實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)(材料工程基礎(chǔ)).doc

材料工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)材料工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)適用專(zhuān)業(yè): 材料科學(xué)與工程 課程代碼: 8103670 總學(xué)時(shí): 56 總學(xué)分: 3.5 編寫(xiě)單位: 材料科學(xué)與工程學(xué)院 編 寫(xiě) 人: 向軍 審 核 人: 審 批 人: 目 錄 實(shí)驗(yàn)一 鋁合金的熔煉與鑄錠 2實(shí)驗(yàn)二 鋼的熱處理操作 5實(shí)驗(yàn)一 鋁合金的熔煉與鑄錠 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮腿蝿?wù)1、掌握鋁合金熔化的基本原理。 2、掌握鋁合金鑄錠的基本方法。二、 實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備及材料1、坩堝電阻爐2、澆鑄模(可自由脫模式)3、必要的工具(扒渣棒、抱鉗等)4、熱電偶及控溫儀表5、鋁塊6、銅板7、天平8、坩堝三、 實(shí)驗(yàn)原理鋁銅合金的熔煉工藝流程熔化工藝參數(shù)和規(guī)程 1、熔煉溫度熔煉溫度愈高，合金化程度愈完全，但熔體氧化吸氫傾向愈大，鑄錠形成粗晶組織和裂紋的傾向性愈大。通常，鋁合金的熔煉溫度都控制在合金液相線溫度以上50100的范圍內(nèi)。從圖1的AI-Cu相圖可知，A1-5Cu的液相線溫度大致為660670，因此，它的熔煉溫度應(yīng)定在710(720)760(770)之間。澆注溫度為730左右。2、熔煉時(shí)間熔煉時(shí)間是指從裝爐升溫開(kāi)始到熔體出爐為止，爐料以固態(tài)和液態(tài)形式停留于熔爐中的總時(shí)間。熔煉時(shí)間越長(zhǎng)，則熔爐生產(chǎn)率越低，爐料氧化吸氣程度愈嚴(yán)重，鑄錠形成粗晶組織和裂紋的傾向性愈大。精煉后的熔體，在爐中停留愈久，則熔體重新污染，成分發(fā)生變化，質(zhì)量降低的可能性愈大。因此，作為一條總的原則，在保證完成一系列的工藝操作所必需的時(shí)間的前提下，應(yīng)盡量縮短熔煉時(shí)間。 3、合金化元素的加入方式 與鋁相比，銅的比重大，熔點(diǎn)雖高(1083)，但在鋁中的溶解度大，溶解熱也很大，無(wú)需預(yù)熱即可溶解，因此，可以以純金屬板的形式在主要爐料熔化后直接加入熔體中，亦可與純鋁一同加入。 4、要注意覆蓋 眾所周知，鋁在高溫熔融狀態(tài)，極易形成A1203氧化膜，因此要對(duì)鋁熔體進(jìn)行保護(hù)。就鋁銅合金而言，所用的覆蓋劑為：40KCI+40NaCI+20冰晶石(Na3AIF6)的粉狀物。它的比重約為2.3gcm3，熔點(diǎn)約670，這種覆蓋劑不僅能防止熔體氧化和吸氫，同時(shí)還具有排氫效果。這是因?yàn)樗娜埸c(diǎn)比熔體溫度低，比重比熔體小，還具有良好的潤(rùn)濕性能，在熔體表面能夠形成一層連續(xù)的液體覆蓋膜，將熔體和爐料隔開(kāi)，且具有定的精煉能力，因而，這種覆蓋劑具有良好的覆蓋、分離、精煉的綜合工藝性能。加入量一般為熔體質(zhì)量的25。 5、要注意扒渣 當(dāng)爐料全部熔化后，在熔體表面會(huì)形成一層有溶劑、金屬氧化物和其它非金屬夾雜物所組成的熔渣。在進(jìn)行澆注之前，必須將這層渣除掉。其目的是：(1)防止熔體夾渣；(2)減少熔體吸氣機(jī)會(huì)(因?yàn)槿墼撬魵獾牧己幂d體)；(3)加強(qiáng)傳熱。扒渣時(shí)，工具要干凈，要預(yù)熱，操作要平穩(wěn)不起波浪。 6、金屬模要上涂料并加熱到300左右四、 實(shí)驗(yàn)步驟1、備料按照Al-5%Cu的質(zhì)量百分比，用天平稱好爐料（按每爐1Kg計(jì)算）；2、裝料將鋁塊和銅板同時(shí)加入坩堝電阻爐中，然后加入覆蓋劑；3、升溫4、測(cè)溫控制在710-770之間，用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行；5、調(diào)溫主要是為澆注作準(zhǔn)備，熔體溫度太低，流動(dòng)性不佳，不易充滿模子，而溶體溫度太高，易氧化和形成粗大晶粒；6、澆注將熔體倒入預(yù)先準(zhǔn)備的模子中，待完全凝固后，再脫模；7、脫模取出鑄錠，注意要戴手套。