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

实验一  合金熔炼及液态成型

1. 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。

2. 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，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 0.25-0.45

4xxx系铝合金的主要合金元素是硅，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。

3. 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：

4. 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---定向凝固

1. 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察。
2. 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30～60）从而实现定向凝固。广泛应用于大量生产高度小于280mm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100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，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籽晶法制取单晶的示意图

3. 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。国内常用的定向凝固设备主要有两种典型类型，即德制和俄制定向凝固炉，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