物理檢驗組專題調(diào)研

1、北 京 科 技 大 學(xué)生產(chǎn)實習(xí)專題報告題目：_ 物理檢驗室專題報告_學(xué)院：_材料科學(xué)與工程_專業(yè)：_材料科學(xué)與工程（國際班）姓名：_ _學(xué)號：_ _ 指導(dǎo)教師： 2014 年 7 月 10 日生產(chǎn)實習(xí)專題報告摘要通過在北冶物理檢驗組的實習(xí)，對于實際工業(yè)生產(chǎn)中所要用到的金屬材料的物理檢驗手段有了初步的了解，金屬的物理性能檢測包括力學(xué)性能的檢測、金相檢測、物理性能的檢測以及軟磁性能的檢測。每一檢測都有行業(yè)統(tǒng)一執(zhí)行的國家標(biāo)準(zhǔn)，在檢測過程中要求檢測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)圖譜比對，落在范圍內(nèi)或在某一檢測范圍下沒有發(fā)現(xiàn)缺陷即視為沒有缺陷。在檢測之后，檢測結(jié)果可以直接反應(yīng)生產(chǎn)產(chǎn)品的品質(zhì)高低，也可以對于科研和產(chǎn)品的

2、開發(fā)起到幫助和指導(dǎo)的作用。 關(guān)鍵詞：北冶, 金屬物理性能, 檢測- 1 -目錄摘要- 1 -1. 相關(guān)概念- 1 -1.1 金屬材料的性能- 1 -1.2 金屬物理性能- 1 -1.3 金屬物理性能檢測的意義- 1 -2. 物理檢驗室概況及各檢驗組情況概述- 2 -2.1 物理檢驗室概況- 2 -2.2 力學(xué)班組- 2 -2.2.1 高溫持久性能測試- 2 -2.2.2 硬度實驗- 2 -2.2.3 拉伸實驗- 3 -2.3 金相班組- 3 -2.3 物理班組- 4 -2.3.1 表面粗糙度的測量- 4 -2.3.2 平均線膨脹系數(shù)的測量- 5 -2.3.3 其他物理性能的測量- 6 -2.4

3、 軟磁班組- 7 -2.4.1 磁屏蔽系數(shù)的測量- 7 -2.4.2 直流性能測試- 7 -2.4.3 交流性能測試- 7 -3. 討論- 7 -3.1 宏觀金相檢驗- 7 -3.2 磁滯現(xiàn)象- 8 -4. 結(jié)論- 9 -參考文獻- 10 -1. 相關(guān)概念1.1 金屬材料的性能金屬材料的性能一般分為工藝性能和使用性能兩類。所謂工藝性能是指機械零件在加工制造過程中，金屬材料在所定的冷、熱加工條件下表現(xiàn)出來的性能。金屬材料工藝性能的好壞，決定了它在制造過程中加工成形的適應(yīng)能力。由于加工條件不同，要求的工藝性能也就不同，如鑄造性能、可焊性、可鍛性、熱處理性能、切削加工性等。所謂使用性能是指機械零件在

4、使用條件下，金屬材料表現(xiàn)出來的性能，它包括力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能等。金屬材料使用性能的好壞，決定了它的使用范圍與使用壽命。在機械制造業(yè)中，一般機械零件都是在常溫、常壓和非常強烈腐蝕性介質(zhì)中使用的，且在使用過程中各機械零件都將承受不同載荷的作用。金屬材料在載荷作用下抵抗破壞的性能，稱為力學(xué)性能（過去也稱為機械性能）。金屬材料的力學(xué)性能是零件的設(shè)計和選材時的主要依據(jù)。外加載荷性質(zhì)不同（例如拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、沖擊、循環(huán)載荷等），對金屬材料要求的力學(xué)性能也將不同。常用的力學(xué)性能包括：強度、塑性、硬度、沖擊韌性、多次沖擊抗力和疲勞極限等。1.2 金屬物理性能顧名思義，金屬物理性能研究的對象是金屬，

