综合实验一 铝合金制备

综合实验一 铝合金制备、加工及改性
实验1.1 铝合金的熔炼、铸锭与固溶-时效处理实验指导书
实验学时：4 实验类型：综合、设计型 前修课程名称：材料工程基础 适用专业：材料类本科生 一 实验目的
掌握铝合金熔化的基本原理，并应用在熔化的实践中。

熔炼是使金属合金化的一种方法，它是采用加热的方式改变金属物态，使基体金属和合金化组元按要求的配比熔制成成分均匀的熔体，并使其满足内部纯洁度，铸造温度和其他特定条件的一种工艺过程。

熔体的质量对铝材的加工性能和最终使用性能产生决定性的影响，如果熔体质量先天不足，将给制品的使用带来潜在的危险。

因此，熔炼又是对加工制品的质量起支配作用的一道关键工序。

而铸造是一种使液态金属冷凝成型的方法，它是将符合铸造的液态金属通过一系列浇注工具浇入到具有一定形状的铸模（结晶器）中，使液态金属在重力场或外力场（如电磁力、离心力、振动惯性力、压力等）的作用下充满铸模型腔，冷却并凝固成具有铸模型腔形状的铸锭或铸件的工艺过程。

铝合金的铸锭法有很多，根据铸锭相对铸模
二 实验内容
铝铜合金的熔炼工艺流程 铝
合金铸锭方法
连续铸造法
无模铸造（无接触铸造）：电磁铸造等
三实验要求
严格控制熔化工艺参数和规程
1. 熔炼温度
熔炼温度愈高，合金化程度愈完全，但熔体氧化吸氢倾向愈大，铸锭形成粗晶组织和裂纹的倾向性愈大。

通常，铝合金的熔炼温度都控制在合金液相线温度以上50～100℃的范围内。

从图1的Al-Cu相图可知，Al-5%Cu的液相线温度大致为660～670℃，因此，它的熔炼温度应定在710（720）℃～760（770）℃之间。

浇注温度为730℃左右。

图1 铝铜二元状态图
2．熔炼时间
熔炼时间是指从装炉升温开始到熔体出炉为止，炉料以固态和液态形式停留于熔炉中的总时间。

熔炼时间越长，则熔炉生产率越低，炉料氧化吸气程度愈严重，铸锭形成粗晶组织和裂纹的倾向性愈大。

精炼后的熔体，在炉中停留愈久，则熔体重新污染，成分发生变化，变形处理失效的可能性愈大。

因此，作为一条总的原则，在保证完成一系列的工艺操作所必需的时间的前提下，应尽量缩短熔炼时间。

3．合金化元素的加入方式
与铝相比，铜的比重大，熔点虽高（1083℃），但在铝中的溶解度大，溶解热也很大，无需将预热即可溶解，因此，可以以纯金属板的形式在主要炉料熔化后直接加入熔体中，亦可与纯铝一同加入。

4．要注意覆盖
众所周知，铝在高温熔融状态，极易形成Al2O3氧化膜，因此要对铝熔体进行保护。

就铝铜合金而言，所用的覆盖剂为：40%KCl+40%NaCl+20%冰晶石（Na3AlF6）的粉状物。

它的比重约为2.3g/cm3，熔点约670℃，这种覆盖剂不仅能防止熔体氧化和吸氢，同时还具有排氢效果。

这是因为它的熔点比熔体温度低，比重比熔体小，还具有良好的润湿性能，在熔体表面能够形成一层连续的液体覆盖膜，将熔体和炉料隔开，且具有一定的精炼能力，因而，这种覆盖剂具有良好的覆盖、分离、精炼等的综合工艺性能。

加入量一般为熔体质量的2～5%。

5. 要注意扒渣
当炉料全部熔化后，在熔体表面会形成一层有溶剂、金属氧化物和其它非金属夹杂物所组成的熔渣。

在进行浇注之前，必须将这层渣除掉。

其目的是：
（1），防止熔体夹渣；
（2），减少熔体吸气机会（因为熔渣是水蒸气的良好载体）；
（3），加强传热。

扒渣时，工具要干净，要预热；操作要平稳不起波浪。

6．金属模要上涂料并加热到300℃左右
四实验装置
1．中频感应真空熔炼炉
2．浇铸模（可自由脱模式）
3．必要的工具（扒渣棒、抱钳等）
4．便携式红外测温仪
5．铝块
6．铜板
7．天平
8．石墨坩埚
9.其它化学试剂
五实验步骤
1．备料：按照Al-5%Cu的质量百分比，用天平称好炉料（按每炉1kg计算）；
2．装料：将铝块和铜板同时加入中频感应炉的坩埚中，然后加入覆盖剂；
3．升温：注意调整电流、电压及功率因子（cos ）；
4．测温：控制在710-770℃之间，用红外测温仪进行；
5．调温：主要是为浇注作准备，熔体温度太低，流动性不佳，不易充满模子，而熔体温度太高，易氧化和形成粗大晶粒；
6．浇注：将熔体倒入预先准备的模子中，待完全凝固后，再脱模；
7．脱模：取出铸件，注意要戴手套。

