材料工程实践Ⅱ指导书

1、综合实验一实验一 铝合金制备、加工及改性铝合金制备、加工及改性实验实验 1.11.1 铝合金的熔炼、铸锭与固溶处理实验指导书铝合金的熔炼、铸锭与固溶处理实验指导书一一 实验目的实验目的掌握铝合金熔炼的基本原理,并应用在熔炼的实践中.熔炼是使金属合金化的一种方法,它是采用加热的方式改变金属物态,使基体金属和合金组元按要求的配比熔制成成分均匀的熔体，并使其满足内部纯洁度、铸造温度和其他特定条件的一种工艺过程。熔体的质量对铝材的加工性能和最终使用性能产生决定性的影响，如果熔体质量先天不足，将给制品的使用带来潜在的危险.因此，熔炼又是对加工制品的质量起支配作用的一道关键工序。而铸造是一种使液态金属冷凝

2、成型的方法，它是将符合铸造的液态金属通过一系列浇注工具浇入到具有一定形状的铸模（结晶器）中，使液态金属在重力场或外力场（如电磁力、离心力、振动惯性力、压力等)的作用下充满铸模型腔，冷却并凝固成具有铸模型腔形状的铸锭或铸件的工艺过程.铝合金的铸锭法有很多，根据铸锭相对铸模（结晶器）的位置和运动特征，可将铝合金的铸锭方法分类如下：二二 实验内容实验内容铝铜合金的熔炼工艺流程炉料及工具的准备炉料准备精炼剂的准备熔炉预热装料熔化精炼炉前质量检查调整熔体温度浇注铝合金铸锭方法不连续铸锭方法连续铸造法锭模铸造沉浸铸造铸铁模铸造水冷模铸造静模铸造立式铸造卧式铸造动模铸造辊间铸造（连续铸轧）轮模铸造链模铸造无

3、模铸造（无接触铸造）：电磁铸造等三三 实验要求实验要求严格控制熔化工艺参数和规程1. 熔炼温度熔炼温度愈高,合金化程度愈完全，但熔体氧化、吸氢倾向愈大，铸锭形成粗晶组织和裂纹的倾向性愈大.通常，铝合金的熔炼温度都控制在合金液相线温度以上 50100的范围内.从图 1 的 Al-Cu 相图可知，Al-5Cu 的液相线温度大致为 660670,因此，它的熔炼温度应定在 710（720）760（770）之间。浇注温度为 730左右。图 1 铝铜二元状态图2熔炼时间熔炼时间是指从装炉升温开始到熔体出炉为止，炉料以固态和液态形式停留于熔炉中的总时间。熔炼时间越长,则熔炉生产率越低，炉料氧化吸气程度愈严重

4、，铸锭形成粗晶组织和裂纹的倾向性愈大。精炼后的熔体，在炉中停留愈久，则熔体重新污染，成分发生变化,变形处理失效的可能性愈大。因此，作为一条总的原则，在保证完成一系列的工艺操作所必需的时间的前提下，应尽量缩短熔炼时间。3合金化元素的加入方式与铝相比，铜的比重大,熔点虽高（1083） ，但在铝中的溶解度大，溶解热也很大，无需将预热即可溶解,因此，可以以纯金属板的形式在主要炉料熔化后直接加入熔体中，亦可与纯铝一同加入。4 要注意覆盖众所周知，铝在高温熔融状态,极易形成 Al2O3氧化膜，因此要对铝熔体进行保护。就铝铜合金而言，所用的覆盖剂为：40%KCl+40%NaCl+20冰晶石（Na3AlF6）

5、的粉状物.它的比重约为 2。3g/cm3，熔点约 670，这种覆盖剂不仅能防止熔体氧化和吸氢,同时还具有排氢效果。这是因为它的熔点比熔体温度低,比重比熔体小，还具有良好的润湿性能，在熔体表面能够形成一层连续的液体覆盖膜，将熔体和炉料隔开，且具有一定的精炼能力，因而，这种覆盖剂具有良好的覆盖、分离、精炼的综合工艺性能。加入量一般为熔体质量的 25%。5. 要注意扒渣当炉料全部熔化后，在熔体表面会形成一层有溶剂、金属氧化物和其它非金属夹杂物所组成的熔渣。在进行浇注之前，必须将这层渣除掉。其目的是：（1）防止熔体夹渣；（2）减少熔体吸气机会（因为熔渣是水蒸气的良好载体);（3)加强传热。扒渣时，工具

6、要干净，要预热；操作要平稳不起波浪。6金属模要上涂料并加热到 300左右四四 实验装置实验装置1中频感应真空熔炼炉2浇铸模（可自由脱模式）3必要的工具（扒渣棒、抱钳等）4便携式红外测温仪5铝块6铜板7天平8石墨坩埚五五 实验步骤实验步骤1备料：按照 Al-5%Cu 的质量百分比,用天平称好炉料（按每炉 1kg 计算） ；2装料：将铝块和铜板同时加入中频感应炉的坩埚中，然后加入覆盖剂;3升温：注意调整电流、电压及功率因子（cos） ；4测温：控制在 710-770之间，用红外测温仪进行；5调温：主要是为浇注做准备，熔体温度太低，流动性不佳,不易充满模子，而熔体温度太高,易氧化和形成粗大晶粒；6浇

7、注：将熔体倒入预先准备的模子中,待完全凝固后，再脱模；7脱模：取出铸件,注意要戴手套。8. 固溶处理：将部分铸件放入马弗炉中进行固溶处理（540,12h,急冷）六思考题六思考题1.什么叫熔炼与铸锭？它们有何作用?2.简要比较中频感应炉熔炼和普通电炉熔炼的异同之处及优缺点。3.简述实验过程及心得体会。实验实验 1.21.2 铝合金轧制工艺实验指导书铝合金轧制工艺实验指导书一实验目的一实验目的1 掌握板带轧机工作原理及设备操作过程。2 学会轧制变形量的计算方法及安排道次变形量。二、轧制原理：二、轧制原理：轧制法是应用最广泛的一种压力加工方法,轧制过程是靠旋转的轧辊及轧件之间形成的摩擦力将轧件拖进轧

