金属材料专业综合实验报告.docx

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金属材料专业综合实验报告

综合实验报告

课程名称：

金属材料专业综合实验

专业：

金属材料工程

班级：

金属材料

姓名：

学号：

指导教师：

冶金工程学院

2011-2012学年第1学期

实验一轧测力能参数综合测试

实验二金属材料力学性能综合测试

实验一轧制力能参数综合测试

一、实现轧件咬入轧制参数的设定

1.实验目的

（1）掌握轧件咬入的条件

（2）掌握最大咬入角的测定

（3）学会分析最大咬入角与各轧制参数的关系

2、相关理论知识背景

轧辊与轧件的接触弧所对应的角称为接触角或咬入角。

为使轧件能够咬入轧辊，作用于轧件的出轧辊方向摩擦力F的水平分量必须大于或等于作用于轧件的轧制力Pr的水平分量.

轧件能够被咬入的条件为:

由上式可见，只有摩擦系数大于咬入角的正切值时，轧件才能被咬入轧辊。

对于给定的辊缝值，摩擦力越大，能够咬入的轧件的高度也越大。

tan α的值与轧辊的半径R,轧件的轧前高度h0和轧件的轧后高度hf有关。

轧辊的中心线与轧件和轧辊的入口接触点的距离用g表示.用简单的几何学知识，可得下式:

tan α为对边与邻边的比值，可得:

3、实验内容

根据设置辊子直径、轧件轧前厚度、轧件轧后厚度、摩擦系数不同的轧制参数实现轧件的咬入。

4、实验步骤

（1）设置轧制参数：

辊子直径为350㎜，轧件轧前厚度为134㎜，摩擦系数为0.4，调整轧件轧后厚度，得轧件轧后厚度最小为84㎜。

如下图所示：

（2）设置轧制参数：

辊子直径为450㎜，轧件轧前厚度为174㎜，摩擦系数为0.4，调整轧件轧后厚度，得轧件轧后厚度最小为110㎜。

如下图所示：

（3）设置轧制参数：

辊子直径为550㎜，轧件轧前厚度为204㎜，摩擦系数为0.4，调整轧件轧后厚度，得轧件轧后厚度最小为126㎜。

如下图所示：

5、实验结果

在实现轧件的咬入的前提下选择不同的参数，通过调节压下量来达到最大咬入角。

由前面的公式得到压下量

。

所以，对于确定的轧辊直径和摩擦系数及轧件轧后厚度后，通过改变轧前厚度来达到最大咬入角。

故从上面的三种情况，得到的咬入角分别为

、

、

。

6、分析讨论

（1）在摩擦系数相同的情况下，当压下量一定时，增加轧辊直径，咬入角减小；当轧辊直径一定时，压下量减小，咬入角减小。

（2）增大摩擦系数可以改善咬入。

二、轧制压力模拟实验

1、实验目的

（1）掌握轧制压力的计算方法

（2）分析轧制压力的影响因素

2、相关理论知识背景

轧制过程中主要的参数如下:

1、R,轧辊半径

2、金属的变形抗力

3、轧辊和轧件间的摩擦力

4、轧件的张力

轧制压力由平均单位压力和接触面积求得，见下式：

Pr=p×b×L

式中：

Pr为轧制总压力,p为单位轧制压力,b为接触区的平均宽度Lp为接触弧的水平投影长度

接触弧的水平投影长度用下式计算：

式中：

R为轧辊半径,h0为轧件轧前高度,hf为轧件轧后高度

轧制过程中，考虑到塑性条件，单位轧制压力应等于材料的屈服应力。

假设轧制过程中轧件宽度不变，则单位轧制压力可用初始屈服应力（室温低速拉伸试验下测定的屈服极限）σ'0表示。

如果轧件宽度发生变化，则不能使用初始屈服应力表示单位轧制压力。

因此轧制总压力的计算公式为：

Pr=σ'0×b×√（R×Δh）

一般认为,轧制是平面变形压缩过程，此过程中摩擦力的分布是不均匀的。

因此，平均单位压力见下式：

式中：

将等式代入轧制总压力计算公式，可得:

