材料綜合實(shí)驗(yàn)

金屬材料綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康木C合實(shí)驗(yàn)是提高性試驗(yàn)。運(yùn)用已學(xué)過(guò)的材料熱處理知識(shí)，根據(jù)不同專業(yè)，對(duì)不同的材料的牌號(hào)、性能以及使用要求，查閱有關(guān)資料，設(shè)計(jì)并制定出相應(yīng)的熱處理工藝。并將自己的設(shè)計(jì)方案通過(guò)實(shí)際操作及檢驗(yàn)，找出規(guī)律，總結(jié)寫(xiě)出較具體的實(shí)驗(yàn)報(bào)告,重點(diǎn)在于加深對(duì)理論知識(shí)的鞏固、實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)能力和動(dòng)手能力及團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)。二、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及必備技能1、 設(shè)備及材料:布氏硬度機(jī)、洛氏硬度機(jī)，拋光機(jī),拋光磨料，金相顯微鏡，。箱式電爐，顯微硬度機(jī)、砂輪機(jī)，電腦，金相鑲嵌機(jī)，金相砂紙，酒精，腐蝕劑，淬火冷卻介質(zhì)等。2、 必備技能:要求熟練掌握布氏、洛氏硬度及顯微硬度法的操作、金相試樣的制備、顯微鏡的使用。3、 多媒體系統(tǒng)的應(yīng)用三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求1、內(nèi)容:模具專業(yè):模具材料(Gr12,CrWMn,18-4-1等)機(jī)制專業(yè)：軸，齒輪，彈簧等材料(45,40Cr,60Si2Mn等)汽車專業(yè):汽車用鋼(汽車發(fā)動(dòng)機(jī),底盤(pán)等)對(duì)于不同的專業(yè),選擇不同的材料,全日制開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,讓學(xué)生分組進(jìn)行熱處理工藝的設(shè)計(jì)、制定及專業(yè)方案的實(shí)際操作，并進(jìn)行不同材料的分析比較所得的數(shù)據(jù)及結(jié)果。2、要求：每個(gè)小組同學(xué)事先必須進(jìn)行對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行初步制定。實(shí)驗(yàn)進(jìn)程安排1：布置任務(wù)，給出材料，說(shuō)明目的要求，學(xué)生可根據(jù)不同的材料及用途，查閱有關(guān)參考資料，完善所制定實(shí)驗(yàn)方案2：根據(jù)所設(shè)計(jì)的方案，實(shí)施具體操作，其中，若硬度測(cè)定，磨片不會(huì)或不熟練者需補(bǔ)上這一環(huán)節(jié)3：根據(jù)分析處理，若與理論不符，需找出原因重新設(shè)計(jì)熱處理方案及操作。若正常，則進(jìn)行金相組織分析（磨法），畫(huà)出示意圖，并在圖中指出不同的組織，分析數(shù)據(jù)誤差原因。4：將制備好的試樣放入顯微鏡觀察，若符合要求，輸入電腦，利用圖象分析軟件進(jìn)行分析儲(chǔ)存。并根據(jù)所有數(shù)據(jù)、金相組織分析，寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。五、 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1、實(shí)驗(yàn)前須認(rèn)真寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告。2、同學(xué)之間團(tuán)結(jié)互助，實(shí)驗(yàn)中遇到各種問(wèn)題可以互相討論、研究但不能代別人做。愛(ài)護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，按規(guī)定正確使用儀器設(shè)備，有問(wèn)題及時(shí)報(bào)告3、試樣丟失或試樣交換，本實(shí)驗(yàn)記零分。4、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)該測(cè)量的數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)條件，全部如實(shí)記錄，如冷卻劑的種類成分、溫度、熱處理中間工序等。5、帶好預(yù)習(xí)報(bào)告及報(bào)告紙、筆、尺及計(jì)算機(jī)和必要的參考書(shū)等。六、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、 對(duì)你組制定的熱處理工藝、方案、操作過(guò)程和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)。（1）實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，有何異?，F(xiàn)象。（2）若實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)要求不符，你們是如何解決的？2、將有關(guān)數(shù)據(jù)填入相應(yīng)的表格中。并根據(jù)自己的需要，添加其他有關(guān)的說(shuō)明（備注）。七、 實(shí)驗(yàn)參考資料1、 機(jī)械工業(yè)出版社《模具材料與使用壽命》2、 機(jī)械工程材料實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告3、 中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)出版社《模具制造工》（中、高級(jí)）4、 化學(xué)工業(yè)出版社《鍛造模具簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)》5、 機(jī)械工業(yè)出版社《模具材料應(yīng)用手冊(cè)》6、 《塑料模具設(shè)計(jì)參考資料》7、 《塑料模具典型結(jié)構(gòu)圖冊(cè)》清華大學(xué)8、 機(jī)械工業(yè)出版社《機(jī)械工程材料》9、 《金屬材料成型與模具》10、 《鋼鐵材料手冊(cè)》11、國(guó)家機(jī)械工業(yè)委員會(huì)統(tǒng)編，《失效分析》，機(jī)械工業(yè)出版社，12《鋼鐵材料金相圖譜》，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，13、 《熱處理手冊(cè)》，機(jī)械工業(yè)出版社，14、 《金相分析》，國(guó)防工業(yè)出版社，15、 史美堂主編，金屬材料及熱處理，上海科學(xué)技術(shù)出版社，16、 柴惠芬，《工程材料的性能、設(shè)計(jì)與選材》，機(jī)械工業(yè)出版社17、 鄭明新，《工程材料》（第二、三版），清華大學(xué)出版社，18、 王運(yùn)炎，《工程材料及熱處理》，機(jī)械工業(yè)出版社19、 其他（課本及網(wǎng)上有關(guān)資料）綜合實(shí)驗(yàn)（一）

