金属材料工程专业 实 验 指 导 书 材料科学与工程学院 二〇二四年三月
编写说明 本实验指导书内容涉及金属材料与工程的专业实验，实验内容涉及金属力学性能、金 属物理学、金属热加工工艺学、耐蚀非金属学、金属腐蚀理论、电化学基础等全部专业核 心课和金属表面工程、金属热处理技术、循环冷却水处理技术、腐蚀防护技术等选修课程， 涵盖了金属材料从制备、成型加工、表面处理到腐蚀与防护等过程中的微观结构和力学性 能、腐蚀性能和防护方法等基本质量检测和试验评价方法，具有很强的实践性和可操作性， 实验项目中共设置 10 个综合性实验和 3 个验证性实验，共计 96 学时，通过动手实验操作， 培养学生发现问题，分析问题和解决问题的能力，让学生进一步理解金属材料的基本理论、 掌握研究方法和手段，并重点提高学生的专业知识综合利用能力，满足金属材料专业人才 培养计划的要求。 本专业实验要求相关任课教师配合实验指导教师（或实验员）进行学生实验指导，由 实验教学中心负责安排、实施和考核。其中实验员负责相关实验仪器设备、实验材料、实 验场所和其它实验硬件的准备，实验指导教师负责进行实验讲解、指导和批阅实验报告。 本指导书是在原实验指导书的基础上，根据我校 2020 级金属材料与工程专业新的教 学大纲整理编写，编写人员包括各项实验指导教师和相关课程任课教师，内容包括实验目 的和要求，实验原理，实验仪器和用品，实验操作步骤，实验结果处理，思考讨论题等。 在编写过程中，编者根据本项实验的实际开出情况和学科进展，对原实验指导书部分内容 进行了修改和调整，其中包括仪器设备的更新，装置图，电路图的更新，部分实验内容的 修改与调整，标准和单位的更新等方面，因此，本指导书更具有新颖实用的特点。 本实验指导书适合金属材料与工程专业的本科生使用，也可供其它相关专业的本科生 和研究生参考
目 录 金属材料工程专业实验-1 . 3 实验一 金属材料的力学性能测试 . 错误！未定义书签。 实验二 金相试样的制备和显微分析技术 . 7 2.1 金相试样制备和显微镜的使用 . 7 2.2 计算机金相图像分析技术 .12 实验三 铁碳合金平衡组织观察.16 实验四 钢的常规热处理工艺及非平衡组织观察 . 18 4.1 钢的常规热处理工艺及硬度测量 .18 4.2 非平衡组织观察 .21 实验五 金属材料热加工典型组织观察 . 24 5.1 焊接接头金相组织观察 .24 5.2 铸造合金显微组织观察 .27 实验六 腐蚀环境用水处理剂合成 . 32 6.1 丙烯酰胺水溶液聚合（自由基聚合实验）.32 6.2 低分子量聚丙烯酸钠的合成与表征.35 实验七 水处理剂对冷却水中碳钢的缓蚀和阻垢性能测试. 38
金属材料工程专业实验-1
实验一 金属材料的力学性能测试 一、实验目的 1. 了解电子万能试验机和冲击试验机的使用方法。 2. 掌握低碳钢和不锈钢的拉伸试验方法。 3. 掌握低碳钢和灰铸铁的冲击试验方法。 4. 测定金属材料的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和冲击吸收能量。 二、实验原理 1. 拉伸力－伸长曲线和应力－应变曲线 拉伸力－伸长曲线是拉伸试验中记录的力对伸长的关系曲线。曲线的纵坐标 为力 F，横坐标是绝对伸长ΔL。退火低碳钢在拉伸力作用下的变形过程可分为 弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。正火、退火的碳素结构钢和低合金结构钢， 也都具有类似的拉伸力－伸长曲线，只是力的大小和变形量不同而已。 将拉伸力－伸长曲线的纵、横坐标分别用拉伸试样的原始横截面积 S0和原始 标距长度 L0去除，则得到应力－应变曲线，根据该曲线便可建立金属材料在静拉 伸条件下的力学性能指标。 2. 屈服强度、抗拉强度和断后伸长率 强度和塑性是金属材料重要的力学性能指标，可以通过拉伸试验确定。 强度是金属材料抵抗断裂的能力。屈服现象是金属材料开始塑性变形的标 志，屈服强度表征材料对微量塑性变形的抗力，用下屈服强度 ReL 表示。如果金 属材料在拉伸试验时看不到明显的屈服现象，则用规定残余延伸强度 Rr0.2表示。 抗拉强度是试样拉断过程中相应最大力的应力，其值 Rm等于最大力 Fm除以试样 原始横截面积 S0。 0 eL eL S F R = 0 m m S F R = 塑性是金属材料断裂前发生塑性变形的能力。金属材料常用的塑性指标为断 后伸长率和断面收缩率。断后伸长率是试样拉断后标距的残余伸长与原始标距之 比的百分率，用符号 A 表示。断面收缩率是试样拉断后，缩颈处横截面积的最大 缩减量与原始横截面积之比的百分率，用符号 Z 表示。 100% 0 u 0 ´ - = L L L A 3. 冲击吸收能量 为了显示加载速率和缺口效应对金属材料韧性的影响，需要进行缺口试样冲 击弯曲试验，测定材料的冲击韧性。冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收塑
