《專業實訓》
指導書主編黃曉巍汪炳叔葉東忠呂秋豐
福州大學材料科學與工程學院
二0一四年四月
前言《專業實訓》是材料科學與工程專業教學計畫中非常重要的實踐性教學環節，包含金屬材料、無機非金屬材料和高分子材料的製備生產和效能質量檢測的相關內容。
本課程是為彌補學生進行工廠生產實踐環節中實際動手機會少、涉及領域窄的現實與不足，充分發揮學院實驗中心工程化的材料製備、加工、檢測等大型科研、生產和教學裝置資源優勢，模擬工廠生產過程，使學生系統地按材料工程中的主要工藝型別進行生產性實際訓練，了解和掌握與所學專業有關的基本生產知識，印證、鞏固已學過的專業課和相關技術基礎課內容，培養學生理論聯絡實踐、在生產實際中調查研究、觀察問題、分析問題和解決問題的能力，同時為後續專業課程的學習打下基礎。通過專業實訓，盡可能使學生了解與本專業相關的生產組織與管理，為學生畢業後走上工作崗位打下良好的基礎。
本課程要求學生了解包括金屬材料工程、無機非金屬材料工程、高分子材料工程以及複合材料生產等各類材料的製備與加工生產的基本方法、所使用裝置的型別、結構和工作原理以及裝置的除錯與控制；操作訓練材料製備、加工、處理中的主要生產工藝，包括金屬材料熔煉與凝固成型、金屬材料塑性成形、焊接方法與工藝、材料熱處理工藝、無機非金屬材料加工、高分子材料加工以及材料表面工程技術；針對各類工藝產品進行質量檢測與評價。進而能夠根據材料的效能、結構與應用要求，設計和制定材料製備加工工藝和方法，使學生具備獨立進行生產性工藝設計；在上述訓練的基礎上，能夠鞏固和強化所學理論知識，培養學生能夠根據需要生產實踐，進行工藝控制、改進、革新、新產品研究和技術開發與創新的意識。
通過本課程教學，使學生具備分析和解決實際生產中基本問題的能力，全面掌握理論原理和實際的聯絡，培養學生的實際生產應用能力，為學生就業盡快適應工廠生產工作奠定基礎。
基於以上目的，本課程組在參閱了大量資料的基礎上，組織編寫了本實驗指導書。限於編者的水平和時間的匆忙，書中不當之處在所難免，懇請專家和讀者批評指正，並將在後續的教學過程中進一步修改和完善。參加本書編寫的有黃曉巍、汪炳叔、葉東忠、呂秋豐等。
目錄實驗1、金屬時效硬化生產工藝 4
實驗2、感應加熱淬火技術與工藝 8
實驗3、陶瓷漿料的配製及效能測試 12
實驗4、矽酸鹽水泥的製備及效能測試 17
實驗5、高分子材料的合成 24
實驗6、高分子材料成型加工 28
一、實驗目的
1.掌握時效硬化的基本原理；
2.掌握固溶淬火及時效處理的基本操作；
3.熟悉時效溫度和時效時間對時效強化效果的影響規律；掌握金屬時效強化機制；
4.綜合掌握時效後產品的質量檢測常用的儀器裝置的使用操作、質量分析方法。
二、實驗原理
圖1-1 固溶處理與時效處理的工藝過程示意圖
從過飽和固溶體中析出第二相(沉澱相)或形成溶質原子聚集區以及亞穩定過渡相的過程稱為脫溶或沉澱，它是一種擴散型相變。發生這種轉變的最基本條件是，合金在平衡狀態圖上有固溶度的變化，並且固溶度隨溫度降低而減少，如圖1-1所示。如果將c0成分的合金自單相α固溶體狀態緩慢冷卻到固溶度線(mn)以下溫度(如t3)保溫時，β相將從α相固溶體中脫溶析出，α相的成分將沿固溶度線變化為平衡濃度c1，這種轉變可表示為α(c0)→α(c1)+ β。
