2024鋁合金的熔鑄及實效溫度對其力學性能的影響實驗

目錄第一節(jié)實驗目的與任務……2第二節(jié)基本要求……………2第三節(jié)實驗材料及實驗方法………………2TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1、 實驗材料與實驗方法 32、 實驗儀器與設備 4\o"CurrentDocument"3、 實驗原理 4\o"CurrentDocument"4、 技術電路 55、 合金的熔鑄 5\o"CurrentDocument"6、 試樣的制備 6\o"CurrentDocument"7、 測試方法 6第四節(jié)實驗結果及實驗分析………………7第五節(jié)實驗結論與心得體會………………8第六節(jié)參考文獻……………10第一節(jié)實驗目的與任務實驗目的與任務本綜合實驗是在金屬材料本科生完成相關專業(yè)理論課之后的一次全面綜合實驗訓練，通過從鋁合金材料設計與選擇、制備到性能檢測的全過程訓練，使學生了解鋁合金材料及其加工的生產全過程，所學基礎理論和專業(yè)理論來解釋實驗中的各種現象，培養(yǎng)學生的動手能力和綜合分析問題的能力，特別是學生的獨立設計實驗方案及創(chuàng)新能第設計實驗方案及創(chuàng)新能第力。二節(jié)基本要求1=基本要求了解課題所研究鋁合金材料設計方法；初步掌握鋁合金材料制備和式樣加工基本技能；熟悉鋁合金材料生產過程；了解與掌握材料科學與工程研究的基本步驟及思維方法，所用的儀器設備及操作使用；學會整理數據，運用知識解釋實驗中的現象，理論聯系實際，培養(yǎng)動手能力，采集并分析數據的綜合能力。實驗條件1） 固溶處理：500°CX30min；2） 水淬；3） 放置時間（預時效時間）：20h；4） 時效溫度170C,185C,200C，時效時間6h。第三節(jié)實驗材料與實驗方法1、實驗材料與實驗方法鋁合金化學成分：成分硅Si鐵Fe銅Cu錳Mn鎂Mg鉻Cr鋅Zn鋁Al含量0.500.50384.90.30-1.01.2-5余量主要原材料基本物理化學性質（1）鋁密度小鋁的密度為2.72g/cm3,約為鐵或銅的1/3。鋁是銀白色的輕金屬，較軟，密度為2.7g/cm3熔點為660.4°C，沸點為2467°C。鋁對光的反射性能良好,純鋁的導電性能很好,鋁是熱的良導體,具有良好的延展性?？蓮娀?純鋁的強度雖然不高，退火狀態(tài)的抗拉強度約為80Mpa,但通過冷加工可使其強度提高一倍以上。而且可通過添加鎂、鋅、銅硅等元素合金化，再經過熱處理進一步強化，從而獲得很高強度。易加工鋁可用任何一種鑄造方法鑄造。鋁的塑性好，加工速度快?？绍埑杀“搴筒?；拉成管材和細絲；擠壓成各種復雜斷面的型材；可以大多數機床所能達到的最大速度進行車、銑、鏜、刨等機械加工。耐蝕性鋁及其鋁合金表面在室溫下就易生成一層薄而致密并與基體金屬牢固結合的氧化膜，阻止氧向金屬內部進一步擴散而起保護作用。鋁的這一特性給鋁及其合金的生產工藝帶來方便，即在熔煉與鑄造、鍛造與熱處理過程中，無需采用特殊的防氧化措施。但在堿和鹽的水溶液中，鋁的氧化膜很快被破壞。此外，鋁的氧化膜在熱的稀硝酸、稀硫酸中也極易溶解。因此，鋁在酸、堿或鹽液中抗蝕性差。2）鎂鎂是一種銀白色的金屬，化學性質活潑，在自然界中從不以單質狀態(tài)存在。密度為1.74g/cm3,熔點922K，沸點1363K，硬度2.0，比同族的其它堿土金屬都高。鎂具有優(yōu)良的切削加工性能，可鑄造、鍛造，加工成各種形狀的型材。不論在固態(tài)或在水溶液中，鎂都具有較強的還原性，是個常用的還原劑。鎂應該很容易與水反應，但由于表面生成氧化膜，鎂不與冷水作用。金屬鎂能與大多數非金屬和幾乎所有的酸（只有鉻酸和氫氟酸除外）反應。3）銅金屬銅原子量63.54,比重8.92，純銅呈紫紅色，熔點約1083.4C，沸點2567C，密度8.92g/cm3,具有良好的延展性。導電性：64%，耐蝕性：23%，結構強度：12%，裝飾性：1%。。純銅打磨光亮后會呈現出明亮的金屬光澤，銅不具有磁性，其強度、硬度中等，抗磨蝕性極佳。銅具有許多可貴的物理化學特性，例如其熱導率都很高，化學穩(wěn)定性強，抗張強度大，易熔接，且抗蝕性、可塑性、延展性。