材料制备与加工实验指导书

《材料制备与加工实验指导书》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料制备与加工实验指导书（41页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 材料制备与加工实验指 导 书 主 编 李强 黄晓巍 熊雷 福州大学材料科学与工程学院 二 0 一四年三月 前 言 材料制备与加工实验是材料科学与工程学科四年制本科生必修课程（其他专业可选修） ，是与相关专业课程配套并独立设置的实验课程，也是最重要的一门专业基础实验课程之一。其内容涉及到金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料等的合成、制备与加工工艺和方法。该课程以材料科学与工程（MSE）四要素（结构与成分合成与加工性能使用效能）中的合成与加工要素为主线，认知材料科学与工程学科中材料合成、加工与制备领域的基本概念、规律，培养学生的基本实验、实践能力，掌握基本工业操作技能，巩固和深化理论知识，在

2、此基础上，进一步培养学生的动手能力、工程实践能力、分析和解决问题的能力以及创新精神。 本课程从材料一级学科的实验教学出发，实验选题涵盖金属材料工程、无机非金属材料工程、高分子材料工程以及复合材料工程领域的基本实验方法，在实验内容上尽量引入材料制备、加工中的前沿技术。在实验教学安排上，要求各实验项目进度与相应理论课程的教学相一致，按模块化组织。 通过本课程的教学，使学生具备独立进行实验设计与操作、观察和分析实验结果、实验误差分析及数据处理的能力，巩固和强化理论知识，能够适应工业实践中生产工艺控制、改进、革新、新产品研究、开发以及初步科学研究工作的需要。同时具备分析和解决实际生产中基本问题的能力，

3、全面掌握理论原理和实际的联系，培养学生的实际应用能力，进而引导学生更深入地学习材料制备加工新技术，为发展创新思维奠定基础。 基于以上目的，本课程组在参阅了大量资料的基础上，组织编写了本实验指导书。限于编者的水平和时间的匆忙，书中不当之处在所难免，恳请专家和读者批评指正，并将在后续的教学过程中进一步修改和完善。参加本书编写的有李强、黄晓巍、熊雷等。 目 录 实验 1、铝合金的熔炼与铸造 . 4 实验 2、铝合金时效硬化曲线的测定及其影响因素分析 . 11 实验 3、焊接工艺与焊缝组织检验 . 15 实验 4、液压机基本参数测定及拉深成形工艺实验 . 21 实验 5、陶瓷材料的成形 . 27 实验

4、 6、烧结温度与烧结温度范围的测定 . 32 实验 7、丙烯酰胺的水溶液聚合 . 35 实验 8、热塑性塑料的挤出造粒和注射成型 . 38 实验 1、铝合金的熔炼与铸造 一、实验目的 1掌握铝合金熔炼原理、设备； 2掌握铝合金熔炼的配料计算方法； 3掌握铝合金的熔炼保护、合金化方法与成分控制； 4掌握铝合金凝固过程的特点和组织特点、缺陷的产生以及铸型的影响； 5掌握铸锭组织的特征以及浇注条件差异对铸件组织的影响。 二、实验原理 金属熔炼是将金属材料加热到熔点以上，使其熔化为液态，在冷凝为固体的制取过程。通过对原材料的熔化、精炼提纯、合金化，以制备高质量的锭坯。金属及合金的晶粒大小、形状和分布与

5、凝固条件、合金成分及其加工过程有关，决定着材料的性能。实际生产中，铸锭不可能在整个截面上均匀冷却，并同时开始凝固。因此，铸锭凝固后的组织一般是不均匀的，这种不均匀性将引起金属材料性能的差异。 1金属的熔炼设备 最常用的熔炼设备有：冲天炉、电弧炉、感应电炉、坩锅炉等等。冲天炉主要用于熔炼铸铁，炉衬可以是酸性或碱性，酸性炉衬的冲天炉较多，并可分为用焦冲天炉和非焦(煤炭、油、天然气)冲天炉，是铸铁熔炉中应用极为广泛的一种。具有结构简单、设备费用少、电能消耗低、生产率高、成本低、操作和维修方便，并能连续进行生产等特点。电弧炉是利用电极与金属炉科之间电弧产生的热能通过辐射、传导和对流传递给炉科，加热、熔