8、辊缝之间并使之产生压缩，发生塑性变形的过程,按金属塑性变形体积不变原理,通过轧制,轧件厚度变薄同时长度伸长，宽度变宽。见图：图 1 轧制原理轧件承受轧辊作用发生变形的部分称为轧制变形区,其他主要参数有：轧辊直径 D、半径 R、辊身长度 B,假定轧件在轧之前后的厚度、宽度和长度分别为 h1、b1、l1和h2、b2、l2，上下轧辊皆为主动棍，其转速均为 n（转分),因此轧辊表面的线速度VrDn/601000，咬入角 ,接触弧长 L，正常轧制 时 L 与 的关系如下：arc cos 1( h1h2 ) / DL=2/180R实践中常以接触弧长对应的弧长近似作为接触弧弧长，于是有 L=R (h1h2)

9、因为轧制前后轧件的重量没有变化于是有:hblrhblr2 ，由于r1= r2 又有：h1 b1 l1 = h2 b2 l2轧制前后轧件厚度的减少成为绝对压下量,用h 表示,hh1h2绝对压下量与原厚度之比成为相对压下量，用 表示，hh100， 轧制时轧件的长度明显增加，轧后长度与轧前长度的比值称为延伸系数用 表示，=l1/l2.由于轧带时轧件宽度变化不大，一般略而不计（b=b2-b1） 。、h 和 是考核变形大小的常用指标.三、实验内容三、实验内容使用两辊板带轧机轧制 AlCu 合金试件,试件铸态毛坯尺寸：100105（mm） 。经多道次轧制使熔铸态毛坯形成轧制态工件，轧制厚度由 5mm 轧至

10、 1。2mm，将其中一半轧件送到马弗炉时效处理（180，4h） ，为下一实验做准备。四、实验步骤四、实验步骤1.根据轧机传动系统图和轧制原理图结合轧机了解板带轧机的组成，熟悉其结构和轧制机理2.润滑各运动部件,启动电源空车运转。3.按总变形量分配道次压下量，并调整压下装置。4.喂料轧制，按道次测量并记录相关数据。5.轧制加工完成关闭电源，快速退回压下装置。6.清理轧机和工作地点7.拟写实验报告。五、实验装置五、实验装置图 2 轧机基本结构1.实验用轧机为 YD100 型和苏制两辊轧机，轧机的组成如图 22.轧件毛坯每人两件，其中之一经均匀化处理，毛坯尺寸:1001053.量具:外径千分尺（0-

11、25）一把，游标卡尺(150）一把。4.八寸铝锉刀、水磨砂纸若干.六、实验要求六、实验要求1.认真学习板带轧机的操作规程和安全注意事项。2.听从指导教师的安排，分别制定压下规程，按操作程序分组实验.3.结合课程内容联系实验情况分析一到两个问题。4.观察实验中轧件的形貌变化，测量采集有关数据，按如下要求编写实验报告。1） 记录实验条件2） 使用设备：3） 试件材料:4） 毛坯尺寸：5） 道次压下量安排6） 轧件最后成型尺寸计算结果表道 次轧件厚度本道次变形量总变形量道次平均总变形量nh1 h2h h 123七、实验数据及处理七、实验数据及处理按道次压下量每道工序轧制后对轧件进行测量、采集数据、列

12、表计算。八、思考题八、思考题1.试述齿轮座（分动箱)的作用？2.分析压下量与咬入角之间关系。实验实验 1 1。3 3 铝合金金相组织的观察及力学性能测定铝合金金相组织的观察及力学性能测定一、实验目的一、实验目的 了解铸造、固溶处理、轧制及时效处理 4 种加工条件对铝合金的组织特征; 分析不同材料加工工艺对铝合金力学性能的影响。二、实验内容二、实验内容1 1、 铝合金铸造、固溶处理、轧制及轧制时效处理后金相组织的检验2 2、 铝合金硬度测定三、实验过程三、实验过程（一）金相样的制备及组织观察（一）金相样的制备及组织观察本次实验每位同学需要制备、显示一个样品，此样品是同学自己在之前的实践教学环节过

13、程中镶嵌的。请根据之前的记录，确认自己制备样品的工艺。样品涉及 4 种工艺，参看下表：工艺编号说明铸造状态1固溶处理2固溶处理+轧制3固溶处理+轧制+时效4每位同学样品制备合格后，除了观察自己的样品，还需要观察其他同学制备的其他 3 种工艺的样品。样品制备、组织显示提示：每一位同学寻找、领取属于自己的样品后，根据光学技术实验平台中对于金相样品制备的学习,按照金相样品制备的一般要求进行.磨光过程经历 200、400、600、800等四种规格的水砂纸,然后抛光；随后，显微组织蚀刻。这一过程,实际上大家已经有过经验。下面的小字体提示，仅作为帮助：技巧小贴示：为了消除切割造成的影响，在第一道粗砂纸上暴

14、露出完整样品截面后，继续减薄 0.5mm。由于铝合金比较软，在样品制备过程中相应地请注意样品与砂纸之间接触时的黏着感，掌握控制样品平衡的技巧。最初向下用力不要过大，有经验后再逐步加大接触的力度。800 号砂纸磨光时，在基本完成前，可以水流加大、用力减轻，近似于漂浮在砂纸上,这样，可以减少砂粒嵌入的机会，减轻样品表面内部损伤层的厚度。同时，样品上应当保持一个方向的划痕.在整个制备过程中，样品的倒角一定要始终保持，特别是抛光阶段。为了保证样品在磨光过程中尽量不出现歪斜，请按照下面示意的实线磨削方向进行磨光操作,避免沿虚线示意的方向进行。 铸锭、固溶处理样品的磨光方向 轧制、轧制时效样品的磨光方向样

15、品制备的要点： A 缩短在砂纸上停留的时间（包括全过程及每次接触) B 挡水盘距离盘面 1cm，请节约用水 C 样品抛光前必须在砂纸上修出倒角 D 抛光膏的使用原则是微量、多次；注水少量、恰当 E 抛光时，用力避免过大,应当适中，可以任意方向抛光样品蚀刻方法请注意:为了保证腐蚀效果，样品避免放置在腐蚀液中长时间不动,应当每隔 2030 秒钟移动、按动（在脱脂棉上)，以保证金属面所接触腐蚀液的效力。同时，样品表面倾斜放置，保证腐蚀产生的气泡顺利溢出。实验涉及到的设备、耗材、器具：M2 型预磨机，P-2 型抛光机，帆船牌水砂纸，海军尼，金刚石抛光膏(2。5W） ，培养皿,脱脂棉，不锈钢镊子，蚀刻剂

