材料综合实验指导书

1、 材料综合实验指导书 金属材料工程专业2013-8-20沈阳理工大学材料学院 目目 录录实验一 钢的热处理综合实验 .实验二 铸造合金流动性的测定 .实验三 铸造合金残余应力的测定 .实验四 锻压变形原理实验 .实验五 焊接方法综合实验 . 实验一实验一 钢的热处理钢的热处理综合实验综合实验1.1实验目的了解钢的热处理操作及硬度实验原理，正确设计、制定钢的淬火工艺，利用热处理炉和硬度计进行碳钢的热处理，并用硬度计检测硬度，分析硬度与热处理工艺的关联性，从而增强对热处理原理与工艺的感性认识，加深对热处理的了解。）通过实验，使学生加深对课堂教学内容的理解，掌握热处理的基本原理和工艺基本知识，熟练使

2、用热处理相关仪器设备。同时可逐步提高从事本专业科学研究实验以及分析和解决实际工程问题的动手能力；提高学生将理论与实践相结合的能力。1.2实验设备和仪器1)洛氏硬度计2)热处理箱式炉3)碳钢试样3)直读光谱仪1.3实验内容及要求实验内容：学生自行设计制定碳钢（9SiCr9SiCr）的热处理工艺，进行热处理操作，进行硬度检测实验，分析碳钢热处理工艺对组织性能的影响规律，撰写完整的实验分析报告。实验要求：要求学生了解碳钢普通热处理(退火、正火、淬火、回火)的操作方法；了解钢在热处理时含碳量、加热温度、加热时间、冷却速度及回火温度等主要因素对钢热处理后组织与性能的影响；明确热处理过程中的操作注意事项；

3、制订热处理工艺过程、设计操作步骤、确定工艺参数(如加热温度、保温时间、冷却速度等)；了解钢普通热处理(退火、正火、淬火、回火)下的金相组织变化和性能变化，建立金相组织、性能与热处理工艺关系的感性认识；使学生具备在指定工作条件下制定热处理工艺，以及通过热处理实践操作、硬度检测等实验过程，对相应的工艺进行初步实验、分析的能力。为今后的学习与实践奠定理论与实践的基础。1.4实验原理及步骤 1.4.1实验原理（1）碳钢的热处理工艺种类 热处理是改善金属材料的使用性能和加工性能的一种非常重要的工艺方法。在机械工业中，绝大部分重要的机件都必须经过热处理。热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却

4、，以改变其整体或表面组织，从而获得所需性能的一种工艺。碳钢的热处理工艺种类有退火、正火、淬火、回火等，其目的和操作各不相同。淬火、回火一般可提高钢的硬度强度，正火退火一般为预备热处理，可改善材料工艺性能及力学性能。为了使钢件在热处理后获得所需要的性能，大多数热处理工艺（如淬火、正火和普通退火等）都要将钢件加热到高于临界点温度，以获得全部或部分奥氏体组织并使之均匀化，这个过程称为奥氏体化。然后通过不同的冷却制度，使奥氏体转变为不同的组织（包括平衡组织与不平衡组织），从而获得所需的性能。亚共析钢、过共析钢的奥氏体形成，以及先共析铁素体或二次渗碳体继续向奥氏体转变或溶解的过程，只有加热温度超过A3（

5、亚共析钢）或Acm（过共析钢）后，才能全部转变或溶入奥氏体。特别地，对过共析钢，在加热到Acm以上全部得到奥氏体时，因为温度较高，且含碳量多，使所得的奥氏体晶粒明显粗大。（2）碳钢的热处理工艺制定原则亚共析钢淬火：淬火温度为Ac3+30-50。共析钢、过共析钢淬火温度为Ac1+30-50。如图1所示。图图 1 1 碳钢淬火温度范围。1.4.2步骤（1）实验前复习有关内容和阅读实验指导书，为实验做好理论方面的准备。（2）切割、打磨碳钢棒材，准备淬火试样。注意检查试样，检测硬度的两端面要磨平。（3）采用直读光谱和XRD衍射仪对试样热处理前进行成份及物相检。（4）在洛氏硬度计上检测待处理的碳钢试样硬

