材料成型实验 四个Word文件下载.docx

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二是产品制造，包括大型金属结构件和小型金属零部件的直接制造。

生物工程级，如打印器官、骨骼、牙齿、细胞、软组织等

3D打印不可能，至少不可能完全，取代传统制造业。

传统制造业经过数千年的积累和发展，已经非常完善和成熟，无论是工艺特点，还是成本因素、材料因素，3D打印技术都是无法比拟的。

3D打印技术的真正奥秘所在，不是什么都能做，而应该是传统制造业不能做或很难做的领域，利用3D打印技术可以轻松实现。

3D打印技术原理快速制造砂型的几种技术：

激光烧结SLS。

用覆膜砂，逐层铺粉，用激光对粉末加以固化。

中国的无模铸型制造技术PCM。

三维打印头喷射粘结剂，按照界面轮廓信息利用双喷头同时将粘结剂和催化剂喷射而出，通过两者的

交联，制造的砂型涂上涂料即可浇注。

美国的基于三维打印的直接壳型铸造DSPC。

选用陶瓷颗粒、硅酸盐水溶液打印壳型。

浇注前需进行焙烧。

Zcorp公司。

三维打印制造有色合金的砂型。

型壳厚度可达到12mm。

ExOne公司的3DP技术ProMetalRCT。

选用树脂砂作为成形材料。

打印速度可达到59400-108000cm3/h。

Generis公司的GS工艺。

将树脂通过多通道喷头均匀向砂床喷射，根据砂型轮廓喷射催化剂形成砂型。

了解设备的成型的原理

基于液态光敏树脂的光聚合原理工作。

液态材料在一定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。

液槽中盛满液态光固化树脂，激光束在偏转镜作用下，能在液态表面上扫描，扫描的轨迹及光线的有无均有计算机控制，光点打到的地方，液体就固化。

成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化。

当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂。

然后升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。

对比该技术与传统砂型/芯制备方法的特点。

快速成型技术是一项通过材料堆积法制造实际零件的高新技术。

它根据零件的三维模型和数据，无需借助其他工具和设备，就能迅速精确地制造出该零件，集中地体现了计算机辅助设计、数控、激光加工、新材料等科学和技术的综合应用。

传统的零件（包括模具）制造，需要车、钳、刨、铣、磨或铸造等多种加工手段，成本高又费时，一个复杂的零件或模具的制造往往需要数月的时间，.很难适应低成本和高效率的要求。

与传统工艺相比的优点:

快速性:

生产制品的周期较传统加工工艺短。

RP对设计的敏感性很低，制造时几乎不用考虑制品的外形问题，由此可节约大量时间。

适合成型复杂零件:

不论零件多复杂，都由计算机分解为二维数据进行成型制作，无简单复杂之分，因此他特别适合成型形状复杂，传统方法难以制造甚至无法制造的零件。

高度柔性:

零件在一台设备上即可快速成型出具有一定精度、满足一定功能的原理及零件（若要修改零件只要修改CAD模型即可）

高度集成化:

