材料加工原理综合实验指导书(doc 38).pdf
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1、材材 料料 加加 工工 原原 理理综合实验指导书综合实验指导书徐徐 洲、王浩伟、吴国华洲、王浩伟、吴国华上海交通大学上海交通大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院20022002 年年 2 2 月月目目录录实验一实验一合金熔炼及液态成型合金熔炼及液态成型实验二实验二凝固定向凝固凝固定向凝固实验三实验三实验四实验四实验五实验五实验六实验六实验七实验七实验八实验八实验九实验九实验十实验十材料的冶金缺陷材料的冶金缺陷挤压变形与挤压力实验挤压变形与挤压力实验圆环镦粗法测定摩擦系数圆环镦粗法测定摩擦系数圆柱体镦粗时接触面上的正应力分布圆柱体镦粗时接触面上的正应力分布冷却速度对钢组织与性能的影响冷却速度
2、对钢组织与性能的影响钢中马氏体、贝氏体组织形貌的识别及不同回火温度钢中马氏体、贝氏体组织形貌的识别及不同回火温度对淬火钢组织的影响对淬火钢组织的影响钢的淬透性测定钢的淬透性测定铝合金的时效硬化曲线测定铝合金的时效硬化曲线测定2实验一实验一合金熔炼及液态成型合金熔炼及液态成型一、一、实验目的:实验目的:1掌握铸造合金和变形合金的熔炼过程。2了解铸造合金和变形合金的铸造成型。二、二、实验内容说明:实验内容说明:铸造合金和变形合金在用途上有着很大的差别,但其熔炼过程基本相同。选用铝硅合金,ZL101 是该类合金中典型的铸造合金,4004 是该类合金中典型的变形合金。铸造Al-Si系合金中Si是作为主
3、要合金化元素加入的,Si提高合金的铸造性能,使流动性改善,热裂倾向性降低,减少疏松,提高气密性,获得致密的铸件。这类合金具有好的抗蚀稳定性和中等的切削加工性能,具有一般的强度和硬度,但塑性是较低的。这类合金国内外常用的共 18 个牌号,按合金中 Si 的含量多少,可分为共晶型合金(ZL102、ZL108、ZL109),过共晶型合金和亚共晶合金。ZL101 成分:Si 6.5-7.5 Mg 0.25-0.454xxx 系铝合金的主要合金元素是硅,它能以足够的数量(达 12%)加到铝中,结果使熔化温度范围大为降低而不产生脆性。由于这个原因,铝硅合金可作为焊接铝用的焊丝和钎料,即用于要求这些焊接材料
4、的熔化范围低于基体金属的熔化范围之处。这个系的多数合金是不可热处理强化的,但当用于焊接可热处理合金时,它们可以吸取后者的一些合金成分,从而可以有限地接受热处理。这类合金含有相当大数量的硅。当敷以阳极氧化表面涂层时,合金变成深灰至炭黑,从而可适应建筑用途。该系列的合金有的可以用于生产锻造的引擎活塞,例如 4032。4004 的成分:Si 9.0-10.5 Fe 0.8 Cu0.25 Mn0.1 Mg1.0-2.0 Zn0.2合金的熔配过程:先根据铸件的体积计算出所需合金原料的总重量,再按各合金的名义成分计算出所需要的合金的重量,称量后全部放入坩锅中,电炉加热,熔化,覆盖,打渣精炼,静置,浇注,熔
5、炼完毕。每个环节用途各不相同,要求仔细按实验规程进行。造型材料采用南京红砂和膨润土,对各种不同要求的零件用不同的造型模具进行浇注。模具设计时应考虑浇注状态,补缩条件以及避渣方式。3三、三、实验步骤:实验步骤:ZL101 的熔配和 4004 的熔配。1教师指导学生一起配料。下料 4kg 铝硅合金,原材料为包头料。按照原材料中的成分与需要配料的成分差别进行计算。2教师带领学生进行熔炼。电炉送电,把原材料料放入坩锅。设定温度 740 度。将要熔化时进行覆盖。熔化后均温,加入需要配备的合金元素。3教师辅助学生进行造型。金属型模具选用见图 1 和图 2。图 1 铸造成型金属模具(单试样型)4手柄图 2
