材料成型原理試驗指導(dǎo)書

1、實驗一焊接接頭性能評價及分析綜合實驗一、實驗?zāi)康?、觀察與分析焊縫的各種典型結(jié)晶形態(tài)。2、掌握低碳鋼焊接接頭各區(qū)域的組織變化。3、了解焊接接頭三個區(qū)域即焊縫、熱影響區(qū)、母材的硬度差別二、實驗裝置及實驗材料1、金相砂紙，從180目一 1200目一套2、平板玻璃一塊3、低碳鋼焊接接頭試片4、金相顯微鏡一臺5、拋光機(jī)一臺6、電吹風(fēng)機(jī)一個7、4%硝酸酒精溶液，無水乙醇、脫脂棉 等若干8、洛氏顯微鏡若干三、實驗原理焊接過程中，焊接接頭各部分經(jīng)歷了不同熱循環(huán)，因而所得組織各異。組織 的不同，導(dǎo)致機(jī)械性能的變化。對焊接接頭進(jìn)行金相分析，是對接頭機(jī)械性能鑒 定的不可缺少的環(huán)節(jié)。焊接接頭由焊縫金屬和焊接熱影響區(qū)

2、金屬組成， 焊縫金屬的結(jié)晶形態(tài)與焊接 熱影響區(qū)的組織變化，不僅與焊接熱循環(huán)有關(guān)，也和所用的焊接材料和被焊材料 有密切關(guān)系。圖1 1焊縫金屬的交互結(jié)晶示意圖圖1 2 C。、 R和G對結(jié)晶形態(tài)的影響（一）焊縫凝固時的結(jié)晶形態(tài)1、焊縫的交互結(jié)晶熔化焊是通過加熱使被焊金屬的聯(lián)接處達(dá)到熔化狀態(tài)，焊縫金屬凝固后實現(xiàn)金屬的焊接。聯(lián)接處的母材和焊縫金屬具有交互結(jié)晶的特征，圖1-1為母材和焊縫金屬交互結(jié)晶的示意圖。由圖可見，焊縫金屬與聯(lián)接處母材具有共同的晶粒， 即熔池金屬的結(jié)晶是從熔合區(qū)母材的半熔化晶粒上開始向焊縫中心成長的。這種結(jié)晶形式稱為交互結(jié)晶或聯(lián)生結(jié)晶。當(dāng)晶體最易長大方向與散熱最快方向一致 時，晶體便優(yōu)

3、先得到成長，有的晶體由于取向不利于成長，晶粒的成長會被遏止。 這就是所謂選擇長大，并形成焊縫中的柱狀晶。2、焊縫的結(jié)晶形態(tài)根據(jù)濃度過冷的結(jié)晶理論，合金的結(jié)晶形態(tài)與溶質(zhì)的濃度 C。、結(jié)晶速度（或 晶粒長大速度）R和溫度梯度G有關(guān)。圖1-2為Co、R和G對結(jié)晶形態(tài)的影響。 由圖1-2可見，當(dāng)結(jié)晶速度R和溫度梯度G不變時，隨著金屬中溶質(zhì)濃度的提 高，濃度過冷增加，從而使金屬的結(jié)晶形態(tài)由平面晶變?yōu)榘麪罹?，胞狀樹枝晶?樹枝狀晶及等軸晶。當(dāng)合金成分一定時，結(jié)晶速度越快，濃度過冷越大，結(jié)晶形態(tài)由平面晶發(fā)展 到胞狀晶、樹枝狀晶，最后為等軸晶。當(dāng)合金成分Co和結(jié)晶速度R 一定時，隨著溫度梯度 G的升高，濃度過

4、冷 將減小，因而結(jié)晶形態(tài)會由等軸晶變?yōu)闃浼季В敝疗矫婢?。隨著晶粒的成長，熔池中晶粒界面前的濃度過冷和溫度梯度也隨著發(fā)生變化。因而，熔池全部凝固以后，各處將會出現(xiàn)不同的結(jié)晶形態(tài)。在焊接熔池的熔 化邊界上，溫度梯度G較大，結(jié)晶速度R很小，因此此處的濃度過冷最小，隨 著焊接熔池的結(jié)晶，溫度涕度 G由熔比邊界處直到焊縫中心逐漸變小，熔池的 結(jié)晶速度卻逐漸增大，到焊縫中心處，溫度梯度最小，結(jié)晶速度最大，故濃度過 冷最大。由上述分析可知，焊縫中結(jié)晶形態(tài)的變化，由熔合區(qū)直到焊縫中心，依次為： 平面晶，胞狀晶，樹枝狀晶，等軸晶。在實際的焊縫金屬中，由于被焊金屬的成分、板厚、接頭形式和熔池的散熱 條件不同，一

