《材料成形原理》（上）实验指导书 - 图文

《材料成形原理》（上） 实验指导书 实验一 振动条件下结晶与铸件宏观组织的观察

一、实验原理

在铸件的凝固过程中，对其进行振动，可以通过以下的机制细化铸件的晶粒组织及增加等轴晶数量，首先，对正在凝固中的铸件进行振动，可以强化液态金属的对流，对正在生长着的晶体的冲刷作用，形成液相与固相间的相对运动，导致枝晶的破碎，并游离到铸件的中心位置，从而增加液相中的晶核数量，因而细化晶粒，有利于获得更多的等轴晶；其次，由于振动力的作用，也促进铸件顶部形成的晶体下落，即促近结晶雨的形成，并游离到铸件的中心位置，从而增加液相中的晶核数量，因而细化晶粒；另外，振动还可以引起局部的温度起伏，有利于枝晶的熔断和增殖，从而增加液相中的晶核数量，因而细化晶粒。通过对静止条件下和振动条件下结晶的铸件凝固宏观组织的观察比较,就能够说明在其它条件相同的情况下,在凝固过程中施加振动对铸件凝固组织形态的影响.

二、实验目的

1. 进一步认识铸件宏观组织中内部等轴晶的形成机理；

2. 掌握凝固条件对铸件宏观组织的影响规律，并了解控制铸件宏观组织的方法和途径。

三、实验用仪器设备和工具

1．井式坩埚炉及控温仪表 2．浇注工具 3．插入式热电偶

5．工频振动试验机 HG-50F 7．台钎、砂轮、锯子 8．预磨机、抛光机 9．炉料：ZL102合金

10．化学药品：氢氟酸、酒精

四、实验方法和步骤

1．实验步骤：

（1）在电组织式坩埚炉中熔化工业纯试铝，并使之过热至720℃； （2）准备一个圆柱形的树酯砂样杯，将其固定在振动台上（如图所示）， 振动台的振幅可在0~2mm内调整；

（3）将熔化好的铝液浇入树酯砂样杯中，同时打开振动台的开关进行振动直至凝固结束；同时在静止的条件下用相同的样杯浇注一个试样，使其在静止的条件下凝固；

（4）取出凝固的样品投水中使其冷却，然后将圆柱形的样品沿轴线方向从中间锯开；

（4）将从锯开半个样品在预磨机上磨平，并抛光；

（5）在样品的抛光后表面上涂擦质量分数为5%浓度的氢氟酸，即可观

察样品的宏观晶粒组织形态。

2．实验记录： 分别绘制动态条件下和静止条件下浇注样品的宏观组织中从表面到中心的晶体形态。

五、分析讨论

1． 正常浇注铸件宏观组织的组成是怎样的，各部分的形成机理有哪些？

2． 振动条件下浇注铸件宏观组织与静态浇注铸件宏观组织有何区别？振动对铸件宏观组织的影响机理是

什么？

实验二 铸件动态凝固曲线的测定

一、实验原理和目的 实验目的；（1）熟悉铸件长圆柱形铸件凝固温度场的测量方法；

（2）掌握铸件动态凝固曲线的概念及其测量原理和方法；

（3）加深对铸件不同凝固方式概念的理解，了解合金成分对凝固方式的影响；

实验原理：铸件的凝固方式根据其正在凝固区域的大小可以分为逐层凝固、体积凝固和中间凝固三种凝固方式。如图下所示，在铸型中由表面到中心部位按一定间距测量浇注后铸件上不同部位的温度-时间曲线，即凝固温度场（图a），再在测量距离-时间坐标上分别做出各测量点处开始凝固时间点和凝固结束时间点的联线即为动态凝固曲线（图c），前者为液相线边界，后者为固相线边界，同一时刻，液相线边界与固相线边界间的距离即为此时铸件正在凝固区域的宽度，根据测量的不同合金的凝固区域宽度定性地比较其凝固方式。

