Файл: ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЮ.pdf

Контрольные вопросы

1.Каковы составы, структура, маркировка и применение латуней?

2.Каковы составы, структура, маркировка и применение бронз?

3.Какая термообработка проводится для бронз?

4.Какие алюминиевые сплавы применяются для изготовления отливок?

5.Как повышают прочность литейных алюминиевых сплавов?

6.Какие алюминиевые сплавы и по каким режимам упрочняются термообработкой?

7.Как классифицируются магниевые сплавы?

8.Каковы структура, свойства, маркировка и применение титановых сплавов?

9.Какие сплавы применяются в качестве антифрикционных материа-

лов?

ЛабораторнаяработаN 10

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДЮРАЛЮМИНА

Цель работы: изучить технологический процесс упрочняющей термической обработки дюралюмина.

Задания

1.Используя учебники, пособия и диаграмму состояния Al-Cu, изучить процессы, происходящие при термической обработке дюралюмина.

2.Провести закалку дюралюминовых образцов и определить их твердость.

3.Выявить влияние температуры искусственного старения и времени выдержки на изменение твердости закаленных дюралюминовых образцов.

4.Построить зависимость изменения твердости от времени и темпера туры искусственного старения. Объяснить эти зависимости и описать процессы, происходящие при нагревании закаленных дюралюминовых образцов.

5.Ответить на контрольные вопросы.

6.Составить отчет.

Общие положения

Дюралюмин относится к сплавам, в которых не происходят полиморфные превращения при нагревании. Они могут подвергаться упрочняющей термической обработке, состоящей в закалке без полиморфного превращения с последующим естественным и искусственным старением.

Как видно из диаграммы Al-Cu (рис. 10.1), любой сплав, содержащий

34

до 5,7 % меди, соответствующим нагревом можно перевести в однофазное состояние и зафиксировать его закалкой. Полученный таким образом при комнатной температуре α-раствор при содержании в нем более 0,2 % меди является пересыщенным и неустойчивым. Выдержка при комнатной температуре (естественное старение) или при искусственном повышении температуры (искусственное старение) приводит к изменениям в твердом растворе, ведущем в конечном итоге к выделению соединения СuАl2 и сохранению в растворе лишь соответствующего равновесной системе количества меди (0,2 % Си). Происходящие при старении структурные превращения обусловливают изменения свойств. Современные представления о механизме старения базируются на следующем.

При естественном и низкотемпературном (до 200 °С) искусственном старении (первая стадия старения) атомы меди, располагающиеся в свежезакаленном сплаве в случайных местах, собираются в определенных местах кристаллической решетки. В результате этого процесса внутри кристалла образуются зоны повышенной концентрации растворенного компонента, так называемые зоны Гинье-Престона (Г-П).

Атомы меди на этой стадии старения не выделяются, поэтому среднее значение параметра решетки не изменяется, однако в местах повышенной концентрации меди параметр должен быть иной, чем в обедненных местах, это создает большие напряжения в кристалле и дробит блоки мозаики, что приводит к повышению твердости.

При старении при 150 – 200 °С (вторая стадия старения) в зонах Г-П происходит перестройка решетки. Образуются кристаллы новой фазы, так называемые θ-фазы (фазы Вассермана), имеющей решетку, отличную от алюминиевого твердого раствора, но когерентно с ней связанную.

При длительных выдержках при 200 °С или при более высокой температуре (третья стадия старения) образуется θ-фаза, соответствующая соединению СuА12. Дальнейшее повышение температуры приводит к коагуляции выделившихся частиц.

При низких температурах вследствие малой подвижности атомов старение развивается только до первой стадии, при высоких температурах оно развивается в большей степени до второй и третьей стадий. При повышенных температурах первая стадия может отсутствовать, тогда процесс начинается сразу с образования θ-фазы (вторая стадия) или даже θ-фазы (третья стадия).

35

лаждают на воздухе и замеряют твердость на приборе Роквелл (шкала

HRB).

По данным таблицы построить зависимости изменения твердости HRB от времени старения для каждой температуры. Кратко объяснить ход кривых и описать процессы, происходящие при нагревании закаленных дюралюминовых образцов.

Содержание отчета

1.Название, цель работы и задание.

2.Участок диаграммы состояния Al-Cu со стороны А1.

3.Таблица 10.1 с экспериментальными значениями твердости.

4.Графики изменения твердости в зависимости от времени и темпе-

ратуры старения.

5.Ответнаконтрольныйвопрос.

6.Список использованной литературы.

Контрольные вопросы

1.Какие основные легирующие элементы входят в состав дюралюмина?

2.Каким видам термической обработки можно подвергнуть дюралю-

мин?

3.В чем состоит закалка дюралюмина?

4.Чем объясняется, что закалка дюралюмина приводит к разупрочне-

нию?

