材料加工原理综合实验指导书.doc

材料加工原理综合实验指导书

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2020年5月29日
文档仅供参考
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

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

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,使流动性改进,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。这类合金国内外常见的共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,它们能够吸取后者的一些合金成分,从而能够有限地接受热处理。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。

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:
项目
开始
结束
备注
送电时间

炉子设定温度

到温时间

覆盖时间

熔化时间

加入合金元素1时间

加入合金元素2时间

加入合金元素3时间

加入合金元素4时间

均匀合金元素用时间

除气时间

精炼时间

浇注时间

四、 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

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察。
二、 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,由于应用范围受限制多,生产效率较低,故当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
图3籽晶法制取单晶的示意图
三、 定向凝固设备
定向凝固设备即定向凝固炉,一般包括熔炉、铸型加热器、冷凝区(室)和真空系统等部分。国内常见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
技术特征
ISP2/Ⅲ-DS
увнк－вп
定向凝固方法
铸型移动法
液态金属冷却法
坩锅容量/kg
5
10
最高熔化温度/℃
1800
1700
熔化加热功率/KW
120
150
熔化加热频率/HZ
～4000
－
型壳加热温度/℃
≈1600
≈1600
真空度/Pa
≈0.1
≈0.67
结晶生长速度R/(mm/min)
2～15
1～20
温度剃度G/(℃/cm)
30～40
70～80

四、 实验内容说明:
晶核形成以后,经过生长完成结晶过程,晶体生长就是液相中原子不断向晶体表面堆彻的过程,也是固——液界面不断向液相中推移的过程。为了对晶体的生长过程有进一步的了解,需对凝固过程中的温度梯度核晶体的生长速度有深入的了解。
在实验观察前先对定向凝固的条件,G/R进行思考,分析晶粒取向与温度梯度和凝固速度的关系。
了解单晶、胞晶和枝晶的结构特点,并思考各种不同的晶体的使用条件,如单晶可用于半导体,而枝晶的蠕变性能好可用于高温材料。
五、 实验步骤:
1．教师给学生讲解定向凝固设备的使用,构造及其原理。

1 真空系统 2 加料杆 3 升降机构 4 熔炉 5 型壳
6 铸型加热器 7 液态金属冷却池
图4 采用液态金属冷却法的定向凝固炉的结构简图
2．演示制备单晶、胞晶和枝晶的定向凝固过程。
同学能够参考上图中定向凝固的规范,考虑定向凝固的步骤。本次实验的设备:DJL-500定向晶体生长炉。生产厂家:华北光电技术研究所。该设备的技术指标:抽拉速度0.2-10mm/min,温度梯度最大为1000K/cm,真空度:5×10－3Pa。
实验材料:M38Ni基合金。抽拉速度:2mm/min,真空度:1×10－2Pa。教师按照实际情况,调整抽拉速度和真空度,最终得到不同的组织结构。抽拉结束后用60℃温水淬火。
3．学生自己观察单晶、胞晶和枝晶的纵截面的晶粒取向与组织结构,并绘出其结构。
六、 思考
G/R的值与形成胞晶或枝晶的关系如何?

实验三 材料的冶金缺陷

一、 实验目的:
1．学习和掌握各种冶金缺陷的形式。
2．了解各种冶金缺陷的形成过程。
二、 实验内容说明:
研究材料冶金缺陷,除了进行观察外,还需要把各种类型的冶金缺陷的用照片的形式记录下来(或者绘出来),以便更深一步了解各种缺陷,便于科学研究和交流。
一般说来,材料的冶金缺陷包括内应力、偏析、夹杂、缩孔、缩松、气孔、氢白点、热裂纹、冷裂纹等。对于各种不同的冶金缺陷,其形成原因是不相同的,对于不同的材料其形成某种缺陷的倾向也不相同,有的能够直接观察到,有的则需要磨制金相观察。
1、气孔和针孔:
位于铸件内部(一般不与铸件外表面相接触)的孔洞,内壁光滑,多数为圆形。 大的气孔往往是单个的、小的针孔则成群出现,大小不一。有时铸件的整个断面上会布满气孔或针孔。这类孔洞的内壁可能是发亮的,多少有些氧化,就铸铁件而言,可能覆盖一薄层石墨。这类缺陷可能在铸件的所有部位出现。

