机械工程材料实验指导书
2005 年7 月
实验须知
1. 实验不得无故缺席，否则取消期未考试资格；
2. 实验前认真做好预习，明确实验目的和原理，了解实验内容和步骤，
以及注意事项；
3. 实验过程中必须服从指导教师的指导，严格遵守安全及设备操作规
章制度；
4. 损坏设备、仪器根据情节轻重按学校规定进行全部或部分赔偿；
5. 在实验过程中认真记录好实验数据，实验完毕后，实验数据及结果
经指导教师认可并签字后方能离开实验室；
6.，实验报告格式在本指导书后；交实验报告时同时还必须附上指导教
师签字的实验数据及结果。
目录
实验
实验一金属材料的硬度和冲击韧性测定┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅（ 3）实验二铁碳合金组织观察
第一实验部分铁碳合金平衡显微镜组织观察┅┅┅┅┅┅（ 5）第二实验部分铁碳合金非平衡显微镜组织观察┅┅┅┅┅（ 7）实验三铸铁金相组织观察┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅（ 9）实验四有色金相组织观察┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅（10）实验五常规热处理┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅（11）实验六综合实验┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅（12）附录
附录一┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅（14）附录二┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅（20）附录三┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅（24）实验报告
实验报告一┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅（28）实验报告二
第一实验部分报告┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅（30）第二实验部分报告┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅（32）实验报告三┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅（34）实验报告四┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅（35）实验报告五┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅（36）综合实验报告┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅（37）
实验一 金属材料的硬度和冲击韧性测定
一、实验目的
1. 了解材料硬度测定原理及方法；
2. 了解布氏和洛氏硬度的测量范围及其测量步骤和方法；
3. 了解显微硬度的测量范围及方法；
4. 了解冲击韧性设备的测定原理、方法；
5. 了解脆性、韧性材料冲击后的断口及冲击值的区别。 二、预习内容
1. 硬度试验的物理意义和工程意义；
2. 布氏硬度和洛氏硬度的原理，适用范围；
3. 冲击试验的原理，冲击韧性的物理意义和工程意义。
三、实验内容和安排（由学生在网上做认识实验，操作实验在综合实验
中做）
1. 测定HRC 和HB
（1） 两块钢样品其中一块经淬火处理（测量HRC ），一块经退火
处理（测量HB ）；
（2）测HRC 所用压头为120?金刚石圆锥，压力为150kg （其中预
