可获得三种不同大小的总载荷。缓冲器的作用是为了缓慢地施加主载荷，以防止产生冲击现象。

操纵手柄11专作为主载荷的施加或卸除用，当手柄向后推倒时，主载荷便借助缓冲器

缓慢平稳地施加在压头上，当手柄向前扳回时，主载荷砝码被托盘托起而被卸载。但98N初载荷仍作用在压头上。

测量指示机构由顶杆2、小杠杆、指示器18等机件组成，它可显示初载荷是否加上，又是测定硬度的读数装置。当试样随工作台升起，顶住压头主轴，通过顶杆、小杠杆等机构转动指示器内的小指针指于红点时，表明初载荷已加上。当主载荷加上，主轴和压头受到总载荷作用后，压头便平稳地压入被测试样的表面。此时由于主轴的下降，通过小杠杆反映到指示器上，引起大指针逆时针回转到某一位置。当卸除主载荷后，由于试样压痕部位的弹性变形消除，促使主轴上移，又经小杠杆作用，使大指针顺时针旋转停于某一位置。最后大指针所指的刻度盘上的读数，即为试样所测得的硬度值。

【实验操作步骤】

工作台升降机构是由升降螺母、丝杠手轮9和工作台8所组成。

1．根据试样材料及预计硬度范围，选择压头类型和初、主载荷。

2．根据试样形状和大小，选择适宜工作台，将试样平稳地放在工作台上。

3．顺时针方向转动工作台升降手轮，将试样与压头缓慢接触使指示器指针或指示线至

规定标志即加上初载荷。如超过规定则应卸除初载荷，在试样另一位置试验。

4．调整指示器至B(或C)点后，将操纵手柄向前扳动，加主载荷，应在4～8秒内完成。

待大指针停止转动后，再将卸载手柄扳回，卸除主载荷。

5．卸除载荷(在2秒完成)后，按指示器大指针所指刻度线读出硬度值。以金刚石圆锥体作压头(HRA和HRC)的，按刻度盘下圈标记为“C”的黑色格子读数，若是以淬火钢球作为压头的，则按内圈标记为“B”的红色格子读数。行实验。

6．逆时针方向旋转手轮，降下工作台，取下试样，或移动试样选择新的部位，继续进

【实验注意事项】

1．试样两相邻压痕中心距离或任一压痕中心距试样边缘距离一般不小于3mm，在特殊情况下，这个距离可以减小，但不应小于直径的3倍。

2．为了获得较准确的硬度值，在每个试样上的试验点数应不小于三点(第一点不记)，取三点的算术平均值作为硬度值。对于大批试样的检验，点数可以适当减少。

3．被测试样的厚度应大于压痕残余深度的十倍，试样表面应光洁平整，不得有氧化皮，

裂缝及其他污物沾染。

4．要记住手轮的旋转方向，顺时针旋转时工作台上升，反之下降。特别在试验快结束时，需下降工作台卸除初载荷，取下试样或调换试样位置的时候，手轮不得转错方向，否则，手轮转错，使工作台上升，就容易顶坏压头。

2、扭转试验

扭转试验机是一种可对试样施加扭矩并能指示出扭矩大小的机器。它的类型有好多种，构造也各有不同。下面介绍两种常见的扭力机。 1）NSJ-01型扭力试验机

本试验机主要是对各种材料的两个旋向施加扭矩进行扭转试验，有两种检测方法：

自动检测：摇动手轮至试帮扭断，试验机自动检测材料的屈服扭矩M1，最大扭矩M2.

手动检测：可任意选择纪录实验过程中9个点的试验角度与扭矩，试验结束后可查询或打印当次试验结果。实验原理本试验使用圆形截面试件。

将试件装在扭力试验机上，开动机器，给试件加扭矩。利用机器上的自动绘图装置，可以得

到Mn一?曲线。这Mn一?曲线也叫扭转图。低碳钢试件的Mn一?曲线，如图3所示。

图中起始直线段OA表明试件在这阶

段中的Mn与?成比例，截面上的剪应力呈线性分布，如图 4（a）。在 A点处，

Mn 与?的比例关系开始破坏，此时截面周边上的剪应力达到了材料的剪切屈服极限剪应力尚小于

图3 低碳钢试件扭转图

?s，相应的扭矩记为MP。由于这时截面内部的

?s，故试件仍具有承载能力，Mn—?曲线呈继续上升的趋势。

扭矩超过 MP后，截面上的剪应力分布发生变化，如图 4（b）。在截面上出现了一个环状塑性区，并随着Mn的增长，塑性区逐步向中心扩展，Mn—?曲线稍微上升，直到B点趋于平坦，截面上各材料完全达到屈服，扭矩度盘上的指针几乎不动或摆动，此时测力度盘上指示出的扭矩或指针摆动的最小值即为屈服扭矩Ms。如图4（C），根据静力平衡条件，可以求得

