實驗，指的是科學研究的基本方法之一。根據科學研究的目的，盡可能地排除外界的影響，突出主要因素并利用一些專門的儀器設備，而人為地變革、控制或模擬研究對象，使某一些事物（或過程）發生或再現，從而去認識自然現象、自然性質、自然規律， 以下是為大家整理的關于金屬材料的硬度實驗報告3篇 , 供大家參考選擇。
金屬材料的硬度實驗報告3篇
第一篇: 金屬材料的硬度實驗報告
加工硬化對中碳鋼組織和性能的影響
一 實驗目的：
1.1 通過金屬材料實驗全過程，根據給定的實驗條件，自己設計實驗方案，確定實驗方法，選定實驗器材，擬定實驗操作程序，自己加以實現并對實驗結果進行分析處理，是學生進一步加深對金屬材料課程所學內容的理解，熟悉實驗設備，掌握實驗基本方法。提高動手能力和團隊合作的意識，達到培養學生分析問題和進行科學研究能力的目的。
1.2 掌握金屬材料塑性變形,熱處理工藝,組織結構與性能之間的關系。
1.3 運用已學的金屬材料理論知識，參考有關資料，以預定性能指標為依據，正確制定合理的實施方案。
二 課程內容：
2.1 初步了解金屬材料選擇的原則，并選取實驗材料；
2.2 掌握主要熱處理工藝方法，熟悉主要熱處理設備的結構與爐溫的控制儀表；
2.3 熟練掌握金相試樣的制備方法，能使用金相顯微鏡觀察，分析金相顯微組織；
2.4 掌握金屬力學性能及其影響因素；
2.5 選擇電子萬能試驗機及硬度計，了解其特征和使用方法。
2.6 了解鑲嵌機的使用及操作規程。
三 實驗原理
3.1 金屬塑性變形
金屬塑性變形的基本方式有滑移和孿生兩種。在切應力作用下，晶體的一部分沿某一晶面相對于另一部分滑動，這種變形方式稱為滑移；在切應力作用下，晶體的一部分沿某一晶面相對另一部分產生剪切變形，且變形部分與未變形部分的位向形成了鏡面對稱關系，這種變形方式稱為孿生。
一、單晶體金屬的塑性變形
單晶體受力后，外力在任何晶面上都可分解為正應力和切應力。正應力只能引起彈性變形及解理斷裂。只有在切應力的作用下金屬晶體才能產生塑性變形。
■ 塑性變形有兩種形式：滑移和孿生。在多數情況下，金屬的塑性變形是以滑移方式進行的。
（一）滑移
1.滑移與滑移帶
1)滑移是指晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分發生滑動位移的現象。
滑移變形的特點：
⑴滑移只能在切應力的作用下發生。產生滑移的最小切應力稱臨界切應力。
⑵滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發生。因為原子密度最大的晶面和晶向之間原子間距最大，結合力最弱，產生滑移所需切應力最小。
沿其發生滑移的晶面和晶向分別叫做滑移面和滑移方向。通常是晶體中的密排面和密排方向。
⑶ 滑移時，晶體兩部分的相對位移量是原子間距的
整數倍。
2)滑移帶
滑移的結果在晶體表面形成臺階，稱滑移線，若干條滑移線組成一個滑移帶。
2 .滑移系
一個滑移面和其上的一個滑移方向構成一個滑移系。
金屬的塑性，面心立方晶格好于體心立方晶格，體心立方晶格好于密排六方晶格。
3.滑移時晶面的轉動: ①外力錯動→力偶使滑移面轉動→滑移面∥拉伸軸。
②以滑移面的法線為轉軸的轉動→滑移方向∥最大切應力方向。
㈡ 孿生
孿生是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對于另一部分所發生的切變。發生切變的部分稱孿生帶或孿晶，沿其發生孿生的晶面稱孿生面，孿生的結果使孿生面兩側的晶體呈鏡面對稱。
與滑移相比：孿生使晶格位向發生改變；所需切應力比滑移大得多, 變形速度極快, 接近聲速；孿生時相鄰原子面的相對位移量小于一個原子間距。
二、多晶體金屬的塑性變形單個晶粒變形與單晶體相似。而
多晶體變形比單晶體復雜得多。
㈠ 晶界及晶粒位向差的影響
1、晶界的影響
當位錯運動到晶界附近時，受到晶界的阻礙而堆積起
來，稱位錯的塞積。要使變形繼續進行，則必須增加外
力，從而使金屬的塑性變形抗力提高。
2、晶粒位向的影響
由于各相鄰晶粒位向不同，當一個晶粒發生塑性變形時，為了保持金屬的連續性，周圍的晶粒若不發生塑性變形，則必以彈性變形來與之協調。這種彈性變形便成為塑性變形晶粒的變形阻力。由于晶粒間的這種相互約束，使得多晶體金屬的塑性變形抗力提高。
㈡ 多晶體金屬的塑性變形過程
多晶體中首先發生滑移的是滑移系與外力夾角等于或接近于45°的晶粒。當塞積位錯前端的應力達到一定程度，加上相鄰晶粒的轉動，使相鄰晶粒中原來處于不利位向滑移系上的位錯開動，從而使滑移由一批晶粒傳遞到另一批晶粒，當有大量晶粒發生滑移后，金屬便顯示出明顯的塑性變形。
㈢晶粒大小對金屬力學性能的影響
金屬的晶粒越細，其強度和硬度越高。因金屬晶粒越細，晶界總面積越大，位錯障礙越多；需要協調的具有不同位向的晶粒越多，使金屬塑性變形的抗力越高。
金屬的晶粒越細，其塑性和韌性也越高。
因晶粒越細，單位體積內晶粒數目越多，參與變形的晶粒數目也越多，變形越均勻，使在斷裂前
發生較大的塑性變形。強度和塑性同時增加，金屬在斷裂前消耗的功也大，因而其韌性也比較好。
通過細化晶粒來同時提高金屬的強度、硬度、塑性和韌性的方法稱細晶強化。
3.1.1 冷塑性變形對金屬組織與性能的影響
若金屬在再結晶溫度以下進行塑性變形，稱為冷塑性變形。冷塑性變形不僅改變了金屬材料的形狀與尺寸，而且還將引起金屬組織與性能的變化。
金屬在發生塑性變形時，隨著外形的變化，其內部晶粒形狀由原來的等軸晶粒逐漸變為沿變形方向伸長的晶粒，在晶粒內部也出現了滑移帶或孿晶帶。當變形程度很大時，晶粒被顯著地拉成纖維狀，這種組織稱為冷加工纖維組織。同時，隨著變形程度的加劇，原來位向不同的各個晶粒會逐漸取得近于一致的位向，而形成了形變織構，使金屬材料的性能呈現出明顯的各向異性。圖3-1為工業純鐵經不同程度變形的顯微組織。
圖3-1 工業純鐵冷塑性變形后組織(150X)
a)變形程度20% b)變形程度50% c)變形程度70%
金屬經冷塑性變形后，會使其強度、硬度提高，而塑性、韌性下降，這種現象稱為加工硬化。此外，在金屬內部還產生殘余應力。一般情況下，殘余應力不僅降低了金屬的承載能力，而且還會使工件的形狀與尺寸發生變化。
3.1.2 冷塑性變形后金屬在加熱時組織與性能的變化
3.1.2.1 顯微組織變化
金屬經過塑性變形，會發生加工硬化現象，而且內部產生殘余內應力。為了去除內應力，或者為了消除加工硬化現象以便繼續變形，需要對冷變形金屬進行加熱處理。由于變形金屬內部存在嚴重的晶格畸變，原子處于不穩定狀態，本身就有向穩定狀態轉變的傾向。加熱時，原子的活動擴散能力提高了，促使其向穩定狀態轉變，并使金屬的組織結構和性能發生變化。這種變化可分為回復（recovery）、再結晶（recrystallization）和晶粒長大（grain growth）這三個階段 , 圖 3.11 回復再結晶
如圖 3.11所示。
3.1.2.2 儲存能釋放與性能變化
冷變形時，外力所作的功尚有一小部分儲存在形變金屬內部，這部分能量叫儲存能，加熱過程中，原子活動能力增強，偏離平衡位置大，能量高的原子將向低能的平衡位置遷移，將儲存能逐步釋放出來，使內應力松馳，純金屬儲存能釋放少，合金儲存能釋放多，儲存能的釋放使金屬的對結構敏感的性質發生不同程度的變化。右圖給出幾種性能的變化與儲存能的關系
3.1.3 回復
回復是指冷變形金屬在加熱溫度較低時，金屬中的一些點缺陷和位錯的遷移，使晶格畸變逐漸減小，內應力逐漸降低的過程。這時因為原子活動能力不大，所以金屬的晶粒大小和形狀尚無明顯的變化，因而其強度、硬度和塑性等機械性能變化不大，而只會使內應力及電阻率等理化性能顯著降低。工業上，對冷變形后金屬要保持其因加工硬化而提高的強度、硬度，又需消除殘余內應力的，則可在低溫回復階段加熱保溫，以基本去除其內應力，這種熱處理稱為去應力退火。例如，用冷拉鋼絲繞制彈簧，繞成后應在280~300℃消除應力退火使其定形。
3.1.3.1回復機理
低溫回復主要涉及點缺陷的運動。空位或間隙原子移動到晶界或位錯處消失，空位與間隙原子的相遇復合，空位集結形成空位對或空位片，使點缺陷密度大大下降。
中溫回復時．隨溫度升高．原子活動能力增強，位錯可以在滑移面上猾移或交滑移，使異號位錯相通相消，位錯密度下降，位錯纏結內部重新排列組合，使亞晶規整化。
高溫回復，原子活動能力進一步增強，位錯除滑移外，還可攀移。主要機制是多邊化。冷變形使平行的同號位錯在滑移面上塞積，致使晶格彎曲，所增殖的位錯雜亂分布。
高溫回復過程中，這些刃位錯便通過攀移和滑移，由原來能量較高的水平塞積。
3.1.4 再結晶
冷變形金屬的加熱溫度高于回復階段以后，當溫度繼續升高時，由于原子活動能力增大，金屬的顯微組織發生明顯的變化，由破碎拉長或壓扁的晶粒變為均勻細小的等軸晶粒。這一過程實質上是一個新晶粒重新形核和長大的過程，故稱為“再結晶”。再結晶以后，只是晶粒外形發生了變化，而晶格類型并未變，仍與原始晶粒相同。再結晶的晶核一般是在變形晶粒的晶界或滑移帶及晶格畸變嚴重的地方形成，晶核形成后，依靠原子的擴散移動，向附近周圍長大，直至各晶核長大到相互接觸，形成新的等軸晶粒為止。通過再結晶，金屬的顯微組織發生了徹底的改變，故其強度和硬度顯著降低，而塑性和韌性大大提高，加工硬化現象得以消除，變形金屬的所有機械和物理性能全部恢復到冷變形以前的狀態。因此，再結晶在工業上主要用于金屬在冷變形之后或在變形過程中，使其硬度降低，塑性升高，以便于進一步加工，這樣的熱處理稱為再結晶退火。
