材料综合实训指导书.doc

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1、材料综合实训指导书施钢 杨勇 编材料科学与工程系实验金属的塑性变形与再结晶一、实验目的1、研究塑性变形对金属组织和金属机械性能的影响。2、了解金属经过冷塑性变形后显微组织及机械性能的变化。3、观察和研究变形度与加热温度对冷塑性变形金属组织和机械性能的影响。二、塑性变形与再结晶概述金属经过冷变形后，产生大量晶体结构上的缺陷，这些缺陷阻碍了变形的进一步发展，在性能上产生加工硬化现象，在显微组织上，则产生晶粒形状上的改变和出现滑移带。1冷变形后金属的显微组织与机械性能 冷加工变形后，晶粒的大小形状及分布都会发生改变。晶粒沿外力方向被拉长（或被缩短），当变形度很大时晶界已不明显，分辨不出晶粒形状，看到

2、的只是纤维状组织。在变形过程中，由于滑移带的转动及晶粒的破碎，晶格弯曲和冷变形，使得位错密度增加，造成临界切应力提高，继续变形发生困难即产生所谓的加工硬化现象。2冷加工变形后金属在加热时的变化金属经过冷塑性变形以后其金相组织处于不稳定状态，因而在随后的加热升温过程中，会出现回复再结晶及晶粒长大三个过程。再结晶退火后金属发生软化，即加工硬化被消除。再结晶后金属的机械性能取决于晶粒大小，而晶粒大小则受预先冷变形度和再结晶温度的控制。变形度对再结晶后晶粒长大的影响特别显著。金属存在一个能进行再结晶的最小变形度，此时会得到过大的晶粒，该变形度被称为临界变形度（铝大约3），当超过临界变形度时，金属的变形

3、度越大，再结晶后的晶粒越小，而超过80变形度后晶粒又变大。当变形度一定时，加热温度越高，再结晶进行得越快，再结晶后形成的新晶粒也越大。三、实验内容1、实验材料本实验使用材料为紫铜，先将紫铜板切成条状试片，拉伸前的铜片有一定变形，为消除在剪切过程中铜片所受的冷加工效应，避免影响随后得到的变形度，必须预先将紫铜片进行退火（500C保温60分钟），使试片处于软化状态。2、加工变形首先在退火软化的紫铜片上划好标距（如图）然后将试样安放到拉伸机上，调整好后进行拉伸，当标距被拉长到需要的长度时即停止拉伸，变形严重不均匀者报废。拉伸变形度按下式进行计算： ( LLo )/Lo100式中： 为变形度，以表示L

4、o为拉伸前标距长度(mm)L为拉伸后标距长度(mm)本实验所用变形度及试样编号由各组学生按讨论的实验方案确定，应注意不要使试样片受到任何冲击和不应有的变形，以保证试验结果的准确。变形量与晶粒数关系表试样编号012345实验人座号设计变形度未变形拉断变形后试样长度（mm）实际变形量（%）变形前晶粒度变形后晶粒度再结晶晶粒度3、试样的切割 将拉伸试样从中间切割成两半，一半用于观察变冷变形组织，另一半用于观察再结晶退火组织。 试样切割过程应缓慢进行，并加水冷却，避免切割引起的组织变化。4、再结晶退火各组将拉伸后的铜片按各组制定的退火温度进行退火，加热时要等炉温升到规定的温度再放试样，保温到指定时间，

5、取出试样后空冷。5、金相试样制作 金相试样制作过程中应做好标记，注意按观察所需要的平面制作试样。镶相、磨样、抛光。要求制作的试样表面达到镜面光滑，在显微镜下观察无刮痕。6、酸侵蚀浸蚀液配方: 5g氯化铁：25ml浓盐酸：100ml水。将退火完的紫铜片用腐蚀剂进行侵蚀，待晶粒显出后即停止侵蚀，用水冲洗干净，点酒精后吹干。要求得到晶界明显、清晰的晶粒组织照片，为合格。冷变形和再结晶退火60分钟试样，各任意保存5个视场。材料：纯铜，变形量：10%，再结晶退火温度：600C保温60分钟，400X, 硬度值：20HV图片存档名：01Cu10_600_60_400Xa.jpg7、硬度测试 测试紫铜片不同变