16、，吸水纸以及金相显微镜（CK40M).每一位同学样品制备完毕后,请清理自己的工作环境，包括：预磨机、抛光机、剪切砂纸的地方，(用抹布清理工作台面,不允许将任何废弃物往地面丢弃、将抛光用水瓶注满水)。蚀刻剂采用 HF1.0%、HCl1.5%、HNO32.5%、水 95%的混合试剂1；根据工艺不同，腐蚀时间为 15 分钟。注意安全注意安全!磨光、抛光,以及组织蚀刻在 441;样品腐蚀后，经教师检查无误，去第一实验楼 421实验室进行显微镜观察、手工记录。注意观察、记录其他同学的样品.实验报告的建议:请带好 HB 铅笔以及实验报告纸（可以预先画好 4 个直径 30mm 的圆圈)。1. 观察各种工艺下

17、的样品以及显微组织图片，分析各种工艺处理后，形成的显微组织的特点、原因（注意放大倍数的影响)。这部分是本实验的重点所在.下面列出正常 4 种工艺2的金相组织图片；为了分析的方便，同一样品采集有不同放大倍数的图片.下面列出正常 4 种工艺2的金相组织图片；为了分析的方便，同一样品采集有不同放大倍数的图片。图 1 铸造组织 50 图 2 铸造组织 500图 3 固溶处理组织 50 图 4 固溶处理组织 500 图 7 轧制、轧制时效 50 图 8 Al-Cu 局部相图说明：轧制与轧制+时效样品的显微组织类似.相图中的 相，是指 CuAl2。A ssessed A l-C u phase diagr

18、am .铝合金可分为铸造铝合金、变形铝合金;变形铝合金还可以再分为不能热处理强化铝合金(防锈铝）和可热处理强化铝合金(硬铝、超硬铝、锻铝） 。硬铝中研究最为透彻的是 4%Cu-Al 合金3.金相检验,其观测研究的材料组织结构的代表性尺度范围为10-9-10-2m 数量级,主要反映和表征构成材料的相和组织组成物、晶粒（亦包括可能存在的亚晶）、非金属夹杂物乃至某些晶体缺陷（例如位错）的数量、形貌、大小、分布、取向、空间排布状态等4。2。 分析、总结同学自己在样品制备、组织显示过程中的收获、问题.3。 请结合力学性能测试结果，分析各种工艺组织的力学性能表现的原因（本部分内容也可以出现于实验 1。4

19、的分析部分)。这部分是 1.3、1。4 两个实验环节的衔接重点.铸造试样中存在成分偏析,显微组织是如何表现出来的？固溶处理的显微组织形貌的基本特征是什么？那么，铸态、固溶处理（强化）性能上的差异如何?另外，轧制、轧制时效样品，在光学显微镜的观察下，组织基本没有区别，但是，力学性能上应当表现出明显的差异，分析其原因。这需要涉及形变强化、时效强化的理论知识。分析各工艺是否有可以改进的地方。参考资料：1 GB/T 3246.1-2000，变形铝及铝合金制品显微组织检验方法S 2 轻金属材料加工手册编写组， 轻金属材料加工手册上册M北京：冶金工业出版社，1979。3 崔崑钢铁材料及有色金属材料M北京:

20、机械工业出版社，1981。4 刘国权,刘胜新，黄启今等金相学和材料显微组织定量分析技术J中国体视学与图像分析，2002，7（4）:248-251。LY12 的热处理工艺制度2:淬火温度：496504；人工时效温度：185195,612 小时。过烧危险温度：507。LY12 的熔铸、轧制、挤压、锻造温度（）范围2：熔炼温度：700750；铸造温度：690710；轧制温度：390430；挤压温度：400450；锻造温度:380470。所有小字号内容，都属于参考、提示部分。（二）铝合金硬度测定（二）铝合金硬度测定金属材料的硬度检测应用非常广泛，并且，硬度与强度具有内在的联系1。因此，我们可以通过测定

21、前面实验环节中制备好的铝合金样品的硬度，来了解所制备材料的力学性能状况.在硬度测试中，洛氏硬度测试方法是最为常见的一种测试手段。本次实验中应用到的设备是 TH320 型全洛氏硬度计，它可以测定所有的 30 种洛氏硬度标尺的硬度数据2。根据所测定材料的基本性质，我们选择 H 标尺进行本次实验的洛氏硬度测试；H 标尺适用于铝、锌、铅等软金属3。洛氏硬度的试验原理:将压头(金刚石圆锥、钢球或硬质合金球）分两个步骤,在初试验力 F0 和主试验力 F1 先后作用下,压入试样表面,保持一定时间，卸除主试验力，保留初试验力,此时的压入深度为 h2，在初试验力作用下的压入深度为 h0,它们之差 e（h2h0)

22、来表示压痕深度的永久增量。每压入 0.002mm 为一个洛氏硬度单位。洛氏硬度试验原理图如图 1 所示2，4，更详细的内容，请参考文献3 、5 。F0F1F0F0 h0 h1 h2 h2-h0 图 1 洛氏硬度试验原理图试样的最小厚度是否满足要求，请最终核实，以便分析结果出现异常现象时，作为一个必要的说明。最小厚度的确定，请使用图 22，5。图 2 洛氏硬度-试样最小厚度关系图（用球压头试验（B、E、F、G、H 和 K 标尺)）样品测试面需要经过 200 号水砂纸磨光，以满足测试得粗糙度要求6.背面平整，测试面与背面没有明显歪斜。测试过程中，总试验力的保持时间：5s；主试验力卸除时间：2s。之