图1 气孔 图2 针孔
缺陷形成原因:气孔和针孔是由于在凝固过程中滞留在金属中的气体形成的。 (1)熔炼方面的原因(内源性气孔或析出性气孔)。
溶池中的液态金属含有大量气体(炉料、熔炼方法,炉气成分等存在问题)。熔解的气体在凝固时析出;
钢和铸铁件:碳和氧发生反应生成一氧化碳,并以气态或氧化物形式存在。一氧化碳形成的气孔可能因氢或氮(氮的情况较少)的扩散而体积增加,
(2)造型或制芯材料产生的气体(外源性气孔或侵入性气孔)。
铸型或砂芯中水分过高;
砂芯粘结剂的发气量大;
含碳氢化合物的附加物量过多;
涂料的发气量过大;
(3)卷入的气体(外源性气孔);
型腔内的空气和气体未能及时排出;
砂型和砂芯的透气性差;
液态金属在浇注系统中产生紊流,卷入空气。

图3 铸钢件缩孔实例
2、夹杂
夹杂包括:金属夹杂物、冷豆、内渗豆、磷化物渗豆、熔渣/溶剂类非金属夹杂物、渣孔/稀土氧化物夹杂、含气渣孔、砂眼、涂料夹杂或耐火涂层夹杂、黑点、氧化皮夹杂、光亮碳膜、硬点等。
铸件内夹带有各种不同尺寸的金属夹杂物(或金属间夹杂物),与基体金属相比,无论在结构上和色泽上都有着明显的差别,在性能上的差别就更大了。一般这些缺陷在切削加工后才显露出来。

图4 冷豆 图5 金属夹杂物
3、应力热裂缺陷:

图6 应力热裂缺陷
应力热裂:形状不规则,深浅不一的晶间裂纹。裂口常呈现细密的树枝晶,且表面氧化。这类缺陷最常发生在铸件上存在着内应力的最后凝固的断面处。
成因机理:合金在凝固过程中,当其温度接近固相线时受到应力或变形作用。
产生原因:
（1） 铸件在金属型内的冷却时间过长;
（2） 铸件在出型斜度太小,阻碍了铸件收缩。
（3） 开型过早,铸件在出型时开裂。
（4） 取出金属芯时,由于金属芯歪斜或导向装置不良,导致铸件热裂。
（5） 顶杆的位置不当,使铸件产生弯曲应力。
（6） 由于浇注温度过高,或砂芯圆角太小而产生热节。
（7） 液体金属流量太小。
三、 实验步骤:
1． 教师结合实物讲解夹杂、缩孔、缩松、气孔、氢白点、热裂纹、冷裂纹等缺陷。
准备气孔试样2个
材料:铸铁或铝合金 尺寸:80×60
将试样切开,要求断面能够明显观察到气孔缺陷
实验老师让学生仔细观察气孔形貌,判断气孔的类型,然后由老师讲解如何观察和判断气孔的类型,气孔的形成原因,避免缺陷形成的措施。
准备缩孔试样1个
材料:铸铁或铝合金 尺寸:80×60
将试样切开,要求断面能够明显观察到缩孔
实验老师让学生仔细观察缩孔形貌,然后由老师讲解缩孔的形成原因,避免缺陷形成的措施。
准备氢白点试样2个
材料:铸铁或铝合金 尺寸:80×60
将试样切开,要求断面能够明显观察到氢白点缺陷
实验老师让学生仔细观察氢白点形貌,然后由老师分析形成原因,讲解氢白点形成的措施。
准备夹杂试样2个
材料:铝合金 尺寸:80×60
实验老师让学生仔细观察夹杂形貌,由老师讲解夹杂的形成原因,避免夹杂形成的措施。
准备含有热裂纹的试样2个
材料:铸铁或铝合金 尺寸:80×60
实验老师让学生仔细观察热裂纹形貌,然后由老师讲解如何热裂纹类型,避免热裂纹形成的措施。
2．实物辨别,教师分发一部分实物,让学生自己判断有无缺陷,如果有缺陷属于哪一类;并推想其形成过程。
四、 思考:
1． 你认为各种冶金缺陷应该如何进行分类?
2． 你认为应该如何尽量减少或避免各种不同的冶金缺陷?
实验四 挤压变形与挤压力实验