六．思考题
1.什么叫熔炼与铸锭？它们有何作用？
2.简要比较中频感应炉熔炼和普通电炉熔炼的异同之处及优缺点。

3.简述实验过程及心得体会。

实验1.2 铝合金轧制工艺实验指导书
实验学时：4 实验类型：综合、设计型
前修课程名称：材料工程基础
适用专业：材料类本科生
一．实验目的
1．掌握板带轧机工作原理及设备操作过程；
2．学会轧制变形量的计算方法及安排道次变形量。

二、轧制原理
轧制法是应用最广泛的一种压力加工方法，轧制过程是靠旋转的轧辊及轧件之间形成的摩擦力将轧件拖进轧辊缝之间并使之产生压缩，发生塑性变形的过程，按金属塑性变形体积不变原理，通过轧制，轧件厚度变薄同时长度伸长，宽度变宽。

见图１所示。

图1 轧制原理
轧件承受轧辊作用发生变形的部分称为轧制变形区，其他主要参数有：轧辊直径D、半径R、辊身长度B，假定轧件在轧之前后的厚度、宽度和长度分别为h1、b1、l1和h2、b2、l2，上下轧辊皆
为主动棍，其转速均为n（转／分），因此轧辊表面的线速度Vr＝πDn/60×1000，咬入角α，接触弧长L，正常轧制时L与α的关系如下：
＝arc cos [ 1－( h1－h2 ) / D]
L=2π/180×R
实践中常以接触弧长对应的弧长近似作为接触弧弧长，于是有L=[R (h1－h2)]．
因为轧制前后轧件的重量没有变化于是有：h１×b１×l１×r１＝h２×b２×l２×r2，由于r1= r2又有：h1 ×b1 ×l1 = h2× b2× l2
轧制前后轧件厚度的减少成为绝对压下量，用△h表示，△h＝h1－h2绝对压下量与原厚度之比成为相对压下量，用ε表示，ε＝△h／h１×100%，轧制时轧件的长度明显增加，轧后长度与轧前长度的比值称为延伸系数用λ表示，λ=l1/l2。

由于轧带时轧件宽度变化不大，一般略而不计（Δb=b2-b1）。

ε、Δh和λ是考核变形大小的常用指标。

三、实验内容
使用两辊板带轧机轧制AlCu合金试件，试件铸态毛坯尺寸：100×10×5（mm）。

经多道次轧制使熔铸台毛坯形成轧制态工件，轧制厚度由5mm轧至1.2mm，将其中一半轧件送到马弗炉时效处理，为下一实验做准备。

四、实验步骤
1.根据轧机传动系统图和轧制原理图结合轧机了解板带轧机的组成，熟悉其结构和轧制机理
2.润滑各运动部件，启动电源空车运转。

3.按总变形量分配道次压下量，并调整压下装置。

4.喂料轧制，按道次测量并记录相关数据。

5.轧制加工完成关闭电源，快速退回压下装置。

6.清理轧机和工作地点
7.拟写实验报告。

五、实验装置
图2 轧机基本结构
1.实验用轧机为YD100型和苏制两辊轧机，轧机的组成如图2所示；
2.轧件毛坯每人两件，其中之一经均匀化处理，毛坯尺寸：100×10×5mm；
3.量具：外径千分尺（0-25㎜）一把，游标卡尺（150㎜）一把；
4.八寸铝锉刀、水磨砂纸若干。

六、实验要求
1.认真学习板带轧机的操作规程和安全注意事项。

2.听从指导教师的安排，分别制定压下规程，按操作程序分组实验。

3.结合课程内容联系实验情况分析一到两个问题。

4.观察实验中轧件的形貌变化，测量采集有关数据，按如下要求编写实验报告。

1）记录实验条件
2）使用设备：
3）试件材料：
4）毛坯尺寸：
5）道次压下量安排
6）轧件最后成型尺寸
七、实验数据及处理
按道次压下量每道工序轧制后对轧件进行测量、采集数据、列表计算。

八、思考题
1.试述齿轮座（分动箱）的作用？
2.分析压下量与咬入角之间关系。

实验1.3 铝合金金相组织的观察及力学性能测定
实验学时：4 实验类型：综合、设计型
前修课程名称：材料工程基础
适用专业：材料类本科生
一、实验目的
⒈了解铸造、固溶处理、轧制及时效处理4种加工条件对铝合金的组织特征的影响；
⒉分析不同材料加工工艺对铝合金力学性能的影响；
3. 深入了解材料四要素之间的内在联系。

二、实验内容
1. 铝合金铸造、固溶处理、轧制及时效处理后金相组织的观察；
2. 不同工艺处理后铝合金静态拉伸实验；
3. 实验报告撰写。

三、实验过程
（一）金相样的制备及组织观察
1. 制样
每一位同学根据名单选取相应工艺的样品，根据《光学技术实验平台》中对于金相样品制备的学习，按照金相样品制备的一般要求进行。