6、化固体炉料，并使金局液过热，从而实现熔炼目标的一种设备，主要用于钢、铸铁的熔炼。感应电炉分为无芯式和有芯式，主要用于铸铁、铸钢、铜合金、铝合金等的熔炼。其中无芯感应电炉比较常用。无芯感应电炉按照电磁感应加热原理进行工作，坩锅外的感应器线圈相当于变压器的原绕组，坩锅内的金属炉料相当于副绕组，当感应线圈通以交变电流时，则因交变磁场的作用使短路连接的金属炉料产生强大的感应电流，电流流动时，为克服金属炉料表面层的电阻而产生热量，致使金属炉料加热熔化。坩锅炉分为燃油、燃气、燃煤( 焦炭) 坩锅炉和电阻坩锅炉。主要广泛用于有色金属的熔化，如铜合金、铝合金、镁合金、低熔点轴承合金等。 2金属的熔炼工艺 金属

7、的熔炼工艺应满足以下的要求：熔炼出符合材质性能要求的金属液，而且化学成分的波动范围应尽量小；熔化并过热金属所需的高温；有充足和适时的金属液供应；低的能耗和熔炼费用；噪声和排放的污染物严格控制在法定的范围内。熔炼工艺包括选择合适的熔炼炉，进行金属熔化，同时进行成分控制。根据熔炼金属的性质，选择好熔炼炉。熔化主要有两种：无精炼熔化和精炼熔化两种。无精炼熔炼时原材料在具体的熔化过程中只有某些元素的少量变化。主要是低熔点合金的熔炼、轻金属的熔炼和高熔点合金的真空熔炼。而精炼熔炼是在熔化后对材料的成分进行较大的调整。主要是钢的熔炼。在金属熔炼时要确定合理的熔炼温度。如果金属液温度过低，在浇铸时金属液容易

8、在充满型腔之前凝固，产生缺陷。而金属液的温度过高，易使金属和熔炼炉、型腔发生反应，产生缺陷。金属在熔化的过程中同时进行成分的调整和控制，注意对金属液的保护。 3浇铸与铸锭结构 金属铸锭横断面的宏观组织一般是由三个晶区组成。由外向内依次分布为细晶粒区（外壳层）、柱状晶粒区和中心等轴晶粒区，如图 1-1 所示。 第一晶区是铸锭的外壳层，由细小等轴晶粒（枝晶）组成。把液体金属浇铸入铸型，结晶刚开始时，由于铸型温度较低，形成较大的过冷度，于是靠近型壁大量地形核，还由于铸壁不是光滑的镜面，晶粒长大时，各枝晶主轴很快彼此相互接触，使晶粒不能继续长大，所以晶粒的尺寸不大，即形成细晶粒。 第二晶区是柱状晶区。

9、随着外壳层的形成，铸型变热，对液态金属的冷却作用减缓。这是只有处于结晶前沿的一层液态金属是过冷的。这个区域可以进行结晶，但一般不会产生新的晶核，而是以外壳层内壁上原有晶粒为基础进行长大。同时，由于散热是沿着垂直于模壁的方向进行，而结晶时每个晶粒的成长又受到四周正在长大的晶粒的限制，因而结晶只能沿着垂直于模壁的方向由外向里生长，结果形成彼此平行的柱状晶区。 第三晶区是铸锭的中心部分，随着柱状晶的发展，模壁温度进一步升高，散热愈来愈慢，而成长着的柱状晶前沿的温度又由于结晶潜热的放出而有所升高。这样这个截面的温度逐渐均匀。当剩余液态金属都过冷到熔点以下时，就会在整个残留的液态金属中，同时出现晶核进行

10、结晶。在铸锭中心散热已无方向性，形成的晶核向四周各个方向自由生长，从而形成许多位向不同的等轴晶粒。 4影响铸锭结构的因素 影响铸锭结构的因素主要为：浇铸的温度，铸型，孕育剂和外界机械作用等。当适当降低浇注温度时，柱状晶生长和晶粒粗化得到抑制，另方面又可使游离晶粒在过热较小的液相中保留下来。不同的铸型对合金的凝固组织也有影响。当液态合金浇人冷却能力较弱的铸型中去时(比如砂型) ，型壁的形核率将低于冷却能力较强的铸型 (比如金属型 )。当有孕育剂存在时可使晶粒得到细化。此外在合金凝固初期，对合金液施以振动、搅拌或旋转，都可以在液相中产生大量的游离晶体，使得等轴晶细化。 图 1-1 金属铸锭组织的三