一、 实验目的
1．经过实验了解正挤压、反挤压、复合挤压时,金属流动及变形特点,并分别实测其挤压变形力;
2．掌握三种挤压方式的变形力数值及其变形规律;
3．了解摩擦及凸、凹模形状对挤压变形的影响;
4．了解挤压变形对合金组织性能的影响,并与铸态情形进行比较。
二、 实验内容说明
1．挤压的基本方法
挤压是将金属置于一封闭的挤压模内,用强大的挤压力将金属从模孔中挤出成形的方法。挤压过程中金属坯料的截面依照模孔的形状减少,坯料长度增加。挤压能够获得各种复杂截面的型材或零件。
根据金属流动方向与挤压凸模运动方向的关系,挤压可分为四种方式:
(1)正挤压---金属流动方向与凸模运动方向相同。
(2)反挤压---金属流动方向与凸模运动方向相反。
(3)复合挤压---坯料一部分金属流动方向与凸模运动方向相同,另一部分 则相反。
(4)径向挤压---金属流动方向与凸模运动方向成90℃。
挤压成形的工艺特点:
(1)挤压时金属坯料处于三向压应力状态下变形,因此可提高金属坯料的塑性,有利于扩大金属材料的塑性加工范围。
(2)可挤压出各种形状复杂、深孔、薄壁和异型截面的零件,且零件尺寸精度高,表面质量好,特别是冷挤压成形。
(3)挤压成形后零件内部的纤维组织基本沿零件外形分布且连续,有利于提高零件的力学性能。
(4)挤压成形的生产率高,一般可比其它锻造方法提高几倍。
(5)挤压成形最好在专用的挤压机(液压式,曲轴式,肘杆式)上进行,也可在适当改进后的通用曲柄压力机和摩擦压力机上进行。
2．坐标网格法
网格法是最常见的研究金属流动的实验方法,它可较细致地反映同出金属在各部位和各阶段的流动情况。此法的实验操作程序是:
(1)将圆柱形锭坯沿子午面纵向剖分成两半。取其一半,在剖面上均匀刻画出正方网格。网格大小取决于金属品种、试件尺寸和测试手段。条件允许时可采用0.25mm线距,一般可采用1-3mm。
(2)在刻痕沟槽中充填以耐热物质,如石墨、高岭土、氧化锌或粉笔灰等,或嵌入金属丝。然后将水玻璃涂在剖面上以防止挤压时粘结,最后用螺栓固定住试样。
(3)按要求进行不完全挤压。
(4)取出试样,打开,观测网格的变化。
三、 实验方法和步骤
1．试样:
Ф35×25剖分铝试样
2．实验设备、工具和辅助材料
设备:600KN油压机或万能材料试验机,挤压模具;
工具:画针、直尺、150mm游标卡尺;
辅助材料:润滑剂
3．实验步骤
取Ф35×25剖分铝试样一个,在剖面上画出2×2mm的坐标网络,然后合起来放入图1所示模具中,用Ф30的冲头进行挤压,此为复合挤压。控制实验机的压缩行程及压力,当达到稳定流动后(约压缩12～15mm),即取出试样,描绘剖面上其网格变化。

