Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Івано-Франківський національний технічний
університет нафти і газу
Кафедра зносостійкостісті і відновлення деталей
Михайлів Н.П.
МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО
ЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМ
Для студентів технічних спеціальностей
2003
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Івано-Франківський національний технічний
університет нафти і газу
Кафедра зносостійкості і відновлення деталей
Михайлів Н.П.
МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО
ЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМ
Для студентів технічних спеціальностей
МВ 02070855-1182-2003
Івано-Франківськ
2003
МВ 02070855-1182-2003
Михайлів Н.П. Матеріалознавство. Лабораторний практикум. - Івано-Франківськ: Факел, 2003.-118 с.
Лабораторний практикум підготовлено для студентів всіх технічних спеціальностей денної та заочної форм навчання, які вивчають курс “Матеріалознавство” згідно з навчальними та робочими програмами.
Рецензент доктор.техн.наук, професор Мельник П. І.
МВ 02070855-1182-2003
Михайлів Н.П. Матеріалознавство. Лабораторний практикум. - Івано-Франківськ: Факел, 2003.- 118с.
Лабораторний практикум підготовлено для студентів всіх технічних спеціальностей денної та заочної форм навчання, які вивчають курс “Матеріалознавство” згідно з навчальними та робочими програмами.
Рецензент доктор.техн.наук, професор Мельник П. І.
Відповідальний за випуск зав. кафедри
зносостійкості та відновлення деталей
доктор технічних наук, професор Криль Я. А.
Нормоконтролер Гургула О. Г.
Коректор Будуйкевич Н.Ф.
Голова експертно – рецензійної
колегії університету Костриба І. В.
© Дане видання — власність ІФНТУНГ. Забороняється тиражування та розповсюдження.
Зміст
Додатки.......................................................................................114
Робота №1
Дослідження процесу кристалізації
1 Мета роботи
1.1 Ознайомитись з процесом кристалізації і формою кристалів, які утворюються при кристалізації розчину солей.
1.2 Ознайомитись з будовою стального виливка.
2 Технічні засоби навчання
2.1 Насичені розчини солей: хлористого амонію NH4Cl, біхромату калію K2Cr2O7, алюмокалієвого галуну (KAlSO4)·12H2O.
2.2 Мікроскоп біологічний.
2.3 Скляні пластинки, електроплитка, піпетка.
3 Теоретичні відомості
Перехід речовини з рідкого агрегатного стану в твердий при охолодженні відбувається за двома основними схемами: аморфитизація і кристалізація. Аморфитизація забезпечує лише формування ближнього порядку розташування атомів і такі речовини називаються аморфними. Кристалізація забезпечує як ближній порядок, так і дальній порядок розташування атомів і такі речовини називаються кристалічними. Вони можуть бути як чистими хімічними елементами, так і хімічними, чи електронними сполуками, а також твердими розчинами.
Кристалізацією називають процес переходу металу із рідкого стану в твердий кристалічний.
Причиною кристалізації або перекристалізації (зміни фазового стану) є природне намагання системи зайняти такий стан, при якому запас її вільної енергії є мінімальним. Це положення добре ілюструється характером зміни вільної енергії системи, наведеним на рисунку 1.1.
Термодинамічно це записується як різниця між значенням повної енергії та енергії при певній температурі:
G=E – TS,
де E – повна енергія системи;
G – вільна енергія;
Т – температура;
S – ентропія (міра безпорядку системи).
Рисунок 1.1 – Зміна вільної енергії металу в рідкому GР та твердому GТ станах залежно від температури (Tк – температура, при якій протікає кристалізація)
При температурі Тп рідка і тверда фази знаходяться в термодинамічній рівновазі, тому процесу кристалізації не відбувається, бо центри кристалізації, які виникли спонтанно так само спонтанно розчиняються в рідині. Тому температура в точці Тпл є теоретичною температурою кристалізації (або плавлення при нагріві).
Для протікання процесу кристалізації необхідно, щоб вільна енергія твердого стану була меншою, ніж рідини. Це є можливим при переохолодженні до температури нижче теоретичної температури кристалізації. Тоді різниця вільних енергій металу в рідкому і твердому стані рівна:
ΔG=GР-GT>0.
Різниця між теоретичною і дійсною температурою кристалізації називається ступенем переохолодження
ΔТ=Тп – Тк
Із збільшенням ступеню переохолодження збільшується різниця вільних енергій твердого і рідкого стану, а тому повинна рости швидкість процесу кристалізації. Але процес кристалізації зв’язаний з переміщенням атомів металу і залежить від швидкості дифузії. Збільшення швидкості переохолодження зменшує швидкість дифузії, а відповідно гальмує ріст кристалів.
Як відомо, кристалізація складається з двох процесів: утворення зародків (центрів кристалізації) та росту кристалів з цих центрів. Обидва процеси характеризуються власними швидкостями, які становлять параметри кристалізації.
Першим параметром кристалізації є швидкість утворення зародків (n), яка характеризує кількість зародків, що утворюються в одиниці об’єму за одиницю часу і вимірюється в см-1/с-1. Другий параметр (с) – лінійна швидкість росту кристалів – характеризує зміну лінійних розмірів кристала і вимірюється в см/с. Досліджуючи кристалізацію прозорих органічних речовин при різних температурах, Г.Таман встановив, що ці параметри залежать від ступеню переохолодження (рисунок 1.2).
Як видно з рисунка 1.2 із збільшенням ступеню переохо лодження значення с і n зростають, досягають максимума, а потім понижуються і при великих ступенях переохолодження практично падають до нуля.
Слід звернути увагу на те, що швидкість утворення зародків (їх число) зростає повільніше ніж швидкість росту кристалів. Таким чином співвідношення між параметрами n і с при різних ступенях переохолодження різне. А від співвідношення параметрів n і с залежать розміри зерен в металах.
Рисунок 1.2– Залежність швидкості утворення зародків кристалізації і швидкості росту кристалів від ступеню переохолодження
За теорією Тамана кількість зерен N пропорційна швидкості утворення центрів кристалізації n і обернено пропорційна швидкості росту кристалів с:
N=k·n/c,
де k – сталий коефіцієнт.
Підбираючи ступінь переохолодження можна регулювати величину зерна в металі. При малих ступенях переохолодження (наприклад при ΔТ1, рисунок 1.2) виникає мало центрів кристалізації, а швидкість росту кристала велика, внаслідок чого формується грубозерниста структура. У випадку, коли швидкість утворення зародків велика, а швидкість росту кристала мала (наприклад при ΔТ2, рисунок 1.2) формується дрібнозерниста структура. Надто великі ступені переохолодження можуть взагалі загальмувати виникнення центрів кристалізації і тоді метал переходить у твердий аморфний стан.
Розмір зерна впливає на механічні та інші властивості металів. Дрібнозернистий метал має більшу міцність, в’язкість і пластичність.
Розрізняють дві форми кристалізації: нормальна і дендритна (деревоподібна). При нормальній формі кристалізації кристал зростає за рахунок нашарування атомних площин на гранях кристала приблизно рівномірно з усіх сторін, в результаті чого утворюється геометрично правильний кристал (рисунок 1.3, а, б).
При дендритній кристалізації ріст кристала йде в певних напрямках, які звуться вісями кристалів. Спочатку утворюється вісь першого порядку, потім – другого, третього і т.д. (рисунок 1.3, в).
Поки утворені кристали омиває розплав, вони ростуть вільно і мають більш-менш правильну геометричну форму. Та коли закристалізовуються останні ділянки розплаву, кристали стикаються між собою і втрачають правильну геометричну форму – утворюються кристаліти (зерна).
а,б – нормальна кристалізація; в – дендритна
Рисунок 1.3 – Форма кристалів
В природі переважає дендритна кристалізація. За цією схемою кристалізуються технічні метали і сплави. Форма кристала залежить від швидкості і напрямку відводу тепла при кристалізації рідини, наявності нерозчинних частинок та інших факторів. При направленому відводі тепла виростають витягнуті кристали. В цьому плані характерною є будова металевого виливка (рисунок 1.4).
усадочна раковина
зона 1- дрібнозерниста
зона 2- стовпчаті кристали
зона 3- рівноосні кристали
зона ліквації
Рисунок 1.4 – Схема будови виливка спокійної сталі
Кристалізація розпочинається на стінках виливниці (форми). При першому дотиканні до стінок виливниці в тонкому шарі рідкого металу виникає різкий градієнт температур і явище переохолодження, яке веде до утворення великої кількості центрів кристалізації. Швидкість росту кристалів в цій зоні невелика (рисунок 1.2), внаслідок чого формується дрібнозерниста структура.
Дальше формується зона витягнутих (стовпчастих) кристалів (зона 2). Після утворення дрібнозернистої зони 1 умови тепловідводу змінюються із-за підвищення температури стінки виливниці та інших причин, градієнт температур в прилягаючому шарі рідкого металу різко зменшується і зменшується ступінь переохолодження. В результаті із невеликого числа центрів кристалізації починають рости нормально орієнтовані до поверхні зони 1 (тобто в напрямку відводу тепла) стовпчасті кристали.
В центрі виникає зона 3, яка складається з великих рівноосних кристалів. Це вказує на те, що в цій зоні виникає мало центрів кристалізації, а швидкість росту кристала досить висока із-за невеликого ступеню переохолодження.
4 Завдання і порядок виконання роботи
4.1 На скляну пластинку за допомогою піпетки нанести краплю перенасиченого розчину солі.
4.2 Помістити пластинку на предметний столик мікроскопа і спостерігати процес кристалізації.
4.3 Проробити пункти 4.1 і 4.2 для кожного розчину солей.
4.4 Зарисувати схематично кристалізаційну картину.
4.5 Зарисувати будову запропонованого виливку металу.
5 Контрольні запитання
5.1 Які процеси лежать в основі кристалізації?
5.2 Які параметри характеризують процеси кристалізації?
5.3 Що таке ступінь переохолодження?
5.4 Як змінюються параметри кристалізації в залежності від ступеню переохолодження?
5.5 Що таке зерно? Яка різниця між зерном і кристалом?
5.6 Від чого залежить розмір зерна?
5.7 Як впливає форма і розмір зерен на механічні властивості металів?
5.8 Пояснити чому на холодному склі утворюється дрібнозерниста структура.
Робота №2
Макроскопічний метод дослідження металів і сплавів
1 Мета роботи
1.1 Ознайомитись з методикою дослідження структури металів і сплавів за зломом та макрошліфом.
1.2.Ознайомитись з методикою виготовлення макрошліфу.
2 Прилади та технічні засоби навчання
2.1 Заготовки макрошліфів.
2.2 Зразки зломів металів і сплавів.
2.3 Набір шліфувальних шкірок і травників.
2.4 Зразки макрошліфів.
2.5 Лупа.
2.6 Фотопапір, 5% розчин сірчаної кислоти, розчин гіпосульфіту (фіксаж).
3 Методичні вказівки до самостійної роботи
Метод макроаналізу не дає кількісної, а лише якісну оцінку бу дови і відповідно властивостей матеріалу. Макроаналіз проводиться візуально не озброєним оком або із збільшенням до 50 раз ( розрізна здатність лупи) за зломом поверхні або спеціально виготовленим макрошліфом. Макроаналіз дозволяє визначити:
1. Порушення суцільності металу (усадочна рихлість, флокени, газові пустоти і раковини, тріщини, непровари в зварних з'єднаннях, неметалеві включення і т.п.).
2. Будову сплаву (розмір зерен, їх форму, розташування, дендритну будо ву виливка та інше ).
3. Хімічну неоднорідність розташування, деяких елементів у сплаві (ліквацію).
4. Будову сплаву, яка утворилась в результаті термічної обробки, наприклад, зону цементації, поверхневого гартування та інше.
5.Будову сплаву, викликану обробкою тиском (волокнис тість будови, лінії зсуву в наклепаному металі).
Для дослідження макроструктури використовують метод шліфів і метод зломів. Вид злому досліджують спостереженням, а інші особливості макроструктури – на макрошліфах.
Макроаналіз за зломом. Вивчаючи вигляд злому можливо встановити характер руйнування виробу (крихке, в'язке чи втомне).
В площині злому можуть бути виявлені дефекти, які сприяли руйнуванню металу.
Крихкий злом може бути дрібнозернистим або ж грубозернистим і характери зується кристалічністю без слідів протікання пластичної деформації.
В'язкий злом має характерну волокнисту будову, яка формується в результаті протікання пластичної деформації.
Втомний злом завжди має дві зони руйнування: втомну дрібнозернисту і зону крихкого або в'язкого руйнування в залежності від властивостей матеріалу
Макроаналіз за макрошліфом. За направленням (розташуванням) волокон, які утворились в результаті обробки металу тиском в гарячому стані, можна визначити якій обробці піддавався метал при виготовленні досліджуваного виробу, а також в окремих випадках передбачити надійність експлуатації такого виробу.
Це важливо знати для таких виробів, як колінчасті вали, зубчасті колеса, клапани, гаки підйомних кранів, де потрібно добиватись розташування волокон за профілем деталі.
Макрошліф виготовляють таким чином. З тієї частини деталі або заготовки, яка для конкретного дослідження становить найбільший інтерес вирізують зразок. Вирізування зразка із заготовки або деталі проводиться на металорізальних верстатах, механічною або ручною пилкою по металу, а з матеріалу після термообробки – відрізним наждачним кругом. Щоб не спричинити суттєвих змін у будові металу, потрібно уникати значного нагріву зразка під час вирізування. За допомогою напильника або шліфувального круга, вирівнюють поверхню призначену для макроаналізу.
Отриману таким чином поверхню зразка шліфують на шліфувальних паперах з різною зернистістю абразива механічно або вручну.
Спочатку виконують грубе шліфування на спеціальному абразивному крузі або на спеціальному крупнозернистому шліфувальному папері. Під час щліфування на абразивному крузі необхідно застосовувати інтенсивне охолодження, з метою запобігання термічного впливу на внутрішню будову зразків. Грубе шліфування закінчують після повного вирівнювання всієї поверхні шліфа.
Після грубого шліфування зразок очищують від частинок відокремленого металу та зруйнованого абразива і шліфують на шліфувальному папері з поступовим переходом від паперу з розміром абразивних частинок від 120-100 мкм, до паперу з зернистістю абразива 20-14 мкм. При переході від паперу одного розміру зернистості до іншого необхідно очищувати зразок від абразива та змінювати напрям шліфування на 90о. При ручному шліфуванні шліфувальний папір кладуть на скло або іншу тверду, гладку підкладку.
Після цього зразки промивають водою та просушують. Для визначення дефектів шліф знежирюють та протравлюють.
Визначення ліквації сірки в сталі за макрошліфом проводиться методом Баумана. Полягає він у наступному.
Поверхню шліфа, добре відшліфовану на шліфуваль ному папері з дрібним зерном, протирають ваткою, змоченою спиртом. Потім бромсрібний фотопапір на світлі змочують і витримують на протязі 5-10 хвилин у 5% -ному водному розчині сірчаної кислоти і злегка підсушують між листами фільтрувального паперу. Після цього фотопапір емульсійною стороною прикладають до приготовленої площини макрошліфа і обережно, недопускаючи зміщення паперу, погладжують гумовим валочком або рукою (в гумовій рукавиці). Через 3-5 хвилин фотопапір промивають у воді і фіксують у гіпосульфіті (20-30 хвилин) і сушать.
Сірка в сталі знаходиться у вигляді сульфіду MnS і рідше у FeS. Сульфіди на поверхні макрошліфа вступають у реакцію із сірчаною кислотою:
MnS + H2SO4 = MnSO4 + H2S↑
Сірководень, що виділився в результаті реакції, взаємодіє з кристаликами бро мистого срібла на фотопапері.
2AgBr + H2S = AgS + 2HBr
Сірчисте срібло на фотопапері утворює темнобурі плями, які свідчать про місця розташування сірки в площині макрошліфа.
4 Завдання і порядок виконання роботи та оформлення звіту
4.1 Описати і замалювати зломи запропонованих зразків.
4.2 Під керівництвом викладача провести аналіз на характер розташування сірки в площині макрошліфа методом Баумана.
4.3 Наклеїти у звіт відбиток макрошліфа і описати його.
5 Контрольні запитання
5.1 Які задачі вирішує макроаналіз:
а) за зломом металу;
б) за макрошліфом?
5.2 Як здійснюється макроаналіз за методом Баумана?
1 Мета роботи
1.1 Ознайомитись з будовою та принципом роботи мета-графічного мікроскопа.
1.2 Засвоїти методику приготування шліфів для мікроаналізу.
2 Технічні засоби навчання
2.1 Металомікроскоп.
2.2 Оптична схема металомікроскопа.
2.3 Заготовки для виготовлення шліфів і травники для виявлення мікроструктури.
2.4 Набір шліфувально-полірувального матеріалу для виготовлення шліфів.
3 Методичні вказівки до самостійної роботи
Опрацювати за підручником і конспектом лекцій з курсу "Матеріалознавство" суть металографічного аналізу з допомогою металомікроскопів.
Мікроскопічний аналіз (мікроаналіз) – вивчення внутрішньої будови металів (мікроструктури) за допомогою оптичного мікроскопа при збільшенні від 50 до 2000 разів.
Мікроаналіз дає можливість вивчити форму та розміри окремих зерен і фаз, з яких складається метал, виявити в металі неметалеві включення та мікродефекти, а також виявити зміни внутрішньої будови, які відбулись під впливом різних факторів при термічній і хіміко-термічній обробці.
Мікроаналіз широко використовують для встановлення причин руйнування деталей при експлуатації. Для цього вирізують зразки біля місця руйнування і на віддалі від нього, і досліджують зміни в структурі металу.
Звернути увагу на принцип роботи металомікроскопа. Дослідження з його допомогою проводять у відбитих променях, тобто зразок повинен не просвічуватись світловим промінням.
За допомогою поворотних і відбиваючих призм зображення мікроструктури виводиться в окуляр для візуального спостереження або у фотоокуляр для фотографування. При візуальному спостереженні рекомендується застосовувати жовто-зелені фільтри, які є найбільш чутливими для людського ока.
Конструкцію металомікроскопа розділяють на три системи: оптичну, освітлення і механічну.
В оптичну систему входять такі важливі елементи, як об'єктив та окуляр від яких, власне, і залежить збільшення металомікроскопа. Компонуючи об'єктив і окуляр, можна досягти збільшення до 1500 раз, а із застосуванням імерсійного масла - до 2000 раз.
Об'єктив являє собою систему лінз, що розміщені в одній оправі і обернені до об'єкту дослідження. Він дає обернене збільшене дійсне зображення об'єкту. Об'єктиви випускають двох типів: ахроматичні і апохроматичні. Перші використовують при малих, а другі - при великих збільшеннях.