23、所以选择 5s 的总试验力保持时间，是考虑样品较软，但又没有明确的实验表明，铝合金样品在硬度测试过程中存在缓慢变形的明确说法,所以,选择了一个居中的时间;选择 67s，也是可以的3，5.同学在进行设备的正常操作时,请严格按照教师的指导要求进行；标尺的选择，各种参数的设定调整，必须由教师进行。本次实验所涉及的样品中内应当包括：铸态、固溶处理、固溶处理+轧制、固溶处理+轧制+时效，4 种样品。每个样品至少测试 4 点,第一点不计.两相邻压痕中心之间的距离至少应为压痕直径的 4 倍，并且不应小于 2mm；任一压痕中心距离试样边缘的距离至少应为压痕直径的 2.5 倍，并且不应小于 1mm5。实验报告的

24、建议：实验结束后，请同学们结合实验 1。1、实验 1.2 以及实验 1。3，在学科四要素的指导下，分析、总结。探讨四要素之间的关系，分析一般理论知识在此的体现、规律(分析组织与处理工艺及相关性能测试之间的因果关系） ；对于异常现象的出现,做出合理的推断。数据的纪录样品厚度（mm)洛氏硬度（H 标尺）数据平均铸态固溶处理固溶处理+轧制固溶处理+轧制+时效数据记录示范：60HRHS5。60，是硬度值;HR，是洛氏硬度符号；H，代表使用的标尺;S，是球压头代号（钢球为 S,硬质合金球为 W） 。H 标尺的组合：3。175mm 球压头，初试验力 10kg，总试验力 60kg。 提高位错密度的强化方法:

25、位错强化、固溶强化、细晶强化和第二相强化7。参考资料:1 “硬度及强度换算标准”课题小组我国的硬度及强度换算表J石油机械,1975，3（8）：77-792 时代集团公司TH320 全洛氏硬度计使用说明书J时代集团公司，20053 韩德伟金属硬度检测技术手册M 长沙：中南大学出版社，20034 http:/ ,MC010HR-150A型手动洛氏硬度计的使用说明书5 GB/T 230.12004，金属洛氏硬度试验第 1 部分:试验方法（A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T 标尺)S6 王二平，魏建忠，宗斌硬度试验过程中试样表面质量的获取方法J实验科学与技术，2007，5(1)：26-287

26、姚素兰金属材料强化机理的探讨J内蒙古农牧学院学报，1992，13（2)：52-56本次实验的地点:422、432同学们自己,在 422 进行样品的准备;磨平背面,测试面。在 432 进行硬度的测试.测试的时候，主要由教师或助教操作设备；感兴趣的同学,在有指导的情况下进行必要的操作实践。同学可以自行进行宏观样品测试压痕的拍摄(数码相机、手机)，便于后续分析使用。*测试结束后，请同学们将样品放置于回收箱内，以便循环利用。*附录： TH320 全洛氏硬度计外观照片 样品测试所需宏观尺寸照片提高性资料：1 陈训浩硬度测试中的几个疑区J 冶金标准化与质量，1996，*（5)：45482 彭敬云 “硬度”

27、的物理量名称和符号J冶金标准化与质量，1999，*（2）：45473 陈保华，赵晓峰科技图书中材料硬度的表示方法J科技与出版，2008，*（10）：44454 任小平硬度表达形式的现状与规范化对策J 编辑学报，2002，14（4)：402-4035 李久林金属硬度试验方法国家标准（HB、HV、HR、HL、HK、HS)实施指南M北京：中国标准出版社,20046 对于材料“硬度”概念及测试技术的认识，http:/blog。sina。 7 安运铮热处理工艺学M 北京：机械工业出版社，19828 刘云旭金属热处理原理M 北京:机械工业出版社,19819 戚正风金属热处理原理M北京：机械工业出版社，19

28、87综合实验二实验二 铝合金材料环境协调性评价实验铝合金材料环境协调性评价实验LifeLife CycleCycle AssessmentAssessment ofof AlAlalloyalloy MaterialsMaterials实验学时：2 学时实验类型:综合性前修课程名称：材料工程基础 、 环境材料基础适用专业：材料科学与工程一、实验目的一、实验目的1、掌握材料环境协调性评价的基本方法、实施流程及步骤;2、利用生命周期分析工具，完成对铝合金材料制备过程的建模与分析；3、认识铝合金材料生产对环境的影响，辨识环境负荷最严重的相关环节。二、实验概述二、实验概述材料的环境协调性是指材料在满足

29、使用性能的同时还具有良好的环境表现和环境行为，环境材料的开发有助于资源短缺、能源危机和环境污染等问题的解决。材料的协调性评价，通常用生命周期方法进行评估。所谓生命周期评价是指一种对产品、生产工艺以及人类活动对环境的压力进行评价的客观过程，通过对能量和物质利用以及由此造成的环境废物排放进行辨识和量化来实现评价。其目的在于评估能量和物质利用，以及废物排放对环境的影响，寻求改善环境影响的机会以及如何利用这种机会。这种评价贯穿于产品、工艺和消费活动的整个生命周期，包括原材料提取与加工、产品制造、运输以及销售、产品的使用、再利用和维护，以及废物循环和最终废物的处置.采用生命周期评价方法（LCA）,对铝合

30、金材料在制造阶段的环境性能进行评价，包括从原材料提取与加工、产品制造及相关能源使用和运输过程各环节产生的资源消耗、能源消耗和环境废弃物排放。铝材料环境协调性评价实验将结合运用环境材料基础、材料制备、加工工艺等基础知识，目的在于培养学生综合运用、融合贯通多学科交叉知识的方法，辨识铝材料制备过程的环境问题，提高材料生产的环境意识.三、实验设备与材料三、实验设备与材料教学版著名生命周期分析工具（德国 Gabi） 、铝合金材料制备过程的能源消耗、环境排放等数据。四、实验内容与步骤四、实验内容与步骤实验内容包括：铝合金材料制备工艺流程，功能单位的数据收集与计算,清单分析，材料环境影响评价，材料环境性能改

31、善的措施及方案。1 1、 材料环境性评价方法材料环境性评价方法 介绍生命周期评价技术框架、单元过程、系统边界概念。生命周期评价是对某一产品系统在整个生命周期中的输入、输出和环境影响的汇编与评价。这里的产品系统，是指具有特定功能的、与物质和能量相关的操作过程单元的集合，其中既包括产品的生产过程,也包括产品的服务过程.ISO14040标准定义了LCA的技术框架，如图1所示,此框架将LCA方法分为4个联系的部分：定义目标与确定范围，清单分析,环境影响评价与生命周期解释.目标与范目标与范围的确定围的确定清单清单分析分析环境影环境影响评价响评价结结果果解解释释直接应用：直接应用：产品开发与改进方案决策公