純銅可拉成很細的銅絲，制成很薄的銅箔。銅最重要的特性之一便是其具有極佳的導電性，其電導率為58m/（Q。mm的平方）。固體銅中喊有自由電子所產生的另一重要效應就是其擁有極高的導熱性，其熱導性為386W/（m.k）,導熱性僅次于銀。銅具有良好的耐蝕性能，優(yōu)于普通鋼材，在堿性氣氛中優(yōu)于鋁。（四）石膏石膏是單斜晶系礦物，主要化學成分是硫酸鈣。石膏是一種用途廣泛的工業(yè)材料和建筑材料。可用于水泥緩凝劑、石膏建筑制品、模型制作、醫(yī)用食品添加劑、硫酸生產、紙張?zhí)盍?、油漆填料等。石膏的理化性質：通常為白色、無色，無色透明晶體稱為透石膏，有時因含雜質而成灰、淺黃、淺褐等色。條痕白色。透明。玻璃光澤，解理面珍珠光澤，纖維狀集合體絲絹光澤。2、實驗儀器與設備1.SX-5-14電阻爐額定功率：5KW輸入電壓：三相380V額定溫度：1350°C重量：120kg生產日期：2007年11月生產廠家：湘潭市銀漢設備有限公司中頻熔煉爐KGPS-20-4s輸入電壓：三相380V中頻電壓：760V直流電壓：500V額定功率：20KW出廠序號：20081007生產廠家：株洲紅亞電熱設備有限公司HR-150A洛氏硬度儀出廠編號12000sno.0727生產廠家：山東革州市實驗機總廠3、實驗原理本實驗依據不同時效對鋁合金的性能有影響展開。要探索2024鋁合金時效溫度對其性能的影響，首先保證試樣符合圓柱形的要求，由于鋁合金本身的硬度不高，所以要對其進行固溶處理來增加其硬度。固溶溫度要保持在要求溫度偏差不超過30度的范圍內進行。固溶處理的時候要遵循兩個原則：強化相應盡可能的溶入固溶體；防止過燒。為了防止固溶過程2024鋁合金的氧化，可以用氧化鋁膜進行保護。其后的熱處理要求淬火時速度要快，減少淬火的轉移時間，使2024鋁合金在轉移時間的表面氧化變少。

4、技術路線鋁合金的固溶處理（固溶與淬火）鋁合金的不同溫度時效處理（自然預時效人工時,效）實驗結果與分析5、合金的熔鑄在合金的熔化過程中先加銅絲，使其熔化后再加鋁錠，最后加鎂錠進行熔化，按這種順序加入不同金屬的原因是由各種金屬的熔點不同決定的，銅的熔點為1083r，鋁的熔點為660.4r，鎂的熔點為651°C，為使各種金屬都充分熔化又不至于因為溫度過高而使金屬熔液沸騰，則按熔點的不同由高到低將金屬依次加入熔化爐。在熔化的過程中最好采用干的木棒而不用別的儀器對熔液進行攪拌，使其充分熔化，因為用別的儀器容易引入雜質，影響合金的性質，而木棒因高溫燃燒產生的碳會在高溫下揮發(fā)，不會引入雜質。在合金熔液的澆注過程中應注意控制好澆注溫度和澆注速度，澆注溫度過高或過低和澆注速度過快或過慢都會對鑄件的質量有影響。澆注溫度過高，熔液在鑄型中收縮量增大，易產生縮孔、裂紋及粘砂等缺陷；溫度過低則熔液的流動性差，又容易出現澆不足、冷隔和氣孔等缺陷。合適的澆注溫度應根據合金種類、鑄件的大小、形狀及壁厚來確定，鋁合金的澆注溫度一般在700°C左右。澆注速度太慢，金屬液冷卻快，易產生澆不足、冷隔以及夾渣等缺陷；澆注速度太快，則會使鑄型中的氣體來不及排出而產生氣孔。同時，易造成沖砂和跑火等缺陷。鋁合金液澆注時勿斷流，以防鋁液氧化。6、 試樣的制備為了避免澆注試樣有很多氣孔，要保證爐子干燥，熔鑄之前的金屬表面沒有油漬。當金屬液體均勻后就可以進行試樣的制備。用熔點較高的金屬勺子將液體勺入前面做的模具里，在轉移時間的速度要快，防止局部溫度下降使得澆注會出現很多孔隙。等澆注毛坯冷卻后，進行取樣，取樣時盡量去比較直的部分，為了保證試樣的受力均勻。試樣初次選取后，要對試樣進行表面處理，使試樣的兩端面平行，然后對其進行相應的處理。本組實驗研究的是固溶溫度對合金性能的影響，首先對試樣進行固溶強化時將三個樣本分別放入500C的電阻爐中進行固溶處理（由于鋁合金的硬度不大，固溶強化為了增加其硬度），其次進行淬火處理（本實驗采用水淬），初步工作完成后去三個試樣均放入185C電阻爐中進行時效處理，6小時后試樣完成，等待檢測。7、 測試方法本實驗采用洛氏硬度計對經過固溶、水淬、時效處理的試樣進行硬度測試，洛氏硬度計的測試原理：用一定的初試驗力F0將金剛石圓錐壓頭或一定直徑的鋼球壓頭壓入試樣的被試表面，以此作為壓痕深度測量的基準點。再