5、般不具有上述的全部結(jié)晶形態(tài)。當(dāng)焊縫金屬成分不甚復(fù)雜時，熔合 區(qū)將出現(xiàn)平面晶或胞狀晶。當(dāng)焊縫金屬中合金元素較多時，熔合區(qū)的結(jié)晶形態(tài)往 往是胞狀樹枝晶（或樹枝狀晶）,焊縫金屬中心則為等軸晶。焊縫的結(jié)晶形態(tài)除了受被焊金屬成分的影響外、還與焊接速度、焊接電流、 板厚和接頭形式等工藝因素有關(guān)。（二）不易淬火鋼焊接熱影響區(qū)金屬的組織變化不易淬火鋼包括低碳鋼、16Mn等低合金鋼。若以A3碳鋼為例，根據(jù)其焊 接熱影響區(qū)金屬的組織特征，可以分為四個區(qū)域（如圖 1-3所示）。1、熔合區(qū)緊鄰焊縫的母材與焊縫交界處的金屬稱為熔合區(qū)或半熔化區(qū)。焊接時，該區(qū)金屬處于局部熔化狀態(tài)，加熱溫度在固液相溫度區(qū)間。在一般熔化焊的情

6、況下，此區(qū)僅有2-3個晶粒的寬度，甚至在顯微鏡下也難以辨認(rèn)。但是，它對焊接接頭的強(qiáng)度、塑性都有很大影響。2、粗晶區(qū)該區(qū)的加熱溫度范圍為1100-1350 C。由于受熱溫度很高，使奧氏體晶粒發(fā)生嚴(yán)重的長大現(xiàn)象，冷卻后得到晶粒粗大的過熱組織， 故稱為過熱區(qū)。此區(qū)的 塑性差，韌性低，硬度高。其組織為粗大的鐵素體和珠光體。在有的情況下，如 氣焊或?qū)釛l件較差時。甚至可獲得魏氏體組織。圖1-3 A3碳鋼焊接熱影響區(qū)金屬的組織3、細(xì)品區(qū)此區(qū)加熱溫度在900 C-1100 C之間。在加熱過程中，鐵素體和珠光體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，即產(chǎn)生金屬的重結(jié)晶現(xiàn)象。由于加熱溫度稍高于900 C,奧氏體 品尚未長大，冷卻將獲

7、得均勻而細(xì)小的鐵素體和珠光體，相當(dāng)于熱處理時的正火 組織，故又稱為正火區(qū)或相變重結(jié)晶區(qū)。該區(qū)的組織比退火（或軋制）狀態(tài)的母 材組織細(xì)小。4、不完全重結(jié)晶區(qū)當(dāng)?shù)吞己附訒r，加熱溫度在750-900 C之間的金屬區(qū)域為不完全重結(jié)晶區(qū)當(dāng)?shù)吞间摰募訜釡囟瘸^750 c時，珠光體先轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體.溫度進(jìn)一步升高時，部分 鐵素體逐步溶解于奧氏體中，溫度越高，溶解的越多，直至 900 C,鐵素體將全 部溶解在奧氏體中間。焊后冷卻時又從奧氏體中析出細(xì)小的鐵素體，一直冷卻了750 c時，殘余的殘氏體就轉(zhuǎn)變?yōu)楣参鼋M織一一珠光體。由此看出，此區(qū)只有一 部分組織發(fā)生了相變重結(jié)晶過程，而始終未溶入奧氏體的鐵素體，在加熱時會

8、發(fā) 生長大，變成較粗大的鐵素體組織，所以該區(qū)域金屬的組織是不均勻的， 晶粒大 小不一，一部分是經(jīng)過重結(jié)晶的晶粒細(xì)小的鐵素體和珠光體，另一部分是粗大的鐵素體。由于組織不均勻，因而機(jī)械性能也不均勻。如果焊前母材為冷軋狀態(tài)，則在溫度為 750 c以下的金屬中，還存在一個結(jié) 晶區(qū)。處于再結(jié)晶區(qū)的金屬，在加熱的過程中，將發(fā)生金屬的再結(jié)晶過程，即經(jīng) 過冷變形后的碎粒再在結(jié)晶溫度作用下重新排列的過程。四、實驗方法與步驟（一）低碳鋼焊接接頭的金相分析1、將己焊好的試件（以結(jié)422焊條在150X40X6mm 的試件上堆焊），切 成 25X25mm的試片，然后把試片四周用砂輪打去毛刺，并把四個角打磨成圓角。2、用

