材料加工原理綜合

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

材料加工原理

綜合實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

徐洲、王浩偉、吳國華

上海交通大學(xué)

材料科學(xué)與工程學(xué)院

2月

目錄

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實(shí)驗(yàn)一合金熔煉及液態(tài)成型

實(shí)驗(yàn)二凝固一一定向凝固

實(shí)驗(yàn)三材料的冶金缺陷

實(shí)驗(yàn)四擠壓變形與擠壓力實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)五圓環(huán)檄粗法測(cè)定摩擦系數(shù)

實(shí)驗(yàn)六圓柱體鍛粗時(shí)接觸面上的正應(yīng)力分布

實(shí)驗(yàn)七冷卻速度對(duì)鋼組織與性能的影響

實(shí)驗(yàn)八鋼中馬氏體、貝氏體組織形貌的識(shí)別及不同回火溫度

對(duì)淬火鋼組織的影響

實(shí)驗(yàn)九鋼的淬透性測(cè)定

實(shí)驗(yàn)十鋁合金的時(shí)效硬化曲線測(cè)定

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實(shí)驗(yàn)一合金熔煉及液態(tài)成型

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

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(shí)驗(yàn)內(nèi)容說明：

鑄造合金和變形合金在用途上有著很大的差別，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(dòng)性改進(jìn)，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(qiáng)度和硬度，但塑性是較低的。這類合金國內(nèi)外常見的

共18個(gè)牌號(hào)，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:Si6.5-7.5Mg0.25-0.45

4xxx系鋁合金的主要合金元素是硅，它能以足夠的數(shù)量（達(dá)12%）

加到鋁中，結(jié)果使熔化溫度范圍大為降低而不產(chǎn)生脆性。由于這個(gè)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

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的熔化范圍低于基體金屬的熔化范圍之處。這個(gè)系的多數(shù)合金是不可

熱處理強(qiáng)化的，但當(dāng)用于焊接可熱處理合金時(shí)，它們能夠吸取后者的一

些合金成分，從而能夠有限地接受熱處理。這類合金含有相當(dāng)大數(shù)量

的硅。當(dāng)敷以陽極氧化表面涂層時(shí)，合金變成深灰至炭黑，從而可適應(yīng)

建筑用途。該系列的合金有的能夠用于生產(chǎn)鍛造的引擎活塞，例如

4032o

4004的成分:Si9.0-10.5Fe0.8Cu0.25MnO.lMg1.0-2.0Zn0.2

合金的熔配過程:先根據(jù)鑄件的體積計(jì)算出所需合金原料的總重

量，再按各合金的名義成分計(jì)算出所需要的合金的重量,稱量后全部放

入t甘鍋中，電爐加熱，熔化，覆蓋，打渣精煉，靜置，澆注，熔煉完畢。

每個(gè)環(huán)節(jié)用途各不相同,要求仔細(xì)按實(shí)驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行。

造型材料采用南京紅砂和膨潤(rùn)土，對(duì)各種不同要求的零件用不同的

造型模具進(jìn)行澆注。

模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考志澆注狀態(tài)，補(bǔ)縮條件以及避渣方式。

三、實(shí)驗(yàn)步驟：

ZL101的熔配和4004的熔配。

1.教師指導(dǎo)學(xué)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(jìn)行計(jì)算。

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2.教師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行熔煉。

電爐送電，把原材料料放入出鍋。

設(shè)定溫度740度。

將要熔化時(shí)進(jìn)行覆蓋。蛤化后均溫,加入需要配備的合金元素。

3.教師輔助學(xué)生進(jìn)行造型。

金屬型模具選用見圖1和圖2O

圖1鑄造成型金屬模具（單試樣型）

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圖2鑄造成型金屬模具（多試樣型）

砂型模具由指導(dǎo)老師與學(xué)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(shí)驗(yàn)過程記錄:

項(xiàng)目開始結(jié)束備注

送電時(shí)間

爐子設(shè)定溫度

到溫時(shí)間

覆蓋時(shí)間

熔化時(shí)間

加入合金元素1時(shí)間

加入合金兀素2時(shí)間

加入合金元素3時(shí)間

加入合金元素4時(shí)間

均勻合金元素用時(shí)間

除氣時(shí)間

精煉時(shí)間

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澆注時(shí)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(diǎn)。

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實(shí)驗(yàn)二凝固一定向凝固

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

1.了解晶體生長(zhǎng)的一般規(guī)律。

2.了解定向凝固的凝固規(guī)律與條件。

3.對(duì)定向凝固生長(zhǎng)的晶體的組織分布進(jìn)行觀察。

二、定向凝固方法和原理：

定向凝固的基本京理是嚴(yán)格控制合金凝固過程熱流的方向,使合金

液始終沿著預(yù)期的方向凝固。定向凝固設(shè)備中有一個(gè)單方向散熱的冷

源（水冷銅結(jié)晶器）和一個(gè)能保證液相中不產(chǎn)生新的結(jié)晶核心的熱源，并

于凝固界面形成一個(gè)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(zhǎng)，最終獲得具有一束平行排列柱狀晶的

鑄件。實(shí)現(xiàn)定向凝固有多種方法,其基本原理、工藝要點(diǎn)和應(yīng)用如下：

L發(fā)熱鑄型法

1保溫套2發(fā)熱材料3型殼4水冷結(jié)晶器

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圖1發(fā)熱鑄型法原理圖

工藝要點(diǎn)：

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(shí)引燃發(fā)熱材料，形成有效的縱向溫度梯度，使鑄件定向凝固。

應(yīng)用:主要用于制造尺寸較〃'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(jié)晶器上，放入定向爐的石磨加熱

器內(nèi),加熱器分上下兩區(qū)同時(shí)供電，型殼加熱到預(yù)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(chǎn)高度小于100mm的鑄件，由于應(yīng)用范圍受限制多，生產(chǎn)

效率較低，故當(dāng)前實(shí)際生產(chǎn)中較少應(yīng)用。

3.鑄型移動(dòng)法

將底部開口的型殼放在水冷結(jié)晶器上，送入定向爐內(nèi)的感應(yīng)加熱

器中，加熱到預(yù)定溫度后，澆入合金液，然后以預(yù)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30-60。。/劭）從

