目录实验一金属材料硬度测试·实验二金相试样制备及金相显微镜的使用-8实验三碳素钢热处理（综合性实验）.·13实验四碳素钢热处理显微组织观察分析...22实验五合金钢及铸铁显微组织观察分析·*-26实验六刀具几何角度的与测量·32实验七切削因素对加工表面粗糙度的影响38实验八用分度头分度及铣削螺旋槽·-42实验九安装方法对零件加工精度的影响·47机械制造基础实验报告-54
目 录 实验一 金属材料硬度测试.1 实验二 金相试样制备及金相显微镜的使用.8 实验三 碳素钢热处理（综合性实验）.13 实验四 碳素钢热处理显微组织观察分析.22 实验五 合金钢及铸铁显微组织观察分析.26 实验六 刀具几何角度的与测量.32 实验七 切削因素对加工表面粗糙度的影响.38 实验八 用分度头分度及铣削螺旋槽.42 实验九 安装方法对零件加工精度的影响.47 机械制造基础实验报告.54
实验一金属材料硬度测试1实验目的（1）了解硬度实验的种类、特点及用途：（2）了解布氏硬度计和洛氏硬度计的结构、实验原理及应用范围：（3）学会布氏硬度计和洛氏硬度计的操作和应用。2 基本知识2.1硬度实验的特点及用途硬度实验由于设备简单，操作迅速方便，同时又能敏感地反映材料的化学成分及组织结构的差异，因而除了用来检测材料的当前硬度值以外，还被广泛用来检查热处理工艺质量或研究热处理相变过程。例如，不同含碳量的钢在萍火后，硬度值与马氏体量及其含碳量间有良好的对应关系：对于给定的率火钢，其硬度取决于回火温度及保温时间：合金的硬度值随冷作硬化程度的增大而上升，又随退火软化程度的增大而下降：时效合金在沉淀强化过程中的硬度值呈规律性变化，等等。由于仅在金属表面产生很小的压痕，因而大多数零件都可以直接进行产品硬度检验而无须特别加工试件。此外，硬度实验易于检查金属表面层的情况，例如脱碳与增碳，表面率火以及化学处理后的表面硬度与强化层深度等等。根据大量的实验数据，金属的硬度与强度之间可以找出粗略换算的经验公式，从而可以通过硬度测试初步估计材料的强度水平。另外，硬度与冷成型性、切削性、可焊性等工艺性能之间也存在着某些联系，可作为选择加工工艺时的参考。2.2硬度实验的原理、硬度计的结构及操作方法硬度实验的方法很多，使用最广泛的是压人法。压人法就是把一个很硬的压头（压陷器）以一定的压力压人试样的表面，便试样产生）i&，然后根据压痕的大小确定硬度值。压痕越大，材料越软：压痕越小，材料越硬。根据压头的几何形状、尺寸等条件，常用的压人法可分为布氏法、洛氏法和维氏法三种。2.2.1布氏硬度2.2.1.1原理将直径为D的淬火钢球或硬质合金球，在一定的图1-1布氏理皮实验原理图载荷P的作用下，压向被测金属表面（图1一1），保持一1定时间，然后卸除载荷。根据钢球在金属表面所压出的压痕面积F。求出平均应力值，以此作为硬度值的计量指标，并用符号HB表示。PHB=(1—1)F式中HB一一布氏硬度值：1
1 实验一 金属材料硬度测试 1 实验目的 （1）了解硬度实验的种类、特点及用途； （2）了解布氏硬度计和洛氏硬度计的结构、实验原理及应用范围； （3）学会布氏硬度计和洛氏硬度计的操作和应用。 2 基本知识 2.1 硬度实验的特点及用途 硬度实验由于设备简单，操作迅速方便，同时又能敏感地反映材料的化学成分及组织 结构的差异，因而除了用来检测材料的当前硬度值以外，还被广泛用来检查热处理工艺质 量或研究热处理相变过程。例如，不同含碳量的钢在淬火后，硬度值与马氏体量及其含碳 量间有良好的对应关系；对于给定的淬火钢，其硬度取决于回火温度及保温时间；合金的 硬度值随冷作硬化程度的增大而上升，又随退火软化程度的增大而下降；时效合金在沉淀 强化过程中的硬度值呈规律性变化，等等。由于仅在金属表面产生很小的压痕，因而大多 数零件都可以直接进行产品硬度检验而无须特别加工试件。此外，硬度实验易于检查金属 表面层的情况，例如脱碳与增碳，表面淬火以及化学处理后的表面硬度与强化层深度等等。 