32、共政策制订市场营销其他LCA技术框架技术框架图 1 生命周期分析技术框架单元过程是指材料制备工艺或材料制备工艺的某一个环节或过程,是环境负荷数据集收集和管理的基本单位.系统边界是描述研究系统所涉及范围大小,以便明确数据收集、处理的范围.2 2、铝合金材料制备工艺流程铝合金材料制备工艺流程掌握铝合金材料制备工艺流程图，了解各单元过程的主要特点和功能。确定研究系统边界，按照生命周期分析的特点，包括从原材料的开采、加工、使用及废弃等不同生命周期阶段,制定选定铝合金材料的生命周期流程（或制备工艺） ，制定该种材料的详细工艺流程图，如图 2 示.3 3、功能单位的数据收集与计算、功能单位的数据收集与计算

33、掌握功能单位的基本概念，理解数据收集的方法和计算方法.在明确材料制备流程后，针对各工艺过程进行材料的环境负荷数据的收集，主要包括资源的投入、能源的消耗和空气排放、水体排放、固体废弃物排放和非物质排放(辐射、噪音等） 。这部分工作,部分数据可以从网络、图书馆、各类统计年鉴中获取，部分数据可以根据所学相关工艺特点推算、理论计算、工艺计算，部分数据可以从数据库中直接获取，尽量保证数据的完整性和独立性。对于一些公用数据，如交通运输清单、能源清单数据，则由实验室提供。在收集完各工艺流程的数据后,将按照功能单位计算出每一个工艺的环境负荷数据,如 1kg 铝土矿的主要环境负荷清单（资源消耗、能源投入、污染物

34、环境排放)等见下表 1。表 1铝合金材料功能单位的环境负荷数据收集功能单位功能单位数据流数量单位计量单位类 型说明铝土矿1Pkg矿物材料输入流输入流数据流数量计量单位最小值最大值环境负荷类型说明图 2铝合金材料环境协调性评价的系统边界铝土矿石Xt资源投入燃料油Xt能源消耗电Xkwh能源消耗输出流输出流数据流数量计量单位最小值最大值环境负荷类型说明SO2Xt空气排放NOXXkg空气排放CO2Xkg空气排放CH4Xkg空气排放4 4、清单分析，材料环境影响评价、清单分析，材料环境影响评价掌握清单分析的概念及计算方法、掌握生态指数方法和计算方法。实验方法,主要是借助典型的评价分析工具 Gabi 系统

35、进行，实验重点介绍工具的主要功能，学生根据铝合金制备流程图，在软件系统的流程建模，如输入计算的各工艺过程的环境负荷清单，不同工艺过程间的联接,最后通过软件得到生命周期内的该种材料的计算机建模（图 3） ，并在软件系统内进行相应材料的清单分析，得到研究材料环境负荷的量化的结果，对材料环境负荷的大小有一个感性的认识，为影响评价提供基础.影响评价是对清单阶段所识别的环境影响压力进行定量或定性的表征评价，即确定产品系统的物质、能量交换对其外部环境的影响。LCIA 把清单分析的结果归到不同的环境影响类型，再根据不同环境影响类型的特征化系数加以量化，进行分析和判断，不同的 LCA方法，其归类存在很大的差异

36、，但主要考虑对生物和人类的直接影响、对生态环境的破坏、可再生资源循环体系的破坏和不可再生资源的消耗影响.可根据 Ecoindicator、CML 等LCA 方法体系，这些均是国际上通用的方法体系，开展材料环境影响评价。5 5、材料环境性能改善的措施及方案、材料环境性能改善的措施及方案掌握数据及图表的分析方法.将清单分析和影响评价的结果进行综合分析，以便做出合理的结论和建议。如辨识出铝合金材料在制备阶段的环境影响大小，找出环境负荷最大的工艺环节，从而提供降低环境性能改进的工艺改进方向；同时,也可以发现材料生产过程中最重要的环境负荷因素，为改进材料的生态设计提供可行的参考依据和科学数据.学生从不同

37、的角度出发,结合 LCI 和LCIA 结果，根据自己的理解，充分发挥主观能动性，深入分析评价材料的环境负荷的主要环节，并结合材料性能、工艺等方面的特点，提出降低或改善材料环境问题的建议，并完成综合实验报告。图 3Gabi 铝合金材料制备系统流程建模与清单分析五、实验总结报告五、实验总结报告结合铝合金材料制备的实例，撰写铝合金材料环境协调性评价的方法、步骤、数据处理过程，针对Gabi评价系统的分析结果，进行图表或数据分析，辨识铝合金材料制备的环境负荷,感性认识材料生产对环境的影响。综合实验三综合实验三 粉末冶金粉末冶金实验实验 3。1 粉末冶金材料制备与检测实验指导书粉末冶金材料制备与检测实验指

38、导书一一. 实验目的实验目的通过粉末冶金方法制取钨铜合金的实习，使学生熟悉粉末冶金制取材料的工艺流程与特点，掌握原始粉末的分析、模压及冷等静压成型的具体操作与特点、产品烧结过程中温度、时间对产品性能的影响、多孔材料视比重与孔隙率的测定、以及排水法测定产品密度的方法；了解钨铜合金在军事和民用方面的应用及粉末冶金制取钨铜合金的一般方法。粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末作为原料，经过成型与烧结,制取各类金属制品的一种工艺技术。粉末冶金工艺的基本工序包括：（1）制粉原料金属粉末的制得；（2）成型-将金属粉末制得一定形状和尺寸的压坯,并使之具有一定的密度和强度；(3）烧结即将坯料在主要组元熔点以下温度

