《材料成型原理及工艺》
实 验 指 导 书
姓名 班级 学号
南京农业大学工学院机械工程系 材料成型及控制工程教研室
2006年11月
目 录
实验一 铸造合金流动性测定 ..................................................... 1 实验二 铸造合金热裂倾向测定 ................................................. 4 实验三 焊接缺陷分析 ................................................................. 6 实验四 铸造合金收缩率的测定 ............................................... 12 实验五 铸造残余应力测定 ....................................................... 15
实验一 铸造合金流动性测定
一、实验目的
1．了解铸造合金流动性的测定原理、方法及过程。 2．理解影响合金流动性的各种因素。 二、合金流动性测定原理
流动性是铸造合金最主要的铸造性能之一，其影响因素众多：如金属及合金自身的特性、出炉温度、浇注温度、铸型的种类、铸件结构复杂程度、浇注系统设计等，为使其具有可比性，实际中常浇注流动性试样，并按浇出的试样尺寸评价流动性的好坏。
流动性试样按照试样的形状可分为：螺旋试样，U试样，棒状试样，楔型试样，球型试样等；按照铸型材料来分有：砂型和金属型。螺旋试样法应用比较普遍，其特点是接近生产条件，操作简便，测量的数值明显。
螺旋试样的基本组成包括：外浇道，直浇道，内浇道和使合金液沿水平方向流动的具有倒梯形断面的螺旋线形沟槽。合金的流动性是以其充满螺旋形测量沟槽的长度（cm）来确定的。图1.1为同心三螺旋线测定法试样形状和尺寸。此法为标准法。同心三螺旋线的合金流动长度的平均值来测定合金的
图1.1 同心三螺旋线测定法试样
流动性，从而提高了测量的精度。也可以采用不同心的三螺旋线试样测定，图
1.2为不同心三螺旋线测定法试样形状和尺寸，其截面为倒梯形，长度为1500mm，每隔50mm试样模型上有一凸点（便于读数）。分别测量三螺旋线长度取其平均
值来测定合金的流动性。
图1.2 不同心三螺旋线试样示意图
1堤坝式浇口杯 2 上砂箱 3下砂箱4全压井5螺旋形试样
a缓冲池b直浇口c溢流池d浇口井
三、实验仪器设备及材料
1．合金熔炼：100kW中频感应电炉一台（套），容量为10kg的坩埚、容量为10kg手端包；或电阻炉一台，Al2O3坩埚一个，热电偶、防护用品等。
2．混砂用：SHN型碾轮式混砂机（容量0.1M3）石英砂、膨润土、铸造用煤粉。
3．造型制芯用：铸件模样螺旋型流动试样模样，浇注系统模样，冒口模样，砂箱，模板，芯盒，造型工具。 四、实验步骤
1．用碾砂机混制好型砂、造型、合箱；
2．熔炼铸造合金至预定温度、经必要的炉前处理； 3．浇注前浇口塞堵住直浇口；
4．当浇品杯达到指定温度时拔出浇口塞、让合金液充填砂型，同时记录浇注温度；
5．当合金完全凝固并冷却到试样发黑时打箱，测量螺旋线长度。 五、实验报告要求
1．简述合金流动性的原理及方法。 2．将测量与计算数据以表格列出。 3．分析影响合金流动性的因素。 4．写出实验的体会与疑问。
实验二 铸造合金热裂倾向测定
一、实验目的
1．测定铝合金出现热裂时收缩阻力和温度范围。 2．熟悉测定热裂倾向的方法。 3．加深对热裂机理的认识。 二、实验原理
热裂是合金在凝固末期的高温下形成的裂纹。因为合金的线收缩是在完全凝固之前便已开始，此时固态合金已形成完整的骨架，但晶粒之间还有少量液体，故强度、塑性期甚低。若机械应力超过了该温度下合金的强度，便发生热烈。其形状特征是缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。其主要影响因素如下： 1．合金性质
合金的结晶温度范围愈宽，液、固两相区的绝对收缩量愈大，合金的热裂倾向也就愈大。灰铸铁的球墨铸铁的热裂倾向小，铸钢、铸铝、可锻铸铁的热倾向大。此外，钢铁中含硫愈高，热裂倾向也愈大。 2．铸型阻力