Окуляр - це система лінз, розміщених в одній оправі і повернута до ока спостерігача. Окуляр виправляє оптичні дефекти і дає уявне збільшене зображення, отримане об'єктивом.
Корисне збільшення мікроскопа М залежить від збільшення об’єктива, при якому виявляються деталі предмету вивчення. Воно визначається за формулою:
,
де d1 - віддаль, що відповідає роздільній здатності людського ока, рівна 0,2-0,3 мм;
d - віддаль, що відповідає роздільній здатності оптичної системи.
Природно, що чим менше d, тим більше корисне збільшення мікроскопа. Величина, обернена мінімальній віддалі між двома точками, при якій ці точки розглядаються окремо ( не зливаються в одне ціле ), називається роздільною здатністю.
Ще однією із основних характеристик металомікроскопа є числова апертура об’єктива. Вона впливає на чіткість зображення і визначає роздільну здатність мікроскопа і входить у формулу, за якою визначають роздільну здатність оптичної системи:
,
де λ - довжина світлової хвилі (для звичайного білого світла 6000 Å);
n - коефіцієнт заломлення середовища між об'єктивом мікроскопа і шліфом (для повітря n = 1 );
α - половина розкритого кута, який створюється пучком променів, що входять в об’єктив (αмах = 70°).
Добуток n·sinα називають числовою апертурою об’єктива і позначають літерою А. Отже, максимальне збільшення оптичного мікроскопа, в якому використовуються видимі промені світла із довжиною хвилі приблизно 60 мкм, буде при максимальному значенні опертури А, що відповідає мінімальному значенню α, тобто
Тоді корисне збільшення мікроскопа:
Оптична схема металомікроскопа подана на рисунку 3.1.
Рисунок 3.1 – Оптична схема металомікроскопа МИМ-7
Мікрошліф 13 розміщують на предметному столику мікроскопа полірованою поверхнею вниз, яка освітлюється світловими променями знизу. Світлові промені від джерела світла 1 проходять через колектор 2, відбиваються від дзеркала 3, проходять через світлофільтр 4 і апертурну діафрагму 5, лінзу 6, фотозатвор 7, поясову діафрагму 8, пентапризму 9, лінзу 10 і попадають на напівпрозору відбиваючу пластину 11. Від цієї пластини світлові промені направляються в об'єктив 12 і на об'єкт дослідження (мікрошліф) 13. Відбившись від мікрошліфа, промені попадають знову в об'єктив 12, проходять через відбиваючу пластину 11 і ахроматичну лінзу 14. Дзеркалом 15 направляють в окуляр 16 для візуального спостереження.
Для фотографування дзеркало 15 відводиться в сторону (виключається із оптичної схеми ) і світлові промені проходять через фотоокуляр 17, відбиваються дзеркалом 18 і попадають на фотопластинку 19.
Мікроаналіз проводять на мікрошліфах. Мікрошліф – це зразок, який вирізують з досліджуваної деталі або заготовки з плоскою відшліфованою, відполірованою та протравленою поверхнею.
Мікрошліф виготовляють таким чином. З тієї частини деталі або заготовки, яка для конкретного дослідження становить найбільший інтерес вирізують зразок. Для проведення досліджень найзручнішим є мікрошліф у вигляді циліндра 10 мм і висотою 10-15 мм або у вигляді куба із стороною 10 мм. Вирізування зразка із заготовки або деталі проводиться на металорізальних верстатах, механічною або ручною пилкою по металу, а з матеріалу після термообробки – відрізним наждачним кругом. Щоб не спричинити суттєвих змін у будові металу, потрібно уникати значного нагріву зразка під час вирізування. За допомогою напильника або наждачного круга вирівнюють поверхню призначену для мікроаналізу. Для запобігання термічного впливу на внутрішню будову зразків під час шліфування на абразивному крузі необхідно застосовувати інтенсивне охолодження.
У випадку, коли зразки мають невеликі розміри або складний профіль поверхні їх заливають в оправках легкоплавкими матеріалами (сірка, сплав Вуда, пластмаса, тощо) або затискають в спеціальних струбцинках. Щоб не пошкодити дифузійний шар, одержаний хіміко-термічною обробкою, при виготовленні шліфа, між шліфом і стінкою струбцинки кладуть тонку м’ягку мідну прокладку.
Після повного вирівнювання зразка на наждачному крузі проводять шліфування на шліфувальних паперах з різною зернистістю абразива механічним способом або вручну.
Шліфування проводять на шліфувальних паперах з поступовим переходом від паперу з розміром абразивних частинок 120-100 мкм до паперу з зернистістю абразива 20-14 мкм. При переході від паперу одного розміру зернистості до іншого необхідно очищувати зразок від абразива та змінювати напрям шліфування на 90о. На кожному послідуючому папері шліфують до зникнення рисок від попереднього паперу. Шліфувальний папір під час шліфування рекомендується класти на скло або іншу тверду підкладку.
Після закінчення шліфування зразок промивають водою і просушують фільтрувальним папером. На фетр або сукно наносять алмазну пасту розміром абразивних частинок 3-1 мкм і зразок полірують. Полірування виконують механічним спрособом або вручну. Полірування вважається закінченим тоді, коли з поверхні шліфа зникають усі риски і вона набуває дзеркального блиску.
Крім механічного полірування використовують електро літичне. Електролітичне полірування використовують для чистих металів і однофазних сплавів.
Для виявлення мікроструктури зразок піддають травленню. Травлення проводять хімічними реактивами, серед яких найбільш часто використовують слабкі спиртові розчини кислот та суміші різних кислот. Залізовуглецеві сплави протравлюють в 3-5%-му розчині азотної кислоти в спирті.
Відполіровану і промиту поверхню зразка протирають ваткою змоченою спиртом. На підготовлену поверхню піпеткою наносять травник. Коли відполірована поверхня стає легко матовою, шліф промивають водою, потім спиртом і висушують фільтрувальним папером або потоком підігрітого повітря. Тривалість травлення залежить від хімічного складу матеріалу шліфа і складу травника і встановлюється експериментально.
4 Завдання і порядок виконання роботи
та оформлення звіту
4.1 Користуючись шліфувально-полірувальним набором приготовити мікрошліф.
4.2 Проглянути під металомікроскопом непротравлений шліф.
4.3 Протравити мікрошліф (виявити мікроструктуру).
4.4 Проглянути мікроструктуру під металомікроскопом і зарисувати її в зошит.
4.5 Зарисувати оптичну схему металомікроскопа.
4.6 Визначити збільшення при якому велось вивчення шліфа під мікроскопом
4.7 Відповісти на контрольні запитання.
5 Контрольні запитання
5.1 Принцип роботи металомікроскопа МИМ-7.
5.2 Які задачі вирішуються з допомогою металомікроскопа?
5.3 В чому полягає суть виявлення мікроструктури металу чи сплаву при застосуванні МИМ-7?
Робота №4
1 Мета роботи
1.1 Ознайомитись з основними методами і приладами для визначення твердості металів і сплавів.
1.2 Засвоїти методику роботи з приладами Брінеля, Роквелла та Віккерса.
2 Технічні засоби навчання
1.3 Твердоміри ТШ, ТК, ТП.
1.4 Відліковий мікроскоп.
1.5 Таблиця твердості.
1.6 Комплект стандартних зразків.
3 Методичні вказівки до самостійної роботи
Ознайомитись з матеріалом розділу "Пластична деформація і механічні властивості" за будь-яким підручником з матеріалознавства. Звернути увагу на те, що в усіх методах принцип вимірювання твердості один і той же. Це є взаємодія між собою двох матеріалів, в результаті якої деформується поверхня досліджуваного матеріалу і за величиною деформації оцінюють твердість цього матеріалу.
Конкретно - твердість матеріалів визначають шляхом втискування в нього спеціального твердого наконечника (індентора) у вигляді алмазного чи твердосплавного конуса або загартованої кульки чи алмазної пірамідки при певному навантаженні. Після розвантаження індентора на матеріалі залишається відбиток за яким і визначають його твердість.
Для визначення твердості різних матеріалів користуються стандартними методиками із застосуванням спеціальних приладів.
Визначення твердості за методом Брінеля. В основу цього методу покладений принцип втискування загартованої кульки діаметром 2,5; 5,0: 10 мм при навантаженні 250, 500,1000 і 3000 кГс. Цілком зрозуміло, що таким методом можна замірювати твердість матеріалів за значенням нижчу твердості загартованої кульки, бо інакше буде деформуватися не поверхня матеріалу, а сама кулька. Практично це твердість до 450 кГс/мм2. Після зняття навантаження на поверхні матеріалу залишається сферичний відбиток (рисунок 1а), величина якого залежить від твердості матеріалу: чим твердіший матеріал, тим менший діаметр відбитка.
Навантаження під яким втискується кулька визначається за формулою P=k∙D2,
k- коефіцієнт вибраний на основі математичної теорії моделювання і має значення 30, 10, 2,5. Вибирають в залежності від роду матеріалу, його твердості. Чим більша твердість матеріалу, тим більший коефіцієнт. Для чорних металів та їх сплавів - 30, для міді і її сплавів -10, для алюмінію та його сплавів - 2.5.
D - діаметр кульки в мм.
Знаючи діаметр відбитка, діаметр кульки та величину навантаження, твердість визначають за формулою:
,
де Д – діаметр кульки в мм;
d - діаметр відбитка в мм;
Р – навантаження в кГс.
Твердість за Брінелем (НВ) визначають в кГс/мм2 або в МПа.
Для того, щоб кожний раз не робити обчислень твердості, користуються складеною для цього таблицею значень твердості в залежності від навантаження P і діаметра відбитка D. Діаметр кульки, навантаження і час випробування підбирають в залежності від природи матеріалу, товщини зразка чи деталі. Діаметр відбитка визначають відліковим мікроскопом ОМ-1.
Таблиця 4.1 – Таблиця для вибору параметрів випробування при визначенні твердості за методом Брінеля
|
Матеріал |
Твердість НВ, кГс/мм2 |
Товщина зразка, мм |
Діаметр кульки, мм |
Наванта– ження, кГс |
Тривалість навантаже-ння, с |
|
Чорні метали |
140-450 |
Більше 6 6 – 3 Менше 3 |
10.0 5.0 2.5 |
3000 750 187.5 |
10 |
|
Менше 140 |
Більше 6 6 – 3 Менше 3 |
10.0 5.0 2.5 |
1000 250 62.5 |
10 |
|
|
Кольорові метали |
35-130 |
Більше 6 6 – 3 Менше 3 |
10.0 5.0 2.5 |
1000 250 62,5 |
30 |
|
8-35 |
Більше 6 6 – 3 Менше 3 |
10.0 5.0 2.5 |
250 62,5 15,6 |
60 |
Вимірювання твердості за Роквеллом. За цим методом твердість вимірюється втискуванням в матеріал алмазного конуса з кутом при вершині 120° (при вимірюванні твердості загартованих сталей і надтвердих матеріалів) або загартованої стальної кульки діаметром 1,58 мм (при вимірюванні твердості відпалених сталей та кольорових металів). Твердість за Роквеллом визначається за глибиною відбитка. За одиницю твердості в цій методиці взята умовна одиниця, яка відповідає осьовому переміщенню наконечника на 0,002 мм (на циферблаті індикатора відповідає одній поділці). При вимірюванні алмазним конусом навантаження на індентор виставляють 150 кГс і відлік твердості проводиться за чорною шкалою (шкала С). При вимірюванні кулькою навантаження на індентор виставляють 100 кГс і відлік ведуть за червоною шкалою (шкала В). Відповідно одиниці твердості позначають HRC і HRB. Оскільки число твердості за Роквелом є безрозмірним, то для порівняння з числами твердості за іншими методами користуються перевідними таблицями одних одиниць в інші.
а) б) в)
а – за методом Брінеля; б – за методом Роквелла;
в – за методом Віккерса
Рисунок 4.1 – Схема визначення твердості
Вимірювання твердості за Віккерсом, Цей метод вимірювання твердості застосовують для виробів, які пройшли поверхневе зміцнення (хіміко-термічну обробку, поверхневе гартування, наплавлення і т.п.) і в яких потрібно визначити твердість поверхневого досить тонкого шару. З цією метою в поверхневий шар втискується алмазна пірамідка (з кутом між її протилежними гранями 136°) під навантаженням 5,10,20... 100 кГс. Тривалість витримки під навантаженням складає 10-15 секунд. Після розвантаження визначають величину діагоналі відбитка, а за таблицею - твердість. Таблиця складена за обчисленнями за формулою:
,
де Р - навантаження на пірамідку в кГс;
α - кут між протилежними гранями пірамідки, який дорівнює 136°;
d - середнє арифметичне довжин обох діагоналей в мм.
4 Завдання і порядок виконання роботи та оформлення звіту
4.1 Ознайомитись з будовою твердомірів і методикою роботи на них.
4.2 Вибрати прилад і зразки для визначення їх твердості.
4.3 Провести вимірювання твердості вибраних зразків.
4.4 Записати значення виміряної твердості за методом Брінеля в таблицю 4.2, за методом Роквелла в таблицю 4.3, за методом Віккерса в таблицю 4.4.
4.5 За результатами визначеної твердості стальних зразків методом Брінеля побудувати графік залежності твердості сталі від процентного вмісту вуглецю.
4.6 Відповісти на контрольні запитання.
Таблиця 4.2
|
№ |
Наймну-вання ма- теріалу |
Хімічний склад матеріалу (%С для сталі). |
Діаметр кульки D, мм |
Наванта- ження Р, кГс |
Діаметр відбитка, d, мм |
Твердість по Брінелю НВ |
|
1 |
||||||
|
2 |
||||||
|
3 |
Таблиця 4.3
|
Клас виробів |
Наймнування виробів |
Стан матеріалу |
Шка ла |
Навантаже ння Р, кГс |
Твердість |
||
|
HRC |
HRB |
HB |
|||||
|
Різальний інструмент |
1 плашка 2 3 |
Т.о. |
С |
150 |
61 |
||
|
Виміювальний інструмент |
4 5 |
||||||
|
Ударно-штамповий інструмент |
6 7 |
||||||
|
Важконаван-тажені деталі машин |
8 9 10 |
||||||
|
Сталі до термообробки і кольо рові мета ли |
11 12 |
|
Вид обробки |
Фазовий склад поверхневого шару |
Навантаження Р,кГс |
Середнє арифметичне обох діагоналей d, мм |
Твердість HV |
5 Контрольні запитання
5.1 В чому полягає вимірювання твердості за методом Брінеля?
5.2 Як визначається навантаження під яким втискують кульку?
5.3 Стандартні діаметри кульок. Від чого залежить вибір діаметра кульки?
5.4 Який вибирають коефіцієнт k при вимірюванні твердості чорних металів і їх сплавів?
5.5 Чому твердість загартованої сталі неможливо визначити за методом Брінеля?
5.6 Що втискують, під яким навантаженням і по якій шкалі читають показники при вимірюванні твердості загартованих стальних зразків за методом Роквелла?
5.7 Що втискують, під яким навантаженням і по якій шкалі читають показники при вимірюванні твердості стальних зразків до термообробки за методом Роквелла?
5.8 Для яких виробів застосовують метод вимірювання твердості за Віккерсом?
Робота №5
Діаграма стану двокомпонентних сплавів
1 Мета роботи
1.1 Ознайомитись з методикою аналізу різних типів діаграм стану в залежності від взаємодії компонентів між собою.
1.2 Вивчити термінологію та інформацію закладену в лінії і критичні точки діаграми стану.
1.3 Ознайомитись з методикою побудови кривих охолодже ння та нагрівання сплавів за допомогою діаграми стану.
2 Прилади та технічні засоби навчання
2.1 Набір карток з діаграмами стану різних двокомпонентних сплавів.
2.2 Набір мікрошліфів типових зразків двокомпонентних сплавів.
2.3 Альбом типових мікроструктур двокомпонентних сплавів.
3 Методичні вказівки до самостійної роботи
Опрацювати за підручником і конспектом лекцій з курсу "Матеріалознавство” розділ „Теорія сплавів”: Звернути увагу на термінологію й особливу увагу на принцип побудови діаграм стану двокомпонентних сплавів.
Чисті метали використовуються рідко, в основному в електрорадіотехніці. Основними конструкційними матеріа лами являються металеві сплави. Вони володіють більш цінним комплексом механічних, фізичних та технологічних властивостей, ніж чисті метали.
Сплав – речовина, яку одержують поєднанням (сплав ленням, спіканням, електролізом тощо) двох або більше хімічних елементів або стійких хімічних сполук. Якщо основою сплаву є метал, то він називається металевим сплавом.
Компонент – незалежна складова частина системи (сплаву). Компонентами можуть бути хімічні елементи (метали, неметали) і хімічні сполуки. Чистий метал можна розглядати як однокомпонентну систему. Сплав двох металів - як двокомпонентну систему. Хімічні сполуки розглядають як компоненти лише в разі їхньої стійкості (не дисоціюють) у досліджуваному інтервалі температур.
Фаза – однорідна область сплаву, яка утворюється в результаті взаємодії компонентів і характеризується однаковими властивостями в кожній її точці і відділена від інших фаз поверхнею розділу, при переході через яку хімічний склад, структура і властивості фази змінюються скачкоподібно. Фазами можуть бути хімічні елементи, чисті метали, тверді розчини, хімічні сполуки. За агрегатним станом фази бувають твердими, рідкими, газоподібними. Однорідна речовина, або чистий метал, є однофазною системою, а механічна суміш двох компонентів - двофазною.
Система - сукупність фаз (у рідкому, твердому чи газо подібному стані), які знаходяться в рівновазі при заданих умовах (температура, тиск).
В залежності від фізико-хімічної взаємодії компонентів можуть утворюватися наступні фази: рідкі розчини, тверді розчини, хімічні сполуки.
При вивченні взаємодії компонентів сплаву між собою у твердому стані слід засвоїти такі поняття: тверді розчини, хімічні сполуки, механічні суміші.
У рідкому стані компоненти більшості сплавів розчи няються один в одному необмежено, утворюючи рідкий розчин (розплав). У твердому стані їхня взаємна розчинність змінюється. Таким чином, в сплавах при фізико-хімічній взаємодії компонентів у твердому стані можуть утворюватися: тверді розчини, хімічні сполуки.
Твердий розчин – однорідна фаза, в якій атоми розчиненого компонента розташовуються в кристалічній гратці розчинника, змінюючи її параметри. Якщо атоми розчиненого компонента займають у кристалічній гратці місця атомів розчинника, то утворюється твердий розчин заміщення (рисунок 5.1а). Якщо атоми розчинюваного компонента розміщуються в порожнинах кристалічної ґратки між атомами розчинника, тоді утворюються тверді розчини впровадження.