6、度，了解其状态。记下硬度值。（5）将试样放入热处理电炉，按照试验方案定出不同的温度，加热到所定温度后保温足够时间，然后出炉油冷却。（6）分析热处理后的金相组织及性能检测（7）采用XRD检测热处理后物相；扫描电镜观察形貌（8）对比分析淬火前后硬度值。实验二实验二 铸造合金流动性的测定铸造合金流动性的测定2.1 实验目的：1）测定铸造合金成分对该合金流动性的影响。2）测定浇注温度对该合金流动性的影响。2.2 实验的基本原理流动性是铸造合金的重要性能之一，它对铸件质量有较大的影响；如补缩、冷隔、浇不足等。为获得优质铸件必须对流动性加以研究。铸造合金流动性为液态金属本身充满铸型的能力，与合金的成分、温

7、度、杂质含量及物理性质有关。合金的流动性与合金的充型能力是两个概念。合金的充型能力是液态合金充满铸型型腔，获得形状完整，轮廓清晰铸件的能力。由于影响液态金属充型能力的因素很多，很难对各种合金在不同铸造条件下的充型能力进行比较。所以，常用固定条件下所测得的合金流动性来表示合金的充型能力。2.3 实验合金与试样1） 纯铝和铸铝102。2） 螺旋形试样如图2.1通过实验研究成分对流动性的影响。取纯Al 和 ZL102 合金在相同温度下浇注螺旋形试样，进行比较。在实验时，要求铸型相同（透气性、紧实度等）和过热温度相同。研究温度对合金流动性的影响，纯Al 和ZL102 合金分别在不同温度下浇注螺旋形试样

8、，比较螺旋试样的长度。2.4 实验设备与材料1） 熔化设备：坩埚电阻炉两台或感应电炉，石墨坩埚两个2） 合金材料：工业纯 Al铸铝 1023） 铸型：三副模板、三副砂箱、造型型砂及制型工具4） 热电偶（镍铬-镍硅）两支及毫伏表5） 去气剂：氯化锌图2.1 螺旋形流动性试样机构示意图1 浇口杯 2 低坝 3 直浇道 4 螺旋5 高坝 6 溢流道 7 全压井2.5 实验前准备1） 熟悉螺旋形试样的结构特点及各部分作用，对铸型的要求。2） 熟悉合金成分和浇注温度对铸造合金流动性的影响。2.6 实验步骤1） 按要求造型，装配（保证相同的造型条件，用仪器检查紧实度）。合箱放平待浇。2） 在电阻炉内熔化合

9、金，当液态合金温度达到730左右时用氯化锌精炼，精炼后立即清理熔渣，静止 1 - 2 分钟后，按要求的浇注温度浇注。3） 待试件冷却后，打箱、测量试件长度并记录到表内。2.7 实验数据及处理1）实验数据：将各组试验数据填入表 2.1 内。2） 数据处理：绘出化学成分与流动性、浇注温度与流动性曲线图（三或四组数据综合）。表 2.1 实验数据项目序号纯铝 或 ZL102 1浇注温度 / 7307006702螺旋形试样长度/ mm3螺旋形试样平均长度/ mm2.8 实验结果及分析1） 简述实验原理2） 根据实验结果，结合曲线图分析合金成分、浇注温度对流动性的影响。3） 讨论分析误差产生原因，提出改进