铸型的退让性愈好，机械应力愈小，热裂倾向就愈小。铸型的退让性与型砂、型芯砂粘结剂的种类密切相。如采用有机粘结剂（如植物油合成树脂等）配制的型砂芯砂，因高温强度低，退让性较粘土砂好。
三、主要仪器及材料
热裂倾向测定仪 1台 X—Y函数记录仪 1台 晶体管直流稳压电源 1套 坩埚电阻炉 1台 浇注工具 1套 镍铬—镍硅热电偶 1套
四、实验内容
测定铝铜合金在同一工艺条件下出现热裂时的收缩阻力及温度，热裂倾向测定
仪如图2.1所示。
图2.1 热裂倾向测定仪示意图
1-机座 2-金属型 3-热电偶 4-测杆 5-拉压力传感器
五、实验方法与步骤
1．熔化合金过热到800℃保温，金属型底部用潮模砂造型。
2．金属型置于热裂仪机座上，连好传感器，固定金属型，将热电偶插入铸型。 3．接通电路。调整记录仪表，温度用红笔记录，量程50mV，阻力用蓝笔记录，量程5mV，记录速度3600mm/h。 4．自铸型中间浇入金属液。
5．注意观察试样热节处裂纹的出现及记录仪记录曲线走向和温度。 6．记录实验数据，填写实验报告。 7．
六、实验注意事项
1．自铸型中间浇入金属液时，注意不要溢出。 2．裂纹出现后应立即将测杆与传感器断开，以免过载。
七、实验报告要求
1. 简述实验原理及过程。 2. 整理实验数据，形成实验报告。
实验三 焊接缺陷分析
一、实验目的
1．认识焊接气孔和裂纹常见缺陷的基本特征及产生原因。 2．学会焊接气孔和裂纹的检测方法。 二、实验原理
1．气孔和裂纹缺陷的形成及基本特征
1）气孔：在焊接过程中，熔池金属中的气体在金属冷却以前，未能来得及逸出，而在焊缝金属中(内部或表面)所形成的孔穴，称为气孔。位于焊缝表面的气孔称为表面气孔，处于焊缝内部的气孔称为内部气孔。气孔的形状有球状、椭圆形、链状和蜂窝状等，见图3.1。气孔对焊缝的性能有较大的影响，它不仅减小了焊缝的有效工作断面，使焊缝的力学性能下降，还破坏了焊缝金属的致密性，易造成泄漏。在动载荷作用下，还会降低焊缝的疲劳强度。因此，在重要的焊接结构中是不允许气孔特别是链状和蜂窝状气孔存在的。
图3.1 各种气孔
a）表面气孔b）内气孔c）圆形气孔d）椭圆形气孔e）链状气孔f）蜂窝状气孔
2）裂纹：
在焊缝或热影响区因开裂而形成的缝隙称为焊接裂纹。通常把平行于焊缝的裂纹称为纵向裂纹，垂直于焊缝的裂纹称为横向裂纹，在弧坑中的裂纹称为火口裂纹或弧坑裂纹，如图3.2所示。
图3.2 焊接接头裂纹分布形态示意图
1—向裂纹；2—横向裂纹；3—焊根裂纹；4—焊趾裂纹；
5—焊道下裂纹；6—层状撕裂；7—火口裂纹
焊接裂纹是一种危害最大的缺陷，不仅降低焊接接头的强度，还会引起应力集中，使焊接结构承载后造成断裂，使产品报废，甚至会引起严重的事故。根据裂纹产生的条件，裂纹可分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹和层状撕裂四种。各种裂纹的分类及特征见表1.1。
（1）热裂纹
焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近高温区产生的裂纹称为热裂纹。热裂纹一般产生在焊缝的结晶过程中，故又称结晶裂纹或凝固裂纹。在焊缝金属凝固后的冷却过程中还可能继续发展。热裂纹绝大多数产生在焊缝金属中，有的是纵向，有的是横向。发生在弧坑中的热裂纹往往是星状。有时热裂纹也会发展到母材中去。热裂纹的外观特征是或者处在焊缝中心，或者处在焊缝两侧，其方向与焊缝的波纹线相垂直，露在焊缝表面的有明显的锯齿形状。凡是露出焊缝表面的热裂纹，因氧在高温下进入裂纹内部，所以在裂纹断面立即可以发现明显的氧化色彩。 （2）冷裂纹
焊接接头冷却到较低温度(约为200~300℃)时，产生的焊接裂纹叫冷裂纹。冷裂纹主要产生在中碳钢和高强度的低合金钢、中合金钢中。
产生冷裂纹的温度通常在马氏体转变的温度范围内，约为200~300℃。它的产生时间，可以在焊后立即出现，也可以在延迟几小时、几周，甚至更长的时间以后产生，所以冷裂纹又称为延迟裂纹。