5、機油純金屬，又有合金，既有晶態(tài)，也有非晶態(tài)，統(tǒng)稱為金屬材料，金屬材料的物理性能最初發(fā)展包括力學(xué)性能、熱學(xué)性能、聲學(xué)性能、光學(xué)性能、電學(xué)性能、磁學(xué)性能、輻照性能等1，由于應(yīng)用的廣泛性，現(xiàn)已把力學(xué)性能（諸如韌性、強度、塑性等）從物性中獨立出來，如同現(xiàn)在把力學(xué)從物理學(xué)中抽出并與之并列一樣2,1.3 金屬物理性能檢測的意義 金屬材料目前仍是使用最為廣泛的材料，對于金屬材料的研究仍是材料研究的一個重要方面。盡管金屬材料大都以使用力學(xué)性能為主，但應(yīng)注意到： 通過物理性能的研究可以間接了解材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，為提高材料力學(xué)性能提供一些思路和途徑； 金屬功能材料的發(fā)展十分迅猛，雖用量不大，但都用在關(guān)鍵部位，對于

6、國計民生和國防建設(shè)具有重要意義，對物性的研究可以為發(fā)展金屬功能材料提供一些理論基礎(chǔ)。物理性能檢測是金屬材料檢測的一個重要方面。對于所有金屬材料，物理性能都是必不可少的基礎(chǔ)性能，而對于特定的功能材料，某項物理性能參數(shù)將成為該材料的主要技術(shù)指標(biāo)。由于物理性能與材料的微觀狀態(tài)和生產(chǎn)過程密切相關(guān)，故它的測試實驗，有事研究金屬材料的重要手段。2. 物理檢驗室概況及各檢驗組情況概述2.1 物理檢驗室概況由于北冶公司主要產(chǎn)品為金屬功能材料，包括精密合金、雙金屬、高溫合金等，對產(chǎn)品性能有較高的要求，因此北冶公司的檢測設(shè)備也相對完備，而且由于其產(chǎn)品特點，物理檢測方面主要分為力學(xué)組、金相組、物理組和軟磁組四個班組

7、。以下就這四個班組分別闡述。2.2 力學(xué)班組 該班組主要進行力學(xué)性能的測試，材料力學(xué)性能指金屬材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能，包括強度（屈服強度、抗拉強度）、塑性（延伸率、斷面收縮率）、硬度（布氏硬度、維氏硬度、洛氏硬度）、韌性（沖擊韌性、斷裂韌性）、彈性（彈性模量）和疲勞強度等。該班組的測試內(nèi)容分為高溫測試和室溫測試兩個部分，根據(jù)產(chǎn)品使用環(huán)境的不同，選擇具體的測試環(huán)境。在講解時，主要講解了高溫持久性能的測試、硬度測試、拉伸性能測試。2.2.1 高溫持久性能測試高溫持久實驗部分主要通過高溫持久試驗機進行，其原理為高溫蠕變，通過加熱爐加熱試樣，通過上下拉桿將試樣固定在加熱爐中間，加熱到一個恒定的

8、溫度，通常為材料熔點的0.30.5倍。通過砝碼與杠桿來對材料施加一定的載荷，試樣在該溫度與載荷下保持一定的時間不斷裂，則該試樣為合格品，只測量斷裂時間，不測伸長量等。載荷最大為2.5t，由于設(shè)備較老小載荷下誤差較大一般常用載荷在3000N左右，持久時間一般在2030小時左右，在加載和前熱處理爐主要做固溶和時效處理，用來提高強度和硬度。2.2.2 硬度實驗 常用的硬度有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度三種。 布氏硬度以HB表示，其測試方法是用一定大小的試驗力F(N)把直徑為D（mm）的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓入被測金屬的表面，保持規(guī)定時間后卸除試驗力，用讀數(shù)顯微鏡測出壓痕平均直徑d (mm)，然后按公