加压力)100kg P =
（3）用淬火后的样品在洛氏硬度计测三个点的硬度数据，然后将
三个数据求平均值，得出该材料淬火后的HRC 。
（4）测HB 所用压头为mm D 5.2=淬火钢球，压力k P 5.187=g （其
中预加压力)100kg P =；
（5）用退火后的样品在布氏硬度计上测2个压痕，每个压痕在垂
直的两个方向各测一个直径数值，求该数值的平均查表可得出HB （用内插外推法查表），再将两个压痕的硬度数值求平均值得出该材料退火后的材料的HB 。（要求每组同学测二个压痕直径值）。 （6）硬度计的操作见附录一。
2. 测定a k值
（1）观察横梁式弯曲冲击试验方法测定钢试样的
a值；
k
（2）所用材料为T10高碳钢和A3低碳钢；每种材料试样各1块，所开缺口为U型，断口截面积为10 8mm；
（3）记录各次冲击试样所消耗的冲击功
A值，然后公式求出k a值，
K
再算术平均求出各材料的
a值；
k
（4）比较韧、脆性两种材料断口及冲击值的差异。
四、讨论内容
1.测量硬度前为什么要进行打磨？
2. HRC、HB和HV的试验原理有何异同？
3．HRC、HB和HV各有什么优缺点？各自适用范围是什么？举例说明HRC、HB和HV适用于哪些材料及工艺？
4. 试分析硬度试验中产生误差的原因？
5. 为什么
a值表现出很大的分散性？影响k a值的因素有哪些？
k
6. 韧、脆性材料断口有何区别？韧、脆性材料哪个
a值高？
k
（请将解答做在指导书后面的相应实验报告中）
实验二铁碳合金组织观察
第一实验部分铁碳合金平衡组织显微镜观察
一、实验目的
1.了解金相样品的制备及腐蚀过程；
2. 了解金相显微镜的构造、成像原理，学习金相显微镜的使用方法；
3. 了解铁碳合金在平衡状态下高温到室温的组织转变过程；
4. 分析铁碳合金平衡状态室温下的组织形貌；
5．加深对铁碳合金的成分、组织和性能之间关系的理解。
6．画出常用铁碳合金的组织形貌。
二、预习内容
1. 金相试样的制备过程（见附录二）。
2. 金相显微镜的成像原理（见附录三）。
3. 工业纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢、亚共晶白口铸铁、共晶
白口铸铁和过共晶白口铸铁的平衡结晶过程。
4. 铁素体、珠光体、渗碳体、莱氏体组织的相组成、组织特征、性能
特点以及成分范围。
三、实验内容
1. 了解金相样品的制备过程（阅附录二）。
2. 了解金相显微镜结构，学习使用方法（阅附录三，了解金相显微镜
结构，具体使用在综合实验中进行）。
3. 观察表1中样品的显微组织（在网上实验室中观察）。
四、实验要求：
1. 携带铅笔（2B、1H各一支）和橡皮擦等在网上实验室中做实验。
2. 用铅笔画表1中1、4、5和2（或3）共四个样品的显微组织；每
一种样品都各画在一个 30mm的圆内，并用箭头标出图中各相组织（用符号表示），在圆的下方标注材料名称，热处理状态，放大倍数和浸蚀剂等。
3. 估计20钢、45钢中P和F的相对量（即估计所观察视场中P和F
各自所占的面积百分比），并应用Fe-Fe3C相图从理论上计算这两种材料的P和F组织相对量，与实验估计值进行比较。
五、讨论内容
1. 杠杆原理的理论和实验意义是什么？
2. Fe-C合金平衡组织中，渗碳体可能有几种存在方式和组织形态？试
分析它对性能有什么影响？
3. 铁碳合金的C%与平衡组织中的P和F组织组成物的相对数量的关
系是什么？
4. 珠光体P组织在低倍观察和高倍观察时有何不同？为什么？
（请将讨论内容和金相组织画到指导书后面的相应实验报告中）
第二实验部分铁碳合金非平衡显微镜组织观察
一、实验目的
1.掌握碳钢热处理工艺及操作方法；
2.掌握铁碳合金非平衡的组织形态特征；
2. 加深热处理工艺对钢组织和性能影响的理解。
二、实验原理（由学生预习时准备）
1. 过冷奥氏体等温转变产物组织特征和性能特点。
2. CCT图和TTT图的应用。