金屬材料的選用及其熱處理

前后的組織分析實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 了解熱處理設(shè)備及溫度控制方式；2、 掌握熱處理操作過(guò)程及鋼的熱處理工藝；3、 加深對(duì)不同的熱處理工藝將獲得不同的金相組織及硬度的理解；4、 觀察不同熱處理后的組織形態(tài)，并說(shuō)明各種金相組織對(duì)應(yīng)的熱處理工藝。5、國(guó)內(nèi)外常用模具材料的牌號(hào)及其表示方法，6、常規(guī)熱處理方法的選擇及應(yīng)用范圍,制定熱處理工藝并實(shí)施,7、對(duì)照處理前后的顯微組織及晶粒度.實(shí)驗(yàn)步驟1、根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，寫(xiě)出預(yù)習(xí)報(bào)告，合格后方可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。2、 參觀熱處理設(shè)備及溫度控制方式、冷卻介質(zhì)。3、 選定材料的熱處理工藝，并進(jìn)行熱處理工藝操作（加熱、保溫—冷卻——硬度測(cè)定——回火——硬度測(cè)定）。4、 測(cè)定鋼淬火后及回火后的硬度。（HRC、HBS、HV的選擇）5、 圖像分析。6、數(shù)據(jù)整理交實(shí)驗(yàn)老師簽名。實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容1、查閱有關(guān)資料，詳細(xì)寫(xiě)出各材料的化學(xué)成分（元素）、熱處

理工藝及工藝圖、硬度（淬火、回火、退火、正火）、鍛造工藝、

用途、類別（冷模、熱模、塑料模等）和使用性能及使用要求。2、簡(jiǎn)述你所用到的設(shè)備名稱及用途；、3制訂所在小組材料的熱處理工藝及淬火（前后）和回火后硬度（HB、HRC、HV）;（已知材料）4、 通過(guò)磨片試驗(yàn)和多媒體分析軟件，對(duì)材料（未知材料）的金相組織進(jìn)行分析，并指出該材料的處理工藝和對(duì)應(yīng)組織、用途、性能、化學(xué)成分、應(yīng)達(dá)到的強(qiáng)度、韌度、塑性、硬度等技術(shù)指標(biāo)。5、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：表一未知材料分析：材料名稱牌號(hào)含碳量化學(xué)成分試樣制備過(guò)程處理方法用途組織說(shuō)明放大倍數(shù)晶粒度力學(xué)性能（強(qiáng)度、韌度、塑性、硬度）金相組織照片其他

表二已知材料的分析：材料丿牌號(hào)及名稱含碳量及合金兀素含量淬火前的組織圖及組織說(shuō)明淬火后組織圖及組織說(shuō)明淬火前的硬度（HB或換算HRB）淬火溫度淬火保溫時(shí)間的計(jì)算（公式）實(shí)際硬度（HRC或換算HV）淬火冷卻方式、淬火理論硬度（HRC或換算HV）口一火溫度回火保溫時(shí)間確定（公式）回火理論硬度（HRC或換算HV）回火實(shí)際硬度（HRC或換算HV）誤差分析用途力學(xué)性能熱處理工藝曲線討論與分析題：1、常用的淬火冷卻方法有哪些？說(shuō)明各自的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍？2、鋼中含碳量增加，或含合金元素量增加時(shí)，其熱處理工藝及性能有何變化？3、分析45#鋼正常淬火后應(yīng)獲得什么組織？出現(xiàn)網(wǎng)狀屈氏體T+M+A'的原因？4、熱處理冷卻時(shí)，攪拌速度會(huì)影響組織及性能？為什么？5、 你了解的平衡組織有哪些？非平衡組織有哪些？其性能有何差異？用那種熱處理工藝可獲得該組織？6、 談?wù)勀阕隽司C合實(shí)驗(yàn)后有哪些收獲？