系数'2/√3'的出现是因为如果轧制条件是平面变形条件，即无宽展轧制，则变形应力必须使用平面变形条件下的变形应力。

3、实验内容

通过选择不同的参数观察轧制压力的变化，总结出轧制压力的影响因素。

4、实验步骤

（1）当辊子直径为350㎜，轧件轧前厚度为108㎜，轧件轧后厚度为80㎜，变形区的宽度为800㎜，摩擦系数为0.3，平均变形抗力为260Mpa是，轧制压力为24.22MN。

如下图所示：

（2）当辊子直径为450㎜，轧件轧前厚度为128㎜，轧件轧后厚度为92㎜，变形区的宽度为820㎜，摩擦系数为0.3，平均变形抗力为275Mpa是，轧制压力为34.31MN。

如下图所示：

（3）当辊子直径为550㎜，轧件轧前厚度为146㎜，轧件轧后厚度为100㎜，变形区的宽度为820㎜，摩擦系数为0.3，平均变形抗力为275Mpa是，轧制压力为43.82MN。

如下图所示：

5、实验结果

从上图可知道，先设置好参数，得出最大咬入角，再设置变形区的宽度和平均的平面变形抗力而得到轧制压力。

以上三种不同参数的条件下得到的轧制压力分别为24、22MN、34、31MN、43.82MN。

6、讨论分析

（1）轧辊半径增大，轧制压力增大

（2）压下量增大，轧制压力增大

（3）摩擦系数增大，轧制压力增大

三、能耗模拟实验

1、实验目的

（1）了解轧制能量的主要消耗形式

（2）掌握轧制能耗的计算方法

（3）分析能量消耗与各轧制参数的关系

2、相关理论知识背景

轧制时能量的消耗用于传动轧辊的扭矩和带钢的张力。

轧制能量的消耗主要表现以下几种形式:

∙金属的变形功

∙轧辊轴承的摩擦力矩

∙能量传送过程中的损失

∙电动机、发电机等电器设备中的电损失

轧制能耗可用下式表示:

W = 2π × Mt

式中Mt为轧辊的扭矩，因此欲求轧制能耗必须先对轧辊的扭矩进行计算。

轧制压力沿接触弧的分布是不均匀的压力的总和。

我们可以假设这些力的集合集中作用在接触弧的某一点上（此点到轧辊中心线的距离称为力臂），这时的难点就是力臂a以及力臂a与接触弧水平投影长度Lp的比值的估算。

见下式:

λ = a / Lp

λ一般热轧时约为0.5，冷轧时约为0.45。

扭矩Mt等于轧制总压力与力臂的乘积。

因为轧制时有两个工作辊，因此扭矩表示为:

Mt = 2 × Pa

在一个工作辊旋转一周过程中，事先假设的集中作用在接触弧一点（力臂为a）的轧制压力P也做功一周，即2πPa。

因为有两个旋转的工作辊，所以所做的功为:

Work=2（2πa）P

功率的定义为做功的速率，用单位时间内做功的量表示，例如1W=1Js−1，因此，一对工作辊转动频率为N赫兹（s−1）（即每秒旋转N周）时的功率为:

W=4πaPN

3、实验内容

通过设置各轧制参数然后轧制，观察轧制能耗的变化

4、实验步骤

（1）设置轧制参数：

辊子直径为350㎜，轧件轧前厚度为110㎜，轧件轧后厚度为60㎜，变形区的宽度为800㎜，摩擦系数为0.4，平均的平面变形抗力为240MPa，其图如下：

（2）设置轧制参数：

辊子直径为450㎜，轧件轧前厚度为124㎜，轧件轧后厚度为60㎜，变形区的宽度为800㎜，摩擦系数为0.4，平均的平面变形抗力为240MPa，其图如下：

（3）设置轧制参数：

辊子直径为550㎜，轧件轧前厚度为150㎜，轧件轧后厚度为72㎜，变形区的宽度为800㎜，摩擦系数为0.4，平均的平面变形抗力为240MPa，其图如下：

5、实验结果

通过先设置正确的参数，再轧件，得到轧制能耗。

对于上面的三种情况，分别得到轧制能耗为3.33MW、4.54MW、5.56MW。

6、讨论分析

在保证轧件能顺利咬入的前提下，选择不同的参数观察能耗的变化。

我们知道能耗的主要表现形式为：

金属的变形功、轧辊轴承的摩擦力矩及能量传送过程中的损失等。

所以，从上面的实验结果中，可以知道：

（1）、轧辊的直径相同的情况下，摩擦系数越大，轧制能耗越大。

（2）、摩擦系数相同的情况下，轧辊的直径越大，轧制能耗越大。

通过模拟可以了解在不同的轧辊直径和摩擦系数的情况下的轧制能耗的变化，但仍有一些缺陷，那就是为了保证是最大咬入角，压下量的取值是一定的。

在设置好其他参数的情况下，通过改变压下量来调节咬入角，从而轧制得到轧制能耗。

实验二金属材料力学性能综合测试

一、试样的准备

1、实验目的

（1）准备“虚拟”的试样，以进行抗拉强度、冲击韧性和硬度测试，判断它是否符合美国船级社的标准

（2）了解钢板的性能沿长度方向、横向、厚度方向上的变化

（3）掌握识别每个试样的方法

2、相关理论知识背景

（1）为了确定钢材的性能和它的显微组织，从轧制后的钢材上取样时，重要的是必须认识到钢材的性能沿长度方向、横向、厚度方向上会发生变化，这是由于产品的不同部分经历了不同程度和不同方向的变形，而且不同的冷却速度可能也不同。

（2）不同类型的钢是为不同应用生产的，生产时必须满足特定的成份要求和工艺条件，这样才能获得所需的显微结构、机械性能和功能。

钢是铁（Fe）和碳（C）组成的合金，在钢中加入其它各种元素也会影响钢的机械性能（和电磁性能）。

在钢的加热和冷却过程中，碳和其它元素的相互作用会改变铁显示的结晶结构。

这些结晶结构的变化发生在钢的加工和生产过程中，并使钢的显微结构发生变化，从而改变某种钢的机械性能。

（3）钢中的碳含量最高可达1.5%，钢的显微结构和原子结构会随着碳含量和温度的变化而变化。

通过改变钢中碳和合金元素的含量、改变机械加工方法和热处理方法，可获得各种强度级别的钢材，强度范围从120MPa到3000MPa以上。

3、实验内容

从轧制后一定长度的厚钢板上切取一块试样，然后将其切成所需的大小，并加工成所需的试样；也必须能够识别每个试样，以便在进行试验时，知道它在原钢板上所处的方向。

4、实验步骤

（1）先注册，以便后来登陆steeluniversity.org可以把联系和模拟的结果保存起来。

（2）确定需要有多少个拉伸、硬度和夏比测试试样和这些试样的方向，并检查所输入的数值，如下图所示：

（2）在厚板上选择准备切割的区域，满足定位与宽度方向上的4分之1的位置和宽度、高度要求后开始切割，如下图所示：

（3）将模板拖放在厚板上，然后检查夏比试样是否太靠近火焰边缘，如下图所示：

（4）锯切试样，如图所示：

（5）为每个试样和余料确定一个识别号。

这应该包括试样号（1、2……，试样方向L/T）,测试类型（T/C/H）,另外还有样本识别号（B11234），按此要求编号后，如图所示：

（6）加工圆形的拉伸试样，现在车床上旋转，再攻螺纹，加工后的最终尺寸如下图所示：

（7）加工夏比试样，是铣成最终的尺寸，并切有切口，如下图所示：

（8）开口的锐度检查：

夏比测试的标准要求开口的锐度在预定的限度内。

如果开口太钝，那么测出的冲技能会大于开口在公差范围内时的数值，用开口太钝的试样测出来的结果没有任何价值。

（9）取样完成，保存好数据以便使用准备好的试样进行测试。

5、实验结果

成功的完成了试样的准备阶段。

6、讨论分析

（1）在厚板上确定切割的区域时，需要注意几个问题：

a、试样必须取自宽度方向1/4的位置

b、如果将试样切得太宽或太长，会浪费一些钢材和增加成本，所以必须保证试样的宽度和高度合格

c、如果取样时靠近厚板的底部，那么所取的试样可能不能代表这块厚板的情况

d、切记要保留厚板的剩下部分

（2）在将模板拖放到厚板上时，需要检查夏比试样是否太靠近火焰边缘，如果距离太近，得到的结果不能完全代表厚板的情况；只有距离足够远时，热影响区将不会对准备测试区域的性能有不利影响