3. 钢淬火回火时的组织转变、组织特征和性能特点。
三、实验内容
观察表2中样品的显微组织。
四、实验要求
1. 携带铅笔和橡皮擦等在网上实验室观察表2中各种组织；
2. 用铅笔画表2中各种样品显微组织。每一种样品都各画在φ30mm
的圆内。并用箭头标出图中各组织（用符号表示）在圆的下方标注材料名称、热处理工艺、放大倍数和浸蚀剂等。
五、讨论内容
1. 碳钢的平衡组织和非平衡组织各有哪些？
2. CCT图和Fe-Fe3C相图的应用各有什么限制条件？
3. 实际生产中T12钢在900℃水淬200℃回火是否符合要求？为什
么？
4. 45钢淬火后硬度HRC35—40，其组织是什么？造成硬度偏低的原
因有哪些？
5. 表2中2、3两种样品组织在形态和性能上有什么差异？
6. 含C量为1.1%的工具钢加热至880℃淬火后发现硬度不足，脆性
很大，试分析原因，并提出改进措施。
（请将讨论内容和金相组织画到指导书后面的相应实验报告中）
实验三铸铁金相组织观察
一、实验目的
1.从组成物和形态上区别白口铸铁与灰口铸铁；
2. 掌握灰口铸铁、可锻铸铁及球墨铸铁中石墨形态的特征；
3. 掌握铸铁的三种不同基体；
二、实验原理（由学生预习时准备）
1. 石黑化进行的不同程度对铸铁显微组织的影响。
2. 石墨的形态差异对铸铁性能的影响。
3. 可锻铸铁和球墨铸铁的形成机理。
三、实验内容
观察表3中所列金相样品的显微组织。
四、实验要求
1. 携带铅笔和橡皮擦等进行网上实验室上做实验；
2. 用铅笔画出表3中的1、4、5种显微组织；每一样品都各画在一个
φ30mm的圆内。并用箭头标出图中各显微组织，在圆下方标注材料名称、工艺状态、放大倍数和浸蚀剂等。
五、讨论内容
1. 从化学成分、组织、性能说明铸铁与钢的区别。
2. 不同基体的灰口铸铁性能有哪些差别？
3．三种铸铁的使用范围是什么？
（请将讨论内容和金相组织画到指导书后面的相应实验报告中）
实验四有色金属显微组织观察
一、实验目的
1．了解Al-Si合金变质与未变质的组织形态；
2．了解α-黄铜的显微组织；
3．了解不锈钢的显微组织；
4．了解轴承合金的显微组织。
二、实验原理（由学生预习时准备）
铸造Al-Si合金的变质处理原理。
三、实验内容
观察表4中所列金相样品的显微组织。
四、实验要求
1.携带铅笔和橡皮擦等进行网上实验室上做实验；
2. 画出表4中各种试样的显微组织；每一样品都各画在一个φ30mm
的圆内。并用箭头标出图中各组织，在圆下方标注材料名称、工艺状态、放大倍数和浸蚀剂等。
五、讨论内容
1. 铸造Al-Si合金变质前后组织和性能有什么差异？
2. 有哪两种黄铜？它们各有什么特点和应用？
（请将讨论内容和金相组织画到指导书后面的相应实验报告中）
实验五常规热处理
一实验目的
1了解常规热处理的操作方式；
2掌握常规热处理（退火、正火、淬火、回火）的工艺及热处理后的组织与性能；
3加深认识热处理工艺对钢组织与性能的影响。
二实验内容
1掌握热处理的工艺操作；
2掌握热处理的工艺曲线；
3各种热处理工艺处理后的组织；
4观察各种热处理工艺处理后的组织形貌；
三实验要求
1认识各热处理方式（退火、正火、淬火、回火）的工艺操作；
2画出各热处理方式处理后的所获得的组织与形貌，具体要求同实验三。
四讨论内容
比较各热处理（退火、正火、淬火、回火）工艺的定义、目的、组织转变过程、性能变化、用途和适用的钢种、零件的范围；
（请将讨论内容和金相组织画到指导书后面的相应实验报告中）
实验六综合实验
一实验目的
1、了解热处理设备及几种温度控制方式；
2、掌握热处理淬火、回火工艺的操作方法；
3、加深钢经不同的热处理工艺处理后，获得不同的金相组织及硬度的
理解；
4、观察不同热处理后的组织形态，并说明各种金相组织对应的热处理
工艺。
二实验步骤
1、分组：3---4人/组；
2、据以下技术要求，制定材料的热处理工艺（在实验前预习时完成，
包括加热温度、保温时间、冷却介质等）：