3.1.4.1 形核機制
(1) 小變形量的弓出形核機制
當形量較小的，由于變形不均勻，相鄰晶粒的位錯密度相差可以很大，此時晶界中的一小段會向位錯密度高的一側突然弓出
(2) 亞晶合并機制
變形量較大的高層錯能金屬再結晶核心通過亞晶合并來產生的。
(3) 亞晶蠶食機制
變形量很大的低層錯能金屬擴展位錯寬度大，不易束集，交滑移困難，位錯密度很高，在位錯密度很大的小區域，通過位移的攀移和重新分布，形成位錯密度很低的亞晶，這個亞晶便向周圍位錯密度高的區域生長。相應的，亞晶界的位錯密度逐漸增大，亞晶與周圍形高基體取向差逐漸變大，最終由小角度晶界演變成大角度晶界，大角度晶界一旦形成，可突然弓出，遷移，蠶食途中所遇位錯，留下無畸高晶體，成為再結晶核心。
3.1.4.2 再結晶動力學
對恒溫再結晶動力學人們作過大量研究。下圖為純鐵經98％冷軋，在不同溫度下 等溫再結晶．已經再結晶的體積分數xv與等溫時間t的關系曲線。具有典型的形核，長大過程的動力學特征。等溫溫度越高，孕育期越短，再結晶速度越快。等溫的每個溫度下，再結晶速度開始很小，隨xv的增加而逐漸增大，并在大約50％處達到最大，然后又逐漸減小。
3.1.5 晶粒長大
再結晶完成以后，若再繼續升高加熱溫度或過分地延長加熱時間，金屬的晶粒便會繼續長大。因為通過晶粒長大可減少晶界的面積，使表面能降低，所以晶粒長大是一個降低能量的自發過程。只要溫度足夠高，使原子具有足夠的活動能力，晶粒便會迅速長大。晶粒長大實際上是一個晶界遷移的過程，即通過一個晶粒的邊界向另一晶粒的遷移，把另一晶粒中的晶格位向逐步轉變為與這個晶粒相同的晶格位向，于是另一晶粒便逐步地被這一晶粒“吞并”，合并成一個大晶粒。如圖 3.12 所示
圖 3.12 晶粒長大示意圖
通常在再結晶后獲得細小均勻的等軸晶粒的情況下，晶粒長大的速度并不很大，但如果原來的變形不均勻，經過再結晶后得到的是大小不均勻的晶粒，那么，由于大小晶粒之間的能量相差懸殊，便很容易發生大晶粒吞并小晶粒而愈長愈大的現象，從而得到異常粗大的晶粒，使金屬的機械性能顯著降低。為了區別于通常的晶粒正常長大，常把晶粒的這種不均勻急劇長大的現象稱為“二次再結晶”。
3.1.5.1 晶粒長大的驅動力
????晶粒長大的驅動力，從整體上看，是晶粒長大前后總的界面能差。從個別晶粒長大的微觀過程來說，晶界具有不同的曲率則是造成晶界遷移的直接原因。
3.1.5.2 影響晶粒長大的因素
(1)溫度溫度越高晶粒長大速度越快。一定溫度下，晶粒長到極限尺寸后就不再長大，但提高溫度后晶粒將繼續長大。
(2)雜質與合金元素雜質及合金元素滲入基體后能阻礙晶界運動。
(3)第二相質點彌散分布的第二相粒子阻礙晶界的移動，可使晶粒長大受到抑制。
晶粒的異常長大
異常晶粒長大又稱不連續晶粒長大或二次再結晶，是—種特殊的晶粒長大現象。發生異常長大的條件是，正常晶粒長大過程被分散相粒子，織構或表面熱蝕溝等強烈阻礙，能夠長大的晶粒數目較少，致使晶粒大小相差懸殊。晶粒尺寸差別越大，大晶粒吞食小晶粒的條件越有利，大晶粒的長大速度也會越來越快，最后形成晶粒大小極不均勻的組織。
二次再結晶形成非常粗大的晶粒及非常不均勻的組織，從而降低了材料的強度與塑性。因此在制定冷變形材料再結晶退火工藝時．應注意避免發生二次再結晶。
3.1.5.3 再結晶溫度和再結晶晶粒大小的影響因素
3.1.5.3.1 再結晶溫度及其影響因素
再結晶不是一個恒溫過程，而是在一定的溫度范圍內進行的。工程上規定，大變形量（~70%以上）的冷變形金屬經一小時保溫，能完成再結晶（>95%轉變量）的最低溫度，稱為該金屬的再結晶溫度。每種金屬的再結晶溫度都各不相同，即便是同一種金屬，其再結晶溫度也不是固定的，而是受到諸多因素影響：
(1)冷變形程度：冷變形程度越大，金屬畸變能越高，向低能量狀態變化的傾向也越大，因此再結晶溫度越低，如圖 3.13 所示。當變形達到一定程度之后，再結晶溫度將趨近某一最低極限值，稱為“最低再結晶溫度”。
實驗證明，工業純金屬的熔點與最低再結晶溫度之間有如下關系
T再 ≈ (0.35 ~ 0.40)T熔
式中溫度按熱力學溫度（絕對溫度）計。
圖 3.13 金屬的再結晶溫度與變形量的關系
(2)保溫時間：加熱時保溫時間越長，原子的擴散移動越能充分進行，再結晶溫度就越低。
(3)原始晶粒度：原始晶粒越粗大，變形阻力越小，變形后內能集聚較少，
所以再結晶溫度較高。
(4)金屬純度及成分：金屬中加入的合金元素或所含的雜質元素，常會阻礙原子的擴散與晶界的遷移，推遲再結晶的進行，因此金屬的純度低，可以明顯提高再結晶溫度。
考慮到以上各因素的影響，為了縮短退火周期，在工業上選擇再結晶退火溫度，一般比最低再結晶溫度高 100~200℃。
3.1.5.3.2 再結晶后晶粒大小的因素
變形金屬在再結晶退火后得到的晶粒大小，不僅影響到金屬的強度和塑性，還影響到金屬的韌性，因此控制再結晶后的晶粒大小是非常重要的。影響再結晶
后晶粒大小的因素主要有以下幾種：
(1) 退火加熱溫度：再結晶退火時加熱溫度越高，金屬的晶粒尺寸越大，如圖 3.14 所示。當加熱溫度一定時，時間過長也會使晶粒長 大，但其影響不如溫度的影響大。
(2) 冷變形程度： 金屬的冷變形程度是影響再結晶晶粒大小的另一重要因素。圖 3.15 表明再結晶后的晶粒大小與冷變形程度的關系。當金屬的冷變形量在 2%~10%的范圍內時，再結晶后的晶粒會異常粗大。通常把再結晶時晶粒異常粗大所對應的冷變形量稱為“臨界變形量”。當變形量超過臨界變形量后，隨著變形量的增加，再結晶的晶粒逐漸變細。因此，為了獲得優良的組織和性能，在制定壓力加工工藝時，必須避免在臨界變形量附近進行冷變形。
3.2 洛氏硬度試驗的基本原理
洛氏硬度試驗常用的壓頭有兩種：一種是頂角為120的金剛石圓錐，另一種是直徑為1”/16（1.588mm）的淬火鋼球。據金屬材料軟硬程度不同，可選用不同的壓頭和負荷配合使用，最常用的是HRA、HRB、和HRC。這三種壓頭、負荷及應用范圍可參考下表。
三種壓頭、負荷及應用范圍表
符號
壓頭
負荷（kgf）
硬度值有效范圍
使用范圍
HRA
120o金剛石圓錐
60
>70
使用測量硬度質合金、表面淬火層、滲碳層
HRB
1″/16鋼球
100
25~100（HB60~230）
使用測量有色金屬、退火及正火鋼
HRC
120o金剛石圓錐
150
20~67（HBC230~700）
使用測量調質鋼、淬火鋼
圖5-3 洛氏硬度實驗原理圖
洛氏硬度測定時，需先后兩次施加負荷（初負荷和主負荷），施加初負荷的目的是使壓頭與試樣表面接觸良好，以保證測量結果準確，圖5-3中0-0為末加上主負荷的位置，1-1為加上10kgf初負荷后的位置，此時壓入深度為h1，2-2位置為加上主負荷后的位置，此時使壓入深度為h2，h2包括由加荷所引起的彈性變形和塑性變形。卸荷后，由于彈性變形恢復，壓頭提高到3-3位置，此時壓頭的實際壓入深度為h3。洛氏硬度就是以主負荷所引起的殘余壓入深度（h=h3-h1）來表示的，但這樣直接以壓入深度的大小表示硬度，將會出現硬的金屬硬度小，而軟的金屬硬度值大的現象，這與布氏強度所表示的硬度大小的概念相矛盾。為了與習慣上數值越大硬度越高的概念相一致，故需用一常數（K）減去（h3-h1）的差值表示洛氏硬度值。為簡便起見又規定每0.002mm的壓入深度作為一個硬度單位（即表盤上一小格）。
洛氏硬度值的計算公式如下：
式中的常數K，當采用金剛石圓錐時，K=0.2（用于HRA、HRC），采用鋼球時，K=0.26（用于HRB）。
為此，上式可寫為：
3.2.1 洛氏硬度試驗機的技術要求
(1）? 被測金屬表面必須平整光潔。
(2）? 試樣厚度應不低于壓入深度的10倍。
(3）? 兩相鄰壓痕及壓痕距試樣邊緣的距離均不應小于3mm。
(4）? 加初負荷時，應謹防試樣與金剛石壓頭突然碰撞，以免將金剛石壓頭碰壞。
3.2.2 洛氏硬度試驗機的結構及操作
HB-150型洛氏硬度試驗機的結構如圖5-4所示。
圖5-4 HB-150型洛氏硬度試驗機結構圖
它是由加卸負荷和測量兩部分組成的。前者都是利用杠桿和砝碼，后者是用百分表測量壓痕深度的，即洛氏硬度值可直接由百分表盤上讀出。
實驗時，先將試樣置于試樣臺上，并對準壓頭，順時針轉動手輪，使試樣上升與壓頭接觸，繼續緩慢轉動手輪使百分表刻度盤上的短時針順時針轉動直到對準紅點，然后再轉動表盤使表盤上的長針對準0點，此時，壓頭利用彈簧壓縮的方法將10kgf的負荷加到了試樣上，然后將負荷手柄緩慢向后推（4~5秒鐘），于是主負荷加到試樣上，主負荷加上后，長針由轉動到停止，待持續一秒后，再將負荷手柄向前拉，回到原始位置，待長針停止轉動后，長針所指示的讀數即為該材料的硬度值。
最后，逆時針回轉手輪，使試樣臺下降，取下試樣，放回原處。
3.3 金相試樣制備
金相試樣制備過程一般包括：取樣、粗磨、細磨、拋光和浸蝕五個步驟。
3.3.1.取樣
從需要檢測的金屬材料和零件上截取試樣稱為"取樣"。取樣的部位和磨面的選擇必須根據分析要求而定。截取方法有多種，對于軟材料可以用鋸、車、刨等方法；對于硬材料可以用砂輪切片機或線切割機等切割的方法，對于硬而脆的材料可以用錘擊的方法。無論用哪種方法都應注意，盡量避免和減輕因塑性變形或受熱引起的組織失真現象。試樣的尺寸并無統一規定，從便于握持和磨制角度考慮，一般直徑或邊長為15~20mm，高為12~18mm比較適宜。對那些尺寸過小、形狀不規則和需要保護邊緣的試樣，可以采取鑲嵌或機械夾持的辦法。