9、金相砂紙打磨試片。必須注意，研磨試片的砂紙要由粗到細(xì)、依次制 作，不要使粗砂粒帶到細(xì)的砂紙上。試片研磨完后，用清水沖洗，進(jìn)行機(jī)械拋光， 拋光后再用清水沖洗試片。3、將拋光好的試片，用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，大約經(jīng)過 5-10S左右， 立即用清水沖洗，然后用無水乙醇輕輕擦去水分，并用吹風(fēng)機(jī)吹干。4、把己制備好的試片在顯微鏡下進(jìn)行觀察與分析。分清焊接接頭各區(qū)域后，仔細(xì)辯認(rèn)各區(qū)域組織的特征。(二)焊接接頭硬度實驗了解焊接接頭三個區(qū)域即焊縫、熱影響區(qū)、母材的硬度差別。1、試樣準(zhǔn)備將對接接頭如圖1-3制備試樣，按圖中所示逐個點進(jìn)行檢測；BA SEWELDBA SEMETA LHAZHA ZMETA L

10、TOC o 1-5 h z 1234567891011.121314151617181920212、清理試樣表面，并根據(jù)試樣的材料、形狀、選擇壓頭、載荷和工作臺。3、把試樣放在工作臺上，按洛氏硬度計的操作規(guī)程進(jìn)行試驗。 前后共測三點， 取其平均值為洛氏硬度值。五、實驗注意事項(1)試樣兩端要平行，表面要平整，若有油污或氧化皮，可用砂紙打磨，以 免影響測定。(2)圓柱形試樣應(yīng)放在帶有“ V形槽的工作臺上操作，以防試樣滾動。(3)加載時應(yīng)細(xì)心操作，以免損壞壓頭。(4)測算硬度值，卸掉載荷后，必須使壓頭完全離開試樣后再取下試樣。(5)金剛鉆壓頭系貴重物品，資硬而脆，使用時要小心謹(jǐn)慎，嚴(yán)禁與試樣或 其

11、它物件碰撞。(6)應(yīng)根據(jù)硬度實驗機(jī)的使用范圍， 按規(guī)定合理選用不同的載荷和壓頭， 超 過使用范圍，將不能獲得準(zhǔn)確的硬度值。實驗二 鑄造應(yīng)力檢測實驗指導(dǎo)書一、實驗簡介本實驗利用不等粗三桿應(yīng)力框模擬鑄造合金凝固過程中鑄造應(yīng)力的產(chǎn)生和 演變過程，以及其與溫度的關(guān)系，借助于熱電偶和拉壓傳感器，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將 信號動態(tài)顯示于電子計算機(jī)屏幕上。 是學(xué)生理解合金成分、逐漸結(jié)構(gòu)和溫度對鑄 造應(yīng)力的影響，學(xué)習(xí)拉力傳感器和熱電偶的使用方法， 具有在材料成型及控制工 程實踐中基本掌握并使用各種技術(shù)、技能和現(xiàn)代化工程工具的能力。主要內(nèi)容：1、鑄造合金凝固過程中鑄造應(yīng)力的產(chǎn)生和演變過程，以及其與溫度的關(guān)系；2、合金成分

12、對鑄造應(yīng)力的影響。二、實驗原理金屬材料及其合金由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)時產(chǎn)生體積收縮，由于鑄件各個部位厚度 不同，開始凝固的時間也不同，所以當(dāng)鑄件某一部位的收縮受到其他部位的阻礙 時，則在鑄件中產(chǎn)生鑄造應(yīng)力。本實驗利用不等粗三桿應(yīng)力框（中間粗、兩邊細(xì)）模擬鑄造合金凝固過程中 鑄造應(yīng)力的產(chǎn)生和演變過程，使用熱電偶和拉壓傳感器分別檢測應(yīng)力框三根桿的 溫度和應(yīng)力。三、實驗步驟及操作方法1、主要參數(shù)應(yīng)力框尺寸：粗力20X20X 300 mm細(xì)桿：20X10X300 mm粗桿：出廠時裝1000kgf的拉壓力傳感器細(xì)桿：兩細(xì)桿的應(yīng)力和與粗桿大小相等、方向相反。實驗合金合金：Al-3%Cu合金，約 1kg。2、實驗方

