材料加工原理綜合實驗指導書(doc )

1、材 料 加 工 原 理綜合實驗指導書徐 洲、王浩偉、吳國華上海交通大學材料科學與工程學院2021年2月目 錄實驗一 合金熔煉及液態(tài)成型實驗二 凝固定向凝固實驗三 材料的冶金缺陷實驗四 擠壓變形與擠壓力實驗實驗五 圓環(huán)鐓粗法測定摩擦系數(shù)實驗六 圓柱體鐓粗時接觸面上的正應力分布實驗七 冷卻速度對鋼組織與性能的影響實驗八 鋼中馬氏體、貝氏體組織形貌的識別及不同回火溫度 對淬火鋼組織的影響實驗九 鋼的淬透性測定實驗十 鋁合金的時效硬化曲線測定實驗一 合金熔煉及液態(tài)成型一、 實驗目的：1掌握鑄造合金和變形合金的熔煉過程。2了解鑄造合金和變形合金的鑄造成型。二、 實驗內容說明：鑄造合金和變形合金在用途上有

2、著很大的差別，但其熔煉過程基本相同。選用鋁硅合金，ZL101是該類合金中典型的鑄造合金，4004是該類合金中典型的變形合金。鑄造Al-Si系合金中Si是作為主要合金化元素加入的，Si提高合金的鑄造性能，使流動性改善，熱裂傾向性降低，減少疏松，提高氣密性，獲得致密的鑄件。這類合金具有好的抗蝕穩(wěn)定性和中等的切削加工性能，具有一般的強度和硬度，但塑性是較低的。這類合金國內外常用的共18個牌號，按合金中Si的含量多少，可分為共晶型合金(ZL102、ZL108、ZL109),過共晶型合金和亞共晶合金。ZL101成分：Si 6.5-7.5 Mg 0.25-0.454xxx系鋁合金的主要合金元素是硅，它能以

3、足夠的數(shù)量（達12%）加到鋁中，結果使熔化溫度范圍大為降低而不產生脆性。由于這個原因，鋁硅合金可作為焊接鋁用的焊絲和釬料，即用于要求這些焊接材料的熔化范圍低于基體金屬的熔化范圍之處。這個系的多數(shù)合金是不可熱處理強化的，但當用于焊接可熱處理合金時，它們可以吸取后者的一些合金成分，從而可以有限地接受熱處理。這類合金含有相當大數(shù)量的硅。當敷以陽極氧化表面涂層時，合金變成深灰至炭黑，從而可適應建筑用途。該系列的合金有的可以用于生產鍛造的引擎活塞，例如4032。4004 的成分：Si 9.0-10.5 Fe 0.8 Cu0.25 Mn0.1 Mg1.0-2.0 Zn0.2合金的熔配過程：先根據鑄件的體積

4、計算出所需合金原料的總重量，再按各合金的名義成分計算出所需要的合金的重量，稱量后全部放入坩鍋中，電爐加熱，熔化，覆蓋，打渣精煉，靜置，澆注，熔煉完畢。每個環(huán)節(jié)用途各不相同，要求仔細按實驗規(guī)程進行。造型材料采用南京紅砂和膨潤土，對各種不同要求的零件用不同的造型模具進行澆注。模具設計時應考慮澆注狀態(tài)，補縮條件以及避渣方式。三、 實驗步驟：ZL101的熔配和4004的熔配。1教師指導學生一起配料。下料4kg鋁硅合金，原材料為包頭料。按照原材料中的成分與需要配料的成分差別進行計算。2教師帶領學生進行熔煉。電爐送電，把原材料料放入坩鍋。設定溫度740度。將要熔化時進行覆蓋。熔化后均溫，加入需要配備的合金

5、元素。3教師輔助學生進行造型。金屬型模具選用見圖1和圖2。圖1鑄造成型金屬模具（單試樣型）圖2鑄造成型金屬模具（多試樣型）砂型模具由指導老師與學生共同造型。4澆注成型，分析縮松、縮孔、含氣、卷氣等鑄造缺陷。一定記住注意安全！5 實驗過程記錄：項目開始結束備注送電時間爐子設定溫度到溫時間覆蓋時間熔化時間加入合金元素1時間加入合金元素2時間加入合金元素3時間加入合金元素4時間均勻合金元素用時間除氣時間精煉時間澆注時間四、 思考鑄造合金和變形合金的熔煉與凝固過程相同與不同點。實驗二 凝固-定向凝固一、 實驗目的：1 了解晶體生長的一般規(guī)律。2 了解定向凝固的凝固規(guī)律與條件。3 對定向凝固生長的晶體的

6、組織分布進行觀察。二、 定向凝固方法和原理：定向凝固的基本原理是嚴格控制合金凝固過程熱流的方向，使合金液始終沿著預期的方向凝固。定向凝固設備中有一個單方向散熱的冷源（水冷銅結晶器）和一個能保證液相中不產生新的結晶核心的熱源，并于凝固界面形成一個有效的溫度梯度，使晶粒始終沿著與熱流相反的方向連續(xù)不斷地向液相中生長，最終獲得具有一束平行排列柱狀晶的鑄件。實現(xiàn)定向凝固有多種方法，其基本原理、工藝要點和應用如下：1發(fā)熱鑄型法1 保溫套 2 發(fā)熱材料 3型殼 4 水冷結晶器圖1 發(fā)熱鑄型法原理圖工藝要點：將鑄型置于水冷銅板上，并在其周圍填充發(fā)熱材料。澆入合金液后同時引燃發(fā)熱材料，形成有效的縱向溫度梯度，

7、使鑄件定向凝固。應用：主要用于制造尺寸較小的磁性合金鑄件。2功率降低法將底部開口的型殼置于水冷銅結晶器上，放入定向爐的石磨加熱器內，加熱器分上下兩區(qū)同時供電，型殼加熱到預定溫度后，澆入合金液，并將下區(qū)斷電，形成縱向的溫度梯度，使鑄件定向凝固。適用于生產高度小于100mm的鑄件，由于應用范圍受限制多，生產效率較低，故目前實際生產中較少應用。3鑄型移動法將底部開口的型殼放在水冷結晶器上，送入定向爐內的感應加熱器中，加熱到預定溫度后，澆入合金液，然后以預定的速度將鑄型移出。由于隔熱擋板的作用，上下具有縱向溫度梯度（一般為3060）從而實現(xiàn)定向凝固。廣泛應用于大量生產高度小于280mm的定向凝固和單晶