Утворення того чи іншого розчину пов'язане з типом кристалічної ґратки і співвідношенням атомних радіусів компонентів.
а) б)
а – заміщення; б – впровадження
Рисунок 5.1 – Тверді розчини
Тверді розчини впровадження утворюють такі елементи як водень, азот, вуглець, частково бор, решта - розчини заміщення.
Необмежену розчинність, тобто здатність утворювати тверді розчини в будь-яких пропорціях, можуть мати лише елементи, які мають однаковий тип кристалічних ґраток і їхні параметри відрізняються між собою не більше як на 14-15%, причому ця припустима різниця в параметрах різна для різних металів.
Хімічні сполуки утворюють компоненти з великою різницею в електронній будові їхніх атомів та кристалічних ґраток. Вони відрізняються від твердих розчинів конкретним співвідношенням числа атомів компонентів, яке відповідає стехіометричній пропорції (AnBm). Кристалічна гратка сполуки має іншу будову ніж кристалічні ґратки компонентів.
Якщо компоненти сплаву у твердому стані не утворюють тверді розчини і хімічні сполуки то вони утворюють механічні суміші чистих компонентів (евтектику). Будова металевих сплавів залежить від того, в яку взаємодію вступають компоненти, які їх утворюють.
Під структурою розуміють форму, розмір і характер взаємного розміщення фаз у сплаві. Структура сплаву виявляється мікроаналізом.
На практиці важливо знати фазовий стан і структуру сплавів залежно від температури й концентрації компонентів, що їх утворюють. Такий зв'язок демонструють діаграми стану, які будують для умов рівноваги або близьких до них.
Врівноваженими вважаються умови, при яких процеси відбуваються зворотно, тобто в даному випадку, коли кристалізація металів і сплавів при охолодженні відбувається при температурі плавлення. Врівноважений стан відповідає мінімальному значенню енергії Гіббса. Цей стан може бути досягнений тільки при дуже малих швидкостях охолодження або тривалому (повільному) нагріванні.
Із вивченого в розділі "Кристалізація металів" ми знаємо що в реальних умовах завжди має місце деяке пере охолодження.
Діаграма стану – це графічне зображення фазового стану сплаву в залежності від концентрації компонентів і температури.
Щоб зрозуміти що являє собою діаграма стану та її значення для аналізу сплавів, треба звернути особливу увагу на її побудову.
Діаграми стану будують на основі термічного методу аналізу, суть якого полягає в побудові, на основі експериментальних даних, кривих охолодження чистих компонентів та сплавів з різною концентрацією компонентів, і визначенні по них критичних точок.
Криві охолодження будуються в координатах температура (вісь Y) - час (вісь X). По перегинах або зупинках температури на кривій охолодження, зв'язаних з тепловими ефектами перетворень, визначають температури відповідних перетворень. Ці температури називають критичними, а точки на кривих охолодження, які їм відповідають - критичними точками.
Точки початку кристалізації називають точками "ліквідус", а точки кінця кристалізації - "солідус".
При охолодженні аморфного тіла (смоли, скла) його температура падає безперервно і поступово, тобто аморфне тіло затвердіває поступово і поступово плавиться в певному інтервалі температур. Чисті метали затвердівають (кристалі зуються) при постійній температурі, а сплави – в інтервалі температур, про що свідчать криві охолодження (рисунок 5.2)
При кристалізації чистих металів і механічних сумішей спостерігається тимчасова зупинка температури – на кривій охолодження відмічається горизонтальною лінією. При криста лізації сплавів виділення твердої фази супроводжується лише зміною швидкості охолодження і на кривій охоло дження спостерігається перегин.
Отже, чисті метали кристалізуються при постійній температурі (одна критична точка Т.1), а сплави кристалізуються в інтервалі температур, мають точку початку кристалізації („ліквідус”) Т.1, і точку кінця кристалізації („солідус”) Т.2 (рисунок 5.2).
а – аморфного тіла; б – кристалічного тіла (чистого металу); в – сплаву з евтектикою;
г – сплаву з утворенням твердого розчину.
Рисунок 5.2 – Криві охолодження
Діаграма стану будується наступним чином.
На вісі абсцис відмічають концентрації сплавів і чистих компонентів. В цих точках проводять ординати і проставляють критичні точки чистих компонентів, а також сплавів, взяті з кривих охолодження (рисунок 5.3).
Зверніть увагу на те, що точка початку вісі Х відповідає стопроцентній концентрації компонента А і нульовій концентації компонента В. Зліва направо зменшується концентрація компонента А і відповідно збільшується концентрація компонента В.
З'єднуючи точки початку кристалізації одержують на діаграмі стану лінію "ліквідус", а з'єднуючи точки кінця кристалізації і одержують лінію "солідус" (рисунок 5.3).
Отже, лінія "ліквідус" на діаграмі стану являє собою геометричне місце точок початку кристалізації, а лінія "солідус" – геометричне місце точок кінця кристалізації.
Тепер зрозуміло, що якщо лінії діаграми побудовані по критичних точках, одержаних експериментально, то маючи діаграму стану двокомпонентних сплавів, ми маємо критичні точки всіх сплавів (з будь-якою концентрацією двох компонентів) цієї системи, а відповідно фазовий стан при будь-якій температурі. І можемо по діаграмі стану побудувати криву охолодження для будь-якого сплаву. Для цього на вісі X проставляємо концентрацію сплаву. В цій точці проводимо ординату. Точки перетину ординатою ліній діаграми є критичними точками даного сплаву.
При побудові кривих охолодження користуються правилом фаз ( закон Гіббса).
Закон Гіббса встановлює залежність між числом степе ней свободи, числом компонентів, числом фаз і виражається рівнянням:
С = К – Ф +m ,
де К – кількість компонентів;
Ф – число фаз;
m – число зовнішніх факторів (температура, тиск). Якщо прийняти, що всі перетворення протікають при постійному тиску, це рівняння прийме вид:
С = К – Ф +1 .
При аналізі діаграми стану двокомпонентних сплавів виникають питання про фазовий склад якого-небудь сплаву при даній температурі, про концентрацію в цих фазах компонентів, про відносну кількість кожної з фаз. Відповіді на ці запитання можна отримати при допомозі правила відрізків (правила важіля).
Щоб визначити вміст компонентів у фазах, через точку, що характеризує стан сплаву, проводять горизонтальну лінію до перетину з лініями діаграми, які обмежують цю область (рисунок 5.3). Точки перетину називають нодами, а пряму, що їх з’єднує конодою. Проекції точок перетину коноди з лініями діаграми на вісь концентрацій показують склад фаз. Наприклад, у сплаві 3 (рисунок 5.3) при температурі точки с рідина за своїм складом відповідає точці d´ на вісі абсцис.
Щоб визначити кількісне співвідношення фаз, визна чають довжину відрізків коноди від заданої точки на діаграмі до точок, що визначають склад фаз. Довжини цих відрізків обернено пропорційні кількостям фаз.
Якщо масу рідини позначити буквою Р, а масу всього сплаву – буквою В, то можна записати (рисунок 5.3).
Якщо масу всього сплаву прийняти за 100%, то кількість рідкої фази визначиться співвідношенням .
По аналогії, для твердої фази можна записати .
Така інформація, яку дають діаграми стану має вели чезне практичне значення. Особливо для сплавів на основі металів які володіють поліморфізмом, тобто змінюють тип кристалічної ґратки в твердому стані.
Знання діаграми стану потрібні конструктору, який закладає матеріал для виготовлення деталі, технологу, який назначає режими термічної обробки, технологію гарячої обробки різних сплавів, ливарнику, який заливає метал в форми і т.д.
4 Завдання і порядок виконання роботи та
оформлення звіту
4.1 Викреслити діаграму стану задану викладачем.
4.2 Позначити точки і нанести фази в різних областях діаграми.
4.3 Користуючись наведеним прикладом на рисунку 5.4:
а) описати лінії на діаграмі стану;
б) вказати структуру в усіх областях діаграми стану;
в) побудувати криву охолодження або нагрівання (за завдан ням викладача) заданого сплаву із застосуванням правила фаз Гіббса в координатах „температура – час”.
г) в точці, заданій викладачем, в двофазній області визна чити кількість твердої і рідкої фази за правилом відрізків.
4.4 Для сплаву, заданого викладачем, за правилом відрізків визначити кількість твердої і рідкої фази в двофазній області при заданій температурі.
4.5 Дати відповіді на контрольні запитання.
На рисунку 5.4 приведений приклад виконання і оформлення роботи по пунктах 4.1-4.3.
Приклад виконання роботи
а б
а – діаграма стану, б – крива охолодження сплаву І-І
Рисунок 5.4 – Побудова кривої охолодження за діаграмою стану двохкомпонентних сплавів
Аналіз діаграми
Дана діаграма стану відноситься до типу, коли компо ненти необмежено розчинні один в одному в рідкому стані, обмежено розчинні в твердому стані і утворюють евтектику, α – твердий розчин компонента В в компоненті А; β - твердий розчин компонента А в компоненті В; ACD – лінія ліквідус; AECDB – лінія солідус; ЕСD – лінія евтектичного перетворення; FE – лінія граничної розчинності компонента В в компоненті А при зміні температури.
Побудова кривої охолодження
На вісі абсцис (вісі концентрацій) діаграми стану відмічаємо концентрацію заданого сплаву. В цій точці проводимо ординату. Точки перетину ліній діаграми ординатою є критичними точками для даного сплаву. Точка 1 – точка „ліквідус” (точка початку кристалізації), точка 2 – точка „солідус” (точка кінця кристалізації). Для правильної побудови кривої охолодження сплаву користуємося законом Гіббса.
За законом Гіббса С=К-Ф+1,
де С – число ступенів свободи;
Ф – число фаз;
К – кількість компонентів.
Чим більше ступенів свободи, тим стрімкіший хід кривої охолодження.
Якщо, наприклад, розрахунок дає значення С=0, то це означає, що немає жодного ступеню свободи і не може змінюватись ні один параметр системи. На кривій охолодження, в цьому випадку, буде температурна зупинка (горизонтальна лінія). Якщо С=1, то процес йде зі зміною температури, на кривій охолодження буде точка перегину, в цьому інтервалі температур крива охолодження буде полога. При С=2 – стрімкий хід кривої охолодження. В даному випадку С=2 в інтервалі температур від 0 до 1 (С=2 1+1=2). В інтервалі температур від т.1 до т.2 С=2 2+1=1. В цьому інтервалі температур крива охолодження полога, йде процес кристалізації α-фази зі зміною температури. Закінчується кристалізація α-фази в т.2. На лінії ECD в рівновазі знаходяться 3 фази: α, Р, β і С=2 3+1=0. При цій температурі (лінія ECD) на кривій охолодження температурна зупинка (горизонтальна лінія 2 2´). На лінії ECD протікає евтектичне перетворення. Із рідкої фази одночасно виділяються кристали α і β, утворюючи механічну суміш фаз (α+β) – евтектику. Структура сплаву нижче лінії ECD є двохфазною – α+Евт., тобто – α+( α+β) і С=2 2+1.
Визначення кількості твердої і рідкої фази в двофазній області для сплаву І-І при температурі t1
На ординаті сплаву при температурі t1 відкладаємо точку с. Через цю точку проводимо горизонтальну лінію – коноду до перетину з лініми діаграми відповідно в точках е і d, які мають назву точки ноди. Кінці коноди впираються в однофазні області рідкої фази і α-твердого розчину. Отже, ці фази будуть в сплаві І-І при температурі t1 (точка с). при цьому склад рідкої фази визначається проекцією точки d на вісь абсцис (d´), α-твердого розчину – проекцією отчки е (е´). Відносна кількість кожної з фаз визначається співвідношенням відповідних відрізків коноди. Якщо масу рідини позначити буквою Р, а масу всього сплаву – буквою В, то можна записати . Якщо масу всього сплаву прийняти за 100%, то кількість рідкої фази визначиться співвідношенням . По аналогії для твердої фази можна записати: .
5 Контрольні запитання
5.1 Що таке крива охолодження, нагріву?
5.2 Як будують криві охолодження, нагріву?
5.3 Що таке сплав, як його одержують?
5.4 Дати визначення поняттям компонент, фаза, система?
5.5 Які фази утворюють компоненти при взаємодії в твердому стані?
5.6 Які ви знаєте тверді розчини і що являють вони собою?
5.7 Що таке хімічна сполука?
5.8 Що таке механічна суміш? Коли вона утворюється?
5.9 Що являє собою діаграма стану сплавів?
5.10 Як будують діаграму стану двокомпонентних сплавів?
5.11 Що таке лінія "ліквідус"?
5.12 Що таке лінія "солідус"?
5.13 В чому полягає закон Гіббса?
Робота №6
Діаграма стану залізо – вуглець
1 Мета роботи
1.1 Вивчити діаграму стану залізовуглецевих сплавів, як узагальнений результат експерементальних даних з досліджень сплавів заліза з вуглецем.
1.2 Провести фазовий аналіз будови діаграми стану залізо-вуглець.
1.3 Провести структурний аналіз будови діаграми стану Fe-C.
1.4 Засвоїти термінологію фазової і структурної будови діаграми стану залізовуглецевих сплавів.
2 Прилади та технічні засоби навчання
Моделі кристалічних ґраток α і γ- заліза, стенд діаграми стану залізо-вуглець, крива охолодження чистого заліза.
3 Методичні вказівки до самостійної роботи
Опрацювати за конспектом лекцій та підручниками і рекомендованими посібника ми тему "Будова діаграми стану залізо-вуглець". Звернути увагу на те, що діаграма стану залізо-вуглець побудована для сплавів з концентрацією вуглецю лише до 6.67%С, яка відповідає 100% хімічній сполуці Fe3C (рисунок 6.1). Оскільки сплави з більшим вмістом вуглецю дуже крихкі і на практиці не використовуються.. Таку концентрацію вуглецю-6.67% має карбід заліза Fe3C. В системі залізо-вуглецевих сплавів Fе3С, як фазу, називають цементитом, який в системі залізовуг лецевих сплавів поводить себе як самостійний компонент.
Слід звернути увагу на те, що вуглець при охолодженні залізовуглецевих сплавів може не тільки хімічно взаємодіяти з залізом, утворюючи Fe3C, а й виділятися у вигляді графіту. Тому розрізняють дві діаграми стану: залізо-цементит (Fe-Fe3C) і залізо-графіт (Fe-C). Перша діаграма на рисунку 6.1 показана суцільними лініями, друга – штриховими. Всі лінії системи Fe-C розміщуються на діаграмі вище ліній системи Fe-Fe3C (евтектичне і евтектоїдне перетворення відбувається за вищих температур: 1153 і 738оС відповідно). Точки C, E, S зміщені вліво (С – 4,26%, Е – 2,11%, S – 0,7%). Діаграму стану Fe-Fe3C називають нестабільною (метастабільною), оскільки це ментит за певних умов розпадається з утворенням вільного вуг лецю (графіту), а діаграму стану Fe-C називають стабіль ною.
Оскільки основним компонентом в залізо-вуглецевих сплавах є залізо, то слід звернути увагу на властивості заліза, особливо на його поліморфізм – властивість зміню вати тип кристалічної ґратки в твердому стані. Залізо кристалізується в кількох моди фікаціях (α, γ, δ), (рисунок 6.1).
Обов'язково запам'ятати розчинність вуглецю в α- і γ залізі, так як теорія термічної обробки залізо-вуглецевих сплавів ґрунтується на фазових перетвореннях α→γ і змінній розчинності вуглецю в α, і γ– залізі при зміні температури. α -залізо при кімнатній температурі може розчинити 0.006%С (точка Q на діаграмі) і найбільше 0.02%С (точка P на діаграмі) при температурі 727°С.
Мінімальна розчинність вуглецю в γ-залізі складає 0.83%С при температурі 727°С (точка S на діаграмі) і максимальна – 2.14%С (точка Е на діаграмі) при температурі 1147°С.
Вникнути в механізм фазового перетворення чистого заліза та залізо-вуглецевих сплавів, відзначивши при цьому, що фазові перетворення чистого заліза відбуваються при постійній температурі, а в залізовуглецевих сплавах – в інтер валі температур.
Слід також звернути увагу на сплав з концентрацією вуглецю 4.3%. Це сплав, який криста лізується з рідкого стану при постійній температурі, як чистий метал. Температура кристалізації такого сплаву відповідає 1147°С. При постійній температурі 1147°С із розплаву одночасно виділяються крис тали аустеніту і це ментиту, утворюючи механічну суміш – (евтектику) ледебурит. Евтектика (ледебурит) є ос новною структурною ознакою білих чавунів.
Слід запам'ятати назву фаз які, утворює залізо при взаємодії з вуглецем в твердому стані: ферит, аустеніт, цементит, а також механічні суміші – евтектоїд (перліт) і евтекти ку (ледебурит).
Ферит (Ф) - твердий розчин впровадження вуглецю та інших домішок в α - залізі. Розрізняють ни зькотемпературний α - ферит, з розчинністю вуглецю до 0.02% при температурі 727оС і високотемпературний δ -ферит, з граничною розчинністю вуглецю 0.1% при температурі 1499 оС.
Ферит (при 0.006%С) має приблизно наступні механічні характеристики: σ0,2 = 250 МПа, δ 50%, ψ = 80%, НВ 80-90.
Аустеніт (А) - твердий розчин впровадження вуглецю та інших домішок в γ - залізі. Гранична розчинність вуглецю в γ- залізі -2.14% при температурі 1147 оС.
Цементит (Ц) - це хімічна сполука заліза з вуглецем - карбід заліза Fе3С. В цемен титі міститься 6.67%С. До характерних особливостей цементиту відноситься його ви сока твердість НВ > 700, і дуже мала пластичність.
Перліт (П) - це механічна суміш (евтектоїд) фериту і цементиту, що утворюється при повному розпаді аустеніту при 727 ОС.
Ледебурит (Л) — це механічна суміш (евтектика), що на момент утворення складаєть ся з суміші аустеніту і цементиту. Утворюється при температурі 1147оС і вмісту вуг лецю в рідині 4.3%. При температурі нижчій 727оС ледебурит – це механічна суміш перліту і цементиту (П+ЦІІ).
Кожна точка на діаграмі має відповідну концентрацію і температуру.
А - температура плавлення чистого заліза (1539°С).
Н, J, В - лінія перетектичного перетворення при температурі 1499°С.
Н - концентрація вуглецю 0.1%.
В - концентрація вуглецю 0.16%.
J - концентрація вуглецю 0.51%.
С - 4.3%С у рідкій фазі в стані рівноваги з аустенітом і цементитом при евтектичній температурі 1147°С.
