綜合實驗一 鋁合金制備

1、綜合實驗一 鋁合金制備、加工及改性實驗1.1 鋁合金的熔煉、鑄錠與固溶-時效處理實驗指導書實驗學時：4 實驗類型：綜合、設計型前修課程名稱：材料工程基礎適用專業(yè)：材料類本科生一 實驗目的掌握鋁合金熔化的基本原理，并應用在熔化的實踐中。熔煉是使金屬合金化的一種方法，它是采用加熱的方式改變金屬物態(tài)，使基體金屬和合金化組元按要求的配比熔制成成分均勻的熔體，并使其滿足內部純潔度，鑄造溫度和其他特定條件的一種工藝過程。熔體的質量對鋁材的加工性能和最終使用性能產生決定性的影響，如果熔體質量先天不足，將給制品的使用帶來潛在的危險。因此，熔煉又是對加工制品的質量起支配作用的一道關鍵工序。而鑄造是一種使液態(tài)金屬

2、冷凝成型的方法，它是將符合鑄造的液態(tài)金屬通過一系列澆注工具澆入到具有一定形狀的鑄模（結晶器）中，使液態(tài)金屬在重力場或外力場（如電磁力、離心力、振動慣性力、壓力等）的作用下充滿鑄模型腔，冷卻并凝固成具有鑄模型腔形狀的鑄錠或鑄件的工藝過程。鋁合金的鑄錠法有很多，根據鑄錠相對鑄模（結晶器）的位置和運動特征，可將鋁合金的鑄錠方法分類如下：鋁合金鑄錠方法不連續(xù)鑄錠方法連續(xù)鑄造法錠模鑄造沉浸鑄造鑄鐵模鑄造水冷模鑄造靜模鑄造立式鑄造臥式鑄造動模鑄造輥間鑄造（連續(xù)鑄軋）輪模鑄造鏈模鑄造無模鑄造（無接觸鑄造）：電磁鑄造等二 實驗內容鋁銅合金的熔煉工藝流程爐料及工具的準備爐料準備精煉劑的準備熔爐預熱裝料熔化精煉爐

3、前質量檢查調整熔體溫度澆注三 實驗要求嚴格控制熔化工藝參數和規(guī)程1. 熔煉溫度熔煉溫度愈高，合金化程度愈完全，但熔體氧化吸氫傾向愈大，鑄錠形成粗晶組織和裂紋的傾向性愈大。通常，鋁合金的熔煉溫度都控制在合金液相線溫度以上50100的范圍內。從圖1的Al-Cu相圖可知，Al-5%Cu的液相線溫度大致為660670，因此，它的熔煉溫度應定在710（720）760（770）之間。澆注溫度為730左右。圖1 鋁銅二元狀態(tài)圖2熔煉時間熔煉時間是指從裝爐升溫開始到熔體出爐為止，爐料以固態(tài)和液態(tài)形式停留于熔爐中的總時間。熔煉時間越長，則熔爐生產率越低，爐料氧化吸氣程度愈嚴重，鑄錠形成粗晶組織和裂紋的傾向性愈大

4、。精煉后的熔體，在爐中停留愈久，則熔體重新污染，成分發(fā)生變化，變形處理失效的可能性愈大。因此，作為一條總的原則，在保證完成一系列的工藝操作所必需的時間的前提下，應盡量縮短熔煉時間。3 合金化元素的加入方式與鋁相比，銅的比重大，熔點雖高（1083），但在鋁中的溶解度大，溶解熱也很大，無需將預熱即可溶解，因此，可以以純金屬板的形式在主要爐料熔化后直接加入熔體中，亦可與純鋁一同加入。4 要注意覆蓋眾所周知，鋁在高溫熔融狀態(tài)，極易形成Al2O3氧化膜，因此要對鋁熔體進行保護。就鋁銅合金而言，所用的覆蓋劑為：40%KCl+40%NaCl+20%冰晶石（Na3AlF6）的粉狀物。它的比重約為2.3g/cm

