2022年材料工程基础实验指导书.doc

材料工程根底实验指导书王连琪 郑洁 徐兴文材料科学与工程学院材料成形工艺介绍了铸造、锻压、焊接专业等方面的知识，为配合教材到达教学与实际相结合的目的，使学生能理性认识材料成形的方法，拟定了铸造、锻压、焊接实验。一 铸造功能实验实验1 铸造合金流淌性的测定1.1 实验目的：1）测定铸造合金成分对该合金流淌性的妨碍。2）测定浇注温度对该合金流淌性的妨碍。1.2 实验的根本原理流淌性是铸造合金的重要功能之一，它对铸件质量有较大的妨碍；如补缩、冷隔、浇缺乏等。为了获得优质铸件就必须对流淌性加以研究。铸造合金流淌性的定义为液态金属本身充满铸型的才能，它与合金的成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。合金的流淌性与合金的充型才能是两个概念。合金的充型才能是液态合金充满铸型型腔，获得形状完好，轮廓明晰铸件的才能。由于妨碍液态金属充型才能的要素非常多，非常难对各种合金在不同铸造条件下的充型才能进展比拟。因而，常常用固定条件下所测得的合金流淌性来表示合金的充型才能。1.3 实验合金与试样 1） 纯铝和铸铝102。2） 试样取一箱一件螺旋形试样如图1.1 通过实验研究成分对流淌性的妨碍。取纯Al和ZL102合金在一样温度下浇注螺旋形试样，进展比拟。在实验时，要求铸型一样（透气性、紧实度等）和过热温度一样条件下进展比拟。 研究温度对合金流淌性的妨碍，纯Al和ZL102合金分别在不同温度下浇注螺旋方式样，比拟螺旋式样的长度。1.4 实验设备与材料 1） 熔化设备：坩埚电阻炉两台或感应电炉石墨坩埚两个 2） 合金材料：工业纯Al 铸铝102 3） 铸型：三副模板、三副砂箱、外型型砂及制型工具 4） 热电偶（镍铬-镍硅）两支及毫伏表 5） 去气剂：氯化锌图1.1 螺旋形流淌性试样机构示意图1浇口杯 2低坝 3直浇道 4螺旋5高坝 6溢流道 7全压井 1.5 实验前预备 1） 熟悉螺旋形试样的构造特点及各部分作用，对铸型的要求。 2） 复习合金成分和浇注温度对铸造合金流淌性的妨碍。1.6 实验步骤 1） 按实验课堂内要求外型，装配外型。（保证一样的外型条件，用仪器检查紧实度）。合箱放平待浇。 2） 在电阻炉内熔化配置要求的合金，当液态合金温度到达730左右时用氯化锌精炼后，立即清理氯化物熔渣，静止1-2分钟后，按要求的浇注温度即可进展浇注。 3） 待试件冷却后，打箱、测量试件长度并记录到下表内。1.7 实验数据及处理 1） 实验数据：将各组试验数据填入表1.1内。2） 数据处理绘出化学成分与流淌性、浇注温度与流淌性直角坐标流淌曲线图。（三或四组数据综合）表1.1实验数据工程序号纯铝或ZL102备注1浇注温度7206602螺旋形试样长度（mm）3螺旋形试样平均长度（mm）1.1.8 实验结果及分析 1） 简述实验原理 2） 依照实验结果，结合状态图分析合金成分浇注温度对流淌性的妨碍。 3） 讨论分析误差产生缘故，提出改良实验的建议。 实验2 铸造合金剩余应力的测定2.1 实验目的 1） 测定铝合金应力框试样的剩余内应力。 2） 测定消除应力退火处理对铸件剩余应力的妨碍。2.2 实验原理铸件在凝固冷却过程中，由于壁厚不同，铸件各部分冷却速度不一致。因而各部分的收缩速率不同，但因各部分彼此相联，互相制约而产生应力，此应力称为热应力。热应力的生成过程，可用应力框试样说明。应力框铸件的粗杆B和细杆A与横梁的连接，可看作是刚性连接，应力框中的金属液体在凝固收缩过程中，首先细杆A冷却速度快，B杆冷却速度慢因而A杆的冷却速度大于B杆，通过两端连接的横梁使B杆受压，A杆身受拉。如忽略砂型阻力，将在A杆、B杆同时产生拉应力和压应力。随着冷却时间增长，A杆和B杆的冷却速度发生明显变化。因而收缩速率也随之改变，使内应力符号发生明显的改变。2.3 实验设备和工具应力框试件，退火后的应力框试件，虎钳、手锯、平锉、钢尺、中心冲、刻度显微镜、手锤等。2.4 实验步骤应力框两个（其一已退火处理）。 A：测定剩余内应力 1） 把应力框中粗杆外表的砂去净，并量其长度（准确到1/10mm）。 2）在粗杆上用中心冲打两个凹洞，其间距l=10mm(准确到1/10mm)。