?s与Ms的关系为：

Ms????sdA

将式中dA用环状面积元素2??d?表示，则有

Ms?2??s?d/2o?2d???sWn?s?3Ms4Wn43 （4-1）

故剪切屈服极限

式中

Wn??d316是试件的抗扭截面模量。

图4 截面上剪应力分布图

继续给试件加载，试件再继续变形，材料进一步强化。当达到Mn一?曲线上的C点时，试件被剪断。由测力度盘上的被动计可读出最大扭矩Mb，与公式（4—1）相似，可得

剪切强度极限

?b?3Mb4Wn （4—2）

铸铁的Mn一?曲线如右图所示。从开始受扭，

直到破坏，近似为一直线，按弹性应力公式，其剪切强度极限：

?b?MbWn （4—3）

图 4-7 铸铁的扭转图

试件受扭，材料处于纯剪切应力状态，在垂直于杆轴和平行于杆轴的各平面上作用着剪应力，而与杆轴成45o角的螺旋面上。则分别

????的正应力，如图

只作用着?1??、3

6所示。由于低碳钢的抗拉能力高于抗剪能力，故试件沿横截面剪断，而铸铁的抗拉能

图6 试冲受扭的应力分布图

力低于抗剪能力，故试件从表面上某一最弱处，沿与轴线成45o方向拉断成一螺旋面。

四、试验步骤

1．用游标卡尺测量试件直径，求出抗扭截面模量Wn。在试件的中央和两端共三处，每处测一对正交方向，取平均值作该处直径，然后取三处直径最小者，作为试件直径d，并据此计算Wn。

2．根据求出的Wn、估计试件材料的

?b，求出大致需要的最大载荷，确定所需的机器

量程。

3．将试件两端装入试验机的夹头内，调整好绘图装置，将指针对准零点，并将测角度盘调整到零。 4．用粉笔在试件表面上画一纵向线，以便观察度件的扭转变形情况。

5．对于低碳钢试件，可以先用手动（或慢速电动加载）缓慢而均匀地加载，当测力指针前进速度渐渐减慢以至停留不动或摆动，这时，它表明的值就是Ms（注意：指针停止不动时间很短，因此要留心观察）。然后卸掉手摇柄，用电动加载（或换成快速电动加载）直至试件破坏并立即停车。记下被动指针所指的最大扭矩，注意观察测角度盘的读数。

6．铸铁试件的试验步骤与低碳钢相同，可直接用电动加载，记录试件破坏时的最大扭矩值。

(7)实验结束，立即停机，取下试件，将机器复原并清理现场。 2、注意事项

（1）开机前要把调速电位器逆时针旋到零点，以防开机时产生冲击力矩而损坏试验机零部件。

（2）施加扭矩后，禁止再转动“量程选择手轮”和改变“变速开关”。

（3）面板上的正、反加载按钮不能同时按下。若要改变施加扭矩方向和变换变速开关，必须先按“停”按钮后，再改变扭矩方向和变速开关。

（4）试验机运转时，操作人员不能离开。发现异常声音或其它任何故障，应立即停机并报告指导教师处理。五、实验报告填写一、实验目的

二、实验设备

三、试件形状简图

四、实验数据表1 试件几何尺寸低碳钢平均直径截面Ⅰ 1 2 铸铁平均直径截面Ⅰ 1 2 d0 截面(mm) Ⅱ 截面Ⅲ 1 2 1 2 d0 (mm) 截面Ⅱ 截面Ⅲ 1 2 1 2 最小平均直径d0(mm) 横截面积A0（mm2）抗扭截面系数Wt1(mm3) 最小平均直径d0(mm) 横截面积A0（mm2）抗扭截面系数Wt2(mm3) 表2 测定屈服和极限扭矩的实验记录材料低碳钢铸铁屈服扭矩Ts（N·m） ∕ 极限扭矩Tb（N·m）