Е - 2.14%С в аустеніті, що знаходиться в рівновазі з цементитом при евтектичній тем пературі 1147°С.
N - критична точка чистого заліза - 1392°С.
G - критична точка чистого заліза - 911 °С.
Р - 0.02%С гранична кількість вуглецю, розчиненого у фериті, що знаходиться в рівновазі з аустенітом і з цементитом при евтектоїдній температурі 727°С.
S - 0.83%С в аустеніті, що знаходиться в рівновазі з феритом і цементитом при евтектоїдній температурі 727°С.
4 Завдання і порядок виконання роботи та оформлення звіту
4.1 Накреслити діаграму стану Fe-Fe3C. Нанести позначення точок, ліній.
4.2 Вказати однофазні і двофазні області діаграми стану, застосовуючи правило коноди.
4.3 Записати назву ліній та значення критичних температур евтектичного і евтектоїдного перетворення.
4.4 Користуючись правилом відрізків, визначити в заданому сплаві і при заданій температурі:
а) хімічний склад кожної фази;
б) кількісне співвідношення фаз у процентах.
4.5 Нанести штрихові лінії, що розділяють структурні області діаграми стану Fe-Fe3C.
4.6 Вказати структурні складові, що характеризують кожну область діаграми стану Fe-Fe3C.
4.7 Дати визначення усім фазовим і структурним складовим діаграми стану.
4.8 Дати характеристику лініям діаграми стану.
5 Контрольні запитання
5.1 Що таке фаза? Структура?
5.2 Що таке поліморфізм (алотропія)?
5.3 Що називається феритом, аустенітом, цементитом?
5.4 Що таке евтектика і евтектоїд? В чому їх відмінність?
5.5 Яка максимальна розчинність вуглецю у фериті і аустеніті? При якій темпе ратурі?
5.6 Скільки вуглецю містить в собі цементит?
Робота №7
Перетворення в залізовуглецевих сплавах при нагріванні і охолодженні
1 Мета роботи
1.1 На конкретних сплавах, вибраних на діаграмі стану Fe Fe3C, вивчити перетворення, що протікають в них при нагріванні та охолодженні.
1.2 Побудувати криві нагрівання та охолодження різних сплавів із застосуванням правила фаз.
2 Прилади та технічні засоби навчання
Стенд діаграми стану Fe-Fе3С, альбом мікроструктур різних залізовуглецевих сплавів, крива охолодження чистого заліза.
3 Методичні вказівки до самостійної роботи
Опрацювати за конспектом лекцій та підручниками і рекомендованими посібниками тему "Перетворення в залізовуглецевих сплавах при їх охолодженні і нагріванні". Вникнути в суть перетворення при температурі 727 оС, так званого перлітного перетворення. Звернути увагу на те, що зерна аустеніту, які утворюються при нагріванні, тут же розчиняють в собі зерна цементиту, насичуючись до концентрації вуглецю 0,83%. Вникнути в особливості аусте-нітного перетворення в доевтектоїдних та заевтектоїдних сплавах при нагріванні і перлітного перетворення при охолодженні сплаву.
При нагріванні чавунів до температури 1147 оС почина-ється плавлення сплаву незалежно від вмісту вуглецю в ньому. Плавиться при цьому складова чавуну - ледебурит (евтектика). Звернути увагу на те, що евтектика в усіх сплавах характеризується сталим вмістом вуглецю (4,3%). Кількість вуглецю у сплаві впливає лише на кількість евтектики, що утворюється в процесі кристалізації сплаву. Прослідкувати, як змінюється хімічний склад рідкої та твердої фаз будь-якого сплаву в інтервалі температур між лініями ліквідус і солідус. Область існування чистого аустеніту в залізовуглецевих сплавах обмежена лініями GSEA (з врахуванням того що точки N, Н, В, І суміщені з точкою А діаграми стану). Максимальна розчинність вуглецю в аустеніті припадає на температуру 1147оС і становить 2,14%. Мінімальна температура існування аустеніту відповідає 727оС і при цій температурі в ньому може розчинятись 0,83%С. Лінія SE визначає зміну розчинності вуглецю в γ - залізі (аустеніті) при зміні температури сплаву.
При 727 оС в результаті охолодження аустеніт розпадається на двофазну суміш: ферит і цементит, що носить назву евтектоїд (переліт для залізовуглецевих сплавів), як наслідок того що при цій температурі γ-залізо перетворюється в α-залізо, в якому розчинність вуглецю становить всього 0,02%. Отже, надлишок вуглецю випадає у вигляді цементиту. Це перетворення відбувається при постійній температурі і на кривій охолодження позначається горизонтальною лінією.
Перетворення при постійній температурі 1147оС відповідає стану трьохфазної рівноваги (ступінь свободи дорівнює нулю). На лінії ЕСF у рівновазі знаходиться одна рідка і дві тверді фази (аустеніт і цементит). При охолодженні протікає евтектичне перетворення, яке полягає в тому, що рідка фаза містить в собі евтектичну концентрацію вуглецю (4,3 %) і твердіє, утворюючи евтектичну суміш кристалів аустеніту із вмістом вуглецю 2,14 % і цементиту з вмістом вуглецю 6,67 %. Реакцію утворення евтектики записують так:
Р4,3%С → А2,14%С + Ц6,67%С
При нагріванні протікає зворотне перетворення. Евтектику в чавунах називають ледебуритом.
На лінії PSK у рівновазі знаходиться три тверді фази (аустеніт, ферит, цементит). При охолодженні протікає евтектоїдне перетворення: аустеніт, який містить 0,83 % С, розпадається на евтектоїдну суміш, що складається із зерен фериту з вмістом в ньому 0,02%С і зерен цементиту. Реакцію записують так:
А0,83%С → Ф0,02%С + Ц6,67%С
При нагріванні сплаву протікає зворотне перетворення. Евтектоїд в залізовуглецевих сплавах носить назву перліту.
4 Завдання і порядок виконання роботи
4.1 Викреслити діаграму стану Fe – Fе3С (без верхнього лівого кута), сумістивши в точці А точки N, Н, В, J. Нанести позначення ліній.
4.2 Нанести штрихові лінії, що розділяють структурні області діаграми стану і вказати структурні складові, що присутні в кожній області.
4.3 Побудувати криві охолодження та нагрівання заданих викладачем сплавів із застосуванням правила фаз і схематичним зображенням мікроструктури сплаву.
На рисунку 7.1 поданий приклад виконання роботи по пунктах 4.1-4.3
Приклад виконання роботи
Щоб побудувати криву охолодження сплаву за діаграмою стану, спочатку на вісі концентрацій (вісі х) проставляють концентрацію сплаву. В даному випадку сплав містить 0,55%С. І через цю точку проводять ординату. Точки перетину ліній діаграми ординатою являються критичними точками даного сплаву. Точка 1 – початок кристалізації, точка 2 – кінець кристалізації. Точка 3 – початок перекристалізації, точка 4 – кінець перекристалізації. Лінія PSK – лінія евтектоїдного перетворення.
За законом Гіббса (С=К+1-Ф) визначаємо в кожній області число ступенів свободи і будуємо криву охолодження (рисунок 7.1).
а – крива охолодження сплаву б – діаграма стану Fe-Fe3C
Рисунок 7.1 – Побудова кривої охолодження сплаву за діаграмою стану залізо-цементит
При охолодженні цього сплаву відбуваються наступні перетво рення.
До точки 1 ніякі перетворення не протікають, тільки понижується температура рідкої фази. (С=2-1+1=2). В точці 1 починається кристалізація аустеніту, яка протікає в інтервалі температур від точки 1 до точки 2. В процесі кристалізації в розплаві утворюються зародки і ростуть кристали аустеніту, перетворюючись в зерна на останньому етапі. Нижче точки 1 сплав складається із рідкої фази і аустеніту. (С=2+1-2=1). Закінчується кристалізація аустеніту в точці 2. Від точки 2 до точки 3 відбувається лише пониження темпе ратури аустеніту. (С=2+1-1=2).
В точці 3 починається перекристалізація аустеніту у ферит. На межах зерен аустеніту утворюються зародки фери ту, які ростуть, перетворюючись у зерна. Кількість аустеніту зменшується, а кількість в ньому вуглецю зростає за рахунок того, що ферит може розчинити в собі лише 0,02%С при 727оС, а тому витісняється з α-Fe надлишок вуглецю, який переходить в аустеніт підвищуючи його концентрацію. Критичну точку 3 позначають А3.
При досягненні температури 727оС (критична точка А1) вміст вуглецю в аустеніті досягає 0,83%. Аустеніт, який має евтектоїдну концентрацію, розпадається з одночасним виділенням із нього фериту і цементиту, які утворюють механічну суміш – перліт.
А0,83%С→Ф0,02%С+Fe3C
Евтектоїдне пертворення протікає при постійній температурі 727оС. При наявності трьох фаз (при цій температурі): ферит (0,02%С), цементит (6,67%С) і аустеніт (0,83%С) – система нонваріантна. (С=2+1-3=0). На кривій охолодження це відмічається горизонтальною лінією 4-4´. Після перекристалізації (нижче лінії 4-4´) сплав має структуру Ф+П.
Від лінії 4-4´ до кімнатної температури знову ніяких перетво рень не протікає, а лише знижується температура сплаву з феритоперлітною структурою. В цьому інтервалі температур сплав має двофазну структуру – Ф+(Ф+Ц).
(С=2+1-2=1).
Залізовуглецевий сплав, який містить 0,55%С – це доевтектоїдна сталь. Від нормальної температури до температури 727оС має ферито-перлітну структуру.
5 Контрольні запитання
5.1 Як змінюється розчинність вуглецю у фериті із зміною температури сплаву?
5.2 Як змінюється розчинність вуглецю у аустеніті із зміною температури сплаву?
5.3 Яке перетворення протікає на лінії ECF? На лінії PSK? При охолодженні? При нагріванні?
5.4 Закон Гіббса (правило фаз). Його зміст і застосування.
5.5 Як називаються сталі, які мають < 0.83% С? 0,83% С? >0,83% С?
5.6 Як називаються чавуни які містять < 4,3% С? 4,3% С? >4,3% С?
Робота №8
Вивчення структури і властивостей
вуглецевих сталей
1 Мета роботи
1.1 Вивчити мікроструктуру вуглецевих сталей.
1.2 Встановити залежність твердості сталі від вмісту в ній вуглецю.
1.3 За площею структурних складових визначити в доевтектоїдній сталі вміст вуглецю і марку сталі.
2 Технічні засоби навчання
2.1 Металомікроскоп.
1.4 Набір мікрошліфів різних марок вуглецевих сталей.
1.5 Набір зразків сталей з різним вмістом в них вуглецю для вимірювання на твердість.
1.6 Твердомір ТК-2.
1.7 Діаграма стану залізо - карбід заліза.
1.8 Альбом мікроструктур вуглецевих сталей.
3 Методичні вказівки до самостійної роботи
Опрацювати за підручником і конспектом лекцій розділ "Залізовуглецеві сталі". Звернути увагу на класифікацію вуглецевих сталей за способом виплавлення, якістю, вмісту вуглецю, структурою у відпаленому стані та за призначенням.
Для сталей є характерним те, що весь вуглець, що міститься в сталі при кімнатній температурі знаходиться у зв'язаному стані - у вигляді цементиту (Fе3С), а також відсут ня в них евтектика. У відповідності до діаграми стану залізо-вуглець в сталях може бути вміст до 2,14% С.(рисунок 8.1). Крім вуглецю і заліза, в сталях є постійні домішки інших елементів: Si, Mn, S, Р, О, N, Н. Із них найбільш шкідливими є сірка, фосфор і гази.
Властивості вуглецевих сталей залежать, в основному, від вмісту вуглецю. На їх якість впливають домішкові елементи. Чим менше в сталі шкідливих домішок, тим вища якість, тим вищі механічні властивості. Сталі з вмістом вуглецю 0,83% називаються евтектоїдними (перлітними), відповідно з меншою кількістю вуглецю - доевтектоїдними і з більшою кількістю - заевтектоїдними. Якщо в сплаві заліза з вуглецем менше 0,02% С, то такі сплави називаються чистим технічним залізом.
Фази в сталях
Ферит (Ф) - твердий розчин впровадження вуглецю та інших домішок в а - залізі. При кімнатній температурі розчинність у фериті складає 0,006-0,008%, а максимальна розчинність відповідає 0,02% при температурі 727°С. Ферит - м’яка, маломіцна, пластична складова сталі. Твердість складає 80-90 НВ, границя міцності σв =25 кГс/мм2, а відносне видовження δ= 40%.
Аустеніт (А) - твердий розчин впровадження вуглецю та інших домішок в γ- залізі. При температурі 727°С розчиняє в собі 0,83% С (нижче температури 727°С в залізовуглецевих сталях аустеніт не існує), а максимальна розчинність вуглецю в аустеніті при 1147°С складає 2,14% . Сталь з аустенітною структурою немагнітна, має високу пластичність і в'язкість.
Цементит (Ц) - це хімічна сполука заліза з вуглецем - карбід заліза Fе3С. В цементиті міститься 6.67%С. Цементит твердий, крихкий і слабо травиться кислотами. Твердість цементиту складає НВ 800-850. Він являється метастабільною фазою і при певних умовах розпадається з виділенням графіту.
Рисунок 8.1 – Стальна частина діаграми стану Fe-Fe3C
Структурні складові в сталях
Фази в сталях можуть бути також структурними складовими. При кімнатній температурі в сталі ферит та цементит виступають, як самостійні структурні складові, а аустеніт, як структурна складова, розглядається при температурах вище 727°С.
Перліт. (П) - це механічна суміш (евтектоїд) фериту і цементиту (Ф + Ц), що утворюється при повному розпаді аустеніту з вмістом 0,83% С.
Отже перліт також містить в собі 0,83% вуглецю. Цей факт лежить в основі визначення кількості вуглецю в сталі за кількістю в її структурі перліту. Якщо рахувати, що весь вуглець в сталі знаходиться в перлітній структурі (бо у фериті вміст вуглецю при кімнатній температурі всього 0,006-0,008%), то стопроцентна перлітна структура містить в собі 0,83%С.
100% П - 0,83% С
А%П - Х%С.
де А- % площа шліфа, зайнятого перлітом, тоді:
%
Деякі дефекти мікроструктури сталі
1 Грубозернистість і "відманштеттова" структура. Ці дефекти виникають в литій сталі, або в сталі, що піддавалась дуже високій температурі нагрівання. Відманштеттова структура відрізняється не тільки грубозернистою структурою, але й характерним розташуванням фериту в доевтектоїдній сталі і вторинного цементиту в заевтиктоїдній сталі. В обох випадках і ферит і цементит мають вигляд голчатих або пластинчатих включень. Сталь з такою структурою має понижену пластичність, а також ударну в'язкість.
2 Смугаста або рядкова структура. Утворюється така структура в результаті обробки сталі тиском в гарячому стані. В такій структурі перліт, ферит та цементит в сталях розташовуються рядками. Така структура обумовлює неоднакові властивості в різних напрямках, тобто проявляється анізотропія властивостей. Сталь гірше піддається штампуванню та різанню.
3 Зневуглецювання сталі з поверхні. При нагріванні сталь них виробів для гарячої обробки тиском або термічної обробки може відбутись зневуглецювання і на поверхні сформується феритний шар. Це різко понижує втомну міцність, твердість і опір до стирання вже виготовленого виробу. Щоб запобігти цьому дефекту структури, необхідно нагрівати стальні вироби в нейтральних або захисних середовищах.
4 Перепалювання. При нагріванні сталі до високих темпера тур оплавляються границі зерен, що приводить до їх інтенсивного окислення. В результаті втрачається міжзерен ний зв'язок і метал втрачає міцність. Перепалювання - брак, який неможливо виправити жодною термообробкою.
4 Завдання і порядок виконання роботи та
оформлення звіту
4.1 Вивчити стальну дільницю діаграми стану залізо-вуглець.
4.2 Засвоїти класифікацію і маркування сталей.
4.3 Під мікроскопом вивчити структури мікрошліфів, корис туючись альбомом мікроструктур.
4.4 Зарисувати мікроструктури у звіт.
4.5 За кількістю перліту в структурі визначити вміст вуглецю в сталі і вказати за його вмістом марку сталі.
4.6 Виміряти твердість зразків сталей з різним вмістом вуглецю і дані, занести в таблицю 8.1.
Таблиця 8.1
|
Номер зразка |
Вміст вуглецю,% |
Структура сталі |
Твердість |
|
|
HRC |
HB |
|||
4.7 Побудувати графік залежності твердості сталі від вмісту в ній вуглецю.
5 Контрольні запитання
5.1 Що таке сталь і які компоненти в неї входять?
5.2 Як впливають на властивості сталі вуглець, марганець, кремній, фосфор, сірка та кисень.
5.3 Як класифікуються сталі за якістю, структурою і призначенням?
5.4 Що таке ферит, аустеніт, цементит, перліт?
5.5 Скільки вуглецю міститься в сталі 50, У10, Ст.3?
5.6 Яку структуру має сталь з вмістом вуглецю 0,2%, 0,8%, і 1,2%?
5.7 Яку сталь потрібно вибрати для виготовлення вісі, різця, пружини?
Робота №9
Вивчення структури і властивостей чавунів
1 Мета роботи
1.1 Вивчити структуру чавунів під мікроскопом.
1.2 Навчитись за формою графітних включень та структурою основи розрізняти білі, сірі, ковкі та високоміцні чавуни.
1.3 Дослідити вплив структури та форми графітних включень на властивості чавуну.
2 Технічні засоби навчання
2.1 Твердоміри ТК-2, ТШ-2.
2.2 Таблиці твердості, плакати, альбом мікроструктур чавунів.
2.3 Комплект зразків різних марок чавунів.
3 Методичні вказівки до самостійної роботи
Опрацювати матеріал за підручником та конспектом лекцій, звернути увагу на класифікацію та маркування чавунів. Засвоїти інформацію про те, що механічні властивості чавуну залежать найперше від його основи. Отже, мета формування структури основи - це забезпечення тих, чи інших властивостей чавуну. Найбільшою міцністю володіє чавун на перлітній основі.
Відповідно до діаграми стану залізо-вуглець (рисунок 9.1) чавуни характеризуються наявністю евтектики (ледебуриту), який в залізовуглецевих сплавах появляється від концентрації вуглецю 2,14% і більше. Але чавун - це багато компонентний сплав, бо в ньому, крім вуглецю, міститься значна кількість кремнію (1,0-3,5%), марганцю (0,5-1,5%) та інших елементів в залежності від марки чавуну. Вуглець в чавунах може знаходитись як в хімічній сполуці (Fе3С), так і у вільному стані у вигляді графіту (Г), в залежності від вмісту домішкових елементів та швидкості охолодження із розплаву. Тому, в залежності від стану вуглецю і форми виділень його у вигляді графітових включень, чавуни ділять на білі, сірі, ковкі та високоміцні.