而實(shí)現(xiàn)定向凝固。廣泛應(yīng)用于大量生產(chǎn)高度小于280mm的定向凝固

和單晶鑄件。

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1型殼2鑄型加熱器3隔熱擋板4水冷結(jié)晶器5升降機(jī)構(gòu)

圖2鑄型移動(dòng)法原理圖

4.液體金屬冷卻法

將型殼懸掛在升降機(jī)構(gòu)上，送入定向爐內(nèi)的型殼加熱器中,加熱到

預(yù)定溫度后澆入合金液，以預(yù)定的速度下移并浸入保持在一定溫度下

的低熔點(diǎn)金屬（如錫、鋁等）液池中，在型殼下移過程中實(shí)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(dá)100。。/5以上。

制取單晶的方法有兩種：

1.選晶法在型殼底部設(shè)置一個(gè)螺旋型選晶器，當(dāng)澆入的合金液與

水冷銅結(jié)晶器接觸時(shí)，由于急冷作用而產(chǎn)生許多的晶核，爐內(nèi)的縱向溫

度梯度使這些晶核沿平行于熱流方向長(zhǎng)大，這些晶體競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)的結(jié)果,

形成一束具有擇優(yōu)取向的柱狀晶。凝固繼續(xù)進(jìn)行，晶體達(dá)選晶器的螺

旋部分時(shí)，只剩下幾個(gè)晶粒向上生長(zhǎng)，在此過程中繼續(xù)擇優(yōu)選晶，最后只

有一個(gè)取向的晶體從螺旋選晶器的頂部伸長(zhǎng)并長(zhǎng)大，直至充滿整個(gè)型

腔而獲得單晶鑄件。

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2.籽晶法在型殼底部的籽晶套內(nèi)安放一個(gè)特制的籽晶塊。當(dāng)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(jié)晶方向外延生長(zhǎng)，直到充滿整個(gè)型腔獲得單晶鑄件。籽晶法能夠

制取任意所需結(jié)晶取向的單晶鑄件。

1型殼2籽晶3籽晶套4水冷結(jié)晶器

圖3籽晶法制取單晶的示意圖

三、定向凝固設(shè)備

定向凝固設(shè)備即定向凝固爐，一般包括熔爐、鑄型加熱器、冷凝

區(qū)（室）和真空系統(tǒng)等部分。國內(nèi)常見的定向凝固設(shè)備主要有兩種典型

類型，即德制和俄制定向凝固爐，前者是基于鑄型移動(dòng)法,后者則是基于

液體金屬冷卻法設(shè)計(jì)制造的。

兩種定向凝固設(shè)備的參數(shù)見表1：

表1定向凝固設(shè)備的參數(shù)

技術(shù)特征ISP2/IH-DSyBHK—Bn

定向凝固方法鑄型移動(dòng)法液態(tài)金屬冷卻法

用鍋容量/kg51()

最高熔化溫度/℃18001700

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熔化加熱功率/KW120150

熔化加熱頻率/HZ?4000—

型殼加熱溫度/℃?1600^1600

真空度/PaN0.1仁().67

結(jié)晶生長(zhǎng)速度2?151?2()

R/(mm/min)

溫度剃度G/(℃30?4070?80

/cm)

四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容說明：

晶核形成以后，經(jīng)過生長(zhǎng)完成結(jié)晶過程，晶體生長(zhǎng)就是液相中原子

不斷向晶體表面堆沏的過程，也是固一一液界面不斷向液相中推移的

過程。為了對(duì)晶體的生長(zhǎng)過程有進(jìn)一步的了解,需對(duì)凝固過程中的溫

度梯度核晶體的生長(zhǎng)速度有深入的了解。

在實(shí)驗(yàn)觀察前先對(duì)定向凝固的條件,G/R進(jìn)行思考，分析晶粒取向與

溫度梯度和凝固速度的關(guān)系。

了解單晶、胞晶和枝晶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并思考各種不同的晶體的使用

條件,如單晶可用于半導(dǎo)體，而枝晶的蠕變性能好可用于高溫材料。

五、實(shí)驗(yàn)步驟：

1.教師給學(xué)生講解定向凝固設(shè)備的使用，構(gòu)造及其原理。

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1真空系統(tǒng)2加料桿3升降機(jī)構(gòu)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.演示制備單晶、胞晶和枝晶的定向凝固過程。

同學(xué)能夠參考上蟄中定向凝固的規(guī)范，考慮定向凝固的步驟。本次

實(shí)驗(yàn)的設(shè)備:DJL-500定向晶體生長(zhǎng)爐。生產(chǎn)廠家:華北光電技術(shù)研究

所。該設(shè)備的技術(shù)指標(biāo):抽拉速度0.2-lOmm/min,溫度梯度最大為

1000K/cm,真空度:5xlOPpa。

2

實(shí)驗(yàn)材料:M38Ni基合金。抽拉速度：2mm/min,真空度:1x10-Pao

教師按照實(shí)際情況，調(diào)整抽拉速度和真空度，最終得到不同的組織結(jié)

構(gòu)。抽拉結(jié)束后用60c溫水淬火。

3.學(xué)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(jié)

構(gòu)，并繪出其結(jié)構(gòu)。

六、思考

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G/R的值與形成胞晶或枝晶的關(guān)系如何?

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實(shí)驗(yàn)三材料的冶金缺陷

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

1.學(xué)習(xí)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容說明：

研究材料冶金缺陷，除了進(jìn)行觀察外,還需要把各種類型的冶金缺

陷的用照片的形式記錄下來（或者給出來），以便更深一步了解各種缺陷,

便于科學(xué)研究和交流。

一般說來，材料的冶金缺陷包括內(nèi)應(yīng)力、偏析、夾雜、縮孔、縮

松、氣孔、氫白點(diǎn)、熱裂紋、冷裂紋等。對(duì)于各種不同的冶金缺陷,

其形成原因是不相同的，對(duì)于不同的材料其形成某種缺陷的傾向也不

相同，有的能夠直接觀察到,有的則需要磨制金相觀察。

1、氣孔和針孔：

位于鑄件內(nèi)部（一般不與鑄件外表面相接觸）的孔洞，內(nèi)壁光滑，多數(shù)

為圖形。大的氣孔往往是單個(gè)的、小的針孔則成群出現(xiàn),大小不一。

有時(shí)鑄件的整個(gè)斷面上會(huì)布滿氣孔或針孔。這類孔洞的內(nèi)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