金相試樣的鑲嵌，是利用熱塑性塑料(如聚氯乙烯)，熱凝性塑料(如膠木粉)以及冷凝性塑料(如環氧樹脂+固化劑)作為填料進行的。前兩種屬于熱鑲填料，熱鑲必須在專用設備一鑲嵌機上進行。第三種屬于冷鑲填料，冷鑲方法不需要專用設備，只將適宜尺寸(約φl5~20mm)的鋼管、塑料管或紙殼管放在平滑的塑料(或玻璃)板上，試樣置于管內待磨面朝下倒入填料，放置一段時間凝固硬化即可。
3.3.2.粗磨
粗磨的目的主要有以下三點：
1)修整 有些試樣，例如用錘擊法敲下來的試樣，形狀很不規則，必須經過粗磨，修整為規則形狀的試樣；
2)磨平 無論用什么方法取樣，切口往往不十分平滑，為了將觀察面磨平，同時去掉切割時產生的變形層，必須進行粗磨；
3)倒角 在不影響觀察目的的前提下，需將試樣上的棱角磨掉，以免劃破砂紙和拋光織物。
黑色金屬材料的粗磨在砂輪機上進行，具體操作方法是將試樣牢牢地捏住，用砂輪的側面磨制。在試樣與砂輪接觸的一瞬間，盡量使磨面與砂輪面平行，用力不可過大。由于磨削力的作用往往出現試樣磨面的上半部分磨削量偏大，故需人為地進行調整，盡量加大試樣下半部分的壓力，以求整個磨面均勻受力。另外在磨制過程中，試樣必須沿砂輪的徑向往復緩慢移動，防止砂輪表面形成凹溝。必須指出的是，磨削過程會使試樣表面溫度驟然升高，只有不斷地將試樣浸水冷卻，才能防止組織發生變化。
砂輪機轉速比較快，一般2850r/min，工作者不應站在砂輪的正前方，以防被飛出物擊傷。操作時嚴禁戴手套，以免手被卷入砂輪機。
3.3.3.細磨
粗磨后的試樣，磨面上仍有較粗較深的磨痕，為了消除這些磨痕必須進行細磨。細磨，可分為手工磨和機械磨兩種。
（1）手工磨
手工磨是將砂紙鋪在玻璃板上，左手按住砂紙，右手握住試樣在砂紙上作單向推磨。金相砂紙由粗到細分許多種，其規格可參考表2-1。
表2-1 常用金相砂紙的規格
金相砂紙編號
01
02
03
04
05
06
粒度序號
M28
M20
M14
M10
M7
M5
砂粒尺寸/
28～20
20～14
14～10
10～7
7～5
5～3.5
①表中為多數廠家所用編號，目前沒有統一規格
用砂輪粗磨后的試樣，要依次由01號磨至05號(或06號)。操作時必須注意：
1)加在試樣上的力要均勻，使整個磨面都能磨到；
2)在同一張砂紙上磨痕方向耍一致，并與前一道砂紙磨痕方向垂直。待前一道砂紙磨痕完全消失時才能換用下一道砂紙。
3)每次更換砂紙時，必須將試樣、玻璃板清理干凈，以防將租砂粒帶到細砂紙上。
4)磨制時不可用力過大，否則一方面因磨痕過深增加下一道磨制的困難，另一方面因表面變形嚴重影響組織真實性。
5)砂紙的砂粒變鈍磨削作用明顯下降時，不宜繼續使用，否則砂粒在金屬表面產生的滾壓會增加表面變形。
6)磨制銅、鋁及其合金等軟材料時，用力更要輕，可同時在砂紙上滴些煤油，以防脫落砂粒嵌入金屬表面。
（2）機械磨
目前普遍使用的機械磨設備是預磨機。電動機帶動鋪著水砂紙的圓盤轉動，磨制時，將試樣沿盤的徑向來回移動，用力要均勻，邊磨邊用水沖。水流既起到冷卻試樣的作用，又可以借助離心力將脫落砂粒、磨屑等不斷地沖到轉盤邊緣。機械磨的磨削速度比手工磨制快得多，但平整度不夠好，表面變形層也比較嚴重。因此要求較高的或材質較軟的試樣應該采用手工磨制。
3.3.4.拋光
拋光的目的是去除細磨后遺留在磨面上的細微磨痕，得到光亮無痕的鏡面。拋光的方法有機械拋光、電解拋光和化學拋光三種，其中最常用的是機械拋光。
機械拋光在拋光機上進行，將拋光織物(粗拋常用帆布，精拋常用毛呢)用水浸濕、鋪平、繃緊并固定在拋光盤上。啟動開關使拋光盤逆時針轉動，將適量的拋光液(氧化鋁、氧化鉻或氧化鐵拋光粉加水的懸浮液)滴灑在盤上即可進行拋光，拋光時應注意：
1)試樣沿盤的徑向往返緩慢移動，同時逆拋光盤轉向自轉，待拋光快結束時作短時定位輕拋。
2)在拋光過程中，要經常滴加適量的拋光液或清水，以保持拋光盤的濕度，如發現拋光盤過臟或帶有粗大顆粒時，必須將其沖刷干凈后再繼續使用。
3)拋光時間應盡量縮短，不可過長，為滿足這一要求可分粗拋和精拋兩步進行。
4)拋有色金屬(如銅、鋁及其合金等)時，最好在拋光盤上涂少許肥皂或滴加適量的肥皂水。
機械拋光與細磨本質上都是借助磨料尖角銳利的刃部，切去試樣表面隆起的部分。拋光時，拋光織物纖維帶動稀疏分布的極微細的磨料顆粒產生磨削作用，將試樣拋光。
目前，人造金剛石研磨膏(最常用的有W0.5 W1.0 W15 W25 W3.5五種規格的溶水性研磨膏)代替拋光液，正得到日益廣泛的應用。用極少的研磨膏均勻涂在拋光織物上進行拋光，拋光速度快，質量也好。
3.3.5.浸蝕
拋光后的試樣在金相顯微鏡下觀察，只能看到光亮的磨面，如果有劃痕、水跡或材料中的非金屬夾雜物、石墨以及裂紋等也可以看出來，但是要分析金相, 組織還必須進行浸蝕。
浸蝕的方法有多種，最常用的是化學浸蝕法，利用浸蝕劑對試樣的化學溶解和電化學浸蝕作用將組織顯露出來。
純金屬(或單相均勻固溶體)的浸蝕基本上為化學溶解過程。位于晶界處的原子和晶粒內部原子相比，自由能較高，穩定性較差，故易受浸蝕形成凹溝。晶粒內部被浸蝕程度較輕，大體上仍保持原拋光平面。在明場下觀察，可以看到一個個晶粒被晶界(黑色網絡)隔開。如圖1-19b所示。如浸蝕較深，還可以發現各個晶粒明暗程度不同的現象，如圖1-19d所示。這是因為每個晶粒原子排列的位向不同，浸蝕后，以最密排面為主的外露面與原拋光面之間傾斜程度不同的緣故。
兩相合金的浸蝕與單相合金不同，它主要是一個電化學浸沒過程，在相同的浸蝕條件下，具有較高負電位的相(微電池陽極)被迅速溶解凹陷下去；具有較高正電位的相(微電池陰極)在正常電化學作用下不被浸蝕，保持原有的光滑平面。結果產生了兩相之間的高度差。
以共析碳鋼層狀珠光體浸蝕為例，層狀珠光體是鐵素體與滲碳體相間隔的層狀組織浸蝕過程中，因鐵素體具有較高的負電位而被溶解，滲碳體因具有較高的正電位而被保護，另外在兩相交界處鐵素體一側因被嚴重浸蝕形成凹溝。這樣在顯微鏡下可以看到滲碳體周圍有一黑圈，顯示出兩相的存在。
多相合金的浸蝕，同樣也是一個電化學溶解過程，原理與兩相合金相同。但多相合金的組成相比較復雜，用一種浸蝕劑來顯示多種相是難以作到的，只有采用選擇浸蝕法及薄膜浸蝕法等專門方法才行。
化學浸蝕的方法雖然很簡單，但是只有認真對待才能制備出高質量的試樣。將拋光后的試樣用水沖洗同時用脫脂棉擦凈磨面，然后用濾紙吸去磨面上過多的水，吹干后用顯微鏡檢查磨面上是否有道痕、水跡等。同時證明未經過浸蝕的試樣是無法分析組織的。經檢查后合格的試樣可以放在浸蝕劑中，拋光面朝上，不斷觀察表面顏色的變化。這是浸蝕法。也可以用沾有浸蝕劑的棉花輕輕擦拭拋光面，觀察表面顏色的變化。此為擦蝕法。待試樣表面被浸蝕得略顯灰暗時即刻取出，用流動水沖洗后在浸蝕面上滴些酒精，再用濾紙吸去過多的水和酒精，迅速用吹風機吹干，完成整個制備試樣的過程。
四 實驗器材
減壓式萬能試驗機 粗砂紙 金相砂紙 金相試樣鑲嵌機 金相試樣球磨機 金相試樣拋光機 硬度計 電子游標卡尺 4%硝酸酒精溶液 電吹風 箱式節能電阻爐 砂輪機金相研磨試劑
五 實驗步驟
5.1、領取一實驗材料，用粗砂紙磨去其兩端的氧化層，用硬度計測其硬度，測試多次并記錄實驗數據，取其平均值；
5.2、用數字游標卡尺測量實驗材料長度，并計算出30%壓縮形變后的長度，然后用減壓式萬能試驗機進行壓縮變形；
5.3、用硬度計測量形變后的硬度，測試多次并記錄實驗數據，取其平均值；
5.4、由于形變后試樣較小，使金像制備難以進行，因而用金像鑲嵌機進行鑲嵌（加熱到180℃保溫40分鐘，然后冷卻至室溫）；
5.5、用砂輪機將鑲嵌后的試樣一個端面打磨平整，然后用金相試相球磨機將該端面打磨光亮，再先后用粗細金相砂紙將該端面打磨光亮；
5.6、將上述制備的式樣，用金相試相拋光機拋光，直到對著光，端面沒有明亮的劃痕為止；
5.7、用自來水洗凈試樣上的拋光試劑，然后將試樣浸入4%的硝酸酒精溶液中，直到光亮的端面變暗為止；
5.8、將上述試樣從4%硝酸酒精溶液中取出，用清水沖凈附著在其表面的硝酸酒精溶液，然后用電吹風吹干其表面的水，切忌用手觸摸該金相端面；
5.9、用電子金相顯微鏡觀察試樣的金相組織并拍下該試樣的金相照片，以便實驗結果的分析。
六 數據記錄與處理
6.1、實驗現象記錄
6.1.1、測試環境無變化，實驗儀器運轉正常，試樣在壓縮操作過程中，因受實驗儀器的限制，導致不能準確的達到30%的形變量；另外，由于壓縮操作不當，導致試樣形變后呈“S”形，因而壓縮應變后的硬度測試值偏離理論值。
6.2、原始數據記錄
6.2.1 壓縮變形前的硬度（單位：HRB）
原始材料
變形量
加熱溫度/℃
變形前硬度值
均值
中碳鋼
10%
不加熱
90.20
98.56
100.44
96.40
中碳鋼
10%
500
95.30
94.20
93.70
94.40
中碳鋼
10%
640
88.50
93.40
93.41
91.77
中碳鋼
10%
750
95.20
97.20
98.90
97.10
中碳鋼
20%
不加熱
94.60
97.20
93.95
95.25
中碳鋼
20%
500
94.30
97.00
98.80
96.70
中碳鋼
20%
640
92.50
94.60
92.65
93.25
中碳鋼
20%
750
92.50
94.60
93.40
93.50
中碳鋼
30%
不加熱
91.30
90.60
90.10