图1 挤压模具及实验示意图
取同样剖分铝试样一个,画好网格,放入模具中,用Ф36冲头挤压,此为正挤压。完全按第一步骤进行同样的操作。
取同样剖分铝试样一个,画好网格,放入模具中,用Ф30冲头挤压,并将凹模换成实心垫块,进行挤压,此为反挤压,依然按第一步骤进行同样的操作。
四、 实验报告内容
1．描绘变形后坐标网格图;
2．绘制压力-行程曲线;
3．分析三种不同挤压方式的变形特点有什么不同,以下几种因素:摩擦、凹模入口角、变形程度、毛坯尺寸、变形速度对挤压变形有何影响;
4．分析比较三种不同方式的挤压变形力的数值有什么特点,数值上的差异受哪些因素的影响;
5．应用主应力法或滑移线对上述挤压应力进行理论计算,并与实验结果进行比较。

实验五 圆环镦粗法测定摩擦系数

一、 实验目的
1．根据圆环镦粗后的变形,了解摩擦对金属流动的影响。
2．经过实验掌握实际测定摩擦系数的方法。
3．分析镦粗对材料组织的影响,并与铸态情形进行比较。
二、 实验内容说明
1．塑性加工过程中摩擦的特点
凡是物体之间有相对运动或有相对运动的趋势就有摩擦存在。前一种是动摩擦,后一种是静摩擦。在机械传动过程中,主要是动摩擦。在塑性加工过程中的摩擦,虽然也是由两物体间相对运动产生的,但与一般机械传动中的摩擦有很大差别。
(1)接触面上压强高
在塑性加工过程中,接触面上的压强一般在100MPa以上。在冷挤压和冷轧过程中可高达2500-3000MPa。而一般机械传动过程中,摩擦副接触面上的压强仅20-40MPa。由于塑性加工过程中接触面上的压强高,隔开两物体的润滑剂容易被挤出,降低了润滑效果。
(2) 真实接触面积大
在一般机械传动中,由于接触表面凹凸不平,因而,实际接触面积比名义接触面积小得多。而在塑性加工过程中,由于发生塑性变形,接触面上凸起部分会被压平,因而实际接触面积接近名义接触面积。这使得摩擦阻力增大。
(3)不断有新的摩擦面产生
在塑性加工过程中,原来非接触表面在变形过程中会成为新的接触表面。例如,镦粗时,由于不断形成新的接触表面,工具与材料的接触表面随着变形程度的增加而增加。另外,原来的接触表面,随着变形程度的进行可能成为非接触表面。例如,板材轧制时,轧辊与板材的接触表面不断变为非接触表面向前滑出。因此,要不断给新的接触表面添加润滑剂。这给润滑带来困难。
(4)常在高温下发生摩擦
在塑性加工过程中,为了减少变形抗力,提高材料的塑性,常进行热加工。例如,钢材的锻造加热温度可达到800-1200℃。在这种情况下,会产生氧化皮,模具软化,润滑剂分解,润滑剂性能变坏等一系列问题。
2．摩擦对塑性加工过程的影响
摩擦对塑性加工过程的影响,既有有利的一面,也有不利的一面。轧制时,若无摩擦力,材料不能连续进入轧辊,轧制过程就不能进行。在摩擦力起积极作用的挤压过程中,浮动凹模与坯料之间的摩擦力有助于坯料运动,使变形过程容易进行。又如板料拉深时,有意降低凸模圆角半径处的光洁度,以增加该处的摩擦力,使拉深件不易在凸模圆角处流动,以免引起破裂。可是,对多数塑性加工过程,摩擦是有害的,主要表现在以下方面:
(1)增加能量消耗
在塑性加工过程中,除了使材料发生形状改变消耗能量外,克服摩擦力也要消耗能量。这部分能量消耗是无用的,有时这部分能量消耗可占整个外力所做功的50%以上。
(2)改变应力状态,增加变形抗力