能在鑄件的所有部位出現(xiàn)。

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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(nèi)源性氣孔或析出性氣孔）。

①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(shí)析出；

?鋼和鑄鐵件:碳和氧發(fā)生反應(yīng)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(kuò)散而

體積增加，

⑵造型或制芯材料產(chǎn)生的氣體（外源性氣孔或侵入性氣孔）。

①鑄型或砂芯中水分過高；

◎砂芯粘結(jié)劑的發(fā)氣量大；

③含碳?xì)浠衔锏母郊游锪窟^多；

（3）涂料的發(fā)氣量過大；

（3）卷入的氣體（外源性氣孔）；

①型腔內(nèi)的空氣和氣體未能及時(shí)排出;

。砂型和砂芯的透氣性差；

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③液態(tài)金屬在澆注系統(tǒng)中產(chǎn)生紊流，卷入空氣。

圖3鑄鋼件縮孔實(shí)例

2、夾雜

夾雜包括:金屬夾雜物、冷豆、內(nèi)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(diǎn)、氧化皮夾雜、光亮碳膜、硬點(diǎn)等。

鑄件內(nèi)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(jié)構(gòu)上和色澤上都有著明顯的差另U,在性能上的差

別就更大了。一般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(yīng)力熱裂缺陷：

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圖6應(yīng)力熱裂缺陷

應(yīng)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(xì)密的

樹枝晶，且表面氧化c這類缺陷最常發(fā)生在鑄件上存在著內(nèi)應(yīng)力的最

后凝固的斷面處。

成因機(jī)理:合金在凝固過程中，當(dāng)其溫度接近固相線時(shí)受到應(yīng)力或變形

作用。

產(chǎn)生原因：

（1）鑄件在金屬型內(nèi)的冷卻時(shí)間過長(zhǎng)；

（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(shí)開裂。

（4）取出金屬芯時(shí)，由于金屬芯歪斜或?qū)蜓b置不良，導(dǎo)致鑄件熱

裂。

（5）頂桿的位置不當(dāng)，使鑄件產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。

（6）由于澆注溫度過高，或砂芯圓角太小而產(chǎn)生熱節(jié)。

（7）液體金屬流量太小。

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三、實(shí)驗(yàn)步驟:

1.教師結(jié)合實(shí)物講解夾雜、縮孔、縮松、氣孔、氫白點(diǎn)、熱

裂紋、冷裂紋等缺陷。

準(zhǔn)備氣孔試樣2個(gè)

材料:鑄鐵或鋁合金尺寸：80x60

將試樣切開,要求斷面能夠明顯觀察到氣孔缺陷

實(shí)驗(yàn)老師讓學(xué)生仔細(xì)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(zhǔn)備縮孔試樣1個(gè)

材料:鑄鐵或鋁合金尺寸：80x60

招試樣切開，要求斷面能夠明顯觀察到縮孔

實(shí)驗(yàn)老師讓學(xué)生仔細(xì)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(zhǔn)備氫白點(diǎn)試樣2個(gè)

材料:鑄鐵或鋁合金尺寸：80x60

將試樣切開，要求斷面能夠明顯觀察到氫白點(diǎn)缺陷

實(shí)驗(yàn)老師讓學(xué)生仔細(xì)觀察氫白點(diǎn)形貌,然后由老師分析形成原因,

講解氫白點(diǎn)形成的措施。

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準(zhǔn)備夾雜試樣2個(gè)

材料:鋁合金尺寸:80x60

實(shí)驗(yàn)老師讓學(xué)生仔細(xì)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(zhǔn)備含有熱裂紋的試樣2個(gè)

材料:鑄鐵或鋁合金尺寸：80x60

實(shí)驗(yàn)老師讓學(xué)生仔細(xì)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(shí)物辨別,教師分發(fā)一部分實(shí)物，讓學(xué)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(rèn)為各種冶金缺陷應(yīng)該如何進(jìn)行分類？

2.你認(rèn)為應(yīng)該如何盡量減少或避免各種不同的冶金缺陷?

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實(shí)驗(yàn)四擠壓變形與擠壓力實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.經(jīng)過實(shí)驗(yàn)了解正擠壓、反擠壓、復(fù)合擠壓時(shí)，金屬流動(dòng)及變形特

點(diǎn),并分別實(shí)測(cè)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(duì)擠壓變形的影響；

4.了解擠壓變形對(duì)合金組織性能的影響，并與鑄態(tài)情形進(jìn)行比較。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)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(nèi)，用強(qiáng)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模孔的形狀

減少，坯料長(zhǎng)度增加。擠壓能夠獲得各種復(fù)雜截面的型材或零件。

根據(jù)金屬流動(dòng)方向與擠壓凸模運(yùn)動(dòng)方向的關(guān)系，擠壓可分為四種

方式：

(1)正擠壓一金屬流動(dòng)方向與凸模運(yùn)動(dòng)方向相同。

(2)反擠壓一金屬流動(dòng)方向與凸模運(yùn)動(dòng)方向相反。

(3)復(fù)合擠壓一坯料一部分金屬流動(dòng)方向與凸模運(yùn)動(dòng)方向相同，另

部分則相反。

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(4)徑向擠壓一金屬流動(dòng)方向與凸模運(yùn)動(dòng)方向成90℃o

擠壓成形的工藝特點(diǎn)：

(1)擠壓時(shí)金屬坯料處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)下變形，因此可提高金屬

坯料的塑性，有利于擴(kuò)大金屬材料的塑性加工范圍。

(2)可擠壓出各種形狀復(fù)雜、深孔、薄壁和異型截面的零件，目零

件尺寸精度高，表面質(zhì)量好，特別是冷擠壓成形。

(3)擠壓成形后零件內(nèi)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(xué)性能。

(4)擠壓成形的生產(chǎn)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(jī)(液壓式,曲軸式，肘桿式)上進(jìn)行,

也可在適當(dāng)改進(jìn)后的通用曲柄壓力機(jī)和摩擦壓力機(jī)上進(jìn)行。

2.坐標(biāo)網(wǎng)格法

網(wǎng)格法是最常見的研究金屬流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方法,它可較細(xì)致地反映同

出金屬在各部位和各階段的流動(dòng)情況。此法的實(shí)驗(yàn)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(wǎng)格。網(wǎng)格大小取決于金屬品種、試件尺寸和測(cè)試手

