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1、材料加工原理综合实验指导书徐洲、王浩伟、吴国华上海交通大学材料科学与工程学院2002年2月实验一合金熔炼及液态成型实验二凝固定向凝固实验三材料的冶金缺陷实验四挤压变形与挤压力实验实验五圆环镦粗法测定摩擦系数实验六圆柱体镦粗时接触面上的正应力分布实验七冷却速度对钢组织与性能的影响实验八钢中马氏体、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实验九钢的淬透性测定实验十铝合金的时效硬化曲线测定合金熔炼及液态成型一、 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、 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
2、， 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
3、(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
4、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。三、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，把原材料料放入培锅。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
5、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）n图2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：项目开始结束备注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兀素1时间加入合金兀素2时间加入合金兀素3时间加入合金兀素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、 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实验二凝固一定向凝固一、 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
6、长的晶体的组织分布进行观察。二、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
7、向温度梯度，使铸件定向凝固。应用：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 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 3060 C/cm）从而实现定向凝固。广泛应用于
8、大 量生产高度小于280mm勺定向凝固和单晶铸件。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100 C/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
9、，形成一束具有择优取向的柱状晶。 凝固继续进行，晶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 中继续择优选品，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。1型壳 2籽晶3籽晶套 4水冷结晶器图3籽品法制取单晶的示意图三、 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
10、向凝固设备主要有两种典型类型，即德制和俄制定向凝 周炉，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:表1定向凝固设备的参数技术特征ISP2/IH -DSy b h k b n定向凝固方法铸型移动法液态金属冷却法培锅容量/kg510最高熔化温度/C18001700熔化加热功率/KW120150熔化加热频率/HZ20004000一型壳加热温度/C= 1600= 1600真空度/Pa= 0.1= 0.67结晶生长速度R/(mm/min)215120温度剃度G/( C/cm)30 4070 80四、 实验内容说明：品核形成以后，通过生长完成结晶过程，晶体生
11、长就是液相中原子不断向晶体 表面堆彻的过程，也是周一一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 凝固速度的关系了解单晶、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 品可用于半导体，而枝晶的蠕变性能好可用于高温材料。五、 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6铸型加热器3升降机构 4熔炉 5型壳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
12、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：5X10 3Pat0实验材料：M38Ni基合金。抽拉速度：2mm/min真空度：1*10-2Pa。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60c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、 思考G/R的值与形成胞晶或枝晶的关系如何？实验三材料的冶金缺陷一、 实验目的：1 .
13、学习和掌握各种冶金缺陷的形式。2 . 了解各种冶金缺陷的形成过程。二、 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
14、。有时铸件的整个断面上 会布满气孔或针孔。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2针孔图1气孔缺陷形成原因：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）。 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；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）。0铸型或砂芯中水分过高; 砂芯粘结剂的发气量大；含碳氢化合物的附加物量过多；涂料的发气量过大；（3）卷入的气体（外源性气孔）； 型腔内的空气和气体未能及时排出；砂型和砂芯的透气性差； 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
