课程编号：031511 课程性质：独立设课实验
课程名称：材料加工基础实验 英文名称：Experiments of Materials Engineering
隶属课群：材料加工基础 课程总学时：32
实验学时：32 上机学时：8
适用专业：金属材料工程
一、本课程实验教学性质、目的和任务：
《材料加工基础实验》是金属材料工程专业必修的实践性专业课，是系统专业学习过程中必不可少的教学环节。开设此课程的目的在于培养学生基本的工程素质，提高学生分析问题和解决问题的能力以及实际动手操作能力，进一步加深对专业课学习的理解。本课程的基本任务在于让学生掌握理解金属材料制备和材料成型原理及材料成型过程中生产工艺的控制技术的理论和实验技能。
二、实验教学的主要内容和基本要求：
主要内容:
1．热加工成型原理及测试方法
2．热加工过程显微组织分析
3．材料使用性能、物理性能及力学性能检测及分析；
4．温度的测量及控制。
实验教学方法手段的基本要求:
1．主要以学生操作设备仪器完成相关实验项目；
2．热加工过程显微组织分析采用多媒体教学。
三、实验项目及学时分配表
|
序号 |
实验项目名称 |
计划学时 |
实验类型 |
开出要求 |
每组人数 |
|
1 |
铸造合金铸造性能测试实验 |
4 |
综合 |
必开 |
2～3 |
|
2 |
钢的淬透性测量 |
3 |
验证 |
必开 |
1 |
|
3 |
金属氧化速度的测定 |
2 |
验证 |
必开 |
2 |
|
4 |
铸铁金相组织分析 |
2 |
验证 |
必开 |
1 |
|
5 |
钢热处理后的显微组织分析 |
4 |
验证 |
必开 |
1 |
|
6 |
铝合金、铜合金金相组织分析 |
2 |
验证 |
必开 |
1 |
|
7 |
焊接材料金相组织分析 |
4 |
验证 |
必开 |
1 |
|
8 |
双臂电桥测量钢淬火回火后电阻变化 |
2 |
验证 |
必开 |
2 |
|
9 |
膨胀法测定亚共析钢在加热
过程中的临界点 |
2 |
验证 |
必开 |
2 |
|
10 |
温度仪表的使用及校验 |
3 |
综合 |
必开 |
2 |
|
11 |
焊接设备及工艺 |
2 |
验证 |
必开 |
2 |
|
12 |
焊接热循环曲线的测定 |
2 |
验证 |
必开 |
2 |
四、实验项目教学大纲
实验一 铸造合金铸造性能测试实验
（一）实验类型：综合
（二）实验目的：
1. 掌握铸造合金常规铸造性能（流动性、线收缩、合金热裂倾向、热应力）的测试原理及测试方法。
2．建立铸造合金成分—铸造性能—力学性能—组织间相互关联的理念，进一步理解它们之间的相互关系。
3． 了解铸造合金性质、铸型条件、浇注条件、铸件结构等方面的因素对合金铸造性能的影响规律。
（三）实验内容：
1．测定实验合金在不同浇注温度、不同铸型条件下的充型能力。
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序号 |
浇注温度 |
铸型条件 |
|
1 |
过热100℃ |
砂型 |
|
2 |
过热50℃ |
砂型 |
|
3 |
过热50℃ |
涂烟黑 |
2．测定合金热裂抗力—温度—时间动态曲线。
3．测定合金自由线收缩动态曲线（测定合金凝固阶段的线收缩率，测定凝固结束至450℃的线收缩率）。
4．测定实验合金的力学性能：σb、δ。
5．分析合金的金相组织。
（四）实验要求：
实验教学组织安排
1. 每班4～5组，每组6～8人。实行组长负责制，成员既要有明确分工又要相互协作；
2．按照实验流程做好各项实验准备工作，熟悉实验用仪器、工装，制定实验工艺及实验计划，确定实验日期；
3.实验以学生为主体，教师指导为辅。
实验报告要求