9、式求出布氏硬度HB值，或者根據(jù) d 從已備好的布氏硬度表中查出HB值。生產(chǎn)中常用布氏硬度法測定經(jīng)退火、正火和調(diào)質(zhì)的鋼件，以及鑄鐵、有色金屬、低合金結(jié)構(gòu)鋼等毛胚或半成品的硬度。在北冶公司的產(chǎn)品檢測中，主要用于測量一些澆鑄的大棒、大棍等產(chǎn)品的硬度。檢測是壓頭規(guī)格有2.5mm、5mm、10mm三種，分別對應(yīng)187.5kg、750kg、3000kg的載荷，要求試樣厚度較厚，太薄則無法進行試驗； 洛氏硬度可分為HRA、HRB、HRC四種， 其試驗方法是用一個頂角為120度的金剛石圓錐體（HRA、HRC）或直徑為1.59mm/3.18mm的鋼球（HRB），通過手動加載和，在一定載荷下壓入被測材料表面，由壓

10、痕深度求出材料的硬度； 維氏硬度以HV表示，在北冶公司較常使用的是維氏硬度計，一般做比較薄的帶材和片材，最薄可以做到0.1mm，實驗負(fù)荷為0.3kg、0.5kg、1kg、3kg、5kg、10kg不等，壓頭為正四棱錐壓頭，測量時將壓頭以特定載荷壓入材料表面，保持規(guī)定時間之后，通過測量壓痕對角線長度，通過計算公式得到硬度值。具體測量時應(yīng)根據(jù)樣品的不同厚度，確定試樣重量。2.2.3 拉伸實驗拉伸試樣常做的是片材，偶爾也做棒材。試樣做拉伸實驗時，通過恒量位移速度進行控制，規(guī)定一個恒定的位移速度通過電腦采集試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線，常做四個參數(shù)：抗拉強度、規(guī)定非比例延伸強度（Rp0.2)、延伸率和界面收縮率，

11、北冶公司主要測試的試樣為連續(xù)屈服，即無屈服平臺，故很少測上下屈服強度。需要在高溫下拉伸時，采用熱電偶對試樣進行加熱,加熱裝置與高溫持久時的裝置幾乎相同，只是體積與功率要大一點，來保證更好的溫區(qū)，均溫區(qū)能達到200 mm。通過拉桿將試樣放在加熱爐中間，加熱爐加熱到一定溫度后加載荷，達到特定試樣規(guī)定溫度后，（如713C型試樣規(guī)定溫度為760）需保溫一定時間再進行測試。一般高溫拉伸試驗要比室溫拉伸的速率要慢一些。拉伸試樣一般為棒材，尺寸為5×66 mm，高溫合金一般做高溫持久+高溫拉伸，高溫拉伸沒有引伸計，所以用比較老的位移法測量規(guī)定非比例眼神強度，材料一般也沒有屈服平臺。在進行試驗時，需

12、控制的主要參數(shù)有拉伸溫度和拉伸速度。執(zhí)行GB4338-2006進行試驗，所有設(shè)備一年校準(zhǔn)一次。還有一些彎曲、杯突、扭轉(zhuǎn)、纏繞等試驗。2.3 金相班組金相班組只要負(fù)責(zé)生產(chǎn)檢驗和為科研提供理論依據(jù)，主要分為顯微組織和宏觀組織兩大類，獲取微觀金相樣品要經(jīng)過砂輪打磨、磨光、拋光、看夾雜物、侵蝕、評定晶粒度等過程，夾雜物來源主要有兩個方面：一方面是外來的夾雜物，包括在冶煉過程中加入的脫氧劑、脫硫劑、脫氮劑等，也有上一爐可能殘存下來的其他成分的原料，也能造成夾雜，另一方面是原材料自身內(nèi)部會有一部分雜質(zhì)，也會造成夾雜。夾雜物越少越好。在評定夾雜物級別的時候主要考慮三大類夾雜：氧化物類夾雜、硫化物類以及硅酸鹽