90.67
中碳鋼
30%
500
90.60
94.30
93.71
92.87
中碳鋼
30%
640
97.50
104.50
101.90
101.30
中碳鋼
30%
750
92.40
89.60
95.50
92.50
中碳鋼
40%
不加熱
90.50
93.20
91.31
91.67
中碳鋼
40%
500
86.20
89.50
86.80
87.50
中碳鋼
40%
640
87.50
90.60
89.80
89.30
中碳鋼
40%
750
90.80
90.60
94.96
92.12
10鋼
10%
不加熱
90.10
94.50
92.75
92.45
10鋼
10%
500
92.30
88.60
92.55
91.15
10鋼
10%
640
93.60
98.10
92.10
94.60
10鋼
10%
750
99.20
89.30
92.90
93.80
6.2.2 壓縮變形后硬度（單位：HRB）
原始材料
變形量
加熱溫度/℃
變形后硬度值
均值
中碳鋼
10%
不加熱
95.20
98.60
97.50
97.10
中碳鋼
10%
500
95.60
94.30
95.40
95.10
中碳鋼
10%
640
83.20
85.90
84.79
84.63
中碳鋼
10%
750
89.90
90.70
92.61
91.07
中碳鋼
20%
不加熱
72.30
76.30
76.70
75.10
中碳鋼
20%
500
75.90
71.60
76.30
74.60
中碳鋼
20%
640
85.90
87.20
86.91
86.67
中碳鋼
20%
750
88.50
93.10
91.10
90.90
中碳鋼
30%
不加熱
85.70
82.10
84.90
84.23
中碳鋼
30%
500
85.30
88.70
84.39
86.13
中碳鋼
30%
640
90.70
87.50
99.30
92.50
中碳鋼
30%
750
104.50
108.70
101.80
105.00
中碳鋼
40%
不加熱
94.50
95.80
110.30
100.20
中碳鋼
40%
500
57.20
62.50
59.70
59.80
中碳鋼
40%
640
84.60
88.80
82.20
85.20
中碳鋼
40%
750
84.50
87.60
86.50
86.20
10鋼
10%
不加熱
89.50
92.50
90.64
90.88
10鋼
10%
500
94.50
90.50
87.40
90.80
10鋼
10%
640
94.90
88.50
93.20
92.20
10鋼
10%
750
85.60
88.00
86.50
86.70
6.2.3 退火處理后硬度（單位：HRB）
原始材料
變形量
加熱溫度/℃
熱處理后硬度值
均值
中碳鋼
10%
不加熱
中碳鋼
10%
500
84.50
89.80
90.00
88.10
中碳鋼
10%
640
74.60
77.60
77.21
76.47
中碳鋼
10%
750
85.40
88.30
88.20
87.30
中碳鋼
20%
不加熱
中碳鋼
20%
500
83.40
86.30
89.20
86.30
中碳鋼
20%
640
80.60
85.30
80.70
82.20
中碳鋼
20%
750
86.50
80.60
90.60
85.90
中碳鋼
30%
不加熱
中碳鋼
30%
500
72.90
77.40
72.60
74.30
中碳鋼
30%
640
70.60
72.50
72.30
71.80
中碳鋼
30%
750
83.00
79.00
86.91
82.97
中碳鋼
40%
不加熱
中碳鋼
40%
500
75.40
79.60
78.19
77.73
中碳鋼
40%
640
85.60
88.70
88.08
87.46
中碳鋼
40%
750
85.30
79.50
79.70
81.50
10鋼
10%
不加熱
10鋼
10%
500
65.40
66.80
58.00
63.40
10鋼
10%
640
57.50
52.60
67.80
59.30
10鋼
10%
750
41.50
42.60
35.00
39.70
6.3、結果計算
6.3.1 中碳鋼經500℃、640℃、750℃退火后硬度的變化曲線
6.3.2 10鋼經10%壓縮后經500℃、640℃、750℃退火后硬度的變化曲線
6.5 我實驗數據（單位：HRB）
原始材料
變形量
加熱溫度/℃
變形前硬度值
均值
中碳鋼
30%
不加熱
91.30
90.60
90.10
90.67
原始材料
變形量
加熱溫度/℃
變形后硬度值
均值
中碳鋼
30%
不加熱
85.70
82.10
84.90
84.23
七 實驗結果分析
（1） 實驗結果表明中碳鋼經30%的壓縮變形后，其硬度值降低，這偏離了預定的設想，與加工硬化理論相矛盾。
（2） 影響測試結果的因素
1） 實驗儀器中減壓式萬能試驗機，不能準確的控制壓力與壓縮量之間的關系，導致試樣的變形量與理論變形量之間存在較大偏離值；
2） 壓力機的兩個壓頭端面不水平，導致試樣在壓縮變形時，上下兩端面不再平行，圓柱體形試樣經壓縮后變為“S”形；
3） 在壓縮變形后測試硬度時，因試樣變形，使硬度計的硬質鋼球壓頭的鉛直線與被測試樣的端面不垂直；
4） 在測試試樣壓縮變形前的硬度時，用砂輪機打磨去試樣端面的氧化層時，相當于對該端面進行一定的塑性變形處理，導致初始測試的理論值偏大；
5） 實驗操作者實驗操作不夠熟練。
（3） 改進意見
1）學校應更換實驗設備，添加電子萬能試驗機；
2） 為學生提供更多做實驗機會，以培養學生試樣操作能力；
八 實驗結果
（1） 壓縮變形后（因實驗設備的限制），中碳鋼的硬度變小。
（2） 測試的結果
原始材料
變形量
加熱溫度/℃
變形前硬度值
均值
中碳鋼
30%
不加熱
91.30
90.60
90.10
90.67
原始材料
變形量
加熱溫度/℃
變形后硬度值
均值
中碳鋼
30%
不加熱
85.70
82.10
84.90
84.23
九 體會心得
通過這次實驗，我初步了解金屬材料選擇的原則，掌握主要熱處理工藝方法，熟悉主要熱處理設備的結構與爐溫的控制儀表，熟練掌握金相試樣的制備方法，能使用金相顯微鏡觀察、分析金相顯微組織；進一步加深對金屬材料課程所學內容的理解，熟悉實驗設備，掌握實驗基本方法。另外，還提高我的實驗動手能力和培養了團隊合作的意識，在一定程度上，達到培養分析問題和進行科學研究能力的目的。
十 參考文獻
[1] 《機械工程材料》（第四版） 王煥庭 李茅華 徐善國主編，大連理工大學出版社
[2] 《金屬學與熱處理》崔忠圻 覃耀春主編，機械工業出版社
[3] 《材料科學基礎》 王章忠主編，機械工業出版社
第二篇: 金屬材料的硬度實驗報告
加工硬化對中碳鋼組織和性能的影響
一 實驗目的：
1.1 通過金屬材料實驗全過程，根據給定的實驗條件，自己設計實驗方案，確定實驗方法，選定實驗器材，擬定實驗操作程序，自己加以實現并對實驗結果進行分析處理，是學生進一步加深對金屬材料課程所學內容的理解，熟悉實驗設備，掌握實驗基本方法。提高動手能力和團隊合作的意識，達到培養學生分析問題和進行科學研究能力的目的。
1.2 掌握金屬材料塑性變形,熱處理工藝,組織結構與性能之間的關系。
1.3 運用已學的金屬材料理論知識，參考有關資料，以預定性能指標為依據，正確制定合理的實施方案。
二 課程內容：
2.1 初步了解金屬材料選擇的原則，并選取實驗材料；
2.2 掌握主要熱處理工藝方法，熟悉主要熱處理設備的結構與爐溫的控制儀表；
2.3 熟練掌握金相試樣的制備方法，能使用金相顯微鏡觀察，分析金相顯微組織；
2.4 掌握金屬力學性能及其影響因素；
2.5 選擇電子萬能試驗機及硬度計，了解其特征和使用方法。
2.6 了解鑲嵌機的使用及操作規程。
三 實驗原理
3.1 金屬塑性變形
金屬塑性變形的基本方式有滑移和孿生兩種。在切應力作用下，晶體的一部分沿某一晶面相對于另一部分滑動，這種變形方式稱為滑移；在切應力作用下，晶體的一部分沿某一晶面相對另一部分產生剪切變形，且變形部分與未變形部分的位向形成了鏡面對稱關系，這種變形方式稱為孿生。
一、單晶體金屬的塑性變形
單晶體受力后，外力在任何晶面上都可分解為正應力和切應力。正應力只能引起彈性變形及解理斷裂。只有在切應力的作用下金屬晶體才能產生塑性變形。
■ 塑性變形有兩種形式：滑移和孿生。在多數情況下，金屬的塑性變形是以滑移方式進行的。
（一）滑移
1.滑移與滑移帶
1)滑移是指晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分發生滑動位移的現象。
滑移變形的特點：
⑴滑移只能在切應力的作用下發生。產生滑移的最小切應力稱臨界切應力。
⑵滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發生。因為原子密度最大的晶面和晶向之間原子間距最大，結合力最弱，產生滑移所需切應力最小。
沿其發生滑移的晶面和晶向分別叫做滑移面和滑移方向。通常是晶體中的密排面和密排方向。
⑶ 滑移時，晶體兩部分的相對位移量是原子間距的
整數倍。
2)滑移帶
滑移的結果在晶體表面形成臺階，稱滑移線，若干條滑移線組成一個滑移帶。
2 .滑移系