6、形量试样的硬度，硬度实验记录表：试样数据数据数据数据平均硬度值冷变形试样保温 min保温 min保温 60min再结晶温度： 变形量：变形前硬度：绘制变形量与硬度关系曲线，硬度与再结晶退火温度关系曲线8、晶粒度测量 测量晶粒度，并绘制晶粒度与退火温度关系图。晶粒度测量记录表：序号图像编号截线长（mm）截点数平均截距 （mm）晶粒度12345平均晶粒度：附录一：晶粒度测量方法晶粒度测量采用GBT 6394-2002 金属平均晶粒度测定法。测定平均晶粒度的基本方法：比较法、面积法和截点法。比较法：比较法不需计算任何晶粒或截矩，与标准系列评级图进行比较，评级图有的是标准挂图、有的是上镜插片。用比较法

7、评估晶粒度时一般存在的偏差（0.5级）。评估值的重现性与再现性通常为1级。对于等轴晶组成的试样，使用比较法，评定晶粒度既方便又实用,常用于生产的检验。面积法：面积法是计算已知面积内晶粒个数，利用单位面积内晶粒数NA来确定晶粒度级别数G。该方法的精确度是所计算晶粒数的函数。通过合理计数可实现0.25级的精确度。面积法的测定结果是无偏差的，重现性与再现性小于0.5级。面积法精确度关键在于晶粒界面明显划分晶粒的计数。截点法：截点法是计算已知长度的试验线段L（或网格）与晶粒界面相交截部分的截点数P，利用单位长度截点数P来确定粒度级别数G. 截点法的精确度是计算的截点或截矩的函数. 通过有效的统计结果可

8、达到0.25级的精确度. 截点法的测量结果是无偏差的, 重现性和再现性小于0.5级.对同一精度水平,截点法由于不需要精确标计截点或截矩数, 因而较面积法测量快.截点法的测定,当观测长度为实际长度时, (1)式 中 ：L一 一所 使用的测量线段（或网格）长度，单位为毫米（mm);l 试 样检验面上O（x）晶粒截距的平均值。P一一 试 样检验面L每毫米内的平均截点数。平均晶粒度级别数G的计算： (2)在晶粒图象上，采用一条或数条直线组成测量网格，选择适当的测量网格长度和放大倍数，以保证最少能截获约50个截点。根据测量网格的所截获的截点数来确定晶粒度。统计截点数的规则:(1)测量线段终点不是截点不予

9、计算。(2)终点正好接触到晶界时计为0.5个截点。(3)测量线段与晶界相切时，计为1个截点。(4)明显地与三个晶粒汇合点重合时，计为l.5个截点。(5)在不规则晶粒形状下，测量线在同一晶粒边界不同部位产生的两个截点后有伸人形成新的截点，计算截点时，应包括新的截点。(6)为了获得合理的平均位应任意选择3至5个视场进行测量。(7)如果这一平均值的精度不满足要求时，应增加足够的附加视场。(8)视场的选择应尽量广地分布在试样的检测面上。对于明显的非等轴晶组织，如经中度加工过的材料，通过对试样三个主轴方向的平行线束来分别测量尺寸，以获得更多数据。通常使用纵向和横向部分。必要时也可使用法向。图1中任一条1

10、00 mm线段，可平行位移在同一图象中标记“十”处五次来使用。变形非等轴晶试样的晶粒度测量：晶粒形状由于拉伸变形而改变，不再是等轴形状。对于非均匀等轴晶粒的各种组织应使用截点法，对于非等轴晶粒度，截点法既可用于分别测定三个相互垂直方向的晶粒度，也可计算总体平均晶粒度。截点法有直线截点法和圆截点法。圆截点法可不必过多的附加视场数，便能自动补偿偏离等轴晶而引起的误差。圆截点法克服了试验线段端部截点法不明显的毛病。圆截点法作为质量检测评估晶粒度的方法是比较合适的。对于矩形的棒材或板材晶粒度应在材的纵向、横向及法向截面上进行测定，对于同棒材晶粒度应在纵向和横向截面上测定。如果等轴偏差不太大（3:1形状