其中β為平衡相，它可以是端際固溶體，也可以是中間相，反應產物為(α+β)雙相組織。將這種雙相組織加熱到固溶度線以上某一溫度(如t1)保溫足夠時間，β相將全部溶入α相中，然後再急冷到室溫將獲得單相過飽和的α固溶體。這種處理稱為固溶處理（淬火）。
然而過飽和的α相固溶體在室溫下是亞穩定的，它在室溫或較高溫度下等溫保持時，亦將發生脫溶。但脫溶相往往不是狀態圖中的平衡相，而是亞穩相或溶質原子聚集區。這種脫溶可顯著提高合金的強度和硬度，稱為時效硬(強)化或沉澱硬(強)化。
合金在脫溶過程中，其力學效能、物理效能和化學效能等均隨之發生變化，這種現象稱為時效。室溫下產生的時效稱為自然時效，高於室溫的時效稱為人工時效。
若將過飽和固溶體在足夠高的溫度下進行時效，最終將沉澱析出平衡脫溶相。但在平衡相出現之前，根據合金成分不同會出現若干個亞穩脫溶相或稱為過渡相。以al-4％cu合金為例，其室溫平衡組織為α相固溶體和θ相(cual2)。
該合金經固溶處理獲得過飽和α相固溶體，加熱到130℃進行時效，其脫溶順序為：區→區（θ″相）→θ′→θ相，即在平衡相θ出現之前，有三個過渡脫溶物相繼出現。
按時效硬化曲線的形狀不同，可分為冷時效和溫時效，如圖1-2所示。冷時效是指在較低溫度下進行的時效，其硬度變化曲線的特點是硬度一開始就迅速上公升，達到一定值後硬度緩慢上公升或者基本上保持不變。冷時效的溫度越高，硬度上公升就越快，所能達到的硬度也就越高。
在a1基和cu基合金中，冷時效過程中主要形成區。溫時效是指在較高溫度下發生的時效，其硬度變化規律是：開始有乙個停滯階段，硬度上公升極其緩慢，稱為孕育期，一般認為這是脫溶相形核準備階段，接著硬度迅速上公升，達到一極大值後又隨時間延長而下降。
溫時效過程中將析出區、過渡相θ′和平衡相θ。溫時效的溫度越高，硬度上公升就越快，達到最大值的時間就越短，但所能達到的最大硬度值反而越低。冷時效與溫時效的溫度界限視合金而異，al合金一般在100℃左右。
圖1-2 冷時效和溫時效過程硬度變化示意圖
冷時效與溫時效往往是交織在一起的。圖1-3示出了不同成分的a1-cu合金在130℃時效時硬度與脫溶相的變化規律。由圖可見，a1-cu合金的時效硬化主要依靠區和θ″相，θ″相的強化效果最明顯，當出現θ′相以後合金的硬度下降。
時效溫度是影響過飽和固溶體脫溶速度的重要因素。時效溫度越高，原子活性就越強，脫溶速度也就越快。但是隨著時效溫度公升高，化學自由能差減小，同時固溶體的過飽和度也減小，這些又使脫溶速度降低，甚至不再脫溶。
因此，可以用提高溫度來加快時效過程，縮短時效時間。例如，將a1-4％cu-5％mg合金的時效溫度從200℃提高到220℃，時效時間可以從4h縮短為1h。但時效溫度又不能任意提高，否則強化效果將會減弱。
圖1-3 a1-cu合金在130℃時效時硬度與析出相的關係
在一定溫度下，隨時效時間延長，合金強度、硬度逐漸增高。至一定時間，其強度、硬度達到最大值(峰值)。時效時間再延長則其強度、硬度反而下降，此即所謂「過時效」(圖1-3)。
如果固定時效時間而改變時效溫度，則隨時效溫度的公升高，強度、硬度逐漸公升高而達峰值，溫度再提高，則也發生「過時效」。