13、法1）造型：用定位銷鎖緊好上箱、模板和下箱一造下箱一造上箱并扎通氣孔f上箱和模板一起起模并翻轉(zhuǎn) f模板從上箱上起模f修型。2）做外澆口箱。3）合箱：在連接套上帶螺紋的一端按裝好鑄焊和聯(lián)接試件的3*M16螺絲一先將下箱按放在儀器平臺上一用定位銷調(diào)正下箱與平面臺上定位孔的 位置一清理三個接口處的砂子（上箱和下箱） f 鎖緊定位銷由上箱插入下 箱，放入平臺定位孔一放上外澆口箱準(zhǔn)備澆注。4）熱電偶一對放在中間桿中點處，另一對放在側(cè)桿的中點處，另一端與模 數(shù)轉(zhuǎn)換器連接。5）配料，使用電阻爐熔化合金，當(dāng)溫度達(dá)到合金液相點 +5080c時保溫6）啟動計算機(jī)，將屏幕上的初始信號調(diào)零。7）從電阻爐中取出熔體，澆

14、注。觀察屏幕上應(yīng)力和溫度的變化。8）停止記錄，準(zhǔn)備取試件。9）松開每個套筒上的三個鎖緊螺釘，卸下三個鎖緊銷，連同試件一塊從儀 器上取下，然后再扭下來三個套筒，取下試件。儀器全部復(fù)原，準(zhǔn)備下一次試驗,四、注意事項1、嚴(yán)格按照操作規(guī)程實驗；2、注意高溫金屬熔體；3、熔化和澆注液體金屬時，請佩戴保護(hù)眼鏡和手套。實驗三鑄造合金熔煉和流動性檢測綜合實驗一、實驗簡介本實驗利用ZLL-1500m型同心三螺旋線合金流動性測定儀測定液體金屬的流動性，理解液體金屬流動性與合金成分和溫度的關(guān)系。使學(xué)生具有在材料成型及控制工程實踐中基本掌握并使用各種技術(shù)、技能和現(xiàn)代化工程工具的能力。主要內(nèi)容：1、純金屬液流動性的測量

15、；2、合金液流動性的測量；3、澆注溫度對流動性的影響。二、實驗原理液體金屬流動性直接影響鑄造產(chǎn)品的質(zhì)量。 流動性越好，越容易充滿鑄型的 每一部分，不容易產(chǎn)生冷隔、疏松、夾雜等缺陷。金屬液溫度越高，流動性越好。 在純金屬中加入其他元素形成合金后， 影響合金液的流動性；當(dāng)合金成分在共晶 成分時，合金液流動性最好。本實驗利用三條同心的、斷面尺寸 10 xi0mMg旋槽式流動性測試儀，以測量液體金屬在螺旋槽中流動的長度來表示其流動性，金屬液在螺旋槽中流動的距離越長，其流動性越好?？梢允褂迷谌龡l同心的螺旋槽中流動的平均長度表示其 流動性。三、實驗步驟及操作方法1、主要參數(shù)螺旋線長：1500mm截面尺寸：

16、6/10 x 10mm分型面尺寸：ZLL-1500IH型，480X 480mm參考附圖?？梢赃x用的實驗合金：純鋁、Al-3%Cu合金、Al-32%Cu合金，約 1kg。2、實驗方法1）造型：利用ZLL-1500IH型同心三螺旋線合金流動性測定儀的砂箱和澆口杯，使用 潮模石英砂造型。使用電阻爐熔化合金,當(dāng)溫度達(dá)到合金液相點 +5080 C時保溫。將合金液澆注到鑄型中，30分鐘后打箱，測量螺旋線的長度。主要影響因素及其控制影響液態(tài)合金流動性的因素很多，其中主妻有合金成分，澆注膩度、鑄型條 陣和壓失等一般說來，這些因素是保證測試精確度，使測定結(jié)果具有良好再現(xiàn)性 的關(guān)鍵。1、合金成分的影響不同成分的合

17、金具有不同的結(jié)晶方式，結(jié)晶溫度范遇窄的合金傾向千逐層凝 周，流動性好。結(jié)晶溫度范圍寬的合金傾向千糊狀凝固，流動睦差。易形成低熔 點夾雜或降低熔液粘度及減小合金結(jié)晶溫度范圍的元素，對提高流動性有利，反 之則不利合金成分作為實驗研究內(nèi)容，一般是確定的。這樣，從實驗角度看，影響流 動性測試精度與再現(xiàn)性的主要因素為微量固體夾奈。這就需要嚴(yán)格掌握熔煉操作 如，選用干凈、干澡、沒有遺傳性的原料；熔煉過程中盡量避免熔液氧化和吸氣： 對某些合金要充分脫氧或精煉除氣， 減少熔液中的固體夾雜物及氣體。止匕外，對 某些合金還要控制殘留夾雜物的類型， 如對鋼液進(jìn)行說氧時，先加硅鐵后再加鉆 飲會形成大量細(xì)小的高熔點尖角