①45#钢：淬火后HRC为55-58，淬火+高温回火后HB为250-320；
②65Si2Mn：淬火后HRC为58-62，淬火+中温回火后HRC为42-45；
③T8：淬火后HRC为57-62，淬火+回火后HRC为58-62。
3、参观热处理设备及温度控制方式、冷却介质。
4、利用制定的工艺进行热处理工艺操作（加热、保温—冷却——硬度
测定——回火——硬度测定）
5、测定钢进行相应的热处理工序后的实际硬度（包括淬火后HRC和淬火
+回火后的HRC或HB），填入表5中。
6、金相组织分析
①高碳淬火马氏体+残余奥氏体（T8淬火金相组织）。
②淬火马氏体+网状屈氏体+少量残余奥氏体（45钢油冷后的金相
组织）。
③低碳马氏体（20钢淬火后的金相组织）。
④淬火+高温回火获得的：回火索氏体（45钢淬火+高温回火（调质）
金相）。
7、数据整理交实验老师签名并交第一部分报告（占10分）。
三实验报告内容
1、实验目的；
2、简述你了解的处理设备名称及用途。
3、讨论热处理工艺与硬度的关系。
4、画出金相组织分析的金相组织图，并指出你的热处理工艺对应那种
类似组织。
5、结合热处理工艺，讨论材料成分、结构与性能的关系。
（请将讨论内容和金相组织画到指导书后面的相应实验报告中）
附录一HD-187.5型硬度计的使用方法硬度计由机身、主轴杠杆机构、加荷机构、光学测量指示机构、负荷变换机构及试验台升降机构等部分组成，如图1所示。
可以进行187.5、150、100、62.5、60、31.25、30公斤等7个级别的负荷试验。
在投影屏上可以直接读出试样的洛氏硬度值，而布、维氏试验，试样上的压痕需在读数显微镜下测量，然后再计算或查表求出硬度值。一试验前的准备工作
1.试亲的准备
（1）试样表面应精细制备，使其光滑，不得带有油脂、氧化皮、漆层、裂纹、显著加工痕迹、凹坑和其它污物；
（2）试样表面通常为平面，对于曲面试样，其曲率半径不应小于15mm。
2. 工作台的选择及安装
3. 总负荷的预选：
（1）HRC按表6进行预选
（2）HB按表7进行预选
二、试验程序（见图2）
1. 打开机身右侧下方的光源开关，使投影屏上能看到清晰的影象。
2. 将试样放在工作台5上，转动手轮3使试样的测试面与压头接触，
继续缓慢转动手轮，使试样继续升高，此时投影屏上的基线（横
线）与左边刻度“100”接近重合（上下偏移不大于5格）。
3. 旋转投影屏下的调整旋钮10，使分析板上的刻度100与投影横
线重合，此时预负荷100kg业已施加在试样上（见图2之II）
4. 拉动手柄2，使其离开死点位置，则主负荷缓慢施加于试样上，
投影屏上的刻线慢回行而停止在一定位置上，此时标尺所指示
的压痕深度，是在总负荷作用下试样的弹性变形也计算在内，
因此不能以此作为硬度的读数（见图2之III）。
5. 将手柄2推向后方，使主负荷卸除，此时试样受10kg的初载荷，
压痕的弹性已恢复。此时投影屏上横线对准标尺的数字，即为
洛氏硬度值（见图2之IV）。如果用金刚石圆锥压头，施加60、
150kg负荷，则在投影屏的左边读出HRA或HRC。如果用直径
1.588mm的钢球压头，施加100kg负荷，则在投影屏的右边读
出HRB。
6. 降下工作台取出试样。
7. 测量布（维）氏硬度时，操作方法同上，但不在投影屏上读数。
取下试样后在读数显微镜下测量压痕尺寸。
三、注意事项
1. 试验时必须保证所施加作用力与试样表面垂直。
2. 试验过程中加载应平稳均匀，不得受任何冲击或振动。
3. 两压痕间距不能太小，至少大于3倍压痕直径以上。
4. 每个试样试验次数不宜少于3次。
5. 在施加负荷时，工作台仅允许向上移动，直至初负荷施加好为止，
不准中途退回再向上移动。
6. 降下工作台时应注意转动手轮的旋转方向。
7. 测量布（维）氏硬度时，操作方法同上，但不在投影屏上读数。
取下试样后在读数显微镜下测量压痕尺寸。
附：黑色金属硬度及强度换算表
图1 HD-187.5型硬度计结构图
图2 硬度计操作原理图