材料加工原理综合实验指导书

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

目录

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阻碍

实验八钢中马氏体、贝氏体组织形貌的识不及不同回火温度对淬火钢组织的阻碍

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

实验一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、实验内容讲明：

铸造合金和变形合金在用途上有着专门大的差不，但其熔炼过程差不多相同。

选用铝硅合金，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是作为要紧合金化元素加入的，Si提高合金的铸造性能，使流淌性改善，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 0.25-0.45

4xxx系铝合金的要紧合金元素是硅，它能以足够的数量（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。由于那个缘故，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。那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，它们能够吸取后者的一些合金成分，从而能够有限地同意热处理。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。该系列的合金有的能够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：先依照铸件的体积计算出所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，要求认真按实验规程进行。

造型材料采纳南京红砂和膨润土，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不进行计算。

2．教师带领学生进行熔炼。

电炉送电，把原材料料放入坩锅。

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）

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：

四、考虑

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---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．对定向凝固生长的晶体的组织分布进行观看。

二、定向凝固方法和原理：

定向凝固的差不多原理是严格操纵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，其差不多原理、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，形成有效的纵向温度梯度，使铸件定向凝固。

应用：要紧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30～60cm

）从而实现定向凝固。广泛应用于大量生产高度小于280mm C/

的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100cm

以上。

C/

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，形成一束具有择优取向的柱状晶。凝固接着进行，晶体达选晶器的螺旋部分时，只剩下几个晶粒向上生长，在此过程中接着择优选晶，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。籽晶法能够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