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1、材料成型原理及工艺实 验 指 导 书姓名 班级 学号 南京农业大学工学院机械工程系材料成型及控制工程教研室2006年11月目 录实验一 铸造合金流动性测定1实验二 铸造合金热裂倾向测定4实验三 焊接缺陷分析6实验四 铸造合金收缩率的测定12实验五 铸造残余应力测定15 实验一 铸造合金流动性测定一、实验目的1了解铸造合金流动性的测定原理、方法及过程。2理解影响合金流动性的各种因素。二、合金流动性测定原理流动性是铸造合金最主要的铸造性能之一，其影响因素众多：如金属及合金自身的特性、出炉温度、浇注温度、铸型的种类、铸件结构复杂程度、浇注系统设计等，为使其具有可比性，实际中常浇注流动性试样，并按浇出
2、的试样尺寸评价流动性的好坏。图1.1 同心三螺旋线测定法试样流动性试样按照试样的形状可分为：螺旋试样，U试样，棒状试样，楔型试样，球型试样等；按照铸型材料来分有：砂型和金属型。螺旋试样法应用比较普遍，其特点是接近生产条件，操作简便，测量的数值明显。螺旋试样的基本组成包括：外浇道，直浇道，内浇道和使合金液沿水平方向流动的具有倒梯形断面的螺旋线形沟槽。合金的流动性是以其充满螺旋形测量沟槽的长度（cm）来确定的。图1.1为同心三螺旋线测定法试样形状和尺寸。此法为标准法。同心三螺旋线的合金流动长度的平均值来测定合金的流动性，从而提高了测量的精度。也可以采用不同心的三螺旋线试样测定，图1.2为不同心三螺
3、旋线测定法试样形状和尺寸，其截面为倒梯形，长度为1500mm，每隔50mm试样模型上有一凸点（便于读数）。分别测量三螺旋线长度取其平均值来测定合金的流动性。图1.2 不同心三螺旋线试样示意图1堤坝式浇口杯 2 上砂箱 3下砂箱4全压井5螺旋形试样a缓冲池b直浇口c溢流池d浇口井三、实验仪器设备及材料1合金熔炼：100kW中频感应电炉一台（套），容量为10kg的坩埚、容量为10kg手端包；或电阻炉一台，Al2O3坩埚一个，热电偶、防护用品等。2混砂用：SHN型碾轮式混砂机（容量0.1M3）石英砂、膨润土、铸造用煤粉。3造型制芯用：铸件模样螺旋型流动试样模样，浇注系统模样，冒口模样，砂箱，模板，芯
4、盒，造型工具。四、实验步骤1用碾砂机混制好型砂、造型、合箱；2熔炼铸造合金至预定温度、经必要的炉前处理；3浇注前浇口塞堵住直浇口；4当浇品杯达到指定温度时拔出浇口塞、让合金液充填砂型，同时记录浇注温度；5当合金完全凝固并冷却到试样发黑时打箱，测量螺旋线长度。五、实验报告要求1简述合金流动性的原理及方法。2将测量与计算数据以表格列出。3分析影响合金流动性的因素。4写出实验的体会与疑问。实验二 铸造合金热裂倾向测定一、实验目的1 测定铝合金出现热裂时收缩阻力和温度范围。2 熟悉测定热裂倾向的方法。3 加深对热裂机理的认识。二、实验原理热裂是合金在凝固末期的高温下形成的裂纹。因为合金的线收缩是在完全
5、凝固之前便已开始，此时固态合金已形成完整的骨架，但晶粒之间还有少量液体，故强度、塑性期甚低。若机械应力超过了该温度下合金的强度，便发生热烈。其形状特征是缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。其主要影响因素如下：1 合金性质合金的结晶温度范围愈宽，液、固两相区的绝对收缩量愈大，合金的热裂倾向也就愈大。灰铸铁的球墨铸铁的热裂倾向小，铸钢、铸铝、可锻铸铁的热倾向大。此外，钢铁中含硫愈高，热裂倾向也愈大。2铸型阻力铸型的退让性愈好，机械应力愈小，热裂倾向就愈小。铸型的退让性与型砂、型芯砂粘结剂的种类密切相。如采用有机粘结剂（如植物油合成树脂等）配制的型砂芯砂，因高温强度低，退让性较粘土砂好。三、主要仪器及材