39、烧结，使制品具有最终的物理、化学和力学性能。粉末冶金具有以下特点：（1）粉末冶金能生产普通熔炼法无法生产的具有特殊性能的材料。如多孔材料、多孔含油轴承、难熔化合物与金属组成的硬质合金。（2）粉末冶金制取某些材料与熔炼法相比，性能优越。如难熔金属使用熔炼法时晶粒粗、纯度低。（3）粉末冶金制造机械零件是一种少切削、无切削的新工艺，可提高劳动生产率和原材料的利用率.粉末冶金材料和制品的应用范围十分广泛：从普通机械制造到精密仪器;从五金工艺到大型机械;从电子工业到电机制造；从采矿到化工；从民用工业到军用工业;从一般技术到尖端高科技，都有粉末冶金的用武之地.钨铜合金是公认的三大金属钨制品之一(钨丝、钨杆

40、；钨基重合金;钨铜、钨银)。钨铜合金是钨与铜所组成的既不互相固溶又不形成金属间化合物的两相单体均匀混合的组织，称之为“伪合金” （Pseudoalloy） 。正是因为这一组织特点，使钨铜合金既具有钨的耐高温、高硬度、低膨胀系数等特性，又保留了铜的高的导热导电性、良好的塑性等特性,使钨铜合金具有良好的综合性能。钨铜合金在军事上广泛应用于固体火箭的喉衬喷口和燃气舵、电磁炮的导轨材料、反坦克武器的破甲弹药罩和军用电真空器件的封接材料；在民用方面,钨铜合金作为高压开关触头材料、等离子加工、二氧化碳激光器和电火花加工电极、微电子器件中的基片、嵌块、连接件和散热元件以及微波屏蔽材料等。钨铜合金中钨的高熔点

41、以及钨、铜的互不相溶性，决定了钨铜材料只能采用粉末冶金工艺制取。根据钨铜合金中铜的加入方式不同钨铜合金的制取工艺分为混粉烧结法和熔渗法,其中熔渗法能获得很高致密度的钨铜材料，应用较为普遍。二二. 实验内容实验内容1. 粉末原料测定 2. 压制成形 3烧结 4。 渗铜三、实验步骤三、实验步骤。 粉末原料分析1 粒度的测定（F.S.S。S） 。 粒度组成分析。 松装比重测定。. 压制成形1 成型前原料的准备在成形前,粉末中常常要添加一些改善成形过程的物质，即润滑剂和成形剂。这些物质在烧结过程中能挥发干净.石蜡、合成橡胶、甘油、塑料以及硬脂酸或硬脂酸盐等是粉末冶金中常用的润滑剂和成形剂，添加量一般为

42、粉末的 15（重量)。本实验中采用在钨粉中掺加精炼石蜡,加入量为钨粉的 2%（重量） 。步骤如下：称取钨粉 5kg,平铺在不锈钢拖盘中。称取精炼石腊 100g，均匀撒在钨粉上。将装钨粉的不锈钢拖盘放在烘箱中，缓慢升温到 100120，保温 5 分钟。将上述钨粉从烘箱中取出，迅速搅拌均匀.待钨粉自然冷却到 4050后，将粉末过 40 目筛,筛上物不要。将中筛下钨粉再过 120 目筛,筛下钨粉即为压制用钨粉。2 压制成形模压成形为了获得我们所设计的压坯密度和强度，一般有两种方法：即限位法和限压法.本实验采用限压法。实验步骤如下:称取每件制品重量 75.0g,倒入压模中。将压模放在液压机下，压制压力

43、为 2t/cm2。将压制好模具加上脱模环,将压坯从压模中脱出。冷等静压成型 实验步骤如下:将计算每件制品装粉重量。按钨粉理论密度 60计算.G=坯V=0.6理（2r2h)=1.2理r2h将称好钨粉装入压制模套中，用柱塞塞好模套口，并用铁丝捆扎好模套口。将装好钨粉模套放入液压缸中,盖好缸盖.启动等静压机,加压至 200MPa,保压 5 分钟。卸下液压机压力，打开缸盖，取出压制件，将表面油擦试干净，解开铁丝，取出制品.（三)烧结1 成形剂脱除将模压坯块放在不锈钢舟皿中，如果堆放多层，层与层之间要用 Al2O3砂隔开.将装好料舟皿放在氢气脱蜡炉中.通氢，试爆鸣后，点燃炉中排出废气。启动加热电源，按工

44、艺要求进行脱蜡处理。待炉体冷却后取出坯料。2 烧结将脱完蜡后的钨坯码放在中频感应烧结炉中，层与层之间要用 Zr2O3砂分开。(2） 通氢，试爆鸣后，点燃炉中排出废气。(3)。 启动加热电源,按工艺要求进行烧结。（4)。 待炉体冷却后取出坯料。（四)。 渗铜1 每件制品所需 Cu 重量的计算根据测定的孔隙度，计算每件制品所需渗入 Cu 的理论重量，计算公式如下：mCu 理论=8.92J孔mw/(1-J孔）19.3每件制品实际所需 Cu 的重量按下式计算: m实=1。1m理2 渗铜 实验步骤如下:。 称取上述重量 Cu 粉,将其压制成块状. 将钨骨架码放在铺有 Al2O3粉的石墨舟中，将铜块放在钨

45、骨架上，并用 Al2O3将其保护好。. 将装好料的石墨舟放在渗铜炉中，关好炉门。. 通氢，试爆鸣后,点燃炉中排出废气。. 启动加热电源，按工艺要求进行渗铜。. 待炉体冷却后取出制品。四。四。 实验装置实验装置1、粉末粒度分布分析仪 2 、烘箱 3、电子天平 4、四柱液压机(100 吨） 5、压制模具 6、 氢气脱蜡炉 7、中頻感应烧结炉 8、氢气渗铜炉 9、冷等静压机五、实验报告要求五、实验报告要求1、根据实验数据，计算粉末冶金多孔材料的视比重。2、根据实验数据，计算粉末冶金多孔材料的孔隙度.3、根据实验数据，计算 W-Cu 合金的渗铜量。实验实验 3.2 无机纳米粉体化学制备及粒度表征无机纳

