金属材料室温压缩试验报告

【实验目的】

1．测定低碳钢压缩时的下屈服强度R_eL（或屈服极限σ_s）；

2．测定铸铁压缩时的抗压强度R_m（或抗压强度极限σ_b）；

3．对低碳钢与铸铁的力学性能进行比较，观察断口现象，分析引起破坏的原因。

【实验设备和器材】
   1.微机控制电液伺服压力实验机YAW4206T型 最大负荷:2000kN
   2.游标卡尺

【实验试样准备】

对于低碳钢和铸铁类金属材料，按照GB 7314—1987《金属压缩试验方法》的规定，金属材料的压缩试样多采用圆柱体如图1-9所示。试样的长度L一般为直径d的2.5～3.5倍，其直径d = 10mm～20mm。也可采用正方形柱体试样如图1-10所示。要求试样端面应尽量光滑，以减小摩阻力对横向变形的影响。

  

图1-9  圆柱体试样                        图1-10  正方形柱体试样

【实验原理概述】

Ⅰ低碳钢：以低碳钢为代表的塑性材料，轴向压缩时会产生很大的横向变形，但由于试样两端面与试验机支承垫板间存在摩擦力，约束了这种横向变形，故试样出现显著的鼓胀效应如图1-11所示。为了减小鼓胀效应的影响，通常的做法是除了将试样端面制作得光滑以外，还可在端面涂上润滑剂以利最大限度地减小摩擦力。低碳钢试样的压缩曲线如图1-12所示，由于试样越压越扁，则横截面面积不断增大，试样抗压能力也随之提高，故曲线是持续上升为很陡的曲线。从压缩曲线上可看出，塑性材料受压时在弹性阶段的比例极限、弹性模量和屈服阶段的屈服点（下屈服强度）同拉伸时是相同的。但压缩试验过程中到达屈服阶段时不像拉伸试验时那样明显，因此要认真仔细观察才能确定屈服荷载F_eL，从而得到压缩时的屈服点强度（或下屈服强度）R_eL = F_eL/S₀。由于低碳钢类塑性材料不会发生压缩破裂，因此，一般不测定其抗压强度（或强度极限）R_m，而通常认为抗压强度等于抗拉强度。

             

图1-11  低碳钢压缩时的鼓胀效应               图1-12  低碳钢压缩曲线

Ⅱ铸铁：对铸铁类脆性金属材料，压缩实验时利用试验机的自动绘图装置，可绘出铸铁试样压缩曲线如图1-13所示，由于轴向压缩塑性变形较小，呈现出上凸的光滑曲线，压缩图上无明显直线段、无屈服现象，压缩曲线较快达到最大压力F_m ,试样就突然发生破裂。将压缩曲线上最高点所对应的压力值 F_m 除以原试样横截面面积S₀，即得铸铁抗压强度R_m = F_m / S₀。在压缩实验过程中，当压应力达到一定值时，试样在与轴线大约45°～55°的方向上发生破裂如图1-14所示，这是由于铸铁类脆性材料的抗剪强度远低于抗压强度，从而使试样被剪断所致。

                    

图1-13  铸铁压缩曲线               图1-14  铸铁压缩破坏示意图

【实验步骤】

1．用游标卡尺在试样两端及中间三处两个相互垂直方向上测量直径，并取其算术平均值，选用三处中的最小直径来计算原始横截面面积S₀。

2．根据低碳钢屈服荷载和铸铁最大实际压力的估计值（它应是满量程的40%～80%），选择试验机及其示力度盘，并调整其指针对零。对试验机的基本要求，经国家计量部门定期检验后应达到1级或优于1级准确度，实验时所使用力的范围应在检验范围内。