6、料热裂倾向测定仪 1台XY函数记录仪 1台晶体管直流稳压电源 1套坩埚电阻炉 1台浇注工具 1套镍铬镍硅热电偶 1套四、实验内容测定铝铜合金在同一工艺条件下出现热裂时的收缩阻力及温度，热裂倾向测定仪如图2.1所示。图2.1 热裂倾向测定仪示意图1-机座 2-金属型 3-热电偶 4-测杆 5-拉压力传感器 五、实验方法与步骤1熔化合金过热到800保温，金属型底部用潮模砂造型。2 金属型置于热裂仪机座上，连好传感器，固定金属型，将热电偶插入铸型。3 接通电路。调整记录仪表，温度用红笔记录，量程50mV，阻力用蓝笔记录，量程5mV，记录速度3600mm/h。4 自铸型中间浇入金属液。5 注意观察试样
7、热节处裂纹的出现及记录仪记录曲线走向和温度。6 记录实验数据，填写实验报告。7六、实验注意事项1自铸型中间浇入金属液时，注意不要溢出。2裂纹出现后应立即将测杆与传感器断开，以免过载。七、实验报告要求1. 简述实验原理及过程。2. 整理实验数据，形成实验报告。实验三 焊接缺陷分析一、实验目的1认识焊接气孔和裂纹常见缺陷的基本特征及产生原因。2学会焊接气孔和裂纹的检测方法。二、实验原理1气孔和裂纹缺陷的形成及基本特征1）气孔：在焊接过程中，熔池金属中的气体在金属冷却以前，未能来得及逸出，而在焊缝金属中(内部或表面)所形成的孔穴，称为气孔。位于焊缝表面的气孔称为表面气孔，处于焊缝内部的气孔称为内部气
8、孔。气孔的形状有球状、椭圆形、链状和蜂窝状等，见图3.1。气孔对焊缝的性能有较大的影响，它不仅减小了焊缝的有效工作断面，使焊缝的力学性能下降，还破坏了焊缝金属的致密性，易造成泄漏。在动载荷作用下，还会降低焊缝的疲劳强度。因此，在重要的焊接结构中是不允许气孔特别是链状和蜂窝状气孔存在的。图3.1 各种气孔a）表面气孔b）内气孔c）圆形气孔d）椭圆形气孔e）链状气孔f）蜂窝状气孔 2）裂纹：在焊缝或热影响区因开裂而形成的缝隙称为焊接裂纹。通常把平行于焊缝的裂纹称为纵向裂纹，垂直于焊缝的裂纹称为横向裂纹，在弧坑中的裂纹称为火口裂纹或弧坑裂纹，如图3.2所示。图3.2 焊接接头裂纹分布形态示意图 1向
9、裂纹；2横向裂纹；3焊根裂纹；4焊趾裂纹；5焊道下裂纹；6层状撕裂；7火口裂纹焊接裂纹是一种危害最大的缺陷，不仅降低焊接接头的强度，还会引起应力集中，使焊接结构承载后造成断裂，使产品报废，甚至会引起严重的事故。根据裂纹产生的条件，裂纹可分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹和层状撕裂四种。各种裂纹的分类及特征见表1.1。（1）热裂纹焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近高温区产生的裂纹称为热裂纹。热裂纹一般产生在焊缝的结晶过程中，故又称结晶裂纹或凝固裂纹。在焊缝金属凝固后的冷却过程中还可能继续发展。热裂纹绝大多数产生在焊缝金属中，有的是纵向，有的是横向。发生在弧坑中的热裂纹往往是星状。有时热裂纹