11、比），可在纵向试样面上使用圆形测量网格进行分析。如果使用直线取向测量网格进行测定，可使用三个主要截面的任意两个面上进行三个取向的测量。要估计非等轴晶组织的晶粒度，可使用圆测量网格随机地放在三个主检验面上进行。或使用直线段在3个或6个主要方向上2个或3个主检验面（见图3）进行截点计数。对于等轴形状偏离不太严重（3:1形状比）的晶粒度的测量使用圆测量网格在纵向面上进行测量是可接受的。晶粒度测量中，测量直线6种可能取向通过取向面上平行（0）和垂直（90）于变形方向的平均截距，可确定晶粒伸长率或各向异性系数AI：式中 ： 一 一纵向面上，平行于变形方向上的平均截距；一 纵向面上，垂直于变形方向上的平均

12、截距。附录二 各种金属材料常用的侵蚀剂序号试剂名称成分适用范围注意事项1硝酸酒精溶液硝酸 15毫升酒精 100毫升碳钢及低合金钢的组织显示硝酸含量按材料选择，侵蚀数秒钟2苦味酸酒精溶液苦味酸 15毫升酒精 100毫升对钢铁材料的细密组织显示较清晰侵蚀时间自数秒至数分钟3苦味酸盐酸酒精溶液苦味酸 15毫升盐酸 5毫克酒精 100毫升显示淬火及淬火回火后的晶粒和组织侵蚀时间较上例约快数秒钟至一分钟4苛性钠苦味酸水溶液苛性钠 25毫克苦味酸 2毫克水 100毫升钢中的渗碳体染成暗黑色加热煮沸浸530分钟5氯化铁盐酸水溶液氯化铁 5克盐酸 50毫克水 100毫升显示不锈钢，奥氏体高镍钢，铜及铜合金组织

13、显示奥氏体不锈钢的软化组织侵蚀至显现组织6王水甘油溶液硝酸 10毫克盐酸 2030毫克甘油 30毫克显示奥氏体镍铬合金等组织先将盐酸于甘油充分混合，然后加热硝酸，试样浸前先行用热水预热7高锰酸钾苛性钠高锰酸钾 克苛性钠 克显示高合金钢中碳化物、相等煮沸使用，侵蚀110分钟8氨水双氧水溶液氨水（饱和） 50毫升双氧水（3） 0毫升显示铜及铜合金组织随用随配，以保持新鲜，用棉花沾擦拭9氯化铜氨水溶液氯化铜 8克氨水（饱和） 100毫升显示铜及铜合金组织侵蚀3060秒10硝酸铁水溶液硝酸铁 10克水 100毫升显示铜合金组织用棉花擦拭11混合酸氢氟酸（浓） 1毫升盐酸 1.5毫升硝酸 2.5毫升水

14、95毫升显示硬鋁组织侵蚀1020秒或用棉花沾擦12氢氟酸水溶液氢氟酸(浓) 0.5毫升水 99.5毫升显示一般鋁合金组织用棉花擦拭13苛性钠水溶液苛性钠 1克水 90毫升显示鋁及鋁合金组织侵蚀数秒钟14显示原始奥氏体晶界1苦味酸 3克白猫洗涤精（内含烷基酸钠） 0.5克水 100毫升2盐酸 25毫升硝酸 4毫升水 25毫升12CrNi3、30CrMnSi、38CrMoAl、40CrNiMo等显示回火高速钢原始奥氏体晶界温度 4060时间1.52分钟侵蚀后轻抛数秒材料科学综合实训计划一、实训目的及要求1、目的：培养学生的基本实验、实践能力，能应用所学的基本知识分析实验现象，解决实验中出现的问题。

15、2、要求：能根据要求查阅资料，设计实验方案，正确分析实验结果。通过实验培养学生分析和解决问题的能力以及创新精神。二、实训项目设置与内容提要序号实训项目内容提要1材料预处理 对材料进行预处理，了解热处理工艺过程.2金属的塑性变形利用拉伸机对材料产生不同塑性变形.3金属再结晶退火 了解不同变形量不同温度对再结晶过程和晶粒大小的影响.4金相显微试样的制备金相试样的制备方法与过程，了解先进的制样技术.5显微组织观察与分析了解材料显微组织及塑性变形对组织的影响.6晶粒度的测定及评级方法 掌握截点法,了解其他晶粒度的测定方法.7绘制晶粒度的与退火温度、变形量的关系曲线掌握实验数据处理与分析的基本方法，深入