Білий чавун. В білому чавуні весь вуглець знаходиться у зв'язаному стані, тобто у вигляді цементиту. Такий чавун дуже твердий, крихкий. Вид його зламу світлий, а звідси і назва – білий чавун. Із-за твердості і крихкості він не знаходить застосування в машинобудуванні, як конструкційний матеріал, а тому не маркується. Білі чавуни переробляють на сталь, а також н сірі, ковкі та високоміцні, а звідси він має назву переробного чавуну.
Використовують так званий відбілений чавун – сірий з тонким шаром на поверхні (10-30мм) білого. Відбілювання є наслідком швидкого охоллодження поверхні під час кристалізації чавуну в металевій формі. Відбілений чавун має високу поверхневу твердість і стійкість проти спрацювання. Використовується для виготовлення прокатних валків, коліс, виробів для залізничного транспорту тощо.
Вміст вуглецю формує його структуру, за якою він класифікується і ділиться на доевтектичні ( з вмістом вуглецю від 2,14 до 4,3%), евтектичні (4,3%) і заевтектичні (більше 4,3%). Склад структури цих чавунів відповідає діаграмі стану залізо-вуглець (рисунок 9.1).
Сірий чавун. В ньому вуглець повністю або частково знаходиться у вільному стані (у вигляді графіту).
За формою графітових включень сірі чавуни ділять на власне сірі (пластинчаста форма графітних включень), ковкі (пластівчаста форма включень графіту) і високоміцні (куляста форма графітних включень). Форму графітових включень в сірих чавунах вивчають на непротравлених мікрошліфах (рисунок 9.2). На відміну від білих чавунів злом сірих чавунів (за рахунок графітних виділень) має темний вигляд, а звідси і назва сірий чавун.
Рисунок 9.1 – Діаграма стану Fe-Fe3C
Сірий чавун формується в залежності від швидкості охолодження та його хімічного складу. Такі елементи як С, Si, Ni, Cu сприяють графітизації чавуну, а Mn, Cr, W, S протидіють цьому процесу.
а – в сірому; б – в ковкому; в – у високоміцному
Рисунок 9.2 – Форма графітних включень в чавуні
При швидкому охолодженні на поверхні чавунного виливку формується структура білого чавуну (процес графітизації не відбувся) і такий чавун називають відбіленим. Такі чавунні заготовки не піддаються обробці різанням, а тому слід назначити графітизуюче відпалювання.
Ковкий чавун отримують з білого чавуну шляхом графітизуючого відпалювання за режимом, показаним на схемі (рисунок 9.3).
1 - Відпалювання на феритний чавун.
2 - Відпалювання на перлітний чавун.
Рисунок 9.3–Схема відпалювання білого чавуну на ковкий
При відпалюванні чавуну за режимом 1 на першій стадії відпалювання розпадається та кількість цементиту, яка є в ньому при цій температурі. На другій стадії відпалювання розпадається той цементит, який виділився при охолодженні аустеніту (вторинний цементит) і який утворився в результаті розпаду аустеніту при 727°С (перлітне перетворення). Таким чином основа структури чавуну буде чисто феритною. При відпалюванні за режимом 2 графітизується тільки той цементит, який є в ньому при температурі першої стадії графітизації. Вуглець, який розчинений в аустеніті, при охо лодженні чавуну формує його перлітну основу, як результат перетворення А→П при 727°С.
Високоміцний чавун отримують шляхом модифікування (введення в розплавлений чавун, перед розливанням, порції металевого магнію або церію). В результаті протікає графіти зація з утворенням кулястої форми графітних включень.
Модифікуванню підлягають також і сірі чавуни, в результаті чого в них подрібнюються графітні пластинчасті включення і формується перлітна основа.
Маркуються чавуни відповідно літерами і цифрами: СЧ20, СЧ25 і т. д., де літери означають сірий чавун, а цифра – границю міцності при розтягу в кГс/мм2. КЧ45-6, де літери означають ковкий чавун, перша цифра 45 - границя міцності при розтягу в кГс/мм2, а друга цифра – відносне видовження в %. Так само маркуються і високсміцні чавуни, наприклад, ВЧ60-2.
4 Завдання і порядок виконання роботи
та оформлення звіту
4.1 Під мікроскопом вивчити мікроструктури запропонованих зразків.
4.2 Схематично замалювати мікроструктури чавунів в зошит (користуючись альбомом мікроструктур).
4.3 Заміряти твердість зразків, дані записати в таблицю 9.1.
4.4 Пояснити значення твердості чавунів з різною структурою.
Таблиця 9.1
|
№№ ПП |
Структура чавуну |
Форма графіту |
Діаметр відбитка, мм |
Твердість |
|
|
НВ |
HRC |
||||
|
1 |
П+Л+ЦІІ |
графіту немає |
|||
|
2 |
П+Г |
куляста |
|||
|
3 |
П+Ф+Г |
пластинчаста |
|||
|
4 |
Ф+Г |
пластівчаста |
5 Контрольні запитання
5.1 В чому полягає різниця між сталями і чавунами?
5.2 Від чого залежать механічні властивості чавуну?
5.3 Як отримують сірі, білі, ковкі та високоміцні чавуни?
5.4 Як маркуються чавуни?
Робота №10
Гартування cталей
1 Мета роботи
1.1 Дослідження впливу швидкості охолодження в процесі термообробки на твердість загартованої сталі відповідно на її міцність.
1.2 Аналіз залежності твердості від структури загартованої сталі.
2 Прилади та технічні засоби навчання
Лабораторна піч, охолоджуючі середовища, набір шліфувального паперу, твердомір ТК-2, набір зразків, таблиці, плакати, діаграма стану Fe – Fe3C, діаграма ізотермічного розпаду аустеніту.
3 Методичні вказівки до самостійної роботи
Опрацювати за підручником та конспектом лекцій з курсу “Матеріалознавство” розділи : „Фазові перетворення в сплавах заліза (теорія термічної обробки сталі)” та ”Технологія термічної обробки сталі”.
Звернути увагу на те, що зміна структури, а відповідно і властивостей сплавів після гартування, зумовлена поліморфізмом (твердофазними перетвореннями) і зміною розчинності компонентів у різних фазах.
Теорія термічної обробки залізовуглецевих сплавів базується на фазових перетвореннях →-залізо і різній розчинності вуглецю в цих модифікаціях.
Термічна обробка – це технологічні процеси основані на нагріванні й охолодженні сплаву з метою зміни структури, а відповідно і властивостей.
Термічну обробку можна розглядати як попередню, яка проводиться перед механічною обробкою деталі, і зміцнюючу, яка проводиться після механічної обробки.
Попередня термічна обробка проводиться з метою покращення обробки різанням (зменшення твердості та підвищення пластичності, для заготовок одержаних шляхом пластичної деформації), а також з метою вирівнювання структури в окремих об'ємах сталі (зменшення дендритної або внутрікристалітної ліквації) у литих заготовках.
До попередньої термічної обробки відноситься відпалювання, а для низьковуглецевих сталей замість відпалювання проводять нормалізацію.
Зміцнюючою термічною обробкою, яка проводиться після механічної обробки, являється гартування з наступним відпусканням.
Термічна обробка полягає в нагріванні сплаву до певної температури, витримці при цій температурі і охолодженні.
Слід звернути увагу на те, що у всіх випадках (при відпалюванні, нормалізації, гартуванні) сталь нагрівають до утворення аустеніту (до температури вище критичної точки Ас, або Ас3 чи Асm), а охолоджують з різною швидкістю.
Охолоджуючи аустеніт з різною швидкістю, задаючи таким чином різний ступінь переохолодження , можна одержати продукти розпаду, які різко відрізняються структурою і властивостями. При швидкості охолодження: V1 – перліт, V2 – сорбіт і V3 – тростит. При охолодженні з швидкістю Vк (V5 > Vк) проходить бездифузійне перетворення аустеніту в мартенсит (рисунок 10.1).
Слід запам'ятати, які структури утворюються при розпаді аустеніту і їх властивості. Аустеніт розпадається на ферито – цементитні суміші. У залежності від ступеню дисперсності розрізняють перліт, сорбіт, тростит. Твердість перліту 160-230 НВ, сорбіту – 250-350 НВ, троститу 400-450НВ.
Рисунок 10.1 – Накладання кривих швидкостей охолодження на діаграму ізотермічного розпаду аустаніту
При відносно невеликих швидкостях охолодження аустеніт шляхом дифузійного розпаду зазнає перетворення при температурах 700-5500С з утворенням структур перлітного типу. Дисперсність одержаної суміші зростає в міру зниження температури перетворення, одночасно зростає міцність і твердість і знижується пластичність.
Якщо порівняти температури, при яких відбувається утворення структур гартування при безперервному охолодженні, із температурами ізотермічної витримки необхідними для одержання тих же структур, то видно, що ці температури однакові. Наприклад сорбіт при безперервному охолодженні утворюється при 650оС і при ізотермічному розпаді аустеніт для одержання сорбіту повинен бути переохолоджений до 650оС. Одержання троститу в обох випадках відбувається при 550оС. Якщо на С–подібну криву нанести криві швидкостей охолодження , то крива V2 , яка відповідає швидкості охолодження , при якій відбувається утворення сорбіту, перетинає С–подібну криву при 650оС , крива V3 , яка відповідає швидкості охолодження, при якій відбувається утворення трооститу, перетинає С–подібну криву при 550оС.
Слід запам'ятати, що гартування полягає в нагріванні сталі до температури на 30 –50оС вище критичної точки Ас1 (для евтектоїдної і заевтектоїдної сталі) або Ас3 ( для доевтектоїдної сталі) витримці при цій температурі і швидкому охолодженні. Гартування проводять з метою підвищення твердості і міцності сталі.
Швидкість нагрівання повинна забезпечити перебіг необхідних структурних змін у металі без виникнення високих напружень, жолоблення і тріщин.
Тривалість нагрівання, витримування при певній температурі, повинна забезпечити наскрізний прогрів деталі й проходження всіх передбачених процесів (фазові перетворення, розчинення карбідів тощо).
Швидкість охолодження при гартуванні забезпечує вибір відповідного середовища для гартування (води, масла, розчину солей та ін.).
Механічні властивості, які отримує сталь після гартування, визначаються хімічним складом сталі, температурою нагрівання під гартування і швидкістю охолодження.
Швидкість охолодження при гартуванні є основним і вирішальним фактором одержання твердості, міцності та пластичності.
Із діаграми ізотермічного розпаду аустеніту (рисунок 10.1) видно, що при повільному охолодженні аустеніт розпадається на ферито-цементитну суміш. При швидкому охолодженні вуглець, який розчинений в аустеніті, не встигає виділитися із нього і утворити цементитну фазу. Він залишається після фазового γ-перетворення замкнутим в -гратці, що сильно її спотворює. Така деформована гратка з вмістом в ній надлишкових атомів вуглецю отримала назву мартенситної гратки, а структура сталі – мартенсит.
Швидкість охолодження сталі при якій аустеніт не розпадається на ферито – цементитну суміш, а здатний перетворитись у мартенсит, носить назву критичної швидкості охолодження (гартування) Vкр.
Мартенсит у залізовуглецевих сталях– це твердий перенасичений розчин вуглецю в -залізі. Мартенсит володіє високою міцністю і твердістю. Твердість мартенситу залежить від вмісту вуглецю в сталі і може досягти 62-65 HRC.
Слід звернути увагу на особливості аустенітно-мартенситного перетворення.
При швидкості охолодження більшій за критичну, мартенсит ( для даної сталі ) починає утворюватись завжди при одній і тій же температурі.
Аустенітно-мартенситне перетворення має бездифузій-ний характер. Виділення цементиту, як це має місце при перлітному перетворенні, в даному разі не відбувається. Відбувається тільки перебудова гранецентрованої кристаліч-ної градки в об’ємноцентровану і весь вуглець, який знаходився в γ-залізі, залишається в -залізі.
Аустенітно-мартенситне перетворення відбувається не повністю, тобто утворення 100% мартенситу не відбувається, а завжди деяка кількість аустеніту залишається не перетвореною, тому такий аустеніт і зветься залишковим аустенітом.
Температуру гартування для вуглецевих сталей назначають при допомозі діаграми стану системи Fe-Fe3C (рисунок 10.2).
В залежностіі від температури нагрівання розрізняють повне і неповне гартування.
Для доевтектоїдних сталей застосовують повне гартування. При повному гартуванні сталь нагрівають до повної перекристалізації (до температури на 30-500С вище критичної точки Ас3 ) і утворення однофазної структури аустеніт (сплав І-І, рисунок 10.2). Ця стадія процесу кристалізації ностить назву аустенізація.
Рисунок 10.2 – Оптимальний варіант температур гартування вуглецевих сталей
При охолодженні сталі з швидкістю більшою за критичну, аустеніт перетворюється в мартенсит. Така структура забезпечить сталі високу твердість і міцність. Якщо доевтектоїдну сталь нагріти до температури лише вище критичної точки Ас1, пройде неповна перекристалізація сталі, тільки перліт перетвориться в аустеніт і структура сталі буде Ф+А. При швидкому охолодженні сталі аустеніт перетвориться у мартенсит, а ферит не зазнає перетворень. Таким чином структура сталі після гартування буде Ф+М. Така структура не забезпечить сталі високої твердості із-за низької твердості фериту.
Неповне гартування назначають тільки для листової доевтектоїдної сталі, яка використовується для штампування, з метою забезпечення високої пластичності.
Для заевтектоїдних сталей застосовують неповне гартування. Структура сталі вище критичної точки Ас1 – А+ЦII (сплав ІІ-ІІ, рисунок 10.2.)
При швидкому охолодженні аустеніт перетвориться в мартенсит. Цементит не зазнає перетворень. Таким чином структура після гартування М+ЦІІ. Така структура забезпечить сталі високу міцність і твердість, бо ЦІІ має високу твердість. Нагрівати заевтектоїдну сталь до повної перекристалізації (вище Асm) немає потреби, бо структура , яку одержують після неповного гартування М+ЦІІ забезпечує більшу твердість. Крім того, підвищення концентрації вуглецю в аустеніті приводить при гартуванні до великої кількості залишкового аустеніту, який не забезпечує твердості і міцності загартованій сталі. Але найважливішим є те, що при цьому виникають величезні напруження, які приводять до руйнування деталі (так звані загартовочні тріщини).
Слід також опрацювати матеріал про вплив легуючих елементів на кінетику розпаду аустеніту в сталях, їх вплив на положення мартенситних точок, критичну швидкість охолодження, на властивість загартованої сталі.
Звернути особливу увагу на термін “стійкість переохолодженого аустеніту”. Стійкість переохолодженого аустеніту характеризується тривалістю періоду до початку розпаду аустеніту, так званим інкубаційним періодом. Оскільки криві мають перегин при 550-600оС, коли вони наближаються до вісі ординат, то зрозуміло, що при цих температурах аустеніт буде мати найменший інкубаційний період. Підвищення або пониження температури збільшує тривалість інкубаційного періоду.
Звернути увагу на терміни ”загартовуваність” і “прогартовуваність”.
Загартовуваність – це здатність сталі набувати максимальної твердості внаслідок гартування. Визначається вона вмістом вуглецю в сталі. Низьковуглецеві сталі ( до 0,20% вуглецю) практично не загартовуються, оскільки їхня твердість внаслідок гартування майже не підвищується.
Прогартовуваність – це глибина проникнення загартованої зони, або відстань від поверхні зразка до шару, структура якого складається з приблизно однакових об’ємів мартенситу і троститу.
Прогартовуваність характеризує параметр критичного діаметра (Dк). Це максимальний діаметр циліндричного зразка, що прогартувався наскрізь в даному охолоджуючому середовищі.
Чим більша стійкість переохолодженого аустеніту тим менша критична швидкість гартування і тим більша прогартовуваність сталі.
В таблиці 10.1 наведені орієнтовні значення швидкос-тей охолодження, які забезпечують різні середовища.
Таблиця 10.1
|
№ пп |
Охолоджуюче середовище |
Швидкість охолодження в оС/сек. В інтервалі температур (оС) |
|
|
|
650-550 |
300-200 |
|
|
1 |
Розчин солей (синтетичні розчини) |
1200 |
500 |
|
2 |
Вода при 18оС |
600 |
270 |
|
3 |
Вода при 50оС |
100 |
270 |
|
4 |
Мінеральне мастило |
150 |
30 |
|
5 |
Повітря під тиском |
30 |
10 |
|
6 |
Повітря спокійне |
5 |
1 |
4 Завдання і порядок виконання роботи
та оформлення звіту
4.1 Робота виконується підгрупою. Кожний студент складає звіт за отриманими результатами усіх експериментів.
4.2 Провести гартування заданої вуглецевої марки сталі з охолодженням в різних середовищах (вода, мастило, повітря). Заміряти твердість зразків до гартування і після гартування в різних середовищах.
4.3 Занести результати замірів у таблицю 10.2 і, користуючись орієнтовними значеннями твердості, приведеними раніше та приведеними в таблиці 10.1 та на рисунку 10.1, визначити мікроструктуру, яка утворилась при різних швидкостях охолодження сталі.
4.4 Побудувати графік залежності твердості структури загартованої сталі від швидкості охолодження.
4.5 Обґрунтувати вибір температури нагрівання для гартування заданої сталі.
Таблиця 10.2 - Твердість сталі при охолодженні в різних середовищах з різною швидкістю.
|
Охолоджу юче середо-вище |
Марка сталі |
Твердість до гарту-вання, НВ |
Твердість після гартування |
Мікро-структура |
|
|
HRC |
HB |
||||
|
Вода, 18 оС |
|||||
|
Масло |
|||||
|
Повітря |
4.6 Узагальнити результати виконаної роботи та зробити свої висновки.
5 Контрольні запитання
5.1 Що таке гартування ? Фізика процесів, що протікають в сталі при нагріванні.
5.2 Що таке критична швидкість охолодження?
5.3 Які структури отримуються в процесі гартування?
5.4 В чому полягає повне і неповне гартування сталі?
5.5 Що таке загартовуваність і прогартовуваність сталі?
5.6 В якому охолоджуючому середовищі слід охолоджувати вісь із сталі 40 та свердло із сталі 9ХС? Чому?
5.7 Від чого залежить кількість залишкового аустеніту в загартованій сталі?
5.8 Від чого залежить величина твердості загартованої сталі?