5、3，熔點約670，這種覆蓋劑不僅能防止熔體氧化和吸氫，同時還具有排氫效果。這是因為它的熔點比熔體溫度低，比重比熔體小，還具有良好的潤濕性能，在熔體表面能夠形成一層連續(xù)的液體覆蓋膜，將熔體和爐料隔開，且具有一定的精煉能力，因而，這種覆蓋劑具有良好的覆蓋、分離、精煉等的綜合工藝性能。加入量一般為熔體質量的25%。5. 要注意扒渣當爐料全部熔化后，在熔體表面會形成一層有溶劑、金屬氧化物和其它非金屬夾雜物所組成的熔渣。在進行澆注之前，必須將這層渣除掉。其目的是：（1），防止熔體夾渣；（2），減少熔體吸氣機會（因為熔渣是水蒸氣的良好載體）；（3），加強傳熱。扒渣時，工具要干凈，要預熱；操作要平穩(wěn)不起波浪

6、。6金屬模要上涂料并加熱到300左右四 實驗裝置1中頻感應真空熔煉爐2澆鑄模（可自由脫模式）3必要的工具（扒渣棒、抱鉗等）4便攜式紅外測溫儀5鋁塊6銅板7天平8石墨坩堝9. 其它化學試劑五 實驗步驟1備料：按照Al-5%Cu的質量百分比，用天平稱好爐料（按每爐1kg計算）；2裝料：將鋁塊和銅板同時加入中頻感應爐的坩堝中，然后加入覆蓋劑；3升溫：注意調整電流、電壓及功率因子（cosF）；4測溫：控制在710-770之間，用紅外測溫儀進行；5調溫：主要是為澆注作準備，熔體溫度太低，流動性不佳，不易充滿模子，而熔體溫度太高，易氧化和形成粗大晶粒；6澆注：將熔體倒入預先準備的模子中，待完全凝固后，再脫

7、模；7脫模：取出鑄件，注意要戴手套。六思考題1. 什么叫熔煉與鑄錠？它們有何作用？2. 簡要比較中頻感應爐熔煉和普通電爐熔煉的異同之處及優(yōu)缺點。3. 簡述實驗過程及心得體會。實驗1.2 鋁合金軋制工藝實驗指導書實驗學時：4 實驗類型：綜合、設計型前修課程名稱：材料工程基礎適用專業(yè)：材料類本科生一實驗目的1 掌握板帶軋機工作原理及設備操作過程；2 學會軋制變形量的計算方法及安排道次變形量。二、軋制原理軋制法是應用最廣泛的一種壓力加工方法，軋制過程是靠旋轉的軋輥及軋件之間形成的摩擦力將軋件拖進軋輥縫之間并使之產生壓縮，發(fā)生塑性變形的過程，按金屬塑性變形體積不變原理，通過軋制，軋件厚度變薄同時長度伸

8、長，寬度變寬。見圖所示。圖1 軋制原理軋件承受軋輥作用發(fā)生變形的部分稱為軋制變形區(qū)，其他主要參數有：軋輥直徑D、半徑R、輥身長度B，假定軋件在軋之前后的厚度、寬度和長度分別為h1、b1、l1和h2、b2、l2，上下軋輥皆為主動棍，其轉速均為n（轉分），因此軋輥表面的線速度VrDn/601000，咬入角，接觸弧長L，正常軋制時L與的關系如下：aarc cos 1( h1h2 ) / DL=2/180R實踐中常以接觸弧長對應的弧長近似作為接觸弧弧長，于是有L=R (h1h2)因為軋制前后軋件的重量沒有變化于是有：hblrhblr2 ，由于r1= r2 又有：h1 b1 l1 = h2 b2 l2軋

