【正文】 ： ； :； 群： 材 料 加 工 原 理 綜合實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 徐 洲、王浩偉、吳國(guó)華 上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 2022 年 2 月 目 錄 實(shí)驗(yàn)一 合金熔煉及液態(tài)成型 實(shí)驗(yàn)二 凝固 —— 定向凝固 實(shí)驗(yàn)三 材料的冶金缺陷 實(shí)驗(yàn)四 擠壓變形與擠壓力實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)五 圓環(huán)鐓粗 法測(cè)定摩擦系數(shù) 實(shí)驗(yàn)六 圓柱體鐓粗時(shí)接觸面上的正應(yīng)力分布 實(shí)驗(yàn)七 冷卻速度對(duì)鋼組織與性能的影響 實(shí)驗(yàn)八 鋼中馬氏體、貝氏體組織形貌的識(shí)別及不同回火溫度 對(duì)淬火鋼組織的影響 實(shí)驗(yàn)九 鋼的淬透性測(cè)定 實(shí)驗(yàn)十 鋁合金的時(shí)效硬化曲線測(cè)定 實(shí)驗(yàn)一 合金熔煉及液態(tài)成型 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 1．掌握鑄造合金和變形合金的熔煉過(guò)程。 2．了解鑄造合金和變形合金的鑄造成型。 二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容說(shuō)明： 鑄造合金和變形合金在用途上有著很大的差別，但其熔煉過(guò)程基本相同。 選用鋁硅合金， ZL101 是該類合金中典型的鑄 造合金， 4004 是該類合金中典型的變形合金。 鑄造 AlSi系合金中 Si是作為主要合金化元素加入的， Si 提高合金的鑄造性能，使流動(dòng)性改善，熱裂傾向性降低，減少疏松，提高氣密性，獲得致密的鑄件。這類合金具有好的抗蝕穩(wěn)定性和中等的切削加工性能，具有一般的強(qiáng)度和硬度，但塑性是較低的。這類合金國(guó)內(nèi)外常用的共 18 個(gè)牌號(hào)，按合金中 Si的含量多少，可分為共晶型合金 (ZL10 ZL10 ZL109),過(guò)共晶型合金和亞共晶合金。 ZL101 成分： Si Mg 4xxx 系鋁合金的主要合金 元素是硅，它能以足夠的數(shù)量（達(dá) 12%）加到鋁中，結(jié)果使熔化溫度范圍大為降低而不產(chǎn)生脆性。由于這個(gè)原因，鋁硅合金可作為焊接鋁用的焊絲和釬料，即用于要求這些焊接材料的熔化范圍低于基體金屬的熔化范圍之處。這個(gè)系的多數(shù)合金是不可熱處理強(qiáng)化的，但當(dāng)用于焊接可熱處理合金時(shí)，它們可以吸取后者的一些合金成分，從而可以有限地接受熱處理。這類合金含有相當(dāng)大數(shù)量的硅。當(dāng)敷以陽(yáng)極氧化表面涂層時(shí)，合金變成深灰至炭黑，從而可適應(yīng)建筑用途。該系列的合金有的可以用于生產(chǎn)鍛造的引擎活塞，例如 4032。 4004 的成分： Si Fe 合金的熔配過(guò)程：先根據(jù)鑄件的體積計(jì)算出所需合金原料的總重量，再按各合金的名義成分計(jì)算出所需要的合金的重量，稱量后全部放入坩鍋中，電爐加熱，熔化，覆蓋，打渣精煉，靜置，澆注，熔煉完畢。 每個(gè)環(huán)節(jié)用途各不相同，要求仔細(xì)按實(shí)驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行。 造型材料采用南京紅砂和膨潤(rùn)土，對(duì)各種不同要求的零件用不同的造型模具進(jìn)行澆注。 模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮澆注狀態(tài)，補(bǔ)縮條件以及避渣方式。 三、 實(shí)驗(yàn)步驟： ZL101 的熔配和 4004的熔配。 1．教師指導(dǎo)學(xué)生 一起配料。 下料 4kg 鋁硅合金，原材料為包頭料。按照原材料中的成分與需要配料的成分差別進(jìn)行計(jì)算。 2．教師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行熔煉。 電爐送電，把原材料料放入坩鍋。 設(shè)定溫度 740 度。 將要熔化時(shí)進(jìn)行覆蓋。熔化后均溫，加入需要配備的合金元素。 3．教師輔助學(xué)生進(jìn)行造型。 