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1、1实验一 金属结晶过程及铸锭组织观察实验项目性质：普通实验实验计划学时：2 学时一、 实验目的1 观察盐类及金属的结晶过程2 了解并掌握金属及合金铸锭组织的形成，明确金属及合金铸锭组织的控制方法3 观察并描绘不同条件下纯铝的铸锭组织二、 实验概述结晶过程包括晶核的形成和长大两个过程。晶粒的形状及大小，根据冷却条件及其他因素不同而不同。金属及盐类最常见到的晶体形状是树枝状晶体，又称枝晶。用生物显微可以直接观察透明盐类（如氯化铵、硝酸银等）的结晶过程。在玻璃片上滴一滴接近饱和的氯化铵溶液，放在生物显微镜下观察它的结晶过程。随着溶液的蒸发，溶液逐渐变浓而达到饱和，由于液滴边缘处最薄，因此蒸发得最快，
2、结晶过程将从边缘开始向内扩展。结晶的第一阶段是在液滴的最外层形成一圈细小的等轴晶粒，这是由于此时液滴外层较薄，蒸了很快，在短时期内产生大量的晶核之故。结晶的第二阶段是较为粗大的柱状晶，其成长的方向是伸向液滴中心，这是由于此时液滴的蒸发已比较慢，而且液滴的饱和顺序也是由外向里的，最外层的细小等轴晶只有少数的位向有利于向中心生长，因此形成了比较粗大的，带有方向性的柱状晶。结晶的第三阶段是在液滴的中心部分形成不同位向的等轴晶。这是由于液滴中心此时也变得较薄，蒸发也较快，同时溶液的补给也不足，在此可以看到明显的树枝晶组织。从而可以看出，盐液滴由于蒸发而进行的结晶过程及所得的结晶组织与铸锭的结晶过程与组
3、织是很相似的。金属不透明，因此一般不能用显微镜直接观察液态金属的结晶过程。但是金属凝固后可以将铸锭沿纵剖面或横剖面切开，经过磨制和浸蚀后就可以分析它的组织和形成过程。另外，也可以利用化学中的取代（置换）现象来观察金属晶体的生长过程。例如：硝酸银的水溶液中放入一段细铜丝。铜将开始溶解，而银则沉淀出来，其反应如下：Cu + 2AgNO3 2Ag+Cu(NO 3)2如果在生物显微镜下观察，则可以看到银的枝晶生长过程。2需要说明，金属的结晶是在液态金属冷却的过程中进行的，当具有一定的过冷度时，金属就开始结晶。而所观察的氯化铵和金属银的沉淀枝晶都是在室温下进行的，它们结晶显然不是依靠过冷度。氯化铵是依靠
4、水分的蒸发使溶液过饱和而结晶的，银则是化学取代（置换）反应中被取代（置换）出来的金属进行沉聚而得到的枝晶。对纯金属只在铸锭的表面，特别是缩孔处可以清楚地看到枝晶组织，而在铸锭内，只能看到外形不规则的晶粒。在铸造状态的合金中，由于晶内偏析或结晶顺序的不同，在合金的内部可以用显微镜看到合金结晶的枝晶组织。（一） 三晶区的形成1、表面细晶区：传统理论认为，当液体金属浇入温度较低的铸型时，与铸型接触的一层液体受到强烈激冷，产生很大过冷，因而在型壁上及液体中大量成核，成长为细晶粒区。激冷生核，枝晶方式生长，散热方式影响不大，生长无方向性。近年来的研究丰富了传统理论，认为液体的流动对表面细晶区的形成起了决
5、定性的作用。浇铸时液体的流动冲刷和液体内外温度梯度较大而产生的强烈对流，模壁脱落及杂质作晶核，使得激冷区大量成核而形成表面细晶区。2、内部柱状晶区：随着型壁温度上升，液体温度梯度降低，使得细晶区生长受阻。而此时液体金属冷却减慢，温度梯度变得平缓，结晶前沿的液体有很小的过冷度，不能生成新的晶核，只能在细晶区内靠近液相的某些小晶粒继续长大，而远端液态金属尚处于过热之中，无法另行生核，因些结果主要靠晶粒的继续长大来进行。由于垂直于型壁方向散热最快，因而晶体沿其相反方向择优生长成柱状晶。3、中心等轴晶区：随着柱状晶生长，已凝固的铸锭温度升高，中心液体温度下降，合金中容质原子、外来夹杂、柱状由于对流冲断