一個滑移面和其上的一個滑移方向構成一個滑移系。
金屬的塑性，面心立方晶格好于體心立方晶格，體心立方晶格好于密排六方晶格。
3.滑移時晶面的轉動: ①外力錯動→力偶使滑移面轉動→滑移面∥拉伸軸。
②以滑移面的法線為轉軸的轉動→滑移方向∥最大切應力方向。
㈡ 孿生
孿生是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對于另一部分所發生的切變。發生切變的部分稱孿生帶或孿晶，沿其發生孿生的晶面稱孿生面，孿生的結果使孿生面兩側的晶體呈鏡面對稱。
與滑移相比：孿生使晶格位向發生改變；所需切應力比滑移大得多, 變形速度極快, 接近聲速；孿生時相鄰原子面的相對位移量小于一個原子間距。
二、多晶體金屬的塑性變形單個晶粒變形與單晶體相似。而
多晶體變形比單晶體復雜得多。
㈠ 晶界及晶粒位向差的影響
1、晶界的影響
當位錯運動到晶界附近時，受到晶界的阻礙而堆積起
來，稱位錯的塞積。要使變形繼續進行，則必須增加外
力，從而使金屬的塑性變形抗力提高。
2、晶粒位向的影響
由于各相鄰晶粒位向不同，當一個晶粒發生塑性變形時，為了保持金屬的連續性，周圍的晶粒若不發生塑性變形，則必以彈性變形來與之協調。這種彈性變形便成為塑性變形晶粒的變形阻力。由于晶粒間的這種相互約束，使得多晶體金屬的塑性變形抗力提高。
㈡ 多晶體金屬的塑性變形過程
多晶體中首先發生滑移的是滑移系與外力夾角等于或接近于45°的晶粒。當塞積位錯前端的應力達到一定程度，加上相鄰晶粒的轉動，使相鄰晶粒中原來處于不利位向滑移系上的位錯開動，從而使滑移由一批晶粒傳遞到另一批晶粒，當有大量晶粒發生滑移后，金屬便顯示出明顯的塑性變形。
㈢晶粒大小對金屬力學性能的影響
金屬的晶粒越細，其強度和硬度越高。因金屬晶粒越細，晶界總面積越大，位錯障礙越多；需要協調的具有不同位向的晶粒越多，使金屬塑性變形的抗力越高。
金屬的晶粒越細，其塑性和韌性也越高。
因晶粒越細，單位體積內晶粒數目越多，參與變形的晶粒數目也越多，變形越均勻，使在斷裂前
發生較大的塑性變形。強度和塑性同時增加，金屬在斷裂前消耗的功也大，因而其韌性也比較好。
通過細化晶粒來同時提高金屬的強度、硬度、塑性和韌性的方法稱細晶強化。
3.1.1 冷塑性變形對金屬組織與性能的影響
若金屬在再結晶溫度以下進行塑性變形，稱為冷塑性變形。冷塑性變形不僅改變了金屬材料的形狀與尺寸，而且還將引起金屬組織與性能的變化。
金屬在發生塑性變形時，隨著外形的變化，其內部晶粒形狀由原來的等軸晶粒逐漸變為沿變形方向伸長的晶粒，在晶粒內部也出現了滑移帶或孿晶帶。當變形程度很大時，晶粒被顯著地拉成纖維狀，這種組織稱為冷加工纖維組織。同時，隨著變形程度的加劇，原來位向不同的各個晶粒會逐漸取得近于一致的位向，而形成了形變織構，使金屬材料的性能呈現出明顯的各向異性。圖3-1為工業純鐵經不同程度變形的顯微組織。
圖3-1 工業純鐵冷塑性變形后組織(150X)
a)變形程度20% b)變形程度50% c)變形程度70%
金屬經冷塑性變形后，會使其強度、硬度提高，而塑性、韌性下降，這種現象稱為加工硬化。此外，在金屬內部還產生殘余應力。一般情況下，殘余應力不僅降低了金屬的承載能力，而且還會使工件的形狀與尺寸發生變化。
3.1.2 冷塑性變形后金屬在加熱時組織與性能的變化
3.1.2.1 顯微組織變化
金屬經過塑性變形，會發生加工硬化現象，而且內部產生殘余內應力。為了去除內應力，或者為了消除加工硬化現象以便繼續變形，需要對冷變形金屬進行加熱處理。由于變形金屬內部存在嚴重的晶格畸變，原子處于不穩定狀態，本身就有向穩定狀態轉變的傾向。加熱時，原子的活動擴散能力提高了，促使其向穩定狀態轉變，并使金屬的組織結構和性能發生變化。這種變化可分為回復（recovery）、再結晶（recrystallization）和晶粒長大（grain growth）這三個階段 , 圖 3.11 回復再結晶
如圖 3.11所示。
3.1.2.2 儲存能釋放與性能變化
冷變形時，外力所作的功尚有一小部分儲存在形變金屬內部，這部分能量叫儲存能，加熱過程中，原子活動能力增強，偏離平衡位置大，能量高的原子將向低能的平衡位置遷移，將儲存能逐步釋放出來，使內應力松馳，純金屬儲存能釋放少，合金儲存能釋放多，儲存能的釋放使金屬的對結構敏感的性質發生不同程度的變化。右圖給出幾種性能的變化與儲存能的關系
3.1.3 回復
回復是指冷變形金屬在加熱溫度較低時，金屬中的一些點缺陷和位錯的遷移，使晶格畸變逐漸減小，內應力逐漸降低的過程。這時因為原子活動能力不大，所以金屬的晶粒大小和形狀尚無明顯的變化，因而其強度、硬度和塑性等機械性能變化不大，而只會使內應力及電阻率等理化性能顯著降低。工業上，對冷變形后金屬要保持其因加工硬化而提高的強度、硬度，又需消除殘余內應力的，則可在低溫回復階段加熱保溫，以基本去除其內應力，這種熱處理稱為去應力退火。例如，用冷拉鋼絲繞制彈簧，繞成后應在280~300℃消除應力退火使其定形。
3.1.3.1回復機理
低溫回復主要涉及點缺陷的運動。空位或間隙原子移動到晶界或位錯處消失，空位與間隙原子的相遇復合，空位集結形成空位對或空位片，使點缺陷密度大大下降。
中溫回復時．隨溫度升高．原子活動能力增強，位錯可以在滑移面上猾移或交滑移，使異號位錯相通相消，位錯密度下降，位錯纏結內部重新排列組合，使亞晶規整化。
高溫回復，原子活動能力進一步增強，位錯除滑移外，還可攀移。主要機制是多邊化。冷變形使平行的同號位錯在滑移面上塞積，致使晶格彎曲，所增殖的位錯雜亂分布。
高溫回復過程中，這些刃位錯便通過攀移和滑移，由原來能量較高的水平塞積。
3.1.4 再結晶
冷變形金屬的加熱溫度高于回復階段以后，當溫度繼續升高時，由于原子活動能力增大，金屬的顯微組織發生明顯的變化，由破碎拉長或壓扁的晶粒變為均勻細小的等軸晶粒。這一過程實質上是一個新晶粒重新形核和長大的過程，故稱為“再結晶”。再結晶以后，只是晶粒外形發生了變化，而晶格類型并未變，仍與原始晶粒相同。再結晶的晶核一般是在變形晶粒的晶界或滑移帶及晶格畸變嚴重的地方形成，晶核形成后，依靠原子的擴散移動，向附近周圍長大，直至各晶核長大到相互接觸，形成新的等軸晶粒為止。通過再結晶，金屬的顯微組織發生了徹底的改變，故其強度和硬度顯著降低，而塑性和韌性大大提高，加工硬化現象得以消除，變形金屬的所有機械和物理性能全部恢復到冷變形以前的狀態。因此，再結晶在工業上主要用于金屬在冷變形之后或在變形過程中，使其硬度降低，塑性升高，以便于進一步加工，這樣的熱處理稱為再結晶退火。
3.1.4.1 形核機制
(1) 小變形量的弓出形核機制
當形量較小的，由于變形不均勻，相鄰晶粒的位錯密度相差可以很大，此時晶界中的一小段會向位錯密度高的一側突然弓出
(2) 亞晶合并機制
變形量較大的高層錯能金屬再結晶核心通過亞晶合并來產生的。
(3) 亞晶蠶食機制
變形量很大的低層錯能金屬擴展位錯寬度大，不易束集，交滑移困難，位錯密度很高，在位錯密度很大的小區域，通過位移的攀移和重新分布，形成位錯密度很低的亞晶，這個亞晶便向周圍位錯密度高的區域生長。相應的，亞晶界的位錯密度逐漸增大，亞晶與周圍形高基體取向差逐漸變大，最終由小角度晶界演變成大角度晶界，大角度晶界一旦形成，可突然弓出，遷移，蠶食途中所遇位錯，留下無畸高晶體，成為再結晶核心。
3.1.4.2 再結晶動力學
對恒溫再結晶動力學人們作過大量研究。下圖為純鐵經98％冷軋，在不同溫度下 等溫再結晶．已經再結晶的體積分數xv與等溫時間t的關系曲線。具有典型的形核，長大過程的動力學特征。等溫溫度越高，孕育期越短，再結晶速度越快。等溫的每個溫度下，再結晶速度開始很小，隨xv的增加而逐漸增大，并在大約50％處達到最大，然后又逐漸減小。
3.1.5 晶粒長大
再結晶完成以后，若再繼續升高加熱溫度或過分地延長加熱時間，金屬的晶粒便會繼續長大。因為通過晶粒長大可減少晶界的面積，使表面能降低，所以晶粒長大是一個降低能量的自發過程。只要溫度足夠高，使原子具有足夠的活動能力，晶粒便會迅速長大。晶粒長大實際上是一個晶界遷移的過程，即通過一個晶粒的邊界向另一晶粒的遷移，把另一晶粒中的晶格位向逐步轉變為與這個晶粒相同的晶格位向，于是另一晶粒便逐步地被這一晶粒“吞并”，合并成一個大晶粒。如圖 3.12 所示
圖 3.12 晶粒長大示意圖
通常在再結晶后獲得細小均勻的等軸晶粒的情況下，晶粒長大的速度并不很大，但如果原來的變形不均勻，經過再結晶后得到的是大小不均勻的晶粒，那么，由于大小晶粒之間的能量相差懸殊，便很容易發生大晶粒吞并小晶粒而愈長愈大的現象，從而得到異常粗大的晶粒，使金屬的機械性能顯著降低。為了區別于通常的晶粒正常長大，常把晶粒的這種不均勻急劇長大的現象稱為“二次再結晶”。
3.1.5.1 晶粒長大的驅動力
????晶粒長大的驅動力，從整體上看，是晶粒長大前后總的界面能差。從個別晶粒長大的微觀過程來說，晶界具有不同的曲率則是造成晶界遷移的直接原因。
3.1.5.2 影響晶粒長大的因素
(1)溫度溫度越高晶粒長大速度越快。一定溫度下，晶粒長到極限尺寸后就不再長大，但提高溫度后晶粒將繼續長大。
(2)雜質與合金元素雜質及合金元素滲入基體后能阻礙晶界運動。
(3)第二相質點彌散分布的第二相粒子阻礙晶界的移動，可使晶粒長大受到抑制。
晶粒的異常長大