金屬型模具選用見圖 1和圖 2。 圖 1鑄造成型金屬模具（單試樣型） 鉸鏈鉸鏈?zhǔn)直鷪D 2鑄造成型金屬模具（多試樣型） 砂型模具由指導(dǎo)老師與學(xué)生共同造型。 4．澆注成型，分析縮松、縮孔、含氣、卷氣等鑄造缺 陷。 一定記住注意安全！ 5． 實(shí)驗(yàn)過(guò)程記錄： 項(xiàng)目 開始 結(jié)束 備注 送電時(shí)間 爐子設(shè)定溫度 到溫時(shí)間 覆蓋時(shí)間 熔化時(shí)間 加入合金元素 1 時(shí)間 加入合金元素 2 時(shí)間 加入合金元素 3 時(shí)間 加入合金元素 4 時(shí)間 均勻合金元素用時(shí)間 除氣時(shí)間 精煉時(shí)間 澆注時(shí)間 四、 思考 鑄造合金和變形合金的熔煉與凝固過(guò)程相同與不同點(diǎn)。 實(shí)驗(yàn)二 凝固 定向凝固 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 1． 了解晶體生長(zhǎng)的一般規(guī)律。 2． 了解定向凝固的凝固規(guī)律與條件 。 3． 對(duì)定向凝固生長(zhǎng)的晶體的組織分布進(jìn)行觀察。 二、 定向凝固方法和原理： 定向凝固的基本原理是嚴(yán)格控制合金凝固過(guò)程熱流的方向，使合金液始終沿著預(yù)期的方向凝固。定向凝固設(shè)備中有一個(gè)單方向散熱的冷源（水冷銅結(jié)晶器）和一個(gè)能保證液相中不產(chǎn)生新的結(jié)晶核心的熱源，并于凝固界面形成一個(gè)有效的溫度梯度，使晶粒始終沿著與熱流相反的方向連續(xù)不斷地向液相中生長(zhǎng)，最終獲得具有一束平行排列柱狀晶的鑄件。實(shí)現(xiàn)定向凝固有多種方法，其基本原理、工藝要點(diǎn)和應(yīng)用如下： 1．發(fā)熱鑄型法 1 保溫套 2 發(fā)熱 材料 3 型殼 4 水冷結(jié)晶器 圖 1 發(fā)熱鑄型法原理圖 工藝要點(diǎn)： 將鑄型置于水冷銅板上，并在其周圍填充發(fā)熱材料。澆入合金液后同時(shí)引燃發(fā)熱材料，形成有效的縱向溫度梯度，使鑄件定向凝固。 應(yīng)用：主要用于制造尺寸較小的磁性合金鑄件。 2．功率降低法 將底部開口的型殼置于水冷銅結(jié)晶器上，放入定向爐的石磨加熱器內(nèi)，加熱器分上下兩區(qū)同時(shí)供電，型殼加熱到預(yù)定溫度后，澆入合金液，并將下區(qū)斷電，形成縱向的溫度梯度，使鑄件定向凝固。 適用于生產(chǎn)高度小于 100mm 的鑄件，由于應(yīng)用范圍受限制多，生產(chǎn)效率較低，故目前實(shí)際生產(chǎn)中 較少應(yīng)用。 3．鑄型移動(dòng)法 將底部開口的型殼放在水冷結(jié)晶器上，送入定向爐內(nèi)的感應(yīng)加熱器中，加熱到預(yù)定溫度后，澆入合金液，然后以預(yù)定的速度將鑄型移出。由于隔熱擋板的作用，上下具有縱向溫度梯度（一般為 30～ 60 cmC/? ）從而實(shí)現(xiàn)定向凝固。廣泛應(yīng)用于大量生產(chǎn)高度小于 280mm 的定向凝固和單晶鑄件。 1 型殼 2 鑄型加熱器 3 隔熱擋板 4 水冷結(jié)晶器 5 升降機(jī)構(gòu) 圖 2 鑄型移動(dòng)法原理圖 4．液體金屬冷卻法 將型殼懸掛在升降機(jī)構(gòu) 上，送入定向爐內(nèi)的型殼加熱器中，加熱到預(yù)定溫度后澆入合金液，以預(yù)定的速度下移并浸入保持在一定溫度下的低熔點(diǎn)金屬（如錫、鋁等）液池中，在型殼下移過(guò)程中實(shí)現(xiàn)定向凝固，此法傳熱快而穩(wěn)定，凝固界面的溫度梯度可達(dá) 100 cmC/? 以上。 制取單晶的方法有兩種： 1．選晶法 在型殼底部設(shè)置一個(gè)螺旋型選晶器，當(dāng)澆入的合金液與水冷銅結(jié)晶器接觸時(shí)，由于急冷作用而產(chǎn)生許多的晶核，爐內(nèi)的縱向溫度梯度使這些晶核沿平行于熱流方向長(zhǎng)大，這些晶體競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)的結(jié)果，形成一束具有擇優(yōu)取向的柱狀晶。凝固繼續(xù)進(jìn)行， 晶體達(dá)選晶器的螺旋部分時(shí)，只剩下幾個(gè)晶粒向上生長(zhǎng)，在此過(guò)程中繼續(xù)擇優(yōu)選晶，最后只有一個(gè)取向的晶體從螺旋選晶器的頂部伸長(zhǎng)并長(zhǎng)大，直至充滿整個(gè)型腔而獲得單晶鑄件。 