材料制备与加工实验实验指导书目录实验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4、热塑性塑料的挤出造粒和注射成型实验1、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；2．了解时效温度和时效时间对时效强化效果的影响规律；3．了解固溶淬火工艺(淬火加热温度、保温时间及淬火速度等)对铝合金时效效果的影响；4．掌握金属材料最佳淬火温度的确定方法；5．加深对时效强化及其机制的理解。

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C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(C)→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(CuAl)。

该合金经固溶处理获得过饱和α相固溶体，2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2-3 A1-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）叙述实验目的、主要的实验原理（2）说明实验材料、固溶和时效热处理炉的型号参数、显微结构和性能测试仪器设备型号与测试方法。

（3）详细阐述实验参数设计、过程、步骤，并对实验中出现的现象进行分析。

包括固溶处理工艺、时效处理工艺。

（4）绘制不同温度下硬度-时效时间关系曲线，表征不同时效处理样品的显微结构，分析和讨论温度和时间对时效过程的影响关系。

（5）实验过程数据尽量用图表表达，图表要清晰、规范，细节查阅本科生论文撰写规范。

（6）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。

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.熟悉实验用焊机的原理与结构；2.掌握手弧焊的基本理论，熟练手工电弧焊的基本操作；3.学会针对不同材料和尺寸的焊件选择焊接工艺参数；4.掌握焊接缺陷的检验及焊接接头质量的检测方法，分析产生焊接缺陷的原因。

二、实验原理1.概述焊接是将两个分离的金属工件通过局部加热(或既加热又加压)，使其达到原子结合而形成永久性连接的方法。

焊接成型是一种非常重要的机械加工和成型工艺方法。

有许多产品或零部件都有焊接工艺环。

目前最常用的焊接方法有手弧焊、气焊和电阻焊等。

焊接时所用的焊机以及装夹、移动工件的辅助装置总称为焊接设备。

其中焊机为主要焊接设备，包括焊接电源、控制箱、焊接机头或焊枪等等，是供完成各种焊接工艺操作的专用设备。

如电弧焊机、电阻焊机、摩擦焊机等等。

焊接时要根据实际要求选择适当的焊接工艺。

焊接工艺是指与制造焊件有关的加工方法和实施要求，包括焊前准备、材料选用、焊接方法选定、焊接参数、操作要求等等。

焊接工艺的制定，不仅要考虑焊件的制造性能，即最大限度地发挥所选用材料、加工方法的优势，扬长避短，保证产品的质量；同时还要考虑焊件的使用性能，在制造过程中，对影响产品使用性能的诸多因素加以控制，保证产品在服役期内安全运行。

制定一个好的焊接工艺，不仅需要具备焊接冶金、焊接设备、焊接结构等专业知识，了解结构件的设计以及相关领域的理论知识。

2.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。

3.焊接缺陷产生原因和防止措施常见焊接缺陷：在焊接生产过程中，由于焊接结构设计、焊接规范确定、焊前准备和操作方法等不恰当，均会产生各种各样的焊接缺陷。

焊接缺陷的存它直接影响焊接接头的质量及焊接结构的安全性。

常见焊接缺陷、产生原因和防止措施列于下表1。

表1 常见焊接缺陷、产生原因和防止措施缺陷名称缺陷简图缺陷特征产生原因防止措施烧穿液态金属从焊缝反面漏出形成穿孔坡口间隙太大，电流太大或焊透太慢，操作不当确定合理的装配间隙，选择合适的焊接规范，掌握正确的运条方法未焊透焊接时接头根部未完全焊透的现象焊接速度太快，焊接电流太小，坡口角度太小，间隙过窄，焊接坡口不干净选择合适的焊接规范，正确选用坡口形式，尺寸和间隙，加强清理，正确操作夹渣焊后残留在焊缝金属中的宏观非金属夹杂物工件不洁；焊接电流过小，焊速太快；多层焊接时各层熔渣未排除干净多层焊时层层清洁，坡口清理干净，正确选择焊接规范气孔焊接时，熔池中，溶入的气体在凝固时不能逸出，形成气孔焊件表面不洁；焊条潮湿；焊接电流过小，焊速过快，焊件碳硅含量高产品清除坡口上的水，锈、油，焊条按要求烘干，正确选择焊接规范裂纹在焊接过程中或焊接后，在焊接接头区域出现的金属局部破裂现象熔池中含有较多的硫、磷或氢；结构刚度大；焊接应力过大；焊接顺序不当焊前预热，限制原材料中的硫、磷含量，选用低氢型焊条，严格对焊条烘干即使清理焊件表面4.引弧、运条和收条的基本操作：引弧：是将焊条端部在靠近开始焊接的部位引燃电弧。