8、鑄件。 1 型殼 2 鑄型加熱器 3 隔熱擋板 4水冷結晶器 5升降機構圖2 鑄型移動法原理圖4液體金屬冷卻法將型殼懸掛在升降機構上，送入定向爐內的型殼加熱器中，加熱到預定溫度后澆入合金液，以預定的速度下移并浸入保持在一定溫度下的低熔點金屬（如錫、鋁等）液池中，在型殼下移過程中實現(xiàn)定向凝固，此法傳熱快而穩(wěn)定，凝固界面的溫度梯度可達100以上。制取單晶的方法有兩種：1選晶法 在型殼底部設置一個螺旋型選晶器，當澆入的合金液與水冷銅結晶器接觸時，由于急冷作用而產生許多的晶核，爐內的縱向溫度梯度使這些晶核沿平行于熱流方向長大，這些晶體競爭生長的結果，形成一束具有擇優(yōu)取向的柱狀晶。凝固繼續(xù)進行，晶體達選

9、晶器的螺旋部分時，只剩下幾個晶粒向上生長，在此過程中繼續(xù)擇優(yōu)選晶，最后只有一個取向的晶體從螺旋選晶器的頂部伸長并長大，直至充滿整個型腔而獲得單晶鑄件。2籽晶法 在型殼底部的籽晶套內安放一個特制的籽晶塊。當澆入型殼的合金液與籽晶接觸后，便開始形核并以籽晶固有的晶體取向為結晶方向外延生長，直到充滿整個型腔獲得單晶鑄件。籽晶法可以制取任意所需結晶取向的單晶鑄件。1 型殼 2 籽晶 3 籽晶套 4 水冷結晶器圖3籽晶法制取單晶的示意圖三、 定向凝固設備定向凝固設備即定向凝固爐，通常包括熔爐、鑄型加熱器、冷凝區(qū)(室)和真空系統(tǒng)等部分。國內常用的定向凝固設備主要有兩種典型類型，即德制和俄制定向凝固爐，前者

10、是基于鑄型移動法，后者則是基于液體金屬冷卻法設計制造的。兩種定向凝固設備的參數(shù)見表1：表1 定向凝固設備的參數(shù)技術特征ISP2/-DS定向凝固方法鑄型移動法液態(tài)金屬冷卻法坩鍋容量/kg510最高熔化溫度/18001700熔化加熱功率/KW120150熔化加熱頻率/HZ20004000型殼加熱溫度/16001600真空度/Pa0.10.67結晶生長速度R/(mm/min)215120溫度剃度G/(/cm)30407080四、 實驗內容說明：晶核形成以后，通過生長完成結晶過程，晶體生長就是液相中原子不斷向晶體表面堆徹的過程，也是固液界面不斷向液相中推移的過程。為了對晶體的生長過程有進一步的了解，需

11、對凝固過程中的溫度梯度核晶體的生長速度有深入的了解。在實驗觀察前先對定向凝固的條件，G/R進行思考，分析晶粒取向與溫度梯度和凝固速度的關系。了解單晶、胞晶和枝晶的結構特點，并思考各種不同的晶體的使用條件，如單晶可用于半導體，而枝晶的蠕變性能好可用于高溫材料。五、 實驗步驟：1教師給學生講解定向凝固設備的使用，構造及其原理。1 真空系統(tǒng) 2 加料桿 3 升降機構 4 熔爐 5 型殼 6 鑄型加熱器 7 液態(tài)金屬冷卻池圖4 采用液態(tài)金屬冷卻法的定向凝固爐的結構簡圖2演示制備單晶、胞晶和枝晶的定向凝固過程。同學可以參考上圖中定向凝固的規(guī)范，考慮定向凝固的步驟。本次實驗的設備：DJL-500定向晶體生

12、長爐。生產廠家：華北光電技術研究所。該設備的技術指標：抽拉速度0.2-10mm/min，溫度梯度最大為1000K/cm，真空度：5103Pa。實驗材料：M38Ni基合金。抽拉速度：2mm/min，真空度：1102Pa。教師按照實際情況，調整抽拉速度和真空度，最終得到不同的組織結構。抽拉結束后用60溫水淬火。3學生自己觀察單晶、胞晶和枝晶的縱截面的晶粒取向與組織結構，并繪出其結構。六、 思考G/R的值與形成胞晶或枝晶的關系如何？實驗三 材料的冶金缺陷一、 實驗目的：1學習和掌握各種冶金缺陷的形式。2了解各種冶金缺陷的形成過程。二、 實驗內容說明：研究材料冶金缺陷，除了進行觀察外，還需要把各種類型

13、的冶金缺陷的用照片的形式記錄下來（或者繪出來），以便更深一步了解各種缺陷，便于科學研究和交流。一般說來，材料的冶金缺陷包括內應力、偏析、夾雜、縮孔、縮松、氣孔、氫白點、熱裂紋、冷裂紋等。對于各種不同的冶金缺陷，其形成原因是不相同的，對于不同的材料其形成某種缺陷的傾向也不相同，有的可以直接觀察到，有的則需要磨制金相觀察。1、氣孔和針孔： 位于鑄件內部(通常不與鑄件外表面相接觸)的孔洞，內壁光滑，多數(shù)為圓形。 大的氣孔往往是單個的、小的針孔則成群出現(xiàn)，大小不一。有時鑄件的整個斷面上會布滿氣孔或針孔。這類孔洞的內壁可能是發(fā)亮的，多少有些氧化，就鑄鐵件而言，可能覆蓋一薄層石墨。這類缺陷可能在鑄件的所有