13、類夾雜，要求在100x顯微鏡下觀察，如氧化物類夾雜則看在100x放大倍數(shù)下0.5 mm2的區(qū)域內(nèi)有多少個夾雜，與標(biāo)準(zhǔn)圖譜比對。脆性夾雜物在后期軋制時會拉長、變碎，這種情況下則要看其長度，執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。在生產(chǎn)方面是固定化的流程，所以對夾雜主要是對材料夾雜物的級別進行評定。對于夾雜物的識別，可以通過夾雜物的顏色和分布狀態(tài)來區(qū)分，但是由于金相顯微鏡下不能打能譜，故只能確定是什么類別的夾雜。如氧化物類夾雜多為黑色；氮化物類夾雜多數(shù)呈金黃色，硬度大，有棱角；硫化物類夾雜顏色較暗，塑性都較好，軋制后變長；硅酸鹽顏色發(fā)黑等。侵蝕后主要是評定晶粒度的等級，也是通過人工將金相照片與標(biāo)準(zhǔn)圖譜進行比對，比對的

14、結(jié)果允許±0.5級的誤差，目前雖然有評定晶粒度的軟件，但是，軟件對于金相制備水平要求很高，而且無法區(qū)分孿晶等組織，因此其不適用于大規(guī)模生產(chǎn)中的金相檢測。除微觀金相檢測外，宏觀金相檢測也發(fā)揮著很重要的作用。宏觀金相檢測主要檢測鍛件與鑄件的缺陷，有無元素偏析，縮孔，縮管等出現(xiàn)。如果在10x顯微鏡下沒有看到如上缺陷，則認(rèn)為沒有該缺陷。金相實驗室檢驗的樣品主要有從1J到5J精密合金、高溫合金、不銹鋼等。除為生產(chǎn)檢測外，金相實驗室也為科研提供金相照片，定量金相等信息。金相實驗室常用的設(shè)備包括金相顯微鏡、電子顯微鏡等。在鑲嵌樣品方面，分為冷鑲嵌和熱鑲嵌，在熱鑲嵌方面，鑲嵌用的材料有導(dǎo)電材料與不導(dǎo)

15、電材料兩種，其中導(dǎo)電材料主要用于鑲嵌電鏡試樣。目前鑲嵌試樣主要還是應(yīng)用絕緣的電木粉進行熱鑲嵌。金相實驗室的另一職能是進行材料的失效分析，即通過上述所有手段分析材料失效的原因，協(xié)助改進生產(chǎn)與制造。2.3 物理班組2.3.1 表面粗糙度的測量表面粗糙度的測量采用針描法，使用的儀器為TR200型表面粗糙度測量儀，TR200表面粗糙度測量儀是適合于生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境和移動測量需要的一種小型手持式儀器，它操作簡便，功能全面，測量快捷，精度穩(wěn)定，攜帶方便，能測量最新國際標(biāo)準(zhǔn)的主要參數(shù)。其外形如圖1所示。圖1 TR200型表面粗糙度測量儀外形3在測量工件表面粗糙度時，先將傳感器搭放在工件被測表面上，然后啟動儀器進

16、行測量，由儀器內(nèi)部的精密驅(qū)動機構(gòu)帶動傳感器沿被測表面做等速直線滑行，傳感器通過內(nèi)置的銳利觸針感受被測表面的粗糙度，此時工件被測表面的粗糙度會引起觸針產(chǎn)生位移，該位移使傳感器電感線圈的電感量發(fā)生變化，從而在相敏檢波器的輸出端產(chǎn)生與被測表面粗糙度成比例的模擬信號，該信號經(jīng)過放大及電平轉(zhuǎn)換之后進入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，DSP芯片對采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波和參數(shù)計算，測量結(jié)果在液晶顯示器上給出，也可在打印機上輸出，還可以與PC機進行通訊。測量用探針為2m的金剛石針頭，測量的到的表面輪廓線如圖2所示圖2 測量到的表面輪廓曲線4描述表面粗糙度的其中一個量為輪廓算術(shù)平均偏差Ra，由下式描述： 或 圖2中l(wèi)為取樣長度，