三、实验用仪器设备和工具

1．井式坩埚炉及控温仪表 2．浇注工具

3．长圆柱形砂型并由表面到中心安放5只测温热电偶 5．多路温度记录仪

7．台式电脑显示并记录温度-时间曲线 8．预磨机、抛光机

9．炉料：ZL105合金和工业纯铝

四、实验方法和步骤 1．实验步骤：

（1） 准备一个内径为φ80mm的圆柱型树酯砂型，在同一水平面位置，上从内表面到中心部位按等距离

安放5只测温热电偶；

（2） 将每只热电偶连接到多路温度记录仪上，并将多路温度记录仪与电脑连接； （3） 在井式坩埚炉内熔化ZL105合金和工业纯铝，并过热至700℃和720℃

（4） 打开温度记录仪和电脑准备记录，将熔化的ZL105合金和工业纯铝分别浇入圆柱型树酯砂型内，

记录下5个不同位置上的温度-时间曲线。

2．实验记录：

记录每次实验的条件，包括：合金成分、浇注温度、样杯尺寸、由外到内，每个测量热电偶的的安放位置；每次实验后，将计算机中存储的5条温度-时间曲线在打印机上打印下来。

五、分析讨论

1． 由测量的温度-时间曲线和热电偶的相对位置，绘制每种合金浇注试样的动态凝固曲线，从动态凝固曲

线上的液相边界和固相边界分析合金的凝固特性。

2． 结合所测量的不同成分合金的动态凝固曲线，说明合金的成分对凝固特性的影响规律。

实验三 合金流动性的测定

一、实验原理和目的

通过测定在特定的浇注条件（浇注速度、浇注温度及浇注合金的压头）和特定的铸型条件下液态合金充型螺旋试样的长度来衡量流动性的好坏，若浇出的螺旋线越长，表示合金的流动性越好。

实验目的：（1）验证合金浇铸温度与合金流动性之间的关系； （2）掌握合金流动性测定方法。 二、实验内容

采用ZL102（含Si13.8%共晶合金，熔化温度577℃）和含硅量Si20.5%的Al-Si过共晶合金在特定的浇注条件和特定的铸型条件下分别浇注螺旋试样，研究其结晶温度范围对流动性的影响。 三、实验用仪器设备和工具

1．螺旋型试模样及所用砂箱 2．造型及浇注工具

3．井式坩埚炉及控温仪表 4．插入式热电偶 5．水平尺

6．炉料：ZL102合金 四、实验步骤

1．在井式坩埚中熔化ZL102共晶合金[(10~13)%Si ；共晶温度：577℃]，温度分别控制在690℃和790℃。 2．在熔化合金的同时进行砂型造型，造好型将其水平放置，合箱要严密防止跑水，并注意不要压坏螺旋线。

3．当合金的熔化温度分别达到690℃和790℃以后，加入1.5%左右的六氯乙烷（C2Cl6）除气处理。分别取出坩埚，用镍铬-镍铝热电偶测定两种合金的浇注温度，分别达到650℃和750℃时即可撇渣浇注。

4．采用堤坝式浇注系统，以保持在一定的压头下浇注试样。浇注时，尽量保持浇口杯中液面高度不变。

5．合金凝固后打箱，测量螺旋线试样长度。注意观察砂型夯实程度对试验结果的影响。 五、数据记录

合金材料 合金成分 浇铸温度 过热度 铸型性质 六、分析讨论 1．合金流动性和充型能力有何区别？你是怎样测定合金流动性的？ 2．为什么浇铸温度会影响液态金属的充型能力？

3. 砂型夯实的松紧程度对充型能力有什么影响？为什么？

实验四 铸造合金残留应力的测定

一、实验原理

铸件在凝固后的冷却过程中，因其不同壁厚部位的冷却速度不一致，体积收缩时相互制约，从而在铸件中产生凝固收缩残留热应力。铸件壁厚相差越大，铸件材质的弹性模量越大，这种应力值越高。采用应力框试样可以测试铸造热应力的大小。 二、实验目的