冷裂纹大多产生在母材或母材与焊缝交界的熔合线上。最常见的是焊道下裂纹、焊趾裂纹和焊根裂纹。冷裂纹外观特征多数是纵向裂纹，在少数情况下，也可能有横向裂纹。金属表面的冷裂纹断面上，没有明显的氧化色彩，所以裂口发亮。
表1.1各种裂纹的分类及特征
裂纹类型 产生部位 产生的温度和时间 在结晶过程中产生,焊接后立即出现 化学成分特点 受力状态 金相特征 断口特征 宏观断口:有明显焊缝中S,P较高 横向拉伸应力作用 沿一次结晶组织颁分布 的氧化色彩:微观断口:呈沿晶液膜分离断口. 钢中含有淬硬元素,碳当量较高,焊缝隙中扩散氢含量较高. 例中含有Cr Mo V Ti Nb等沉淀强化元素. 焊后接头存在较大的残余应力或应力集中. 宏观断口:呈木纹Z向拉伸钢中有带状层状HAZ颧靠近约400℃以下立即产生 分布的氧化物夹杂或硅酸盐夹杂. 撕裂 HAZ 的母材 应力作用,在 板和T型 十字型和角楼接头易产生. 宏观:呈阶梯状分布. 微观:沿晶或穿晶开裂. 状;微观断口:平台处多为准解理断口,可见到片状 条状 或球状夹杂物;剪切壁多为韧窝断口,也可出现准解理断口. 沿晶界开裂 微观断层口为沿晶断口,多呈冰糖状. 横向拉伸应力作用. 产生部位有淬硬组织,沿晶或穿晶开裂. 启裂区 扩展区多为准解理和沿晶混合微观断口;裂纹区多为韧窝断口. 结晶裂纹 只产生在焊缝 主要产生在延迟裂纹 HAZ,当焊缝强度高时,也可产生在焊缝. 在Ms点以下产生,通常具有重心特征. 焊后不产生,再热裂纹 HAZ的过热区 在500--700℃二次加热过程中产生.
（3）再热裂纹
焊后焊件在一定温度范围内再次加热而产生的裂纹叫再热裂纹。再热裂纹的热影响区，往往都是沿晶界开裂，都在粗大晶粒区，并且是平行于熔合线分布。Cr、Mo、V等合金元素较多时，产生再热裂纹的倾向增大。 （4）层状撕裂
焊接时焊接构件中沿钢板轧层形成的阶梯状的裂纹叫层状撕裂。
防止措施：严格控制钢材的含硫量，在与焊缝相联接的钢材表面预先堆焊几
层低强度焊缝和采用强度等级较低的焊接材料。
2．射线探伤机的工作原理
射线探伤是利用射线可穿透物质和在物质中有衰减的特性来发现缺陷的一种探伤方法。探伤中常用的射线有X射线和放射性同位索的射线，见图3.3。
图3.3 射线探伤原理 1—射线源 2—焊件 3—底片
射线通过不同厚度或不同材料时，其衰减不同，因而在底片上产生不同程度的明暗影像，以此来辨别缺陷性质的：母材呈黑色，焊缝呈浅白色，当焊缝中有缺陷时，又出现不同形状、不同深度的暗黑色。
(1)裂纹：裂纹在底片上多呈暗带曲折的波浪形细条纹，有时也呈直线形细纹，轮廓较分明，中部稍宽、两端较尖细，见图3.4。
(2)气孔：手工电弧焊的气孔在底片上多呈黑色圆形或椭圆形，其黑度是中心处较深，并均匀地向边缘减小，形式有密集的、连续的或分散分布的几种。自动焊焊缝中所产生的气孔通常较大，有时直径可达几毫米，黑色也较深，见图3.5。
图3.4 裂纹 图3.5气孔
三、主要仪器及材料
1．手弧焊机 6~8套 2．射线探伤机 1台 3．焊条烘干箱
1台
1套
4．暗室冲洗设备
5．45钢板（厚4~6mm） 若干 6．金相显微镜 1台 7．焊条 若干
四、实验方法与步骤
1．将两块45钢要焊接的表面清理干净；
2．选择合适的焊接工艺参数与焊条，将两块45钢对接焊接牢；
3．通过宏观金相检验焊缝宏观组织各区域的界限和尺寸以及各种焊接缺陷； 4．在指导教师的指导下，按照的操作规程作用射线仪，对焊接接头进行无损
检测焊缝的气孔和裂纹缺陷；
5．分析得到的缺陷图谱，确定缺陷类型及特征。 6．记录实验结果，撰写实验报告。
五、实验注意事项
1．射线仪的作用务必在指导教师指导下严格遵守操作规程进行，严禁私自
作用射线仪；
2．在开始摄片前，首先接通冷却水，并检查水的流量是否符合要求； 3．检查安全防护装置、屏蔽与接地是否良好；
4．摄片结束后，冷却水及油泵应继续运转10～15min，才能切断电源。
六、预习与思考题
1．什么叫焊接缺陷?常见的焊接缺陷有哪些?它们有何危害? 2．什么叫气孔?防止焊缝中产生气孔的措施有哪些? 3．热裂纹有哪些特点?防止热裂纹的措施有哪些?