段。條件允許時(shí)可采用0.25mm線距，一般可采用

(2)在刻痕溝槽中充填以耐熱物質(zhì)，如石墨、高嶺土、氧化鋅或粉筆

灰等，或嵌入金屬絲。然后將水玻璃涂在司面上以防止擠壓時(shí)粘結(jié)，最

后用螺栓固定住試樣。

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(3)按要求進(jìn)行不完全擠壓。

(4)取出試樣，打開，觀測(cè)網(wǎng)格的變化。

三、實(shí)驗(yàn)方法和步驟

1.試樣：

①35x25剖分鋁試樣

2.實(shí)驗(yàn)設(shè)備、工具和輔助材料

設(shè)備:600KN油壓機(jī)或萬能材料試驗(yàn)機(jī)，擠壓模具；

工具:畫針、直尺、150mm游標(biāo)卡尺；

輔助材料:潤(rùn)滑劑

3.實(shí)驗(yàn)步驟

取①35x25剖分鋁試樣一個(gè),在剖面上畫出2x2mm的坐標(biāo)網(wǎng)絡(luò),

然后合起來放入圖1所示模具中，用①30的沖頭進(jìn)行擠壓，此為復(fù)合擠

壓?？刂茖?shí)驗(yàn)機(jī)的后縮行程及壓力，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定流動(dòng)后(約壓縮12—

15mm),即取出試樣，描繪剖面上其網(wǎng)格變化。

凹程

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圖1擠壓模具及實(shí)驗(yàn)示意圖

取同樣剖分鋁試樣一個(gè)，畫好網(wǎng)格，放入模具中，用①36沖頭擠壓,

此為正擠壓。完全按第一步驟進(jìn)行同樣的操作。

取同樣剖分鋁試樣一個(gè)，畫好網(wǎng)格，放入模具中，用030沖頭擠壓,

并將凹模換成實(shí)心墊塊，進(jìn)行擠壓，此為反擠壓，依然按第一步驟遂行同

樣的操作。

四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容

1.描繪變形后坐標(biāo)網(wǎng)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(diǎn)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(duì)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的數(shù)值有什么特點(diǎn)，數(shù)值

上的差異受哪些因素的影響；

5.應(yīng)用主應(yīng)力法或滑移線對(duì)上述擠壓應(yīng)力進(jìn)行理論計(jì)算,并與實(shí)

驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。

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實(shí)驗(yàn)五圓環(huán)鎖粗法測(cè)定摩擦系數(shù)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.根據(jù)圓環(huán)徽粗后的變形，了解摩擦對(duì)金屬流動(dòng)的影響。

2.經(jīng)過實(shí)驗(yàn)掌握實(shí)際測(cè)定摩擦系數(shù)的方法。

3.分析瞰粗對(duì)材料組織的影響，并與鑄態(tài)情形進(jìn)行比較。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容說明

1.塑性加工過程中摩擦的特點(diǎn)

凡是物體之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)或有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)就有摩擦存在。前

一種是動(dòng)摩擦，后一種是靜摩擦。在機(jī)械傳動(dòng)過程中，主要是動(dòng)摩擦。

在塑性加工過程中的摩擦，雖然也是由兩物體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，但與

一般機(jī)械傳動(dòng)中的摩擦有很大差別。

(1)接觸面上壓強(qiáng)高

在塑性加工過程中，接觸面上的壓強(qiáng)一般在lOOMPa以上。在冷擠壓

和冷軋過程中可高達(dá)2500-3000MPao而一般機(jī)械傳動(dòng)過程中,摩擦副

接觸面上的壓強(qiáng)僅20-40MPao由于塑性加工過程中接觸面上的壓強(qiáng)

高，隔開兩物體的潤(rùn)滑劑容易被擠出，降低了潤(rùn)滑效果。

(2)真實(shí)接觸面積大

在一般機(jī)械傳動(dòng)中，由于接觸表面凹凸不平，因而，實(shí)際接觸面積比

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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(huì)被壓平，因而實(shí)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(chǎn)生

在塑性加工過程中，原來非接觸表面在變形過程中會(huì)成為新的接觸

表面。例如，徽粗時(shí)，由于不斷形成新的接觸表面,工具與材料的接觸表

面隨著變形程度的增加而噌加。另外，原來的接觸表面,隨著變形程度

的進(jìn)行可能成為非接觸表面。例如，板材軋制時(shí)，軋輻與板材的接觸表

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(rùn)滑劑。這給潤(rùn)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(jìn)行熱

加工。例如,鋼材的鍛造加熱溫度可達(dá)到800-1200Co在這種情況下,

會(huì)產(chǎn)生氧化皮模具軟化，潤(rùn)滑劑分解，潤(rùn)滑劑性能變壞等一系列問題。

2.摩擦對(duì)塑性加工過程的影響

摩擦對(duì)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(shí)，若無摩擦力，材料不能連續(xù)進(jìn)入軋轆，軋制過程就不能進(jìn)行。在摩

擦力I起積極作用的擠壓過程中，浮動(dòng)凹模與坯料之間的摩擦力有助于

坯料運(yùn)動(dòng)，使變形過程容易進(jìn)行。又如板料拉深時(shí)，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(dòng)，以免引起破裂?？勺?，對(duì)多數(shù)塑性加工過程,摩擦是有害的，主要表現(xiàn)

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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(shí)這部分能量消耗可

占整個(gè)外力所做功的50%以上。

(2)改變應(yīng)力狀態(tài)增加變形抗力

單向壓縮時(shí),如工具與工件接觸面上不存在摩擦，工件內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)為

單向壓應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)接觸面上存在摩擦?xí)r，工件內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)成為三向

壓應(yīng)力狀態(tài)。同時(shí)摩擦也引起接觸面上應(yīng)力分布狀況的改變。無摩擦

均勻壓縮時(shí)，接觸面二的正應(yīng)力均勻分布;存在摩擦?xí)r，接觸面上的正應(yīng)