五、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、 說(shuō)明試驗(yàn)?zāi)康?、試?yàn)器材、試驗(yàn)原理；2、 簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并寫(xiě)出心得體會(huì)。六、 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)嚴(yán)格按照操作步驟進(jìn)行，注意安全。七、 思考題1、什么叫熔煉與鑄錠?它們有何作用?2、簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)過(guò)程及心得體會(huì)。主要參考文獻(xiàn)1、周美玲等材料工程基礎(chǔ)北京：北京大學(xué)出版社，2001.042、邵潭華材料工程基礎(chǔ)西安：西安交通大學(xué)出版社，2003.033、謝希文材料工程基礎(chǔ)北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999實(shí)驗(yàn)二 鋼的熱處理操作一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮腿蝿?wù)1.能根據(jù)所學(xué)的熱處理理論知識(shí)制定相關(guān)的熱處理工藝參數(shù)。2.了解碳鋼的含碳量、加熱溫度、冷卻速度、回火溫度對(duì)熱處理后鋼性能(硬度)的影響。3.熟悉和掌握碳鋼的幾種基本熱處理操作方法（淬火、正火、回火等）。二、實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備及材料1.箱式電阻爐及控溫儀表2.洛氏硬度計(jì)3.布氏硬度計(jì)及讀數(shù)顯微鏡4.冷卻劑：水、油5實(shí)驗(yàn)用材料：20鋼，45鋼， T8鋼，T12鋼等三、實(shí)驗(yàn)原理鋼的熱處理是通過(guò)加熱、保溫和冷卻，改變其內(nèi)部組織，從而獲得所要求性能的工藝過(guò)程。一般熱處理的基本方法有退火、正火、淬火及回火等。退火和正火是將鋼加熱到Ac3、Ac1或Accm以上，保溫一段時(shí)間，然后通過(guò)緩慢爐冷和空氣冷卻的工藝操作。一般用作鋼的預(yù)備熱處理。正火也可作為結(jié)構(gòu)鋼的最終熱處理。淬火是將鋼加熱到Ac3或Acl以上，經(jīng)過(guò)保溫；然后以大于臨界冷速進(jìn)行冷卻，獲得馬氏體(或下貝氏體)組織的工藝操作；回火則是把淬火鋼加熱到Ac1溫度以下，經(jīng)過(guò)保溫后冷卻，獲得回火組織的工藝操作。淬火和回火一般用作鋼的最終熱處理。鋼在熱處理后的性能與鋼的含碳量、加熱溫度、冷卻速度和回火溫度有重要關(guān)系。1.含碳量對(duì)淬火鋼硬度的影響鋼在淬火時(shí)進(jìn)行的馬氏體轉(zhuǎn)變是無(wú)擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，沒(méi)有碳化物出現(xiàn)，只發(fā)生面心立方的過(guò)冷奧氏體向體心正方的馬氏體轉(zhuǎn)變，奧氏體中的碳全部過(guò)飽和于馬氏體中。馬氏體過(guò)飽和的碳量越大，晶格畸變?cè)絿?yán)重，其硬度愈高。而馬氏體的含碳量又取決于加熱時(shí)奧氏體的含碳量。一般來(lái)說(shuō)，鋼的含碳量愈高，經(jīng)正常加熱淬火后其硬度值愈高。但當(dāng)鋼的含量大于共析成分后，由于加熱溫度是在Ac1以上，故加熱后奧氏體的含碳量無(wú)明顯增加，所以淬火后鋼的硬度增加緩慢。2.加熱溫度對(duì)淬火鋼硬度的影響碳鋼的淬火加熱溫度由Fe-Fe3C相圖決定(見(jiàn)圖9)。亞共析鋼的加熱溫度為：Ac33050，過(guò)共析鋼的加熱溫度為Acl3050。不同的加熱溫度將有不同的加熱組織和淬火冷卻組織。當(dāng)亞共析鋼加熱到Ac3以上時(shí)，只有奧氏體，淬火后只出現(xiàn)馬氏體組織，硬度高；當(dāng)加熱溫度在Acl至Ac3之間時(shí)，加熱組織和淬火組織中出現(xiàn)鐵素體組織，硬度降低；當(dāng)加熱溫度在Acl以下時(shí)，則組織保持原有狀態(tài)不變，硬度仍然很低。