14、部位出現(xiàn)。圖1 氣孔 圖2 針孔缺陷形成原因：氣孔和針孔是由于在凝固過程中滯留在金屬中的氣體形成的。 （1）熔煉方面的原因（內源性氣孔或析出性氣孔）。 溶池中的液態(tài)金屬含有大量氣體(爐料、熔煉方法，爐氣成分等存在問題)。熔解的氣體在凝固時析出； 鋼和鑄鐵件：碳和氧發(fā)生反應生成一氧化碳，并以氣態(tài)或氧化物形式存在。一氧化碳形成的氣孔可能因氫或氮(氮的情況較少)的擴散而體積增加，（2）造型或制芯材料產生的氣體(外源性氣孔或侵入性氣孔)。 鑄型或砂芯中水分過高； 砂芯粘結劑的發(fā)氣量大； 含碳氫化合物的附加物量過多； 涂料的發(fā)氣量過大；（3）卷入的氣體(外源性氣孔)； 型腔內的空氣和氣體未能及時排出；

15、砂型和砂芯的透氣性差； 液態(tài)金屬在澆注系統(tǒng)中產生紊流，卷入空氣。圖3 鑄鋼件縮孔實例2、夾雜 夾雜包括：金屬夾雜物、冷豆、內滲豆、磷化物滲豆、熔渣/溶劑類非金屬夾雜物、渣孔/稀土氧化物夾雜、含氣渣孔、砂眼、涂料夾雜或耐火涂層夾雜、黑點、氧化皮夾雜、光亮碳膜、硬點等。鑄件內夾帶有各種不同尺寸的金屬夾雜物（或金屬間夾雜物），與基體金屬相比，無論在結構上和色澤上都有著明顯的差別，在性能上的差別就更大了。通常這些缺陷在切削加工后才顯露出來。 圖4 冷豆 圖5 金屬夾雜物3、應力熱裂缺陷：圖6 應力熱裂缺陷應力熱裂：形狀不規(guī)則，深淺不一的晶間裂紋。裂口常呈現(xiàn)細密的樹枝晶，且表面氧化。這類缺陷最常發(fā)生在鑄

16、件上存在著內應力的最后凝固的斷面處。成因機理：合金在凝固過程中，當其溫度接近固相線時受到應力或變形作用。產生原因：（1） 鑄件在金屬型內的冷卻時間過長；（2） 鑄件在出型斜度太小，阻礙了鑄件收縮。（3） 開型過早，鑄件在出型時開裂。（4） 取出金屬芯時，由于金屬芯歪斜或導向裝置不良，導致鑄件熱裂。（5） 頂桿的位置不當，使鑄件產生彎曲應力。（6） 由于澆注溫度過高，或砂芯圓角太小而產生熱節(jié)。（7） 液體金屬流量太小。三、 實驗步驟：1 教師結合實物講解夾雜、縮孔、縮松、氣孔、氫白點、熱裂紋、冷裂紋等缺陷。準備氣孔試樣2個材料：鑄鐵或鋁合金 尺寸：8060將試樣切開，要求斷面可以明顯觀察到氣孔缺

17、陷實驗老師讓學生仔細觀察氣孔形貌，判斷氣孔的類型，然后由老師講解如何觀察和判斷氣孔的類型，氣孔的形成原因，避免缺陷形成的措施。準備縮孔試樣1個材料：鑄鐵或鋁合金 尺寸：8060將試樣切開，要求斷面可以明顯觀察到縮孔實驗老師讓學生仔細觀察縮孔形貌，然后由老師講解縮孔的形成原因，避免缺陷形成的措施。準備氫白點試樣2個材料：鑄鐵或鋁合金 尺寸：8060將試樣切開，要求斷面可以明顯觀察到氫白點缺陷實驗老師讓學生仔細觀察氫白點形貌，然后由老師分析形成原因，講解氫白點形成的措施。準備夾雜試樣2個材料：鋁合金 尺寸：8060實驗老師讓學生仔細觀察夾雜形貌，由老師講解夾雜的形成原因，避免夾雜形成的措施。準備含

18、有熱裂紋的試樣2個材料：鑄鐵或鋁合金 尺寸：8060實驗老師讓學生仔細觀察熱裂紋形貌，然后由老師講解如何熱裂紋類型，避免熱裂紋形成的措施。2實物辨別，教師分發(fā)一部分實物，讓學生自己判斷有無缺陷，如果有缺陷屬于哪一類；并推想其形成過程。四、 思考：1 你認為各種冶金缺陷應該如何進行分類？2 你認為應該如何盡量減少或避免各種不同的冶金缺陷？實驗四 擠壓變形與擠壓力實驗一、 實驗目的1通過實驗了解正擠壓、反擠壓、復合擠壓時，金屬流動及變形特點，并分別實測其擠壓變形力；2掌握三種擠壓方式的變形力數(shù)值及其變形規(guī)律；3了解摩擦及凸、凹模形狀對擠壓變形的影響；4了解擠壓變形對合金組織性能的影響，并與鑄態(tài)情形

19、進行比較。二、 實驗內容說明1擠壓的基本方法擠壓是將金屬置于一封閉的擠壓模內，用強大的擠壓力將金屬從?？字袛D出成形的方法。擠壓過程中金屬坯料的截面依照?？椎男螤顪p少，坯料長度增加。擠壓可以獲得各種復雜截面的型材或零件。根據金屬流動方向與擠壓凸模運動方向的關系,擠壓可分為四種方式：(1)正擠壓-金屬流動方向與凸模運動方向相同。(2)反擠壓-金屬流動方向與凸模運動方向相反。(3)復合擠壓-坯料一部分金屬流動方向與凸模運動方向相同,另一部分 則相反。(4)徑向擠壓-金屬流動方向與凸模運動方向成90。擠壓成形的工藝特點：(1)擠壓時金屬坯料處于三向壓應力狀態(tài)下變形,因此可提高金屬坯料的塑性,有利于擴大