6、铸造成型金属模具(多试样型)砂型模具由指导老师与学生共同造型。4浇注成型,分析缩松、缩孔、含气、卷气等铸造缺陷。一定记住注意安全!5 实验过程记录:项目送电时间炉子设定温度到温时间覆盖时间熔化时间加入合金元素 1 时间加入合金元素 2 时间加入合金元素 3 时间加入合金元素 4 时间均匀合金元素用时间除气时间精炼时间浇注时间四、四、思考思考铸造合金和变形合金的熔炼与凝固过程相同与不同点。开始结束备注5铰链铰链实验二实验二凝固凝固-定向凝固定向凝固一、一、实验目的:实验目的:1了解晶体生长的一般规律。2了解定向凝固的凝固规律与条件。3对定向凝固生长的晶体的组织分布进行观察。二、二、定向凝固方法和
7、原理:定向凝固方法和原理:定向凝固的基本原理是严格控制合金凝固过程热流的方向,使合金液始终沿着预期的方向凝固。定向凝固设备中有一个单方向散热的冷源(水冷铜结晶器)和一个能保证液相中不产生新的结晶核心的热源,并于凝固界面形成一个有效的温度梯度,使晶粒始终沿着与热流相反的方向连续不断地向液相中生长,最终获得具有一束平行排列柱状晶的铸件。实现定向凝固有多种方法,其基本原理、工艺要点和应用如下:1发热铸型法1 保温套2 发热材料3 型壳4水冷结晶器图 1 发热铸型法原理图工艺要点:将铸型置于水冷铜板上,并在其周围填充发热材料。浇入合金液后同时引燃发热材料,形成有效的纵向温度梯度,使铸件定向凝固。应用:
8、主要用于制造尺寸较小的磁性合金铸件。2功率降低法将底部开口的型壳置于水冷铜结晶器上,放入定向炉的石磨加热器内,加热器分上下两区同时供电,型壳加热到预定温度后,浇入合金液,并将下区断电,形成6纵向的温度梯度,使铸件定向凝固。适用于生产高度小于 100mm 的铸件,由于应用范围受限制多,生产效率较低,故目前实际生产中较少应用。3铸型移动法将底部开口的型壳放在水冷结晶器上,送入定向炉内的感应加热器中,加热到预定温度后,浇入合金液,然后以预定的速度将铸型移出。由于隔热挡板的作用,上下具有纵向温度梯度(一般为 3060C/cm)从而实现定向凝固。广泛应用于大量生产高度小于 280mm 的定向凝固和单晶铸
9、件。1 型壳 2 铸型加热器3 隔热挡板4 水冷结晶器5 升降机构图 2 铸型移动法原理图4液体金属冷却法将型壳悬挂在升降机构上,送入定向炉内的型壳加热器中,加热到预定温度后浇入合金液,以预定的速度下移并浸入保持在一定温度下的低熔点金属(如锡、铝等)液池中,在型壳下移过程中实现定向凝固,此法传热快而稳定,凝固界面的温度梯度可达 100C/cm以上。制取单晶的方法有两种:1选晶法 在型壳底部设置一个螺旋型选晶器,当浇入的合金液与水冷铜结晶器接触时,由于急冷作用而产生许多的晶核,炉内的纵向温度梯度使这些晶核沿平行于热流方向长大,这些晶体竞争生长的结果,形成一束具有择优取向的柱状晶。凝固继续进行,晶
10、体达选晶器的螺旋部分时,只剩下几个晶粒向上生长,在此过程中继续择优选晶,最后只有一个取向的晶体从螺旋选晶器的顶部伸长并长大,直至充满整个型腔而获得单晶铸件。2籽晶法在型壳底部的籽晶套内安放一个特制的籽晶块。当浇入型壳的合金液与籽晶接触后,便开始形核并以籽晶固有的晶体取向为结晶方向外延生长,直到充满整个型腔获得单晶铸件。籽晶法可以制取任意所需结晶取向的单晶铸件。71 型壳2 籽晶3 籽晶套4 水冷结晶器图 3 籽晶法制取单晶的示意图三、三、定向凝固设备定向凝固设备定向凝固设备即定向凝固炉,通常包括熔炉、铸型加热器、冷凝区(室)和真空系统等部分。国内常用的定向凝固设备主要有两种典型类型,即德制和俄