单向压缩时,如工具与工件接触面上不存在摩擦,工件内应力状态为单向压应力状态。当接触面上存在摩擦时,工件内应力状态成为三向压应力状态。同时摩擦也引起接触面上应力分布状况的改变。无摩擦均匀压缩时,接触面上的正应力均匀分布;存在摩擦时,接触面上的正应力呈中间高两边低的状况。摩擦会使变形抗力提高,从而增加能量消耗和影响零件的质量。摩擦使金属流动阻力增加,坯料不易充满型腔。对于轧制过程,由于摩擦使变形抗力提高,轧辊的弹性变形加大,同时使轧辊之间的缝隙中间大、两边小,其结果是轧件中间厚两边薄。
(3)引起变形不均匀
在挤压实心件时,由于外层金属的流动受到摩擦阻力的影响,出现了流动速度中间快边层慢的现象,严重时会在挤压件尾部形成缩孔。有时,摩擦引起的变形不均匀会产生附加应力,使制件在变形过程中发生破裂。
(4)加剧了模具的磨损,降低模具的寿命
摩擦产生的热使模具软化,摩擦使变形抗力提高,从而导致模具的磨损加剧。
3．影响摩擦系数的主要因素
(1)金属的种类和化学成分
不同种类的金属,其表面硬度、强度、氧化膜的性质以及与工具之间的相互结合力等特性各不相同,因此摩擦系数也不相同。即使同一种金属,当化学成分不同时,摩擦系数也不相同。一般来说,材料的强度、硬度愈高,摩擦系数愈小。
(2)工具表面粗糙度
一般情况下,工具表面越粗糙,变形金属的接触表面被刮削的现象愈大,摩擦系数也愈大。
(3)接触面上的单位压力
单位压力较小时,表面分子吸附作用小,摩擦系数保持不变,和正压力无关。当单位压力达到一定值后,接触表面的氧化膜破坏,润滑剂被挤掉,坯料和工具接触面间分子吸附作用愈益明显,摩擦系数便随单位压力的增大而增大。但增大到一定程度,便稳定了。
(4)变形温度
一般认为在室温下变形时,金属坯料的强度、硬度较大,氧化膜薄,摩擦系数最小。随着温度升高,金属坯料的强度硬度降低,氧化膜增厚,表面吸附力、原子扩散能力加强;同时高温使润滑剂性能变坏,因此,摩擦系数增大。到某一温度,摩擦系数达到最大值。此后,温度继续升高,由于氧化皮软化和脱落,氧化皮在接触面间起润滑剂的作用,摩擦系数却下降了。
(5)变形速度
由于变形速度增大,使接触面相对运动速度增大,摩擦系数便降低。
4．圆环镦粗法原理

图1 测定摩擦因子用的标定曲线
这种方法适于测定体积成形过程中的摩擦系数或摩擦因子。采用这种方法时,将几何尺寸(指外径、内径、高度的比值)一定的圆环放在平板之间进行压缩。压缩后圆环内、外径的变化情况与平板接触面上的摩擦情况关系很大。理论分析结果与实验结果表明,圆环的内径变化对接触面上摩擦情况的变化比较敏感。如果接触面上不存在摩擦,则圆环压缩时的变形情况和实心圆柱体一样,其中各质点在径向均向外流动,流动速度与质点到对称轴之间的距离成正比,当接触面上的润滑情况很差时,压缩后圆环的内径将减小;如果接触面上的润滑情况较好,则压缩后圆环的内径将增大。因此,采用圆环镦粗法时,是以压缩后圆环的内径变化来确定摩擦系数或摩擦因子的。假设圆环的几何尺寸为外径:内径:高度=6:3:2,高度压缩30%后内径变化率为-10%。根据上述数据,在相应标定曲线上(如图1所示)就可得一点。从图1能够看出,该点与m=0.10的曲线最为接近,因而能够认为对所考虑的情况,m=0.10 。
三、 实验方法和步骤
1．试样
试样为工业纯铝,制成环状,其外圆、内径、高度比值为6:3:2,具体尺寸如图2所示。