異常晶粒長大又稱不連續晶粒長大或二次再結晶，是—種特殊的晶粒長大現象。發生異常長大的條件是，正常晶粒長大過程被分散相粒子，織構或表面熱蝕溝等強烈阻礙，能夠長大的晶粒數目較少，致使晶粒大小相差懸殊。晶粒尺寸差別越大，大晶粒吞食小晶粒的條件越有利，大晶粒的長大速度也會越來越快，最后形成晶粒大小極不均勻的組織。
二次再結晶形成非常粗大的晶粒及非常不均勻的組織，從而降低了材料的強度與塑性。因此在制定冷變形材料再結晶退火工藝時．應注意避免發生二次再結晶。
3.1.5.3 再結晶溫度和再結晶晶粒大小的影響因素
3.1.5.3.1 再結晶溫度及其影響因素
再結晶不是一個恒溫過程，而是在一定的溫度范圍內進行的。工程上規定，大變形量（~70%以上）的冷變形金屬經一小時保溫，能完成再結晶（>95%轉變量）的最低溫度，稱為該金屬的再結晶溫度。每種金屬的再結晶溫度都各不相同，即便是同一種金屬，其再結晶溫度也不是固定的，而是受到諸多因素影響：
(1)冷變形程度：冷變形程度越大，金屬畸變能越高，向低能量狀態變化的傾向也越大，因此再結晶溫度越低，如圖 3.13 所示。當變形達到一定程度之后，再結晶溫度將趨近某一最低極限值，稱為“最低再結晶溫度”。
實驗證明，工業純金屬的熔點與最低再結晶溫度之間有如下關系
T再 ≈ (0.35 ~ 0.40)T熔
式中溫度按熱力學溫度（絕對溫度）計。
圖 3.13 金屬的再結晶溫度與變形量的關系
(2)保溫時間：加熱時保溫時間越長，原子的擴散移動越能充分進行，再結晶溫度就越低。
(3)原始晶粒度：原始晶粒越粗大，變形阻力越小，變形后內能集聚較少，
所以再結晶溫度較高。
(4)金屬純度及成分：金屬中加入的合金元素或所含的雜質元素，常會阻礙原子的擴散與晶界的遷移，推遲再結晶的進行，因此金屬的純度低，可以明顯提高再結晶溫度。
考慮到以上各因素的影響，為了縮短退火周期，在工業上選擇再結晶退火溫度，一般比最低再結晶溫度高 100~200℃。
3.1.5.3.2 再結晶后晶粒大小的因素
變形金屬在再結晶退火后得到的晶粒大小，不僅影響到金屬的強度和塑性，還影響到金屬的韌性，因此控制再結晶后的晶粒大小是非常重要的。影響再結晶
后晶粒大小的因素主要有以下幾種：
(1) 退火加熱溫度：再結晶退火時加熱溫度越高，金屬的晶粒尺寸越大，如圖 3.14 所示。當加熱溫度一定時，時間過長也會使晶粒長 大，但其影響不如溫度的影響大。
(2) 冷變形程度： 金屬的冷變形程度是影響再結晶晶粒大小的另一重要因素。圖 3.15 表明再結晶后的晶粒大小與冷變形程度的關系。當金屬的冷變形量在 2%~10%的范圍內時，再結晶后的晶粒會異常粗大。通常把再結晶時晶粒異常粗大所對應的冷變形量稱為“臨界變形量”。當變形量超過臨界變形量后，隨著變形量的增加，再結晶的晶粒逐漸變細。因此，為了獲得優良的組織和性能，在制定壓力加工工藝時，必須避免在臨界變形量附近進行冷變形。
3.2 洛氏硬度試驗的基本原理
洛氏硬度試驗常用的壓頭有兩種：一種是頂角為120的金剛石圓錐，另一種是直徑為1”/16（1.588mm）的淬火鋼球。據金屬材料軟硬程度不同，可選用不同的壓頭和負荷配合使用，最常用的是HRA、HRB、和HRC。這三種壓頭、負荷及應用范圍可參考下表。
三種壓頭、負荷及應用范圍表
符號
壓頭
負荷（kgf）
硬度值有效范圍
使用范圍
HRA
120o金剛石圓錐
60
>70
使用測量硬度質合金、表面淬火層、滲碳層
HRB
1″/16鋼球
100
25~100（HB60~230）
使用測量有色金屬、退火及正火鋼
HRC
120o金剛石圓錐
150
20~67（HBC230~700）
使用測量調質鋼、淬火鋼
圖5-3 洛氏硬度實驗原理圖
洛氏硬度測定時，需先后兩次施加負荷（初負荷和主負荷），施加初負荷的目的是使壓頭與試樣表面接觸良好，以保證測量結果準確，圖5-3中0-0為末加上主負荷的位置，1-1為加上10kgf初負荷后的位置，此時壓入深度為h1，2-2位置為加上主負荷后的位置，此時使壓入深度為h2，h2包括由加荷所引起的彈性變形和塑性變形。卸荷后，由于彈性變形恢復，壓頭提高到3-3位置，此時壓頭的實際壓入深度為h3。洛氏硬度就是以主負荷所引起的殘余壓入深度（h=h3-h1）來表示的，但這樣直接以壓入深度的大小表示硬度，將會出現硬的金屬硬度小，而軟的金屬硬度值大的現象，這與布氏強度所表示的硬度大小的概念相矛盾。為了與習慣上數值越大硬度越高的概念相一致，故需用一常數（K）減去（h3-h1）的差值表示洛氏硬度值。為簡便起見又規定每0.002mm的壓入深度作為一個硬度單位（即表盤上一小格）。
洛氏硬度值的計算公式如下：
式中的常數K，當采用金剛石圓錐時，K=0.2（用于HRA、HRC），采用鋼球時，K=0.26（用于HRB）。
為此，上式可寫為：
3.2.1 洛氏硬度試驗機的技術要求
(1）? 被測金屬表面必須平整光潔。
(2）? 試樣厚度應不低于壓入深度的10倍。
(3）? 兩相鄰壓痕及壓痕距試樣邊緣的距離均不應小于3mm。
(4）? 加初負荷時，應謹防試樣與金剛石壓頭突然碰撞，以免將金剛石壓頭碰壞。
3.2.2 洛氏硬度試驗機的結構及操作
HB-150型洛氏硬度試驗機的結構如圖5-4所示。
圖5-4 HB-150型洛氏硬度試驗機結構圖
它是由加卸負荷和測量兩部分組成的。前者都是利用杠桿和砝碼，后者是用百分表測量壓痕深度的，即洛氏硬度值可直接由百分表盤上讀出。
實驗時，先將試樣置于試樣臺上，并對準壓頭，順時針轉動手輪，使試樣上升與壓頭接觸，繼續緩慢轉動手輪使百分表刻度盤上的短時針順時針轉動直到對準紅點，然后再轉動表盤使表盤上的長針對準0點，此時，壓頭利用彈簧壓縮的方法將10kgf的負荷加到了試樣上，然后將負荷手柄緩慢向后推（4~5秒鐘），于是主負荷加到試樣上，主負荷加上后，長針由轉動到停止，待持續一秒后，再將負荷手柄向前拉，回到原始位置，待長針停止轉動后，長針所指示的讀數即為該材料的硬度值。
最后，逆時針回轉手輪，使試樣臺下降，取下試樣，放回原處。
3.3 金相試樣制備
金相試樣制備過程一般包括：取樣、粗磨、細磨、拋光和浸蝕五個步驟。
3.3.1.取樣
從需要檢測的金屬材料和零件上截取試樣稱為"取樣"。取樣的部位和磨面的選擇必須根據分析要求而定。截取方法有多種，對于軟材料可以用鋸、車、刨等方法；對于硬材料可以用砂輪切片機或線切割機等切割的方法，對于硬而脆的材料可以用錘擊的方法。無論用哪種方法都應注意，盡量避免和減輕因塑性變形或受熱引起的組織失真現象。試樣的尺寸并無統一規定，從便于握持和磨制角度考慮，一般直徑或邊長為15~20mm，高為12~18mm比較適宜。對那些尺寸過小、形狀不規則和需要保護邊緣的試樣，可以采取鑲嵌或機械夾持的辦法。
金相試樣的鑲嵌，是利用熱塑性塑料(如聚氯乙烯)，熱凝性塑料(如膠木粉)以及冷凝性塑料(如環氧樹脂+固化劑)作為填料進行的。前兩種屬于熱鑲填料，熱鑲必須在專用設備一鑲嵌機上進行。第三種屬于冷鑲填料，冷鑲方法不需要專用設備，只將適宜尺寸(約φl5~20mm)的鋼管、塑料管或紙殼管放在平滑的塑料(或玻璃)板上，試樣置于管內待磨面朝下倒入填料，放置一段時間凝固硬化即可。
3.3.2.粗磨
粗磨的目的主要有以下三點：
1)修整 有些試樣，例如用錘擊法敲下來的試樣，形狀很不規則，必須經過粗磨，修整為規則形狀的試樣；
2)磨平 無論用什么方法取樣，切口往往不十分平滑，為了將觀察面磨平，同時去掉切割時產生的變形層，必須進行粗磨；
3)倒角 在不影響觀察目的的前提下，需將試樣上的棱角磨掉，以免劃破砂紙和拋光織物。
黑色金屬材料的粗磨在砂輪機上進行，具體操作方法是將試樣牢牢地捏住，用砂輪的側面磨制。在試樣與砂輪接觸的一瞬間，盡量使磨面與砂輪面平行，用力不可過大。由于磨削力的作用往往出現試樣磨面的上半部分磨削量偏大，故需人為地進行調整，盡量加大試樣下半部分的壓力，以求整個磨面均勻受力。另外在磨制過程中，試樣必須沿砂輪的徑向往復緩慢移動，防止砂輪表面形成凹溝。必須指出的是，磨削過程會使試樣表面溫度驟然升高，只有不斷地將試樣浸水冷卻，才能防止組織發生變化。
砂輪機轉速比較快，一般2850r/min，工作者不應站在砂輪的正前方，以防被飛出物擊傷。操作時嚴禁戴手套，以免手被卷入砂輪機。
3.3.3.細磨
粗磨后的試樣，磨面上仍有較粗較深的磨痕，為了消除這些磨痕必須進行細磨。細磨，可分為手工磨和機械磨兩種。
（1）手工磨
手工磨是將砂紙鋪在玻璃板上，左手按住砂紙，右手握住試樣在砂紙上作單向推磨。金相砂紙由粗到細分許多種，其規格可參考表2-1。
表2-1 常用金相砂紙的規格
金相砂紙編號
01
02
03
04
05
06
粒度序號
M28
M20
M14
M10
M7
M5
砂粒尺寸/
28～20
20～14
14～10
10～7
7～5
5～3.5
①表中為多數廠家所用編號，目前沒有統一規格
用砂輪粗磨后的試樣，要依次由01號磨至05號(或06號)。操作時必須注意：
1)加在試樣上的力要均勻，使整個磨面都能磨到；
2)在同一張砂紙上磨痕方向耍一致，并與前一道砂紙磨痕方向垂直。待前一道砂紙磨痕完全消失時才能換用下一道砂紙。
3)每次更換砂紙時，必須將試樣、玻璃板清理干凈，以防將租砂粒帶到細砂紙上。
4)磨制時不可用力過大，否則一方面因磨痕過深增加下一道磨制的困難，另一方面因表面變形嚴重影響組織真實性。
5)砂紙的砂粒變鈍磨削作用明顯下降時，不宜繼續使用，否則砂粒在金屬表面產生的滾壓會增加表面變形。
6)磨制銅、鋁及其合金等軟材料時，用力更要輕，可同時在砂紙上滴些煤油，以防脫落砂粒嵌入金屬表面。
（2）機械磨