（3）在给每个试样和余料确定一个识别号时，需要熟练不同字母所代表的含义

二、硬度测试

1、实验目的

（1）了解维氏硬度、布氏硬度、洛氏硬度测量的基本原理

（2）掌握三种硬度的测量方法

（3）分析三种硬度测量法的区别

2、相关理论知识背景

（1）维氏硬度测试：

测出的硬度为一个数

（2）布氏硬度测试：

测试结果为布氏硬度指数（BH或BHN）

（3）洛氏硬度测试

罗克威尔使用金刚石压头进行洛氏C标度，使用球形压头进行B标度

使用'预加载'来确定仪器的测试区域，随后使用150kg的载荷。

经过固定时间后移去载荷，测量压痕的大小和尺寸。

它的标度是人为确定的。

·Rc金刚石压头,标度值20–70

Rb球形压头,标度值0-100（必须指明负荷范围）

3、实验内容

用准备好的船用钢板进行硬度测试

4、实验步骤

（1）选择钢板进行硬度测试

（2）放好试样的位置，使试样与金刚石压头接触

（3）设定负荷，等待停留时间的到达，按继续键以观察产生的压痕

（4）测出压痕的对角线长度：

使测试装置对中，将右手侧的“刀边”移到压痕的边缘，并将测出的压痕尺寸转换为维氏硬度，结果如下图所示：

5、实验结果

成功的测量出维氏硬度为179，并完成了硬度测试阶段

6、分析讨论

（1）在使试样与金刚石压头接触时，应正确调节试样上升的高度，刚刚接触时则停止

（2）在设定载荷时，必须等待停留时间到达才可进行下一步

（3）在测压痕的对角线长度时，使刀片与压痕的边缘对准

三、抗拉强度测试

1、实验目的

（1）了解屈服强度、抗拉强度、伸长率的概念

（2）掌握钢的屈服强度、抗拉强度、伸长率的计算方法

（3）分析钢抗拉强度的影响因素

2、相关理论知识背景

（1）为了测量钢的拉伸性能，要求在恒定的速率下拉伸试样，并且当施加的力或者载荷增加时，要连续地测量试样的延伸，就象胡克定律那样，直到载荷超过弹性极限为止。

从力--伸长数据中可以计算出应力和应变，方法如下:

应力=力/试样的原始面积

应变=长度/试样原始长度

（2）塑性变形起始端测量方法的不同导致了钢的屈服点测定标准方法的定义：

0.2%的弹性极限应力或者找出应变为0.002时的应力；上屈服应力定义为力值明显下降前达到的最大应力；下屈服应力定义为塑性变形持续时，应力在一个恒定应力值附近变化，直到产生加工硬化，这个恒定力值即为下屈服应力。

（3）试验机有不同的力值测量能力,通过改变测力传感器可以达到各种力值

（4）测力传感器是一种可以感觉到力的变化并且将其转换为电压,然后在力值显示器上显示出来的设备.

（5）延伸率为材料的伸长量与标距之比

3、实验内容

将事先准备好的船用钢板试样插入拉伸试验机的夹头，然后开始一个力应变实验，然而，首先必须确定试验机能够准确地测量出拉伸力，再要求测量屈服和抗拉强度、延伸率和杨氏模量。

，接下来的会使观看高碳钢棒和由它拉拔成的两根金属线以及超高强度合金钢的测试结果。

4、实验步骤

（1）选择试样，如下图所示：

（2）计算试样的横截面积：

钢预计的抗拉强度设计为

=500MPa，则预计的最大拉力

KN,检查数据，并根据测试选择合适的应力范围，如下图所示：

（3）开始加载荷，并根据应力应变图计算出屈服强度、抗拉强度和伸长率的值，并检查所输入的数据，如下图所示：

（4）当纵向的计算全都通过时，继续进行横向试样的测试：

（5）检查钢是否合格：

经检验，这种钢通过了机械性能测试。

（6）保存结果。

5、实验结果

这种船用钢通过了机械性能测试，成功的完成了抗拉强度测试。

6、讨论分析

（1）试验中，由于估算的最大断裂力为246KN，所以需选择300KN的量程，如果所选的量程过低会有损害设备的危险。

（2）因为实验所选用的钢为AB/EH36，而这种钢的抗拉强度规定取值范围为490-620MPa，所以在预计钢的抗拉强度时需要在此范围内，在本实验中，所预计的为500MPa，在此范围内。