5.Какую микроструктуру имеет сплав Al-Cu с 4 % Си в отожженном состоянии?

6.Какую микроструктуру имеет сплав Al-Cu с 4 % Си в закаленном состоянии?

7.Какие три стадии наблюдаются при нагревании свежезакаленного дюралюмина?

37

8.Каков механизм упрочнения дюралюмина?

9.Почему возможна упрочняющая термическая обработка дюралюми-

на?

10. Какому виду термической обработки надо подвергнуть дюралюмин, чтобы получить максимальную пластичность?

11.При какой температуре проводят искусственное старение дюралюмина?

12.Приведите типы сплавов, в которых механизм упрочнения при термической обработке аналогичен механизму в дюралюминах?

Лабораторная работа N 11

МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ

Цель работы: изучить микроструктуру отожженной стали и установить связь между структурой и механическими свойствами.

Задания

1.Вычертить в масштабе диаграмму железо – углерод (область сталей) с обозначением на ней всех фаз и структур.

2.Построить схематично кривую охлаждения для доэвтектоидной стали. Объяснить ее с помощью правила фаз (содержание углерода задает преподаватель).

3.Рассмотреть под микроскопом комплект шлифов. Определить по микроструктуре тип сплава. Изучить, зарисовать и описать структуру исследуемых сталей.

4.Для доэвтектоидных сталей определить (приближенно) содержание углерода по микроструктуре и написать марку качественной стали.

5.Ответить на контрольные вопросы.

6.Составить отчет.

Общие положения

Стали – это сплавы железа с углеродом, которые содержат до 2,14 % углерода.

В сплавах железа, также как у железа, в твердом состоянии происходит превращение из-за перехода железа, из одной кристаллографической формы в другую. До 910 °С атомы железа образуют объемноцентрированную кубическую решетку Fe – α, выше 910 °С гранецентрированную Fe – γ. В сталях из-за влияния углерода превращение происходит при других температурах.

38

На рис. 11.1 приведена диаграмма фазового равновесия сплавов железо – углерод (пунктирные линии) и железо – цементит (сплошные линии).

При изменении температуры в сталях могут получаться следующие структуры:

1)аустенит – твердый раствор углерода в Fe-γ,

2)феррит – твердый раствор углерода в Fe-α,

3)цементит – химическое соединение Fe3C,

4)перлит – механическая эвтектоидная смесь феррита и цементита.

Превращение, которое происходит в сталях в твердом состоянии при температуре 727 °С, называется эвтектоидным. При охлаждении аустетит превращается в перлит. В зависимости от содержания углерода структура стали и ее свойства меняются.

При комнатной температуре все сплавы (кроме сплавов с содержанием углерода менее 0,002 %) состоят из двух фаз – феррита и цементита.

В сталях (сплавы, содержащие до 2,14 % углерода), кроме избыточного феррита или цементита, имеется также эвтектоидная структурная составляющая пластинчатого строения – перлит; в сталях, содержащих до 0,025 % углерода, перлитной составляющей нет.

Рис. 11.1. Диаграмма состояния железо-углерод и железо-цементит

39

По структуре стали делят на группы: доэвтектоидные, содержащие до 0,8 % углерода, эвтектоидные, содержащие 0,8 % углерода, и заэвтектоидные, которые содержат от 0,8 – 2,14 % углерода.

Доэвтектоидные стали после отжига имеют структуру феррита и перлита. Чем больше в доэвтектоидной стали углерода, тем больше в ее структуре перлита и тем выше прочность стали (одновременно с повышением прочности уменьшается пластичность).

Эвтектоидная сталь после отжига состоит из перлита. Она прочная, твердая, но пластичность меньше, чем у доэвтектоидной.

Заэвтектоидные стали после отжига имеют структуру перлита и вторичного цементита, который обычно располагается в виде сетки.

При увеличении содержания углерода твердость заэвтектоидных сталей увеличивается, а прочность снижается из-за увеличения хрупкости.

Для повышения пластичности и улучшения обрабатываемости резанием заэвтектоидные стали подвергают специальному отжигу, при котором весь цементит выделяется в виде зерен. Эти зерна находятся в феррите. Такая зернистая смесь называется зернистым перлитом. Микроструктуры сталей приведены на рис. 11.2.

Свойства структурных составляющих отожженных сталей в относительно равновесном состоянии приведены в табл. 11.1.

При перегреве доэвтектоидных сталей (нагрев 1000 °С) с последующим охлаждением на воздухе может образоваться неравновесная структура. Феррит в этом случае выделяется в виде длинных пластин (игл), прорезающих крупные зерна перлита. Такая структура называется видманштеттовой. Образуется она при перегреве и в литой стали.

Сталь с видманштеттовой структурой имеет низкую прочность, ударную вязкость и пластичность. Исправить такую структуру (сделать ее мелкозернистой) можно, подвергнув такую сталь полному отжигу.

40