過(guò)共析鋼正常加熱溫度在AC1以上，加熱組織中還存在未溶碳化物，淬火后獲得均勻細(xì)小馬氏體和顆粒狀滲碳體。保溫的目的是為了奧氏體組織均勻和鋼各部分溫度一致。實(shí)際工作中保溫時(shí)間多按經(jīng)驗(yàn)估算，一般碳鋼工件每毫米有效厚度需保溫11.5分鐘。3.冷卻介質(zhì)和冷卻速度對(duì)淬火鋼硬度的影響 當(dāng)鋼加熱到所要求溫度時(shí)，決定鋼淬火組織和硬度的是冷卻速度，也即冷卻介質(zhì)圖10反映了共析鋼在不同冷卻介質(zhì)中(不同冷卻速度下)所得到的冷卻組織及硬度。隨冷卻速度的增加，組織分別為P、S、TM殘A、M殘A。硬度也逐漸升高。 圖9 鋼的淬火加熱溫度 圖10 共析鋼的各種冷卻方式4.回火溫度的影響：鋼淬火后要回火，回火溫度決定于最終所獲得的組織和性能，按回火溫度，回火分為低溫、中溫和高溫回火三種。碳鋼回火后一般空冷。低溫回火在150250進(jìn)行，所得組織是回火馬氏體，硬度約為5862HRC。中溫回火在250500進(jìn)行，所得組織是回火屈氏體，硬度約為3545HRC。高溫回火在500650進(jìn)行，所得組織是回火索氏體，硬度約為2535HRC。四、 實(shí)驗(yàn)步驟1.實(shí)驗(yàn)分為四個(gè)方向的內(nèi)容： 同學(xué)根據(jù)以下內(nèi)容以及表3 中常用鋼的臨界點(diǎn)先確定熱處理相關(guān)工藝參數(shù)，填入表4中。鋼的含碳量對(duì)淬火鋼硬度的影響淬火溫度對(duì)鋼硬度的影響淬火冷卻劑對(duì)鋼硬度的影響回火溫度對(duì)鋼硬度的影響表3 常用碳鋼的相變臨界點(diǎn)20鋼45鋼T8T12Ac1（）735724730730Ac3（）855780表4 碳鋼熱處理操作實(shí)驗(yàn)表內(nèi)容鋼號(hào)淬火回火加熱溫度保溫時(shí)間分淬火劑硬度HRC回火溫度回火時(shí)間分硬度HRC鋼的含碳量對(duì)淬火鋼硬度的影響2045T8T12淬火溫度對(duì)鋼硬度的影響4545454545淬火冷卻劑對(duì)鋼硬度的影響T8T8T8T8回火溫度對(duì)鋼硬度的影響T12T12T12T122.每個(gè)同學(xué)根據(jù)安排領(lǐng)取一個(gè)試樣，按表1中要求的加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻介質(zhì)進(jìn)行加熱、保溫和冷卻?；鼗鸬耐瑢W(xué)還需按表中要求進(jìn)行30分鐘回火（在回火之前必須測(cè)定一次硬度）；3.熱處理后的試樣在測(cè)硬度前應(yīng)用砂紙磨去氧化皮；4.測(cè)出硬度值，并將測(cè)試硬度值填入表4中；5.根據(jù)全組的數(shù)據(jù)寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。五、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1.明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?.根據(jù)熱處理實(shí)驗(yàn)所用鋼材的相變臨界點(diǎn)和材料的尺寸以及熱處理方法，確定相應(yīng)熱處理工藝參數(shù)（加熱溫度和加熱時(shí)間）以及選擇正確的冷卻介質(zhì)。3.列出表中硬度數(shù)據(jù)，統(tǒng)一測(cè)量單位（將HB換成HRC）。4.根據(jù)表中數(shù)據(jù)：（1）繪制出硬度鋼含碳量關(guān)系曲線（2）繪制出硬度加熱溫度關(guān)系曲線（3）繪制出硬度回火溫度關(guān)系曲線（4）說(shuō)明冷卻介質(zhì)對(duì)淬火溫度的影響。5.討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析硬度變化的本質(zhì)。六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1.本實(shí)驗(yàn)加熱所用都為電阻爐，由于爐內(nèi)電阻絲距離爐膛較近，容易漏電，所以電爐一定要接地；在放、取試樣時(shí)必須先切斷電源。2.往爐中放、取試樣必須使用夾鉗，夾鉗必須擦干，不得沾