目前普遍使用的機械磨設備是預磨機。電動機帶動鋪著水砂紙的圓盤轉動，磨制時，將試樣沿盤的徑向來回移動，用力要均勻，邊磨邊用水沖。水流既起到冷卻試樣的作用，又可以借助離心力將脫落砂粒、磨屑等不斷地沖到轉盤邊緣。機械磨的磨削速度比手工磨制快得多，但平整度不夠好，表面變形層也比較嚴重。因此要求較高的或材質較軟的試樣應該采用手工磨制。
3.3.4.拋光
拋光的目的是去除細磨后遺留在磨面上的細微磨痕，得到光亮無痕的鏡面。拋光的方法有機械拋光、電解拋光和化學拋光三種，其中最常用的是機械拋光。
機械拋光在拋光機上進行，將拋光織物(粗拋常用帆布，精拋常用毛呢)用水浸濕、鋪平、繃緊并固定在拋光盤上。啟動開關使拋光盤逆時針轉動，將適量的拋光液(氧化鋁、氧化鉻或氧化鐵拋光粉加水的懸浮液)滴灑在盤上即可進行拋光，拋光時應注意：
1)試樣沿盤的徑向往返緩慢移動，同時逆拋光盤轉向自轉，待拋光快結束時作短時定位輕拋。
2)在拋光過程中，要經常滴加適量的拋光液或清水，以保持拋光盤的濕度，如發現拋光盤過臟或帶有粗大顆粒時，必須將其沖刷干凈后再繼續使用。
3)拋光時間應盡量縮短，不可過長，為滿足這一要求可分粗拋和精拋兩步進行。
4)拋有色金屬(如銅、鋁及其合金等)時，最好在拋光盤上涂少許肥皂或滴加適量的肥皂水。
機械拋光與細磨本質上都是借助磨料尖角銳利的刃部，切去試樣表面隆起的部分。拋光時，拋光織物纖維帶動稀疏分布的極微細的磨料顆粒產生磨削作用，將試樣拋光。
目前，人造金剛石研磨膏(最常用的有W0.5 W1.0 W15 W25 W3.5五種規格的溶水性研磨膏)代替拋光液，正得到日益廣泛的應用。用極少的研磨膏均勻涂在拋光織物上進行拋光，拋光速度快，質量也好。
3.3.5.浸蝕
拋光后的試樣在金相顯微鏡下觀察，只能看到光亮的磨面，如果有劃痕、水跡或材料中的非金屬夾雜物、石墨以及裂紋等也可以看出來，但是要分析金相, 組織還必須進行浸蝕。
浸蝕的方法有多種，最常用的是化學浸蝕法，利用浸蝕劑對試樣的化學溶解和電化學浸蝕作用將組織顯露出來。
純金屬(或單相均勻固溶體)的浸蝕基本上為化學溶解過程。位于晶界處的原子和晶粒內部原子相比，自由能較高，穩定性較差，故易受浸蝕形成凹溝。晶粒內部被浸蝕程度較輕，大體上仍保持原拋光平面。在明場下觀察，可以看到一個個晶粒被晶界(黑色網絡)隔開。如圖1-19b所示。如浸蝕較深，還可以發現各個晶粒明暗程度不同的現象，如圖1-19d所示。這是因為每個晶粒原子排列的位向不同，浸蝕后，以最密排面為主的外露面與原拋光面之間傾斜程度不同的緣故。
兩相合金的浸蝕與單相合金不同，它主要是一個電化學浸沒過程，在相同的浸蝕條件下，具有較高負電位的相(微電池陽極)被迅速溶解凹陷下去；具有較高正電位的相(微電池陰極)在正常電化學作用下不被浸蝕，保持原有的光滑平面。結果產生了兩相之間的高度差。
以共析碳鋼層狀珠光體浸蝕為例，層狀珠光體是鐵素體與滲碳體相間隔的層狀組織浸蝕過程中，因鐵素體具有較高的負電位而被溶解，滲碳體因具有較高的正電位而被保護，另外在兩相交界處鐵素體一側因被嚴重浸蝕形成凹溝。這樣在顯微鏡下可以看到滲碳體周圍有一黑圈，顯示出兩相的存在。
多相合金的浸蝕，同樣也是一個電化學溶解過程，原理與兩相合金相同。但多相合金的組成相比較復雜，用一種浸蝕劑來顯示多種相是難以作到的，只有采用選擇浸蝕法及薄膜浸蝕法等專門方法才行。
化學浸蝕的方法雖然很簡單，但是只有認真對待才能制備出高質量的試樣。將拋光后的試樣用水沖洗同時用脫脂棉擦凈磨面，然后用濾紙吸去磨面上過多的水，吹干后用顯微鏡檢查磨面上是否有道痕、水跡等。同時證明未經過浸蝕的試樣是無法分析組織的。經檢查后合格的試樣可以放在浸蝕劑中，拋光面朝上，不斷觀察表面顏色的變化。這是浸蝕法。也可以用沾有浸蝕劑的棉花輕輕擦拭拋光面，觀察表面顏色的變化。此為擦蝕法。待試樣表面被浸蝕得略顯灰暗時即刻取出，用流動水沖洗后在浸蝕面上滴些酒精，再用濾紙吸去過多的水和酒精，迅速用吹風機吹干，完成整個制備試樣的過程。
四 實驗器材
減壓式萬能試驗機 粗砂紙 金相砂紙 金相試樣鑲嵌機 金相試樣球磨機 金相試樣拋光機 硬度計 電子游標卡尺 4%硝酸酒精溶液 電吹風 箱式節能電阻爐 砂輪機金相研磨試劑
五 實驗步驟
5.1、領取一實驗材料，用粗砂紙磨去其兩端的氧化層，用硬度計測其硬度，測試多次并記錄實驗數據，取其平均值；
5.2、用數字游標卡尺測量實驗材料長度，并計算出30%壓縮形變后的長度，然后用減壓式萬能試驗機進行壓縮變形；
5.3、用硬度計測量形變后的硬度，測試多次并記錄實驗數據，取其平均值；
5.4、由于形變后試樣較小，使金像制備難以進行，因而用金像鑲嵌機進行鑲嵌（加熱到180℃保溫40分鐘，然后冷卻至室溫）；
5.5、用砂輪機將鑲嵌后的試樣一個端面打磨平整，然后用金相試相球磨機將該端面打磨光亮，再先后用粗細金相砂紙將該端面打磨光亮；
5.6、將上述制備的式樣，用金相試相拋光機拋光，直到對著光，端面沒有明亮的劃痕為止；
5.7、用自來水洗凈試樣上的拋光試劑，然后將試樣浸入4%的硝酸酒精溶液中，直到光亮的端面變暗為止；
5.8、將上述試樣從4%硝酸酒精溶液中取出，用清水沖凈附著在其表面的硝酸酒精溶液，然后用電吹風吹干其表面的水，切忌用手觸摸該金相端面；
5.9、用電子金相顯微鏡觀察試樣的金相組織并拍下該試樣的金相照片，以便實驗結果的分析。
六 數據記錄與處理
6.1、實驗現象記錄
6.1.1、測試環境無變化，實驗儀器運轉正常，試樣在壓縮操作過程中，因受實驗儀器的限制，導致不能準確的達到30%的形變量；另外，由于壓縮操作不當，導致試樣形變后呈“S”形，因而壓縮應變后的硬度測試值偏離理論值。
6.2、原始數據記錄
6.2.1 壓縮變形前的硬度（單位：HRB）
原始材料
變形量
加熱溫度/℃
變形前硬度值
均值
中碳鋼
10%
不加熱
90.20
98.56
100.44
96.40
中碳鋼
10%
500
95.30
94.20
93.70
94.40
中碳鋼
10%
640
88.50
93.40
93.41
91.77
中碳鋼
10%
750
95.20
97.20
98.90
97.10
中碳鋼
20%
不加熱
94.60
97.20
93.95
95.25
中碳鋼
20%
500
94.30
97.00
98.80
96.70
中碳鋼
20%
640
92.50
94.60
92.65
93.25
中碳鋼
20%
750
92.50
94.60
93.40
93.50
中碳鋼
30%
不加熱
91.30
90.60
90.10
90.67
中碳鋼
30%
500
90.60
94.30
93.71
92.87
中碳鋼
30%
640
97.50
104.50
101.90
101.30
中碳鋼
30%
750
92.40
89.60
95.50
92.50
中碳鋼
40%
不加熱
90.50
93.20
91.31
91.67
中碳鋼
40%
500
86.20
89.50
86.80
87.50
中碳鋼
40%
640
87.50
90.60
89.80
89.30
中碳鋼
40%
750
90.80
90.60
94.96
92.12
10鋼
10%
不加熱
90.10
94.50
92.75
92.45
10鋼
10%
500
92.30
88.60
92.55
91.15
10鋼
10%
640
93.60
98.10
92.10
94.60
10鋼
10%
750
99.20
89.30
92.90
93.80
6.2.2 壓縮變形后硬度（單位：HRB）
原始材料
變形量
加熱溫度/℃
變形后硬度值
均值
中碳鋼
10%
不加熱
95.20
98.60
97.50
97.10
中碳鋼
10%
500
95.60
94.30
95.40
95.10
中碳鋼
10%
640
83.20
85.90
84.79
84.63
中碳鋼
10%
750
89.90
90.70
92.61
91.07
中碳鋼
20%
不加熱
72.30
76.30
76.70
75.10
中碳鋼
20%
500
75.90
71.60
76.30
74.60
中碳鋼
20%
640
85.90
87.20
86.91
86.67
中碳鋼
20%
750
88.50
93.10
91.10
90.90
中碳鋼
30%
不加熱
85.70
82.10
84.90
84.23
中碳鋼
30%
500
85.30
88.70
84.39
86.13
中碳鋼
30%
640
90.70
87.50
99.30
92.50
中碳鋼
30%
750
104.50
108.70
101.80
105.00
中碳鋼
40%
不加熱
94.50
95.80
110.30
100.20
中碳鋼
40%
500
57.20
62.50
59.70
59.80
中碳鋼
40%
640
84.60
88.80
82.20
85.20
中碳鋼
40%
750
84.50
87.60
86.50
86.20
10鋼
10%
不加熱
89.50
92.50
90.64
90.88
10鋼
10%
500
94.50
90.50
87.40
90.80
10鋼
10%
640
94.90
88.50
93.20
92.20
10鋼
10%
750
85.60
88.00
86.50
86.70
6.2.3 退火處理后硬度（單位：HRB）
原始材料
變形量
加熱溫度/℃
熱處理后硬度值
均值
中碳鋼
10%
不加熱
中碳鋼
10%
500