图2 圆环试样
2．实验设备、工具及辅助材料
设备:600KN和1000KN万能材料试验机;
工具:150mm游标卡尺、垫板;
辅助材料:MoS2油膏
3．实验步骤
取圆环铝试样两个,分别在不同摩擦条件下(一个用油膏,一个不用油膏),在两平板间进行压缩,圆环要放在平板中心,保证变形均匀。
每次压缩量为15%左右,然后取出擦净测量变形后的圆环尺寸(外径、内径、高度)。注意测量时测量圆环内径的上、中、下三个直径尺寸,取其平均值。
重复进行上述步骤三次,控制总压缩量在50%。
根据所获得的内径、高度数据,查预习要求中指定教材的图9-10,得出摩擦系数值。

四、 实验报告内容
1．列表填写实验数据(分加润滑剂和未加润滑剂);
2．计算、并查对校正曲线,得出实验结果
3．分析不同摩擦条件对圆环变形分布的影响
4．对测定摩擦系数的误差因素进行分析
5．经过金相分析,绘制出镦粗前后材料的组织特征,并说明有何不同。
6．讨论本实验方法有什么优缺点

实验六 圆柱体镦粗时接触面上的正应力分布

一、 实验目的
1．了解圆柱体镦粗时,接触面上正应力分布情况,以及应力曲线形状和应力值与摩擦系数及镦粗后的尺寸D/h值有关。
2．应用电测法直接测出接触面上的应力值与应力分布规律,并与理论计算公式的计算值进行比较。
二、 实验内容说明
金属塑性加工理论的基本任务之一是对各种塑性成形工序进行力学分析和确定工序变形力,以作为合理选用成形设备、正确设计模具和制订工艺规程的主要理论依据。除了实验方法外,工程上一般还采用一些近似的方法来求解变形力,如主应力法等。
1．主应力法的基本原理
经过对应力状态作一些近似假设,建立以主应力表示的简化平衡方程和塑性条件,使求解过程大大简化。其基本假设为:
(1)把问题简化为平面问题或轴对称问题,对于形状复杂的变形体,能够把它划分为若干部分,每一部分分别按平面问题或轴对称问题处理。
(2)根据变形时金属流动的方向,沿变形体整个(或部分)截面切取一个包含接触面在内的基元体,且设作用于该基元体上的正应力与一个坐标无关并为均匀分布的主应力,接触面上的摩擦力用库仑摩擦条件或常摩擦条件表示。根据基元体的静力学平衡条件,得到一个简化的应力平衡微分方程。
(3)应用塑性条件时,假设接触面上的正应力为主应力,即忽略摩擦力对塑性条件的影响,从而使塑性条件大大简化。
将经过简化的平衡微分方程和塑性条件联立求解,并利用边界条件确定积分常数求得接触面上的应力分布,进而求得变形力。
2．圆柱体镦粗变形力计算
在均匀变形假设条件下,圆柱体在压缩过程中不会出现鼓形,因此,圆柱体镦粗属于轴对称问题,宜采用圆柱坐标。如图1所示,设为圆柱体的高度,为半径,为径向正应力,为子午面上的正应力,为接触表面上的摩擦切应力。从变形体中切取一高度为、厚度为、中心角为的单元体。
沿径向列出单元体的静力平衡方程