10、实验的建议。实验三实验三 铸造铸造合金合金残余应力的测定残余应力的测定3.1 实验目的 测定铝合金应力框试样的残余内应力。3.2 实验原理铸件在凝固冷却过程中，由于壁厚不同，铸件各部分冷却速度不一致。因此各部分的收缩速率不同，但因各部分彼此相联，相互制约而产生应力，此应力称为热应力。热应力的生成过程，可用应力框试样说明，如图3.1 所示。应力框铸件的粗杆 和细杆 与横梁的连接，可看作是刚性连接，应力框中的金属液体在凝固收缩过程中，首先细杆 冷却速度快， 杆冷却速度慢，因而杆的冷却速度大于 杆，通过两端连接的横梁使 杆受压， 杆受拉。如忽略砂型阻力，将在 杆、 杆同时产生拉应力和压应力。随着冷却

11、时间增长， 杆和 杆的冷却速度发生明显变化。因而收缩速率也随之改变，使内应力符号发生明显的改变。3.3 实验设备和工具应力框试件，虎钳、手锯、平锉、钢尺、中心冲、刻度显微镜、手锤等。3.4 实验步骤1）把应力框中粗杆表面的砂去净，并测量其长度（ 精确到 1/10 mm ）。2）在粗杆上用中心冲打两个凹洞，其间距等于10 mm（ 精确到 1/10 mm ）。用刻度显微镜测定 L 长。3） 用手锯在 L 间锯断，并测量两洞间间距 L。4） 应用应力公式，求残余内应力。 （3.1）E = 1.05106图 3.1 应力框试样3.5 实验结果及分析1）根据实验过程，整理实验数据，并对计算的 值进行讨论

12、。2）分析影响应力框试样应力值大小的因素。ELL - L实验四实验四 锻压变形原理实验锻压变形原理实验压力加工主要包括锻造和冲压两大类。锻造分为自由锻和模锻，冲压分为分离与变形。分离是指冲孔、落料、剪切等工序，而变形是指拉延、挤压、胀形、弯曲等工序。本实验为冷冲压工艺中的拉延实验，其实验原理和要求如下：4.1 实验目的4.1.1 了解极限拉延系数的测定方法及拉延系数计算方法。4.2.2 了解拉延模具间隙挤凹模圆角半径对拉延力的影响；间隙对零件质量的影响。4.2.3 测量一种材料的极限拉延系数、拉延力及压边力。4.2 基本原理拉延是利用模具冲裁后得到平面毛坯变成开口空心零件的冲压工艺方法。拉延过

13、程如图 4.1 所示，其凸模与凹模和冲裁时有所不同，它们工作部分没有锋利的刀口，而是做成为一定的圆角，其间隙也稍大于板料的厚度，在凸模的作用下，半径 D0 的毛坯在凹模端面和压边圈之间的缝隙中变形，并被拉进凸模和凹模之间的间隙里形成空心零件的直壁。零件上高度为 H 的直径部分是由毛坯的环形部分（外经 D0 ，内径 d）转化而成的。拉延时毛坯的外部环形部分是变形区，而底部通常是不参加变形的不变形区。拉延后零件的直径 d 与拉延前毛坯直径 D0 之比称为拉延系数 m，并用下式表示： （4.1）从上式可以看出，拉延系数表示了拉延前后毛坯直径的变化量，不同的拉延系数所需要的拉延力也不同。影响拉延力的因

14、素很多，它不仅与拉延系数有关，而且与材料的机械性能、零件尺寸、凸凹模圆角半径、润滑等有关，计算拉延力的经验公式很多，这里介绍一种常用公式：P 1= d1 t b K1 （4.2）P1 第一次拉延力（牛顿）d 1 第一次拉延后的零件直径（毫米）t 材料厚度（毫米）b 材料抗拉强度（MPa）K 1 第一次拉延系数Ddm01. 凸 模 2. 压边圈 3. 毛 坯 4. 凹 模图 4.1压边圈的压力必须适当，如果过大就要增加拉延力因而使工件拉裂，而压边圈的压力过小会使工件侧壁或凸缘起皱。4.3 实验设备、材料及工具 杯突度验机，拉延模具，游标卡尺，拉延毛坯若干。4.4 实验步骤和方法4.4.1 步骤1

