材料成型综合实验报告.docx
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材料成型综合实验报告
长安大学
材料学院材料成型及控制工程
综合实验报告
班级：
学号：
姓名：
指导老师
2011年9月
第一部分实验目的
目的是培养学生，理论联系实际的学风，独立动脑分析问题，独立动手解决问题，独立设计实验方案，独立完成实验全过程，独立总结实验过程的实际工作能力和初步的创新能力。
第二部分实验内容
实验分两周进行，分前后两篇，前篇为基础实验部分，后篇为综合实验部分。
基础实验部分分四章：
第一章金属力学性能实验指导教师：
解培民
第二章金相综合分析实验指导教师：
张俊
第三章金属热处理实验指导教师：
张翔
第四章铸造技术试验指导教师：
晁建兵
该部分要求掌握实验室现有设备的原理和使用方法。
综合实验部分：
按照所分配的材料进行分析处理，综合实验所选材料为35CrMo。
指导教师：
张翔
该部分要求根据提供的金属材料试样，并运用所学专业知识，制定合理工艺，利用实验室设备实施工艺，检测最终结果，分析实验数据，完成实验报告。
所有实验过程要求独立完成，必须独立设计实验过程，独立并亲自动手操作，独立完成实验全过程，独立总结综合设计实验的全过程，独立书写综合设计实验报告。
第三部分基础实验
第一章铸造综合设计实验
一、实验室设备原理及使用维护和注意事项：
1、中频感应炉的原理和注意事项
使用可控硅元件连接成三相全控桥电路，将三相工频交流电压整流为单相直流电压。
（电压从0~540V可调节）为逆变电路提供了电源。
炉体的感应线圈（铜丝绕制）与补偿电容组成振荡电路，从而将三相工频电压转换成单相中频电压（1000Hz）。
此电压通入感应线圈就可熔炼金属，也可中频淬火。
中频感应电炉在使用过程中一定要保证冷却水管畅通无阻。
在调节功率是不要超过额定值（电压<750V,电流<300A）。
2、真空热压炉的原理和注意事项
利用可控硅调压器以及大功率变压器提供给石墨发热器可调节电压（0~30V），石墨发热体安置在用耐热钢板制的炉体内，此路通过高压机械真空泵及扩散泵的工作将炉体内的空气抽出形成真空。
这样在一定的真空度下可烧结材料。
真空热压炉在使用过程中同样需要保持冷水管畅通。
二、铸造合金流动性的测定：
实验内容：
配制Al-Cu5%的合金，用螺旋形板制作砂型，将熔化好的材料浇入砂型，等凝固后，清理出螺旋形试样，测量螺旋形试样的长度，分析浇注温度、铸型性质对合金流动性的影响。
实验数据:
实验材料
浇注温度（℃）
铸型性质
螺旋线长度（mm）
Al-Cu5%合金
760
普通砂型
1350
Al-Cu5%合金
660
普通砂型
1000
Al-Cu5%合金
660
型腔内涂烟黑
1200
实验分析:
1、同种合金，铸型性质相同，分析浇注温度对合金流动性的影响。
由实验数据可知，同种合金，铸型性质相同，浇注温度越高，凝固后清理出的螺旋线长度就越长，说明合金流动性越好。
2、同种合金，浇注温度相同，分析铸型性质对合金流动性的影响。
由实验数据可知，同种合金，浇注温度相同，型腔内涂了黑烟的砂型比普通砂型凝固后清理出的螺旋线长度长，说明合金流动性较好。
三、高铬铸铁试样的制备：
实验原理：
高铬铸铁是一种耐磨合金白口铁，它具有很高的抗磨了磨损性能、适当的韧性以及较高的抗磨蚀性，并且经退火后能被切割加工。
成功应用于各种磨煤机、款式粉碎机、水泥磨机、抛丸机、泥浆泵等手磨碎严重的零件上，并获得显著的经济效应。
成分设计：
为了保证高硬度和强韧性，高铬铸铁成分设计为：
3.0%C15%Cr1%Cu1%Mo1%Mn0.5%Si<0.08%S、P