激光快速成型技术将CAD数据转换成STL格式后，即可开始快速制作（该过程是二维操作在CAD只完成的）。

激光快速成型设备在发动缸盖砂芯制备中的优势：

发动缸盖制备毛坯外部形状基本不影响起模，但内腔形状比较复杂，砂芯制造需要复杂的芯盒。

两种薄壁壳体零件的研发周期从制图、

加工砂型、上涂、合箱、浇注等完成约为30天。

与传统工艺方法相比，此方法省去了制作模具的过程，不但缩短了工艺流程，且提高了

零件的精度。

利用快速成型制造技术可以在40天内提供加工成的合格零件。

大大的减少了模具的制造时间。

缸盖是发动机的主要零件之一,要求冷却通道及油道具有良好的气密性,燃烧室和排气道的尺寸、位置精度将直接影响发动机的功率参数。

金属型铸造所获得的铸件组织致密、力学性能较高、铸件尺寸精确、表面光洁等,故采用金属型铸造方法。

而金属型的导热速度快和无退让性，会使铸件易产生浇不足、冷隔、裂纹及白口等缺陷。

此外，金属型反复经受灼热金属液的冲刷，会降低使用寿命，金属型的制造成本高、周期长、工艺要求严格，不适用于单件小批量铸件的生产。

认识电弧炉和中频感应电炉

试验报告：

简述该两种设备的工作原理，各自的特点和优势，以及主要应用领域。

电弧炉：

电弧炉利用电极电弧产生的高温熔炼矿石和金属的电炉。

气体放电形成电弧时能量很集中，弧区温度在3000℃以上。

对于熔炼金属，电弧炉比其他炼钢炉工艺灵活性大，能有效地除去硫、磷等杂质，炉温容易控制，设备占地面积小，适于优质合金钢的熔炼。

电弧炼钢炉的炉体由炉盖、炉门、出钢槽和炉身组成，炉底和炉壁用碱性耐火材料或酸性耐火材料砌筑。

电弧炉炼钢是通过石墨电极向电弧炼钢炉内输入电能，以电极端部和炉料之间发生的电弧为热源进行炼钢。

电弧炉以电能为热源，可调整炉内气氛，对熔炼含有易氧化元素较多的钢种极为有利。

基于电磁感应和电流热效应原理。

当交变电流通过感应圈时，在线圈周围产生交变磁场，炉内导电材料在交变磁场作用下产生感应电势.在炉料表面一定深度，形成电流（涡流）。

炉料靠涡流加热融化。

如果炉内熔化的是钢铁材料，处在强磁场中的钢液受到电磁力的作用产生强烈的运动。

磁场对钢液的这种作用称为电磁搅拌作用。

同一匹线圈产生的磁场对埚内两点的作用力下：

埚中部磁场强度最大，坩埚

中部受压力最大，上下两端依次减小.这种压力差使炉内钢液产生运动。

真空感应电炉是将感应坩埚和锭模放人真空室中，冶炼和浇注

同在真空状态下完成。

冶炼在真空下进行，由于碳氧反应产物为气体一氧化碳,使反应向生成一氧化碳方向移动，可使碳的脱氧能力达到和硅、铝相近的水平。

根据气体在钢液中的溶解服从平方根定律，可知真空下冶炼，有利于钢液去气。

对某些蒸气压较高的合金元素，如铅、砷、锡、锌等，当外界压力降低到小于蒸气压时,便可从合金中蒸馏出来，从而改差钢和台金的性能。

随着电弧炉设备的改进以及冶炼技术的提高，电力工业的发展，电弧炉炼钢的成本不断下降，现在电弧炉炼钢不但用于生产合金钢，而且大量用来生产普通碳素钢，其产量在主要工业国家钢总产量中的比重，不断上升。

中频感应炉：

频率在150～10000Hz范围内的感应炉称为中频感应炉。

中频感应炉是适用于冶炼优质钢与合金的特种冶炼设备，具有熔化速度快、生产效率高、适应性强、使用灵活、电磁搅拌效果好、启动操作方便、

钢液被炉渣覆盖（减少大气对钢液的污染）等优点。

中频感应炉的成套设备包括：

电源及电器控制部分、炉体部分、传动装置及水冷系统。

中频感应炉特别适用于10kg几十吨容量的大、中、小型炉，对钢、铸铁以及铜、铝等有色金属及其合金进行熔炼和液态金属的保温，对炉料的适应性较强，适合间歇式作业，炉子结构和使用情况类同工频无心感应炉。

中频感应炉是将工频交流电转变为中频的电源装置。

其实质是把三相工频交流电整流后变为直流，再把直流通过逆变装置变为可调节

的中频电，供给由电容和感应线圈组成的谐振回路。

由于在感应圈中产生很强的磁场，使在感应线圈里盛放的金属材料产生很大的涡流。

金属本身的电阻通过很大的电流时会产生很大的热量，这样就会使金属材质很快发热。

例如，把一根金属圆柱体放进通过中频电流的感应线圈里，圆柱体表面被加热甚至熔化，而且这种加热和熔化的速度只要调节电源频率大小和电流的强弱就能实现。

如果圆柱体放在线圈中心，那么圆柱体周边的温度是一样的，圆柱体加热和熔化也不会产生有害气体、表面氧化也很小。

中频炉系列熔炼炉特点：

熔化效率高节电效果好，结构紧凑、过载能力强 

。

炉子周围温度低、烟尘少、作业环境好。

操作工艺简单、熔炼运行可靠。

金属成分均匀。

熔化升温快、炉温容易控制、生产效率高。

炉子利用率高、更换品种方便。

中频炉系列透热炉特点：

加热速度快、生产效率高、氧化脱炭

少、节省材料与锻模成本。

工作环境优越、提高工人劳动环境和公司形象、无污染、低耗能。

加热均匀，芯表温差极小，温控精度高 

二者的应用领域：

中频炉炼钢相对电弧炉来说成本低，适合中小企业使用，但是中频炉炼钢对废钢的质量要求高，在熔炼时不好调质，所以炼出的钢材质地不纯，每个炉次所出的钢水质量差别较大。

电弧炉体积大，设备投资高，一般都是3吨以上，所以具备一定规模的企业才使用电弧炉。

电弧炉炼钢对废钢的质量要求不高，调质也非常方便，每个炉次都能很好的控制，钢材质量能得到保证。

柱状晶和和等轴晶的观察

目的与要求

能够区分和认识等轴晶以及熟悉其形成条件和机理。

试验报告要求

柱状晶与等轴晶形成的条件区别和主要影响因素。

柱状晶的形成：

对于纯金属，其凝固前沿基本上呈平面生长，故其择优生长并不明显，凝固前沿以平面生长的方式逆着热流方向向内伸展而成为柱状晶组织。

对于合金，当溶质元素在固-液界面前沿富集而逐渐增柱状晶区的亚组织能呈现出从平面生长、胞多时，状生长直到树枝状生长等各个阶段的结构形态。

由于面一液界面处单向的散热条件（垂直于界面方向）,处于凝固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的单向热流作用下，便转而以枝晶状单向延伸生长，由于各枝晶主千方向各不相同，那些主千取向与热流方向平行的枝晶，较之取向不利的相邻枝晶生长更为迅速，它们优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长，在逐渐淘汰取向不利的晶体过程中发展成柱状，这个相互竞争淘汰的晶体生长晶过程称为择优生长。

