试验一液态金属铸造性能测试Word格式.docx
《试验一液态金属铸造性能测试Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《试验一液态金属铸造性能测试Word格式.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
每组
人数
类型
1
液态金属铸造性能测试
测量合金在不同温度下的流动性
必做
2
12
验证性
圆环镦粗法测定摩擦系数
根据圆环镦粗后的变形，了解摩擦对金属流动的影响
3
焊缝机械性能与金相观察
观察低碳钢焊接接头金相组织变化情况
4
冷却速度对钢组织与性能的影响
观察不同的冷却速度对其组织的影响
5
粉体制备及其粒度表征
制备无机纳米粉体并测定纳米级粉体粒度
6
陶瓷坯体成形与烧结
选择一种陶瓷材料，进行陶瓷成型与烧结实验
四、教材、实验教材（指导书）：
1.材料工程基础，周美玲，谢建新，朱宝泉主编，北京工业大学出版社，北京（2001）
2.自编讲义（见附件）
五、考核方式与评分办法：
以实验报告的内容为评分依据。
六、大纲审核人：
附件
实验一：
一、实验目的
1）了解流动性的概念；
2）熟悉液态合金的测温方法，测量合金在不同温度下的流动性；
3）分析影响流动性好坏的因素及流动性对铸件质量的影响。
二、实验原理
采用如图1所示的螺旋型试样，根据浇铸温度不同流动性不一样的原理，在不同温度下浇铸螺旋型试样，测量螺旋型试样的长度，确定流动性并进行分析比较。
ZLL-1500III型螺旋线合金流动性试样如图1所示，采用砂型手工造型。
图1.ZLL-1500III型螺旋线合金流动性试样
三、实验步骤及方法
1）手工造型制造流动性试样铸型。
2）在电阻坩锅炉中熔化ZL101合金。
3）分别在750℃、700℃、650℃浇铸流动性试样。
4）清理后，测量螺旋线试样长度，确定流动性。
四、实验报告
1）绘制浇铸温度及流动性曲线；
浇铸温度T（℃）
750
700
650
螺旋试样长度L（mm）
2）简述影响流动性的因素，重点分析浇铸温度对合金流动性的影响原因；
3）分析讨论流动性对铸件质量的影响、提高合金流动性的方法措施。
实验二：
圆环镦粗法摩擦系数的测定
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）通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。
此外，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。
但是，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，所以摩擦系数也不相同。
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
通常情况下，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，所以，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
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可以看出，该点与m=0.10的曲线最为接近，因而可以认为对所考虑的情况，m=0.10。
图1.测定摩擦因子用的标定曲线
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
图2.圆环铝试样示意图
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，查图表得出摩擦系数值。
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。
实验三：
—、实验目的
1）观察低碳钢焊接接头金相组织变化情况；
2）掌握常用硬度计的使用与测量方法，分析焊接接头组织变化对机械性能的影响；
3）初步分析影响焊接接头金相组织的因素和改进措施。
熔化焊是工业生产中应用最广的焊接方法，其中又以手工电弧焊最为普遍，气焊多用于少量焊接3mm以下薄板制件。
熔化焊是将焊件接头处金属加热到熔化状态，靠熔化金属冷却结晶成一体而完成焊接的方法。
由于是局部加热，接头上各点温度分布不均匀，焊缝金属加热到熔点以上，紧邻焊缝的母材加热到接近熔化的高温，有部分熔化，再向外受热温度逐渐降低，愈远离焊缝，温度愈低。
一般将焊缝两侧受焊接热影响发生组织与性能变化的区域，称为热影响区，焊缝和热影响区之间的极小过渡区，称为熔合区。
因此，焊接接头由焊缝区、熔合区和热影响区三部分构成,如图1焊件的质量主要取决于接头的质量，特别是热影响区的大小。
所以，了解焊接接头的金相组织变化情况及其对金属机械性能的影响，对尽量减小热影响区、制定合理工艺方案，提高接头质量极其重要。
图1.焊接接头示意图
三、实验仪器和材料
1）金相显微镜
2）金相抛光机