16、理解再结晶晶粒度的与退火温度、变形量的关系。三、实习地点1、实验楼9号楼314（热处理、金相制作实验）2、实验楼9号楼316（显微组织分析、晶粒尺寸测定及评级）3、实验楼6号楼106 建工系力学中心（拉伸实验）四、实训时间2010-2011第二学期1、 实习时间及班级：19周 09材料2班日期实验项目分组情况指导教师6.27上午实训内容讲解及实训安全注意事项拟定试验方案全班施钢、左娟下午紫铜退火实验全班施钢、左娟6.28上午紫铜拉伸实验单号（分五组）施钢、左娟下午紫铜拉伸实验双号（分五组）施钢、左娟6.29上午再结晶退火实验、试样制作全班施钢、左娟下午试样制作全班施钢、左娟6.30上午金相观察

17、、晶粒度测量及硬度测量单号（分五组）施钢、左娟下午金相观察、晶粒度测量及硬度测量双号（分五组）施钢、左娟7.1上午整理实验数据，撰写实验报告全班施钢、左娟下午各组汇报、考核全班施钢、左娟2、 实习时间及班级：20周 09材料1班日期实验项目分组情况指导教师7.4上午实训内容讲解及实训安全注意事项拟定试验方案全班张勇、李月婵下午紫铜退火实验全班张勇、李月婵7.5上午紫铜拉伸实验单号（分五组）张勇、李月婵下午紫铜拉伸实验双号（分五组）张勇、李月婵7.6上午再结晶退火实验、试样制作全班张勇、李月婵下午试样制作全班张勇、李月婵7.7上午金相观察、晶粒度测量及硬度测量单号（分五组）张勇、李月婵下午金相观

18、察、晶粒度测量及硬度测量双号（分五组）张勇、李月婵7.8上午整理实验数据，撰写实验报告全班张勇、李月婵下午各组汇报、考核全班张勇、李月婵五实验报告要求1、实验过程及原始实验数据；2、绘出各种变形度的冷变形组织及退火后的组织示意图；3、原始金相照片和晶粒度测量过程抓图。4、综合每个小组的实验数据绘出晶粒度的与退火温度、变形量的关系曲线（即再结晶全图）；5、绘制硬度与变形量关系图、硬度与退火温度关系曲线；6、总结分析结果，得出分析结论；7、思考题（1）金属经过冷塑性变形以后其金相组织处于不稳定状态，因而在随后的加热升温过程中，会出现回复再结晶及晶粒长大三个过程。再结晶退火后金属发生软化，即加工硬化

19、被消除。再结晶后金属的机械性能取决于晶粒大小，而晶粒大小则受预先冷变形度和再结晶温度的控制。对于这样的结果，分析为什么?（2）变形度对再结晶后晶粒长大的影响特别显著。金属存在一个能进行再结晶的最小变形度，此时会得到过大的晶粒，该变形度被称为临界变形度（铝大约3），当超过临界变形度时，金属的变形度越大，再结晶后的晶粒越小，而超过80变形度后晶粒又变大，为什么会这样？分析原因。（3）当变形度一定时，加热温度越高，再结晶进行得越快，再结晶后形成的新晶粒也越大，分析什么原因？是否总是这样?6、实习体会及建议。晶粒度与退火温度、变形量关系图六、考核方法及成绩评定本次综合性实践环节，从四个方面按5级评分（优、良、中、及格、不及格）评定成绩。1、学习纪律：要求不迟到、不早退，在工作时间不做与本课程无关的内容，严格遵守实验室的各项规章制度；2、工作态度要求：同学之间既要相互学习、相互配合，又要独立思考、深入钻研，爱护实验室的仪器设备和器材，实验中要做到认真、细致；3、实验完成的情况：实验过程和结果应满足综合实训要求，总结要全面，内容正确，图、表要求整洁、清晰；精粒度测定的精度.4、答辩：学生在课程结束时应进行口试考核，学生应根据实验内容回答教师的提问，教师视学生回答问题的情况给予40的成绩。