等轴晶的生长：

从本质上说。

内部等铀晶区的形成是由于熔体内部晶核自由生长的结果。

随着凝固层向內推移。

固相散热能力逐渐削弱。

内部温度梯度趋于平缓。

且液相中的溶质原子越来越富集。

从而使界面前当成分过冷大到足以发生非均质生核时，便导致内部等轴晶的形成。

在浇注的过程中及凝圖的初期激冷。

等轴晶自型壁脱离与游浇注温度低可以使柱状晶区变窄而扩大等轴晶区。

等轴晶体即便在浇注过程中没有來得及形成。

那么浇注完毕凝固的开始阶段，在型壁处形成的晶体，由于其密度或大子母液或小于母液也会产生对流。

依靠对流可将型壁处产生的晶体脱落且游离到铸件的內部。

影响因素：

一般结晶由形核和晶体长大两个过程组成，形核速率和生长速率的相对大小会决定晶粒的数量和大小；

而凝固前沿的过冷度是他们的决定因素。

激冷层中，过冷度大以及铜板表面的异质形核质点促使形核速率较大而生长速率相对较小，同时凝固前沿过冷度相对均匀，这是细小等轴晶形成的主要原因。

随着坯壳的凝固，凝固前沿的冷却速率下降，并且形成了定向凝固的趋势（即，厚度方向温度梯度最大），形核速率会受很大影响，而凝固前沿过冷度定向分布使枝晶主轴沿厚度方向定向生长，选分结晶和温度不均匀分布会使二次枝晶不同程度的生长。

而一般认为，柱状晶和中心等轴晶过度的地方柱状晶已停止生长，此时，液态钢水的过热度基本消失，虽然厚度方向上的定向传热不会改变，但凝固前沿的温度梯度分布也已比较均匀，加上前沿树枝晶的熔断为等轴晶生长提供晶核，是中心等轴晶形成的原因。

综上所述，两个晶区的形成是相互联系、彼此制约的。

稳定凝固壳层的产生决定着表画细晶粒区向柱状晶区的过源。

而阻止柱状晶区进一步发展的关键则是中心等轴晶区的形成。

凡能强化熔体独立生核。

促进晶粒游离及有助于游离晶的残存与堆积的各种因素都将抑制柱状晶区的形成和发展。

从而扩大等轴晶区的范围。

并细化等轴晶组织。

这些因素有以下几个方面：

金属性质方面、浇注条件方面、铸型性质和铸件结构方面。

凝固曲线分析

凝固曲线：

所以动态曲线测定原理实际上就是把具有温度-时间坐标的多根冷却曲线转变成具有距离-时间坐标的凝固动态曲线图。

无论多么复杂的合金，只要能在冷却线上找出合金在凝固过程中析出新相和析出终了的拐点，就能在凝固动态图上画出析出新相的始波和新相析出终了之终波。

将某液态金属在同一浇注温度下同时注入几个同样的铸型，经过不同时间间隔，分别使铸型中尚未凝固的残余液体流失，获得固态金属硬壳。

这种铸件凝固的研究方法谓之残余液体流失法或倾出法。

所得到的硬壳内表面叫倾出边界，所得到的硬壳厚度即为倾出边界向铸件中心推进之距离。

此距离应符合平方根定律。

在凝固动态图上不同时间内所得到的硬壳厚度的点并且再连接成线，就可以得到倾出边界动态曲线。

在凝固动态图上，倾出边界愈靠近凝固始波则说明愈易达成牢固的晶粒骨架，这种情况表示铸件凝固时，晶粒骨架中可能存在较多的、

被晶架分隔成许多个孤立小熔池的残余金属波，并且亦表示铸件在凝固时期可能较早地产生线收缩。

因此具有这种特点的合金就容易产生晶间缩松和热裂。

以凝固曲线分析凝固过程：

左边曲线同液相线相对应（如有过冷，则与一个略低的等温线相对应）。

它表示不同时间铸件断面中凝固开始的部位，故谓之“凝固始液”。

它实质上表示了铸件断面中液相线等温面从铸件表面向中心推进，在不同时间所处之部位，该曲线之斜率就表示液相线等温面向中心推进至速度。

右边曲线同固相线相对应，它表示不同时间铸件断面中凝固结束的部位，故谓之“凝固终夜”。

它实质上表示了铸件断面中固相线等温面在不同时间时所处之部位，它的斜率就表示了固相线等温面向铸件中心推进的速度。

在凝固动态图上可以看出具有结晶间隔的合金在每个时间，从铸件表面至中心参在固相区（铸件表面至凝固终液），凝固区（凝固终波至凝固始波之垂直距离）和液相区三个区域。

在图上可以看出铸件凝固过程即是凝固区域不断推向铸件中心液相区随之不断缩小以至于消失之过程。

凝固终波到达铸件中心就表示铸件凝固过程已经结束。