三、實驗裝置、材料及試劑
1．坩堝電阻爐：內建不鏽鋼鹽浴槽，作試樣的淬火加熱用。加熱介質為硝酸鹽的混合物，成分為50％kn03 + 50％nan03
2．控溫裝置：用wzk可控矽溫度控制器控制爐膛溫度，鹽浴溫度用數字式溫度顯示儀或電位差計測量。
3．淬火水槽：用於淬火冷卻。
4．恆溫箱：用於人工時效處理。
5．布氏硬度計：測定淬火及時效合金硬度。
6．讀數顯微鏡：測定壓痕直徑。
7．實驗材料：2024鋁合金試樣
8. wdw300d萬能試驗機
四、實驗方法與步驟
1．分成6個小組，每小組10-11人，每組分別領取3套樣品(每套12塊，共36塊，進行三種工藝的固溶，每個工藝之間的溫度差距不低於50℃)，做好標記。
2. 將試樣用砂紙磨掉車痕，以達平整、光潔。
3. 將試樣放入加熱爐中，設定合理的溫度（要求溫度分布範圍處於：固溶，未固溶、過熱三個溫度區間內，相鄰溫度差距不低於50℃）和保溫時間，進行固溶處理，保溫結束後快速冷水淬火，再從三類工藝中分別取乙個樣品進行硬度測試，對比分析未固溶、固溶、過熱三種工藝的差異。
（在總結報告中，要說明所選擇溫度和保溫時間的依據）
4. 設定1個合理的時效溫度，選擇11個時間（最長在6-10小時之間），對之前進行固溶處理的3套樣品進行時效。（在總結報告中，要說明所選擇溫度和保溫時間的依據）
5．將各時效溫度下時效不同時間後的試樣立即水冷，用細砂紙磨去氧化皮後測定硬度，取5點進行測定(最好選中心部位)。查布氏硬度對照表，將所查出的5個硬度點求均值 (建議測定試樣布氏硬度hb值的引數選定為負荷250kgf，鋼球直徑ф5mm，負荷保持時間30s)。
6. 根據硬度曲線，挑選典型的樣品進行壓縮試驗，得到力學效能曲線。
7. 對變形後的樣品進行金相觀察。
8. 總結實驗結果，繪製相應的曲線。分析時效強化的效果及影響因素。
9. 實驗注意事項
（1）嚴禁將潮濕或帶有水的試樣和鉗子放入鹽浴槽，以防**、燙傷。
（2）每次取樣、放試樣時，宜輕拿輕放，防止亂樣及燙傷。
（3）每次試驗完成後切斷電源，以防裝置事故。
五、實驗結果要求
1．將本組所得3組硬度資料繪製在同一硬度-時效時間關係曲線上。
2．分析比較所得時效硬化曲線的異同，並根據時效強化機制解釋曲線的變化規律，討論固溶時效強化的影響因素及控制方法。
3. 分析固溶時效工藝對材料壓縮力學效能及組織的影響
4. 按照專業實訓報告的格式要求，獨立撰寫實訓報告
六、思考題
1. 思考固溶處理與時效處理的區別，固溶工藝對時效強化有何影響？
七、參考文獻
[1].黃光傑.《熱處理對2024鋁合金組織和效能的影響》.重慶大學學報.2000,23（4）：99-101。
[2].吳承建，陳國良，強文江等編著.《金屬材料學》.北京.曹勝力.冶金工業出版社. 2012：185-187。
[3].劉成，羅邊輝，王聰，楊磊.《2024鋁合金均勻化熱處理研究》. 《鋁加工》.2010，4：8-14。
一、實驗目的
1.了解感應加熱淬火裝置的結構和原理；熟悉感應加熱淬火裝置的操作；
2.熟悉常用的材料熱處理基本工藝（正火，回火，調質等）
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