机械工程材料综合性开放性设计性实验

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,*,*,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,9/21/2024,一 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。,9/21/2024,二 实验条件,1）,连杆螺栓（图1）：3038HRC（263322HBS）；,2）,滚动轴承套圈,：,6165HRC；,3）,手工锯条：6062HRC；,4）,手工丝锥（图2）： 齿部6062HRC、柄部3045HRC；,5）,机用板牙（图3）： 5963HRC；,6）,汽车半轴（图4）： 杆部3744HRC，盘部外圆2434HRC；,7）,机床变速箱齿轮（m=4，图5）：齿部4558HRC，其余部位3042HRC；,8）,活塞销（图6）,：,表面硬度59-62HRC，心部硬度2430HRC；,9）,20mm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：,9/21/2024,二 实验条件,（二）、实验材料及仪器设备,实验材料：,45钢、,T10A,钢、20,Cr、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。,9/21/2024,三 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。,9/21/2024,三 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）。,9/21/2024,三 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。,9/21/2024,四 实验报告要求,详见电子实验报告,9/21/2024,五 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。,9/21/2024,五 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。,9/21/2024,五 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,9/21/2024,（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）,。,9/21/2024,（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,Ac,1,或,Ac,3,以上一定温度（如亚共析钢,T,H,=Ac,3,+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）,。,9/21/2024,（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：,T,H,=Ac,3,+3050，,若,T,H,Ac,3,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：,T,H,=Ac,1,+3050,，,淬火后得到细小,M,与粒状,Fe,3,C,。,具有高的强度、硬度和耐磨性。,若,T,H,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,。,9/21/2024,（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：,H,=K,D,（,min,）,，,式中,K-,装炉修正系数（,1,2,）；,-,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,9/21/2024,（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2060油中冷却36,min/10mm，,在80150油中冷却1015,min/mm,经验来估算。若在水中冷却，则按1秒/23,mm,估算。,9/21/2024,（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,T,h,200+K（60-X），,式中,K,系数，当回火硬度值30,HRC,时，,K,取11；当回火硬度值30,HRC,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1015。,9/21/2024,（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：,H,=K,H,+A,H,D,，,式中,H,回火时间（,min,），,A,H,回火时间系数（,min/mm,）,K,H,回火时间基数（,min,），,D,工件有效厚度（,mm,）。,不同条件下的,K,H,和,A,H,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。,9/21/2024,（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。,9/21/2024,(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.,34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12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35天内全部完成整个实验工作。,五、实验内容简述,9/21/2024,六 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,：,9/21/2024,六 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/,D,（,D-,）,（,Kgf/mm,2,）,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。,9/21/2024,2. 布 氏 硬 度 计 结 构 示 意 图,9/21/2024,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,9/21/2024,布氏硬度压痕测量,9/21/2024,1.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P,0,后,压入试样深度h,0,的位置；,2-2为,加主载P,1,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h,1,，则,压头受主载荷,而压入试样深度为h,1,-h,0,。,h,1,-h,0,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,9/21/2024,2. 洛,氏 硬 度 计 结 构 示 意 图,9/21/2024,3. 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,HRB,1.588,mm,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。,9/21/2024,2,）,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）,。,9/21/2024,七 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1520,1020mm,轴上对比取样,长裂纹处取样,淬火裂纹取样,9/21/2024,（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,9/21/2024,（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,9/21/2024,（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,9/21/2024,（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,9/21/2024,2.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,9/21/2024,3. 金相试样的磨制,（1）,粗磨在砂轮机上用砂轮磨制,正确,错误,9/21/2024,（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,9/21/2024,4.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,9/21/2024,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,9/21/2024,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:,9/21/2024,5. 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。,9/21/2024,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,9/21/2024,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,9/21/2024,八、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,9/21/2024,2. 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。,XJ-16B,型,4XB,型,金相显微镜结构示意图,9/21/2024,XJ,-,16B型,台式光学金相,显微镜光路行程,分析,平面反射镜,光 源,视场光圈,平面玻璃镜,（垂直照明器）,物 镜,试 样,目镜镜筒,棱镜组件,孔径光圈,目 镜,眼 睛,聚光镜,9/21/2024,(二)使用金相显微镜应注意的事项,1.,初次使用显微镜者，应先了解显微镜的基本原理、构造及各部件的作用和位置等。,2.,不能用手和其他物品触摸物镜和目镜，以免在镜头上留下划痕及赃物。若镜头上有灰尘、油脂、污物，要用擦镜头纸去擦。,3.,作观察用的金相样品要干净，不得残留有酒精、水、浸蚀剂等污物，以免腐蚀物镜。,4.,调焦应先粗调后微调。即先转动粗调手轮使试样靠近物（但不能接触），然后一面从目镜中观察，一面用手缓慢转动粗调手轮（调焦）使载物台慢慢下降，当视场由暗变亮至出现模糊不清晰的图象时，停止粗调手轮改用微调手轮，直到看到清晰的图象为止。,5.,观察过程中，不能随意搬动,、,移动显微镜。操作要细心，不得有粗暴和剧烈的动作。更换物镜及其他附件时要小心,。,6.,显微镜出现故障要立即报告老师，不得私自处理。使用完毕，关断电源，经老师检查无误后，将防尘罩套好防可离开实验室。,9/21/2024,结 束,9/21/2024,