性变形功和断裂功的能力，常用标准试样的冲击吸收能量 K 表示。 冲击试验是在摆锤式冲击试验机上进行的。将试样水平放在试验机支座上， 缺口位于冲击相背方向。然后将具有一定质量 m 的摆锤举至一定高度 H1，使其获 得一定初始势能 mgH1。释放摆锤冲断试样，摆锤的剩余能量为 mgH2，则摆锤冲断 试样失去的势能为 mgH1－mgH2，此即为试样变形和断裂所消耗的能量，称为冲击 吸收能量，以 K 表示，单位为 J。 冲击弯曲试验标准试样是 U 型缺口或 V 型缺口，分别称为夏比 U 型缺口试样 和夏比 V 型缺口试样。用不同缺口试样测得的冲击吸收能量分别记为 KU 和 KV。 测量球铁或工具钢等脆性材料的冲击吸收能量，常采用 10mm×10mm×55mm 的无 缺口冲击试样。 三、实验仪器设备及流程 1. WDW3100 微控电子万能试验机。 2. JB－300B 冲击试验机。 3. 游标卡尺。 4. 材料：低碳钢、不锈钢、灰铸铁。 电子万能试验机流程：连接电缆线——打开空气开关——打开钥匙开关—— 打开电脑显示器——打开电脑主机开关——运行试验程序。 四、实验操作步骤 1. 拉伸试验 拉伸试验参考国家标准（GB/T 228.1－2010 金属材料拉伸试验 第 1 部分 室 温试验方法）进行，试样按照此标准规定的形状尺寸经切削加工制成。选择低碳 钢和不锈钢两种拉伸试样。操作步骤如下： （1） 用游标卡尺测量试样的直径 D0（或宽度 b 和厚度 h）和原始标距 L0。 （2） 安装试样。 （3） 开始拉伸后观察试样形状尺寸的变化。 （4） 注意观察出现屈服现象时的拉伸力－伸长曲线，记录出现屈服现象时 的静拉伸力。 （5） 注意观察试样屈服后负荷的变化及材料强化现象。 （6） 注意观察静拉伸力最大时出现的缩颈现象，记下最大拉伸力 Fm，注意 观察出现缩颈现象后负荷的回落。 （7） 注意观察试样破断现象。 （8） 分析试验机自动绘出的拉伸力－伸长曲线。 （9） 取下拉断的试样，对接起来测出标距 Lu
（10） 注意观察低碳钢和不锈钢试样拉伸过程的异同点。 2. 冲击试验 冲击试验参考国家标准（GB/T 229－2007 金属材料 夏比摆锤冲击试验方 法）进行，试样按照按此标准规定的形状尺寸经切削加工制成。选择低碳钢和灰 铸铁两种冲击试样。操作步骤如下： （1） 选择冲击力。通常摆锤有几个高度位置供选择。对于容易冲断的金属 材料，应选用较低的位置。 （2） 安装试样。将试样安放在支架上，注意使缺口的背面朝向摆锤的刃口。 （3） 冲击。首先将手柄扳至“取摆”位置，使摆锤扬起到选择的高度，同 时将指针拨至最大刻度位置；然后将手柄扳至“冲击”位置，使摆锤冲击试样。 （4） 读数。仪表上指针指示的数值是被测试样的冲击吸收能量，至少保留 两位有效数字。 五、数据处理 分别记录计算低碳钢和不锈钢材料的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率，低 碳钢和灰铸铁材料的冲击吸收能量。 六、分析讨论题 1. 根据试样的拉伸力－伸长曲线，指出试样在拉伸过程中的变形性质及其 性能变化规律。 2. 比较低碳钢和不锈钢试样的拉伸过程和拉伸力－伸长曲线，指出其主要 区别。 3. 拉伸试验速率如何影响金属材料的强度。 4. 分析影响金属材料冲击韧性的主要因素。 5. 冲击吸收能量能否真正反映材料的韧脆程度。 （执笔人：汤涛） 审核人：