6、的枝晶等等成为晶核。而此时随着柱状晶发展，散热已失去了方向性，成为晶核的小晶体可以自由生长，形成中心等轴晶区。（二）铸锭晶粒组织的控制因素1、冷却速度：冷却速度决定其过冷度，冷却速度越大，液体的过冷度就越大，形核率越高，所得铸锭组织的晶粒度就越细小，三晶区域的大小也受影响。2、加热温度：提高液体加热温度，增大了浇铸时的过冷度，易于形核；但高的加热温度，夹杂物等形核物质会熔解，又降低了形核率，所以要综合分析。一般来说，提高浇铸温度，晶粒度会增大；而降低浇铸温度是缩小柱状晶区和扩大等轴晶区并细化晶粒的有效措施。3、孕育处理：在液态金属中人为加入孕育剂，有利于液态金属内部的形核，从而提高形核率，降低
7、晶粒度，从而获得细小等轴晶的处理方法即叫孕育处理。3关于孕育处理的作用，目前有两种说法：一种观点认为孕育剂主要起促进非自发形核作用；另一种观点认为孕育剂主要是使溶质偏析系数增大，使枝晶易产生更细的颈缩，促进晶体自型壁脱落和晶枝的熔断脱落，从而增加漂移于型腔内部的小晶体数量。常见的孕育剂有：铝及铝合金：加入 Ti、 Nb、Zr、TiC、稀土盐等；铜合金：V、B、Fe、Ti 、稀土盐等；碳钢及低合金钢：Ti、 V、B 、碳化物等。4、增加振动：通过机械、超声、电磁搅拌等振动方式，使得正在凝固的细晶体脱落，正在生长的枝晶局部折断，从而提高了形核率，达到细化晶粒的目的。三、 实验的主要仪器设备和材料氯
8、化铵、硝酸银溶液；载玻片、玻璃棒；生物显微镜或放大镜；铜丝；不同条件下所得铝铸锭试样一套。四、 实验内容（一）观察氯化铵饱和溶液和银晶体的结晶过程观察氯化铵溶液的结晶过程：用玻璃棒引一小滴已配好的氯化铵水溶液到载玻片上，用生物显微镜，对准焦距进行观察（或用放大镜直接观察）其结晶过程。 （注意 液滴不应太大，否则蒸发太慢，增加等待结晶的时间。另外还要注意清洁，不要让外界物质落入液滴而影响结晶过程。在使用生物显微镜时，应该防止液滴流到试样台或显微的其他部分，尤其不能让液滴碰到物镜。观察银的结晶过程：将一小滴硝酸银溶液放在载玻片上，将此载玻片放在生物显微镜的试样台上，调好焦距后，将一小段细铜丝放在液
9、滴中，随即观察银的晶体生长过程。4（二）钝铝铸锭组织的形貌观察与描绘观察不同工艺条件下，钝铝铸锭组织的形貌，并画出示意图（钝铝的熔点 658）序号 浇铸温度 模材及模温 组织1 910930 室温钢模 2 810830 室温钢模 3 690710 室温钢模 4 810830 水冷钢模 5 810830 550 6 810830 室温砂模 五、 实验报告要求1、 实验目的2、 实验概述3、 实验设备、材料4、 实验内容5、 根据实验与观察，分析讨论冷却速度、浇铸温度对铸锭组织的影响，解释哪些因素控制铸锭组织的三晶区分布，是如何控制的。5实验二 金属力学性能分析与真实应力应变曲线实验项目性质：综合
10、性实验实验计划学时：2 学时一、 实验目的通过拉伸试验确定金属薄板的力学性能，如弹性模量（E） 、屈服应力（s ） 、抗拉强度（b） 、屈强比（s/ b） ，均匀延伸率（u） 、总延伸率（k） 、应变硬化指数（n） 、并绘制硬化曲线。二、 实验内容1、测定金属的屈服应力（s）及抗拉强度（b） ；2、计算金属屈强比（s/b） ；3、金属的真实应力应变曲线及应变硬化指数（n） 。4、采用铸铁和低碳钢两种材料进行拉伸实验并进行对比分析。三、 实验（设计）仪器设备和材料清单：LJ1000 拉力试验机、千分尺、游标卡尺、直尺、标示工具、铸铁、低碳钢等。四、 实验要求学生在老师的指导下分组协同完成实验任务