附表編號(hào)牌號(hào)備注1T82T103T124T1359SiCr6Cr1276CrW2Si8TC809TC10510TC12011100Cr21260WCrV213W1A-814L315SK516SK617SK318SK419SK220SUJ221y822yio23y12249XC25X266XB2C27C80W228C105W229C125W23090CrSi531100Cr63260WCrV7

33C80E2U34C105E2U35C120E3U36Y100C63755WC2038BW1B39BW1C40BL141BL342Cr1243Crl2MoV44Crl2MolVl459Mn2V46T7A47T8A48T10A49T12A50T13A51SK152SK253SK354SK455SK556SK657SK758STC159STC260STC361STC462STC563STC664STC765T7230166C70W267C80W268C105W2

69C110W270C125W271C13W272C70W173C80W174C105W175C110W176C125W177BW1B78BW1C79C90E2U80C120E3U81C70E2U82C80E2U83C105E2U84y785y886y987yio88yii89y1290y1391y7A92y8A93yioA94y12A95yi3A96177097177898188099188510018801011885102C70KU

103C80KU104C90KU105C100KU106C120KU107C140KU1088MnSi109Cr061109Cr2111W1124CrW2Si1135CrWSi1146CrW2Si1158Cr31164Cr3Mo3Si1174Cr5MoSiV1184Cr5W2Vsi119SKS8120SUJ2121SKS21122SKS41123SKD1124SKD11125SKD12126SKD31127SKS3128SKT4129SKD5130SKD6131SKD61132SKD4133SKD62134STS8135STD1136STD11137STD12

138STS31139STS3140STF4141STD5142STD6143STD61144STD4145STD62146L3147F1148S1149D3150D2151A2152L6153O1154H21155H10156H11157H13158P20159H12160T61203161T3040316290CrSi5163140Cr3164100Cr616590Cr3166120W4167X210Cr12168X165CrMoV12169X155CrMoV12-2170X165CrMoV12171X100CrMoV5-117290MnCrV8173105WCr6

174100MnCrW417555NiCrMoV6176X30WCrV9-3177X38CrMoV5-1178X40CrMoV5-1179X210CrW12180X30WCrV5-3181X37CrMoW5-1182BW1A183BL1184BL3185BF1186BS1187BD3188BA1189BD2190BA2191BO2192BO1193BH224/5194BH21195BH10196BH11197BP20198BH12199130Cr13200Y100C6201X200Cr12202X160CrMoV12203X100CrMoV520490MnV8205105WCr520690MnWCrV520755NiCrMoV7208X30WCrV9209X38CrMoV5

210X40CrMoV521135CrMo8212X32WCrV5213X35CrWMoV52149XC215X052169X1217B12184XB2C2196X132C220X1222120922222705223214022427302252234226231222755WCrV8KU228X205Cr12KU22990MnVCr8KU230107WCr5KU23195MnWCr5KU232X37CrMoV5-1KU233X30WCrV5-3KU