3．调整好试验机上的自动绘图装置。

4．将试样端面涂上润滑剂后，再将其准确地置于试验机活动平台的支承垫板中心处。对上下承压垫板的平整度，要求100mm应小于0.01mm。

5．调整好试验机夹头间距，当试样端面接近上承压垫板时，开始缓慢、均匀加载。在加载实验过程中，其实验速度总的要求应是缓慢、均匀、连续地进行加载，具体规定速度为0.5～0.8MPa/S。

6．对于低碳钢试样，若将试样压成鼓形即可停止实验。对于铸铁试样，加载到试样破裂时（可听见响声）立即停止实验，以免试样进一步被压碎。

7．做铸铁试样压缩时，注意在试样周围安放防护网，以防试样破裂时碎碴飞出伤人。

8.注意事项:(1)、任何时候都不能带电插拔电源线和信号线；(2)、试验开始前，一定要调整好限位挡圈；(3)、试验过程中，不能远离试验机；(4)、试验过程中，除停止键和急停开关外，不要按控制盒上的其他按键；(5)、试验结束后，一定要关闭所有电源；(6)、计算及要严格按照系统要求一步一步退出，正常关机。(7)、不要使用来历不明或与本机无关的存储介质在试验机控制用计算机上写盘或读盘。

9.结束试验
  从试验机上取下已绘好的拉伸曲线图纸，并请教师检查试验记录。清理试验现场，将试验机及有关工具复原。

【实验记录】

试验前试件尺寸

       

【实验数据处理】

由实验报告机提供的实验数据，有低碳钢和铸铁上屈服强度，下屈服强度，抗拉强度，计算公式如下：

低碳钢的屈服极限：

铸铁的抗压强度:   

断口形状

【实验讨论及作业】

1、低碳钢与铸铁压缩实验中事件为什么做成短而粗的圆柱形?

圆而短粗的试样，在压缩过程中不会发生失稳弯曲，从而保证了数据的准确性。要是试样细长，压缩过程中易于失稳弯曲，导致实验失败或数据失真。

2、为何低碳钢压缩时测不出破坏荷载，而铸铁压缩时测不出屈服荷载？

低碳钢延伸率大，在承受压缩荷载时，起初变形较小，力的大小沿直线上升，载荷进一步加大时，试件被压成鼓形，最后压成饼形而不破坏，故其强度极限无法测定。也就是说低碳钢压缩时弹性模量E和屈服极限σS与拉伸时相同，不存在抗压强度极限。

铸铁是脆性材料其情况正好与低碳钢相反，没有屈服现象，所以压缩时测不出屈服载荷。

3、为什么铸铁试样在压缩时沿着与轴线大致成45° 角的斜截面发生破坏？其破坏形式说明了什么？

扭转时，由于低碳钢抗拉能力大于抗剪能力，所以剪应力先于拉应力达到最大值；故破坏原因是最大剪应力，沿45°面的剪应力最先达到铸铁的抗剪切极限强度。所以沿45°面破坏，这也是脆性材料的共性。

4、试简述低碳钢和铸铁压缩时力学性能的异同

低碳钢抗压缩的能力比铸铁要低，当对低碳钢试块进行压缩实验时，受力逐渐加大，试块随外力变形，当试块变形达到极限时，其受力也达到最大值，其受力曲线是一条向斜上方的直线。铸铁则不然，开始时与低碳钢受力情况基本相同，只是当铸铁试块受力达到本身的破坏极限时，受力逐渐减小，直到试块在外力下被破坏（裂开），受力为“0”其受力曲线与低碳钢拉伸时的受力曲线相同。

 

第二篇：金属材料工程试验报告

金属材料工程试验报告

一、实验目的

学会综合应用已学的相关课程知识，解决实际问题。达到理论知识的复习、巩固、验证与应用及动手能力的培养和工程经验的积累的目的。 本实验旨在培养考察材料专业本科学生对专业知识、专业技能的掌握和运用，通过ZL109的熔炼、热处理工艺，以及热处理之后对材料性能、组织成分的检测等材料制备整个流程的设计实验，要求学生设计实验方案、进行实验过程操作、对实验制备得到的试样进行性能检测和成分分析。