3）金相砂纸、浸蚀液
4）小负荷维氏硬度计
5）低碳钢焊接接头试样
四、实验内容及步骤
（一）试件制备
1.对试件表面依次进行粗磨→细磨→抛光研磨；
粗磨，细磨主要采用金相砂纸，从粗砂到细砂依次进行研磨，每次磨痕与前一次垂直，注意用力要均匀且不宜过大。
2.研磨过的试样在镜检前先要进行腐蚀，方法如下：
首先把抛光后的试件在流动的清水中冲洗，然后用纯酒精脱脂棉擦干，吹风机吹干，再立即在4～5%的硝酸酒精溶液中进行腐蚀，腐蚀时间约为30秒～1分钟不等（视具体情况而定）；
然后用脱脂棉擦拭干净，再用清水冲洗-无水酒精冲洗-吹风机吹干，至此试样的制备过程结束。
（二）显微镜观察
在显微镜下观察焊接接头试样的组织
（三）硬度试验
通过对母材、焊缝与过热区硬度值的对比，了解焊接接头不同区域的力学性能。
五、实验报告
1）绘出低碳钢焊接接头横截面的金相组织变化示意图,并指出各区域组织名称；
2）分析各区组织变化情况和原因；
3）母材、焊缝和熔合线的硬度值及解释各区的性能变化原因；
4）分析和提出保证熔化焊焊接接头质量的措施。
实验四：
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。
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通过水冷、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．每人领取样品一个（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。
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；
2．将试样用砂纸磨光，测定硬度并记录下来；
3．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。
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．
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讨论冷却速度对组织与性能的影响。
实验五粉体制备及其粒度表征
1．固相法制备无机纳米粉体工艺的制定及操作；
2．了解测定纳米级粉体粒度的原理及操作。
二、概述
无机粉体的湿化学制备由于其反应在分子级水平、反应条件相对温合、工艺参数易控，且所制备产物的粒级可调，由于上述的特点，湿化学法是制备窄级别颗粒乃至纳米颗粒粉体最有效、最便利、最精确的方法之一。
目前可用于制备纳米无机粉体的化学方法主要有：
沉淀法、溶胶－凝胶法、喷雾法、水热法（高温水解法）、溶剂挥发法等。
本次实验主要针对溶胶－凝胶法、水热法（高温水解法）工艺，来探讨不同的工艺方法对所合成无机纳米粉体的粒度特性的影响。
（一）溶胶－凝胶法
由金属有机化合物、金属无机化合物或上述两者混合物经过水解缩聚过程，逐渐凝胶化及进行相应的后处理，获得氧化物或其它化合物粉体的湿化学反应制备新工艺，称为溶胶－凝胶法。
溶胶－凝胶法的主要特点是利用液体化学试剂（或将粉状试剂溶于溶剂中）或溶胶为原料，反应物在液相下均匀混合并进行反应，反应生成物是稳定的溶胶体系，经放置一定时间转变为凝胶，其中含有大量液相，需借助（真空）蒸发除去液体介质，在再经低温煅烧即可得到所需化合物纳米粉。
主要优点是：
工艺简单，反应过程易于控制，设备要求低；
方法易于放大，适合制备从毫克级到公斤级（实验室至工业生产级别）的产物；
产物纯度高，显微组织可调，能制备薄膜、纤维等结构；
制备参杂范围宽（包括参杂种类和参杂量），组份精确控制，混合均匀（分子水平混合）。
主要影响因素有：
溶剂、PH值、反应物浓度、温度等。
（二）高压水热法
是通过在高温、高压条件下数种组分在水（水溶液）或水蒸气等流体中处于非理想平衡状态下，进行有关化学反应的一种工艺方法。
水热法所制备的超细粉体最小可达数纳米水平。
水热合成由于其在高温高压条件下进行，增加了反应物反应活性，可以制备在常温条件下难于制备的无机物；
可使低溶点化合物、高蒸气压且不能在融体中持成的物质、高温分解相在水热低温条件下晶化生成；
有利于生长出缺陷少、取向好、完美的晶体，且合成产物结晶度高、易于控制产物晶体的粒度。
其主要的影响因素有：
溶剂相、反应pH值、反应温度、反应时间等。
（三）激光散射分析法
激光散射分析法是测量范围很广的方法。
根据激光照射到颗粒后，颗粒能使激光产生衍射或散射的现象来测试粒度分布的。
大颗粒引发的散射光的角度小，颗粒越小，散射光与轴之间的角度就越大。
这些不同角度的散射光通过富姓氏透镜后在焦平面上将形成一系列有不同半径的光环，由这些光环组成的明暗交替的光斑称为Airy斑。
Airy斑中包含着丰富的粒度信息，在焦平面上放置一系列的光电接收器，将由不同粒径颗粒散射的光信号转换成电信号，并传输到计算机中，通过米氏散理论对这些信号进行数学处理，就可以得到粒度分布了。
本次实验中所涉及的主要内容为：