试样浇注：
浇注温度1450℃，试样完全冷却后清理出试样根据实验要求可测定铸态、淬火态、退火态的硬度及冲击韧性，耐磨性等机械性能。
第二章金相综合分析
实验室设备使用规程及注意事项
（一）金相显微镜的使用规程
1、首先将显微镜的光源插头插在变压器上，通过低压（6～8V）变压器接通电源。
2、根据放大倍数选用所需的物镜和目镜，分别安装在物镜座上及目镜筒内，并使转换器转至固定位置（有定位器定位）
3、将试样放在样品台中心，使观察面朝下并用弹簧片压住。
4、转动粗调手轮，先使载物台下降，同时用眼观察，使物镜尽可能接近试样表面但不得与试样相碰，然后相反转动粗调手轮，使载物台渐渐上升以调节焦距，当视场亮度增强时再改用微调手轮调节，直到物象调整到最清晰程度为止。
5、适当调节孔径光栏和视场光栏，以获得最佳质量的物象。
6、如果使用油浸系物镜，则可以在物镜的前透镜上滴一点松柏油，也可以将松柏油直接滴在试样上，油镜头用后应立即用棉花蘸取二甲苯溶液擦净，再用擦镜纸擦干。
（二）使用注意事项
1、操作时必须特别细心，不能有任何剧烈的动作，光学系统不允许自行拆卸。
2、显微镜镜头的玻璃部分和试样磨面严禁手指直接接触，若镜头中落有灰尘，可用镜头纸或软刷轻轻擦拭。
3、显微镜的灯泡（6～8V）插头，切勿直接插在200V的电源插座上，应当插在变压器上，否则灯泡会立即烧坏，观察结束后及时关闭电源。
4、在旋转粗调（或微调）手轮时动作要慢，碰到某种阻碍时应立即停止操作，报告指导教师查找原因，不得用力强行转动，否则会损坏机件。
实验步骤：
一、实验目的：
1、熟练掌握金相显微镜的原理、使用方法及注意事项。
2、了解并掌握常规金相试样的制备方法。
3、在金相显微镜下观察其组织和显微照相的原理及显微照相技术，为以后在生产和科研中能熟练应用金相显微技术解决实际问题。
4、了解火花鉴别法和断口分析等简单分析方法。
5、铁碳合金平衡显微组织和非平衡显微组织的观察分析。
二、实验内容：
按照金相显微镜使用规程进行操作，学习并熟练掌握金相显微镜的使用方法和注意事项。
三、金相显微试样制备
实验步骤：
1取样：
试样通常取直径Φ12~15mm，高12~15mm的圆柱体或边长12~15mm的方形试样。
2磨制：
1）粗磨：
为了获取一个平整的平面
2）细磨：
消除粗磨剩余的磨痕，每次磨完要消除上一次的磨痕。
3）抛光：
在滴注过Cr2O3细粉末制备的抛光液的呢绒上，通过抛光机高速磨削和滚压作用来消除磨痕。
结束后，试样表面呈现不出任何磨痕而成光亮的镜面。
3浸蚀：
钢铁材料常用的浸蚀剂为3~4%的硝酸酒精溶液，浸蚀至光亮暗淡后，即可。
4观察：
用酒精清洗表面，并干燥后制得的金相试样即可显微镜下进行观察和分析。
5电子摄像：
1）将磨制好的金相试样放在显微镜的载物台上，选好放大倍数，调整粗调和细调手轮，直接在与显微镜相连的电脑屏幕上调清楚焦距。
2）将屏幕上清晰的金相图片保存在电脑上相应位置。
四、钢铁的火花鉴别法及断口分析
1实验目的：
用火花试验和断口分析来鉴别钢铁材料的种类及其主要的化学成分。
2实验原理：
火花鉴别，指通过钢铁材料在砂轮研磨过程中所产生的火花特征，来判断其化学成分的方法。
用于现场识别材料之用，只能得到成分的定性估计。
1）火花产生的原理：
钢铁材料在砂轮上研磨时，由于砂轮转速很快，产生高热，使材料研磨出的颗粒达到熔融状态，这些高温熔融的颗粒被砂轮带动抛射入空中而产生的亮光。
金属颗粒被氧化，升到更高温度内部爆裂，形成火花。
钢铁中的碳元素是产生火花的基本元素，而当钢中含有锰、硅、钨、钼、铬等元素时，它们的氧化物影响火花的线条、颜色、形态，由此可以判断钢的化学成分