3. 学会用应力框试样测定残留热应力的方法，从而对残留热应力的存在具有一个感性认识； 4. 认识由于铸件壁厚差异对残留热应力大小的影响机理。 三、实验方法和步骤

本实验采用框形试件进行残留热应力的测定，试样如图所示，材料为灰铸铁。 1．实验步骤：

（1）在试件中间粗杆上打上两点洋冲标记点（间距约20mm），用游标卡尺量出两点间距离L0；

（2）将应力框夹在台虎钳上，用手锯在两标记点之间约中心对称部位锯断（由于在粗杆中存在残留拉伸应力，在粗杆即将锯断之际有自行崩断之声）；

（3）用游标卡尺量出锯断后两标记点之间的距离L1；

（4）砸断试样框，仔细观察自行崩断处的断面情况。 2．实验记录： （1）试样锯断之前两标记点之间距离L0= mm （2）试样锯断之后两标记点之间距离L1= mm （3）试件框长度L= mm （4）粗杆截面积F1= mm2 （5）细杆截面积F2= mm2

四、实验结果的整理

（1）按下式计算粗杆中的残留拉应力，式中E为灰铸铁的弹性模量，取值范围为：（7.35～10.8）

4 -2

×10N·m 。

?1?E(L1?L0)

L(1?F1/2F2) （2）按下式计算细杆中的残留压应力:

?2?E(L1?L0)

L?2F2/F1(L1?L0)(3) 分析试件中残留应力的性质及产生原因。

（4）分析粗杆自行崩断部分断面面积大小与残留应力间的关系。

实验五 液态金属成形中的结晶裂纹倾向试验

一、试验原理

结晶裂纹是液态金属成形过程中的主要缺陷之一。本试验参照压板对接（FISCO）焊接裂纹试验方法，通过人为地改变焊接冶金因素或焊件拘束程度，对不同情况下的液态金属成形中的结晶裂纹敏感性进行了实验比较。 二、试验目的

1.了解结晶裂纹的形成机理及宏观特征； 2.了解结晶裂纹敏感性的影响因素； 3.掌握一种结晶裂纹倾向试验方法。

图1 FISCO试验装置简图

1—C型拘束框架；2—试件；3—紧固螺栓；4—齿形底座；5—定位塞片；6—调整板

三、试验装置及材料

1.直流弧焊机ZX5-400 1台 2.FISCO试验装置（如图1所示） 1套

3.φ4直径 J422、J427和J427-FeS（自制）焊条 各4~6根 4.200×120×12mm低碳钢（或低合金钢）试板 12块 5.测力扳手 1件 四、方法及步骤

1.将试件两块装入FISCO试验装置中，以相应厚度的塞片来保证对口间隙2~4mm。测力扳手以120Nm的扭矩紧固好全部加固螺栓。

2.按图2所示，依次焊接长约40mm长的试验焊缝，焊缝间距约10mm， 图2 试验焊接位置 焊缝弧坑原则上不填满。焊接电流：100A；电弧电压：24V；焊接速度：150mm/min。 3.焊接后约10分钟将试件从试验装置中取出。

4.试件冷却到室温后，将试件沿焊缝轴向弯断，观察断面上有无裂纹并测量裂纹长度。 并按下式计算裂纹率： CF??1F?100% ?LF Σ1F——4条试验焊缝的裂纹长度之和（mm）； ΣLF——4条试验焊缝的长度之和。

5.使用另两种试验焊条重复以上试验过程，分别计算裂纹率。

6.松开试验装置中的部分（或全部）紧固螺栓，降低试件的拘束程度，重复以上试验，观察裂纹率的变化。

五、试验结果整理

将实验结果填入下表：

试板编号

比较各试件裂纹率的测试结果，写出试验报告。包括： 1.分析熔渣类型或熔渣成分的变化对结晶裂纹倾向的影响；

2.分析拘束程度的变化对结晶裂纹倾向的影响。

实验用焊条牌号 试板拘束 情况 焊缝长度（mm） 裂纹长度（mm） 裂纹率（%）

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