金相組織分析試驗-機械工程綜合訓(xùn)練中心-南京農(nóng)業(yè)大學(xué)

1、鑄造合金與熔煉班級：姓名：學(xué)號：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院機械工程系機械制造教研室編2006年10月 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 實驗一鑄鋼及鑄鐵金相組織觀察1. HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 一、實驗?zāi)康?.二、實驗原理1. HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 三、實驗設(shè)備和材料4. HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 四、實驗內(nèi)容與步驟4. HYPERLINK l book

2、mark12 o Current Document 五、注意事項6. HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 六、實驗報告6. HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 實驗二鋁-硅合金變質(zhì)處理及金相組織觀察 7 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 一、實驗?zāi)康?.二、實驗原理7. HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 三實驗設(shè)備和材料8. HYPERLINK l bookmark24 o Current Docum

3、ent 四、實驗內(nèi)容與步驟8. HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 五、注意事項 9. HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 六、實驗報告9. HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 七、思考題9.鑄造合金及其熔煉實驗指導(dǎo)書實驗一鑄鋼及鑄鐵金相組織觀察一、實驗?zāi)康牧私馐褂弥蓄l感應(yīng)電爐熔煉鑄鋼和鑄鐵的過程。 熟悉鑄鋼和鑄鐵鑄件和試樣的制作（砂型澆注） 了解鑄鋼和鑄鐵的金相組織，力學(xué)性能。實驗原理1、熔煉感應(yīng)電爐熔煉是利用交流電感應(yīng)的作用，使培竭內(nèi)的金屬爐料本身

4、發(fā)出熱量, 將其熔化，并進一步使液體金屬過熱的一種熔煉方法。感應(yīng)電爐依其構(gòu)造分為 無芯式和有芯式兩種類型。圖1-1無芯感應(yīng)電爐的工作原理1 一感應(yīng)器 2 一川煙 3 一鋼液（或爐料）一感應(yīng)器中瞬間電流方向一鋼液（或爐料）中產(chǎn)生感應(yīng)電流方向煉鋼用的是無芯式感應(yīng)電爐，具工作原理示如圖1-1。在一個耐火材料筑成的培竭外面，有螺旋形的感應(yīng)器（感應(yīng)線圈）。在煉鋼過程中，盛裝在培竭內(nèi) 的金屬爐料（或熔化成的鋼液），尤如插在線圈中的鐵芯。當(dāng)往線圈中通以交流 電時，由于感應(yīng)作用，在爐料（或鋼液）內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并因此感生感應(yīng) 電流（渦流）。由于爐料（或鋼液）本身有電阻，故在渦流通過時會發(fā)出熱量。感應(yīng) 電爐

5、煉鋼所需的熱量就是利用這種原理產(chǎn)生的。無芯感應(yīng)電爐的構(gòu)造實驗鑄鋼及鑄鐵金相組織觀察無芯感應(yīng)電爐主要由兩個部分構(gòu)成：爐體部分和電氣部分。爐體部分的構(gòu)造如圖1-2所示。當(dāng)交流電通過感應(yīng)器時，在感應(yīng)器的內(nèi)部空間中便產(chǎn)生了交圖1-2感應(yīng)電爐爐體部分構(gòu)造圖1 一水泥石棉蓋板 2耐火磚上框 3一搗制片堪 4玻璃絲絕緣布 5 一感應(yīng)器6 一水泥石棉防護板 7 耐火磚底座 8 一不銹鋼制（不感磁）邊框 9 一轉(zhuǎn)軸變磁通。交變磁通在金屬爐料（或鋼液）內(nèi)引起感應(yīng)電動勢，在垂直于磁通的平 面上產(chǎn)生渦流t從而起加熱作用。感應(yīng) 電動勢的大小與磁通及電流頻率有關(guān), 其關(guān)系式如下E = 4.44 Nf (V)式中 一磁通（

6、Wb）;N 感應(yīng)器匝數(shù);f 交流電頻率（Hz）由式可見，增大磁通和提高交流電頻率，能夠提高感應(yīng)電動勢。在爐料（鋼液）內(nèi)部，磁通的分布并不是均勻的，而是愈靠近外層（地竭壁）, 磁通密度愈大，愈靠近地竭的中心線，磁通密度愈小，因此在外層中產(chǎn)生的感 應(yīng)電動勢和電流比里層來得大，這就是所謂的“集膚效應(yīng)”。由于這種電流密度 不均勻現(xiàn)象的存在，使得培竭內(nèi)爐料（鋼液）外層的發(fā)熱量大于里層。采用的電 流頻率愈高，“集膚效應(yīng)”愈顯著，則發(fā)熱愈是集中于外層。因此，對于大直徑 （大容量）的培竭來說，如果采用高頻率，則在爐料中將只有一個筒狀的外層中鑄造合金及其熔煉實驗指導(dǎo)書發(fā)出較多的熱量，而里層發(fā)熱很少。在這種情況下