18、形 SiO2,難以去除，鋼液流動性變差，但如先 加鉆鐵后和硅鐵，脫氧產(chǎn)物主要是低熔點硅酸鹽，容易去除，有利千鋼液的流動。2、鑄型條件的影響鑄型條件的影響體現(xiàn)在兩個方面：(1)鑄型的機(jī)械阻力對液態(tài)合金充型速度的影響；(2)鑄型與液態(tài)合余的熱交換強(qiáng)度對其保持流動能力的肘問的影響影啊充型速度的有溝道的沿程阻力和局部阻力及溝道中氣體的反壓力等。溝道的沿程阻力與鑄型的表面狀況有關(guān)， 局部阻力與試樣的形式、澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 等因素有關(guān)，而溝道中的氣體反壓力則主要取決于型砂水分等發(fā)氣物質(zhì)的含量、 鑄型透氣性和排氣孔的開設(shè)。在實驗中上述因素的影響機(jī)制是十分復(fù)雜的， 例如， 鑄型具有一定的發(fā)氣能力時，能在金屬液與

19、鑄型之間形成氣膜，從而減小流動的 沿程阻力損失總之，在實驗中中應(yīng)努力保證這些因素不變。液態(tài)合金與鑄型的熱交換強(qiáng)度和鑄型的蓄熱系數(shù)及鑄型的溫度有關(guān)， 而這些 因素對流動性的影晌也是十分復(fù)雜的。 實驗中應(yīng)盡可能使涂料、型砂成分、砂型 的緊實度以及鑄型的溫度等因素保持不變，或?qū)⑵溆绊憸p至最小流動性試樣如在金屬型內(nèi)澆注，主要控制因素是金屬型的預(yù)熱溫度。在使用涂料的情況下，涂料的成分及涂料層厚度應(yīng)保持一致3、澆注溫度的影響澆注溫度對液態(tài)合金流動性的影響很大，一般在流動性實驗中將其作為主要 的研究內(nèi)容之一。從實驗角度來說，重要的是如何控制進(jìn)入溝道的熔液溫度恰好 是實驗萬案規(guī)定的澆注溫度一般情況下， 澆包與

20、澆口杯中熔液的溫差是很大的因 此為了保證實驗精度與再現(xiàn)性，應(yīng)當(dāng)直接測定進(jìn)入溝道時的熔液溫度。 目前一般 采用在有問門的澆口杯山測溫的辦法， 待溫度達(dá)到實驗萬案的規(guī)定溫度時， 迅速 開閘澆注。當(dāng)然澆口杯中的液態(tài)合金在澆注過程中還會繼續(xù)降溫，分析實驗結(jié)果時，應(yīng)考慮這一因素。4、充型壓頭的影響充型壓共是液態(tài)合金在溝道中流動的動力， 必須保證充型壓頭穩(wěn)定。穩(wěn)定充 型壓頭必須考慮靜壓頭的控制與動壓頭的控制，目前主要在澆口杯上采取措施。圖1-1所示側(cè)擋板定量澆口杯，可以消除由于澆注速度不穩(wěn)定而造成的動壓頭波 動。側(cè)擋板與塞桿相比，在提起時對液態(tài)合金的擾動較小，并且便于觀察提起前 有無液態(tài)合金的滲漏。在澆口杯側(cè)面所高的溢流槽，用以控制定量澆口杯中金屬 液面的高度但這種方法仍難排除充型過程中靜壓頭的變化，流動性差，液面下峰少。圖1-1測擋板澆口杯1.溢流才曹2.熱電偶3.澆口杯 4.側(cè)擋板圖1-2所示堤壩式澆口杯，可以穩(wěn)定靜壓頭。圖 1 6a的結(jié)構(gòu)由于液流居中，有可能削弱或干擾高壩的作用，故以圖 16b的結(jié)構(gòu)為好。這類澆口杯對 穩(wěn)定靜壓有一定的作用，但仍有一定的波動，為了盡量減少這種波動， 小 宜小,為使試樣溝道中一有流