2）断口分析：
通过观察材料断口的形状和颜色判断金属内部结构和材质，是一种简易而实用的方法之一。
第三章金属力学性能实验
一、实验目的：
1）了解并学会使用各种力学性能的仪器设备。
2）学会各种力学性能的测试方法。
二、实验内容：
1）静拉伸试验机
2）各种硬度机的原理和操作
布氏硬度计、洛氏硬度计、维氏硬度计、显微硬度
3）冲击试验
4）疲劳试验机
5）磨损试验机
MM-200型磨损试验，磨料磨损试验ML10，动载磨料磨损MLD-10，环块磨损试验MHK-500，湿砂橡胶轮磨损试验MLS-23
三、硬度实验
（一）实验目的
1、掌握布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度、的试验方法及应用范围
2、验证材料的硬度和抗拉强度之间的经验关系式。
（二）布氏硬度试验
1、布氏硬度试验原理：
布氏硬度用符号HB表示，布氏硬度的测定原理是在直径为D（毫米）的淬火钢球上施加规定的负荷P（公斤力），压入试样表面，保持一定的时间后卸除负荷。
以压痕表面面积F上所承受的平均压力（Mpa/㎡）来表示布氏硬度数值，一般不标单位。
2、布氏硬度机的操作
1 、根据试样形状选择载物台、必须保证所施力与试样表面垂直。
2 、选择负荷和负荷保持时间。
3 、转动加载手轮、使工作台缓慢上升，使压头与试样接触，压紧、
4 、打开电源开关，电源指示灯燃亮，然后启动按钮开关，在加荷指示灯燃亮的同时迅速拧紧计时压紧螺母。
直至电动机自动停止运转为止，卸下试样。
（三）洛氏硬度试验
1、洛氏硬度以符号HR表示，有数种不同的落实硬度标度，我国常用的有三种，即：
HRA、HRB、HRC。
洛氏硬度试验也是压入硬度法的一种，是以压痕深度大小来表示材料的硬度值。
它的压痕较小，可测量较高和较低的硬度，可直接读数，操作方便，生产检验效率高，为热处理车间产品检验主要方法之一。
2、洛氏硬度试验操作方法
1 准备工作：
根据试样材料按试验规范选择压头和负荷；根据试样形状选择工作台，务必使试样能稳妥地放在其上，并使试样表面与压头保持垂直；试样表面要磨平，试样的支撑面也应五氧化皮等污染物。
2 将试样放在工作台商，旋转手轮，使工作台上升，试样缓慢与压头接触，直至小指针指到红点，大指针垂直向上在5格范围内，表面已加10公斤力的初负荷；旋转指针表盘，使大指针对准表盘0点。
3 将操纵手柄推向后方，将主负荷加载压头上，此时，大指针逆时针方向转动。
4 当大指针停转后，扳回手轮卸除主负荷，大指针回转一段距离。
此时，大指针所指的数字即为洛氏硬度值。
5 下降丝杆，取下试样，试验完毕。
3、洛氏硬度试验注意事项：
1 更换压头或载物台时注意将配合处搽拭干净。
放置后，应初步试验几次，直到连续两次所得硬度值相同后才能开始正式试验。
目的是为了使压头及载物台接触部分压紧，接触良好。
2 金刚石压头很脆，任何时间都要记住不要与试样、载物台等硬物相碰；当更换压头、载物台时，应先用手轮把载物台旋至较低位置，在用手指覆盖住金刚石尖端，然后在作更换动作。
3 压痕间距或压痕试样边缘距离：
HRC、HRA、应大于2.5毫米，而HRC应大于4毫米。
（四）维氏硬度法试验原理
1）维氏硬度以符号HV表示，与布氏硬度一样，维氏硬度也是根据压痕凹面积上所承受平均压力来确定的，即：
HV=
公斤/毫米2
式中：
P——负荷（公斤）
F——压痕凹陷面积（毫米2）
但维氏硬度所用的压头不是钢球，而是锥面夹角为136o的金刚石四方角锥。
2）维氏硬度试验注意事项
1）试样的准备；维氏硬度试验时一般压痕较小。
为了保证测量准确。