20、金屬材料的塑性加工范圍。(2)可擠壓出各種形狀復雜、深孔、薄壁和異型截面的零件,且零件尺寸精度高,表面質量好,尤其是冷擠壓成形。(3)擠壓成形后零件內部的纖維組織基本沿零件外形分布且連續(xù),有利于提高零件的力學性能。(4)擠壓成形的生產率高,一般可比其它鍛造方法提高幾倍。(5)擠壓成形最好在專用的擠壓機(液壓式,曲軸式,肘桿式)上進行,也可在適當改進后的通用曲柄壓力機和摩擦壓力機上進行。2坐標網格法網格法是最常用的研究金屬流動的實驗方法，它可較細致地反映同出金屬在各部位和各階段的流動情況。此法的實驗操作程序是：（1）將圓柱形錠坯沿子午面縱向剖分成兩半。取其一半，在剖面上均勻刻畫出正方網格。網格大

21、小取決于金屬品種、試件尺寸和測試手段。條件允許時可采用0.25mm線距，一般可采用1-3mm。（2）在刻痕溝槽中充填以耐熱物質，如石墨、高嶺土、氧化鋅或粉筆灰等，或嵌入金屬絲。然后將水玻璃涂在剖面上以防止擠壓時粘結，最后用螺栓固定住試樣。（3）按要求進行不完全擠壓。（4）取出試樣，打開，觀測網格的變化。三、 實驗方法和步驟1試樣：3525剖分鋁試樣2實驗設備、工具和輔助材料設備：600KN油壓機或萬能材料試驗機，擠壓模具；工具：畫針、直尺、150mm游標卡尺；輔助材料：潤滑劑3實驗步驟取3525剖分鋁試樣一個，在剖面上畫出22mm的坐標網絡，然后合起來放入圖1所示模具中，用30的沖頭進行擠壓，

22、此為復合擠壓。控制實驗機的壓縮行程及壓力，當達到穩(wěn)定流動后（約壓縮1215mm），即取出試樣，描繪剖面上其網格變化。圖1 擠壓模具及實驗示意圖取同樣剖分鋁試樣一個，畫好網格，放入模具中，用36沖頭擠壓，此為正擠壓。完全按第一步驟進行同樣的操作。取同樣剖分鋁試樣一個，畫好網格，放入模具中，用30沖頭擠壓，并將凹模換成實心墊塊，進行擠壓，此為反擠壓，仍然按第一步驟進行同樣的操作。四、 實驗報告內容1描繪變形后坐標網格圖；2繪制壓力-行程曲線；3分析三種不同擠壓方式的變形特點有什么不同，以下幾種因素：摩擦、凹模入口角、變形程度、毛坯尺寸、變形速度對擠壓變形有何影響；4分析比較三種不同方式的擠壓變形力

23、的數(shù)值有什么特點，數(shù)值上的差異受哪些因素的影響；5應用主應力法或滑移線對上述擠壓應力進行理論計算，并與實驗結果進行比較。實驗五 圓環(huán)鐓粗法測定摩擦系數(shù)一、 實驗目的1根據圓環(huán)鐓粗后的變形，了解摩擦對金屬流動的影響。2通過實驗掌握實際測定摩擦系數(shù)的方法。3分析鐓粗對材料組織的影響，并與鑄態(tài)情形進行比較。二、 實驗內容說明1塑性加工過程中摩擦的特點凡是物體之間有相對運動或有相對運動的趨勢就有摩擦存在。前一種是動摩擦，后一種是靜摩擦。在機械傳動過程中，主要是動摩擦。在塑性加工過程中的摩擦，雖然也是由兩物體間相對運動產生的，但與一般機械傳動中的摩擦有很大差別。（1）接觸面上壓強高 在塑性加工過程中，接

24、觸面上的壓強一般在100MPa以上。在冷擠壓和冷軋過程中可高達2500-3000MPa。而一般機械傳動過程中，摩擦副接觸面上的壓強僅20-40MPa。由于塑性加工過程中接觸面上的壓強高，隔開兩物體的潤滑劑容易被擠出，降低了潤滑效果。（2） 真實接觸面積大在一般機械傳動中，由于接觸表面凹凸不平，因而，實際接觸面積比名義接觸面積小得多。而在塑性加工過程中，由于發(fā)生塑性變形，接觸面上凸起部分會被壓平，因而實際接觸面積接近名義接觸面積。這使得摩擦阻力增大。（3）不斷有新的摩擦面產生在塑性加工過程中，原來非接觸表面在變形過程中會成為新的接觸表面。例如，鐓粗時，由于不斷形成新的接觸表面，工具與材料的接觸表

25、面隨著變形程度的增加而增加。此外，原來的接觸表面，隨著變形程度的進行可能成為非接觸表面。例如，板材軋制時，軋輥與板材的接觸表面不斷變?yōu)榉墙佑|表面向前滑出。因此，要不斷給新的接觸表面添加潤滑劑。這給潤滑帶來困難。（4）常在高溫下發(fā)生摩擦在塑性加工過程中，為了減少變形抗力，提高材料的塑性，常進行熱加工。例如，鋼材的鍛造加熱溫度可達到800-1200。在這種情況下，會產生氧化皮，模具軟化，潤滑劑分解，潤滑劑性能變壞等一系列問題。2摩擦對塑性加工過程的影響摩擦對塑性加工過程的影響，既有有利的一面，也有不利的一面。軋制時，若無摩擦力，材料不能連續(xù)進入軋輥，軋制過程就不能進行。在摩擦力起積極作用的擠壓過程

26、中，浮動凹模與坯料之間的摩擦力有助于坯料運動，使變形過程容易進行。又如板料拉深時，有意降低凸模圓角半徑處的光潔度，以增加該處的摩擦力，使拉深件不易在凸模圓角處流動，以免引起破裂。但是，對多數(shù)塑性加工過程，摩擦是有害的，主要表現(xiàn)在以下方面：（1）增加能量消耗在塑性加工過程中，除了使材料發(fā)生形狀改變消耗能量外，克服摩擦力也要消耗能量。這部分能量消耗是無用的，有時這部分能量消耗可占整個外力所做功的50%以上。（2）改變應力狀態(tài)，增加變形抗力單向壓縮時，如工具與工件接觸面上不存在摩擦，工件內應力狀態(tài)為單向壓應力狀態(tài)。當接觸面上存在摩擦時，工件內應力狀態(tài)成為三向壓應力狀態(tài)。同時摩擦也引起接觸面上應力分布