15、） 将拉延凸凹模分别安装在杯突实验机上下模座上。2） 根据毛坯直径选用定位圈，然后将定位圈放稳，毛坯放置定位圈中（机油润滑） 。3） 旋转压边手柄施加压力，并注意观察压边力指示表，压边力不宜过大。4） 加载速度手柄选用中速，启动电机进行拉延。并注意观察拉延力指示表直到拉延完毕，记录拉延力，压边力。5） 反向扳动加载手柄进行卸载，反向旋转压边圈手柄，取出工件观察拉延件的表面质量，测量直径。注意：加载速度不宜过大，拉延力不允许超过设备额定吨位。4.4.2 方法：1） 选用一套凸凹模和一套材料直径不同毛坯进行拉延，直到工件拉到破坏，计算其极限拉延系数。2） 选用一定尺寸的凸模，更换不同圆角半径的凹模

16、，观察拉延力的变化情况。3） 选用一定尺寸的凹模，更换不同尺寸的凸模，观察模具间隙对拉延力及工件质量的影响。4.5 实验结果及分析4.5.1 讨论模具间隙对拉延力及工件质量的影响4.5.2 讨论造成拉破的可能因素。实验五实验五 焊接方法综合实验焊接方法综合实验5.1 实验目的5.1.1 掌握各种焊接方法基本特点及其典型设备5.1.2 学习焊接方法和设备的选择5.2 实验原理：焊接在机械制造中是一种十分重要的加工工艺。焊接技术的进步很快，为了能正确选择和使用各种焊接方法，必须了解焊接的分类，基本特点和设备使用范围。焊接是两种或两种以上同种或异种材料通过原子或分子之间的结合和扩散连接成一体的工艺过

17、程。促使原子和分子之间产生结合和扩散的方法是加热或加压，或二者同时使用。焊接时，加压可以破坏连接表面的氧化膜，产生塑性变形以增加接触面，使原子间达到产生结合力和扩散力的条件；加热的目的是使接触面的氧化膜破坏，降低塑性变形的阻力，增加原子振动能，促使再结晶，扩散和化学反应等过程。加热的温度和压力成反比。5.3 焊接分类焊条电弧焊 埋弧焊埋弧焊氩弧焊（MIG）CO2 气体保护电弧焊药芯焊丝电弧焊原子氢焊等离子弧焊氧-氢焊气焊钨极氩弧焊（TIG） 原子氢焊 等离子弧焊当然，分类的方式也不尽相同。上述是以工艺流程为分类依据，也可按能量、压力、温度、填充物等来分类。实际生产实践中具体情况具体分析。5.4

18、 试验步骤按焊接不同的方法进行实验，如表5.1 所示表5.1 不同焊接方法的选择焊接方法原理特点适用范围气焊利用可燃气体与氧气混合燃烧的火焰熔化焊件和焊丝进行焊接火焰温度和性质可调节，热量不够集中，热影响区比较宽，生产效率低用于薄板结构和小焊件，可焊钢、铸铁，铝、铜及其合金、硬质合金等焊条电弧焊利用焊条和焊件之间的电弧热熔化焊条和焊件进行手工焊接机动、灵活、适应性强，可全位置焊接。设备简单耐用，维护费低。劳动强度大，焊接质量受人工技术水平影响，不稳定在单件、小件生产和修理中最适用，可焊 3毫米以上的碳低碳钢、不锈钢和铜、铝等金属，以及铸铁的焊补埋弧焊利用焊丝和工件之间的电弧热熔化焊丝实现焊件机械化焊接，电弧被焊剂覆盖与外界隔离焊丝的送进与移动依靠机械进行，生产效率高，焊接质量好且稳定，不能仰焊、立焊，劳动条件好适合于大批量生产中的长直和环形焊缝焊接，可焊碳钢、合金钢某些铜合金等中厚板结构，只能平焊、横焊角焊氩弧焊用惰性气体氙保护电弧进行焊接。若用钨棒做电极，则为钨极氩弧焊，即（ TIG）焊，若用焊丝做电极，为熔