试样表面光洁度的要求比其他方法的高，加工精度在-5以上。
表面不应有锈蚀，机加工粗划痕及油污等。
试验面与支撑面应平行，保证试验面能与压头轴线垂直。
2）当硬度HV>500时，不允许选用超过50公斤的负荷。
为了使压痕测量准确性高些，压痕大一些好。
试验薄片或薄层时，为了防止压透，其负荷应根据压痕对角线长度至少应小于零件厚度的1.5倍选择之。
3）加荷时，保荷时间应不小于10秒。
4）压痕间距离应不小于压痕对角线的2.5倍。
5）测量压痕对角线时，应两对角线同时测量求平均值，然后在查表或计算的HV值。
由于维氏硬度试验压痕一般较小，代表性差，因而最好多测几点，取其硬度值的平均值。
（五）显微硬度试验
用布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等等试验法测定材料的硬度时，只能得到金属材料组织的平均值硬度。
这就是说，当金属材料是由几个相的机械混合物组成时，测得硬度值只是这个混合物的平均硬度。
当测量某个相、某个晶粒、夹杂物或其他组成物的硬度时，或者对于研究扩散层组织，偏析相、硬化层深度以及极薄层试样等等，这时就可应用显微硬度试验法。
第四章钢的热处理
一、概述：
热处理是一种很重要的金属加工工艺方法，也是充分发挥金属材料性能潜力的重要手段。
热处理的主要目的是改变钢的性能，其中包括使用性能及工艺性能。
钢的热处理工艺热点是将钢加热到一定的温度，经过一定时间的保温，然后以某种速度冷却下来，通过这样的工艺过程能使钢的性能发生改变。
热处理之所以能使钢的性能发生显著变化，主要是由于钢的内部组织结构可以发生一系列的变化。
采用不同的热处理工艺过程，将会使钢得到不同的组织结构，从而获得所需要的性能。
钢的热处理基本工艺方法可分为退火、正火、淬火和回火等。
二、正火：
正火是将钢加热到AC3或ACM以上30-50℃，保温后进行空冷。
由于冷却速度稍快，与退火组织相比，组织中的珠光体相对量较多，且片层较细密，所以性能有所改善。
对低碳钢来说，正火后提高硬度可改善切削加工性，提高零件表面光洁度；对高碳钢则正火可消除网状渗碳体，为下一步球化退火或淬火作准备。
三、淬火：
所谓淬火就是将钢加热到AC3或A1以上30-50℃，保温后放进各种不同的冷却介质中快速冷却，以获得马氏体组织。
碳钢经淬火后的组织由马氏体及一定数量的残余奥氏体所组成。
为了正确的进行钢的淬火，必须考虑三个重要的因素：
淬火加热温度、保温时间和冷却速度。
四、回火：
钢的淬火处理得到的马氏体组织质硬而脆，并且工件内部存在很大的内应力，如果直接进行磨削加工往往会出现龟裂，一些精密的零件在使用过程中将会引起尺寸变化而失去精度，甚至开裂。
因此淬火钢必须进行回火处理。
不同的回火工艺可以使钢获得所需的各种不同性能。
主要分为低温回火、中温回火、高温回火。
五、注意事项：
1.本实验加热所用都为电炉，由于炉内电阻丝距离炉膛较近，容易漏电，所以电炉一定要接地，在放、取试样时必须先切断电源。
2.往炉中放取试样必须使用夹钳，夹钳必须擦干，不得沾有油或水。
开关炉门要迅速，炉门打开时间不宜过长。
3.试样由炉中取出淬火时，动作要迅速，以免温度下降，影响淬火质量。
4.试样在淬火液中应不断搅拌，否则试样表面会由于冷却不均匀而出现软点。
5.淬火时水温应保持在20-30左右，水温过高要及时换水。
6.淬火或回火后的试样均要用砂纸打磨表面，去掉氧化皮再打硬度。
第四部分综合实验
一、实验目的：
1.学会应用基础实验部分的理论和方法分析并解决问题。
2.增强实际动手能力和系统分析问题的能力。
实验内容：