2．籽晶法 在型殼底部的籽晶套內(nèi)安放一個(gè)特制的籽晶塊。當(dāng)澆入型殼的合金液與籽晶接觸后，便開始形核并以籽晶固有的晶體取向?yàn)榻Y(jié)晶方向外延生長(zhǎng)，直到充滿整個(gè)型腔獲得單晶鑄件。籽晶法可以制取任意所需結(jié)晶取向的單晶鑄件。 1 型殼 2 籽晶 3 籽晶套 4 水冷結(jié)晶器 圖 3 籽晶法制取單晶的示意圖 三、 定向凝固設(shè)備 定向 凝固設(shè)備即定向凝固爐，通常包括熔爐、鑄型加熱器、冷凝區(qū) (室 )和真空系統(tǒng)等部分。國(guó)內(nèi)常用的定向凝固設(shè)備主要有兩種典型類型，即德制和俄制定向凝固爐，前者是基于鑄型移動(dòng)法，后者則是基于液體金屬冷卻法設(shè)計(jì)制造的。 兩種定向凝固設(shè)備的參數(shù)見表 1： 表 1 定向凝固設(shè)備的參數(shù) 技術(shù)特征 ISP2/Ⅲ DS увнк－вп 定向凝固方法 鑄型移動(dòng)法 液態(tài)金屬冷卻法 坩鍋容量 /kg 5 10 最高熔化溫度 /℃ 1800 1700 熔化加熱功率 /KW 120 150 熔化加熱頻率 /HZ 2022～ 4000 － 型 殼加熱溫度 /℃ ≈ 1600 ≈ 1600 真空度 /Pa ≈ ≈ 結(jié) 晶 生 長(zhǎng) 速 度R/(mm/min) 2～ 15 1～ 20 溫度剃度 G/(℃ /cm) 30～ 40 70～ 80 四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容說(shuō)明： 晶核形成以后，通過(guò)生長(zhǎng)完成結(jié)晶過(guò)程，晶體生長(zhǎng)就是液相中原子不斷向晶體表面堆徹的過(guò)程，也是固 —— 液界面不斷向液相中推移的過(guò)程。為了對(duì)晶體的生長(zhǎng)過(guò)程有進(jìn)一步的了解，需對(duì)凝固過(guò)程中的溫度梯度核晶體的生長(zhǎng)速度有深入的了解。 在實(shí)驗(yàn)觀察前先對(duì)定向凝固的條件， G/R 進(jìn)行思考，分析晶粒取向與溫度梯 度和凝固速度的關(guān)系。 了解單晶、胞晶和枝晶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并思考各種不同的晶體的使用條件，如單晶可用于半導(dǎo)體，而枝晶的蠕變性能好可用于高溫材料。 五、 實(shí)驗(yàn)步驟： 1．教師給學(xué)生講解定向凝固設(shè)備的使用，構(gòu)造及其原理。 1 真空系統(tǒng) 2 加料桿 3 升降機(jī)構(gòu) 4 熔爐 5 型殼 6 鑄型加熱器 7 液態(tài)金屬冷卻池 圖 4 采用液態(tài)金屬冷卻法的定向凝固爐的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 2．演示制備單晶、胞晶和枝晶的定向凝固過(guò)程。 同學(xué)可以參考上圖中定向凝固的規(guī)范，考慮定向凝固的步驟。本次實(shí)驗(yàn)的設(shè)備： DJL500 定向晶 體生長(zhǎng)爐。生產(chǎn)廠家：華北光電技術(shù)研究所。該設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)：抽拉速度 ，溫度梯度最大為 1000K/cm，真空度： 5 10－ 3Pa。 實(shí)驗(yàn)材料： M38Ni 基合金。抽拉速度： 2mm/min，真空度： 1 10－ 2Pa。教師按照實(shí)際情況，調(diào)整抽拉速度和真空度，最終得到不同的組織結(jié)構(gòu)。抽拉結(jié)束后用 60℃溫水淬火。 3．學(xué)生自己觀察單晶、胞晶和枝晶的縱截面的晶粒取向與組織結(jié)構(gòu)，并繪出其結(jié)構(gòu)。 六、 思考 G/R 的值與形成胞晶或枝晶的關(guān)系如何？ 實(shí)驗(yàn)三 材料的冶金缺陷 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 1．學(xué)習(xí)和掌握各 種冶金缺陷的形式。 2．了解各種冶金缺陷的形成過(guò)程。 二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容說(shuō)明： 研究材料冶金缺陷，除了進(jìn)行觀察外，還需要把各種類型的冶金缺陷的用照片的形式記錄下來(lái)（或者繪出來(lái)），以便更深一步了解