46、米粉体化学制备及粒度表征实验学时：4 实验类型：综合型前修课程名称：材料工程基础适用专业：材料类本科生一、实验目的实验目的1 前驱体热解法、高压水热法制备无机纳米粉体工艺的制定及操作；2 BET 法测定纳米粉体粒度的原理及操作；3 了解不同化学制备工艺及各工艺参数对纳米粉粒度的影响.二、二、概述概述溶液化学反应过程在分子级水平、反应条件相对温合、工艺参数易控,且所制备产物的粒度可调.由于上述的特点，湿化学法是制备窄级别颗粒乃至纳米颗粒粉体最有效、最便利、最精确的方法之一。无机纳米粉体的湿化学制备系无机合成的一个分支,国际上每年都有大量的新型化合物及新物相被合成出来，使得无机化学合成技术得到迅速

47、发展。而无机化学合成技术的制备工艺是新材料的制备的关键，目前可用于制备纳米无机粉体的化学方法主要有：沉淀法、喷雾法、前驱体热解法、水热法（高温水解法） 、溶液剂挥发法、溶胶凝胶法、辐射化学法.本次实验主要针对前驱体热解法、水热法(高温水解法）工艺，来探讨不同的工艺条件对所合成无机纳米粉体的粒度特性的影响规律。而氮气吸附法（BrunauerEmmett-Teller 理论，B。E.T）和 BJH(Barret-JoynerHalenda）计算法,是表征超细颗粒固体材料比表面积和孔结构的有效手段。而当所表征超细颗粒为实心球体时，可根据其所表征物料的比表面积计算相应的粒级直径，从而获得超细颗粒（纳米

48、颗粒）的粒度，且 BET 是目前测定纳米级颗粒粒度最精确的方法之一。（一）前驱体热解法前驱体热解法是利用两种或两种以上的前驱体物质在一定条件下反应得到目标产物。其中前驱体分为两类.一是分子前驱体,起始物为小分子化合物或单质。主要用在 CVD 等工艺中，用于制备薄膜或涂层材料；二是聚合物前驱体,是通过小分子量的化合物聚合而成，经过高温热解可获得粉体材料.前驱体反应条件温和，往往在溶液中即能够得到含有目标产物组成元素的前驱体聚合物。由于可以通过调节聚合反应的程度来控制前驱体的分子量、形貌、尺寸,进而控制所得粉体的形貌和粒度。因而前驱体的合成是制备高性能涂层粉体的关键工艺.主要的影响因素有：浓度、反

49、应温度、反应时间、温度梯度等。(二）高压水热法是通过在高温、高压条件下数种组分在水（水溶液)或水蒸气等流体中处于非理想平衡状态下，进行有关化学反应的一种工艺方法。水热法所制备的超细粉体最小可达数纳米水平。水热合成由于其在高温高压条件下进行，增加了反应物反应活性，可以制备在常温条件下难于制备的无机物;可使低溶点化合物、高蒸气压的物质、高温易分解相在水热低温条件下晶化生成;有利于生长出缺陷少、取向好、结晶完美的晶体，且合成过程易于控制晶体的粒度。其主要的影响因素有：溶剂相、反应 PH 值、反应温度、反应时间等.(三）BET 粒度测试N2吸-脱附表征法，主要表现形式是 N2吸附平衡等温线,是以压力比

50、为横坐标,恒温条件下吸附质在吸附剂上的吸附量为纵坐标的曲线.吸附平衡等温线的形状、强度与材料的孔组织结构有密切关系.吸附平衡等温线可分为 5 种不同类型（、)。型等温线代表微孔材料;型等温线多代表大孔材料；型等温线代表非孔材料；介孔材料多呈现型吸附平衡等温线，在较低的相对压力下发生的吸附主要是单分子层吸附,然后是多层吸附，至压力足以发生毛细管凝聚时，吸附等温线表现为一个突跃,介孔的孔径越大，毛细管凝聚发生的压力越高，之后则是外表面吸附；型等温线虽也反应中孔材料的特征,但吸附质与吸附剂的相互作用性质不同，出现情况较少。依据所测实心球体的吸附到温线来计算物料的粒度组成。本次实验中所涉及的主要内容为

51、：前驱体热解法、高压水热法制备工艺数，如化学反应的 PH、溶液浓度、反应温度、反应时间等对产物粒度的影响；BET 的测试方法。三、三、实验步骤实验步骤（一） 每组分成四个小组,其中两个小组先进行前驱体合成工艺实验，另外两个小组则进行水热合成工艺实验。完成之后互换实验内容。（二） 通过 BET 测试所制备无机粉体粒度特征性。四、四、实验设备及材料实验设备及材料（一） 化学试剂三聚氰胺、硼酸、无水乙醇、硝酸铈、氨水、草酸、液氮、N2气、He2气（二） 实验设备高压反应釜、电子天平、数字式酸度仪、磁力加热搅拌仪、控温仪、可控温烘箱、可控温箱式电阻炉、循环水式多用真空泵、比表面测定仪。五、五、实验报告

52、要求实验报告要求掌握实验中涉及的化学反应、仪器工作原理，仔细观察实验现象，收集实验数据，并对数据进行分析，对反常现象和数据产生的原因进行说明。实验实验 3.3 熔体快淬法制备非晶、纳米晶熔体快淬法制备非晶、纳米晶一、实验目的1。 实践粗晶材料如何制备成非晶、纳米晶材料；2。 了解不同快淬速度对材料的组织的影响;3。 了解材料从粗晶变成非晶或纳米晶对其性能的影响。六、概述熔体快淬就是在真空状态下，将熔融的金属或合金在一定的压力下，注射到高速旋转的水冷铜辊上，使其在极大的过泠度下凝固，获得具有超细结构的非平衡组织，由于这种方法具有极高的冷速,可使金属及合金的晶粒尺寸达到纳米级或得到非晶组织。使制备

53、的金属或合金具有与一般非平衡冷却完全不同的力学和物理性能。金属或合金的晶粒尺寸随过冷度的增加而减小。熔体快淬的冷速极高，可以使多种金属及合金形成纳米晶或非晶态。而且，由于冷却铜辊的转速及液态金属及合金的喷射压力是可调的,所以冷却速度可以严格控制，从而达到控制金属或合金的晶粒度的目的.应用熔体快淬制备纳米晶、非晶态金属及合金的工艺易于控制，而且可以实现批量生产，易于产业化。目前，熔体快淬已经在稀土永磁材料、贮氢合金、Ni2MnGa 磁性形状记忆合金、耐高温非晶钛基及钛锆基钎焊料、高强度非晶态结构材料等领域得到广泛的应用。熔体快淬方法的典型工艺如下所示，母合金冶炼浇注成锭铸锭在带喷嘴的试管中再熔化