根据大量的实验数据，金属的硬度与强度之间可以找出粗略换算的经验公式，从而可 以通过硬度测试初步估计材料的强度水平。另外，硬度与冷成型性、切削性、可焊性等工 艺性能之间也存在着某些联系，可作为选择加工工艺时的参考。 2.2 硬度实验的原理、硬度计的结构及操作方法 硬度实验的方法很多，使用最广泛的是压人法。压人法就是把一个很硬的压头（压陷 器）以一定的压力压人试样的表面，便试样产生）i＆，然后 根据压痕的大小确定硬度值。压痕越大，材料越软；压痕越小， 材料越硬。根据压头的几何形状、尺寸等条件，常用的压人法 可分为布氏法、洛氏法和维氏法三种。 2.2.1 布氏硬度 2.2.1.1 原理 将直径为 D 的淬火钢球或硬质合金球，在一定的 载荷 P 的作用下，压向被测金属表面（图 1－1），保持一 定时间，然后卸除载荷。根据钢球在金属表面所压出的 压痕面积 F。求出平均应力值，以此作为硬度值的计量 指标，并用符号 HB 表示。 HB= 凹 F P (1—1) 式中 HB——布氏硬度值；
P—一载荷（kgf);F一一压痕面积（mm）。请读者注意，按国际单位制的规定，载荷的单位应为N（牛）。但考虑到工程上的实用性，本书中载荷单位仍延用kgf（千克力）(1-2)由几何学知压痕面积F=元Dh式中D一钢球直径（mm）：h一压痕深度（mm）。由于测量压痕直径d比测量压痕深度容易，因此将式（1一2）中的h用d表示。由图1一5可知：D-h=1)-(因为-11-(D2-D-d)所以(mm)(1-3)h=2将式（1-3）和式（1-2）带人式（1-1)，得PP2PHB=(1—4)FmπDh2-dJ D(D- 1D在实际工作中，只需测出压痕直径d，根据已知D和P值即可直接查表得出HB值。由于金属材料有软有硬，所测工件有厚有薄，因此必须根据具体情况采用不同的载荷P和由图1-2可知：钢球直径D。dDsm_D即d=Dsin(1—5)sin22122把上式代入式（1一4），得P2HB=(kg/mm2)(1—6)D22Φ元1li-sn2式（1一6)说明，当Φ为常数时，为使HB值相同，P/D也应保持为一定值，因此对同一材料，不论采用何种大小的钢球，只要能满足P/D=常数，所得HB值是一样的：对于不同材料，所得HB值也可进行比较。布氏硬度实验规定了三个要素：（1）钢球直径：根据试样厚度选择：（2）载荷：根据钢球大小和被测材料种类选择：（3）加载持续时间：根据被测金属种类选择。按照国标GB231一63规定，三要素的选择及适用范围如表1一1所示。2
2 P——载荷（kgf）； F 凹——压痕面积（mm 2）。 请读者注意，按国际单位制的规定，载荷的单位应为 N（牛）。但考虑到工程上的实用 性，本书中载荷单位仍延用 kgf（千克力） 由几何学知压痕面积 F 凹=πDh （1－2） 式中 D—钢球直径（mm）； h—压痕深度（mm）。 由于测量压痕直径 d 比测量压痕深度容易，因此将式（l－2）中的 h 用 d 表示。由图 1－5 可知： 因为 2 2 ) 2 ) ( 2 ( 2 1 D d D − h = − 所以 h= ( 2 ) 2 1 2 2 D − D − d (mm) (1-3) 将式（1－3）和式（1－2）带人式（1－1），得 HB= 凹 F P = ( ) 2 2 2 D D D d P Dh P − − = π π (1—4) 在实际工作中，只需测出压痕直径 d，根据已知 D 和 P 值即可直接查表得出 HB 值。 由于金属材料有软有硬，所测工件有厚有薄，因此必须根据具体情况采用不同的载荷 P 和 钢球直径 D。 由图 1－2 可知： 2 sin 2 2 sin 2 Φ 即 Φ d D D D = = (1—5) 把上式代入式（l－4），得 HB= ] 2 1 1 sin 2 [ 2 2 ） Φ π（ − − D P (kg/mm2 ) (1—6) 式(1—6)说明，当Φ为常数时，为使 HB 值相同，P/D 2 也应保持为一定值，因此对同 一材料，不论采用何种大小的钢球，只要能满足 P/D 2 =常数，所得 HB 值是一样的；对于不 同材料，所得 HB 值也可进行比较。 布氏硬度实验规定了三个要素： （1）钢球直径：根据试样厚度选择； （2）载荷：根据钢球大小和被测材料种类选择； （3）加载持续时间：根据被测金属种类选择。 按照国标 GB231—63 规定，三要素的选择及适用范围如表 1－1 所示