27、狀況的改變。無摩擦均勻壓縮時，接觸面上的正應力均勻分布；存在摩擦時，接觸面上的正應力呈中間高兩邊低的狀況。摩擦會使變形抗力提高，從而增加能量消耗和影響零件的質量。摩擦使金屬流動阻力增加，坯料不易充滿型腔。對于軋制過程，由于摩擦使變形抗力提高，軋輥的彈性變形加大，同時使軋輥之間的縫隙中間大、兩邊小，其結果是軋件中間厚兩邊薄。（3）引起變形不均勻在擠壓實心件時，由于外層金屬的流動受到摩擦阻力的影響，出現(xiàn)了流動速度中間快邊層慢的現(xiàn)象，嚴重時會在擠壓件尾部形成縮孔。有時，摩擦引起的變形不均勻會產生附加應力，使制件在變形過程中發(fā)生破裂。（4）加劇了模具的磨損，降低模具的壽命摩擦產生的熱使模具軟化，摩擦使

28、變形抗力提高，從而導致模具的磨損加劇。3影響摩擦系數(shù)的主要因素（1）金屬的種類和化學成分不同種類的金屬，其表面硬度、強度、氧化膜的性質以及與工具之間的相互結合力等特性各不相同，所以摩擦系數(shù)也不相同。即使同一種金屬，當化學成分不同時，摩擦系數(shù)也不相同。一般來說，材料的強度、硬度愈高，摩擦系數(shù)愈小。（2）工具表面粗糙度 通常情況下，工具表面越粗糙，變形金屬的接觸表面被刮削的現(xiàn)象愈大，摩擦系數(shù)也愈大。 （3）接觸面上的單位壓力 單位壓力較小時，表面分子吸附作用小，摩擦系數(shù)保持不變，和正壓力無關。當單位壓力達到一定值后，接觸表面的氧化膜破壞，潤滑劑被擠掉，坯料和工具接觸面間分子吸附作用愈益明顯，摩擦系

29、數(shù)便隨單位壓力的增大而增大。但增大到一定程度，便穩(wěn)定了。 （4）變形溫度 一般認為在室溫下變形時，金屬坯料的強度、硬度較大，氧化膜薄，摩擦系數(shù)最小。隨著溫度升高，金屬坯料的強度硬度降低，氧化膜增厚，表面吸附力、原子擴散能力加強；同時高溫使?jié)櫥瑒┬阅茏儔模?，摩擦系?shù)增大。到某一溫度，摩擦系數(shù)達到最大值。此后，溫度繼續(xù)升高，由于氧化皮軟化和脫落，氧化皮在接觸面間起潤滑劑的作用，摩擦系數(shù)卻下降了。（5）變形速度 由于變形速度增大，使接觸面相對運動速度增大，摩擦系數(shù)便降低。4圓環(huán)鐓粗法原理圖1 測定摩擦因子用的標定曲線這種方法適于測定體積成形過程中的摩擦系數(shù)或摩擦因子。采用這種方法時，將幾何尺寸（

30、指外徑、內徑、高度的比值）一定的圓環(huán)放在平板之間進行壓縮。壓縮后圓環(huán)內、外徑的變化情況與平板接觸面上的摩擦情況關系很大。理論分析結果與實驗結果表明，圓環(huán)的內徑變化對接觸面上摩擦情況的變化比較敏感。如果接觸面上不存在摩擦，則圓環(huán)壓縮時的變形情況和實心圓柱體一樣，其中各質點在徑向均向外流動，流動速度與質點到對稱軸之間的距離成正比，當接觸面上的潤滑情況很差時，壓縮后圓環(huán)的內徑將減?。蝗绻佑|面上的潤滑情況較好，則壓縮后圓環(huán)的內徑將增大。因此，采用圓環(huán)鐓粗法時，是以壓縮后圓環(huán)的內徑變化來確定摩擦系數(shù)或摩擦因子的。假設圓環(huán)的幾何尺寸為外徑：內徑：高度=6:3:2，高度壓縮30%后內徑變化率為-10%。根

31、據上述數(shù)據，在相應標定曲線上（如圖1所示）就可得一點。從圖1可以看出，該點與m=0.10的曲線最為接近，因而可以認為對所考慮的情況，m=0.10 。三、 實驗方法和步驟1試樣 試樣為工業(yè)純鋁，制成環(huán)狀，其外圓、內徑、高度比值為6：3：2，具體尺寸如圖2所示。 圖2 圓環(huán)試樣 2實驗設備、工具及輔助材料設備：600KN和1000KN萬能材料試驗機；工具：150mm游標卡尺、墊板；輔助材料：MoS2油膏3實驗步驟取圓環(huán)鋁試樣兩個，分別在不同摩擦條件下（一個用油膏，一個不用油膏），在兩平板間進行壓縮，圓環(huán)要放在平板中心，保證變形均勻。每次壓縮量為15%左右，然后取出擦凈測量變形后的圓環(huán)尺寸（外徑、內

32、徑、高度）。注意測量時測量圓環(huán)內徑的上、中、下三個直徑尺寸，取其平均值。重復進行上述步驟三次，控制總壓縮量在50%。根據所獲得的內徑、高度數(shù)據，查預習要求中指定教材的圖9-10，得出摩擦系數(shù)值。四、 實驗報告內容1列表填寫實驗數(shù)據（分加潤滑劑和未加潤滑劑）；2計算、并查對校正曲線，得出實驗結果3分析不同摩擦條件對圓環(huán)變形分布的影響4對測定摩擦系數(shù)的誤差因素進行分析5通過金相分析，繪制出鐓粗前后材料的組織特征，并說明有何不同。6討論本實驗方法有什么優(yōu)缺點 實驗六 圓柱體鐓粗時接觸面上的正應力分布一、 實驗目的1了解圓柱體鐓粗時，接觸面上正應力分布情況，以及應力曲線形狀和應力值與摩擦系數(shù)及鐓粗后的