用刻度显微镜测定L长。 3） 用手锯在L间锯断，并测量两洞间间距L。 4） 应用应力公式，求剩余内应力。 （2.1） B：测定消除应力退火处理的作用1） 应力框退火标准2） 测定锯断前l=3） 测定锯断后l=4） 计算 值2.5 实验结果及分析 1）依照实验过程，整理实验数据，并对计算的值进展讨论。 2） 分析妨碍应力框试样应力值大小的要素。 二 锻压变形原理实验 压力加工工艺主要指锻造和冲压两大类。锻造可分为自由锻和模锻。而冲压按其变形性质根本可分为两类：即材料的别离与成型。别离是指冲孔、落料、剪切等工序，而成型是指拉延、挤压、胀形、弯曲等工序。本实验只做一个冷冲压工艺中的拉延实验，事实上验原理和要求如下：2.1 实验目的 2.1.1 理解极限拉延系数的测定方法及拉延系数计算方法。 2.2.2 理解拉延模具间隙挤凹模圆角半径对拉延力的妨碍；间隙对零件质量的妨碍。 2.2.3 测量一种材料的极限拉延系数、拉延力及压边力。2.2 根本原理拉延是利用模具冲裁后得到平面毛坯变成开口空心零件的冲压工艺方法。拉延过程如图2.1所示，其凸模与凹模和冲裁时有所不同，它们工作部分都没有锐利的刀口，而是做成为一定的圆角半径，其间隙也稍大于板料的厚度，在凸模的作用下，原是半径D0 的毛坯在凹模端面和压边圈之间的缝隙中变形，并被拉进凸模和凹模之间的间隙里构成空心零件的直壁。零件上高度为H的直径部分是由毛坯的环形部分（外经D0 ，内径d）转化而成的。因而拉延时毛坯的外部环形部分是变形区，而底部通常是不参加变形的不变形区。拉延后零件的直径d与拉延前毛坯直径D0 之比称为拉延系数m，并用下式表示： （2.1）从上式能够看出，拉延系数表示了拉延前后毛坯直径的变化量，不同的拉延系数所需要的拉延力也不同。妨碍拉延历的要素非常多，它不仅余拉延系数有关。而且与材料的有机功能、零件尺寸=凹模圆角半径、光滑等有关，计算拉延力的经历公式非常多，这里介绍一种常用公式： （2.2） 第一次拉延力（牛顿） 第一次拉延力（牛顿） 第一次拉延后的零件直径（毫米） t 材料厚度（毫米） 材料抗拉强度（MPa） 第一次拉延系数 图2.1 压边圈的压力必须适当，假如过大就要增加拉延力因而使工件拉裂，而压边圈的压力过小会使工件侧壁或凸缘起皱。2.3 实验设备，材料及工具1 BT6杯突度验机 2 拉延模具 3 游标卡尺 4 拉延毛坯假设干2.4 实验步骤和方法2.4.1步骤1） 将拉延凸凹模分别安装在杯突实验机上下模座上。2） 依照毛坯直径选用定位圈，然后将定位圈放稳，毛坯放置安位圈中（机油光滑）。3） 旋转压边手柄施加压力，并留意观察压边力指示表，是压边力不宜过大。4） 加载速度手柄选用中速，启动电机进展拉延。并留意观察拉延力指示表直到拉延完毕，记录拉延力，压边力。5） 反向扳动加载手柄进展卸载，发向旋转压边圈手柄，取出工件观察拉延件的外表质量测量直径。留意：加载速度不宜过大，拉延力不同意超过设备额定吨位。2.4.2 方法：1） 选用一套凸凹模和一套材料直径不同毛坯进展拉延，直到工件拉到破坏，计算其极限拉延系数。2） 选用一定尺寸的凸模，更换不同圆角半径的凹模，观察拉延力的变化情况。3） 选用一定尺寸的凹模，更换不同尺寸的凸模，观察模具间隙对拉延力及工件质量的妨碍。2.5实验结果及分析2.5.1 讨论模具间隙对拉延力及工件质量的妨碍2.5.2 讨论造成拉破的可能要素。三 焊接方法综合实验3.1 实验目的3.1.1 掌握各种焊接方法根本特点及其典型设备；3.1.2 学习焊接方法和设备的选择3.2 实验原理：焊接在机械制造中是一种十分重要的加工工艺。焊接技术的进步非常快，为了能正确选择和使用各种焊接方法，必须理解焊接的分类，根本特点和设备使用范围。焊接是两种或两种以上同种或异种材料通过原子或分子之间的结合和扩散连接成一体的工艺过程。促使原子和分子之间产生结合和扩散的方法是加热或加压，或二者同时使用。焊接时，加压能够破坏连接外表的氧化膜，产生塑性变形以增加接触面，使原子间到达产生结合力和扩散力的条件（35）；加热的目的是使接触面的氧化膜破坏，降低塑性变形的阻力，增加原子振动能，促使再结晶，扩散和化学反响等过程。加热的温度和压力成反比。