（3）需要注意应力-应变图中的伸长率单位为㎜，表示钢在拉伸时的伸长值，需将此值除以标距50。

（4）在计算屈服强度时，需要找准屈服点，即发生塑性变形的起始点。

四、夏比冲击测试

1、实验目的

（1）了解钢的碳含量对夏比测试结果的影响

（2）确定测试钢种的韧性向脆性转变的温度

（3）可以对不同钢铁企业生产的钢材进行比较，并标明一定的工艺是否能生产同样冲击韧性的产品

（4）学会分析冲技能随温度变化的关系

2、相关理论知识背景

（1）夏比测试是一种用来测试材料在受到负荷的情况下断裂时所需能量大小的方法。

只要是用来比较用各种不同工艺生产钢材的性能。

（2）在测试中，落锤提供下降的动能，弧形的大小决定了落锤旋转时产生动能的大小，旋转到最低点时，提供的动能最大，经过冲击测试后，试样要么产生裂纹，要么受到严重变形，落锤将继续移动到另一侧的最大高度，这里一个指针会记录下试样产生裂纹所损失的能量。

（3）韧性断裂通常是塑性变形的结果，塑性裂纹是裂纹尖端受到强烈的局部塑性变形的结果，在抗拉测试中，最普通塑性变形的是呈“杯锥形”；相反，脆性断裂通常没有或只有很少得塑性变形，晶界裂纹通常是沿晶界分离造成的。

3、实验内容

对一块厚钢板取样，然后进行性能测试，得出冲击能随测试温度的变化曲线，并根据结果判断它是否符合美国船级社的标准。

首先，你必须确定测试需要多少试样、取样的尺寸和位置。

试样准备好后，进行相应数量的测试，确定厚板的机械性能。

最后，将测试结果与标准进行比较，确定该厚板是否满足所有的规格要求，能否送给客户

4、实验步骤

（1）试样的选取，以自己准备的船板轧件为试样。

（2）在开始夏比测试之前，先完成几个快速测试。

需要检查切口对中装置。

（3）开始测试：

要设定一个试样的温度。

首先必须设置池内温度，设置后等待试样到达设定的温度，然后点击试样使其离开池子，并将试样对中位置，就可以按下落锤头来释放锁定销，进行冲击测试。

（4）反复的从夏比测试中收集足够的数据，从而能准确地确定脆性和韧性转变温度。

如果试样不足，可以购买更多的试样，以通过返回测试来获取更多的数据，得到测试温度与能量关系的曲线。

如下图所示。

（5）从得到的曲线中得到上部分界能为286J，下部分界能为7J，54J的转换温度为-65度，如下图所示：

（6）对于试样在-40度时进行横向和纵向测试，分别测试三次，得到其平均能量值，其结果如下图所示。

（7）点击保存数据保存实验结果。

5、实验结果

在有足够数据来确保钢已经达到满足标准要求时，得到了最终的夏比冲击实验的结果。

横向和纵向的能量满足要求，达到合格，测试完成。

其结果如下图所示。

至此，完成了所有的性能测试：

检查这种船板是否满足了AB/EH36的规格要求：

结果概述：

荣获证书：

6、讨论分析

由夏比测试得到的测试温度与能量关系的曲线，可知测试材料在受到负荷的情况下断裂时所需要的能量大小。

经过多次在不同温度下的返回测试，得到足够的数据绘制一张韧性（剪切）区的比例图。

这种剪切区的比例曲线通常作为钢材的规格，从这张图中，可以获得这种材料的50％剪切外观转换温度（FATT）。

但是在进行夏比测试期间，一定温度下记录的冲击能会出现分散状况。

可以从这些分散的数据获得两条大致的曲线（上限线和下限线）和冲击能的误差范围