4．冷裂纹有哪些特点?防止冷裂纹的措施有哪些? 5．常用的致密性检验方法有哪些?如何进行检验? 6．无损探伤检验方法有哪些?它们的原理及目的是什么?
七、实验报告要求
1、实验目的、实验内容及原理；
2、简述实验过程，按要求撰写实验报告。
实验四 铸造合金收缩率的测定
一、实验目的
1. 通过测定不同成分铸造铝合金的线收缩率和冷却曲线。 2. 掌握测定铸造合金线收缩的方法。 二、实验原理
合金从浇注、凝固直至冷却到室温，其体积或尺寸产生的缩减的现象，称为收缩。收缩是合金的物理特性。收缩给铸造工艺带来许多困难，是多种铸造缺陷产生的根源，因此必须研究合金的收缩规律。合金的收缩经历如下三个阶段：
1. 液态收缩：从浇注凝固开始温度间的收缩。
2. 凝固收缩：从凝固开始温度到凝固终了温度间的收缩。 3. 固态收缩：从凝固终了温度到室温间的收缩。
合金的液态收缩和凝固收缩表现为合金体积的收缩，常用单位体积收缩量来表示。合金的固态收缩不仅引起合金体积上的缩减，同时，更明显地表现在铸件尺寸上的缩减，因此固态收缩常用单位长度上的收缩量来表示，即称为线收缩。线收缩量与铸型型腔长度之比称为合金的线收缩率。
图4.1为测定合金线收缩的装置。将被试验的合金浇入砂型2内。砂型左端有一个固定杆1，合金凝固后此杆为固定端。砂型右端有一个金属杆3浇合在试样内，此端可随试样自由收缩。自由端杆3与滑杆4相连接。滑杆在导轮5上移动，以减小磨擦阻力。滑杆与千分表6接触。试样伸缩时，可以从千分表上读出伸缩的数值。所测得数据可以看成合金的自由线收缩，从而就可算出其自由线收缩率。
合金线收缩率L的表达式
LL0L1100%aL(t0t1)100% L0式中：aL——合金的收缩系数，1/℃；
t0——金属线收缩开始温度,℃；
t1——室温,℃；
L0——铸型型腔长度,mm；
L1——铸件长度mm。
收缩是铸造合金本身的物理性质，铸件产生裂纹、应力、变形等缺陷与固态收缩有关，且合金的线收缩率是正确制定铸造工艺方法，控制铸件质量有重要依据。
图4.1合金线收缩装测定装置简图
1-固定端金属杆 2-砂型 3-自由端金属杆 4-滑杆 5-导轮 6-千分表
三、实验设备及材料
1. 坩埚电阻炉 1台 2. 铸铁坩埚 1套 3. 浇注工具 1套 4. 自由线收缩仪 1台 5. XWT-264台式自动平衡记录仪 1套 6. 热电偶 1套 7. ZL102、ZL203 若干 四、实验方法与步骤 1. 熔化合金至760℃保温；
2. 造型。将砂型置于线收缩仪机座上，将石英管穿过石墨套塞安于砂型两侧预留孔内适当位置，保证型腔长度200mm，同时紧固石墨套塞。
3. 连接记录仪与收缩仪导线，调整仪表，位移量转换为电信号后由XWT-264蓝色记录，量程用0.5V挡，温度用红色记录，量程用50mV挡，记录速度用1200mm/h。
4. 准备就绪后，先开动仪表记录，然后浇注金属液，仪表自动记录温度和位移量-时间关系曲线，注意观察记录曲线变化。 5. 每隔10s读出千分表上收缩量（从收缩开始计时）。
6. 温度降至200℃，实验结束，关闭仪表，拆下试样，测量长度。
7. 比较记录纸上所记录收缩量与千分表读数，分析实验结果，填写实验报告。
五、实验注意事项
1. 开动仪器前，注意记录仪与位移传感器调零。