溶胶凝胶、高压水热法制备工艺数，如化学反应的pH、溶液浓度、反应温度、反应时间等对产物粒度的影响；
激光散射粒度分析法。
三、实验步骤
1.采用化学法或者固相法制备无机纳米粒子；
2.通过激光粒度仪测试所制备无机粉体粒度特征。
四、实验设备及材料
1.化学试剂
硝酸铈、氨水、草酸、硝酸铝、六次甲基四胺、蒸馏水、无水乙醇等
2.实验设备
电子天平、数字式酸度仪、磁力加热搅拌仪、控温仪、恒温水裕箱、可控温烘箱、可控温箱式电阻炉、循环水式多用真空泵、比表面测定仪以及玻璃仪器若干。
五、实验报告要求
1.实验数据收集齐全，并对数据进行分析，对反常数据产生的原因进行说明；
2.结合实验过程中的各种现象以及表象背后的变化和反应机理。
实验六：
陶瓷坯体成形与烧结
一、实验目的与任务
1.掌握特种陶瓷的制备工艺与原理；
2.了解陶瓷烧结原理；
3.了解陶瓷制备常用设备工作原理与操作方法。
二、基本原理
陶瓷，一般是将原料粉末以适当方法成形，再进行烧结而制成的。
要获得高性能的陶瓷，必须制备出理想的粉末原料，然后，将其制成具有最大体积密度的均质素坯，并进行合理烧结。
以上是陶瓷制备的基本步骤，但哪一步控制不好都不能获得最佳结果。
粉末制备方法
作为陶瓷粉末，必须具备：
（1）粒子小，粒径分布范围窄；
（2）粒子呈球状；
（3）团聚粒子少，团聚强度低；
（4）化学纯度和化学组成均匀性可以控制。
目前，特种陶瓷粉体制备方法有：
（1）粉碎法；
（2）聚集法。
粉碎法是由粗粒子制成细粉的方法，包括球磨、振动粉碎、气流粉碎等。
其中的机械粉碎法被广泛使用，但要高效率制得1μm以下的微粒子却很困难，粉碎过程中还有可能混入杂质。
聚集法是由离子、原子经形核和核长大两个阶段而制成粒子的方法，很容易制得1μm以下的微粒子。
它适用于制造诸如电子材料和工程材料等特种陶瓷的原料粉末，能够制得化学纯度高、均匀性好的细粉，其应用范围不断在扩大。
但工艺复杂，适用性受到限制。
聚集法分为固相法、液相法和气相法。
造粒
造粒是粉体获得后，压制成型素坯前的一道重要工序。
陶瓷颗粒形状的好坏，直接影响着他的松装密度和流动性。
流动性和松装密度的变化，直接影响着干压坯体密度，并最终对陶瓷烧成密度及收缩率产生影响。
和其它陶瓷工艺一致，造粒是通过粉体与有机粘结剂、分散剂、消泡剂以及润滑剂等相混合，经过球磨混合后，通过造粒设备或过筛，制造球形或者类球形的假颗粒。
素坯成型工艺
由陶瓷颗粒进一步加工成素坯的工艺称为成形，是决定陶瓷制件形状和质量的重要环节。
根据陶瓷产品的外形、尺寸、性能要求及陶瓷原料的化学成分、物理性质乃至生产批量的大小、经济效益等，可以选择不同的成形方法。
特种陶瓷的成形方法与传统陶瓷相比更加丰富、广泛，而且具有不同的特点和原理。
由成形工艺和原理的不同，大致可以分为模压成形、等静压成形、注浆成形、热等静压成形、塑性成形、带式成形等方法。
陶瓷烧结技术
陶瓷的烧结，是指高温下，在陶瓷的粉末系统中，粒子相互接触或聚合，气孔被排除，使其成为致密、高强度的烧结体。
烧结过程在粒子表面自由能、外部施加的压力和晶粒晶界的自由能等驱动力的推动下，通过物质的传递，使气孔逐渐得到填充，使坯体由疏松变得致密。
陶瓷烧结过程中物质传递方式和机理，在固相烧结时，被认为主要是
（1）蒸发和凝聚；
（2）扩散；
在液相烧结过程中，由于液相的存在，其传质过程可能还有（3）粘滞流动和塑性流动；
（4）溶解和沉淀等两种方式。
在实际的烧结过程中可能有几种传质机理在起作用，但在一定条件下，以某种机理占主导地位。
烧结中的物质迁移导致素坯致密化和晶粒长大，理想的烧结工艺是使陶瓷微观结构晶粒细小而均匀，排除构成缺陷的气孔而接近于理论密度，没有残余应力。
因此，要制备高性能的特种陶瓷，必须选择正确的烧结方法和合理的烧结工艺。
对于特种陶瓷，根据方法和原理的不同，主要的烧结方法有：
（1）常压烧结；
（2）热压烧结；
（3）反应烧结；
（4）液相烧结等。
实验方法与步骤
粉末的制备
根据所要制备的特种陶瓷的成分，合成并制备出符合要求的陶瓷粉末。
其过程主要包括：
由陶瓷成分，选择合适的化工原料及成分配比，经球磨混合后在一定温度下煅烧，随后采用高能球磨方法制得陶瓷粉末。
陶瓷的造粒及成形
陶瓷造粒是将陶瓷粉体与塑性剂混合，然后通过造粒设备制出球形的颗粒；
陶瓷的成形采用干压成形方法，单向加压，素坯为园片状。
素坯应具有尽可能高的体密度和密度均匀性。
陶瓷的烧结
采用空气中常压烧结方法。
根据特种陶瓷的组元和成分，选择合适的烧结温度和烧结时间。
烧结时，陶瓷素坯样品随炉升温和降温（在设备允许情况下，可在到温后入炉烧结并空气冷却）。
为了考察并了解烧结温度和组元及成分对致密化过程的影响，可以在制备陶瓷时，选择不同的烧结温度和成分，通过测定陶瓷密度或孔隙率，获得温度和成分与陶瓷密度的关系。
三、实验内容
完成一种特种陶瓷的制备全过程，包括粉末制备、成形、烧结及密度或孔隙率的测量、数据记录、设备操作，并写出实验报告。
四、实验报告要求
1.实验数据收集齐全，并对数据进行分析；
2.结合实验过程中的各种现象分析烧结机理。
升级会员 