54、熔化喷射高速旋转的冷却辊固化薄带和辊分离收集带子晶化退火（可省略）破碎制粉SPS 烧结。熔体快淬分为单辊快淬法和双辊快淬法。本实验室用的是单辊快淬法,其原理如图 1 所示。铸锭在试管内被感应线圈加热熔化,然后通入氩气,使试管内外产生 0.30.7 个大气压的压力差，使熔化合金从漏嘴喷出，到达快速旋转的辊面，迅速凝固，形成连续薄带,再借助离心力抛离辊面.如此完成一次喷铸过程需要数秒到数十秒的时间.图 2 为快淬的薄带.如果淬速更高,得到的薄带将更碎且细小，其晶粒为纳米级（如图 3） 。实验中，水冷铜辊的转速、液态金属的压力、液态金属的温度、石英管喷口的尺寸、形状以及喷口与铜辊的距离都是快淬工艺的

55、关键因素。 图 1 单辊快淬法制备 NdFeB 薄带 图 2 NdFeB 薄带图 3 26m/s 辊速快淬 NdFeB 薄带的 TEM快淬工艺的制定包括:1 熔液温度熔液温度升高,要得到同样厚度的快冷条带,冷却辊就必须吸收更多的热量,但是当冷却辊的结构一定时它的吸热能力也就是一定的，熔液温度是受到工艺操作的限制的，实际操作中要求熔融合金具有较好的流动性,也就是要求有一定的过热度，一般要求高于熔点，一般要求高于熔点100左右左右，熔液温度过低会因为流动性降低而改变熔潭形状使带变薄。总的看，首先要考虑的是熔液的温度要能够保证喷制工艺的顺利进行，不至于因为温度的稍微下降而破坏正常的喷制过程。2 冷却

56、速度及冷却辊作为冷却体的旋转辊是获得高冷却速度的主要条件。其冷却速度表如表 1：表 1 辊转速对应的线速度辊面线速度V (m/s)6101520253035404550辊转速3696169241232154018492157246527733082 （r/min）要求制造冷却辊的材料具有高的热传导系数、有尽可能高的硬度、与合金熔液有好的润湿性、容易加工和保持辊面较高的表面光洁度等性能.常用材料有纯铜、铜合金和钢。随着喷制次数的增加或一次喷制量的加大，冷却辊的温度不断升高，为了保证工艺参数的稳定，必须控制冷却辊的温度，这就需要采取对冷却辊强迫冷却的措施，实际应用中大多采用水内冷的冷却方式。冷却辊

57、表面在喷制带的过程中会不断被站污、损伤,造成成品条带上无规则的或周期性的孔洞等缺陷,影响带的质量，甚至成为废品。因此经常清理、修整使冷却辊表面光滑是非常必要的。3 坩埚和喷嘴试验研究和小量制备样品时采用坩埚和喷嘴体的结构,常用熔融石英管制成。石英透明因而便于直接观察合金熔化情况,它有良好的耐急冷急热性能，与大多数合金无作用或无明显作用,尺寸小的加工制作较为灵活方便。4 试管的管嘴形状 要得到一定几何尺寸的快冷条带，一个基本条件是喷嘴有合理的形状、精确的尺寸和至少要保证在一次喷制过程中不变形。合金细丝和小于 3mm 的窄带应采用圆孔形喷嘴喷制，3mm 以上的带一般使用矩形狭缝喷嘴。本实验采用圆孔

58、形。喷嘴应该表面平整光滑，尺寸精确。喷嘴直径不能过小，否则会因为不易控制熔液流的连续稳定，造成熔潭的不稳定,从而使得到的快冷条带在几何形状和尺寸出现缺陷。如果直径过大，则往往由于熔液的重力而发生“自流”现象，导致喷制失败.本次实验对 NdFeB 进行快淬工艺制定，并进行实际操作，系统地观察不同淬速下其晶粒的大小（纳米晶或非晶） ，并测试其磁性能。七、实验步骤（一） 每组分成四个小组，其中两个小组采用低淬速(30m/s）进行快淬,来获得非晶薄带。（二） 观察有关薄带的显微组织,详见表 2。八、实验设备及器件（一） 熔体快淬炉（二） 石英管。（三） 30g 左右的铸锭合金样品。（四） 研钵及试样带

59、.九、实验报告要求1.实验数据收集齐全，并对数据进行分析（从加热温度、冷却速度)。2.对纳米晶、非晶的形成机理进行描述。表 2 不同淬速下薄带的显微组织序号快淬速度(m/s）组织16215335445综合实验四综合实验四 高分子材料合成高分子材料合成实验实验 4.1 功能高分子材料的合成与性能测定功能高分子材料的合成与性能测定一、实验目的1。 了解高吸水性树脂的基本功能及其用途;2. 了解合成聚合物类高吸水性树脂制备的基本方法； 3. 掌握反相悬浮聚合的机理、体系组成及作用等工艺特点。二、实验原理 高吸水性树脂(Super Absorbent Resin，SAR)又称超强吸水剂，是一种具有卓越

60、吸水性和保水性的新型功能高分子材料，能迅速吸收是其自重成百上千倍的水分，即使加压也不滴漏，明显优于海绵、吸水纸、脱脂棉等传统吸水材料，已广泛应用于农林园艺、医疗卫生、环境保护、土木建筑、石油化工等诸多领域作为土壤改良剂、保水剂、纸尿布、卫生巾、增稠剂、脱水剂、堵水剂等.高吸水树脂的吸水原理：高吸水树脂一般为含有亲水基团和交联结构的高分子电解质。吸水前，高分子链相互靠拢缠在一起,彼此交联成网状结构，从而达到整体上的紧固.与水接触时，因为吸水树脂上含有多个亲水基团,故首先进行水润湿，然后水分子通过毛细作用及扩散作用渗透到树脂中，链上的电离基团在水中电离.由于链上同离子之间的静电斥力而使高分子链伸展