7、，加熱的效果低。為此應(yīng)使 電流頻率與培竭直徑（爐子容量）相適應(yīng)。即爐子的容量大時，所采用的電流頻 率應(yīng)該低些。這即是感應(yīng)電爐的用電頻率與其容量之間有一定對應(yīng)關(guān)系的道理。 無芯感應(yīng)電爐依照所采用不同的電流頻率范圍，可分為高頻感應(yīng)電爐、中頻感 應(yīng)電爐和工頻感應(yīng)電爐三種類型。2、鑄造碳鋼的結(jié)晶過程和鑄態(tài)組織結(jié)晶過程鑄造碳鋼屬于亞共析鋼，其結(jié)晶過程可分為兩個階段，即一次結(jié)晶和 二次結(jié)晶。一次結(jié)晶：當(dāng)鋼液溫度降至液相線時，有高溫鐵索體 （AFe）析出。溫度下 降至包晶溫度時，發(fā)生包品轉(zhuǎn)變，生成奧氏體，溫度繼續(xù)下降，穿過L+丫區(qū)時， 又有奧氏體自鋼液中析出，此析出過程進行到固相線溫度為止。二次結(jié)晶：當(dāng)溫度

8、下降至GS線與PS線之間的區(qū)域時，有先共析鐵索體相 析出。隨著a相的析出，剩余奧氏體的含碳量上升。當(dāng)溫度達到共析轉(zhuǎn)變溫度 時，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體。結(jié)晶過程完了后，鋼的組織基本上不再變化。鑄態(tài)組織碳鋼鑄件的鑄態(tài)組織的特征是晶粒粗大，有些情況下還存在魏氏（或網(wǎng)狀）組織。圖1-3 鑄鋼件斷面上晶區(qū)分布示意圖I 一細等軸晶區(qū) II 一柱狀晶區(qū) iii 一粗等軸晶區(qū)與熱處理后的組織相比，鑄態(tài)組織的晶粒較粗大，而且存在柱狀晶區(qū)，鑄 件斷面上典型的晶粒分布見圖62。晶粒的粗細和晶粒的形態(tài)對鋼的性能有重 要的影響。晶粒粗大則晶界的比表面積較小，因而鋼的強度較低。柱狀晶具有 各向異性，在其橫向上的力學(xué)性能

9、特別是韌性較低。在經(jīng)受外力沖擊作用時，實驗鑄鋼及鑄鐵金相組織觀察易沿晶界發(fā)生斷裂。這種鑄態(tài)組織特征在厚壁鑄件上表現(xiàn)得尤為明顯。鑄件壁 越厚，則鑄態(tài)下的性能越差。碳鋼在鑄態(tài)下力學(xué)性能低，特別是不耐沖擊是鑄 鋼件必須經(jīng)過熱處理后才能使用的基本原因。3、鑄鐵的結(jié)晶和石墨化鑄鐵從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的一次結(jié)晶過程，包括初析和共晶凝固兩個階段。當(dāng)過共晶成分的鐵液冷卻時，先遇到液相線，在一定的過冷下便會析出初 析石墨的晶核，并在鐵液中逐漸長大。由于結(jié)晶時的溫度較高，成長的時間較 長，又是在鐵液中自由地長大，因而常常長成分枝較少的粗大片狀。當(dāng)凝固在平衡條件下進行時，只有當(dāng)化學(xué)成分為亞共晶時才會析出初析奧 氏體。其

10、實在非平衡條件下，鑄鐵中存在一個共生生長區(qū)，而且偏向石墨的一 方，因而在實際情況下，往往共晶成分，甚至過共品成分的鑄鐵在凝固過程中 亦會析出初析奧氏體。在液相線溫度以上，鐵液處于全液態(tài)，當(dāng)液體冷卻到液相線溫度以下時， 奧氏體枝晶便開始析出并長大，當(dāng)進入共晶階段后，液體中開始形成共晶團,此時初析奧氏體還會繼續(xù)長大，效量也有增加。鑄鐵在一次結(jié)晶過程中確定了石墨的形態(tài)、大小和分布狀況，以及初生 的晶粒大小。在發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變時只確定了共晶團的數(shù)量和大小，并不改變石墨 的形態(tài)。但奧氏體冷卻至共析轉(zhuǎn)變溫度以下，并達到一定過冷度后，就開始共析轉(zhuǎn) 變，既鑄鐵的二次結(jié)晶。鑄鐵在二次結(jié)晶過程中，在不同的冷卻條件下到