力呈中間高兩邊低的狀況。摩擦?xí)棺冃慰沽μ岣撸瑥亩黾幽芰肯?/p>

耗和影響零件的質(zhì)量。摩擦使金屬流動(dòng)阻力增加，坯料不易充滿型

腔。對(duì)于軋制過程，由于摩擦使變形抗力提高，軋轆的彈性變形加大，同

時(shí)使軋軍昆之間的縫隙中間大、兩邊小，其結(jié)果是軋件中間厚兩邊薄。

(3)引起變形不均勻

在擠壓實(shí)心件時(shí)，由于外層金屬的流動(dòng)受到摩擦阻力的影響,出現(xiàn)了

流動(dòng)速度中間快邊層慢的現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)會(huì)在擠壓件尾部形成縮孔。有

時(shí)，摩擦引起的變形不均勻會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)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

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摩擦產(chǎn)生的熱使模具軟化,摩擦使變形抗力提高，從而導(dǎo)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(xué)成分

不同種類的金屬,其表面硬度、強(qiáng)度、氧化膜的性質(zhì)以及與工具之

間的相互結(jié)合力等特性各不相同，因此摩擦系數(shù)也不相同。即使同一

種金屬，當(dāng)化學(xué)成分不同時(shí)，摩擦系數(shù)也不相同。一般來說，材料的強(qiáng)

度、硬度愈高，摩擦系數(shù)愈小。

(2)工具表面粗糙度

一般情況下，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(shí),表面分子吸附作用小，摩擦系數(shù)保持不變，和正壓力

無關(guān)。當(dāng)單位壓力達(dá)到一定值后，接觸表面的氧化膜破壞，潤(rùn)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(rèn)為在室溫下變形時(shí)，金屬坯料的強(qiáng)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(qiáng)度硬度降低，氧化膜增厚，表

面吸附力、原子擴(kuò)散能力加強(qiáng);同時(shí)高溫使?jié)櫥瑒┬阅茏儔?，因此，摩?/p>

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系數(shù)增大。到某一溫度，摩擦系數(shù)達(dá)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(rùn)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(duì)運(yùn)動(dòng)速度增大，摩擦系數(shù)便降低。

4.圓環(huán)鎖粗法原理

這種方法適于測(cè)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(shí)，將幾何尺寸(指外徑、內(nèi)徑、高度的比值)一定的圓環(huán)放在

平板之間進(jìn)行壓縮。壓縮后圓環(huán)內(nèi)、外徑的變化情況與平板接觸面上

圖1測(cè)定摩擦因子用的標(biāo)定曲線

的摩擦情況關(guān)系很大。理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,圓環(huán)的內(nèi)徑變

化對(duì)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(shí)的變形情況和實(shí)心圓柱體一樣，其中各質(zhì)點(diǎn)在徑向均向

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外流動(dòng)，流動(dòng)速度與質(zhì)點(diǎn)到對(duì)稱軸之間的距離成正比，當(dāng)接觸面上的潤(rùn)

滑情況很差時(shí)，壓縮后周環(huán)的內(nèi)徑將減小;如果接觸面上的潤(rùn)滑情況較

好，則壓縮后圓環(huán)的內(nèi)徑將增大。因此，采用圓環(huán)鎖粗法時(shí)，是以壓縮后

0環(huán)的內(nèi)徑變化來確定摩擦系數(shù)或摩擦因子的。假設(shè)圓環(huán)的幾何尺寸

為外徑:內(nèi)徑:高度=6:3:2,高度壓縮30%后內(nèi)徑變化率為-10%。根據(jù)上

述數(shù)據(jù)，在相應(yīng)標(biāo)定曲線上（如圖1所示）就可得一點(diǎn)。從圖1能夠看出,

該點(diǎn)與m=0.10的曲線最為接近，因而能夠認(rèn)為對(duì)所考慮的情

況,m=0.10o

三、實(shí)驗(yàn)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(nèi)徑、高度比值為6:3:2,具

體尺寸如圖2所

圖2圓環(huán)試樣

2.實(shí)驗(yàn)設(shè)備、工具及輔助材料

設(shè)備:600KN和1000KN萬能材料試驗(yàn)機(jī);

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工具:150mm游標(biāo)卡尺、墊板；

輔助材料:M0S2汩膏

3.實(shí)驗(yàn)步驟

取圓環(huán)鋁試樣兩個(gè)，分別在不同摩擦條件下（一個(gè)用油膏，一個(gè)不用

油膏），在兩平板間進(jìn)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(cè)量變形后的圓環(huán)尺寸（外

徑、內(nèi)徑、高度）。注意測(cè)量時(shí)測(cè)量圓環(huán)內(nèi)徑的上、中、下三個(gè)直徑

尺寸,取其平均值。

重復(fù)進(jìn)行上述步驟三次，控制總壓縮量在50%o

根據(jù)所獲得的內(nèi)徑、高度數(shù)據(jù),查預(yù)習(xí)要求中指定教材的圖9.10,得

出摩擦系數(shù)值。

四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容

1.列表填寫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（分加潤(rùn)滑劑和未加潤(rùn)滑劑）；

2.計(jì)算、并查對(duì)校正曲線,得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.分析不同摩擦條件對(duì)周環(huán)變形分布的影響

4.對(duì)測(cè)定摩擦系數(shù)的誤差因素進(jìn)行分析

5.經(jīng)過金相分析，繪制出鎖粗前后材料的組織特征，并說明有何不

同。

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6.討論本實(shí)驗(yàn)方法有什么優(yōu)缺點(diǎn)

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實(shí)驗(yàn)六圓柱體微粗時(shí)接觸面上的正應(yīng)力分布

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.了解圓柱體鎖粗時(shí)，接觸面上正應(yīng)力分布情況，以及應(yīng)力曲線形

狀和應(yīng)力值與摩擦系數(shù)及徽粗后的尺寸D/h值有關(guān)。

2.應(yīng)用電測(cè)法直接測(cè)出接觸面上的應(yīng)力值與應(yīng)力分布規(guī)律，并與

理論計(jì)算公式的計(jì)算值進(jìn)行比較。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容說明

金屬塑性加工理論的基本任務(wù)之一是對(duì)各種塑性成形工序進(jìn)行力

學(xué)分析和確定工序變形力,以作為合理選用成形設(shè)備、正確設(shè)計(jì)模具

和制訂工藝規(guī)程的主要理論依據(jù)。除了實(shí)驗(yàn)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(yīng)方法等。