磨光过程经历200、400、600、800等四种牌号的水砂纸，然后抛光、腐蚀。

由于铝合金比较软，在样品制备过程中相应地请注意样品与砂纸之间接触时的黏着感，掌握控制样品平衡的技巧。

最初向下用力不要过大，有经验后再逐步加大接触的力度。

800号砂纸磨光时，在基本完成前，可以水流加大、用力减轻，近似于漂浮在砂纸上，这样，可以减少砂粒嵌入的机会，减轻样品表面内部损伤层的厚度。

同时，样品上应当保持一个方向的划痕。

在整个制备过程中，样品的『倒角』一定要始终保持，特别是抛光阶段。

为了保证样品在磨光过程中尽量不出现歪斜，请按照下面示意的实线磨削方向进行磨光操作，避免沿虚线示意的方向进行。

铸锭、固溶处理样品的磨光方向轧制、轧制时效样品的磨光方向
制样的要点：
A 缩短在砂纸上停留的时间（包括全过程及每次接触）
B 挡水盘距离盘面1cm，请节约用水
C 样品抛光前必须在粗砂纸上修出倒角
D 抛光膏的使用原则是微量、多次；注水少量、恰当
E 抛光时，用力避免过大，应当适中，可以任意方向抛光
腐蚀剂采用HF1.0%、HCl1.5%、HNO32.5%、水95%的混合试剂；腐蚀时间为5分钟左右。

注意安全！为了保证腐蚀效果，样品避免放置在腐蚀液中长时间不动，应当每隔20~30秒钟移动、按动（在脱脂棉上），以保证金属面所接触腐蚀液的效力。

样品腐蚀后，经教师检查无误，去第一实验楼425实验室进行数字图像采集、记录。

2. 组织观察
图1-7为4种工艺处理的正常金相组织图片，为了分析方便，同一样品采集有不同放大倍数的图片：
图1 铸造组织50×图2 铸造组织500×
图3 固溶处理组织50×图4 固溶处理组织50×
图5 固溶处理组织500× 图6 固溶处理组织500×
图7 轧制、轧制时效处理组织50× 图8 同学制备的样品：工艺 放大倍数 ×
请将同学自己制备的样品的打印图片粘贴在图7的右侧，即图8。

3. 结果分析
（1）请同学写出自己制备样品（铸造、固溶、轧制或轧制时效处理）的简要生产工艺过程；
（2）观察图片，分析铸造、固溶处理、轧制、轧制时效工艺处理后，形成的组织的特点、原因（注意放大倍数的影响）； （3）分析自己制备样品的质量。

（二）铝合金静态拉伸 1. 实验设备与工具
（1）材料实验机一台（MTS —810 Material Test System 或WE —600液压试验机）； （2）精密卡尺二件。

（3）笔（铅笔或圆珠笔）
（4）量尺（有机玻璃尺或钢板尺）。

2. 准备试样
制备试样（有四组试样）：
⑴ 铸态。

⑵ 均匀化（即强化处理）。

⑶ 经过轧机轧制。

⑷ 经过时效处理。

这四组试样从理论角度讲，它们的力学性能应该是这样的：铸态、均匀化（即强化处理）、经过轧机轧制、经过时效处理依此顺序递增。

实验中可能会出现与理论值不相符的异常现象，这就需要我们在实验过程中仔细观察，找出原因并在实验报告中进行详细叙述。

3. 实验步骤
(1) 试样调直、划标距。

(2) 试样量尺寸（包含：试样总常或标距长度、试样宽度、试样厚度）写在表1中对应位置。

(3) 夹持试样进行拉伸仔细观察实验全过程。

(4) 拉断后取下试样，仔细观察断口是否有夹渣、气孔、裂纹等异常缺陷并记录下真实状态并在答题时说明原因。

表1. 不同处理条件下试样的尺寸（mm ）
试样种类 （状态） 拉前标距长度 （mm ）
试样宽度 （mm ） 试样厚度 （mm ） 断后标距长度 （mm ）
最大拉断力 （KN ）
铸态 均匀化 轧机轧制 时效处理
注：超出卡尺长度的试样划标距。

4. 实验数据处理与计算
塑性指标以延伸率表示，强度指标以强度极限表示。

计算公式如下：
%100%1000
0⨯-=⨯∆=
L L L L L k k δ （1） 式中： δ --- 延伸率
L 0 --- 试样原始标距长度（mm ） L k --- 试样断裂后标距长度（mm ）
△L 0 --- 试样断裂后标距绝对伸长量（mm ）
S
P .
max 310⨯=σ （2）
式中： σ --- 强度极限（GPa ）
Pmax .--- 最大载荷（KN ） S --- 试样原始截面（mm 2）
利用公式1、2，计算材料的延伸率和强度极限，并完成表2。

表2. 材料的延伸率及强度极限
最后结合力学性能测试结果，分析各种工艺组织的力学性能表现的原因。

5. 问答题
1．根据计算的抗拉强度σ进行比较并找出规律。

2．叙述所做试验结果是否符合一般理论规律？ 3．分析异常现象产生的原因。