11、个晶区： 1.细晶区；2.柱状晶；3 等轴晶 三、实验设备、材料及试剂 1实验设备： (1) 井式电阻炉 2 台（型号 SG2-1.5-1.2，功率 7.5 千瓦，额定温度 1200） 。 (2) 铁质组合式模具 1 套。 (3) 石墨坩埚 1 个，坩埚钳 2 把，铁勺 1 把，铁质搅拌棒 1 根，毛刷 1 把，电子天平 1 台，金相切割机 1 台，金相砂纸若干，抛光布 1 张，抛光粉若干等。 2实验材料： 纯度 99.70%的纯铝 A00，纯度 99.66%的工业纯硅，纯度 99.85%的工业纯镁若干。氧化锌，水玻璃，覆盖剂，精炼剂，除气精炼剂，清渣剂若干。 四、实验方法与步骤 1坩埚、锭模

12、及熔炼工具的准备 本实验采用石墨坩埚。锭模为铁质组合式模具。熔炼工具包括搅拌棒、钟罩、坩埚钳和扒渣用铁勺。 (1) 坩埚、锭模和熔炼工具的清洁。使用前应检查坩埚、锭模和熔炼工具是否损坏，清除表面熔渣和其它脏物。 (2) 防护涂料的涂覆。锭模和熔炼工具清洁后需涂覆防护材料。涂料采用 T03 涂料，重量配比氧化锌：水玻璃：水=15：3：82。 (3) 涂料的配制：使用天平按配比称量涂料原料。涂料成分中的所有固体组元，配制前应磨碎，然后混合均匀。使用时，先将水玻璃倒入 80100的热水中搅拌均匀，加入固体组元后再搅拌均匀，冷却后备用。 (4) 坩埚、锭模和熔炼工具的除水。锭模和熔炼工具上完涂料后，放

13、入电阻炉中预热到250，烘至黄色即可。石墨坩埚不用涂防护材料，直接放入电阻炉中预热到 250，除去水分。2合金熔炼原料准备 本实验所要熔炼的铝合金为 ZL101（ZALSi7Mg） ，化学成分为含硅量 7%，含镁量 0.4%，余量为 Al。 (1) 原料性能：原料采用纯度 99.70% 的 A00 纯铝，纯度 99.66%的工业纯硅，纯度 99.85% 的工业纯镁。其中纯铝为小铝锭，工业纯硅和工业纯镁均为小块状。 (2) 原料配比计算 原料配比时，要考虑到硅和镁的烧损量。熔炼 ZL101 铝合金时，硅的经验烧损量为 5%，镁的经验烧损量为 10%。 所熔合金的重量根据坩埚的大小来定。以熔炼 1

14、kgZL101 铝合金为例。 MAl=92.6%*M 合金=92.6%*1000g=926g MSi=7%*M 合金*（1+硅的烧损量）=7%*1000g*（1+5% ）=73.5g MMg=0.4%*M 合金*（1+镁的烧损量）=0.4%*1000g*（1+10%）=4.4g (3) 原料除水：熔炼前，将工业硅和纯镁用铝箔包好，放入电阻炉预热到 250，除去水分备用。 (4) 添加剂除水：熔炼前，将本实验熔炼过程所使用的各种添加剂用铝箔包好，放入电阻炉预热到 250，除去水分备用。本实验所使用的添加剂有：覆盖剂（主要成分包含氟氯酸钠、氯化钠、氯化钾等） ，精炼剂（主要成分包含氟氯酸钠、氯化钠

15、、氯化钾、氟硅酸钠和氟硅酸钾等） ，除气精炼剂（主要成分包含氟硅酸钠和六氯乙烷等） ，清渣剂（主要成分包含氟氯酸钠、氯化钠、氯化钾、氟硅酸钠和氟硅酸钾等） 。 3合金的熔炼 (1) 原料的熔炼：第一步，熔铝。把小铝锭放入坩埚中，炉子升温到 750，保温 30min ，保证铝锭完全熔化。保温过程中，不时打开炉盖观察铝锭熔化情况。当表面的铝锭出现部分熔化时，散些覆盖剂防止铝液氧化。当表面全是铝液时，往铝液裸露部分继续散些覆盖剂防氧化。保温结束后，用搅拌棒（切记搅拌棒必须是涂过涂料预热过的）轻缓的搅拌一分钟后再静置两分钟。第二步，熔硅。观察熔液表面的渣料是否过多，若过多，用铁勺（切记铁勺必须是涂过涂料预热过的）把熔液表面的渣料扒除一些。然后用坩埚钳把预热除水过的用铝箔包裹的纯硅轻轻压入熔液下。接着用钟罩压住纯硅，使其保持在熔液里。观察熔液表面情况，若有裸露部分，散些覆盖剂防氧化。保温 30min，保证纯硅完全熔化。保温结束后，用搅拌棒轻缓的搅拌一分钟后再静置两分钟。第三步，熔镁。观察熔液表面的渣料是否过多，若过多，用铁勺把熔液表面的渣料