11、。五、 实验步骤及结果测试实验步骤：1、 查找相关书籍，了解金属材料在拉伸时载荷伸长曲线变化的规律，了解反映金属材料机械性质的相关参数的含义。2、 准备试样，做好标记可以使用图 1、图 2 中所示两种形状试样中的任一种。应在金属薄板平面上与轧制方向成 0、45和 90三个方向切取试样。试样厚度应当均匀，在标距长度内厚度变化不应大于 0.01mm 时，应不大于公称厚度的 1%。切取样坯和机加工试样时，应防止因加工硬化或热影响而改变材料的性能。可用维氏金刚石压头或其它工具刻划标距点。标距点应位于试样的轴线上，并对称于平行长度部分的中心。6图 1 1 号样图 1 2 号样表一：参数 第 1 次 第
12、2 次 第 3 次 t b 0L uk3、 测量试样拉伸前的相关参数的实验数据，填入表一。4、 按“回退”按钮，移动平台，调整上下夹头间的距离。5、 将试样放入试验机上下夹头内，并将其夹紧，调整好测力刻度和载荷伸长曲线记录装置。夹头的移动速度应在 0.520mm/min 范围内，并应保持加载速度恒定。按“拉伸”按钮加载，对金属试样进行拉伸，测量并记录拉伸过程中的相关参数的实验数据，填入对应表格。注意测量并记录产生屈服时的载荷 Fs 或 F0.2、和最大载荷 Fmax。6、 从试验机上取出上下夹头，将其松开并拿出试件，测量并记录相关7实验数据，填入对应表格。表二： L F L F L F L F
13、结果测试：根据测得的实验数据并参考实验绘制的载荷伸长曲线，进行数据处理，便可确定板材的 E、 s、 b、 s/ b、 u、 k 1、确定板材 E、 s、 b、 s/ b、 u、 k1.1 E 由下列式子确定在金属薄板拉伸过程中的弹性变形阶段的某一时刻，读取的 F 和 L代入下列式子：= 0AF= 0LE=/式中 L0 试样原始标距长度， mm；A0 试样原始横截面积，mm 2。1.2 s、 b 及 s/ b 由下式确定： s= 或 0.2= （MPa）0FS 202mNA。 b= （MPa）0maxA2/,式中 Fs屈服时的载荷，N；F0.2相对伸长为 0.2%时的载荷，N ；8Fmax拉伸最
14、大载荷，N；A0 试样原始横截面积，mm 2。1.3 u 及 k 由下式确定： u= %100L k= 0式中 试样原始标距长度， mm；L试样产生细颈时的标距长度，mm ；u试样断裂时的标距长度，mm 。kL2、绘制加工硬化曲线根据实验测得数据，在坐标网格纸上，以 L 为横坐标，F 为纵坐标，为一一对应的 L 和 F 的值进行描点，拟合绘制金属板料拉伸时的 F-L曲线。比较拟合绘制拉伸 F-L 曲线与试验时载荷伸长曲线记录装置绘制的拉伸曲线异同。对试验得到的拉伸曲线（图 3）进行坐标变换：图 3 拉伸 F-L（ - ）曲线横坐标变换为对数应变=ln = ln ln(1+ ) （1）0L0L纵
15、坐标变换为真实应力9（2）)1()1(00AFS式中 对数应变（真实应变） ； 相对应变， =L/L 0；L试样标距的伸长，mm；S真实应力， N/mm2； 0名义应力，N/mm 2；绘制方法如下：在拉伸曲线的横坐标取若干个 L，再找到相应的载荷 F 值，亦可取表二中的成对的 F 和 L，根据式（1）和式（2）计算出相应的 S 和 值，即可绘制出加工硬化曲线（产生细颈前的均匀拉伸阶段）。3、求硬化指数 n 值多数金属材料的真实应力真实应变关系为幂指数函数形式：S=B n （3）式中 S真实应力， N/mm2;真实应变；B与材料有关的系数， N/mm2;n应变硬化指数。将式（3）两边取对数，有 （4）lgllgnS根据硬化曲线，用线性回归方法便可计