1.主應(yīng)力法的基本原理

經(jīng)過對(duì)應(yīng)力狀態(tài)作一些近似假設(shè)，建立以主應(yīng)力表示的簡(jiǎn)化平衡

方程和塑性條件，使求解過程大大簡(jiǎn)化。其基本假設(shè)為：

(1)把問題簡(jiǎn)化為平面問題或軸對(duì)稱問題，對(duì)于形狀復(fù)雜的變形體,

能夠把它劃分為若干部分,每一部分分別按平面問題或軸對(duì)稱問題處

理。

(2)根據(jù)變形時(shí)金屬流動(dòng)的方向，沿變形體整個(gè)(或部分)截面切取一個(gè)

包含接觸面在內(nèi)的基元體，且設(shè)作用于該基元體上的正應(yīng)力I與一個(gè)坐

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標(biāo)無關(guān)并為均勻分布的主應(yīng)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(jù)基元體的靜力學(xué)平衡條件，得到一個(gè)簡(jiǎn)化的應(yīng)

力平衡微分方程。

(3)應(yīng)用塑性條件時(shí)，假設(shè)接觸面上的正應(yīng)力為主應(yīng)力，即忽略摩擦

力對(duì)塑性條件的影響，從而使塑性條件大大簡(jiǎn)化。

招經(jīng)過簡(jiǎn)化的平衡微分方程和塑性條仁聯(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(yīng)力分布，進(jìn)而求得變形力。

2.圓柱體徽粗變形力計(jì)算

在均勻變形假設(shè)條件下，圓柱體在壓縮過程中不會(huì)出現(xiàn)鼓形,因此,

圓柱體鎖粗屬于軸對(duì)稱問題，宜采用圓柱坐標(biāo)伍az)。如圖1所示，設(shè)

〃為同柱體的高度,R為半徑,為徑向正應(yīng)力，分為子午面上的正應(yīng)

力日為接觸表面上的摩擦切應(yīng)力。從變形體中切取一高度為厚度

為“、中心角為d0的單元體。

沿徑向列出單元體的靜力平衡方程

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圖1轍粗圓柱體及單元體上的應(yīng)力分量

+da,.+di^hdO-(jrrhdO-2T^rclrdO-2a0hdrsin3=0

忽略高次微量，而且有sinq=券，整理后可得

乙乙

⑴

為了求解式⑴，需要確定分與分之間的關(guān)系。在均勻變形條件下,

圓柱體壓縮時(shí)產(chǎn)生的徑向應(yīng)變?yōu)?/p>

周向應(yīng)變?yōu)?/p>

27r(/+dr)—

deo

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即二公，，由應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式可得=⑦代入式(1),可得

衛(wèi)二二0⑵

drh

仍假設(shè)接觸表面上的摩擦切應(yīng)力服從庫侖摩擦定律—沖，則有

2川二0

⑶

drh

式中,P為工具作用在圓柱體上的單位壓力。

在式⑶中包含有，?方向上的應(yīng)力C和工具作用在圓柱體Z方向上

的單位壓力P,與變形力有關(guān)的是PO為了消除?，需要引入屈服準(zhǔn)則

式(4):

a,.-(J=(4)

由于=分,式(2.4)中Z?=l。/為壓縮應(yīng)力,同樣有〃代入

式(4),可得

⑸

(Jr—az=ar+p=(ys

因外實(shí)際上不是主應(yīng)力，式(5)為近似屈服準(zhǔn)則。對(duì)式⑸微分后得

dryr--dp

將上式(6)代入式(3),可得

皿+迦=0⑺

drh

將式⑺積分后，可得

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-必

p=Ceh⑻

應(yīng)力邊界條件為:當(dāng)，，=尺時(shí)=。,由屈服連則式(5)可知

將上式代入式(8),可得

-2--%-A

11

C=(yve

將上式再代入式(8),可得

?(Rf)

卜

*p=a.Je⑼

變形力為

RR華(”)c.710曳R

hh

P=j2mpdr=j(yseIrcrdr=——、一e(10)

2〃吟R

0

平均壓力為

-A

p=-^-=°shh2〃R]

1eH---K

成22A2〃2h)(H)

三、實(shí)驗(yàn)方法和步驟

1.試樣

060x20鋁試樣

2.實(shí)驗(yàn)設(shè)備與工具

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p

上壓板

試樣

專

用

測(cè)

力

板

圖2專用測(cè)力板

設(shè)備:600KN油壓機(jī)或萬能材料試驗(yàn)機(jī);專用測(cè)力板（內(nèi)裝各點(diǎn)測(cè)力

傳感器）一套，圖2所示YJ-5型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀;P20R-5型預(yù)調(diào)平衡箱

一臺(tái)。

工具:150mm游標(biāo)卡尺;光滑墊板。

3.實(shí)驗(yàn)步驟

測(cè)量試樣的原始尺寸，并把試樣對(duì)準(zhǔn)中心放在專用測(cè)力板上，如圖

2所示；

預(yù)熱并調(diào)整應(yīng)變儀；

將應(yīng)變儀與平衡箱連接，使專用測(cè)力板中各應(yīng)變片接到預(yù)調(diào)平衡

箱上A、B、C、D四個(gè)接線柱上（注意接橋方式）；

根據(jù)應(yīng)變片包盒上給出的K值,把應(yīng)變儀靈敏系數(shù)盤調(diào)節(jié)到相同位

置,并預(yù)調(diào)1、2、3..........7各點(diǎn)的平衡;

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對(duì)試樣進(jìn)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(diǎn)的應(yīng)變讀數(shù)和試驗(yàn)機(jī)上顯示的瞰粗總壓

力P值，注意:當(dāng)加載時(shí)，應(yīng)變儀上指針偏轉(zhuǎn)，根據(jù)估計(jì)應(yīng)變量大小，調(diào)節(jié)

讀數(shù)橋各擋，使指針回零，各調(diào)節(jié)器所指讀數(shù)的代數(shù)和即為應(yīng)變讀數(shù)。

最后測(cè)量變形后試樣的尺寸及變形測(cè)量點(diǎn)的位置。

四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容

1.列表填寫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（包括各種變形程度下，每點(diǎn)的應(yīng)變值￡和總壓

力值P）；

2.將所測(cè)量的應(yīng)變值計(jì)算成應(yīng)力值，并把各點(diǎn)應(yīng)力連成光滑曲線。

（鋁的彈性模量E=1.6x104MPa）

3.根據(jù)徽粗后試件尺寸按理論公式進(jìn)行計(jì)算并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比