忽略高次微量,而且有,整理后可得
(1)
为了求解式(1),需要确定与之间的关系。在均匀变形条件下,圆柱体压缩时产生的径向应变为

周向应变为

即,由应力应变关系式可得,代入式(1),可得
(2)
仍假设接触表面上的摩擦切应力服从库仑摩擦定律,则有
(3)
式中,为工具作用在圆柱体上的单位压力。
在式(3)中包含有方向上的应力和工具作用在圆柱体方向上的单位压力,与变形力有关的是。为了消除,需要引入屈服准则式(4):
(4)
由于,式(2.4)中。为压缩应力,同样有,代入式(4),可得
(5)
因实际上不是主应力,式(5)为近似屈服准则。对式(5)微分后得
(6)
将上式(6)代入式(3),可得
(7)
将式(7)积分后,可得
(8)
应力边界条件为:当时,,由屈服准则式(5)可知

将上式代入式(8),可得

将上式再代入式(8),可得
(9)
变形力为
(10)
平均压力为
(11)
三、 实验方法和步骤
1．试样
Ф60×20铝试样
2．实验设备与工具

图2 专用测力板
设备:600KN油压机或万能材料试验机;专用测力板(内装各点测力传感器)一套,图2所示YJ-5型静态电阻应变仪;P20R-5型预调平衡箱一台。
工具:150mm游标卡尺;光滑垫板。
3．实验步骤
测量试样的原始尺寸,并把试样对准中心放在专用测力板上,如图2所示;
预热并调整应变仪;
将应变仪与平衡箱连接,使专用测力板中各应变片接到预调平衡箱上A、B、C、D四个接线柱上(注意接桥方式);
根据应变片包盒上给出的K值,把应变仪灵敏系数盘调节到相同位置,并预调1、2、3、……7各点的平衡;
对试样进行压缩,控制变形量为30%,50%,70%,并记录每种变形程度下1、2、3、4、5……等点的应变读数和试验机上显示的镦粗总压力P值,注意:当加载时,应变仪上指针偏转,根据估计应变量大小,调节读数桥各挡,使指针回零,各调节器所指读数的代数和即为应变读数。
最后测量变形后试样的尺寸及变形测量点的位置。
四、 实验报告内容
1．列表填写实验数据(包括各种变形程度下,每点的应变值ε和总压力值P);
2．将所测量的应变值计算成应力值,并把各点应力连成光滑曲线。( 铝的弹性模量E=1.6×104MPa)
3．根据镦粗后试件尺寸按理论公式进行计算并与实验结果进行比较。

实验七 冷却速度对钢组织与性能的影响

一、 实验目的
1． 了解T8钢、45钢各自在相同奥氏体化温度下,以不同的冷却速度(水冷、油冷、炉冷、空冷)进行冷却时对其组织与性能的影响。
2． 识别钢中珠光体、索氏体、屈氏体、贝氏体的组织形态特征。
二、 实验原理
将钢加热奥氏体化后,以不同的冷却速度进行冷却,将会发生不同的转变,得到不同的组织,因而具有不同的性能。工业生产上采用水淬、油淬、正火等工艺操作实质上是经过水冷、油冷、空冷等冷却方式来获得不同的冷却速度,从而获得所需的组织与性能。
三、 实验装置
1． 中温电炉、水桶和油桶
2． 硬度计
3． 金相显微镜
四、 实验方法
1．观看电影录像,了解使用膨胀仪制作CCT曲线的过程;
2．每组四人,每人领取样品一只(45钢或T8钢),将试样用铅丝扎好。将试样同时放入已升温到900℃的电炉中,保温10分钟后,取出进行水冷、油冷、空冷及炉冷(实验室已制备好)。淬火时注意制钳夹住铅丝,不要夹住样品,以免降低冷却速度;
3．将试样用砂纸磨光,测定硬度并记录下来;
4．制备金相试样,观察其金相组织,再对照观察实验室所做的金相试样,绘出一种钢号的五种金相组织(水冷、油冷、空冷、炉冷、原始组织)。为了便于观察组织,本实验中采用高于正常的淬火加热温度。
五、 实验报告要求
1． 实验目的;
2． 实验方法与注意事项;
3． 实验结果(T8钢、45钢经不同冷却速度后的硬度值与金相组织示意图);
4． 讨论:根据T8钢与45钢的连续冷却转变曲线(CCT曲线)与水冷、油冷、正火、退火相应的大致冷却曲线的相应位置对组织与性能的影响。
T8钢CCT曲线