1．评定分析测试材料的铸造性能、力学性能，阐述材料的特点及使用范围。
2．对实验数据分析整理得到那些结果，归纳实验结果与影响因素之间的关系，进一步进行理论分析，讨论形成机制及机理。
（五）主要仪器设备：
SG-5-10型坩锅电阻炉、ZXD铸造性能多功能测试仪、464台式自动平衡记录仪、铸造合金动态应力测试仪、单螺旋线流动性试样模板、EU-2热电偶及数显温度仪等。
实验二 钢的淬透性测量
（一）实验类型：验证
（二）实验目的：
掌握用顶端淬火法测定钢的淬透性的方法及其原理，进一步理解CCT曲线-冷却速度-淬透性-硬度之间的关系。
（三）实验内容：
1. 确定试样成分，根据材料制订热处理工艺，根据试样规格尺寸确定奥氏体化温度，保温时间及冷却方式。
2. 奥氏体化完成后将此温度的试样快速放到端淬机上淬火。
3. 将淬火后试样的一个侧面进行打磨去掉氧化皮并从水冷端每隔3mm划一刻度。
4. 使用洛氏硬度计测定HRC
（四）实验要求：
1. 注明试验条件，根据所测数据绘制HRC-水冷端距离淬透性曲线
2. 根据淬透性曲线，计算半马氏体区。
3. 结合CCT曲线分析所测材料的淬透性及影响因素。
（五）主要仪器设备：端淬机、箱式电阻炉、洛氏硬度机。
实验三 金属氧化速度的测定
（一）实验类型：验证
（二）实验目的：
1.了解并掌握用热天平法测定金属氧化速度的原理及方法
2.了解不同温度下同一金属材料的氧化规律及特征
3.了解不同金属材料的氧化特征
（三）实验内容：
1.熟悉天平的动态使用和动态下读取实验数据的技能
2.测定400℃，500℃，600℃，700℃下纯铜试样的氧化增重与时间的关系曲线
3.测定400℃， 600℃，700℃温度下低碳钢试样的氧化增重与时间的关系曲线
（四）实验要求：
1.熟炼并掌握天平及加热炉的使用方法；
2.严格按实验指导书的步骤及方法进行；
3.真实记录实验中的所有实验现象；不明之处和指导教师进行讨论。
4.综合分析金属氧化的规律及影响金属氧化的因素
（五）主要仪器设备：
天平（精度0.1mg），加热电阻炉，控温仪，
实验材料： 纯铜试样，低碳钢试样，砂纸
实验四 铸铁金相组织分析
（一）实验类型：验证
（二）实验目的：
1.掌握铸铁中常见石墨形态及形成原因；
2.熟悉铸铁中常见的基体组织，进一步理解基体组织与铸铁性能的关系；
3.通过金相组织分析，结合基础理论知识，初步培养分析生产实际问题的能力。
（三）实验内容：
1.观察灰铸铁的石墨形态（片状A、B、C、D、E、F）及基体组织形貌；
2.球墨铸铁的石墨形态（球状、团状、团片状、厚片状、开花状枝晶状）及基体组织形貌；
3.可锻铸铁的石墨形态（团球状、团絮状、菜花状、蠕虫状、枝晶状）及基体组织形貌；
4.观察合金铸铁以及铸铁常见缺陷组织；
5.了解化学成分对石墨化的影响。
（四）实验要求：
1.画出下列石墨形态及基体组织示意图
灰 铸 铁：A、B、D、E、F型石墨，珠光体基体；
球 铁：球状石墨，牛眼状组织（珠光体＋铁素体）；
可锻铸铁：团絮状石墨；基体为铁素体。
2.根据实验指导书的要求完成实验报告。
（五）主要仪器设备：
计算机、多媒体教学软件及相关显微组织图谱。
实验五 钢热处理后的显微组织分析
（一）实验类型：验证
（二）实验目的：
1．了解钢加热转变时，加热温度对奥氏体晶粒大小及组织的影响；
2．掌握钢正火，退火，淬火等热处理后得到的常见组织形貌；
3．会用CCT和TTT曲线分析不同冷却方式和冷却速度下得到的室温组织；
4．分析比较几种典型碳素结构钢和合金结构钢在不同热处理状态下的显微组织，掌握其组织特征；
5．分析合金元素对结构钢不同热处理状态下显微组织和性能的影响。
（三）实验内容：
1．了解钢（40钢、T8钢、T12钢）在加热转变时奥氏体的形成及晶粒长大的过程和规律，及T12钢球化处理工艺及显微组织形态；
