1 材料制备与加工实验指导书.docx

1 材料制备与加工实验指导书.docx

《1 材料制备与加工实验指导书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《1 材料制备与加工实验指导书.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

1材料制备与加工实验指导书

材料制备与加工实验

实验指导书

实验1、铝合金时效硬化曲线的测定及其影响因素分析

实验2、焊接工艺与焊缝组织检验

实验一、铝合金时效硬化曲线的测定及其影响因素分析

一、实验目的

1．掌握固溶淬火及时效处理的基本操作，时效工艺制定。

2．测定不同时效温度下硬度-时效时间关系曲线，分析时效温度和时效时间对时效强化效果的影响规律；

3．表征不同时效处理样品的显微结构，分析和讨论时效强化机制。

4.根据时效温度和时间对合金硬度的影响规律，并结合时效机理，讨论时效工艺参数的优化。

二、实验原理

从过饱和固溶体中析出第二相（沉淀相）或形成溶质原子聚集区以及亚稳定过渡相的过程称为脱溶或沉淀，它是一种扩散型相变。

发生这种转变的最基本条件是，合金在平衡状态图上有固溶度的变化，并且固溶度随温度降低而减少，如图2-1所示。

如果将C0成分的合金自单相α固溶体状态缓慢冷却到固溶度线（MN）以下温度（如T3）保温时，β相将从α相固溶体中脱溶析出，α相的成分将沿固溶度线变化为平衡浓度C1，这种转变可表示为α（C0）→α（C1）+β。