45钢CCT曲线

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

一、 实验目的:
马氏体、贝氏体及回火组织是钢中常见的非平衡组织,不同的钢化学成分、奥氏体化温度及冷却条件,其马氏体、贝氏体及回火组织有不同的组织形貌及不同的性能。
1、 观察钢中马氏体和贝氏体的金相形貌,提高对组织的识别能力。
2、 观察不同回火温度后金相组织。
3、 进一步分析各类组织的形成条件及其对性能的影响。
二、 实验原理:
1、 贝氏体的组织形态:
在碳钢和一般合金钢中,贝氏体分上贝氏体、下贝氏体和粒状贝氏体三种。
(1)、上贝氏体:在一般中、高碳钢中,上贝氏体在350~550℃之间形成。
上贝氏体形态:在光学显微镜下可看到成束的长短不一的铁素体,从晶界向晶内,形态如羽毛状。在电子显微镜下可看到在铁素体之间有断续分布的渗碳体。在透射电镜中可进一步看到铁素体条内部有位错存在,位错密度随贝氏体的相变温度降低而增大。上贝氏体铁素体的宽度比相同温度下形成的珠光体铁素体为大。上贝氏体形成时会在试样的抛光表面形成浮凸现象。
(2)、下贝氏体:典型的下贝氏体是片状铁素体和其内部沉淀析出碳化物的组织,在一般中、高碳钢中,其形成温度为350℃~Ms。
下贝氏体的形态:在光学显微镜下,下贝氏体为多向分布的成凸透镜状的黑色片状组织,在电镜下可看到在铁素体片内部有呈粒状、短条状的细小碳化物,沿与铁素体片长轴呈55~65度夹角的方向排列,其铁素体片内具有比上贝氏体内更高的位错密度。下贝氏体与回火马氏体不同。两者碳化物的分布方向有所不同:下贝氏体中的碳化物在一个铁素体片内沿同一方向排列,而回火马氏体中的碳化物可有不同的排列方向。一般下贝氏体比回火马氏体更易浸蚀,在同一磨面上,下贝氏体显得更黑一些。上、下贝氏体间的区别是:上贝氏体的铁素体呈条状,碳化物断续分布于铁素体条间,而下贝氏体则呈铁片状,其碳化物小片则分布于铁素体体片内,碳化物的尺寸也更细小;上贝氏体的铁素体条一般是平行的,而下贝氏体铁素体片间常互成夹角,下贝氏体形成时在试样抛光表面亦有形成浮凸的现象。
(3)、粒状贝氏体:低、中碳合金钢在连续冷却时往往会出现粒状贝氏体,其形态为:条状或块状的铁素体内分布着许多孤立的”小岛”,其形态曲折多样,经电镜分析,这些”小岛”内含有富碳奥氏体,也有的已部分分解出铁素体和渗碳体或转变为马氏体和残余奥氏体。
2、 马氏体的组织形态:
碳钢中的马氏体基本形态为条状马氏体和片状马氏体。低碳钢淬火后得到的是一束束平行排列的条状马氏体,马氏体条的横截面的平均直径小于1微米(一般约为0.1~0.2微米),其长度有几微米,这一条条马氏体平行排列起来称为马氏体束(或称”领域”),每束内的马氏体条以小角度界面分开。束与束(”领域”)之间具有较大的位向差。一个奥氏体晶粒内一般可形成4~6个的马氏体束。经透射电镜观察,条状马氏体内的亚结构为高密度的位错,位错密度达1010cm/cm