2．钢的过冷奥氏体等温转变曲线分析，即等温转变曲线区域的辨别及相应区域常见组织形态（上贝、下贝、无碳贝、粒贝、板条马氏体、片状马氏体、闪电状马氏体等）。和常见热处理缺陷组织；
3．冷却速度对组织的影响（钢的过冷奥氏体连续转变曲线分析）；
4．了解淬火钢回火组织；
5．结构钢不同热处理状态下的显微组织分析；
6．工模具用钢的显微组织分析。
（四）实验要求：
1.画出下列所观察的显微组织，并标出组织组成物
上贝氏体、下贝氏体、板条马氏体、片（针）状马氏体及闪电马氏体；
2.根据40钢的CCT曲线，画出下列不同热处理状态下的组织产物并标出组织组成物
炉冷，空冷、油冷、三硝冷、盐水冷；
3.根据不同材料CCT曲线和TTT曲线，分析回答各要求状态下的思考题并及时与课堂教师互动；
4.完成实验报告。
（五）主要仪器设备：
计算机、多媒体教学软件及相关显微组织图谱。
实验六 铝合金、铜合金金相组织分析
（一）实验类型：验证
（二）实验目的：
1．掌握铝合金、铜合金金相组织分析的方法及特点；
2．熟悉铝合金、铜合金中典型牌号的显微组织，掌握各相的形状、数量、大小、分布等特点；
3．进一步理解热处理工艺、铸造工艺和变质处理对组织和性能的影响。
（三）实验内容：
1．铸造铝合金金相组织分析；
2．变形铝合金简介；
3．铜及铜合金的金相组织分析；
4．铝合金、铜合金热处理后显微组织特点分析。
（四）实验要求：
1.根据相图画出下列铝合金、铜合金组织示意图并标出组织组成物
Al－Si：ZL102铸态及变质处理
Al－18Si：铸态及变质处理
Al－Cu：ZL203
AL－Mg：ZL301铸态
Cu－Zn：ZH70铸态及退火态； ZH62铸态显微组织
Cu－Sn：Cu－8％Sn铸态及退火态显微组织；
2.完成实验报告。
（五）主要仪器设备：
计算机、多媒体教学软件及相关显微组织图谱。
实验七 焊接金相组织分析
（一）实验类型：验证
（二）实验目的：
1．初步掌握焊接金相分析的方法；
2．掌握焊接金属和合金固态相变特点的基本类型；
3．掌握低碳钢、低合金钢、硬铝焊缝组织、熔合区组织、热影响区组织的基本组织形貌特征；
4．结合理论教学进一步理解焊接方法、工艺规范与加热冷却条件与接头组织、性能的关系。
（三）实验内容：
1．观察20#钢焊缝和热影响区组织转变过程及组织形态；
2．观察低合金钢焊缝常见组织形态；
3．观察低合金钢易淬火和不易淬火钢组织形态，并比较16Mn和12Cr钢热影响区不同区域的组织区别；
4．观察无同素异构转变的多相合金的焊接热影响区组织形态；
5．了解钢的热处理和焊接热影响区加热和冷却过程的区别；
6.了解合金元素及含氧量对组织的影响；
7．了解不同焊接方法对组织的影响。
（四）实验要求：
1.画出20＃钢焊缝及热影响区组织示意图，并标出组织组成物；
2.画出下列材料焊接时热影响区组织示意图并标出组织组成物
T2紫铜埋弧焊对接接头组织；
12Cr2MoWVTiB钢管氩弧焊对接接头热影响区组织；
16Mn钢（低合金钢）自动埋弧焊用手工焊焊接热影响区组织；
3.回答思考题并及时与课堂教师互动。
4.完成实验报告。
（五）主要仪器设备：
计算机、多媒体教学软件及相关显微组织图谱。
实验八 双臂电桥测量钢淬火回火后的电阻变化
（一）实验类型：验证）
（二）实验目的：
通过测量T8钢淬火经不同温度回火时的电阻变化，研究淬火组织马氏体经不同温度回火后的分解过程，了解应用电阻分析法研究合金组织结构的基本方法。
（三）实验内容：
将材料T8钢制成 Φ6ⅹ120mm的试样，经过780℃淬火，然后在110℃ 230℃ 300℃不同温度进行回火一小时。使用QJ44 型携带式直流双臂电桥，采用四点接线法连接试样架，测量试样电阻值。