5.9 Що означають С – подібні криві на діаграмі ізотермічного перетворення аустеніту?
5.10 Що таке інкубаційний період? Що він характеризує?
5.11 Від чого залежить прогартовуваність сталі?
Робота №11
Відпускання загартованої сталі
1 Мета роботи
1.1 Ознайомитися з практикою відпускання загартованої сталі
1.2 Дослідити вплив температури відпускання на механічні властивості відпущеної сталі.
1.3 Провести аналіз залежності твердості сталі від структури, що одержується при різних температурах відпускання.
2 Прилади і технічні засоби
Нагрівальні печі, набір зразків, твердомір ТК-2, метало мікроскопи, альбом мікроструктур.
3 Методичні вказівки до самостійної роботи
Опрацювати за підручником та конспектом лекцій з курсу „Матеріалознавство” теми „Перетворення мартенситу і залишкового аустеніту при нагріванні загартованої сталі” та „Технологія відпускання”.
Відпускання полягає в нагріванні загартованої сталі до температури нижчої АС1 , витримці при цій температурі і послідуючому охолодженні до нормальної температури з певною швидкістю.
Відпускання є обов’язковою технологічною операцією після гартування (виняток складає ізотермічне гартування).
Мета відпускання – зменшення внутрішніх напружень, які виникають в результаті гартування і надання сталі відповідних механічних властивостей.
Напруження знімається тим повніше, чим вища температура відпускання.
В залежності від температури відпускання розрізняють низьке, середнє і високе відпускання.
Низьке відпускання проводять при температурі 150 – 200оС. Структура після відпускання – мартенсит відпускання. При цьому відпусканні зменшуються залишкові гартувальні напруження, підвищується міцність і в’язкість сталі без замітного зниження твердості. Рекомендується при термічній обробці різальних, вимірювальних інструментів, штампів для холодного деформування металів.
Середнє відпускання проводять при температурі 350 – 450оС, структура після відпускання – тростит відпускання. При цьому відпусканні знижується твердість. Рекомендується при термічній обробці ресор, пружин і деяких штампів. Забезпечує міцність, пластичність та пружність виробу.
Високе відпускання проводять при температурі 500 – 650оС. Таке відпускання приводить до значного зниження гартувальних напружень і твердості загартованої сталі. Структура – сорбіт відпускання. Ця структура забезпечує хороше поєднання властивостей – достатню міцність, в’яз кість і пластичність. Гартування з наступним високим відпусканням на сорбіт носить назву поліпшення. Поліпшення рекомендується для деталей із середньовуглецевих конструкційних сталей, які несуть знакоперемінні наванта ження (вали, вісі, шатуни, шестерні).
Слід звернути увагу на те, що головним фактором, який визначає структуру, а відповідно і властивості сталі після відпускання, являється температура відпускання. Однак і швидкість охолодження при відпусканні має велике значення. Вона впливає на залишкові напруження. Чим повільніше охолодження, тим менші залишкові напруження.
Щоб уникнути жолоблення, вироби складної форми при високому відпусканні слід охолоджувати повільно, а вироби із легованих сталей, схильних до зворотної відпускної крихкості, у всіх випадках слід охолоджувати швидко.
Слід звернути увагу на механізм перетворення мартен ситу гартування в мартенсит відпускання (Мг Мв), а особливо перетворення залишкового аустеніту в мартенсит відпускання (Азал Мв). Слід пам’ятати, що структура мартенситу займає більший об’єм ніж структура аустеніту, а тому перетворення Азал Мв супроводжується виникненням додаткових внутрішніх напружень в сталі, що фіксується, як підвищення її твердості. Наявність в структурі загартованої сталі великої кількості залишкового аустеніту не забезпечує її високу твердість. Високу твердість сталь набуває при відпус канні в результаті перетворення Азал Мв. Це явище отри мало назву вторинного твердіння. Існує ціла група легованих сталей, зміцнення яких відбувається саме за рахунок вторинного твердіння. Типовим представником цієї групи є швидкорізальні сталі, які містять після гартування в структурі 25-35% залишкового аустеніту.
У високовуглецевих і багатьох легованих середньо-вуглецевих сталях перетворення Азал ® Мв протікає при температурі 200–300оС, а швидкорізальних сталях при температурі 500–600оС.
Високу твердість сталям після відпускання забезпечує структура - мартенсит відпускання (Мв).
При розпаді мартенситу твердість суттєво знижується. Вуглецеві сталі зберігають мартенситну структуру до 200 – 225оС.
Звернути увагу на те, що в легованих сталях легуючі елементи затримують розпад мартенситу, підвищуючи температурну границю його існування. Здатність загартованої сталі зберігати твердість, що пов’язано відповідно із збереженням мартенситної структури, називають теплостій кістю ( червоностійкістю) сталі. Сильно підвищують тепло стійкість сталі такі легуючі елементи як вольфрам, молібден, ванадій, кобальт. Отже, високолеговані сталі структуру відпу ще ного мартенситу зберігають до температури 450 – 500оС.
4 Завдання і порядок виконання роботи
та оформлення звіту
4.1 Провести відпускання загартованої сталі при температурі 150оС, 300оС, 400оС, 550оС.
4.2 Провести вимірювання твердості сталей після відпускання і занести дані в таблицю 11.1.
Таблиця 11.1
|
Температура відпуску, оС |
Марка сталі |
Твердість, HRC |
Мікрострук тура |
|
|
до відпускання |
після відпускання |
|||
|
150 |
||||
|
300 |
||||
|
450 |
||||
|
550 |
4.3 За орієнтовними значеннями твердості вказати структуру сталі після відпускання.
4.4 Побудувати криву залежності твердості відпущених сталей від температури відпускання.
4.5 Вивчити під мікроскопом структури відпускання.
5 Контрольні запитання
5.1 Що таке відпускання? Яка його мета та температурні режими?
5.2 Які перетворення протікають в загартованій сталі в процесі відпускання?
5.3 З якою метою проводять низьке відпускання, при якій температурі, яка структура та властивості сталі після відпускання?
5.4 З якою метою, при якій температурі проводять середнє відпускання, яка структура та властивості сталі після відпускання?
5.5 З якою метою проводять високе відпускання, при якій температурі, яка структура та властивості сталі після відпускання?
5.6 Що таке термічне поліпшення сталі?
5.7 В чому відмінність структури гартування від структури відпускання сталі?
5.8 Як впливає структура сталі на її механічні властивості?
5.9 Як впливають легуючі елементи на стійкість мартенситу при відпусканні?
5.10 Що таке теплостійкість сталі?
Робота №12
Вивчення структури і властивостей сталей після поверхневого зміцнення методом хіміко-термічної обробки
1 Мета роботи
1.1 Ознайомитись з основами хіміко-термічної обробки мета лів і сплавів.
1.2 Вивчити структуру зміцнених поверхневих шарів, одер жаних після хіміко-термічної обробки.
1.3 Порівняти властивості сталі до і після хіміко-термічної обробки.
2 Прилади та технічні засоби навчання
2.1 Набір зразків сталей після хіміко-термічної обробки.
2.2 Альбом мікроструктур після ХТО.
2.3 Металомікроскоп.
3 Методичні вказівки до самостійної роботи
Опрацювати за підручником і конспектом лекцій з курсу ”Матеріалознавство” розділ “Хіміко-термічна обробка сталі”. Вникнути в суть процесу хіміко-термічної обробки.
Хіміко-термічною обробкою (поверхневим легуванням) називають обробку, яка полягає в поєднанні хімічної і термічної дії на метали і сплави з метою зміни хімічного складу, структури і властивостей в поверхневих шарах виробу.
Хіміко-термічна обробка (ХТО) сталі полягає в дифузійному насиченні поверхневого шару неметалами (С, N, Si, B і ін.), або металами (Cr, Al, Ni і ін.) в процесі витримки при певній температурі в реакційному середовищі.
Для формування дифузійного покриття необхідно забезпечити протікання трьох основних процесів:
а) утворення активних атомів насичуючого елемента на поверхні насичуваного виробу;
б) адсорбція атомів насичуючого елементу виробом;
в) дифузія адсорбованих атомів в глибину металу.
Процес утворення активних атомів насичуючого елементу забезпечується різними способами: випаровуванням; електролізом розплавлених солей; відновленням із сполук; термічним розкладанням хімічних сполук.
Адсорбція (поглинання) атомів забезпечується безпосереднім контактом насичуючого елементу з поверхнею насичуваного виробу.
Направлена дифузія адсорбованих атомів здійснюється при наявності градієнта концентрації атомів насичуючого елементу по глибині виробу, а також при забезпеченні умов для масового переміщення атомів з поверхні в глибину металу.
Звернути увагу на класифікацію методів дифузійного насичення.
Забезпечення формування дифузійного шару досягається різними технологічними прийомами відповідно до постав леної задачі, матеріалів і умов насичення. Це лягло в основу класифікації методів дифузійного насичення, основними з яких є:
а) насичення із твердої фази – твердофазний метод;
б) насичення із парової фази – парофазний метод;
в) насичення із газової фази – газовий метод;
г) насичення з рідкої фази – рідинний метод;
Насичення в обмазках (із паст) займає проміжне положення між насиченням із твердої і рідкої фази.
Твердофазний метод дифузійного насичення металів і сплавів здійснюється шляхом нагрівання і витримування при означеній температурі в порошкових сумішах, які містять порошок насичуючого елемента без добавлення активатора. Насичення поверхні елементом проходить за рахунок її контакту з металізатором.
До цього методу відноситься плакування і гальванічне осадження з послідуючим дифузійним відпалюванням. Цей метод із-за низької продуктивності на практиці використовується рідко.
При парофазному методі насичення поверхні виробу здійснюється через парову фазу, яка виникає при нагріванні насичуючого елементу або його феросплаву до високої температури у вакуумі.
Газовий метод дифузійного насичення поверхні металічного виробу здійснюється в середовищах, що містять галогенідні сполуки насичуючого елемента, які дисоціюють на нагрітій поверхні виробу, вступають в хімічну взаємодію з нею. В результаті обмінних реакцій утворюються активні атоми насичуючого елементу які, адсорбуючись, дифундують в кристалічну гратку металу.
Розрізняють контактний і неконтактний методи газового дифузійного насичення.
При контактному методі насичуваний виріб упаковують в контейнер в порошкову суміш, яка містить насичуючий елемент або його феросплав, інертну добавку і активатор. В якості інертної добавки, призначення якої є застерегти порошок насичуючого елемента від спікання і налипання його на поверхню виробу, використовують оксиди, які не відновлюються в насичуючому середовищі. Це, як правило, оксиди алюмінію, магнію, хрому. В якості активатора найчастіше використовують хлористий амоній або хлористий магній.
При неконтактному методі утворення галогенідних сполук насичуючого елемента відбувається в окремому об’ємі, а потім з допомогою транспортного газу подаються в реакційний простір печі, в якій находяться нагріті до потрібної температури вироби, які підлягають насиченню.
Рідинний метод дифузійного насичення здійснюється в розплаві насичуючого металу, або розплавлених солях, які містять насичуючий елемент.
Рідинний метод дифузійного насичення здійснюється електролізним і безелекторолізним способами.
Дифузійне насичення із обмазок використовують при зміцненні великогабаритних виробів, або при необхідності місцевого насичення. Особливо ефективним є процес насичення із обмазок при нагріванні деталей струмами високої частоти.
Види хіміко-термічної обробки (ХТО) класифікують відповідно до насичуючого елемента.
При вивченні кожного виду ХТО зверніть особливу увагу на температуру процесу та його тривалість, середовище насичення, товщину дифузійного шару, його будову і властивості.
Цементація – насичення поверхневого шару вуглецем. Оскільки підвищення концентрації вуглецю приводить до збільшення в ній кількості цементиту, то стає зрозумілим, чому цей процес отримав назву цементації. Цементацію проводять при температурі вище критичної точки АС3, тобто в аустенітній зоні, що пов’язано із здатністю його розчинити в собі значну кількість вуглецю. Отже, це є процес високо-температурний. Глибина проникнення вуглецю визначається міліметрами. Концентрація вуглецю в поверхневому шарі складає приблизно 1%, що відповідає вуглецевій сталі У10 . Міцності і твердості поверхневий шар набуває тільки після гартування за рахунок мартенситної структури. Після термообробки (гартування з послідуючим відпусканням) цементована деталь піддається кінцевому механічному обробленню – шліфуванню до номінального розміру.
Азотування – насичення поверхневого шару сталі азотом. Цей процес проводять нижче температури АС1, що виключає зміну об’єму деталі за рахунок фазових перетворень, а тому термічну обробку (гартування з послідуючим відпусканням) проводять до азотування. Отже, азотування є кінцевою операцією виготовлення деталі, бо механічна обробка до заданих розмірів (чистова обробка) проводиться після термічної обробки перед азотуванням.
Твердість азотованого шару на залізі невелика ~ 300-350 HV. Тому азотуванню піддають середньовуглецеві сталі леговані Cr, Mo, V, Al. Ці легуючі елементи розчинені в фериті підвищують розчинність азоту в α-фазі і утворюють спеціальні нітриди MN і M2N, які забезпечують поверхневому шару сталі високу твердість HV 1000-1200.
Ціанування (нітроцементація) одночасне насичення поверхні деталі азотом і вуглецем. Якщо цей процес технологічно забезпечується нагріванням деталі в розплавах ціанистих солей (NaCN, KCN) то він носить назву ціанування. У випадку, коли насичуючим середовищем є суміш газів (наприклад, природній газ і аміак), то процес називають нітроцементацією.
Борування – насичення поверхні деталі бором. Борування здійснюється слідуючими методами: газовим, рідким (електролізним і без електролізним), в обмазках із паст.
Борування газовим контактним методом проводять в порошкових сумішах на основі аморфного чи кристалічного бору, карбіду бору, феробору, боридів перехідних металів або в алюмотермічних сумішах.
Для електролізного борування використовують просушену буру (Na2B4O7).
Рідке борування безелектролізним методом здійснюють на основі боратів лужних металів. В якості відновлювачів використовують алюміній, кремній, титан, марганець, лігатури і феросплави на їх основі, карбіди бору та інші.
Для газового борування використовують діборан B2H6 і трьоххлористий бор (BCl3).
Досить ефективним є спосіб борування в обмазках із паст. Для приготування обмазок використовують порошки бору, карбіду бору, оксидів і в’яжучого.
Борування ведуть при температурі 850-950С. Дифузійний шар складається із боридів FeB (на поверхні ) і Fe2B. Товщина шару залежить від хімічного складу сталі і складає 0,1-0,2 мм.
Твердість борованого шару 1800-2000 HV.
Боридні покриття володіють високою зносостійкістю, корозійною стійкістю, теплостійкістю.
Дифузійне хромування – насичення поверхні деталі хромом. Хромування здійснюється парофазним методом, газовим (контактним і неконтактним), рідким, а також в обмазках із паст.).
Завдяки своїй простоті широко використовується газовий контактний метод хромування. Його здійснюють в порошкових сумішах складу : 65-70% хрому або ферохрому, 25-30% інертної добавки, 2-5 % хлористого амонію (% масові). Насичення протікає при температурі 1100-1150С.
Перспективним являється хромування газовим неконтактним методом з нагріванням насичуваних виробів струмами високої частоти. Газову суміш одержують шляхом пропускання хлору над кусками хрому. Хлориди транспортують до виробів, поміщених в зоні нагрівання струмами високої частоти.
Ефективним є хромування у вакуумі, яке здійсюється за рахунок випаровування хрому при високій температурі. В промисловість впроваджена технологія хромування прокату у вакуумі із парової фази.
Хромований шар на вуглецевих сталях володіє одночасно цілим рядоим цінних властивостей: високою твердістю, зносостійкістю, корозійною стійкістю та жаростійкістю. В багатьох випадках хромують леговані сталі.
Дифузійний шар, одержаний при хромуванні сталі з вмістом вуглецю 0,3% і більше складається із карбідів хрому (Cr,Fe)7C3 і (Cr,Fe)23C6, що дозволяє називати його карбідним.
Твердість карбідного шару, одержаного хромуванням сталі, складає 1200-1600 HV.
4 Завдання і порядок виконання роботи
та оформлення звіту
4.1 Вивчити під мікроскопом і зарисувати в зошит мікроструктури сталей після різних видів хіміко-термічної обробки.
4.2 Заміряти твердість серцевини і поверхневого шару запропонованих зразків після хіміко-термічної обробки. Результати вимірювання занести в таблицю 12.1.
Таблиця 12.1
|
Вид ХТО |
Мікроструктура сталей після ХТО |
Твердість серцевини HRC |
Твердість поверхневого шару HV |
4.3 Дати відповідь на запитання.
5 Контрольні питання
5.1 Які фізико-хімічні процеси лежать в основі хіміко-термічної обробки сталей?
5.2 Якими методами здійснюється ХТО?
5.3 При якій температурі здійснюється цементація, азотування? Чому?
5.4 Чим відрізняються процеси цементації і азотування ?
5.5 За рахунок чого досягається поверхнева твердість про цементації і азотуванні?
5.6 Яка будова дифузійного шару після цементації і азоту вання? Яка твердість поверхневого шару?
5.7 До якої температури зберігає високу твердість дифузійний шар після цементації і азотування? Чому?
5.8 Які сталі підлягають цементації і азотуванню?
5.9 Яка будова, товщина і властивості дифузійного шару після борування?
5.10 Яка товщина, будова і властивості дифузійного шару після хромування?
5.11 Яку задачу виробники вирішують шляхом хіміко-термічної обробки ?
Робота №13
Вивчення структури і властивостей легованих сталей
1 Мета роботи
1.1 Ознайомитись з мікроструктурою легованих сталей різних класів.
1.2 Надбати навики в оцінці сталі за призначенням, хімічним складом, структурою, властивостями та умінні назначити термічну обробку.
2 Технічні засоби навчання
2.1 Металомікроскоп.
2.2 Комплект зразків легованих сталей.
2.3 Альбом мікроструктур.
2.4 Довідниковий матеріал (таблиці, плакати).
3 Методичні вказівки до самостійної роботи
Опрацювати матеріал за підручником і конспектом лекцій з матеріалознавства із розділу “Леговані сталі”. Звернути увагу на вплив легуючих елементів на положення критичних точок на діаграмі стану Fe-C та діаграмі ізотермічного розпаду аустеніту. Вивчити класифікацію легованих сталей і їх маркування.
Легуючі елементи по різному впливають на положення критичних точок заліза. На рисунку 13.1. схематично показа но вплив легуючих елементів на положення критичних точок А1, А3, А4. Як видно із схеми , при певній концентрації того чи іншого елементу у сталі зникають поліморфні перетворення і фіксується або феритний (рисунок 13.1.б) ,або аустенітний (рисунок 13.1.а) стан від кімнатної до температури плавлення. Такі сталі утворюють клас відповідно феритний і аустенітний.