其中β为平衡相，它可以是端际固溶体，也可以是中间相，反应产物为（α+β）双相组织。

将这种双相组织加热到固溶度线以上某一温度（如T1）保温足够时间，β相将全部溶入α相中，然后再急冷到室温将获得单相过饱和的α固溶体。

这种处理称为固溶处理（淬火）。

图2-1固溶处理与时效处理的工艺过程示意图

然而过饱和的α相固溶体在室温下是亚稳定的，它在室温或较高温度下等温保持时，亦将发生脱溶。

但脱溶相往往不是状态图中的平衡相，而是亚稳相或溶质原子聚集区。

这种脱溶可显著提高合金的强度和硬度，称为时效硬（强）化或沉淀硬（强）化。

合金在脱溶过程中，其力学性能、物理性能和化学性能等均随之发生变化，这种现象称为时效。

室温下产生的时效称为自然时效，高于室温的时效称为人工时效。

若将过饱和固溶体在足够高的温度下进行时效，最终将沉淀析出平衡脱溶相。

但在平衡相出现之前，根据合金成分不同会出现若干个亚稳脱溶相或称为过渡相。

以Al-4％Cu合金为例，其室温平衡组织为α相固溶体和θ相（CuAl2）。

该合金经固溶处理获得过饱和α相固溶体，加热到130℃进行时效，其脱溶顺序为：

G.PⅠ区→G.PⅡ区（θ″相）→θ′→θ相，即在平衡相θ出现之前，有三个过渡脱溶物相继出现。

按时效硬化曲线的形状不同，可分为冷时效和温时效，如图2-2所示。

冷时效是指在较低温度下进行的时效，其硬度变化曲线的特点是硬度一开始就迅速上升，达到一定值后硬度缓慢上升或者基本上保持不变。

冷时效的温度越高，硬度上升就越快，所能达到的硬度也就越高。

在A1基和Cu基合金中，冷时效过程中主要形成G.PⅠ区。

温时效是指在较高温度下发生的时效，其硬度变化规律是：

开始有一个停滞阶段，硬度上升极其缓慢，称为孕育期，一般认为这是脱溶相形核准备阶段，接着硬度迅速上升，达到一极大值后又随时间延长而下降。

温时效过程中将析出G.PⅡ区、过渡相θ′和平衡相θ。

温时效的温度越高，硬度上升就越快，达到最大值的时间就越短，但所能达到的最大硬度值反而越低。

冷时效与温时效的温度界限视合金而异，Al合金一般在100℃左右。

图2-2冷时效和温时效过程硬度变化示意图

冷时效与温时效往往是交织在一起的。

图2-3示出了不同成分的A1-Cu合金在130℃时效时硬度与脱溶相的变化规律。

由图可见，A1-Cu合金的时效硬化主要依靠G.PⅠ区和θ″相，θ″相的强化效果最明显，当出现θ′相以后合金的硬度下降。

时效温度是影响过饱和固溶体脱溶速度的重要因素。

时效温度越高，原子活性就越强，脱溶速度也就越快。

但是随着时效温度升高，化学自由能差减小，同时固溶体的过饱和度也减小，这些又使脱溶速度降低，甚至不再脱溶。

图2-3A1-Cu合金在130℃时效时硬度与析出相的关系

因此，可以用提高温度来加快时效过程，缩短时效时间。

例如，将A1-4％Cu-5％Mg合金的时效温度从200℃提高到220℃，时效时间可以从4h缩短为1h。

但时效温度又不能任意提高，否则强化效果将会减弱。

在一定温度下，随时效时间延长，合金强度、硬度逐渐增高。

至一定时间，其强度、硬度达到最大值（峰值）。

时效时间再延长则其强度、硬度反而下降，此即所谓“过时效”（图2-3）。

如果固定时效时间而改变时效温度，则随时效温度的升高，强度、硬度逐渐升高而达峰值，温度再提高，则也发生“过时效”。

如果将已经时效的合金加热到单相固溶体的温度范围或适当温度，重新急冷淬火，已经时效硬化的合金又变成单相固溶体的柔韧、易变形状态，这一现象叫“回归”。

三、实验设备、材料及试剂

1．箱式电阻炉6台（型号SX2-5-1.2，功率5千瓦，额定温度1200℃）：

用于时效处理提供温场。

2．淬火水槽：

用于淬火冷却。

3．布氏硬度计：

测定淬火及时效合金硬度。

4．读数显微镜：

测定压痕直径。

5．实验材料：

2024铝合金（即LY12）试样若干。

四、实验方法与步骤

1．每5个人为一组，每组31个样品，每个人分别领取一套样品（6块），剩余一个样品作为未时效对比样，所有样品分别做好标记。

2．将试样用砂纸或预磨机磨掉车痕，以达平整、光洁，然后用铁丝绑好。

3．将绑好试样放入箱式电阻炉中加热。

加热温度为500℃±3℃，保温10-15min，保温结束后快速淬入水槽中。

4．每组取一个试样作为未时效对比样立即测定淬火后的硬度。

5．每组的其他试样立即进入箱式电阻炉中进行时效处理。

时效温度分别为260℃、280℃、300℃、320℃，340℃，每个人取一个温度进行时效，各时效温度下的时效时间由学生自行查阅资料确定，要求6个时效时间内能够达到时效峰值。

6．将各时效温度下时效不同时间后的试样立即水冷，用细砂纸磨去氧化皮后测定硬度，取三点进行测定（最好选中心部位），但两相邻压痕中心距离不小于压痕直径的4倍，压痕中心距试样边缘的距离应不小于压痕直径的2.5倍。