9、制前后軋件厚度的減少成為絕對壓下量，用h表示，hh1h2絕對壓下量與原厚度之比成為相對壓下量，用表示，hh100%， 軋制時軋件的長度明顯增加，軋后長度與軋前長度的比值稱為延伸系數用表示，=l1/l2。由于軋帶時軋件寬度變化不大，一般略而不計（b=b2-b1）。、h和是考核變形大小的常用指標。三、實驗內容使用兩輥板帶軋機軋制AlCu合金試件，試件鑄態(tài)毛坯尺寸：100105（mm）。經多道次軋制使熔鑄臺毛坯形成軋制態(tài)工件，軋制厚度由5mm軋至1.2mm，將其中一半軋件送到馬弗爐時效處理，為下一實驗做準備。四、實驗步驟1. 根據軋機傳動系統(tǒng)圖和軋制原理圖結合軋機了解板帶軋機的組成，熟悉其結構和軋制

10、機理2. 潤滑各運動部件，啟動電源空車運轉。3. 按總變形量分配道次壓下量，并調整壓下裝置。4. 喂料軋制，按道次測量并記錄相關數據。5. 軋制加工完成關閉電源，快速退回壓下裝置。6. 清理軋機和工作地點7. 擬寫實驗報告。五、實驗裝置圖2 軋機基本結構1. 實驗用軋機為YD100型和蘇制兩輥軋機，軋機的組成如圖2所示；2. 軋件毛坯每人兩件，其中之一經均勻化處理，毛坯尺寸：100105mm；3. 量具：外徑千分尺（0-25）一把，游標卡尺（150）一把；4. 八寸鋁銼刀、水磨砂紙若干。六、實驗要求1. 認真學習板帶軋機的操作規(guī)程和安全注意事項。2. 聽從指導教師的安排，分別制定壓下規(guī)程，按操

11、作程序分組實驗。3. 結合課程內容聯系實驗情況分析一到兩個問題。4. 觀察實驗中軋件的形貌變化，測量采集有關數據，按如下要求編寫實驗報告。1） 記錄實驗條件2） 使用設備：3） 試件材料：4） 毛坯尺寸：5） 道次壓下量安排6） 軋件最后成型尺寸計算結果表道 次軋件厚度本道次變形量總變形量道次平均總變形量nh1 h2h h 123七、實驗數據及處理按道次壓下量每道工序軋制后對軋件進行測量、采集數據、列表計算。八、思考題1. 試述齒輪座（分動箱）的作用？2. 分析壓下量與咬入角之間關系。實驗1.3 鋁合金金相組織的觀察及力學性能測定實驗學時：4 實驗類型：綜合、設計型前修課程名稱：材料工程基礎適

12、用專業(yè)：材料類本科生一、實驗目的 了解鑄造、固溶處理、軋制及時效處理4種加工條件對鋁合金的組織特征的影響； 分析不同材料加工工藝對鋁合金力學性能的影響；3. 深入了解材料四要素之間的內在聯系。二、實驗內容1. 鋁合金鑄造、固溶處理、軋制及時效處理后金相組織的觀察；2. 不同工藝處理后鋁合金靜態(tài)拉伸實驗；3. 實驗報告撰寫。三、實驗過程（一）金相樣的制備及組織觀察1. 制樣每一位同學根據名單選取相應工藝的樣品，根據光學技術實驗平臺中對于金相樣品制備的學習，按照金相樣品制備的一般要求進行。磨光過程經歷200、400、600、800等四種牌號的水砂紙，然后拋光、腐蝕。由于鋁合金比較軟，在樣品制備過程

13、中相應地請注意樣品與砂紙之間接觸時的黏著感，掌握控制樣品平衡的技巧。最初向下用力不要過大，有經驗后再逐步加大接觸的力度。800號砂紙磨光時，在基本完成前，可以水流加大、用力減輕，近似于漂浮在砂紙上，這樣，可以減少砂粒嵌入的機會，減輕樣品表面內部損傷層的厚度。同時，樣品上應當保持一個方向的劃痕。在整個制備過程中，樣品的倒角一定要始終保持，特別是拋光階段。為了保證樣品在磨光過程中盡量不出現歪斜，請按照下面示意的實線磨削方向進行磨光操作，避免沿虛線示意的方向進行。鑄錠、固溶處理樣品的磨光方向 軋制、軋制時效樣品的磨光方向制樣的要點： A 縮短在砂紙上停留的時間（包括全過程及每次接觸） B 擋水盤距離