二、实验材料及设备

ZL109铝锭铝块、变质剂、精炼剂、铸模、坩埚、箱式炉、井式炉、烘干器、水浴箱、五金配套工具、拉伸试验机、硬度仪、金相显微镜、吹风机、数码相机、计算机、金相砂纸、氢氟酸等。

三、实验方案设计

1、查得ZL109的合金牌号为 ZAlSi12Cu1Mg1Ni1

铸造铝合金的化学成分以及杂质允许含量数据如下表所示： Si Cu Mg Mn Fe Zn

11.0-13.0% 0.5~1.5% 0.8-1.3% ≤0.2% ≤0.7% ≤0.2%

2、制定金属熔炼及热处理工艺卡片（见第二页）

3、性能测试样加工图：

实验基本流程：金属熔炼→浇注成型→热处理→组织成分、力学性能检测。

四、实验步骤

1、铸造铝合金的铸锭成型方法

（1）铸造铝合金熔炼方法，其技术要点是：纯铝在坩埚内熔化后，铝液温度达到690℃-720℃时加入纯硅，当铝硅液温度达到700℃-730℃（由于熔点相差很大，溶解的很慢，需要较大的过热才能完全溶解）加入10Kg的NaNO、13Kg的BaCl、10Kg的NaF、13Kg的NaAlF、21Kg的KTiF、6Kg的KBF、13Kg的NaCl、10Kg的C粉配制成的精炼变质细化剂，用侵盐勺压入铝液面下，距坩埚底100-150mm。该铸造合金熔炼方法可达到精炼、变质、细化一步完成，操作时间缩短，减少合金熔炼增铁，提高铝合金质量，并能减少对环境的污染。

实际实验操作过程中，考虑到实验经费、金属原料循环利用等因素，采用去年04级学生修习本课程时已经制备好的ZL109铝锭铝块重新回炉熔炼。

（2）铸造铝合金熔炼方法，包括以下步骤：

①将适于熔炼铝硅合金的熔炼炉清理干净，预热至200-300℃，喷刷涂料；准备熔炼操作用各种工具，清理干净，预热至200-300℃，喷刷涂料，并烘烤去除水份；

②将预先配制好的精炼变质细化剂按处理铝硅液量的需要称量好，放入烘干箱，在200-300℃下烘烤数分钟，备用；

③装炉熔化：先将回炉料装入熔炼炉，再按设定铝硅配比加入纯铝和纯硅；熔化后搅拌均匀，再加入所需中间合金，待化清后搅拌均匀； ④精炼、变质、细化综合处理，并按需要调整好铝液的化学成份；

⑤调温至已知工艺要求温度时，出炉浇注，其特征在于：所述的装炉熔化步骤中，当铝熔化后，铝液温度达到690-720℃时加入纯硅；所述的精炼、变质、细化综合处理，是当铝液温度达到700-730℃时进行精炼、变质、细化综合处理，打净炉中铝液表面的浮渣，加入烘烤好的精炼变质细化剂，将其撒在铝液表面，用侵盐勺压入，使其与坩埚底部保持100-150mm距离，来回上下运动，直到液面不再冒泡，处理时间为15-25分钟，精炼变质细化剂加入量按重量百分比计为铝硅液的1.8-2.8%。