查布氏硬度对照表，查出的三个硬度点均值（建议测定试样布氏硬度HB值的参数选定为负荷250kgf，钢球直径Ф5mm，负荷保持时间30s）。

7．实验注意事项：

每次取样、放试样时，宜轻拿轻放，防止乱样及烫伤。

每次试验完成后切断电源，以防设备事故。

五、对实验报告的要求

（1）按照实验报告格式模板撰写，实验报告文本编辑格式除已给模板规定外应符合福州大学本科毕业论文撰写规范。

（2）实验结果应尽量用图表表达，图表要清晰、规范，分析讨论应详细深入，参考专业论文撰写规范。

（3）实验报告要求打印，文档格式见附件格式要求。

曲线图采用Origin绘制，表的格式用三线表，照片和图片采用数字图像。

（4）实验报告应从页面左侧边装订。

六、思考题

1．何谓时效处理工艺？

说明时效强化的机理（举例说明）。

2.什么是峰时效？

说明温度和时间对时效过程的影响关系，并根据时效强化机制解释曲线的变化规律。

3.通过查阅资料和调研，选择一种典型铝合金，说明其典型时效处理工艺。

实验2、焊接工艺与焊缝组织检验

一、实验目的

1.了解常用埋弧焊机各组成部分包括机构特点、工作原理、焊接参数调节方法；

2.掌握埋弧焊的基本理论，熟练埋弧焊机的基本操作；

3.学会针对不同材料和尺寸的焊件选择埋弧焊焊接工艺参数；

4.观察分析焊缝的显微组织结构，测试焊缝的硬度，分析和讨论焊缝的显微组织与力学性能分布特征。

5.分析和讨论实验中的焊接缺陷及其形成原因。

二、实验原理

1.埋弧焊

埋弧焊（SubmergedArcWelding:

SAW）是熔化极电弧焊方法的一种，是指电弧在焊剂层下燃烧，利用焊丝和焊件之间燃烧的电弧产生的热量，熔化焊丝、焊剂和母材（焊件）而形成焊缝的一种焊接方法。

按照机械化程度，可以分为自动焊和半自动焊两种。

两者的区别是：

前者焊丝送进和电弧相对移动都是自动的，而后者仅焊丝送进是自动的，电弧移动是手动的。

由于自动焊的应用远比半自动焊广泛，因此，通常所说的埋弧焊一般指的是自动埋弧焊。

焊接电源的两极分别接至导电嘴和焊件。

焊接时，颗粒状焊剂由焊剂漏斗经软管均匀地堆敷到焊件的待焊处，焊丝由焊丝盘经送丝机构和导电嘴送入焊接区，电弧在焊剂下面的焊丝与母材之间燃烧。

电弧热使焊丝、焊剂及母材局部熔化和部分蒸发。

金属蒸汽、焊剂蒸气和冶金过程中析出的气体在电弧的周围形成一个空腔，熔化的焊剂在空腔上部形成一层熔渣膜。

这层熔渣膜如同一个屏障，使电弧、液体金属与空气隔离，而且能将弧光遮蔽在空腔中。

在空腔的下部，母材局部熔化形成熔池；空腔的上部，焊丝熔化形成熔滴，并以渣壁过渡的形式向熔池中过渡，只有少数熔滴采取自由过渡。

2.埋弧焊设备

埋弧焊设备的组成：

机械系统+焊接电源+控制系统+辅助设备，如图1所示。

机械系统的作用是焊接时使焊丝不断地向电弧区给送，使焊接电弧沿焊缝移动，以及在电弧的前方不断地铺撒焊剂等。

焊接电源的作用是向焊接电弧提供电能，以及提供埋弧焊工艺所需要的电气特性，如外特性、动特性等，同时参与焊接参数的调节。

控制系统的作用是实现包括引弧、送丝、移动电弧、停止移动电弧、熄弧等在内的程序自动控制，并进行焊接参数调节和保持焊接参数在焊接过程中稳定，使电弧稳定燃烧。

辅助设备是为了使焊缝处于最佳施焊位置，或为了达到某些工艺目的所配置的工艺装置，包括使焊件准确定位和夹紧的焊接夹具，使焊件旋转、倾斜、翻转的焊件变位机，使焊接机头准确送到待焊位置的焊机变位机，以及能自动回收焊剂的焊剂回收器等。

图1自动埋弧焊机结构示意图

3.埋弧自动焊的主要优点

（1）生产率高埋弧焊的焊丝伸出长度（从导电嘴末端到电弧端部的焊丝长度）远较手工电弧焊的焊条短，一般在50mm左右，而且是光焊丝，不会因提高电流而造成焊条药皮发红问题，即可使用较大的电流（比手工焊大5-10倍），因此，熔深大，生产率较高。