2. 安装热电偶接线时注意极性，热电偶从砂型中间预留孔插入。 3. 浇注前测铝液温度不得低于750℃。
六、实验报告要求
1. 简述实验原理及实验过程。 2. 整理实验数据，撰写实验报告。 3. 分析实验结果，写出实验体会。
实验五 铸造残余应力测定
一、实验目的
1. 学习测定铸件残余应力的方法。 2. 分析铸件残余应力的产生、发展过程。
二、实验原理
铸件在凝固后的继续冷却过程中，将产生固态收缩。若铸件各部分壁厚不同或因工艺等因素，使各部分不一致或收缩受阻碍，则将产生内应力-----铸造应力。
铸造过程中，由于各种原因，铸件中产生应力几乎是不可避免的。铸造应力对铸件质量影响很大，它是铸件在冷却过程中以及在以后的切削加工过程中或铸件使用过程中产生变形和裂纹的根本原因。在腐蚀介质中使用的铸件还会导致应力腐蚀。
铸造应力按其形成的原因，可以分为机械应力和热应力两类。 1. 机械应力
机械应力也称为收缩应力，是铸件收缩过程中受到机械阻碍而形成的应力。形成的原因很多，如砂型过紧、型砂和芯砂的高温强度太高、退让性差等。
机械应力一般都是拉应力。由于它是在铸件处于弹性状态时产生的应力，因而当形成应力的原因一经消除，如落砂、打断浇冒口系统之后，应力也就随之消失。机械应力是一种临时应力。
2. 热应力
热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分的冷却速度不同，以致在同一时间内铸件各部分的收缩不一致而造成的应力。这种应力一量形成，将一直保留到室温。它是铸件产生变形、开裂的主要原因。所以，设计铸件时，要尽量使各部分的冷却速度一致，实现同时凝固，可减小铸件的热应力。
三、实验设备及器材
1. ZQY铸件应力动态测定仪（如图5.1） 1台 2. EX系列台式记录仪 1台
3. 坩埚电阻炉浇注工具 1套 4. 铝及其合金 若干 5. 热电偶 1套
图5.2 铸件残余应力测量接线示意图 图5.1 ZQY铸件应力动态测定仪
四、实验方法及步骤
1. 主机放平，三个测头与传感器用螺母连接上紧，不得有松动。 2. 自硬砂铸型置于托架上，型腔与测头要配合紧密，防止金属液流出。 3. 按图5.2示意图接好连线，传感器电源电压6V。
4. 调整台式记录仪，选1、2笔记录应力，量程用5mV档，零点选在记录纸
中间，3、4笔记录温度，量程50mV。记录速度选择1200mm/h。记下记录笔，打开走纸开关，检查记录是否正常。
5. 上紧机体两侧液压螺栓，使预压力在1500NN以上。
6. 打开传感器冷却水，检查所有准备工作是否就绪。 7. 铝合金过热至750℃，用小浇包取出快速浇注。 8. 注意观察记录是否正常以及温度和应力变化情况。
9. 温度降至120℃、电压约5mV，测试结束，关掉记录仪，松开液压螺栓，预
压力减至零，松开测头连接螺母，取下砂型，清理出铸件，观察有无缺陷。 10. 清理实验场地。
五、实验注意事项
1. 铝合金浇注前一定给传感器通冷水，否则会烧坏传感器。
2. 实验过程注意观察传感器输出：Ⅰ404×86 kg/mV，Ⅱ403×24 kg/mV，Ⅲ409×84 kg/mV。
六、实验报告
1. 简述实验原理及实验过程。
2. 记录并整理实验数据，形成实验报告。
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