材料工程基础实验指导书

材料工程基础实验指导书王连琪X洁徐兴文

材料科学与工程学院

《材料成形工艺》介绍了铸造、锻压、焊接专业等方面的知识，为配合教材达到教学与实际相结合的目的，使学生能理性认识材料成形的方法，拟定了铸造、锻压、焊接实验。

一铸造性能实验

实验1 铸造合金流动性的测定

1.1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。

1.2 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。为了获得优质铸件就必须对流动性加以研究。

铸造合金流动性的定义为液态金属本身充满铸型的能力，它与合金的成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。

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。

1.3 实验合金与试样

1）纯铝和铸铝102。

2）试样—取一箱一件螺旋形试样如图1.1

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）和过热温度相同条件下进行比较。

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式样，比较螺旋式样的长度。

1.4 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102

3）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

A-A

图1.1 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

1.5 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）复习合金成分和浇注温度对铸造合金流动性的影响。

1.6 实验步骤

1）按实验课堂内要求造型，装配造型。（保证相同的造型条件，用仪器检查紧实度）。合箱放平待浇。

2）在电阻炉内熔化配置要求的合金，当液态合金温度达到730℃左右时用氯化锌精炼后，立即清理氯化物熔渣，静止1-2分钟后，按要求的浇注温度即可进行浇注。

3）待试件冷却后，打箱、测量试件长度并记录到下表内。

1.7 实验数据及处理

1）实验数据：将各组试验数据填入表1.1内。

2）数据处理

绘出化学成分与流动性、浇注温度与流动性直角坐标流动曲线图。（三或四组数据综合）

1）简述实验原理

2）根据实验结果，结合状态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，提出改进实验的建议。

实验2 铸造合金残余应力的测定

2.1实验目的

1） 测定铝合金应力框试样的残余内应力。

2） 测定消除应力退火处理对铸件残余应力的影响。

2.2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。

应力框铸件的粗杆B 和细杆A 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A 冷却速度快，B 杆冷却速度慢因而A 杆的冷却速度大于B 杆，通过两端连接的横梁使B 杆受压，A 杆身受拉。如忽略砂型阻力，将在A 杆、B 杆同时产生拉应力和压应力。随着冷却时间增长，A 杆和B 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。

2.3实验设备和工具

应力框试件，退火后的应力框试件，虎钳、手锯、平锉、钢尺、中心冲、刻度显微镜、手锤等。

2.4实验步骤

应力框两个（其一已退火处理）。 A ：测定残余内应力

1） 把应力框中粗杆表面的砂去净，并量其长度（精确到1/10mm ）。

2）在粗杆上用中心冲打两个凹洞，其间距l=10mm(精确到1/10mm)。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 ˊ。 4） 应用应力公式，求残余内应力。

E L

L

L ⨯-'=

σ （2.1） 61005.1⨯=E

B ：测定消除应力退火处理的作用

1） 应力框退火规X 2） 测定锯断前l= 3） 测定锯断后l ˊ= 4）计算σ值

2.5 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σ值进行讨论。 2） 分析影响应力框试样应力值大小的因素。

二 锻压变形原理实验

压力加工工艺主要指锻造和冲压两大类。锻造可分为自由锻和模锻。而冲压按其变形性质基本可分为两类：即材料的分离与成型。分离是指冲孔、落料、剪切等工序，而成型是指拉延、挤压、胀形、弯曲等工序。本实验只做一个冷冲压工艺中的拉延实验，其实验原理和要求如下：

2.1 实验目的

2.1.1 了解极限拉延系数的测定方法及拉延系数计算方法。

2.2.2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。 2.2.3 测量一种材料的极限拉延系数、拉延力及压边力。

2.2 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。 拉延过程如图2.1所示，其凸模与凹模和冲裁时有所不同，它们工作部分都没有锋利的刀口，而是做成为一定的圆角半径，其间隙也稍大于板料的厚度，在凸模的作用下，原是半径D 0 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D 0 ，内径d ）转化而成的。

所以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D 0 之比称为拉延系数m ，并用下式表示：

D d

m =

（2.1） 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。影响拉延历的因素很多，它不仅余拉延系数有关。而且与材料的有机性能、零件尺寸=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：

111K t d P b ⋅⋅⋅⋅=σπ（2.2）

1P ——第一次拉延力（牛顿） 1P ——第一次拉延力（牛顿）

1d ——第一次拉延后的零件直径（毫米）

t ——材料厚度（毫米）

b σ——材料抗拉强度（MPa ）

1K ——第一次拉延系数