对于20mm以下的对接焊可以不开坡口，不留间隙，这就减少了填充金属的数量。

（2）焊缝质量高对焊接熔池保护较完善，焊缝金属中杂质较少，只要焊接工艺选择恰当，较易获得稳定高质量的焊缝。

（3）劳动条件好除了减轻手工操作的劳动强度外，电弧弧光埋在焊剂层下，没有弧光辐射，劳动条件较好。

埋弧自动焊至今仍然是工业生产中最常用的一种焊接方法。

适于批量较大，较厚较长的直线及较大直径的环形焊缝的焊接。

广泛应用于化工容器、锅炉、造船、桥梁等金属结构的制造。

这种方法也有不足之处，如不及手工焊灵活，一般只适合于水平位置或倾斜度不大的焊缝;工件边缘准备和装配质量要求较高、费工时;由于是埋弧操作，看不到熔池和焊缝形成过程，因此，必须严格控制焊接规范。

4.焊接接头

焊接接头是由焊缝、熔合区和热影响区三部分构成。

1.焊缝金属：

焊接加热时．焊缝处的温度在液相线以上．母例与填充合属形成共同熔池，冷凝后成为铸态组织。

在冷却过程中，液态金属自熔合区向焊缝的中心方向结晶，形成住状晶组织，焊缝金属的化学成分主要取决于焊芯金属的成分，但也受熔化母材的影响。

由于焊条药皮在焊接过程中具有合金化作用，使焊缝金属的化学成分往往优于母材，故主要合理选择焊条和焊接规范，焊缝金属的强度一般不低于母材强度。

2.热影响区：

在焊接过程中，焊缝两侧金属因焊接热作用而产生组织和性能变化的区域。

以低碳钢为例，其热影响区分为熔合区、过热区、正火区和部分相变区（见图1）。

图1低碳钢焊接接头的组织示意图

从图所示的性能变化曲线可以看出，在焊接热影响区中．熔合区和过热区的性能最差．生裂缝和局部破坏的倾向也最大。

热影响区宽度增加会使焊缝金属的冷却速度减慢，晶粒变粗．并使焊接变形增大。

因此，热影响区愈窄愈好。

三、实验设备、材料及试剂

1.实验设备

MZ---1000焊机1台

金相切割机1台

PG-2D型金相试样抛光机1台

XJZ-6A型立式金相显微镜1台

THV-1MD显微硬度计1台

工作服、手套、面罩、金相砂纸、酒精、腐蚀液等

2.实验材料

Φ4.0mmH08A焊丝、熔炼焊剂HJ431、烧结焊剂SJ502和10mm厚低碳钢板。

四、实验方法与步骤

五人一组，每位同学均须亲自操作，了解其整个实验过程。

（一）埋弧焊设备结构实验

1．对照实物，了解MZ---1000焊机的各个组成部分，了解焊机的结构，各部分的工作情况，调整范围和方法。

2．分析MZ---1000型焊机的电气线路和工作原理，重点理解引弧过程中送丝发电机—电动机的工作状态和变化过程。

（二）埋弧焊设备操作实验

1．焊前准备

（1）用钢丝刷对焊缝两侧各20mm的范围内的铁锈、氧化皮进行清理；用棉纱将试板的油污和水分擦净；焊剂事先进行烘干，焊丝用砂纸除锈并擦掉油污；根据焊丝直径换上相同孔径的导电嘴。