Слід також уяснити природну здатність легуючих елементів взаємодіяти з вуглецем. Їх ділять на дві групи:
- елементи, що не утворюють в сталі карбідів (вони розмі щені справа від заліза в періодичній системі елементів) – це Al, Si, Co, Cu. Ці елементи утворюють тверді розчини заміщення в кристалічній гратці заліза, тобто легують ферит, аустеніт;
- карбідоутворюючі елементи – Ti, V, Cr, Mn, Zr, Nb, W, Mo, Ta. Вони розміщені зліва від заліза в періодичній системі елементів. Вони також можуть розчинятись в карбідах інших елементів, або утворювати складні карбіди, які характеризуються високою стійкістю і дуже погано розчиняються в аустеніті навіть при високих температурах. Якщо карбід в сталі утворився безпосередньо із рідкого стану в процесі кристалізації, то такий карбід називають первинним. Наявність в сталях первинних карбідів об’єднує ці сталі в карбідний клас. Це сталі, які в достатній концентрації леговані тугоплавкими елементами (W, Zr, Nb, Mo, Hf).
Рисунок 13.1 – Схема впливу легуючого елемента на положення критичних точок в легованих сталях
Отже, за структурою у відпаленому стані леговані сталі діляться на:
а) доевтектоїдні, із структурою ферит легований і евтектоїд (Флег.+Евтд.). Як приклад, це сталі 40Х, 20ХНЗА, 18ХГТ;
б) евтектоїдні, із структурою евтектоїда (евтд.). Наприклад, сталь 6Х2С.
в)заевтектоїдні, із структурою евтектоїда і вторинних карбідів (Евтд.+КІІ ). Сталі 9ХС, ХВГ, ШХ15;
г)ледебуритні (або ж карбідні) із структурою евтектоїду, первинних і вторинних карбідів (Евтд.+КІ+КІІ). Сталі Х12М, Р18, Р6М5;
д) аустенітні, із структурою легованого аустеніту (Алег.). Це сталі 10Х18Н10Т, Г13;
е) феритні, із структурою ферит легований (Флег.). Це низьковуглецеві сталі із високим вмістом елементів, які розширюють область існування фериту. Це сталі леговані хромом 12Х17, 15Х25, 15Х25Т.
А за структурою у нормалізованому стані (гартування на повітрі) леговані сталі діляться на :
а) перлітні;
б) мартенситні;
в) аустенітні;
За призначенням леговані сталі діляться на:
а) конструкційні;
б) інструментальні;
в) з особливими фізико-хімічними властивостями (маг нітні, нержавіючі, жаростійкі, жароміцні, зносостійкі і т.д.).
За хімічним складом класифікуються в залежності від легуючого елементу:
а) нікелеві;
б) хромисті;
в) хромонікелеві;
г) хромонікельмолібденові і т.д.
За ступенем легованості:
а) низьколеговані (сумарний вміст легуючих елементів менше 3%);
б) середньолеговані (із сумарним вмістом легуючих елементів від 3 до 15%);
в) високолеговані (із сумарним вмістом легуючих еле ментів від 15 до 50%).
При сумарному вмісті легуючих елементів більше 50% - їх називають сплавами.
Також слід звернути увагу на те, що практично усі легуючі елементи затримують розпад аустеніту. А це на діаграмі його ізотермічного розпаду відзначається як зміщення С-подібних кривих вправо. Тобто при меншій швидкості охолодження можна отримати мартенситну структуру, як це видно на рисунку 13.2.
Рисунок 13.2 – Вплив легуючих елементів на критичну швидкість охолодження
Маркування легованих сталей проводять набором цифр і літер. За ГОСТ 5632-72 легуючі елементи в сталях позначаються літерами:
Х - хром;
С - кремній;
П - фосфор;
К – кобальт;
Д – мідь;
В – вольфрам;
М – молібден;
Р – бор;
Т – титан;
Н – нікель;
Б – ніобій;
Ф – ванадій;
Г – марганець;
Ц – цирконій;
Ю – алюміній;
Ч – рідкозамельні метали;
А – азот.
Цифрами позначають середній вміст легуючого елементу в сталі. Цифра яка стоїть попереду означає вміст вуглецю в сотих долях (для конструкційних сталей) або в десятих долях (для інструментальних сталей). Цифра, яка стоїть після літери, яка означає легуючий елемент, вказує на середній вміст його в сталі в цілих процентах. Відсутність цифри говорить за те, що вміст легуючого елементу є в межах одного процента, Наприклад , Х12М. Тут вміст вуглецю і молібдену знаходиться в межах 1 %, а хрому міститься 12%.
4 Завдання і порядок виконання роботи та оформлення звіту
4.1 Вивчити під мікроскопом, користуючись альбомом, і зарисувати схематично структури запропонованих зразків.
4.2 За кожною маркою сталі дати відповідь на запитання в такому порядку:
а) Який хімічний склад сталі?
б) Яка мета легування кожним елементом даної сталі?
в) Який клас сталі за:
- структурою у відпаленому стані?
- структурою у нормалізованому стані?
- призначенням?
г) Яка мікроструктура цієї сталі при кімнатній температурі?
д) Яка область застосування цієї сталі?
е) Який режим термічної обробки сталі?
є) Яка кінцева структура цієї сталі і основні її власти вості після термообробки?
5 Контрольні запитання
5.1 Які переваги легованих сталей перед залізовуглецевими?
5.2 Як впливають легуючі елементи на поліморфізм заліза?
5.3 За якими ознаками класифікуються леговані сталі?
5.4 Як маркуються леговані сталі?
5.5 Як впливають легуючі елементи на стійкість переохо ло дженого аустеніту та критичну швидкість охолодження?
5.6 Як впливають легуючі елементи на розпад мартенситу?
5.7 Які особливості термічної обробки сталей ледебуритного (карбідного), феритного і аустенітного класів?
Робота № 14
Структура і будова сплавів на основі міді
1 Мета роботи
1.1 Ознайомитись з мікроструктурою і властивостями сплавів на основі міді з різним хімічним складом.
1.2 Вивчити маркування сплавів на основі міді та доцільність їх використання.
2 Теоретичні відомості
2.1 Металомікроскоп.
2.2 Набір мікрошліфів сплавів на основі міді.
2.3 Альбом мікроструктур.
3 Методичні вказівки до самостійної роботи
Опрацювати за підручником та конспектом лекцій з матеріалознавства розділ “Мідь та сплави на її основі”. Звернути увагу на прийняту класифікацію сплавів на основі міді, запам’ятавши, усі вони поділені на дві групи: латуні і бронзи.
Латуні – сплави міді з цинком. Технічне застосування мають сплави з вмістом до 45% цинку. На рисунку 14.1 подана діаграма стану сплавів мідь-цинк, з якої видно , що сплави з вмістом цинку до 39% утворюють твердий розчин -латунь. Концентрація цинку більше 39% приводить до утворення хімічної сполуки CuZn на базі якої формується твердий розчин -латунь. Отже , структура латуні з вмістом цинку від 39 до 45% буде складатись із зерен і -твердого розчину. Така латунь носить назву двохфазної (+-латунь).
Однофазна -латунь у відпаленому стані має однорідну структуру, яка складається із кристалів -твердого розчину. Відповідно двохфазна латунь складається із кристалів і - твердого розчину.
Із латуней переважно виготовляють катаний та тягнутий напівфабрикат( лист, профіль, дріт іт.д.). Однофазну -латунь обробляють в холодному стані ,а двохфазну +- латунь при температурі вище 500С.
Прості латуні маркуються літерою Л з послідуючою цифрою, яка вказує на вміст міді (Л62, Л68, Л80).
Окрім простих латуней застосовують спеціальні латуні, в які, для надання їм тих, чи інших властивостей, вводять додаткові елементи. Наприклад . ЛС59-1, ЛС70-1, ЛК80-3, де С- свинець в кількості 1%,а К- кремній в кількості 3%. Доречі, кремниста латунь має прекрасні ливарні властивості і застосовується для литва під тиском.
Бронза – сплав міді з оловом , алюмінієм, берилієм, свинцем та іншими елементами, крім цинку. Цинк може знаходитись в бронзі, як легуючий елемент. Маркується бронза літерами Бр та літерою, яка вказує легуючий елемент: А- алюміній, Н – нікель, Ж – залізо, О – олово, Ц – цинк, Ф – фосфор і т.д. Складні бронзи легуються кількома елементами. Цифри, які стоять після букв, вказують на їх вміст у сплаві. Наприклад, БрБ2 (берилію міститься 2%), БрОЦС6-6-3 ( 6% олова, 6% цинку, і 3% свинцю).
Берилієві бронзи зміцнюються термічною обробкою – гартуванням і старінням. При нагрівання бронзи БрБ2 до 760-780оС утворюється однорідний α-розчин, який зберігається в результаті швидкого охолодження у воді при нормальній температурі.
Після гартування бронза володіє малою міцністю σв=450 Па, високою пластичністю (δ=40%) і здатністю зміцнюватися при старінні як безпосередньо після гартування, так і після пластичної деформації в загартованому стані.
Старіння проводять при температурі 300-350оС і полягає в тому, що із перенасиченого α-розчину виділяються дисперсні частинки γ-фази (CuBe), які сильно підвищують міцність бронзи за рахунок створення напруженого стану навколо себе.
Бронза БрБ2 після гартування і старіння має σв=1250МПа і δ=3-5%, а після гартування, холодної пластичної деформації і старіння σв=1400МПа, δ=2%.
Широке застосування знаходять олов’янисті бронзи. Однофазні олов’янисті бронзи з вмістом олова до 5% достатньо пластичні і застосовуються у вигляді трубок, листів, стрічок в приладобудуванні для виготовлення водомірної апаратури.
Рисунок 14.1 – Діаграма стану мідь-цинк
Двохфазна бронза ( вміст олова більше 6%) схильна до крихкості , а тому застосовується як ливарний матеріал. З метою здешевлення і покращення ливарних властивостей в олов’янисту бронзу вводять цинк, а для покращення анти фрикційних властивостей вводять свинець. З таких бронз виготовляють підшипники ковзання.
Берилієва бронза БрБ2 застосовується для виготовлення пружин, мембран, пружинних контактів, безіскрового інструменту і т.д.
Алюмінієві бронзи БрА5, БрА7, БрА10 застосовують на заміну олов’янистих бронз. Вони мають високу міцність, корозійну стійкість і значно дешевші за олов’янисті бронзи.
4 Завдання і порядок виконання роботи
та оформлення звіту
4.1 Вивчити під мікроскопом мікроструктури заданих сплавів на основі міді.
4.2 Користуючись альбомом мікроструктур, схематично зари сувати мікроструктури в зошит:
а) однофазна латунь;
б) двохфазна латунь;
в) однофазна бронза;
г) двохфазна бронза.
4.3 За маркою сплаву вказати його хімічний склад та область застосування.
5 Контрольні запитання
5.1 Які сплави називаються латунями? Бронзами?
5.2 Яка структура сплавів Л86? Л59?
5.3 Яке застосування латуней і бронз?
5.4 чому бронзи мають високу ліквацію?
Робота № 15
Структура і властивості сплавів на основі алюмінію
1 Мета роботи
1.1 Ознайомитись з мікроструктурою , властивостями та застосуванням сплавів на основі алюмінію.
1.2 Вивчити вплив термообробки дуралюміну на його властивості.
2 Прилади та технічні засоби навчання
2.1 Металомікроскоп.
2.2 Набір зразків (шліфів) алюмінієвих сплавів.
2.3 Альбом типових мікроструктур алюмінієвих сплавів.
2.4 Твердомір.
3 Методичні вказівки до самостійної роботи
Опрацювати за підручником та конспектом лекцій з курсу “Матеріалознавство” розділ “Сплави на основі алюмінію”. Звернути увагу на хімічний склад алюмінієвих сплавів, а звідси – на класифікацію їх за механічними і технологічними властивостями.
Технічно чистий алюміній знайшов застосування в електротехнічній промисловості. В машинобудуванні він є основою різних сплавів та порошкових виробів. Температура плавлення алюмінію відповідає 660С, а питома густина складає 2,7 г/см3. Його твердість НВ 20-25 при граничній міцності в = 60-80 МПа. Відносне видовження (%) складає 40 %. Питомий електроопір дорівнює 2,6548 .
Як конструкційний матеріал, алюміній знаходить застосування у вигляді сплавів: Al-Cu, Al-Si, Al-Mn, Al-Mg, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si,Al-Cu-Mg-Si, Al-Zn-Mg-Cu та інші. Усі сплави на основі алюмінію діляться на дві основні групи: деформівні і ливарні. Алюмінієві сплави, одержані методом порошкової металургії, утворюють окрему групу спечених сплавів.
За здатністю до термічної обробки усі алюмінієві сплави діляться на зміцнювані і незміцнювані термічною обробкою.
Сплави Al-Mg, Al- Cu та Al-Cu-Mg є класичним прикладом зміцнюючих деформівних сплавів. Таке зміцнення забезпечується шляхом старіння, суть якого полягає у виділенні із твердого розчину - алюмінію хімічної сполуки типу CuAl2 чи Al3Mg2, яка має назву зміцнюючої фази. Технологічно це здійснюється шляхом нагрівання сплаву алюмінію до температури вище лінії граничної розчинності EQ. На рисунку 15.1 для сплаву 1-1 це температура 300С в точці 1, вище якої структура сплаву складається із однофазного - розчину. Наступне швидке охолодження
Рисунок 15.1 – Фрагмент діаграми стану Al-Cu
(гартування) фіксує перенасичений твердий розчин домішко вого компонента алюмінію. Однак це не приводить до підвищення твердості і міцності. Сплави після гартування пластичні і легко піддаються пластичній деформації.
Твердості і міцності вони набувають після витримки їх певний час при кімнатній чи підвищеній температурі ( але нижче точки 1 для сплаву 1-1). При цьому протікає процес виділення із твердого розчину хімічної сполуки (зміцнюючої фази) і за рахунок цього виникає напружений стан сплаву, що й проявляється у вигляді зміцнення і підвищення твердості. Цей процес називається старінням. Якщо цей процес відбувається при кімнатній температурі, то він називається природним старінням, а у випадку протікання його при підвищених температурах - штучним старінням. Слід зауважити, що ефект зміцнення шляхом природного старіння є вищим за штучне старіння.
4 Завдання і порядок виконання роботи
та оформлення звіту
4.1 Провести гартування зразків сплаву Д16.
4.2 Заміряти їх твердість після гартування.
4.3 Провести штучне старіння при температурі 100, 150, 250С на протязі 30 хв.
4.4 Заміряти твердість зразків після штучного старіння і записати дані вимірювання в таблицю 15.1.
Таблиця 15.1
|
№№ зразка |
Режим термічної обробки |
Твердість HRC |
||||
|
Температура нагрівання, оС |
Охолоджуюче середовище |
Після гартування |
Після старіння при температурі, оС |
|||
|
100 |
150 |
250 |
||||
|
1 |
||||||
|
2 |
||||||
|
3 |
||||||
|
4 |
4.5 Побудувати залежність зміни твердості сплаву від темпе ратури старіння.
4.6 Вивчити під мікроскопом зарисувати мікроструктури сплаву Д16 після гартування та старіння.
4.7 Дати відповідь на контрольні запитання.
4.8 Зробити узагальнення результатів та висновків.
5 Контрольні запитання
5.1 На які групи діляться сплави на основі алюмінію?
5.2 В чому суть термічного зміцнення алюмінієвих сплавів?
5.3 В чому полягає механізм зміцнення сплавів шляхом старіння?
Робота № 16
Структура і властивості антифрикційних сплавів
1 Мета роботи
1.1 Ознайомитись із структурою і властивостями основних антифрикційних сплавів.
1.2 Засвоїти принцип роботи і створення антифрикційних матеріалів.
2 Прилади та технічні засоби навчання
2.1 Металомікроскоп.
2.2 Набір зразків (шліфів) антифрикційних матеріалів.
2.3 Альбом діаграм стану сплавів антифрикційних матеріалів.
3 Методичні вказівки до самостійної роботи
Опрацювати за підручником та конспектом лекцій з курсу “Матеріалознавство” розділ “Антифрикційні сплави”. Звернути увагу на теоретичні основи створення антифрикційних сплавів на основі заліза, міді, олова і свинцю, а також матеріалів, які отримують методом порошкової металургії.
До антифрикційних матеріалів (а їх ще називають підшипниковими сплавами) ставляться наступні вимоги:
1.Коефіцієнт тертя пари сталь – антифрикційний матеріал повинен бути низьким.
2. Поверхні тертя тіла і контртіла повинні мало зношуватись.
3. Антифрикційний матеріал повинен витримувати значні питомі навантаження.
Перша та друга вимоги задовольняються тоді, коли поверхні тертя розділені плівкою мастила. Коли структура антифрикційного матеріалу складається із твердих включень і м’якої основи, то після нетривалої роботи (“припрацьовуваності”) на її поверхні утворюється мікро рельєф, в якому утримується мастильний матеріал, який відіграє роль складової цього сплаву.
В машинобудуванні в якості підшипникових матеріалів найширше застосування знайшли чавуни, бронзи, бабіти.
Чавунні підшипники виготовляють із сірого перлітного чавуну марки АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3, де А – антифрикційний, Ч-чавун, С-сірий, а цифра означає порядковий номер. Чавун, який містить підвищену кількість фосфору ( 0,8-0,5% ) використовують для виготовлення поршневих кілець. Висока зносостійкість забезпечується металевою основою, яка складається із тонкого перліту і рівномірно розподіленої фосфідної евтектики при наявності ізольованих виділень пластинчастого графіту. Чавунні підшипники застосовують в парах тертя з малою швидкістю обертання при великих навантаженнях.
Бронзові підшипники виготовляють із олов’янистої і свинцовистої бронз. Завдяки неоднорідній структурі бронз ( у олов’янистої бронзи -твердий розчин являє собою мягку основу, а евтектоїд + є твердими включеннями) мастильні матеріали добре утримуються на поверхні. Ці бронзи харак теризуються високою міцністю, що позволяє застосовувати їх для виготовлення підшипників, які працюють за умов великих навантажень і швидкостей обертання вала.
Бабітові підшипники є найбільш вдалими для високо оборотних валів. При цьому вони найкраще забезпечують збереження шийки вала, володіючи мінімальним коефіцієнтом тертя в парі із сталлю чи чавуном. Бабіти є сплавами на основі олова, свинцю, а також цинку і алюмінію.