注意事项：

①熔炼时，熔剂需均匀撒入，待纯铝全部熔化后再加入中间合金和其他金属，并压入铝液内，不准露出液面。

②炉料熔化过程中，不得搅拌金属。炉料全部融化后可以充分搅拌，使成分均匀。

③铝合金熔体温度控制在720℃-760℃。

④炉料全部熔化后，在熔炼温度范围内扒渣，扒渣尽量彻底干净，少带金属。

⑤镁的加入在出炉前或精炼前，以确保合金成分。

⑥熔剂要保持干燥，钟罩要事先预热，然后放入熔体内，缓慢移动，进行精炼。精炼时要保证一定的时间，彻底除气除渣。

⑦精炼后要撒熔剂覆盖剂，然后静置一定时间。扒渣，出炉浇铸。浇铸时流速要平稳，不要断流，注意补缩。

2、铝合金铸坯成型

铸坯成型是将金属也铸成形状、尺寸、、成份和质量复合要求的锭坯。一般而言，铸锭应满足下列要求：

（1）铸锭形状和尺寸必须符合压力加工的要求，以避免增加工艺废品和边角废料；

（2）坯料内外不应该有其空、缩孔、夹杂、裂纹及明显偏析等缺陷，表面光滑平整；

（3）坯锭的化学成份符合要求，结晶组织基本均匀。

实验中，将熔化完全的铝液浇注铸坯、冷却、开型等步骤后得到坯锭。

3、制作板材拉伸试样和立方块状试样。

（1）将铸造坯锭采用线切割的方式切割为板材状拉伸试样8个。

（2）根据GB 6397-1986的标准制作板材状拉伸试样，试样的结构尺寸图如下：

注：上图所示板材状拉伸试样厚度为2mm。

4、铸造铝合金的热处理

（1）铸造铝合金在铸态下的机械性能往往不能满足使用要求，通过热处理的办法可进一步提高铸件的机械性能和使用性能。热处理的目的大致有以下几个方面：

①充分提高铸件的机械性能，保证一定的塑性，提高合金抗拉强度和硬度，改善合金的切削加工性能等；②消除由于铸件壁厚不均匀、快速冷却等所造成的内应力；③稳定铸件的尺寸和组织，防止和消除因高温引起相变产生体积胀大现象；④消除偏析和针状组织，改善合金的组织和机械性能。

（2）铝合金热处理原理

由Al-Si二元状态图可知，A1和Si不能形成中间相，铝硅合金可视为主要Al基体和Si相组成。在共晶合金中共晶Si相为粗大针状形态；在过共晶合金中初生Si相呈粗大的多边形和板条状分布，两者都严重割裂基体，导致塑性下降，这是导致Al-Si系合金塑性差的根本原因。为了使铸造铝合金具有良好的机械性能，需要对铝合金进行强化热处理，从而加强材料的力学性能和使用性能。

铝合金强化热处理主要是通过淬火或淬火加人工时效来实现的。 从铝和其它元素的二元相图上可知：凡是合金组元或金属间化合物在α固溶体内的溶解度随温度的下降而减小，从而析出第二相的合金，理论上都可以进行淬火（固溶强化处理）。溶解度的变化愈大则固溶强化的效果愈显著。其实质是将工件加热到尽可能高的温度，在该温度下，保持足够长的时间使强化相充分溶入α固溶体，随后快速冷却，使高温时的固溶体，呈过饱和状态保留到室温，从而使固溶体获得强化。

固溶化处理的保温温度取决于合金的成分和相图。温度愈高，愈接近共晶转变温度或固相线温度淬火的效果愈好，但为了防止合金“过烧”（晶界上低熔点共晶体熔化或固溶体的晶粒粗大），一般应比上述温度低10~15℃。

固溶化处理的保温时间，取决于强化相溶入α固溶体中所需的时间，若铸件中强化相比较粗大，则保温时间要长一些。如砂型、厚壁铸件相应地要比金属型、薄壁铸件保温时间长一些；强化相的扩散速度大，

则保温时间可以相应缩短。

（3）选取6个板材状拉伸试样进行淬火处理。处理方法为将试样置于箱式炉中在520℃的温度时固溶处理6个小时，固溶处理后将试样置于70℃的温水中进行淬火处理。

确定淬火加热温度的原则是：在保证不过烧、晶粒不长大的前提下，尽量选用较高的加热温度，以使强化相充分固溶，以便在随后的时效过程中，得到最大的强化效果，同时对提高耐蚀性有帮助。铸造铝合金的加热温度接近于熔点，控温的精确度很重要，稍有不慎便会发生过烧报废的情况。