33、尺寸D/h值有關。2應用電測法直接測出接觸面上的應力值與應力分布規(guī)律，并與理論計算公式的計算值進行比較。二、 實驗內容說明 金屬塑性加工理論的基本任務之一是對各種塑性成形工序進行力學分析和確定工序變形力，以作為合理選用成形設備、正確設計模具和制訂工藝規(guī)程的主要理論依據。除了實驗方法外，工程上一般還采用一些近似的方法來求解變形力，如主應力法等。1主應力法的基本原理通過對應力狀態(tài)作一些近似假設，建立以主應力表示的簡化平衡方程和塑性條件，使求解過程大大簡化。其基本假設為：（1）把問題簡化為平面問題或軸對稱問題，對于形狀復雜的變形體，可以把它劃分為若干部分，每一部分分別按平面問題或軸對稱問題處理。 （

34、2）根據變形時金屬流動的方向，沿變形體整個（或部分）截面切取一個包含接觸面在內的基元體，且設作用于該基元體上的正應力與一個坐標無關并為均勻分布的主應力，接觸面上的摩擦力用庫侖摩擦條件或常摩擦條件表示。根據基元體的靜力學平衡條件，得到一個簡化的應力平衡微分方程。（3）應用塑性條件時，假設接觸面上的正應力為主應力，即忽略摩擦力對塑性條件的影響，從而使塑性條件大大簡化。將經過簡化的平衡微分方程和塑性條件聯(lián)立求解，并利用邊界條件確定積分常數(shù)求得接觸面上的應力分布，進而求得變形力。2圓柱體鐓粗變形力計算在均勻變形假設條件下，圓柱體在壓縮過程中不會出現(xiàn)鼓形，因此，圓柱體鐓粗屬于軸對稱問題，宜采用圓柱坐標。

35、如圖1所示，設為圓柱體的高度，為半徑，為徑向正應力，為子午面上的正應力，為接觸表面上的摩擦切應力。從變形體中切取一高度為、厚度為、中心角為的單元體。沿徑向列出單元體的靜力平衡方程忽略高次微量，并且有，整理后可得 (1)為了求解式(1)，需要確定與之間的關系。在均勻變形條件下，圓柱體壓縮時產生的徑向應變?yōu)?周向應變?yōu)?即，由應力應變關系式可得，代入式(1)，可得 (2)仍假設接觸表面上的摩擦切應力服從庫侖摩擦定律，則有 (3)式中，為工具作用在圓柱體上的單位壓力。在式(3)中包含有方向上的應力和工具作用在圓柱體方向上的單位壓力，與變形力有關的是。為了消除，需要引入屈服準則式（4）： (4)由于，

36、式（2.4）中。為壓縮應力，同樣有，代入式(4)，可得 (5)因實際上不是主應力，式(5)為近似屈服準則。對式(5)微分后得 （6）將上式（6）代入式(3)，可得 (7)將式(7)積分后，可得 (8)應力邊界條件為：當時，由屈服準則式(5)可知將上式代入式(8)，可得將上式再代入式(8)，可得 (9)變形力為 (10)平均壓力為 (11)三、 實驗方法和步驟1試樣6020鋁試樣2實驗設備與工具圖2 專用測力板設備：600KN油壓機或萬能材料試驗機；專用測力板（內裝各點測力傳感器）一套，圖2所示YJ-5型靜態(tài)電阻應變儀；P20R-5型預調平衡箱一臺。工具：150mm游標卡尺；光滑墊板。3實驗步驟

37、測量試樣的原始尺寸，并把試樣對準中心放在專用測力板上，如圖2所示； 預熱并調整應變儀；將應變儀與平衡箱連接，使專用測力板中各應變片接到預調平衡箱上A、B、C、D四個接線柱上（注意接橋方式）； 根據應變片包盒上給出的K值，把應變儀靈敏系數(shù)盤調節(jié)到相同位置，并預調1、2、3、7各點的平衡；對試樣進行壓縮，控制變形量為30%，50%，70%，并記錄每種變形程度下1、2、3、4、5等點的應變讀數(shù)和試驗機上顯示的鐓粗總壓力P值，注意：當加載時，應變儀上指針偏轉，根據估計應變量大小，調節(jié)讀數(shù)橋各擋，使指針回零，各調節(jié)器所指讀數(shù)的代數(shù)和即為應變讀數(shù)。最后測量變形后試樣的尺寸及變形測量點的位置。四、 實驗報告

38、內容1列表填寫實驗數(shù)據（包括各種變形程度下，每點的應變值和總壓力值P）;2將所測量的應變值計算成應力值，并把各點應力連成光滑曲線。（ 鋁的彈性模量E=1.6104MPa）3根據鐓粗后試件尺寸按理論公式進行計算并與實驗結果進行比較。 實驗七 冷卻速度對鋼組織與性能的影響一、 實驗目的1 了解T8鋼、45鋼各自在相同奧氏體化溫度下，以不同的冷卻速度（水冷、油冷、爐冷、空冷）進行冷卻時對其組織與性能的影響。2 識別鋼中珠光體、索氏體、屈氏體、貝氏體的組織形態(tài)特征。二、 實驗原理將鋼加熱奧氏體化后，以不同的冷卻速度進行冷卻，將會發(fā)生不同的轉變，得到不同的組織，因而具有不同的性能。工業(yè)生產上采用水淬、油

39、淬、正火等工藝操作實質上是通過水冷、油冷、空冷等冷卻方式來獲得不同的冷卻速度，從而獲得所需的組織與性能。三、 實驗裝置1 中溫電爐、水桶和油桶2 硬度計3 金相顯微鏡四、 實驗方法1觀看電影錄像，了解使用膨脹儀制作CCT曲線的過程；2每組四人，每人領取樣品一只（45鋼或T8鋼），將試樣用鉛絲扎好。將試樣同時放入已升溫到900的電爐中，保溫10分鐘后，取出進行水冷、油冷、空冷及爐冷（實驗室已制備好）。淬火時注意制鉗夾住鉛絲，不要夾住樣品，以免降低冷卻速度；3將試樣用砂紙磨光，測定硬度并記錄下來；4制備金相試樣，觀察其金相組織，再對照觀察實驗室所做的金相試樣，繪出一種鋼號的五種金相組織（水冷、油冷