老师准备了五种材料，我们小组分配到的是35CrMo试样5份，由小组5人进行不同的热处理工艺，如表所示：
工艺编号
1
2
3
4
5
正火℃
860
860
860
860
860
淬火℃
无
860（油）
860（水）
860（油）
860（水）
回火℃
无
260
260
无
无
我选择的是第2种工艺。
二、实验步骤：
1.对35CrMo进行正火，温度860℃，保温10分钟后取出空冷。
2.正火后进行淬火，温度860℃，保温10分钟，淬火介质为油。
3.测试淬火后试样的硬度值。
（洛式硬度试验机）
4.对试样进行回火处理，温度260℃，保温60分钟，取出后空冷。
5.测试回火后的试样硬度值。
（洛式硬度试验机）
6.通过打磨、研磨、抛光、侵蚀，在金相显微镜下观察试样经过处理后的金相组织，观察后拍照。
如图所示。
三、实验结果及分析：
1.试样硬度表（HRC）
试样编号
次数
1
2
3
4
5
1
21.1
49.8
51.2
50.8
54.4
2
28.0
50.9
51.5
51.9
55.0
3
23.6
50.7
50.8
51.1
56.9
4
22.1
49.7
51.0
51.3
54.3
5
16.9
49.9
50.6
52.1
56.4
平均
22.3
50.2
51.0
51.4
55.4
2.淬火介质对硬度的影响：
通过实验数据发现，淬火介质为油的4号试样硬度比相同温度下淬火介质为水的5号试样低，通过对比两者相图可以看出4号试样中的马氏体含量比5号试样中的少：
860℃淬火油冷（x450）860℃淬火水冷（x450）
这个现象说明淬火介质对淬火钢的硬度的影响主要表现在不同介质的冷却特性不同，得到的淬火组织（马氏体或贝氏体）数量不同上。
油淬时冷却速度比水淬的低，导致马氏体转变的慢，马氏体的含量相对少，硬度相对低。
3.回火对金属组织和性能的影响：
通过实验数据发现，相同温度下油淬的试样，进行过回火处理的2号试样的硬度比没经过回火处理的4号试样的硬度低，通过对比两者相图可以看出，2号试样中的马氏体含量比4号试样中的少。
这个现象说明，回火处理会减少组织中的马氏体含量，而通过学习我们知道，回火会使组织中的马氏体分解，从而试样硬度有所下降。
4.热处理对组织和性能的影响：
通过实验数据可知，只经过正火的组织硬度明显比其他几种的低，1号试样的正火组织为网状铁素体和珠光体，珠光体组织较软，硬度较马氏体低。
一般
860℃淬火油冷（x450）860℃淬火油冷260℃回火（x450）
用来提高切削加工性或消除网状渗碳体为后续热处理做准备。
其他试样经淬火回火后硬度均比正火态高。
淬火后为混合马氏体和残余奥氏体，有良好的共格关系和各种强化机制，硬度最高，再经过回火后，马氏体开始分解，ε-碳化物转变为渗碳体共格关系破坏，渗碳体聚集长大，以及α相回复、再结晶和晶粒长大，使组织的固溶强化、弥散强化和晶界强化等作用减弱，硬度有所下降。
860℃正火（x450）
四、总结
1.淬火介质的冷却特性对热处理的组织和性能都有影响。
水冷可以获得
比油冷更高的硬度。
2.回火可以改变淬火后的组织和性能，会使合金降低硬度。
3.热处理可以有效改善合金的组织性能。
4.由于操作过程中存在些许问题，导致实验数据和图像和标准值有些偏差，这说明在制定热处理工艺和热处理操作过程中，除了选择合适的加热温度、冷
却介质外，还应该保证热处理的操作规范，这样才能得到可信的实验数据。
参考文献
1.长安大学材料学院材料成型及控制工程专业《综合实验》指导书，张翔主编
2.李林章柏斯森主编《金属热加工工艺》
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