10、也会发展到母材中去。热裂纹的外观特征是或者处在焊缝中心，或者处在焊缝两侧，其方向与焊缝的波纹线相垂直，露在焊缝表面的有明显的锯齿形状。凡是露出焊缝表面的热裂纹，因氧在高温下进入裂纹内部，所以在裂纹断面立即可以发现明显的氧化色彩。（2）冷裂纹焊接接头冷却到较低温度(约为200300)时，产生的焊接裂纹叫冷裂纹。冷裂纹主要产生在中碳钢和高强度的低合金钢、中合金钢中。产生冷裂纹的温度通常在马氏体转变的温度范围内，约为200300。它的产生时间，可以在焊后立即出现，也可以在延迟几小时、几周，甚至更长的时间以后产生，所以冷裂纹又称为延迟裂纹。冷裂纹大多产生在母材或母材与焊缝交界的熔合线上。最常见的是焊道
11、下裂纹、焊趾裂纹和焊根裂纹。冷裂纹外观特征多数是纵向裂纹，在少数情况下，也可能有横向裂纹。金属表面的冷裂纹断面上，没有明显的氧化色彩，所以裂口发亮。表1.1各种裂纹的分类及特征裂纹类型产生部位产生的温度和时间化学成分特点受力状态金相特征断口特征结晶裂纹只产生在焊缝在结晶过程中产生,焊接后立即出现焊缝中S,P较高横向拉伸应力作用沿一次结晶组织颁分布宏观断口:有明显的氧化色彩:微观断口:呈沿晶液膜分离断口.延迟裂纹主要产生在HAZ,当焊缝强度高时,也可产生在焊缝.在Ms点以下产生,通常具有重心特征.钢中含有淬硬元素,碳当量较高,焊缝隙中扩散氢含量较高.横向拉伸应力作用.产生部位有淬硬组织,沿晶或穿
12、晶开裂.启裂区 扩展区多为准解理和沿晶混合微观断口;裂纹区多为韧窝断口.再热裂纹HAZ的过热区焊后不产生,在500-700二次加热过程中产生.例中含有Cr Mo V Ti Nb等沉淀强化元素.焊后接头存在较大的残余应力或应力集中.沿晶界开裂微观断层口为沿晶断口,多呈冰糖状.层状撕裂 HAZ颧靠近HAZ的母材约400以下立即产生钢中有带状分布的氧化物夹杂或硅酸盐夹杂.Z向拉伸应力作用,在 板和T型 十字型和角楼接头易产生.宏观:呈阶梯状分布.微观:沿晶或穿晶开裂.宏观断口:呈木纹状;微观断口:平台处多为准解理断口,可见到片状 条状 或球状夹杂物;剪切壁多为韧窝断口,也可出现准解理断口.（3）再热
13、裂纹焊后焊件在一定温度范围内再次加热而产生的裂纹叫再热裂纹。再热裂纹的热影响区，往往都是沿晶界开裂，都在粗大晶粒区，并且是平行于熔合线分布。Cr、Mo、V等合金元素较多时，产生再热裂纹的倾向增大。（4）层状撕裂焊接时焊接构件中沿钢板轧层形成的阶梯状的裂纹叫层状撕裂。防止措施：严格控制钢材的含硫量，在与焊缝相联接的钢材表面预先堆焊几层低强度焊缝和采用强度等级较低的焊接材料。2射线探伤机的工作原理射线探伤是利用射线可穿透物质和在物质中有衰减的特性来发现缺陷的一种探伤方法。探伤中常用的射线有X射线和放射性同位索的射线，见图3.3。 图3.3 射线探伤原理1射线源 2焊件 3底片射线通过不同厚度或不同材料时，其衰减不同，因而在底片上产生不同程度的明暗影像，以此来辨别缺陷性质的：母材呈黑色，焊缝呈浅白色，当焊缝中有缺陷时，又出现不同形状、不同深度的暗黑色。(1)裂纹：裂纹在底片上多呈暗带曲折的波浪形细条纹，有时也呈直线形细纹，轮廓较分明，中部稍宽、两端较尖细，见图3.4。 (2)气孔：手工电弧焊的气孔在底片上多呈黑色圆形或椭圆形，其黑度是中心处较深，并均匀地向边缘减小，形式有密集的、连续的或分散分布的几种。自动焊焊缝中所产生的气孔通常较大，有时直径可达几毫米，黑色也较深，见图3.5。 图3.4 裂纹 图3.5气孔三、主要仪器及材料1手弧焊机 68套2射线探伤机 1台3焊条烘干箱