17、在測量之前先要預(yù)估表面粗糙度，之后根據(jù)預(yù)估的表面粗糙的的大小來確定取樣長度，一般來說樣品表面越粗糙,取樣長度越長，但是取樣長度也不能過長，否則則不能反映表面粗糙度的大小。2.3.2 平均線膨脹系數(shù)的測量線膨脹系數(shù)指溫度升高1材料長度變化的百分率，所用試樣尺寸為4×50 mm的圓柱，為保證測量準(zhǔn)確，要求試樣要在恒溫條件下進行測量。平均線膨脹系數(shù)可由下式計算：式中，L1與L2分別為試樣在T1與T2下的長度，L0為初始長度（20，但實際中由于誤差很小，在室溫下測量）。在實際測量中，采用光杠桿式膨脹儀進行測量，通過絕對法光三腳架放大的膨脹儀將標(biāo)準(zhǔn)樣與待測樣品裝在三腳架兩支點上在不同溫度下兩樣

18、品膨脹情況不同，導(dǎo)致三腳架上的鏡面偏轉(zhuǎn)從而得到溫度與長度變化量的曲線。對同一牌號的金屬，其伸長曲線形狀類似。其工作原理圖見圖35。其中，直角點9為固定點，標(biāo)樣1伸長推動光點在x軸方向移動，表示溫度的變化；被測試樣2伸長推動點8在y軸方向反映出試樣的位移；x與y互不影響。此外，還可以用示差法光三腳架放大的膨脹儀進行線膨脹系數(shù)的測量，其與絕對法法測量的區(qū)別在于標(biāo)準(zhǔn)樣與待測樣放置的位置不同，如圖4所示。標(biāo)樣與三腳架直角點3相連，其伸長推動光點在x軸方向移動以表示溫度變化，它同時也推動y軸移動；試樣伸長（觸頭點2）也推動y軸移動；y坐標(biāo)最終反映出來的是試樣和標(biāo)樣聯(lián)合作用的位移差。圖3 絕對法光三腳架放

19、大的膨脹儀示意圖1-皮洛斯標(biāo)準(zhǔn)樣、可供測溫；2一被測試樣，45 mm，長度50 mm；3一放置標(biāo)準(zhǔn)樣和試樣一端封閉的石英管；4一石英棒；54J36合金制作的傳桿；6一固定在支架上的4J36合金桿；7、8、9一接觸點；10一光學(xué)三角架(4J36臺金制成)；11一凹面反射鏡圖4 示差三腳架放大的膨脹儀示意圖2.3.3 其他物理性能的測量 在上述測量之外，物理班組的測試還包括用阿基米德排水法測量密度、用比較法和電橋法測量電阻率，將標(biāo)準(zhǔn)樣和被測樣串聯(lián)在一起，則電壓比等于電阻比，進而可求得電阻率以及用將樣品做成懸臂梁狀，然后放在低溫油槽和高溫油槽中，分別測兩個撓度，進而根據(jù)公式求其比彎曲值的方式測量熱雙

20、金屬的性能。2.4 軟磁班組2.4.1 磁屏蔽系數(shù)的測量北冶公司的工人師傅自己組裝了一套設(shè)備用以測定磁屏蔽系數(shù)，設(shè)備由亥姆霍茲線圈和探頭構(gòu)成，開啟時需要預(yù)熱30 min。測量時要把樣品卷成筒狀，樣品為1J軟磁合金。將筒狀樣品水平放入亥姆霍茲線圈中間罩住探頭，在線圈中通電流后，線圈產(chǎn)生磁場，由于樣品的磁屏蔽性，探頭磁性能變化，進而表現(xiàn)為電壓、電流的變化顯示在儀器上，根據(jù)公式換算關(guān)系可求出樣品的磁屏蔽系數(shù)。2.4.2 直流性能測試 在直流性能測試中，主要的技術(shù)指標(biāo)為飽和磁感應(yīng)強度、剩余磁感應(yīng)強度、矯頑力、初始磁導(dǎo)率、最大磁導(dǎo)率、矩形比，磁滯回線，性能曲線等。北冶公司的工人師傅自己組裝了另外一套設(shè)備