附表二幾種常用零件的工作條件、失效形式和主要機(jī)械性能零件工作條件常見(jiàn)的失效形式要求的主要機(jī)械性能應(yīng)力種類載荷性質(zhì)受載狀態(tài)緊固螺栓拉、剪應(yīng)力靜載—過(guò)量變形，斷裂強(qiáng)度，塑性傳動(dòng)軸彎、扭應(yīng)力循環(huán)、沖擊軸頸摩擦、振動(dòng)疲勞斷裂，過(guò)量變形，軸頸磨損綜合機(jī)械性能傳動(dòng)齒輪壓、彎應(yīng)力循環(huán)、沖擊摩擦、振動(dòng)齒折斷，磨損，疲勞斷裂，接觸疲勞（麻點(diǎn)）表面咼強(qiáng)度及疲勞極限，心部強(qiáng)度、韌性彈簧扭、彎應(yīng)力交變、沖擊振動(dòng)彈性失穩(wěn)，疲勞破壞彈性極限，屈強(qiáng)比，疲勞極限冷作模具復(fù)雜應(yīng)力交變、沖擊強(qiáng)烈摩擦磨損、脆斷硬度，足夠的強(qiáng)度，韌性附錄一在工業(yè)上凡是用于制造各種機(jī)械零件以及用于建筑工程結(jié)構(gòu)的鋼都稱為結(jié)構(gòu)鋼。在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上適當(dāng)加入一種或幾種合金元素所形成的結(jié)構(gòu)鋼稱為合金結(jié)構(gòu)鋼。由于合金元素的假如增大了鋼的淬透性，使零件在整個(gè)截面上容易得到均勻一致的良好的綜合機(jī)械性能，因此，合金結(jié)構(gòu)鋼具有高強(qiáng)度的同時(shí)還有足夠的韌性。調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)鋼一般指經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后使用的碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼。大多數(shù)調(diào)質(zhì)鋼屬于中碳鋼。調(diào)質(zhì)鋼具有高強(qiáng)度與良好的塑性韌性配合的綜合機(jī)械性能，常用于制造汽車、機(jī)床及其他機(jī)械上的重要零件，如柴油機(jī)連桿螺栓、汽車半軸以及機(jī)床主軸等。碳素調(diào)質(zhì)鋼的機(jī)械性能不高，只適用于尺寸較小，負(fù)荷較輕的零件。合金調(diào)質(zhì)鋼適用于尺寸較大、負(fù)荷較重的零件。調(diào)質(zhì)鋼的含碳量一般介于0.20%-0.60%之間。常用的碳素調(diào)質(zhì)鋼有40，45，50等牌號(hào)，合金調(diào)質(zhì)鋼有40Cr、30CrMnTi、42CrMo、37CrNi3等。圖2就是45鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)后獲得的均勻細(xì)小、保持馬氏體位相的回火索氏體組織。圖145鋼調(diào)質(zhì)后的顯微組織滲碳鋼滲碳處理是將碳元素滲入鋼的表面，使零件表面含碳量增高，隨后通過(guò)淬火使表層得到高的硬度（60HRC以上），心部為硬度較低而具有良好強(qiáng)韌性組織的一種熱處理工藝。滲碳用鋼常使用含碳量較低的低碳結(jié)構(gòu)鋼，含碳量在0.1-0.25%之間。為了提高鋼的淬透性，防止在滲碳溫度下奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，得到較高強(qiáng)度和韌性的組織，此類鋼中往往加入一定量的合金元素形成低碳合金結(jié)構(gòu)鋼。目前機(jī)械行業(yè)中常用的滲碳鋼有20、20Cr、20CrMo、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等，主要用于齒輪、凸輪軸，活塞銷等在復(fù)雜交變載荷下服役并承受沖擊和磨損的零件。20CrMnTi滲碳鋼經(jīng)920°C滲碳后，在降溫緩冷條件下，由表及里含碳濃度與組織的正常分布情況。最表層是過(guò)共析層，是灰黑色細(xì)珠光體基體上分布著二次滲碳體，并沿晶界呈極細(xì)網(wǎng)狀分布。逐漸向里含碳量下降，為細(xì)珠光體的共析組織。再向里層，則含碳量更少，基體為黑色細(xì)珠光體及白色鐵素體的混合組織，越向里，珠光體量越少，鐵素體量則增多。此為亞共析過(guò)度層。心部原始組織為鐵素體及珠光體，珠光體量越為25%。20CrMnTi滲碳鋼經(jīng)淬火及低溫回火處理后的組織，表層為針狀馬氏體、殘余奧氏體及少量的碳化物，心部主要是低碳馬氏體、奧氏體及少量鐵素體。因此，該滲碳鋼具有良好的耐磨性和抗彎強(qiáng)度，也具有較高的抗多次沖擊的能力。彈簧鋼彈簧鋼是專門用于制造彈簧類零件的鋼種，根據(jù)化學(xué)成分的不同，分為碳素彈簧鋼和合金彈簧鋼兩大類。碳素彈簧鋼的含碳量一般為0.60%-0.9%，價(jià)格便宜但淬透性差，當(dāng)截面超過(guò)12mm2時(shí)在油中不能淬透，因而強(qiáng)度不高。常用于制造尺寸較小的一般用途的彈簧。其鋼種有65、70、75和85等。合金彈簧鋼含碳量一般為0.45%-0.7%，加入的合金元素有錳、硅、釩、鉬、鎢等，它們能提高鋼的淬透性，有效的改善鋼的機(jī)械性能。常用的鋼種有65Mn、55Si2Mn、50CrVA、30W4Cr2VA等。50CrVA彈簧鋼淬火及中溫回火后的正常組織，為回火屈氏體和少量均勻分布的碳化物顆粒。軸承鋼用于制造滾動(dòng)軸承的鋼統(tǒng)稱為軸承鋼，主要用來(lái)制造滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體（滾珠、滾柱、滾針），內(nèi)外套圈等。滾動(dòng)軸承工作時(shí)，承受著周期性交變載荷，且滾動(dòng)體和套圈之間呈點(diǎn)或線接觸，應(yīng)力交變次數(shù)每分鐘達(dá)幾萬(wàn)次，接觸應(yīng)力高達(dá)1500-5000MN/m2。另外，在滾動(dòng)體和套圈接觸面之間，不僅存在滾動(dòng),而且有滑動(dòng)，因而產(chǎn)生滾動(dòng)和滑動(dòng)摩擦，軸承往往因摩擦造成過(guò)度磨損而喪失精度。因此，滾動(dòng)軸承鋼必須具有良好的抗接觸疲勞破壞能力、高