（四）实验要求：
对经不同热处理后的试样的电阻变化测量，根据所测量数据，绘制淬火钢电阻-回火温度曲线。
（五）主要仪器设备：QJ44 型携带式直流双臂电桥、试样架
实验九 膨胀法测定亚共析钢在加热过程中的临界点
（一）实验类型：验证
（二）实验目的：
通过用膨胀法测定钢在加热过程的临界点，了解应用膨胀法分析研究金属学及热处理的基本方法
（三）实验内容：
用膨胀仪测定中碳钢在加热过程的膨胀系数，根据所测数据绘制热膨胀曲线，测定试样加热过程中的临界点。
（四）实验要求：
1. 控制升温速度，从50℃开始每隔50℃记录一次伸缩量。
2. 加热到850℃完成测量，根据所测数据绘制温度-位移量曲线，在热膨胀曲线上测定试样材料的Ac1和Ac3，并根据曲线测出珠光体和奥氏体的平均线膨胀系数。
（五）主要仪器设备：
机械式膨胀仪、千分表、热电偶、直流电位差计、调压器。
实验十 温度仪表的使用及校验
（一）实验类型：（综合）
（二）实验目的：
1．了解多种温度仪表的工作原理及结构，掌握常用温度仪表的正确使用方法及生产现场的校验。
2．了解加热炉温度的测量和自动控制方法。
（三）实验内容：
1．观察热电偶、热电阻、红外测温仪、动圈式及数显式等指示调解型温度仪表的结构，了解其工作原理和用途。
2．使用标准热电偶、UJ37电位差计组成标准测温系统，对实验室的数台电阻加热炉测控温系统进行校验。
（四）实验要求：
1．画出加热炉测控温系统的工作方框图及电路原理图。
2．画出炉温仪表成套鉴定法的工作示意图，标定实验室现用的电阻加热炉测控温系统的误差，并进行误差分析。
（五）主要仪器设备：
K、S分度的工业热电偶、标准热电偶、UJ37电位差、XCT动圈式温度调节仪、708数显式温度调节仪、RX-15-9、SX-15-13等箱式电阻加热炉
实验十一 焊接设备及工艺
（一）实验类型：（综合）
（二）实验目的：
1．了解常用焊接设备的工作原理及结构。
2．基本掌握手弧焊的操作方法，了解气体保护焊、埋弧焊、点焊等焊接设备的使用方法和工艺参数的选择。
（三）实验内容：
1．使用交流弧焊设备或CO2气保焊机，选择相应的工艺参数，对3～12mm钢板进行焊接。
2．观摩钨极氩弧焊、自动埋弧焊、电阻对焊或点焊的焊接过程，了解其工艺参数的设置和正确使用方法。
（四）实验要求：
1．简述焊接方法的分类及常用焊接设备的性能指标、技术参数和用途。
2．简述选择焊接电流、焊条直径等工艺参数的基本方法，分析你所焊试件的缺陷产生原因及与工艺参数的关系。
（五）主要仪器设备：
BX6-256交流弧焊机、YP-060空气等离子弧切割机、YD-350二氧化碳弧焊电源、YC-300交直流TIG焊机、ZM-1000自动埋弧焊机、UN-40交流电阻对焊机、D(T)N-40交流点（凸）焊机
实验十二 焊接热循环曲线的测定
（一）实验类型：（验证）
（二）实验目的：
1．了解焊接HAZ热循环曲线的特征及影响其特征的因素。
2．掌握测定热循环曲线的基本方法。
（三）实验内容：
测定8～12mm厚的普通碳素结构钢，采用自动埋弧焊工艺条件下的热循环曲线。
（四）实验要求：
1．用坐标纸或计算机作图画出所测得热循环曲线，并注明试验条件。
2．计算最高温度Tm、相变温度以上停留时间tH、升温速度ωH和瞬时冷却速度ωC。
3．分析影响热循环曲线特征的主要因素，并举例说明其对焊缝组织和性能的影响。
（五）主要仪器设备：
K分度热电偶、X-Y函数记录仪、ZM-1000自动埋弧焊机
五、考核与评分
本课程考核按实验预习报告﹑纪律﹑实验能力﹑试验报告综合考评。实验考核成绩由各项实验成绩平均值评定。
制定单位：材料与化工学院
制 定 人：刘建康
审 核 人：杨 通
批 准 人：王正品
制定（或修订）时间：2010.6.20