11、到不 同的機體組織，鐵素體、珠光體或二者的混合物。三、實驗設(shè)備和材料中頻感應(yīng)電爐一臺；普通濕砂型鑄造條件，鑄鐵、鑄鋼用材料若干，相關(guān) 實驗室等。四、實驗內(nèi)容與步驟1、了解鑄造工藝根據(jù)所給零件圖紙，了解零件的鑄造工藝，包括澆注位置、分型面的確定, 澆注系統(tǒng)的設(shè)計與計算，冒口的設(shè)計與計算；鑄造工藝圖，鑄造工藝卡。2、造型鑄造合金及其熔煉實驗指導(dǎo)書用準(zhǔn)備好的型砂造型，每箱l個鑄件和2個拉伸試樣的單鑄試棒。注意需 用同一包 爐）鐵水進行澆注。3、配料及準(zhǔn)備工作根據(jù)零件的材質(zhì)（牌號），確定化學(xué)成分，然后根據(jù)原材料（爐料）的化學(xué) 成分（表1-1）和中頻爐熔煉元素的燒損率（表 1-2）進行配料計算。表1-1

12、原材料化學(xué)成分材料CSiMnSP其它表1-2合金元素?zé)龘p率TOftCSiMnSP4、熔煉按照以上計算結(jié)果進行稱量、配料、熔煉。待達到出爐溫度是出爐并進行 爐前處理（孕育）。5、澆注爐前處理結(jié)束后，將液態(tài)金屬澆入鑄型。6、鑄件宏觀質(zhì)量檢查實驗鑄鋼及鑄鐵金相組織觀察澆注后冷卻到室溫打箱、清理，觀察鑄件表面是否有砂眼、氣孔等缺陷。然后打掉澆冒口，觀察內(nèi)澆道處、冒口根部是否有縮孔、縮松、組織粗大等,最后將鑄件縱向剖開，觀察鑄件內(nèi)部是否有缺陷，將以上觀察結(jié)果紀(jì)錄。7、力學(xué)性能試驗拉伸試驗將單鑄件加工為標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試樣，在電子拉伸試樣機上進行抗拉強度的 測定，紀(jì)錄測試結(jié)果。硬度試驗用觀察完金相組織后的金相試

13、樣測量布什硬度，紀(jì)錄測試結(jié)果。8、金相組織觀察從拉伸試樣中截取20mm左右作為晶相試塊，然后經(jīng)砂輪機磨平，然后用 金相砂紙磨光、再在拋光機上拋光。根據(jù)具體材料選擇腐蝕劑和腐蝕時間。選 擇合適放大倍的數(shù)顯微鏡進行金相組織觀察，畫出典型組織狀態(tài)圖。五、 注意事項在鑄造合金的熔煉與澆注過程中，熔煉與澆注由試驗老師操作。同學(xué)不要 擁擠、集中精力觀察，防止高溫液體燙傷。六、實驗報告根據(jù)實驗結(jié)果（宏觀、金相、力學(xué)），分析鑄鋼、鑄鐵（普通灰鑄鐵、孕育灰鑄 鐵）的性能與成分、組織、冷卻速度的關(guān)系。鑄造合金及其熔煉實驗指導(dǎo)書實驗二鋁-硅合金變質(zhì)處理及金相組織觀察一、實驗?zāi)康?、熟悉金屬材料凝固加工制備工藝及通過

14、凝固過程控制金屬凝固組織與 性能的基本原理與基本方法，認識降固理論及凝固技術(shù)在金屬材料制備過程 中的重要作用；2、通過亞共晶、共晶、過共晶三種成分鋁硅合金在普通砂型鑄造、金屬 型鑄造等凝固加工條件下凝固過程與凝固組織的實驗研究，深刻認識合金化 學(xué)成分、凝固條件及熔體變質(zhì)處理等對合金組織與性能的影響：3、初步掌握材料科學(xué)與工程的基本研究方法，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力及獨 立分析問題與解決問題的能力。實驗原理絕大多數(shù)金屬材料的制備加工都要經(jīng)歷凝固過程，控制材料凝固過程（熔 煉及熔體處理、澆注、凝固冷卻及成型條件等）是控制材料組織、提高和挖掘 材料性能潛力及研究開發(fā)新材料的重要途徑之一，材料凝固理論與凝固