五、试件扭转时主要力学性能的计算结果

1．低碳钢剪切屈服极限

?s?3Ts4Wt1＝＝ Mpa

2．低碳钢剪切强度极限

?b?3Tb4Wt1＝＝ Mpa

3．铸铁剪切强度极限

?b?TbWt2＝＝ Mpa

3、钢的热处理试验

箱式电阻加热炉及控温仪表；淬火用的水槽及油槽；洛氏硬度计和布氏硬度计；用45钢或其他材料做成的直径为12～20mm，高为15～25mm的圆柱体试样各若干个。

箱式电阻加热炉

一般实验室均采用箱式电阻加热炉作为热处理的加热设备，其大致构造如图7所示。它主要由炉壳和炉芯两部分组成，炉壳和炉芯之间填有保温材料，以减少炉内热量的损失，炉芯一般由耐高温的Al2O3或SiC等耐火材料制成，炉芯壁内，分布着许多圆形电热丝孔3以供穿插电热丝用。电热丝多用铁铬铝合金丝制成螺旋形。当电源通过接线盒5使电热丝中通有电流时便产生电热效应，所发生的热量即可加热炉内的试样7。为了避免取放试样时碰坏或磨损加热室2底部耐火材料，在加热室底部放置一块高强度耐火材料制成的炉底板6。加热室的开口处用炉门9封闭。炉门上有一小孔，供观察炉内温度和试样的加热情况用。炉门下部有一挡铁，当炉门关闭时，挡铁触动控制开关8，使加热室内的电热丝中有电流通过；当炉门打开时，控制开关切断了电源控制电路，此时即闭合电源开关，电炉中的电热丝也不会有电流通过，从而保证了操作时的安全。在加热室后壁开有一测温孔4，供插入热电偶用。整个炉体用钢板包裹，并由支架支撑。

图7 箱式电阻炉结构示意图

1-隔热层；2-加热室；3-电热丝孔；4-测温孔；5-接线盒；6-炉底板；7试样；8控制开关；9-炉门

控温装置

它包括热电偶和温度指示调节仪，是加热炉的配套仪器。热电偶的工作原理如图7所示。热电偶4是由镍铬和镍铝两种合金丝构成，两合金丝的一端焊在一起作为热端5而插入炉内，另一端作为冷端3通过连接导线2接到温度指示调节仪1上。当热端在炉内受热与冷端之间由于温差而产生热电势时，驱动温度指示调节仪的温度指针偏转指示出相应的温度值。实验室箱式电阻加热炉上用的温度指示调节仪，一般采用XCT－101型，它的工作原理如图8所示。调节控制部分主要由温度给定指针4检测线圈5和控制继电器等组成。当电炉工作时，按加热温度要求，转动仪表前面左边的按钮使温度给定指针置于一定位置，温度上升时温度指示针3偏转向温度给定指针，当温度指示针与温度给定指针重合时，温度指示针上的铝片2也进入检测线圈的间隙内，由于铝片隔断了检测线圈之间的磁场作用，使振荡回路的电参数改变，此信号通过放大器使控制继电器动作，电炉电源被切断，炉温停止上升并随之下降，当炉温下降时，温度指示针又往回偏转，铝片离开检测线圈，振荡回路的参数又恢复到原来的数值，控制继电器又动作，电炉电源又接通，炉温又上升，以此达到自动控温的目的。

1-温度指示调节仪；2-连接导线；

图7 热电偶工作原理图 3-冷端；4-热电偶；5-热端保护

图8 温度指示调节仪工作原理图 1-张丝；2-铝片；3-温度指示针；

4-温度给定指针；5-检测线圈【实验操作步骤】 1．试样准备

热处理的试样一般制成Ф20×15mm左右，可直接选用Ф20mm的圆钢切割而成，然后将每个试样以不同材料或不同的热处理进行分别编号，并打上钢印。

2．试样装炉

按要求试样在装炉之前要先测试硬度，同时预先将电炉温度升到规定的温度。当炉门打开时，应按顺序迅速将试样装入炉内，速度要快但不能混乱，否则炉温会下降过大，增加加热时间。

3．试样出炉和冷却

这是直接影响实验效果的关键，必须周密安排充分准备。当炉门打开时，尽快地按顺序迅速将试样钳出并投入预定的冷却介质中冷却，并搅动试样，促使冷却均匀。

4．测量硬度

热处理过的试样冷却后，要用布擦拭干净再用砂布擦去氧化皮，然后测试硬度。

5．回火处理

按热处理内容规定，将淬火后的试样，分别装入指定温度的电炉内进行加热，由于回火的加热温度较低，加热保温的时间要相应长一些，然后取出空冷到室温。磨去氧化皮再测试硬度。