21、用以測量材料的飽和磁感應(yīng)強度、剩余磁感應(yīng)強度、矯頑力、初始磁導(dǎo)率、最大磁導(dǎo)率、矩形比等參數(shù)，測量時要用到兩組線圈，初級線圈穿過樣品圈，為感應(yīng)線圈，通有電流，初級線圈通電后樣品磁通量會產(chǎn)生變化，次級線圈為測量線圈，可測量樣品的感生電動勢，進而根據(jù)換算關(guān)系求其上述參數(shù)。但是這套設(shè)備只能通過描點法畫出磁滯回線，而且各個參量只能單獨測量，操作復(fù)雜，而且磁場不會很大。北冶公司引進了自動測試設(shè)備，提高了工作效率。2.4.3 交流性能測試在交流性能測試中，主要測量材料的交流磁導(dǎo)率（彈性磁導(dǎo)率、黏性磁導(dǎo)率）和交流損耗（磁滯損耗、渦流損耗、剩余損耗）。常用測量方法為伏安法與電橋法，是通過將材料等效為電感和電阻串

22、聯(lián)或并聯(lián)的形式，通過測量出來的電感或電阻進而計算交流損耗和交流磁導(dǎo)率。3. 討論3.1 宏觀金相檢驗 宏觀金相檢驗為用肉眼或30倍以下的放大鏡檢測宏觀組織和缺陷。這種檢驗所需設(shè)備簡單，故應(yīng)用廣泛。常用方法有侵蝕法、斷口法和印痕法。 侵蝕法:包括熱酸蝕、冷酸蝕、電解酸蝕等。應(yīng)用化學(xué)藥品進行侵蝕以顯示金屬鑄錠、鑄件或型材等的宏觀組織和缺陷，如偏析、疏松、夾雜、縮孔、氣泡、裂縫、折疊、表面脫碳、發(fā)紋和粗晶等。圖5為 1Cr13不銹鋼方錠用熱酸蝕法顯示的宏觀組織照片。從圖中可看出因激冷形成的表層細(xì)等軸晶區(qū)、向著錠心成長的柱狀晶區(qū)和內(nèi)部粗等軸晶區(qū)，以及錠心處串聯(lián)成海綿狀的疏松缺陷。 斷口法:將金屬材料折

23、斷,以觀察斷口的組織和缺陷。這種方法對顯示晶粒粗細(xì)、滲層厚度、分層、白點、裂縫等特別適用。圖6為用斷口法顯示的鋼中白點（發(fā)裂）缺陷。白點還可通過酸蝕法在橫向試片上顯示，但不如在縱向斷口上顯示得清楚和直觀。 印痕法：主要指鋼鐵檢驗中應(yīng)用的硫印和磷印法。硫印法是將經(jīng)25硫酸水溶液浸潤過的相紙覆于鋼鐵試片表面上，使試片中的硫化物與相紙上的溴化銀作用而生成硫化銀沉淀的斑點，從而顯示出硫的多少和分布狀況。磷印的原理與硫印相似，但其圖象所顯示的是磷的分布情況。各種宏觀檢驗方法各有一定的適用范圍須根據(jù)檢驗?zāi)康牟煌M行選擇。圖5 1Cr13不銹鋼方錠宏觀組織照片（熱酸蝕法）圖6 鋼中白點（發(fā)裂）缺陷（斷口法） 3.2 磁滯現(xiàn)象磁滯現(xiàn)象是指鐵磁性物理材料（例如：鐵）在磁化和去磁過程中，鐵磁質(zhì)的磁化強度不僅依賴于外磁場強度，還依賴于原先磁化強度的現(xiàn)象。 當(dāng)外加磁場施加于鐵磁質(zhì)時，其原子的偶極子按照外加場自行排列。即使當(dāng)外加場被撤離，部分排列仍保持：此時，該材料被磁化。 一但被磁化了，其磁性會繼續(xù)保留。要消磁的話，只要施加相反方向的磁場就可以了。這亦是硬盤的記憶運作原理。在鐵磁質(zhì)中，磁場強度（H）和磁感應(yīng)強度