84.50
89.80
90.00
88.10
中碳鋼
10%
640
74.60
77.60
77.21
76.47
中碳鋼
10%
750
85.40
88.30
88.20
87.30
中碳鋼
20%
不加熱
中碳鋼
20%
500
83.40
86.30
89.20
86.30
中碳鋼
20%
640
80.60
85.30
80.70
82.20
中碳鋼
20%
750
86.50
80.60
90.60
85.90
中碳鋼
30%
不加熱
中碳鋼
30%
500
72.90
77.40
72.60
74.30
中碳鋼
30%
640
70.60
72.50
72.30
71.80
中碳鋼
30%
750
83.00
79.00
86.91
82.97
中碳鋼
40%
不加熱
中碳鋼
40%
500
75.40
79.60
78.19
77.73
中碳鋼
40%
640
85.60
88.70
88.08
87.46
中碳鋼
40%
750
85.30
79.50
79.70
81.50
10鋼
10%
不加熱
10鋼
10%
500
65.40
66.80
58.00
63.40
10鋼
10%
640
57.50
52.60
67.80
59.30
10鋼
10%
750
41.50
42.60
35.00
39.70
6.3、結果計算
6.3.1 中碳鋼經500℃、640℃、750℃退火后硬度的變化曲線
6.3.2 10鋼經10%壓縮后經500℃、640℃、750℃退火后硬度的變化曲線
6.5 我實驗數據（單位：HRB）
原始材料
變形量
加熱溫度/℃
變形前硬度值
均值
中碳鋼
30%
不加熱
91.30
90.60
90.10
90.67
原始材料
變形量
加熱溫度/℃
變形后硬度值
均值
中碳鋼
30%
不加熱
85.70
82.10
84.90
84.23
七 實驗結果分析
（1） 實驗結果表明中碳鋼經30%的壓縮變形后，其硬度值降低，這偏離了預定的設想，與加工硬化理論相矛盾。
（2） 影響測試結果的因素
1） 實驗儀器中減壓式萬能試驗機，不能準確的控制壓力與壓縮量之間的關系，導致試樣的變形量與理論變形量之間存在較大偏離值；
2） 壓力機的兩個壓頭端面不水平，導致試樣在壓縮變形時，上下兩端面不再平行，圓柱體形試樣經壓縮后變為“S”形；
3） 在壓縮變形后測試硬度時，因試樣變形，使硬度計的硬質鋼球壓頭的鉛直線與被測試樣的端面不垂直；
4） 在測試試樣壓縮變形前的硬度時，用砂輪機打磨去試樣端面的氧化層時，相當于對該端面進行一定的塑性變形處理，導致初始測試的理論值偏大；
5） 實驗操作者實驗操作不夠熟練。
（3） 改進意見
1）學校應更換實驗設備，添加電子萬能試驗機；
2） 為學生提供更多做實驗機會，以培養學生試樣操作能力；
八 實驗結果
（1） 壓縮變形后（因實驗設備的限制），中碳鋼的硬度變小。
（2） 測試的結果
原始材料
變形量
加熱溫度/℃
變形前硬度值
均值
中碳鋼
30%
不加熱
91.30
90.60
90.10
90.67
原始材料
變形量
加熱溫度/℃
變形后硬度值
均值
中碳鋼
30%
不加熱
85.70
82.10
84.90
84.23
九 體會心得
通過這次實驗，我初步了解金屬材料選擇的原則，掌握主要熱處理工藝方法，熟悉主要熱處理設備的結構與爐溫的控制儀表，熟練掌握金相試樣的制備方法，能使用金相顯微鏡觀察、分析金相顯微組織；進一步加深對金屬材料課程所學內容的理解，熟悉實驗設備，掌握實驗基本方法。另外，還提高我的實驗動手能力和培養了團隊合作的意識，在一定程度上，達到培養分析問題和進行科學研究能力的目的。
十 參考文獻
[1] 《機械工程材料》（第四版） 王煥庭 李茅華 徐善國主編，大連理工大學出版社
[2] 《金屬學與熱處理》崔忠圻 覃耀春主編，機械工業出版社
[3] 《材料科學基礎》 王章忠主編，機械工業出版社
第三篇: 金屬材料的硬度實驗報告
一 材料的洛氏硬度測定報告
一、實驗目的：
1、了解洛氏硬度計的測試原理。
2、掌握用洛氏硬度計測定材料硬度的方法。
二、實驗原理：
用圓錐形金剛石壓頭或鋼球壓頭，在規定的試驗力下，垂直壓入試件表面。加載方式為，先加初試驗力98.07N，這時壓痕的深度為h1，再加總試驗力（即初試驗力加主試驗力），這時壓痕的深度為h2。。經保持規定時間后，以卸除主試驗力而保留初試驗力時的壓痕深度h3與在初試驗力作用下壓痕深度h1之差來表示硬度。即e＝h3－h1。壓痕深度越大則硬度越軟，但為了符合數值大硬度高的讀數習慣，需用下式作以變換：
K 常數：采用金剛石壓錐時K=100
采用鋼球作壓頭時K=130
C =0.002mm 指示器刻度盤上一個分度格
三、實驗儀器及原材料
1、HR-150型洛氏硬度計
2、根據實際情況填寫
四、實驗步驟：
1、置試件于工作臺上，順時針旋轉手輪使工件上升至加滿初試驗力（即小指針至于紅點）為止，此時大指針應垂直向上指向標記B(C)處，其偏移不得超過±5分度格，否則另選一點。
2、轉動指示器的調整盤，使大指針指向刻度B(C)。
3、向后緩慢推倒加載試驗力操縱手柄，保證主試驗力在4—6秒內施加完畢。總試驗力保持5秒時間后，向前慢拉加載試驗力手柄，卸去主試驗力，保留初試驗力。
4、此時硬度計表頭長指針指向的數據，即為被測試件的硬度值。
5、逆時針轉動手輪使工作臺下降，更換測試點，重復上述操作。
五、數據記錄與處理
試件編號
1
試件材料及處理狀態
HRC(讀數)
平均HRC(硬度值)
試驗規范
壓頭
總載荷P
kgf(N)
硬度標尺
注意：1、加載緩沖器空載下降時間應調整在4-6秒內。
2、試件的最小厚度應大于壓痕深度的10倍。
3、兩個測試點之間間隔應大與5mm。
六、思考題
1、經過了洛式硬度計的檢測后測得已知試樣A的洛氏硬度為60HRC，請問被測材料的壓痕深度為多少？
二 顯微硬度的測定報告
一、實驗目的：
了解顯微硬度的測試原理和顯微硬度計的使用方法。
二、實驗原理：
將顯微硬度計上特制的金剛石壓頭，在一定負荷的作用下壓入待測試樣表面，用硬度計上的測微器，測量正方形壓痕對角線的長度。顯微硬度按下式計算：
式中 HV—顯微硬度值（N/mm2）；
HV=1.8544P/d2
P—負荷（N）；(實驗數據填寫時為1)
d—四方形壓痕對角線平均長度（μm）。（讀數/40）
三、實驗儀器及原材料
1、根據實際情況填寫
2、根據實際情況填寫
四、實驗步驟：
1、打開電源開關，主屏幕點亮，轉動試驗力變換手輪，選擇試驗力。負荷的力值應和
主屏幕上顯示的力值一致，如力值顯示不一致會導致計算公式錯誤而影響示值，旋動變荷手
輪時，應小心緩慢地進行，防止速度過快發生沖擊。
2、轉動壓頭與物鏡切換手柄，使40X物鏡處于主體正前方位位置（光學系統放大倍率
400X，測量狀態），10X的物鏡作為觀察之用（光學系統此時的放大倍率為100X）。
3、將試樣要放在試臺上（置于物鏡的中心位置），搖動升降絲桿手輪，
使試臺上升，當物鏡下端與試塊或試樣相距1～3mm時，眼睛通過測微目鏡觀察，在目鏡中隨著試臺緩慢上升，可觀察到亮度漸漸增強，說明聚焦面即將來到，此時應緩慢搖動手輪，直至目鏡中觀察到試塊或試樣表面的清晰成像為止，焦距已調好。
4、如果在目鏡觀察到的成像模糊，可轉動目鏡前部鏡頭（因每人的視覺都存在著差異），
直至清晰為止，如果在目鏡中觀察到的試塊平面成像有局部亮、暗狀況，則可調節光源裝置上的三個調整螺釘，使光源處于中心位置，如果視場太亮或太暗，則可直接按面板上的L+L-鍵，將光亮度調到舒適清晰狀態。
5、如果想觀察到試塊表面上較大的視場范圍（尋找預置的位置等），將10X物鏡轉換到
主體的正前方，40X物鏡的焦平面與10X物鏡的略有差異，可搖動升降手輪使其成像清晰，旋動微分筒使x—y平臺移動，即可找到預置位置。
注：如果要進行硬度試驗，請將40X物鏡轉動到主體前方，旋動升降手輪，使成像清
晰，再切換壓頭，因為該儀器以40X物鏡成像為基準調整好各部件間的配合。
6、轉動切換手柄，使壓頭軸處于主體前方，按面板START鍵，儀器開始加荷，這時主
屏幕右上方顯示↓表示正在加荷，加荷結束進入保荷狀態時，主屏幕右上方的方框圖內顯示正在進入倒計數的時間數值。保荷結束儀器開始卸荷，主屏幕右上方顯示↑，表示正在卸荷，卸荷結束，主屏幕右上方顯示凸，表示本次試驗結束。
注：①如試樣表面凸凹不平或有多個面組成時，在將壓頭軸進行切換時，要小心防止
壓頭碰及試樣。
②儀器在工作時，或按下START鍵而忘記切換物鏡，千萬不能再轉動切換手柄，必須
等待這次試驗結束后方可移動切換手柄，否則將會造成儀器嚴重損害。
7、轉動切換手柄，使40X物鏡處于主體正前方，觀察目鏡中的壓痕成像，如壓痕成像
不清晰可旋動升降手輪，使其清晰，因為壓痕有深度，在放大400X物鏡時，微小的深度像對焦平面有影響，這是正常的。
8、進行壓痕長度的測量，具體如下：
（1）從測微計目鏡中觀察
（2）同時旋轉微動手輪和百分筒手輪是，從目鏡中觀察，兩條長刻線相切時是，百分筒手輪的零刻線與百分筒主體零刻線應重合是
（3）轉動微動手柄，使一條刻線與實驗壓痕一角相切
（4）旋轉百分筒手輪，使另一條刻線與另一角相切
（5）讀讀數，求壓痕對角線長度（即讀數/40）
(6)對角線長度dl的測量完成，移動目鏡90°，以上述的方法測量對角線長度d2，
五、數據記錄與處理
試樣牌號及狀態
試驗力（N）
壓 痕 對 角 線 長 d(μm)
硬度
d1
ds2
平均值