【实验报告】

试样材料钢号尺寸/mm 1．钢加热奥氏体化后的冷却速度对其组织与性能的影响

热处理工艺参数加热温度 ℃ 保温时间 /min 冷却方法空冷油冷水冷第1次

硬度值HRC 第2次第3次平均值显微组织 2．回火温度对淬火钢组织、性能的影响

试样材料钢号回火前硬度加热温度 HRC /℃ 200 400 600 回火工艺参数保温时间 /rnin 冷却介质第1次硬度值HRC 第2次第3次平均值显微组织 3．绘出回火温度和硬度的关系曲线图，并联系组织，分析其性能变化的原因。

4．碳钢的碳的质量分数对淬火后硬度的影响

试样材料钢号 20 45 T12 尺寸/mm 碳的质量分数 c×100 ℃ 热处理工艺参数加热温度保温时间 /rnin 盐水冷却介质第1次硬度值HRC 第2次第3次平均值 5．若本实验数据与一般资料上的数据差别较大时，试分析出现误差的原因。

4、铁碳合金平衡组织的观察

【实验原理】

用浸蚀剂显现的碳钢和白口铸铁，在金相显微镜下具有下面几种基本组织形态：

1．铁素体(F)

用4％的硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮白色的多边形等轴晶粒。当钢中的碳的质量分数较多时，铁素体呈块状分布。当钢中的碳的质量分数接近于共析成分时，铁素体则成为断续的网状分布于珠光体的晶界周围。

2．渗碳体(F3C)

用4％的硝酸酒精溶液浸蚀后，渗碳体呈亮白色，若用苦味酸钠溶液浸蚀，则渗碳体呈黑色，而铁素体仍为白色，由此可区别铁素体和渗碳体。渗碳体的形态可能呈片状，也可能呈条状、颗粒状、带状或网状等形态。

3．珠光体(P)

在一般退火状态下，它是由铁素体和渗碳体相互混合交替排列形成的层片状组织。用4％的硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下可观察到铁素体和渗碳体均呈白色，但在不同放大倍数的显微镜下看到的珠光体组织特征也不相同。在高倍放大时，能清楚地看到珠光体是由平行相间的宽条铁素体和窄条渗碳体组成，都呈白亮色，而其相界呈黑色。当显微镜放大倍数较低时，显微镜的鉴别能力小于渗碳体的片层的厚度，这时看到的珠光体中的渗碳体是一条黑线。当组织较细而放大倍数较低时，珠光体的片层就不能分辨，而呈黑色。

4．莱氏体(Ld′)

用4％的硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下可观察到亮白色的渗碳体的基体上分布着许多暗黑色的点状及细条状的珠光体，二次渗碳体和共晶渗碳体连在一起，从形态上无法区分。

【金相显微镜的外部构造与使用】

金相显微镜的种类和型式很多，常见的有台式，立式和卧式金相显微镜三大类。金相显微镜的构造通常由照明系统、光学系统、机械调节系统等主要部分组成。教学用的金相显微镜的结构如图9所示。

图9 XJB—l型金相显微镜外形结构图

1-载物台；2-物镜；3-转换器；4-传动箱；5-微动调节手轮；6-粗动调节手轮；7-光源；8-偏心圈；9-试样；10-目镜；11-目镜筒；l2-固定螺钉；13-调节螺钉；14-视场光阑；15-孔径光阑

1．显微调焦装置

在金相显微镜的两侧有粗动调节手轮6和微动调节手轮5，两者在同一轴上，随着粗调手轮的转动，通过内部的齿轮传动，使支撑载物台1的架臂，做上下运动。在粗调手轮的一侧有制动装置，用以固定调焦正确后固定载物台的位置。微调手轮是通过多级齿轮传动机构减速，能使载物台极缓慢地升降，以便获得清晰的图像。

2．载物台

用于放置金相试样，载物台的下面和托盘之间有导架，移动结构仍然采用粘性油膜联结，在手的推动下可引导载物台在水平面上作一定范围的定向移动，以改变试样的观察部位。

3．孔径光阑和视场光阑

通过这两个孔径可变的光阑的调节可以提高最后映像的质量。孔径光阑在照明后镜座上面，调整孔径光阑能够控制入射光线的粗细，以保证映像达到清晰的程度，视场光阑则设在物镜支架下面，其作用是控制视场范围，使目镜中所见到的视场被照亮而无阴影，在刻有直纹的套圈上还有两个螺钉用来调整光阑中心。