3.3 焊接分类 焊条电弧焊 埋弧焊 埋弧焊氩弧焊（MIG） 熔化极 CO2气体保护电弧焊药芯焊丝电弧焊 电弧焊 钨极氩弧焊（TIG） 熔焊 非熔化极 原子氢焊 等离子弧焊 氧-氢焊 气焊 氧-乙炔焊 空气-乙炔焊 激光焊 、电渣焊、 铝热焊、电子焊 锻焊、摩擦焊、冷压焊、扩散焊、高频焊、 爆炸焊、超声波焊焊接 压焊 缝焊 电阻焊 点焊 对焊 炉中钎焊盐浴钎焊 钎焊 电阻钎焊 火焰钎焊 烙铁钎焊 所以，分类的方式也不尽一样。上述是以工艺流程为分类依照，也可按能量、压力-温度、填充物等来分类。实际消费实践中详细情况详细分析。3.3 试验步骤按焊接不同的方法进展实验，如表3.1所示表3.1焊接方法原理特点适用范围熔焊气焊利用可燃气体与氧气混合燃烧的火焰熔化焊件和焊丝进展焊接火焰温度和性质可调理，热量不够集中，热妨碍区比拟宽，消费效率低用于薄板构造和小焊件，可焊钢、铸铁，铝、铜及其合金、硬质合金等电弧焊焊条电弧焊利用焊条和焊件之间的电弧热熔化焊条和焊件进展手工焊接机动、灵敏、习惯性强，可全位置焊接。设备简单耐用，维护费低。劳动强度大，焊接质量受人工技术水平妨碍，不稳定在单件、小件消费和修理中最适用，可焊3毫米以上的碳低碳钢、不锈钢和铜、铝等金属，以及铸铁的焊补埋弧焊利用焊丝和工件之间的电弧热熔化焊丝实现焊件机械化焊接，电弧被焊剂覆盖与外界隔离焊丝的送进与挪动依托机械进展，消费效率高，焊接质量好且稳定，不能仰焊、立焊，劳动条件好合适于大批量消费中的长直和环形焊缝焊接，可焊碳钢、合金钢某些铜合金等中厚板构造，只能平焊、横焊角焊气体保护焊氩弧焊用惰性气体氙保护电弧进展焊接。假设用钨棒做电极，则为钨极氩弧焊，即（TIG）焊，假设用焊丝做电极，为熔化极氩弧焊，即（MIG）焊对电弧和焊接区保护充分，焊接质量好，外表无焊渣，热量集中热妨碍区小，明弧操作易实现自动焊接，焊接时须挡风最合适焊接易氧化的铝、铜、钛及其合金，锆、钼、钽等稀有金属和不锈钢，耐热钢等，可焊接厚度0.5毫米以上二氧化碳气体保护焊用二氧化碳气体保护，用焊丝做电极的电弧简称CO2焊热量集中，热妨碍区小变形小，本钱低，消费率高，易操作，飞溅较大，焊缝成型不够美观，设备较复杂，须避风合适低合金钢，低碳钢制造的各种金属构造压焊电阻焊点焊工件在电极压紧下通电使之产生电阻热，将工件间接触面熔化构成熔核包覆于塑性环形内构成焊点工件需搭接不需填充金属，用低电压大电流，消费率高变形小，设备功率实现自动化，焊前要预处理最合适焊接低碳钢的薄壁冲压构造，钢筋钢网等，也可焊铝镁及其合金，适于大批量消费3.5 焊接材料3.5.1. 钢板 45 200×200×6 2块3.5.2 铝板 200×200×3 2块3.5.3 钢、铝焊丝假设干3.5.4 45 1毫米钢板 20×20×1 10组3.6 焊接设备交直流弧焊电源 1台氧气乙炔瓶及附属设备 1台二氧化碳焊机 1台埋弧焊焊机 1台交直流氩弧焊机 1台点焊机 1台3.7 实验结果及分析 3.7.1 按实验报告要求写出实验过程与结果3.7.2分析选定焊接方法的主要依照3.7.3.分析铝板小于1毫米的焊接方法3.7.4讨论点焊飞溅产生的缘故四、实验考核方法和评定标准4.1考核方法和评分标准4.1.1依照每个学生实验前的预习预备，实验过程的考察，实验操作情况及实验报告的质量，综合给出实验成绩。4.1.2实验评分应包括三个方面：1）实验预习答复提咨询和实际操作占30%。2）实验纪律占10%。3）实验报告60%。4.2 评分等级评定成绩分优、良、中、及格和不及格五个等级。优： 90分以上良： 80-89分中： 70-79分及格： 60-69分不及格：59分以下详细评定标准如下：优：自觉恪守实验纪律、能非常好预习，试验中具有非常强观察才能和动手才能，实验报告书写工整无原则错误，小错误在两个以下。良：实验中纪律、预习较好，试验中具有一定观察才能和动手才能，实验报中原则错误不超过一个。中：实验中纪律、预习较好，试验中具有观察才能和动手才能，实报中原则错误不超过两个。及格：实验中纪律、预习较好，试验中观察才能和动手才能一般，实报中原则错误不超过三个。不及格：实验中严峻违章违纪，预习考察均较差如抄袭报告，不参加实验就写报告，报告中数据、表格均有错误者。