На прикладі сплаву Pb-Sb розглянемо принцип форму вання антифрикційного сплаву за правилом Шорті (пластична основа - тверді включення). На рисунку 16.1 приведена діаграма стану Pb-Sb з якої видно, що свинець і сурма утворюють евтектику, яка складається із і - твердих розчинів. Вона і служить м’ягкою основою сплаву. Твердими включеннями тут служать кристали сурми. На практиці цей сплав має застосування із вмістом сурми від 16 до 20%. Свинець має твердість в межах 3 НВ, а сурма –30 НВ. Евтектика ( 13%Sb і 87%Pb) має твердість 7-8 НВ, тобто в чотири рази нижче за твердість сурми.
За таким принципом створюють складні бабіти. Так, бабіт Б83 на основі олова містить в собі 10-12%Sb та 5.5-6.5% Cu. На рисунку 16.2 приведена типова структура цього сплаву. На темному фоні твердого розчину розміщені кубічні включення сполук SnSb та менших розмірів неправильної форми сполуки Cu3Sn.
За таким же правилом створені кальцієві бабіти БК, цинкові ЦАМ, алюмінієві АСС6-5, АСМ, АН2,5 та інші.
Методом порошкової металургії одержують метало графітні антифрикційні матеріали на основі заліза та міді (в цьому випадку основою служить порошок бронзи). На основі заліза це такі сплави, як ЖГр-1, ЖГр-3, ЖГр-7, ЖГр2Д10, а на основі міді – Бр0Гр10-2, Бр0Гр8-4 та інші. В цих сплавах графіт служить твердим мастилом і в багатьох випадках не потребує змащування іншими мастильними матеріалами.
Рисунок 16.1 – Діаграма стану свинець-сурма
.
Рисунок 16.2 – Мікроструктура бабіту Б83. Х100 (Схема)
4 Завдання і порядок виконання роботи
та оформлення звіту
4.1 Вивчити під мікроскопом мікроструктури заданих антифрикційних сплавів і зарисувати їх схематично у звіт.
4.2 Дати відповідь на контрольні запитання.
5 Контрольні запитання
5.1 Які вимоги ставляться до антифрикційних сплавів?
5.2 За яким правилом створюються антифрикційні матеріали і в чому його суть?
5.3 Які найбільш поширеними є антифрикційні матеріали і які умови їх експлуатації?
Робота № 17
Структура і властивості фрикційних матеріалів
1 Мета роботи
1.1 Ознайомитись із структурою і властивостями основних фрикційних матеріалів.
1.2 Засвоїти принцип роботи і створення фрикційних матеріалів.
2 Прилади та технічні засоби навчання
2.1 Металомікроскоп.
2.2 Набір зразків фрикційних матеріалів.
2.3 Альбом типових мікроструктур фрикційний матеріалів.
3 Методичні вказівки до самостійної роботи
За підручником і конспектом лекцій з курсу “Матеріалознавство” опрацювати розділ “Фрикційні матеріа ли”, Звернути увагу на значення коефіцієнтів тертя, хімічний склад та вимоги до фрикційних матеріалів. Вивчення цієї теми рекомендується за такою схемою:
1. Призначення антифрикційних матеріалів – виготов лення гальмових елементів і пристроїв, отже вони повинні володіти високим коефіцієнтом тертя в парі з контртілом. Значення коефіцієнта тертя лежить в досить широкому діапазоні (0,2-0,5) в залежності від швидкості, навантаження, температури та пари тертя.
2. Фрикційні матеріали за основою діляться на металічні і неметалічні. В легких умовах експлуатації при їх роботі без змащування застосовують леговані чавуни ( наприклад, гальмові колодки коліс вагонів залізничного транспорту).
В якості фрикційних матеріалів часто застосовують також сталі 30ХГСА, 65Г і 12Х18Н9Т.
3. За способом виготовлення фрикційні матеріали можна поділити на литі, спечені і полімеризовані.
4. В залежності від умов експлуатації фрикційні матеріали ділять:
а) для дуже легких (температура нагрівання при терті до 100С і навантаження до 0,5МПа);
б) легких (до 250С і до 0,8МПа);
в) середніх (до600С і до 1,5 МПа);
г) важких і надважких (до 1000С і вище1,5 МПа) умов експлуатації.
Для фрикційних пристроїв, які працюють в середніх умовах експлуатації застосовують асбофрикційні, а також спечені матеріали Для важких і надважких умов застосовують спечені матеріали на основі залізного порошку.
Розробкою та виготовленням асбофрикційних матеріалів на протязі багатьох десятиліть займається фірма “ФЕРОДО”. Поскільки азбест досить небезпечний для здоров’я, то ведуться роботи по його заміні і створенню безазбестових фрикційних матеріалів. Для цього застосовуються металічні (стальні, латунні, бронзові), вуглецеві, поліамідні, алюмосилі катні , базальтові , скляні та інші волокна.
4 Завдання і порядок виконання роботи
та оформлення звіту
4.1 Під мікроскопом та за зломом вивчити будову зразків запропонованих фрикційних матеріалів.
4.2 Схематично зарисувати структури у звіт, давши пояснення їх будови.
4.3 Дати відповідь на контрольні запитання.
5 Контрольні запитання
5.1 Яке призначення фрикційних матеріалів?
5.2 На якій основі виготовляються фрикційні матеріали?
5.3 Як діляться фрикційні матеріали за умовами експлуатації?
Робота № 18
Структура і властивості композиційних матеріалів
1 Мета роботи
1.1 Ознайомитись із структурою і властивостями компози ційних матеріалів на основі металів та хімічних сполук (карбі дів, нітридів, оксидів).
1.2 Засвоїти основні методи одержання композиційних мате ріалів шляхом порошкової металургії.
1.3 Ознайомитись з деякими найпоширенішими неметалевими матеріалами.
2 Прилади та технічні засоби навчання
2.1 Металомікроскоп.
2.2 Набір зразків композиційних матеріалів.
2.3 Альбом типових структур композиційних матеріалів.
3 Методичні вказівки до самостійної роботи
За підручником та конспектом лекцій опрацювати тему “Композиційні матеріали”, звернувши при цьому увагу на те, що композиційними називають складні матеріали, до складу яких входять компоненти, які за своїми властивостями сильно відрізняються один від одного. Використовуючи переваги кожного із компонентів створюють матеріали з високими характеристиками міцності. Цей принцип побудови матеріалу запозичений у природи. В природі композиційними матеріалами є стовбури дерев, стебел рослин, в яких волокна целюлози з’єднані пластичним лігніном, що робить стовбур дерева не тільки міцним при розтягу, а й міцним при згинанні. Найпершими технічним конструкційним матеріалом, створе ним людиною, був, мабуть, саманний матеріал (глина перемі шана з різаною соломою).
Розрізняють композиційні матеріали за основою: на металічній і неметалічній основі. А за способом армування: дисперсно-зміцнені і волокнисті композиційні матеріали. В якості армуючого матеріалу застосовують волокна із тугоплавких матеріалів (Mo, W, Ta), борні, вуглецеві, оксидні, а також скловолокна. Характерис тики міцності компози ційного матеріалу (скорочено – компо зиту), залежать від кіль кості і напрямку розміщення зміцню ючого матеріалу (наповнювача). За формою наповнювачі діляться на три основні групи:
а) Нуль-мірні;
б) Одномірні;
в) Двомірні (рисунок 18.1).
Рисунок 18.1 – Форма наповнювача в композиційному матеріалі
Нуль-мірними називають наповнювачі, як і мають в трьох вимірах дуже малі розміри, тобто являються частинкою крупинкою). Одномірні наповнювачі мають малі розміри в двох напрямках і значно більший розмір в третьому непрямі. Двомірні мають великі розміри в двох напрямках і дуже малий розмір в третьому напрямку (пластина).
За схемою армування композиційні матеріали діляться на три групи: одновісне, двовісне, тривісне армування.
а – одновісне; б – двовісне; в – тривісне
Рисунок 18.2 – Схема армування
Дисперсно-зміцнюючі композиційні матеріали в основному отримують методом порошкової металургії. Але існують інші методи, наприклад, метод безпосереднього введення наповнювача в рідкий метал перед його розливанням у форми.
Слід звернути увагу також на одержання композиційних матеріалів на неметалевій основі, наприклад, епоксидній, фенолоформальдегідній, поліамідній.
4 Задання і порядок виконання роботи
та оформлення звіту
4.1 Під мікроскопом вивчити структуру зразків
запропонованих композиційних матеріалів.
4.2 Схематично зарисувати структуру, давши коротку харак теристики матеріалу (основа, спосіб і схема армування і т.п.).
4.3 Відповісти на контрольні запитання.
5 Контрольні запитання
5.1 Як маркуються тверді сплави, яка в них структура?
5.2 Якої геометричної форми наповнювачі доцільні і в яких випадках?
5.3 Назвіть кілька неметалевих композиційних матеріалів.
5.4 Класифікація композиційних матеріалів за основою, способом і схемою армування.
Список рекомендованих джерел
Додатки
Додаток А
Таблиця А.1 – Числа твердості
|
Роквел |
Бринель |
Вікерс |
Роквел |
Бринель |
Вікерс |
||||||
|
HRB |
HRC |
HRA |
Діаметр відбитку, мм |
HB |
HV |
HRB |
HRC |
HRA |
Діаметр відбитку, мм |
HB |
HV |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
|
- |
- |
- |
2.00 |
946 |
- |
98 |
22 |
62 |
4.00 |
229 |
226 |
|
- |
- |
- |
2.05 |
898 |
- |
97 |
21 |
61 |
4.05 |
223 |
221 |
|
- |
- |
- |
2.10 |
857 |
- |
97 |
20 |
61 |
4.10 |
217 |
217 |
|
- |
- |
- |
2.15 |
817 |
- |
96 |
19 |
60 |
4.15 |
212 |
213 |
|
- |
72 |
89 |
2.20 |
782 |
1220 |
95 |
18 |
60 |
4.20 |
207 |
209 |
|
- |
69 |
87 |
2.25 |
744 |
1114 |
94 |
- |
59 |
4.25 |
201 |
201 |
|
- |
67 |
85 |
2.30 |
713 |
1021 |
93 |
- |
58 |
4.30 |
197 |
197 |
|
- |
65 |
84 |
2.35 |
683 |
940 |
92 |
- |
58 |
4.35 |
192 |
190 |
|
- |
63 |
83 |
2.40 |
652 |
867 |
91 |
- |
57 |
4.40 |
187 |
186 |
|
- |
61 |
82 |
2.45 |
627 |
803 |
89 |
- |
56 |
4.45 |
183 |
189 |
|
- |
59 |
81 |
2.50 |
600 |
746 |
88 |
- |
56 |
4.50 |
179 |
177 |
|
- |
58 |
80 |
2.55 |
578 |
694 |
87 |
- |
55 |
4.55 |
174 |
174 |
|
- |
56 |
79 |
2.60 |
555 |
649 |
86 |
- |
54 |
4.60 |
170 |
171 |
|
- |
54 |
78 |
2.65 |
532 |
606 |
85 |
- |
53 |
4.65 |
167 |
165 |
|
- |
52 |
77 |
2.70 |
512 |
587 |
84 |
- |
53 |
4.70 |
163 |
162 |
|
- |
51 |
76 |
2.75 |
495 |
551 |
83 |
- |
52 |
4.75 |
159 |
159 |
|
- |
49 |
76 |
2.80 |
477 |
534 |
82 |
- |
52 |
4.80 |
156 |
154 |
|
- |
48 |
75 |
2.85 |
460 |
502 |
81 |
- |
52 |
4.85 |
152 |
152 |
|
- |
47 |
74 |
2.90 |
444 |
474 |
80 |
- |
51 |
4.90 |
149 |
149 |
|
- |
45 |
73 |
2.95 |
429 |
460 |
78 |
- |
50 |
4.95 |
146 |
147 |
|
- |
44 |
73 |
3.00 |
415 |
435 |
76 |
- |
50 |
5.00 |
143 |
144 |
|
- |
43 |
72 |
3.05 |
401 |
423 |
76 |
- |
- |
5.05 |
140 |
- |
|
- |
41 |
71 |
3.10 |
388 |
401 |
75 |
- |
- |
5.10 |
137 |
- |
|
- |
40 |
71 |
3.15 |
375 |
390 |
74 |
- |
- |
5.15 |
134 |
- |
|
- |
39 |
70 |
3.20 |
363 |
380 |
72 |
- |
- |
5.20 |
131 |
- |
|
- |
38 |
69 |
3.25 |
352 |
361 |
71 |
- |
- |
5.25 |
128 |
- |
|
- |
37 |
69 |
3.30 |
341 |
344 |
69 |
- |
- |
5.30 |
126 |
- |
|
- |
36 |
68 |
3.35 |
331 |
335 |
69 |
- |
- |
5.35 |
123 |
- |
|
- |
35 |
68 |
3.40 |
321 |
320 |
67 |
- |
- |
5.40 |
121 |
- |
|
- |
34 |
67 |
3.45 |
311 |
312 |
66 |
- |
- |
5.45 |
118 |
- |
|
- |
33 |
67 |
3.50 |
302 |
305 |
65 |
- |
- |
5.50 |
116 |
- |
|
- |
31 |
66 |
3.55 |
293 |
291 |
64 |
- |
- |
5.55 |
114 |
- |
|
- |
30 |
66 |
3.60 |
285 |
285 |
62 |
- |
- |
5.60 |
111 |
- |
|
- |
29 |
65 |
3.65 |
277 |
278 |
61 |
- |
- |
5.65 |
109 |
- |
|
- |
28 |
65 |
3.70 |
269 |
272 |
59 |
- |
- |
5.70 |
107 |
- |
|
- |
27 |
64 |
3.75 |
262 |
261 |
58 |
- |
- |
5.75 |
105 |
- |
|
- |
26 |
64 |
3.80 |
255 |
255 |
57 |
- |
- |
5.80 |
103 |
- |
|
- |
25 |
63 |
3.85 |
248 |
250 |
56 |
- |
- |
5.85 |
101 |
- |
|
100 |
24 |
63 |
3.90 |
241 |
240 |
54 |
- |
- |
5.90 |
99 |
- |
|
99 |
23 |
62 |
3.95 |
235 |
235 |
53 |
- |
- |
5.95 |
97 |
- |
Додаток Б
Таблиця Б.1 – Сталі, що підлягають поліпшенню
|
№ групи |
Марка сталі |
Умови навантаження |
Прогар то ву ва ність, мм |
Перелік виробів |
σв, МПа |
σ0,2, МПа |
δ, % |
KCU, МДж/м2 |
НВ |
|
Після кінцевої термообробки |
|||||||||
|
1 |
30, 40, 45, 50 |
Деталі, які працюють при ма лих наван та женнях |
8-12 |
Гладкі, ступінчаті вали, фланці, штіфти, цапфи, вали карданні |
700-800 |
500-700 |
11-15 |
1,0-1,35 |
241-269 |
|
2 |
30Х, 40Х, 40Г, 40ХН |
Середньо навантажені деталі |
15 20-25 |
Осі, важелі, колінчаті вали, шестерні, болти шатуна |
850-930 |
700-780 |
11-18 |
0,8-085 |
265-270 |
|
3 |
30ХГСА 40ХНМА 30ХН2ВФ 40ХН2МА 36Х2Н2МФА |
Деталі, які працюють при най більших пи то мих наван таже ннях |
30 80 100 120 |
Вали, деталі рульо вого управління, важко навантажені де талі ре дук торів ком пресор них ма шин, колінчаті вали, високо нап ру же ні вали ротора турбін |
1100- 1200 |
850- 1000 |
10-15 |
1,0-1,2 |
- 267 - - |
Додаток В
Таблиця В.1 – Ресорно-пружинні сталі
|
№ гру пи |
Марка сталі |
Умови праці |
Призначення |
σв, МПа |
σ0,2, МПа |
δ, % |
ψ, % |
НВ |
|
Після кінцевої термообробки |
||||||||
|
1 |
65, 85, 60Г, 70Г |
Сталі пониженої міцності |
Пружини механізмів і машин |
1000-1150 |
800-1000 |
7-10 |
25-35 |
320-420 |
|
2 |
50ХГ, 55ХГР, 55С2, 60С2, 50ХФА, 50ХГФА |
Сталі середньої міцності |
Ресори автомобі лів; пружини рухо мого складу залізнич ного транс порту; для відповідальних клапанних пружин, ре сор легкових авто мо білів, сальникових пружин, для пру жин, які працюють при підвищених темпера ту рах (до 300оС) і змінних навантаженнях |
1300-1600 |
1100-1400 |
5-8 |
20-35 |
360-480 |
|
3 |
70С2ХА, 70С3А, 60С2ХФА |
Сталі підвищеної міцності |
Пружини годин никових механіз мів та важко наванта жених меха нізмів машин |
1600-1900 |
1450-1700 |
6-8 |
20-25 |
380-480 |
Додаток Г
Таблиця Г.1 – Інструментальні сталі (ріжучі)
|
№ пп |
Марка сталі |
Умови праці на ріжучій допустим. кромці |
Прогарто вуваність, мм |
НRС після термо оброб ки |
Приблизний перелік виробів |
|
1 |
Нетеплостійкі У8, У10, У12, У13 |
Динамічні навантаження; =190-200оС |
8 10 10 |
54-58 62-63 61-65 61-65 |
Деревооброблюваний інстру мент, зубила, фрези, свердла, ручні мітчики, напильники для обробки м’яких металів, викрутки |
|
2 |
Нетеплостійкі 11Х, ХВСГ, 9ХС, ХВГ |
=200-250оС =250-260 оС |
15-20 90 40-50 80 |
62-65 63-64 62-63 62-64 |
Ручні напильникики, бритвенні ножі, леза, хірургіч ний інструмент; плашки великого січення, руч ні свердла, розвертки; плашки для нарізання м’я кого матеріалу, протяжки діаметром більше 100 мм |
|
3 |
Теплостійкі Р18, Р12, Р6М5, Р9, Р6М5К5, Р9М4К8, Р12Ф4К5 |
=615-620 оС =630-640 оС |
62 63 63 62 65 67-69 65-67 |
Різці, різцеві головки: фасонні на автоматах, довбальні, строгальні, відрізні; свердла для оброб ки металів з великою твердістю; фрези для різання з високою швидкістю; довб’яки; шевери; ручні і ма шинні мітчики; розвертки: машинні, для важко оброблюваних сплавів; зенкери для обробки твер дих металів |
|
|
4 |
Тверді сплави Вольфрамові ВК2 ВК3 |
Підвищена швидкість різання; =800 оС |
90 91 |
Чистове і напівчистове точіння; нарізання різьби, обробка сірого чавуну, кольорових металів, немета лічних матеріалів, різання скла |