表1-1布氏硬度试验规范金属布氏硬度值负荷P与钢球直式样厚度/mm钢球直径D/mm负荷P/kg负荷保持时间/s种类范图（HB)径D的相互关系6~310.03000群10140~4504~2P=30D25.0750色<22. 5187.5金>610.01000属<140P=10D?106~35. 02506~310.03000>130P=30Dz304~25.0750有<22. 5187.5色金9~310.01000P=10D:3036~130属6~35. 0250>610.0250608~35P=2.5D22.2.1.2布氏硬度测定的技术要求（1）试样表面必须平整光滑，以使压痕边缘清晰，保证精确测量压痕直径D。（2）压痕离试样边缘应大于钢直径D。两压痕之间距离不小于D。（3）用读数显微镜测量压痕直径d时，应从相互垂直的两个方向上进行，取其平均值。（4）用淬火钢球做压头测得的硬度值以符号HBS表示：用硬质合金球作压头测得的硬度值以符号HBW表示。为了表示实验条件，可在符号HBS或HBW后面标D/PT。如180HBS/10/3000/10，即表示硬度是在D一10mm的淬火钢球做压头，P—3000kgf，T-10s的条件下所测得的布氏硬度值为180。2.2.1.3布氏硬度计的构造与操作【布氏硬度计的构造】图1一2是HB一3000型布氏硬度计结构图。它由机体、工作台、减速器、杠杆机构、换向开关等部分组成。①机体与工作台。在铸铁机体14的前台面中装有套筒26、螺杆23，螺杆上装有工作台立柱22：可更换工作台ZI，旋转升降手轮24可使工作台上下移动。②压轴部分。压轴部分是由弹簧16、压轴17和主轴衬套18等零件组成。弹簧在非工作状态时将主轴衬套压靠在锥孔中，并使压轴紧靠在小杠杆中间的刀刃支承上，从而保持了压轴的精确位置。当试样与压头接触时，主轴衬套被顶起，这样确定压轴工作时的位置，保持了试样与压头中心对准。③减速器部分。减速器7通过曲柄8、连杆11和摇杆19，在电动机27正转及反转时，将试验力加压到轴17上或从压轴上卸除。④杠杆机构。杠杆机构由大杠杆12、小杠杆15、吊环13、压轴17等零件组成。试3
3 2.2.l.2 布氏硬度测定的技术要求 （1）试样表面必须平整光滑，以使压痕边缘清晰，保证精确测量压痕直径 D。 （2）压痕离试样边缘应大于钢直径 D。两压痕之间距离不小于 D。 （3）用读数显微镜测量压痕直径 d 时，应从相互垂直的两个方向上进行，取其 平均值。 （4）用淬火钢球做压头测得的硬度值以符号 HBS 表示；用硬质合金球作压头测 得的硬度值以符号 HBW 表示。为了表示实验条件，可在符号 HBS 或 HBW 后面标 D／PT。 如 180HBS／10／3000／10，即表示硬度是在 D—10mm 的淬火钢球做压头，P—3000kgf，T— 10s 的条件下所测得的布氏硬度值为 180。 2.2.1.3 布氏硬度计的构造与操作 【布氏硬度计的构造】图 1－2 是 HB－3000 型布氏硬度计结构图。它由机体、工作 台、减速器、杠杆机构、换向开关等部分组成。 ①机体与工作台。在铸铁机体 14 的前台面中装有套筒 26、螺杆 23，螺杆上装有工作 台立柱 22；可更换工作台 ZI，旋转升降手轮 24 可使工作台上下移动。 ②压轴部分。压轴部分是由弹簧 16、压轴 17 和主轴衬套 18 等零件组成。弹簧在非 工作状态时将主轴衬套压靠在锥孔中，并使压轴紧靠在小杠杆中间的刀刃支承上，从而保 持了压轴的精确位置。当试样与压头接触时，主轴衬套被顶起，这样确定压轴工作时的位 置，保持了试样与压头中心对准。 ③减速器部分。减速器 7 通过曲柄 8、连杆 11 和摇杆 19，在电动机 27 正转及反转 时，将试验力加压到轴 17 上或从压轴上卸除。 ④杠杆机构。杠杆机构由大杠杆 12、小杠杆 15、吊环 13、压轴 17 等零件组成。试