为了减少应力、畸变和试样淬火开裂，铝合金冷却时应该采用60～100℃的水。

选取3个板材状拉伸试样进行时效处理。处理方法为将试样置于200℃的烘干箱中进行时效处理10个小时。

查阅文献得知，根据工件条件，选用合适的时效温度一般在200℃左右，时效时间一般不少于3小时。本实验选用200℃的时效温度时效10个小时。

5、本实验得到试样清单如下：铸态板材状金属拉伸试样2个，淬火态板材状金属拉伸试样3个，淬火时效态板材状金属拉伸试样3个。

五、试样力学性能、组织成分检测

1、对实验过程中各阶段制备得到的铸态、淬火态、淬火时效态等3种状态的试样进行力学性能检测，检测得到的力学性能参数如下表所示：

试样状态 序号 最大拉力值 抗拉强度 拉断后试样长度 延伸率 硬度 平均硬度

KN Mpa mm % HRF HRF

铸态 1 2.428 121.1846 30.22 0.73 79.4 80.1 80.2

80.6

2 1.884 93.8777 30.20 0.67 74.0 79.3 82.5

81.3

平均 2.156 107.5312 30.21 0.70 79.7

淬火态 1 2.508 125.3359 30.18 0.60 91.1 89.9 88.8

89.7

2 2.622 130.6085 30.04 0.13 91.0 89.1 85.8

90.4

3 4.139 206.7623 30.50 1.67 88.6 88.1 88.2

87.4

平均 3.090 154.2356 30.24 0.80 89.0

淬火时效态 1 4.397 219.4226 30.14 0.47 101.8

101.5

104.0

98.6

2 3.007 149.9186 30.18 0.60 98.0 100.9 102.6

102.1

3 3.599 179.5510 30.20 0.67 99.9 99.9 99.8

100.1

平均 3.668 182.9641 30.17 0.58 100.8

从上表可以得出的结论：在拉伸实验中，淬火态试样的平均最大拉力值、平均抗拉强度以及平均硬度等多项数据指标均比铸态试样高，而淬火时效态试样的上述各项数据指标均比淬火态试样高。此结论说明经过淬火时效后的铸铝合金具有更好的强度和硬度，力学性能得到很好的改善。

2、试样金相图片

（1）铸态试样的金相照片：

铸态试样金相照片的特点是铸态缺陷比较多，组织中呈现粗大条块状的Si相严重割裂基体，导致铸态ZL109的强度、塑性很低。

左图左上区域有个黑色孔洞，实际为磨制金相时试样表面有些凹坑在砂纸打磨和抛光机抛光阶段时没有除去，在显微镜观察下便呈现出黑色孔洞形貌。

（2）淬火态试样的金相照片：

淬火态试样金相照片的特征是析出相不明显，依然有一些条块状的Si相存在，晶粒有了一定程度的细化但和时效态相比还是略微粗大。

（3）淬火时效态试样的金相照片：

淬火时效态试样金相照片的特点是析出相很明显。针状的固溶过饱和析出相均匀散布在基体中，对基体起到很好的强化作用。

使组织中针状、条状的共晶Si相改变为不规则的条状，从根本上消除了Si相对基体的割裂作用，同时细化晶粒，使合金的综合机械性能大幅度提高。

参考文献：

⑴李玳 昆明理工大学硕士论文 《ZL109喷射沉积——热挤压工艺研究》

⑵吴一 《ZL115合金的热处理工艺探讨》

⑶陆伟、李先年 《铝合金的热处理工艺》

⑷赵步清 《铸造铝合金的热处理》

⑸徐洲 赵连城 《金属固态相变原理》

⑹戴起勋 《金属材料学》