40、、空冷、爐冷、原始組織）。為了便于觀察組織，本實驗中采用高于正常的淬火加熱溫度。五、 實驗報告要求1 實驗目的；2 實驗方法與注意事項；3 實驗結果（T8鋼、45鋼經不同冷卻速度后的硬度值與金相組織示意圖）；4 討論：根據T8鋼與45鋼的連續(xù)冷卻轉變曲線（CCT曲線）與水冷、油冷、正火、退火相應的大致冷卻曲線的相應位置對組織與性能的影響。T8鋼CCT曲線45鋼CCT曲線實驗八 鋼中馬氏體、貝氏體組織形貌的識別 及不同回火溫度對淬火鋼組織的影響一、 實驗目的：馬氏體、貝氏體及回火組織是鋼中常見的非平衡組織，不同的鋼化學成分、奧氏體化溫度及冷卻條件，其馬氏體、貝氏體及回火組織有不同的組織形貌及不同

41、的性能。1、 觀察鋼中馬氏體和貝氏體的金相形貌，提高對組織的識別能力。2、 觀察不同回火溫度后金相組織。3、 進一步分析各類組織的形成條件及其對性能的影響。二、 實驗原理：1、 貝氏體的組織形態(tài)：在碳鋼和一般合金鋼中，貝氏體分上貝氏體、下貝氏體和粒狀貝氏體三種。（1）、上貝氏體：在一般中、高碳鋼中，上貝氏體在350550之間形成。上貝氏體形態(tài)：在光學顯微鏡下可看到成束的長短不一的鐵素體，從晶界向晶內，形態(tài)如羽毛狀。在電子顯微鏡下可看到在鐵素體之間有斷續(xù)分布的滲碳體。在透射電鏡中可進一步看到鐵素體條內部有位錯存在，位錯密度隨貝氏體的相變溫度降低而增大。上貝氏體鐵素體的寬度比相同溫度下形成的珠光體

42、鐵素體為大。上貝氏體形成時會在試樣的拋光表面形成浮凸現(xiàn)象。（2）、下貝氏體：典型的下貝氏體是片狀鐵素體和其內部沉淀析出碳化物的組織，在一般中、高碳鋼中，其形成溫度為350Ms。下貝氏體的形態(tài)：在光學顯微鏡下，下貝氏體為多向分布的成凸透鏡狀的黑色片狀組織，在電鏡下可看到在鐵素體片內部有呈粒狀、短條狀的細小碳化物，沿與鐵素體片長軸呈5565度夾角的方向排列，其鐵素體片內具有比上貝氏體內更高的位錯密度。下貝氏體與回火馬氏體不同。兩者碳化物的分布方向有所不同：下貝氏體中的碳化物在一個鐵素體片內沿同一方向排列，而回火馬氏體中的碳化物可有不同的排列方向。一般下貝氏體比回火馬氏體更易浸蝕，在同一磨面上，下貝

43、氏體顯得更黑一些。上、下貝氏體間的區(qū)別是：上貝氏體的鐵素體呈條狀，碳化物斷續(xù)分布于鐵素體條間，而下貝氏體則呈鐵片狀，其碳化物小片則分布于鐵素體體片內，碳化物的尺寸也更細??；上貝氏體的鐵素體條一般是平行的，而下貝氏體鐵素體片間常互成夾角，下貝氏體形成時在試樣拋光表面亦有形成浮凸的現(xiàn)象。（3）、粒狀貝氏體：低、中碳合金鋼在連續(xù)冷卻時往往會出現(xiàn)粒狀貝氏體，其形態(tài)為：條狀或塊狀的鐵素體內分布著許多孤立的“小島”，其形態(tài)曲折多樣，經電鏡分析，這些“小島”內含有富碳奧氏體，也有的已部分分解出鐵素體和滲碳體或轉變?yōu)轳R氏體和殘余奧氏體。2、 馬氏體的組織形態(tài)：碳鋼中的馬氏體基本形態(tài)為條狀馬氏體和片狀馬氏體。低

44、碳鋼淬火后得到的是一束束平行排列的條狀馬氏體，馬氏體條的橫截面的平均直徑小于1微米（通常約為0.10.2微米），其長度有幾微米，這一條條馬氏體平行排列起來稱為馬氏體束（或稱“領域”），每束內的馬氏體條以小角度界面分開。束與束（“領域”）之間具有較大的位向差。一個奧氏體晶粒內一般可形成46個的馬氏體束。經透射電鏡觀察，條狀馬氏體內的亞結構為高密度的位錯，位錯密度達1010cm/cm2,故它又稱為位錯馬氏體。低碳的條狀馬氏體由于轉變溫度（Ms點）較高，冷卻過程中容易產生自回火現(xiàn)象，在馬氏體條內或條間析出碳化物，故其金相組織顯示出較易受浸蝕。高碳鋼淬火后的馬氏體呈片狀。其立體形態(tài)近似呈凸透鏡狀，在顯

45、微鏡下觀察試樣磨面上的片狀馬氏體形態(tài)，僅是它的一個橫截面。片狀馬氏體未發(fā)生自回火較難受浸蝕。在透射電鏡下可看到片狀馬氏體的亞結構主要是相變孿晶，孿晶的間距約在50左右，故它又稱孿晶馬氏體。馬氏體的形態(tài)與鋼的含碳量和轉變溫度（Ms點）有關，隨著鋼中含碳量的增加，Ms溫度降低，條狀馬氏體量相對減少，而片狀馬氏體量相對增加；當奧氏體內含碳量小于0.2%時，淬火后幾乎全是條狀馬氏體。當奧氏體內含碳量大于1%時，淬火后幾乎全部得到片狀馬氏體。奧氏體內含碳量在0.4%0.8%之間時，則是兩種馬氏體的混合組織。鋼中合金元素除鈷以外都降低Ms點，增大鋼淬火時獲得片狀馬氏體（即孿晶化）的傾向。奧氏體化溫度將影響