11、制定向凝固炉,前者是基于铸型移动法,后者则是基于液体金属冷却法设计制造的。两种定向凝固设备的参数见表 1:技术特征定向凝固方法坩锅容量/kg最高熔化温度/熔化加热功率/KW熔化加热频率/HZ型壳加热温度/真空度/Pa结 晶 生 长 速 度R/(mm/min)温度剃度G/(/cm)四、四、实验内容说明:实验内容说明:晶核形成以后,通过生长完成结晶过程,晶体生长就是液相中原子不断向晶体表面堆彻的过程,也是固液界面不断向液相中推移的过程。为了对晶体的生长过程有进一步的了解,需对凝固过程中的温度梯度核晶体的生长速度有深入的了解。在实验观察前先对定向凝固的条件,G/R 进行思考,分析晶粒取向与温度梯度和
12、凝固速度的关系。8表 1 定向凝固设备的参数ISP2/-DS铸型移动法518001202000400016000.12153040液态金属冷却法10170015016000.671207080了解单晶、胞晶和枝晶的结构特点,并思考各种不同的晶体的使用条件,如单晶可用于半导体,而枝晶的蠕变性能好可用于高温材料。五、五、实验步骤:实验步骤:1教师给学生讲解定向凝固设备的使用,构造及其原理。1真空系统2 加料杆3 升降机构4 熔炉5 型壳6 铸型加热器7 液态金属冷却池图 4 采用液态金属冷却法的定向凝固炉的结构简图2演示制备单晶、胞晶和枝晶的定向凝固过程。同学可以参考上图中定向凝固的规范,考虑定向
13、凝固的步骤。本次实验的设备:DJL-500 定向晶体生长炉。生产厂家:华北光电技术研究所。该设备的技术指标:抽拉速度 0.2-10mm/min,温度梯度最大为 1000K/cm,真空度:5103Pa。实验材料:M38Ni 基合金。抽拉速度:2mm/min,真空度:1102Pa。教师按照实际情况,调整抽拉速度和真空度,最终得到不同的组织结构。抽拉结束后用 60温水淬火。3学生自己观察单晶、胞晶和枝晶的纵截面的晶粒取向与组织结构,并绘出其结构。六、六、思考思考G/R 的值与形成胞晶或枝晶的关系如何?9实验三实验三材料的冶金缺陷材料的冶金缺陷一、一、实验目的:实验目的:1学习和掌握各种冶金缺陷的形式
14、。2了解各种冶金缺陷的形成过程。二、二、实验内容说明:实验内容说明:研究材料冶金缺陷,除了进行观察外,还需要把各种类型的冶金缺陷的用照片的形式记录下来(或者绘出来),以便更深一步了解各种缺陷,便于科学研究和交流。一般说来,材料的冶金缺陷包括内应力、偏析、夹杂、缩孔、缩松、气孔、氢白点、热裂纹、冷裂纹等。对于各种不同的冶金缺陷,其形成原因是不相同的,对于不同的材料其形成某种缺陷的倾向也不相同,有的可以直接观察到,有的则需要磨制金相观察。1、气孔和针孔:位于铸件内部(通常不与铸件外表面相接触)的孔洞,内壁光滑,多数为圆形。大的气孔往往是单个的、小的针孔则成群出现,大小不一。有时铸件的整个断面上会布
15、满气孔或针孔。这类孔洞的内壁可能是发亮的,多少有些氧化,就铸铁件而言,可能覆盖一薄层石墨。这类缺陷可能在铸件的所有部位出现。图 1 气孔图 2 针孔缺陷形成原因:气孔和针孔是由于在凝固过程中滞留在金属中的气体形成的。(1)熔炼方面的原因(内源性气孔或析出性气孔)。1溶池中的液态金属含有大量气体(炉料、熔炼方法,炉气成分等存在问题)。熔解的气体在凝固时析出;2钢和铸铁件:碳和氧发生反应生成一氧化碳,并以气态或氧化物形式存在。一氧化碳形成的气孔可能因氢或氮(氮的情况较少)的扩散而体积增加,(2)造型或制芯材料产生的气体(外源性气孔或侵入性气孔)。l铸型或砂芯中水分过高;102砂芯粘结剂的发气量大;