（2）合上焊接变压器和控制电源的闸刀开关，控制电源的转换开关扭到“通”的位置（接通控制电源）。

按照预先选择好的焊接参数在控制盘上进行调整（根据板厚，大致选一组焊接参数，进行试焊）。

为启动焊接作好准备工作。

（3）按“焊丝向上”或“焊丝向下”按扭使焊丝回抽或下送，调节到焊丝端头与工件表面轻轻接触顶住，既不太松又不太紧（可移动焊接小车的方法检查接触情况）。

（4）打开焊剂漏斗开关，预送焊剂到引弧区。

2．焊接

（1）按下“启动”按扭，主接触器动作，焊接电源接通，开始引燃电弧（可观察引弧过程中送丝速度和方向的变化）。

（2）待电弧稳定后，合上焊车的离合器，焊车开始沿焊接方向行走，焊接过程开始。

3．停焊

（1）按下“停止”按扭的一半（“停止”是两次按钮），送丝电动机断电停转，焊丝停止送进，电弧逐渐烧长自然熄灭。

（2）将“停止”按扭按到底，主接触器断开，切断焊接电源，小车停止，焊接工作停止。

（3）关闭焊剂开关，将焊丝稍稍回轴后移开焊车，清理焊剂、焊渣。

（4）若不再继续焊接，逐级切断电源。

操作时要特别注意，不要将“停止”按扭一下按到底，否则由于送丝电动机的惯性，焊丝将会继续下送一段，容易插到熔池中去“粘住”，若发生这种情况，剪断焊丝后才能移动焊车。

（三）焊接接头组织观察及硬度分析

1．组织观察

（1）将焊件沿图2所示方向切开，制取金相试样。

切割试样时，应注意夹紧试样，拉下切割手柄时用力应均匀，始终用水冷却切割试样。

注意不要敲击砂轮片，切割人员不要站在砂轮旋转的切线方向，以免砂轮及试样飞出伤人。

图2试样切割部位（虚线位置为切割部位）

（3）用砂轮机打磨金相试样，此时注意不要戴手套，应站在砂轮机侧面均匀用力，将磨削面磨平；打磨时注意及时用水冷却试样；

（4）再用280#、360#、540#和精磨砂纸按次序将试样磨光（注意换砂纸时将试样的打磨方向与原打磨方向垂直），直到试样划痕很浅很细后，才能在抛光机上抛光；

（5）将抛光后的试样先用酒精擦洗，再用3%的硝酸酒精溶液腐蚀数秒钟至试样表面变暗后，用水冲洗干净，用酒精棉擦干，最后将试样吹干；

（6）在金相显微镜下观察母材区、热影响区以及焊缝区的金相组织并拍照记录。

2．焊缝及母材的硬度对比分析

测试试样的焊缝区、热影响区以及母材区的硬度，记录硬度值，并结合金相组织，分析硬度的分布规律。

表2不同位置处的硬度记录表

位置

第一点

第二点

第三点

平均值

焊缝区

热影响区

母材区

五、对实验报告的要求

（1）按照实验报告格式模板撰写，实验报告文本编辑格式除已给模板规定外应符合福州大学本科毕业论文撰写规范。

（2）实验结果应尽量用图表表达，图表要清晰、规范，分析讨论应详细深入，参考专业论文撰写规范。

（3）实验报告要求打印，文档格式见附件格式要求。

曲线图采用Origin绘制，表的格式用三线表，照片和图片采用数字图像。

（4）实验报告应从页面左侧边装订。

六、实验思考题

1.试说明主要的焊接类型与方法。

焊接条件包括哪些内容？

常见的焊接质量问题有哪些？

2.埋弧焊接方法的特点和适用范围。

3.埋弧焊接工艺参数对焊缝形状、尺寸的影响。

七、注意事项

1.不得超载使用电焊机，调节电流只许在空载状态下进行。

2.焊机不允许常时间短路，非焊接时间内，不要把焊钳放在工件上，以免造成短路。

3.引弧时，焊工应注意周围人员，以免强烈弧光伤害他人眼睛。

4.实验中必须谨慎操作，注意避免触电等事故发生。

5.清渣时要小心，严防烫伤脸部和眼睛。

6.焊接工间注意经常做好自然通风。

7.工作结束，必须首先按规定要求做好一切安全检查和处理。

切断电源、水源、气源。

收好各种工具，搞好场地、周围环境卫生。