46、鋼的奧氏體晶粒大小、奧氏體中碳和合金元素的含量，從而影響Ms溫度，進而將影響馬氏體組織形態(tài)及尺寸。當奧氏體化溫度較低，奧氏體晶粒細小，淬火后得到的細小馬氏體組織稱為隱晶狀馬氏體，此時金相組織中已看不出馬氏體的針片狀形態(tài)。高碳鋼正常淬火組織都希望獲得隱晶狀馬氏體，此時金相組織中已看不出馬氏體的針片狀形態(tài)。高碳鋼正常淬火組織都希望獲得隱晶狀馬氏體次細小顆粒狀碳化物，具有較高強韌性和耐磨性。3、 鋼的回火組織形態(tài)：淬火鋼在回火過程中隨回火溫度的升高，依次分別轉變?yōu)榛鼗瘃R氏體、回火屈氏體、回火索氏體。(1)、回火馬氏體：淬火鋼在150250低溫回火后，在中、高碳鋼中由于馬氏體中碳化物的析出和殘余奧氏體

47、的部分分解，而得到回火馬氏體?；鼗瘃R氏體仍保持片、條狀形態(tài)，電鏡中可看到其上分布有細小的碳化物；而低碳鋼的回火馬氏體條上只有碳原子的偏聚，而無碳化物析出，若回火溫度稍高則直接析出滲碳體。(2)、回火屈氏體：淬火鋼在350500中溫回火后，即得到回火屈氏體，它仍保持著原來馬氏體片、條狀的外形，但碳化物已聚集長大成滲碳體的小顆粒，馬氏體基體中已發(fā)生回復，位錯密度降低，孿晶逐漸消失。(3)、回火索氏體：淬火鋼在500650高溫回火后，即得到回火索氏體。其滲碳體顆粒比回火屈氏體又進一步聚集長大，而基體得馬氏體外形已消失，但碳化物得排列仍遺留著馬氏體條片的痕跡。次時馬氏體基體已部分發(fā)生再結晶。鋼淬火后隨

48、著回火溫度的升高，強度和硬度逐漸下降，而塑性則相應提高。三、 實驗內容：1、 預習本實驗指導書和有關的講課、教材內容。2、 認真觀察下列金相樣品的顯微組織，并描繪其中經指定的某些樣品的組織。(1) 40鋼：760水淬，鐵素體+馬氏體；(2) 40鋼：840空冷，珠光體+索氏體（少量）；(3) 40鋼：880油冷，馬氏體+屈氏體+上貝氏體（少量）；(4) 40鋼：840水淬，條狀馬氏體+片狀馬氏體；(5) 20鋼：1010水淬，粗大片狀馬氏體；(6) 40鋼：1020水淬，粗大片狀馬氏體+條狀馬氏體；(7) T12鋼：780水淬，粒狀碳化物+隱晶馬氏體；(8) T12鋼：1020水淬，粗大片狀馬

49、氏體；(9) 65Mn：930加熱后在450等溫30秒再水冷，上貝氏體+馬氏體；(10) 65Mn：930加熱后在320等溫8分后，下貝氏體+馬氏體；(11) 40鋼：840水淬+150回火，回火馬氏體；(12) 40鋼：840水淬+400回火，回火屈氏體；(13) 40鋼：840水淬+600回火，回火索氏體；(14) 921鋼：1020空冷，粒狀貝氏體。四、 實驗儀器及材料：金相顯微鏡。上述全套金相樣品及金相組織照片。五、 實驗報告要求：1、 實驗目的；2、 實驗觀察結果，包括描繪指定的顯微組織（用鉛筆畫在35mm白紙上，再剪切在實驗報告上）；3、 實驗結果的分析討論與個人體會。六、 思考討

50、論題：1、 珠光體、貝氏體和馬氏體類型的組織其形貌上有何差別？為什么有這些差別？2、 不同奧氏體化溫度和冷速對鋼的淬火組織有些什么影響？為什么會有影響？3、 奧氏體中的含碳量對馬氏體的形態(tài)有何影響？4、 幾種回火組織之間有些什么差別？實驗九 鋼的淬透性測定一、 實驗目的：1通過實驗，掌握端淬實驗方法，具體測定45鋼及40Cr鋼的端淬曲線并加以比較，對淬透性的概念加深理解，及從實驗所得的端淬曲線求出兩種鋼的臨界淬火直徑。2分析淬火溫度對T10鋼淬硬層深度的影響。二、 實驗原理：淬透性是鋼重要工藝性能之一，是評價鋼的重要指標。因為淬透性的大小直接影響到機械性能，特別是對于一些要求綜合性能較高的機械

51、零件，總是希望采用淬透性好的材料來制造。所以了解和掌握淬透性的測定方法是具有實際意義的。三、 實驗方法和步驟：1、 端淬法：（每組4人測定兩種鋼種45鋼和40Cr或T10鋼及GCr15鋼）(1) 把試樣放入預先加熱到規(guī)定溫度（亞共析鋼，Ac33050，過共析鋼Ac13050）的電爐中加熱，到溫（看顏色），保溫30分鐘。(2) 然后用鉗子鉗住試樣頂頭（=30）處，很快地（時間不超過5秒）將試樣放在端淬設備架子上，立即打開水龍頭對試樣一端（=25）進行噴水冷卻，如圖1所示。噴水過程必須仔細控制水柱的穩(wěn)定性，噴水時間不得少于10分鐘，然后將試樣投入水中冷卻（為了固定冷卻條件，規(guī)定：噴口直徑12.5m

52、m，噴口離試樣距離12.5mm，噴水柱的自由高度為6510mm，冷卻水溫不超過25）。 =30100mm12.5 硬度 12.5 水離淬火端距離 圖. 1 圖. 2 (3) 試樣全部冷卻后，在試樣側面磨出一條寬為25mm的平面，放在專用夾具上進行硬度測試，專用夾具上帶有刻度，每格為1.5mm處，測定一次硬度，依次向內推進，直到硬度值穩(wěn)定為止，將硬度值、淬火端距離關系劃在方格紙上，便得到所謂的端淬曲線（如圖2），我們由此定性地估計出鋼的淬透性高低。注：試驗中應注意的問題：a、 為了防止試樣在加熱時頂端脫碳，所以將試樣放在一套筒內，筒內裝有木炭加以保護，到溫取出后很快地將試樣頂端的木炭屑去除干凈。b、 端