14、盤面1cm，請節(jié)約用水 C 樣品拋光前必須在粗砂紙上修出倒角 D 拋光膏的使用原則是微量、多次；注水少量、恰當 E 拋光時，用力避免過大，應當適中，可以任意方向拋光腐蝕劑采用HF1.0%、HCl1.5%、HNO32.5%、水95%的混合試劑；腐蝕時間為5分鐘左右。注意安全！為了保證腐蝕效果，樣品避免放置在腐蝕液中長時間不動，應當每隔2030秒鐘移動、按動（在脫脂棉上），以保證金屬面所接觸腐蝕液的效力。樣品腐蝕后，經教師檢查無誤，去第一實驗樓425實驗室進行數字圖像采集、記錄。2. 組織觀察圖1-7為4種工藝處理的正常金相組織圖片，為了分析方便，同一樣品采集有不同放大倍數的圖片： 圖1 鑄造組織

15、50 圖2 鑄造組織500 圖3 固溶處理組織50 圖4 固溶處理組織50 圖5 固溶處理組織500 圖6 固溶處理組織500圖7 軋制、軋制時效處理組織50 圖8 同學制備的樣品：工藝 放大倍數 請將同學自己制備的樣品的打印圖片粘貼在圖7的右側，即圖8。3. 結果分析（1）請同學寫出自己制備樣品（鑄造、固溶、軋制或軋制時效處理）的簡要生產工藝過程；（2）觀察圖片，分析鑄造、固溶處理、軋制、軋制時效工藝處理后，形成的組織的特點、原因（注意放大倍數的影響）；（3）分析自己制備樣品的質量。（二）鋁合金靜態(tài)拉伸1. 實驗設備與工具（1）材料實驗機一臺（MTS810 Material Test Sys

16、tem或WE600液壓試驗機）；（2）精密卡尺二件。（3）筆（鉛筆或圓珠筆）（4）量尺（有機玻璃尺或鋼板尺）。2. 準備試樣 制備試樣（有四組試樣）： 鑄態(tài)。 均勻化（即強化處理）。 經過軋機軋制。 經過時效處理。這四組試樣從理論角度講，它們的力學性能應該是這樣的：鑄態(tài)、均勻化（即強化處理）、經過軋機軋制、經過時效處理依此順序遞增。實驗中可能會出現與理論值不相符的異?，F象，這就需要我們在實驗過程中仔細觀察，找出原因并在實驗報告中進行詳細敘述。3. 實驗步驟(1) 試樣調直、劃標距。(2) 試樣量尺寸（包含：試樣總?；驑司嚅L度、試樣寬度、試樣厚度）寫在表1中對應位置。(3) 夾持試樣進行拉伸仔細觀察實驗全過程。(4) 拉斷后取下試樣，仔細觀察斷口是否有夾渣、氣孔、裂紋等異常缺陷并記錄下真實狀態(tài)并在答題時說明原因。表1. 不同處理條件下試樣的尺寸（mm）試樣種類（狀態(tài)）拉前標距長度（mm）試樣寬度（mm）試樣厚度（mm）斷后標距長度（mm）最大拉斷力（KN）鑄態(tài)均勻化軋機軋制時效處理注：超出卡尺長度的試樣劃標距。4. 實驗數據處理與計算塑性指標以延伸率表示，強度指標以強度極限表示。計算公式如下： （1）式中： - 延伸率L0 - 試樣原始標距長度（mm）Lk - 試樣斷裂后標距長度（mm）L0 - 試樣斷裂后標距