較。

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實(shí)驗(yàn)七冷卻速度對(duì)鋼組織與性能的影響

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

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(jìn)行冷卻時(shí)對(duì)其組織與性能的影

響。

2.識(shí)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(shí)驗(yàn)原理

將鋼加熱奧氏體化后，以不同的冷卻速度進(jìn)行冷卻,將會(huì)發(fā)生不同

的轉(zhuǎn)變，得到不同的組織，因而具有不同的性能。工業(yè)生產(chǎn)上采用水

淬、油淬、正火等工藝操作實(shí)質(zhì)上是經(jīng)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(shí)驗(yàn)裝置

1.中溫電爐、水桶和油桶

2.硬度計(jì)

3.金相顯微鏡

四、實(shí)驗(yàn)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(lǐng)取樣品一只（45鋼或T8鋼），將試樣用鉛絲扎

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好。將試樣同時(shí)放入已升溫到900C的電爐中，保溫10分鐘后,

取出進(jìn)行水冷、油冷、空冷及爐冷（實(shí)驗(yàn)室已制備好）。淬火

時(shí)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(cè)定硬度并記錄下來；

4.制備金相試樣，觀察其金相組織，再對(duì)照觀察實(shí)驗(yàn)室所做的金相

試樣，繪出一種鋼號(hào)的五種金相組織（水冷、油冷、空冷、爐

冷、原始組織）。為了便于觀察組織，本實(shí)驗(yàn)中采用高于正常

的淬火加熱溫度。

五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求

1.實(shí)3僉目的；

2.實(shí)驗(yàn)方法與注意事項(xiàng)；

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果（T8鋼、45鋼經(jīng)不同冷卻速度后的硬度值與金相組織

不意圖）；

4.討論:根據(jù)T8鋼與45鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT曲線）與水

冷、油冷、正火、退火相應(yīng)的大致冷卻曲線的相應(yīng)位置對(duì)組織

與性能的影響。

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T8鋼CCT曲線

45鋼CCT曲線

碇

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實(shí)驗(yàn)八鋼中馬氏體、貝氏體組織形貌的識(shí)別

及不同回火溫度對(duì)淬火鋼組織的影響

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

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(xué)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的性能。

1、觀察鋼中馬氏體和貝氏體的金相形貌,提高對(duì)組織的識(shí)別能

力。

2、觀察不同回火溫度后金相組織。

3、進(jìn)一步分析各類組織的形成條件及其對(duì)性能的影響。

二、實(shí)驗(yàn)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350?550c之間形

成。

上貝氏體形態(tài):在光學(xué)顯微鏡下可看到成束的長(zhǎng)短不一的鐵素體,

從晶界向晶內(nèi)，形態(tài)如羽毛狀。在電子顯微鏡下可看到在鐵素體之間

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有斷續(xù)分布的滲碳體。在透射電鏡中可進(jìn)一步看到鐵素體條內(nèi)部有位

錯(cuò)存在，位錯(cuò)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鐵素體為大。上貝氏體形成時(shí)會(huì)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(nèi)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350C~Ms。

下貝氏體的形態(tài):在光學(xué)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(nèi)部有呈粒狀、短

條狀的細(xì)小碳化物,沿與鐵素體片長(zhǎng)軸呈55?65度夾角的方向排列，其

鐵素體片內(nèi)具有比上貝氏體內(nèi)更高的位錯(cuò)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(gè)鐵素體片內(nèi)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

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(nèi)，碳化物的尺;也更細(xì)小;上貝氏體的鐵素

體條一般是平行的，而下貝氏體鐵素體片閆?；コ蓨A角,下貝氏體形成

時(shí)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(shí)往往會(huì)出現(xiàn)粒狀貝

氏體,其形態(tài)為:條狀或塊狀的鐵素體內(nèi)分布著許多孤立的“小島“，其

形態(tài)曲折多樣，經(jīng)電鏡分析，這些“小島“內(nèi)含有富碳奧氏體，也有的已

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部分分解出鐵素體和滲碳體或轉(zhuǎn)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（一般約為01~0.2微米），其長(zhǎng)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(lǐng)域”），每束內(nèi)的馬氏體條

以小角度界面分開。束與束（“領(lǐng)域”）之間具有較大的位向差。一個(gè)

奧氏體晶粒內(nèi)一般可形成4?6個(gè)的馬氏體束。經(jīng)透射電鏡觀察，條狀

馬氏體內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)為高密度的位錯(cuò)，位錯(cuò)密度達(dá)10%m/cm2,故它又稱

為位錯(cuò)馬氏體。低碳的條狀馬氏體由于轉(zhuǎn)變溫度（Ms點(diǎn)）較高,冷卻過

程中容易產(chǎn)生自回火現(xiàn)象，在馬氏體條內(nèi)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(gè)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(jié)構(gòu)主要是相變攣晶，攣晶的間距約在50A左右,故它又稱攣晶

馬氏體。

馬氏體的形態(tài)與鋼的含碳量和轉(zhuǎn)變溫度（Ms點(diǎn)）有關(guān),隨著鋼中含碳

量的增加,Ms溫度降低，條狀馬氏體量相對(duì)減少,而片狀馬氏體量相對(duì)

增加;當(dāng)奧氏體內(nèi)含碳量小于0.2%時(shí)，淬火后幾乎全是條狀馬氏體。當(dāng)

奧氏體內(nèi)含碳量大于1%時(shí),淬火后幾乎全部得到片狀馬氏體。奧氏體

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內(nèi)含碳量在04%?0.8%之間時(shí)則是兩種馬氏體的混合組織。鋼中合

金元素除鉆以外都降低Ms點(diǎn)，增大鋼淬火時(shí)獲得片狀馬氏體(即攣晶

化)的傾向。奧氏體化溫度將影響鋼的奧氏體晶粒大小、奧氏體中碳

和合金元素的含量J人而影響Ms溫度，進(jìn)而將影響馬氏體組織形態(tài)及

尺寸。當(dāng)奧氏體化溫度較低，奧氏體晶粒細(xì)小，淬火后得到的細(xì)小馬氏

體組織稱為隱晶狀馬氏體,此時(shí)金相組織中已看不出馬氏體的針片狀

形態(tài)。高碳鋼正常法火組織都希望獲得隱晶狀馬氏體,此時(shí)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(xì)小顆粒狀碳化物,具有較高強(qiáng)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(zhuǎn)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150~250c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(xì)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8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350?500c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(zhǎng)大成