实验二 金相试样的制备和显微分析技术 2.1 金相试样制备和显微镜的使用 一、实验目的 1、了解金相显微镜的构造原理； 2、掌握金相显微镜的使用方法； 3、掌握金相试样的制备方法； 4、了解金相显微组织的显示方法。 二、金相显微镜的构造和使用 1、金相显微镜的构造 金相显微境的常见型式有台式、立式和卧式三大类，通常均由光学系统、照 明系统和机械系统三大部分组成，现以国产 XJB-1 型金相显微镜为例进行说明。 图 1 XJB-1 型金相显微镜的光学系统 1-灯泡，2-聚光镜组，3-聚光镜组， 4-半反射镜，5-辅助透镜，6-物镜组， 7-试祥，8-反光镜，9-孔径光栏， 10-视场光栏，11-辅助透镜，l 2-棱镜， 13-棱镜，14-场镜，15-接目镜 图 2 XJB-1 型金相显微镜的外形结构 1- 栽物台，2-物镜，3-转换器， 4-传动箱，5-微调手轮，6-粗调手轮， 7-电源，8-偏心圆，9-样品，10-目镜， 11-目镜管，12-固定螺钉，13-调节螺 钉，14-视场光栏，15-孔径光栏
XJB-l 型金相显微镜的光学系统 如图 1 所示。由灯泡 1 发生一束光线，经聚光透镜组 2 的会聚和反光镜 8 的 反射，聚集在孔径光栏 9 上，然后经过聚光镜 3，再度将光线聚集在物镜的后焦 面上，最后光线通过物镜，使试样表面得到充分均匀的照明。从试样反射回来的 光线复经物镜组 6、辅助透镜 5、半反射镜 4、辅助透镜 11 以及棱镜 12 和棱镜 13，形成一个倒立放大的实象。该物象再经场透镜 14 和目镜 15 的放大，即得到 所观察试样表面的放大图像。 XJB-1 型金相显微镜的外形结构如图 2 所示。各部件的功能及使用简要介绍 如下： 照明系统 在底座内装有一个低压（6-8 V，15W）灯泡作为光源，灯泡前 安装有聚光镜、反光镜和孔径光栏 15。视场光栏 14 和另一聚光镜则安在支架上。 通过以上一系列透镜及物镜本身的作用，试样表面获得了充分均匀的照明。 显微统调焦装置 在显微镜体的两例有船动和微动调焦手轮，两者在同一部 位。转动粗调手轮 6 可以通过内部齿轮带动支承载物台的弯臂作上下运动。在粗 调手轮的一侧有制动装置，用以固定调焦正确后载物台的位置。微调手轮 5 传动 内部齿轮，使其沿着滑轨缓慢移动。在右侧手轮上刻有分度格，每小格表示物镜 座上下微动 2.0 微米。与刻度盘同侧的齿轮箱上刻有两条白线，用以指示微动升 降的极限位置，微调时不可超出这一范围，否则会损坏机件。 载物台(样品台) 用于放置金相试样。载物台和下面托盘之间有导架，移动 结构采用粘性油膜联结。用手推动，可引导载物台在水平面上作一定范围的移动， 以改变试样的观察部位。 孔径光栏和视场光栏 孔径光栏装在照明反射镜座上面，刻有 0 ~ 5 分刻线， 它们表示孔径大小的毫米数，调整孔径光栏能控制入射光束的粗细，以降低球面 象差。视场光栏装在物镜支架下面，可以旋转滚花套圈来调节视场范围，使目镜 中所见视场照亮而无阴影。 物镜转换器 转换器呈球面形，上面有三个螺孔，可安装不同放大倍数的物 镜。旋动转换器可使物镜镜头进入光路，并定位在光轴上。 目镜简 目镜筒呈 45，倾斜安装在附有棱镜的半球形座上。目镜可转向 90。 呈水平状态，以配合照相装置进行金相显微摄影
2、金相显微镜的使用方法及注意事项 金相显微镜是一种精密光学仪器，在使用时要求细心和谨慎，严格按照使用 规程进行操作。 （1）金相显微镜的使用规程 ①将显微镜的光源插头接在低压（6 ~ 8V）变压器上，接通电源； ②根据放大倍数，选用所需的物镜和目镜，分别安装在物镜座上和目镜衙内。 旋动物镜转换器，使物镜进入光路并定位； ③将试样放在样品台中心，使观察面朗下并用弹餐片压住； ④转动粗调手轮先使镜筒上升，同时用眼观察，使物镜尽可能接近试样表面 （但不得与之相碰），然后反向转动粗调手轮，使镜筒渐渐下降以调节焦距。当 视场亮度增强时，再改用微调手轮调节，直到物象最清晰为止； ⑤适当调节孔径光栏和视场光栏似获得最佳质量的物象。 （2）注意事项 ①操作应细心，不能有粗暴和剧烈动作，严禁自行拆卸显微镜部件； ②）显微镜的镜头和试样表面不能用手直接触摸； ③显微镜的照明灯泡必须接在 6 ~ 8V 变压器上，切勿直接插入 220V 电源， 以免烧毁灯泡； ④旋转粗调和微调手轮时，动作要慢，碰到故障应立即报告，不能强行用力 转动，以免损坏机件。 三、 金相试样的制备 1，金相试样的制备过程 （1）取样 金相试样的选取应根据研究目的取其具有代表性的部位，试样截取方法视材 料的性质不同而异，但应保证不使被观察面的组织发生变化。对软金属，可用手 锯或锯床切割；对硬而脆的材料可用锤击方法；对极硬材料可采用砂轮切片机或 线切割方法；在大工件上取样可用氧气切割等方法。 截取的试样大小以便于握持、易于磨制为准，一般为直径 12 ~ 15mm、高度 （或边长） 12 ~ 15mm 的圆柱体或立方体