材料工程基础实验指导书

材料工程基础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，为配合教材达到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。

一铸造性能实验实验1 铸造合金流动性的测定1.1 实验目的：1）测定铸造合金成分对该合金流动性的影响。

2）测定浇注温度对该合金流动性的影响。

1.2 实验的基本原理流动性是铸造合金的重要性能之一，它对铸件质量有较大的影响；如补缩、冷隔、浇不足等。

为了获得优质铸件就必须对流动性加以研究。

铸造合金流动性的定义为液态金属本身充满铸型的能力，它与合金的成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。

合金的流动性与合金的充型能力是两个概念。

合金的充型能力是液态合金充满铸型型腔，获得形状完整，轮廓清晰铸件的能力。

由于影响液态金属充型能力的因素很多，很难对各种合金在不同铸造条件下的充型能力进行比较。

所以，常常用固定条件下所测得的合金流动性来表示合金的充型能力。

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动性的影响。

取纯Al和ZL102合金在相同温度下浇注螺旋形试样，进行比较。

在实验时，要求铸型相同（透气性、紧实度等）和过热温度相同条件下进行比较。

研究温度对合金流动性的影响，纯Al和ZL102合金分别在不同温度下浇注螺旋形式样，比较螺旋式样的长度。

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1023）铸型：三副模板、三副砂箱、造型型砂及制型工具4）热电偶（镍铬-镍硅）两支及毫伏表5）去气剂：氯化锌123567903254AAA-A图1.1 螺旋形流动性试样机构示意图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 实验前准备1）熟悉螺旋形试样的结构特点及各部分作用，对铸型的要求。

2）复习合金成分和浇注温度对铸造合金流动性的影响。

1.6 实验步骤1）按实验课堂内要求造型，装配造型。

（保证相同的造型条件，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，当液态合金温度达到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行浇注。

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动性、浇注温度与流动性直角坐标流动曲线图。

（三或四组数据综合）表1.1实验数据项目序号纯铝或ZL102备注1 浇注温度℃720 6602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）根据实验结果，结合状态图分析合金成分浇注温度对流动性的影响。

3）讨论分析误差产生原因，提出改进实验的建议。

实验2 铸造合金残余应力的测定2.1 实验目的1） 测定铝合金应力框试样的残余内应力。

2） 测定消除应力退火处理对铸件残余应力的影响。

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。

因此各部分的收缩速率不同，但因各部分彼此相联，相互制约而产生应力，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 ：测定残余内应力1） 把应力框中粗杆表面的砂去净，并量其长度（精确到1/10mm ）。

2）在粗杆上用中心冲打两个凹洞，其间距l=10mm(精确到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 ˊ。

4） 应用应力公式，求残余内应力。

E LLL ⨯-'=σ （2.1） 61005.1⨯=E B ：测定消除应力退火处理的作用1） 应力框退火规范 2） 测定锯断前l= 3） 测定锯断后l ˊ= 4） 计算 σ值2.5 实验结果及分析1）根据实验过程，整理实验数据，并对计算的σ值进行讨论。

2） 分析影响应力框试样应力值大小的因素。

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基本可分为两类：即材料的分离与成型。

分离是指冲孔、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，其实验原理和要求如下：2.1 实验目的2.1.1 了解极限拉延系数的测定方法及拉延系数计算方法。

2.2.2 了解拉延模具间隙挤凹模圆角半径对拉延力的影响；间隙对零件质量的影响。

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 基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锋利的刀口，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D 0 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形成空心零件的直壁。

零件上高度为H 的直径部分是由毛坯的环形部分（外经D 0 ，内径d ）转化而成的。

所以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D 0 之比称为拉延系数m ，并用下式表示：D dm =（2.1） 从上式可以看出，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。

影响拉延历的因素很多，它不仅余拉延系数有关。

而且与材料的有机性能、零件尺寸=凹模圆角半径、润滑等有关，计算拉延力的经验公式很多，这里介绍一种常用公式：111K t d P b ⋅⋅⋅⋅=σπ （2.2）1P —— 第一次拉延力（牛顿）1P —— 第一次拉延力（牛顿） 1d —— 第一次拉延后的零件直径（毫米）t ——材料厚度（毫米）b σ——材料抗拉强度（MPa ）1K ——第一次拉延系数1234图 31. 凸 模2. 压边圈3. 毛 坯4. 凹 模图2.1压边圈的压力必须适当，如果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 拉延毛坯若干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）根据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（机油润滑）。

3）旋转压边手柄施加压力，并注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，启动电机进行拉延。

并注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行卸载，发向旋转压边圈手柄，取出工件观察拉延件的表面质量测量直径。

注意：加载速度不宜过大，拉延力不允许超过设备额定吨位。

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行拉延，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影响。

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影响2.5.2 讨论造成拉破的可能因素。

三焊接方法综合实验3.1 实验目的3.1.1 掌握各种焊接方法基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。

焊接技术的进步很快，为了能正确选择和使用各种焊接方法，必须了解焊接的分类，基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，加压可以破坏连接表面的氧化膜，产生塑性变形以增加接触面，使原子间达到产生结合力和扩散力的条件（3－5 ）；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，扩散和化学反应等过程。

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当然，分类的方式也不尽相同。

上述是以工艺流程为分类依据，也可按能量、压力-温度、填充物等来分类。

实际生产实践中具体情况具体分析。

3.3 试验步骤按焊接不同的方法进行实验，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行焊接火焰温度和性质可调节，热量不够集中，热影响区比较宽，生产效率低用于薄板结构和小焊件，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行手工焊接机动、灵活、适应性强，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影响，不稳定在单件、小件生产和修理中最适用，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移动依靠机械进行，生产效率高，焊接质量好且稳定，不能仰焊、立焊，劳动条件好适合于大批量生产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结构，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行焊接。

若用钨棒做电极，则为钨极氩弧焊，即（TIG）焊，若用焊丝做电极，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，表面无焊渣，热量集中热影响区小，明弧操作易实现自动焊接，焊接时须挡风最适合焊接易氧化的铝、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，热影响区小变形小，成本低，生产率高，易操作，飞溅较大，焊缝成型不够美观，设备较复杂，须避风适合低合金钢，低碳钢制造的各种金属结构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形成熔核包覆于塑性环形内形成焊点工件需搭接不需填充金属，用低电压大电流，生产率高变形小，设备功率实现自动化，焊前要预处理最适合焊接低碳钢的薄壁冲压结构，钢筋钢网等，也可焊铝镁及其合金，适于大批量生产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、铝焊丝若干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据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原因四、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根据每个学生实验前的预习准备，实验过程的考查，实验操作情况及实验报告的质量，综合给出实验成绩。