施加入主試驗力F],此時在壓頭上施加了由初試驗力+主試驗力構成的總試驗力F。經過一定時間(保荷時間)的保持后卸除主試驗力，依然保留初試驗力，測量壓痕的深度e(稱為殘余深度)。以壓痕的殘余深度e計算洛氏硬度值，每0.002mm為一個硬度單位。實驗結果與分析第四節(jié)實驗結果與分析'\參數組別\熔鑄溫度(°C)熔鑄時間(min)時效時間(h)時效溫度(C)第一組\\\\第二組500306170第三組500306185第四組5003062002、硬度測試\次數組別\第一次測試(HRA)第二次測試(HRA)第三次測試(HRA)第四次測試(HRA)第五次測試(HRA)平均值(HRA)第一組4第二組77.680.571.571.874.575.18第三組6667.56664.565.565.9第四組191071110.511.5標尺：HRA60kgf保持時間：5s恢復時間：1s實驗結論：時效溫度越高，2024鋁合金硬度越低。2、實驗結果分析：（1）熱處理對2024鋁合金組織和性能的影響。熱處理對于2024鋁合金固溶時間對力學性能的影響最大，在高溫下延長固溶時間，合金元素固溶更充分，分布更均勻，有利于提高實效形核率，提高合金的性能，而轉移時間對晶間腐蝕的影響較大，減小轉移時間和控制冷卻水溫，可減少第二相晶間局部脫溶，提高抗腐蝕能力。優(yōu)化工藝確定的固溶制度為500oC固溶lOmin?30min,轉移時間小于15s淬火溫度為25?75*。采用正交法設計了2024鋁合金的熱處理工藝方案。按設計方案進行了熱處理的試驗和力學性能測試，同時測定了淬火C—曲線，并運用金相透射電位登手段研究了固溶溫度，固溶時間,轉移時間，淬火水溫影響2024鋁合金力學性能的微觀機制，找到了2024鋁合金的最佳熱處理工藝溫度。結果表明：合金經固溶后強韌性增強，無晶間腐蝕現象。（2） 加工硬化對2024鋁合金力學性能的影響。在40°C以下時效對加工硬化的2024鋁合金板材的力學性能沒有影響。將時效溫度提高到100°C后，便發(fā)現屈服強度略有下降，塑性則有所提高。而這時合金的強度極限實際上并不發(fā)生改變。繼續(xù)提高時效溫度到150°C,則加工硬化的板材塑性會提高，而強度極限卻稍有降低。因為加工硬化的板材在150°C以下人工時效時，所看到的塑性變形顯著提高，和有一些軟化的事實，是由于回復所造成的。加工硬化的2024鋁合金材料在150-180°C加熱時會激烈地強化，并降低塑性;而在190-200°C加熱時，其強度與塑性都同時下降。（3） 固溶強化對2024鋁合金影響合金首先通過了固溶熱處理過程形成固溶體。固溶溫度應在使合金不產生過熱和過燒的情況下盡可能提高，而固溶時間的長短既要保證能使溶入固溶體的強化相充分溶入，以得到最大的過飽和度（且不能引起晶粒長大）。合金狀態(tài)處于過飽合固溶體時，合金元素造成晶格畸變，晶格畸變增大了位錯運動的阻力，使滑移難以進行，其應力場影響材料強度。對固溶強化型合金來講，合金可得到強化通過固溶強化的作用使得基體金屬的變形抗力隨之提高。因此金屬的強度、硬度也有所提高。研究發(fā)現2024采用500oC固溶10mi后，雖然溫度高，但固溶時間短，合金中有大量的未溶第二相存在，隨著固溶時間的增加，未溶的第二相質點數量減少，但是即使在30min固溶，尚有大量的未溶的第二相存在。由于固溶時間的延長，合金元素溶入更充分，使基體金屬的位錯密度增大，晶格發(fā)生畸變，同時合金元素還會改變固溶體彈性常數，擴散系數、內聚力和原子排列缺陷，使位錯線變彎，位錯運動阻力增大，引起材料強化。此外粗大的第二相顆粒完全溶入基體中，既消除了大尺度的斷裂源，同時也增加了析出強化相的數量，這必然導致合金的力學性能顯著提高。第五節(jié)結論與心得體會實驗結論：時效溫度越高，2024鋁合金硬度越低。心得體會：在老師的細心指導下我們順利完成了本次關于2024鋁合金的熔鑄及實效溫度對其力學性能的影響實驗。這使我獲益匪淺，同時加強了我對課本理論知識的理解，對鋁合金的性能也有了更深層次的了解。這次實驗不僅僅是一次實踐，也是我們小組的一次合作，所以在實驗過中，成員之間的相互配合，遇到不明白的問題時，相互討論，