验力是由电动机27通过减速器7传到连杆11上。连杆下降时试验力经大杠杆12、小杠杆15、吊环13、压轴17及主轴衬套18等传至压头20上。根据进码的不同组合可得出下列几种试验力，即187．5、250、750、1000、3000kgfo③换向开关系统。换向开关系统是控制电动机回转方向的装置，能使加卸试验力自动进行。618110221222322图1-2HB-3000型布氏硬度计结构图1一电源开关：2一加力指示灯：3一电源指示灯，4一加力开关，5一压紧螺钉，6—圆盘，7减速器，8-曲柄；9一换向开关：10—磁码，11连杆，12大杠杆：13—吊环：14—机体：15—小杠杆，16—弹簧：17—压轴：18—主轴村19—摇杆：20—压头：21—可更换工作台：22—工作台立柱，23—螺杆，24—升降手轮：25螺母：26—套简：27—电动机【操作】实验时将试样放在载物台21上。按顺时针方向转动手轮24，使工作台升至试样与压头20接触，并在手轮打滑后再按下按钮4启动电机27，经减速机构7带动升降机构11向下运动。此时预定的载荷即可由孩码10通过大杠杆12、小杠杆15、压轴17加压在压头20上，使之压人试样。停留一定时间后，电动机自动反转，上升而卸除载荷。待电动机自动停止后，反时针方向转动手轮24，使工作台下降并取下试样。最后用读数显微镜测量压痕直径d。根据d的大小查表（见附表一），即可求得布硬度值。2.2.2洛氏硬度2.2.2.1原理洛氏硬度实验方法是以一个锥顶角为120”的金刚石圆锥体或直径为1／16（1.588mm）的淬火钢球为压头，在先后两次载荷（初载荷和主载荷）作用下压人被试金属表面，然后卸除主载荷。在保持初载荷的情况下，测出由主载荷引起的塑性变形的压人深度h，再由h值确定洛氏硬度值HR。图1一3为洛氏硬度实验原理图。图中0一0位置为未加载荷时的压头位置。1一1位置为加上IDkgf初载荷后的位置，此时压人深度为姑。2一2位置为加上主载荷后的位置，此时压人深度为ac，ac包括由加载所引起的弹性变形和塑性变形。卸除主载荷后，由于弹4
4 验力是由电动机 27 通过减速器 7 传到连杆 11 上。连杆下降时试验力经大杠杆 12、小杠杆 15、吊环 13、压轴 17 及主轴衬套 18 等传至压头 20 上。根据进码的不同组合可得出下列 几种试验力，即 187．5、250、750、1000、3000kgfo ⑤换向开关系统。换向开关系统是控制电动机回转方向的装置，能使加卸试验力自动 进行。 【操作】实验时将试样放在载物台 21 上。按顺时针方向转动手轮 24，使工作台升至 试样与压头 20 接触，并在手轮打滑后再按下按钮 4 启动电机 27，经减速机构 7 带动升降 机构 11 向下运动。此时预定的载荷即可由孩码 10 通过大杠杆 12、小杠杆 15、压轴 17 加 压在压头 20 上，使之压人试样。停留一定时间后，电动机自动反转，上升而卸除载荷。待 电动机自动停止后，反时针方向转动手轮 24，使工作台下降并取下试样。最后用读数显微 镜测量压痕直径 d。根据 d 的大小查表（见附表一），即可求得布氏硬度值。 2.2.2 洛氏硬度 2.2.2.1 原理 洛氏硬度实验方法是以一个锥顶角为 120”的金刚石圆锥体或直径为 1／16 （1.588mm）的淬火钢球为压头，在先后两次载荷（初载荷和主载荷）作用下压人被试金属 表面，然后卸除主载荷。在保持初载荷的情况下，测出由主载荷引起的塑性变形的压人深 度 h，再由 h 值确定洛氏硬度值 HR。 图 1－3 为洛氏硬度实验原理图。图中 0—0 位置为未加载荷时的压头位置。l—l 位 置为加上 IDkgf 初载荷后的位置，此时压人深度为姑。2—2 位置为加上主载荷后的位置， 此时压人深度为 ac，ac 包括由加载所引起的弹性变形和塑性变形。卸除主载荷后，由于弹