滲碳體的小顆粒，馬氏體基體中已發(fā)生回復(fù)，位錯(cuò)密度降低，攣晶逐漸消

失。

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(3)、回火索氏體:淬火鋼在500?650c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(jìn)一步聚集長(zhǎng)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(shí)馬

氏體基體已部分發(fā)生再結(jié)晶。

鋼淬火后隨著回火溫度的升高,強(qiáng)度和硬度逐漸下降，而塑性則相

應(yīng)提高。

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

1、預(yù)習(xí)本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和有關(guān)的講課、教材內(nèi)容。

2、認(rèn)真觀察下列金相樣品的顯微組織，并描繪其中經(jīng)指定的

某些樣品的組織。

(1)40鋼:760C水淬,鐵素體+馬氏體；

(2)40鋼:840t空冷,珠光體+索氏體(少量)；

(3)40鋼:880C油冷,馬氏體+屈氏體+上貝氏體(少量)；

(4)40鋼:840C水淬，條狀馬氏體+片狀馬氏體；

(5)20鋼:1010C水淬，粗大片狀馬氏體；

(6)40鋼:1020C水淬，粗大片狀馬氏體十條狀馬氏體；

(7)T12鋼:780C水淬，粒狀碳化物+隱晶馬氏體；

(8)T12鋼:1020C水淬，粗大片狀馬氏體；

(9)65Mn:930t：加熱后在450t等溫30秒再水冷，上貝氏體+馬氏

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體;

(10)65Mn:930c加熱后在320c等溫8分后，下貝氏體+馬氏體；

⑴)40鋼:840C水淬+150U回火,回火馬氏體；

(12)40鋼:840t水淬+400C回火,回火屈氏體；

(13)40鋼:840C水淬+600C回火,回火索氏體；

(14)921鋼:1020t空冷,粒狀貝氏體。

四、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：

1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?

2、實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果，包括描繪指定的顯微組織(用鉛筆畫在(P35mm

白紙上，再剪切在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上)；

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析討論與個(gè)人體會(huì)。

六、思考討論題：

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(duì)鋼的淬火組織有些什么影響?

為什么會(huì)有影響?

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3、奧氏體中的含碳量對(duì)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？

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實(shí)驗(yàn)九鋼的淬透性測(cè)定

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

1.經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，掌握端淬實(shí)驗(yàn)方法，具體測(cè)定45鋼及40Cr鋼的端淬曲

線并加以比較，對(duì)淬透性的概念加深理解，及從實(shí)驗(yàn)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(duì)T10鋼淬硬層深度的影響。

二、實(shí)驗(yàn)原理：

淬透性是鋼重要工藝性能之一,是評(píng)價(jià)鋼的重要指標(biāo)。因?yàn)榇阃感?/p>

的大小直接影響到機(jī)械性能，特別是對(duì)于一些要求綜合性能較高的機(jī)

械零件，總是希望采用淬透性好的材料來制造。因此了解和掌握淬透

性的測(cè)定方法是具有實(shí)際意義的。

三、實(shí)驗(yàn)方法和步驟：

1、端淬法：（每組4人測(cè)定兩種鋼種45鋼和40Cr或T10鋼及

GCH5鋼）

（1）把試樣放入預(yù)先加熱到規(guī)定溫度（亞共析鋼,AC3+30—50C,過

共析鋼Aci+30-50C）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（8=30）處，很快地（時(shí)間不超過5秒）

將試樣放在端淬設(shè)備架子上，立即打開水龍頭對(duì)試樣一端（8=25）進(jìn)行

噴水冷卻，如圖1所示°噴水過程砂須仔細(xì)控制水柱的穩(wěn)定性，噴水時(shí)

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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12.5mm,噴口后試樣距曷12.5mm,噴水柱的自由局度為

65±10mm,冷卻水溫不超過25C）。

（P=30

（3）試樣全部冷卻后，在試樣側(cè)面磨出一條寬為2-5mm的平面，放在

專用夾具上進(jìn)行硬度測(cè)試，專用夾具上帶有刻度,每格為1.5mm處，測(cè)定

一次硬度，依次向內(nèi)推進(jìn),直到硬度值穩(wěn)定為止，將硬度值、淬火端距離

關(guān)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(jì)出鋼的淬透性高低。

注:試驗(yàn)中應(yīng)注意的問題：

a、為了防止試樣在加熱時(shí)頂端脫碳，因此將試樣放在一套筒

內(nèi)，筒內(nèi)裝有木炭加以保護(hù),到溫取出后很快地痛試樣頂端的木炭屑去

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除干凈。

b、端淬設(shè)備是自制的，比較粗糙，因此在噴淬前,將水柱高度調(diào)

整好，使水壓保持穩(wěn)定，并揩龍頭開關(guān)作好標(biāo)記。

C、噴淬前揩夾具擦干，不得有水，以免影響冷速。

2、淬火溫度對(duì)淬硬層深度的影響

（1）取原始組織為球化退火態(tài)的TIO鋼圓柱體（820x100）;即

1/2>4,分別加熱至I」780c,840C,930C保溫30分鐘淬入鹽水中。

（2）沿試樣長(zhǎng)度1/2處割開（切割時(shí)必須用水冷，以防止回火）。

取一半磨制，用4%硝酸酒精腐蝕即可看出淬硬層與未淬硬層區(qū)域，未淬

硬層部分呈黑色（圖3）o我們就可觀察淬火溫度對(duì)淬硬層深度的影

響。（試樣已由實(shí)驗(yàn)室制備好）

四、實(shí)驗(yàn)用儀器及試樣尺寸：

1.中溫電爐。

2.端淬設(shè)備。

3.洛氏硬度計(jì)及專用打硬度的夾具。

4.試樣:端淬試樣（尺寸見圖4）

材料：45,40Cr,T10,GCrl5

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圖3圖4

同柱體:920(淬火已由實(shí)驗(yàn)室作好，需用宏觀及金相測(cè)量淬硬

層)

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論：

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4040Cr

距淬火端距離(mm)HRC距淬火端距離(mm)HRC

1.01.0

2.02.0

3.03.0

4.04.0

5.05.0

6.06.0

7.07.0

8.08.0

9.09.0

10.010.0

11.011.0

12.0