16、3含碳氢化合物的附加物量过多;4涂料的发气量过大;(3)卷入的气体(外源性气孔);1型腔内的空气和气体未能及时排出;2砂型和砂芯的透气性差;3液态金属在浇注系统中产生紊流,卷入空气。图 3 铸钢件缩孔实例2、夹杂夹杂包括:金属夹杂物、冷豆、内渗豆、磷化物渗豆、熔渣/溶剂类非金属夹杂物、渣孔/稀土氧化物夹杂、含气渣孔、砂眼、涂料夹杂或耐火涂层夹杂、黑点、氧化皮夹杂、光亮碳膜、硬点等。铸件内夹带有各种不同尺寸的金属夹杂物(或金属间夹杂物),与基体金属相比,无论在结构上和色泽上都有着明显的差别,在性能上的差别就更大了。通常这些缺陷在切削加工后才显露出来。图 4 冷豆图 5 金属夹杂物3、应力热裂缺陷
17、:11图 6 应力热裂缺陷应力热裂:形状不规则,深浅不一的晶间裂纹。裂口常呈现细密的树枝晶,且表面氧化。这类缺陷最常发生在铸件上存在着内应力的最后凝固的断面处。成因机理:合金在凝固过程中,当其温度接近固相线时受到应力或变形作用。产生原因:(1)铸件在金属型内的冷却时间过长;(2)铸件在出型斜度太小,阻碍了铸件收缩。(3)开型过早,铸件在出型时开裂。(4)取出金属芯时,由于金属芯歪斜或导向装置不良,导致铸件热裂。(5)顶杆的位置不当,使铸件产生弯曲应力。(6)由于浇注温度过高,或砂芯圆角太小而产生热节。(7)液体金属流量太小。三、三、实验步骤:实验步骤:1 教师结合实物讲解夹杂、缩孔、缩松、气孔
18、、氢白点、热裂纹、冷裂纹等缺陷。准备气孔试样 2 个材料:铸铁或铝合金尺寸:8060将试样切开,要求断面可以明显观察到气孔缺陷实验老师让学生仔细观察气孔形貌,判断气孔的类型,然后由老师讲解如何观察和判断气孔的类型,气孔的形成原因,避免缺陷形成的措施。准备缩孔试样 1 个材料:铸铁或铝合金尺寸:8060将试样切开,要求断面可以明显观察到缩孔12实验老师让学生仔细观察缩孔形貌,然后由老师讲解缩孔的形成原因,避免缺陷形成的措施。准备氢白点试样 2 个材料:铸铁或铝合金尺寸:8060将试样切开,要求断面可以明显观察到氢白点缺陷实验老师让学生仔细观察氢白点形貌,然后由老师分析形成原因,讲解氢白点形成的措
19、施。准备夹杂试样 2 个材料:铝合金尺寸:8060实验老师让学生仔细观察夹杂形貌,由老师讲解夹杂的形成原因,避免夹杂形成的措施。准备含有热裂纹的试样 2 个材料:铸铁或铝合金尺寸:8060实验老师让学生仔细观察热裂纹形貌,然后由老师讲解如何热裂纹类型,避免热裂纹形成的措施。2实物辨别,教师分发一部分实物,让学生自己判断有无缺陷,如果有缺陷属于哪一类;并推想其形成过程。四、四、思考:思考:1你认为各种冶金缺陷应该如何进行分类?2你认为应该如何尽量减少或避免各种不同的冶金缺陷?13实验四实验四挤压变形与挤压力实验挤压变形与挤压力实验一、一、实验目的实验目的1通过实验了解正挤压、反挤压、复合挤压时,
20、金属流动及变形特点,并分别实测其挤压变形力;2掌握三种挤压方式的变形力数值及其变形规律;3了解摩擦及凸、凹模形状对挤压变形的影响;4了解挤压变形对合金组织性能的影响,并与铸态情形进行比较。二、二、实验内容说明实验内容说明1挤压的基本方法挤压是将金属置于一封闭的挤压模内,用强大的挤压力将金属从模孔中挤出成形的方法。挤压过程中金属坯料的截面依照模孔的形状减少,坯料长度增加。挤压可以获得各种复杂截面的型材或零件。根据金属流动方向与挤压凸模运动方向的关系,挤压可分为四种方式:(1)正挤压-金属流动方向与凸模运动方向相同。(2)反挤压-金属流动方向与凸模运动方向相反。(3)复合挤压-坯料一部分金属流动方