15、加工 制備新技術(shù)研究是當(dāng)今材料科學(xué)與工程前沿?zé)狳c研究領(lǐng)域之一。通過自覺地控制合金的凝固條件（如凝固冷卻速度、凝固冷卻散熱的方向 性、孕育處理、變質(zhì)處理、澆注及凝固過程液態(tài)金屬的運動狀態(tài)等）及合理地設(shè)計選擇合金的化學(xué)成分（如合金凝固溫度范圍、溶質(zhì)元素再分配及凝固偏析 特性等），可以有效的控制金屬材料的凝固組織（如晶粒尺寸及樹枝晶間距、晶 體生長形態(tài)、凝固偏析及化學(xué)成分均勻性、疏松及縮孔等 卜力學(xué)及物理化學(xué) 性能（如室溫及高溫強度、塑性、韌性、耐蝕性、抗氧化性能等）及工藝性能（如: 鑄造工藝性能及熱處理工藝性能、鍛造工藝性能、焊接工藝性能、機械加工 性能等后續(xù)二次加工工藝性能）。采取提高合金凝固冷

16、卻速度（提高合金熔體凝固過冷度 AT）在澆注時進 行孕育處理（直接加入和通過熔體反應(yīng)形成外加晶核卜加強澆注及凝固過程中 液態(tài)金屬的流動（如：加壓澆注增加澆注金屬液流速度、超聲波及電磁攪拌、 機械攪拌、機械振動等）等措施，可以顯著提高金屬凝固形核率，進而顯著細 化晶粒及凝固組織（晶粒尺寸、枝晶間距、共晶團尺寸及層片間距、顯微疏松 數(shù)量及尺寸等），顯著減輕凝固偏析和提高凝固組織的化學(xué)成分均勻性，最終實驗二鋁-硅合金變質(zhì)處理及金相組織觀察顯著改善合金的使用性能（力學(xué)性能、化學(xué)性能等）及后續(xù)二次加工藝性能。通過控制合金凝固冷卻散熱的方向性及溫度梯度，可以控制合金凝固過程中晶體的生長取向，獲得具有不同晶

17、體取向特征及特殊性能的凝固組織（如定向生長柱狀晶、單晶及定向共品；無擇優(yōu)取向的等軸晶等）；通過對合金熔體變質(zhì)處理與微合金化，可以改變某些晶體的液一周界面結(jié)構(gòu)、生長特性及 生長形態(tài)（如：Al-Si合金變質(zhì)處理后共晶硅針片狀轉(zhuǎn)變?yōu)閳A滑的點狀或棒狀； 球墨鑄鐵經(jīng)球化處理后石墨由片狀轉(zhuǎn)變?yōu)榍蜣D(zhuǎn)等 ），從而顯著改變合金的凝固 組織與性能；而晶體生長形態(tài)，即界面的宏觀形態(tài)則取決于界面前沿溫度的 分布（正的溫度梯度與負的溫度梯度）。本實驗以在工業(yè)中大量應(yīng)用的 Al-Si鑄造合金為實驗研究對象，選擇亞共 品（Al-6%Si）、共晶（Al-12%Si）、過共晶網(wǎng)-20%$1）等三種典型成分 Al-Si鑄造 合金

18、為實驗對象，通過合金熔體變質(zhì)處理、改變合金鑄造凝固冷卻條件（冷卻速度緩慢、溫度梯度很低的普通濕砂型鑄造條件；冷卻速度較快、溫度梯度 較高的金屬型鑄造條件等）等措施控制凝固組織，分析合金的凝固組織并測試 評價其相關(guān)力學(xué)性能（硬度、拉伸性能、沖擊韌性等），深刻認識凝固條件、熔 體。三實驗設(shè)備和材料15kW電阻合金熔煉爐，金屬型鑄造模具及鑄造條件、普通濕砂型鑄造條 件等。亞共晶（Al-6%Si）、共晶（Al-12%Si）、過共晶（網(wǎng)-20%$1）等三種典型成 分Al-Si鑄造合金。四、實驗內(nèi)容與步驟（1）學(xué)生在進入實驗室之前，必須首先自己查閱資料，熟悉有關(guān)合金相圖、 金屬凝固理論及凝固技術(shù)的基本知識，熟悉Al-Si鑄造合金及其鑄造工藝的基 本知識（Al-Si合金成分、凝固組織、性能特點、應(yīng)用、變質(zhì)處理及機理等 ）。（2）熟悉材料組織分析基本方法及硬度、沖擊韌性、拉伸性能的實驗方法。（3）學(xué)生自己組合35人為一組，按要求選擇實驗內(nèi)容并自主獨立完成實 驗內(nèi)容及實驗報告。（4）凝固冷卻條件（普通砂型鑄造條件，凝固冷卻速度很低；金屬型鑄 造條件，凝固冷卻速度較高）對亞共晶（Al-6%Si）或共晶（Al-12%Si）鋁硅合金的 凝固組織與性能的影響。