21、向与凸模运动方向相同,另一部分 则相反。(4)径向挤压-金属流动方向与凸模运动方向成 90。挤压成形的工艺特点:(1)挤压时金属坯料处于三向压应力状态下变形,因此可提高金属坯料的塑性,有利于扩大金属材料的塑性加工范围。(2)可挤压出各种形状复杂、深孔、薄壁和异型截面的零件,且零件尺寸精度高,表面质量好,尤其是冷挤压成形。(3)挤压成形后零件内部的纤维组织基本沿零件外形分布且连续,有利于提高零件的力学性能。(4)挤压成形的生产率高,一般可比其它锻造方法提高几倍。(5)挤压成形最好在专用的挤压机(液压式,曲轴式,肘杆式)上进行,也可在适当改进后的通用曲柄压力机和摩擦压力机上进行。142坐标网格法网
22、格法是最常用的研究金属流动的实验方法,它可较细致地反映同出金属在各部位和各阶段的流动情况。此法的实验操作程序是:(1)将圆柱形锭坯沿子午面纵向剖分成两半。取其一半,在剖面上均匀刻画出正方网格。网格大小取决于金属品种、试件尺寸和测试手段。条件允许时可采用0.25mm 线距,一般可采用 1-3mm。(2)在刻痕沟槽中充填以耐热物质,如石墨、高岭土、氧化锌或粉笔灰等,或嵌入金属丝。然后将水玻璃涂在剖面上以防止挤压时粘结,最后用螺栓固定住试样。(3)按要求进行不完全挤压。(4)取出试样,打开,观测网格的变化。三、三、实验方法和步骤实验方法和步骤1试样:3525 剖分铝试样2实验设备、工具和辅助材料设备
23、:600KN 油压机或万能材料试验机,挤压模具;工具:画针、直尺、150mm 游标卡尺;辅助材料:润滑剂3实验步骤取 3525 剖分铝试样一个,在剖面上画出 22mm 的坐标网络,然后合起来放入图 1 所示模具中,用 30 的冲头进行挤压,此为复合挤压。控制实验机的压缩行程及压力,当达到稳定流动后(约压缩1215mm),即取出试样,描绘剖面上其网格变化。图 1挤压模具及实验示意图15取同样剖分铝试样一个,画好网格,放入模具中,用36 冲头挤压,此为正挤压。完全按第一步骤进行同样的操作。取同样剖分铝试样一个,画好网格,放入模具中,用30 冲头挤压,并将凹模换成实心垫块,进行挤压,此为反挤压,仍然
24、按第一步骤进行同样的操作。四、四、实验报告内容实验报告内容1描绘变形后坐标网格图;2绘制压力-行程曲线;3分析三种不同挤压方式的变形特点有什么不同,以下几种因素:摩擦、凹模入口角、变形程度、毛坯尺寸、变形速度对挤压变形有何影响;4分析比较三种不同方式的挤压变形力的数值有什么特点,数值上的差异受哪些因素的影响;5应用主应力法或滑移线对上述挤压应力进行理论计算,并与实验结果进行比较。16实验五实验五圆环镦粗法测定摩擦系数圆环镦粗法测定摩擦系数一、一、实验目的实验目的1根据圆环镦粗后的变形,了解摩擦对金属流动的影响。2通过实验掌握实际测定摩擦系数的方法。3分析镦粗对材料组织的影响,并与铸态情形进行比
25、较。二、二、实验内容说明实验内容说明1塑性加工过程中摩擦的特点凡是物体之间有相对运动或有相对运动的趋势就有摩擦存在。前一种是动摩擦,后一种是静摩擦。在机械传动过程中,主要是动摩擦。在塑性加工过程中的摩擦,虽然也是由两物体间相对运动产生的,但与一般机械传动中的摩擦有很大差别。(1)接触面上压强高在塑性加工过程中,接触面上的压强一般在100MPa 以上。在冷挤压和冷轧过程中可高达2500-3000MPa。而一般机械传动过程中,摩擦副接触面上的压强仅20-40MPa。由于塑性加工过程中接触面上的压强高,隔开两物体的润滑剂容易被挤出,降低了润滑效果。(2)真实接触面积大在一般机械传动中,由于接触表面凹
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