МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

«ПРИАЗОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

МАРІУПОЛЬСЬКИЙ МЕХАНІКО-МЕТАЛУРГІЙНИЙ КОЛЕДЖ

Інструкції до виконання лабораторних робіт

з дисципліни «Технологія конструкційних матеріалів»

для студентів спеціальності 5.05040301 «Термічна обробка металів»

Розробив викладач: Караваєва н.Є.

2014

Зміст

Лабораторна робота №1

Вивчення будови стального злитка

Лабораторна робота № 2

Вивчення видів сортового прокату

Лабораторна робота № 3

Вивчення видів браку ливарного виробництва

Лабораторна робота № 4

Контроль якості зварного шва

Лабораторная работа №1

Изучение строения стального слитка.

Цель: изучить процесс кристаллизации капель раствора четырёх солей. Сравнить строение закристаллизовавшейся капли раст­вора нитрата свинца со строением слитка спокойной стали.

Оборудование и материалы: бинокулярный микроскоп, элек­троплитка, водный раствор соли хромпика, предметное стекло, стеклянная палочка.

Содержание работы.

Процесс образования кристаллов называется кристаллизацией. Ви­зуальное изучение кристаллизации металлов сопряжено с технически­ми трудностями. Поскольку законы кристаллизации растворов солей и расплавленных металлов сходны, изучение процесса кристаллизации можно проводить на растворах солей.

Согласно законам термодинамики, устойчивым состоянием при оп­ределённых внешних условиях будет то состояние, которое обладает меньшим уровнем свободной энергии. Под свободной энергией понима­ют часть внутренней энергии, которая может быть превращена в работу. При изменении внешних условий (например, при понижении температуры) любая система самопроизвольно стремится к состоянию с наименьшим уровнем свободной энергии.

С изменением температуры свободная энергия ходкого F_ж и твёрдого F_т состояния изменятся по разным законам (рис. 1). При высоких температурах жидкое состояние обладает меньшей свобод­ной энергией, поэтому металл при этих температурах находится в жидком состоянии (области III, IV). При охлаждении металл достигнет температуры Т_о, при которой свободные энергии жидкого и твёр­дого состояния равны. Эта температура Т_о носит название теорети­ческой (равновесной) температуры кристаллизации при охлаждении и температуры плавления при нагреве. При Т_о процесс кристаллизации протекать не может. Для развития процесса кристаллизации надо соз­дать условия, при которых свободная энергия твёрдого состояния будет меньше, чем свободная анергия жидкого состояния. Это возможно лишь при охлаждении до Т_кр, т. е. ниже теоретической температу­ры кристаллизации на некоторую величину Т. В области II металл при охлаждении продолжает оставаться в жидком состоянии, поскольку разность (F_ж – F_T), невелика. При Т_кр твёрдое состояние обладает мень­шей свободной энергией. Разность (F_ж – F_T), достаточно велика, поэто­му оставаться дальше в жидком состоянии металл не может, и при этой температуре в металле самопроизвольно пойдет процесс кристаллизации.

В области I (рис. 1) металл будет находиться в твердом состоянии. Температура Т_кр носит название фактической температуры кристалли­зации, а разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации Т = Т_о – Т_кр называется степенью переохлаждения. Таким образом, кристаллизация может протекать лишь в условиях переохлаждения ниже теоретической температуры кристаллизации.

Д.К. Чернов ещё в 1878 году показал, что кристаллизация скла­дывается из двух элементарных процессов. Первый процесс заключает­ся в образовании из жидкого раствора мельчайших кристаллических частиц-зародышей или центров кристаллизации. Интенсивность это­го процесса определяется числом зародышей (ЧЗ), возникающих в единице объёма (I мм³) за единицу времени (1 с). Второй процесс состоит в росте кристаллов из зародышей. Интенсивность этого про­цесса определяется скоростью кристаллизации (СК) – линейным пе­ремещением грани кристалла (в миллиметрах) в единицу времени (1 с).

Для развития процесса плавления необходима некоторая степень перегрева Т’ = Т_пл – Т_о,

где Т_пл - фактическая температура плавления.

Оба этих процесса протекают одновременно, причём интенсивность их зависит от степени переохлаждения. При данной степени переохлаждения величины Ч3 и СК – постоянные в течение всего времени процесса кристаллизации.

Рис. 1. Изменение свободной энергии жидкого F_ж и твёр­дого F_T состояния в зави­симости от температуры:

Т_кр – фактическая температу­ра кристаллизации;

То – теоретическая (равно­весная) температура кристал­лизации и плавления;

Т = Т_о - Т_кр – степень переохлаждения;

Т_пл – фактическая темпера­тура плавления;

Т’ = Т_пл – Т_о – степень перегрева

Размер полученных кристаллов N зависит от соотношения Ч3 и СК при данной степени переохлаждения и выражается формулой

Ν = α

где α - коэффициент пропорциональности.

При малой степени переохлаждения Т₁ (рис. 2) кристаллы пос­ле затвердевания будут крупными, так как Ч3 мало, а СК велика. При большой степени переохлаждения Т₂ кристаллы будут мелкими, так как кристаллизация в этом случае идёт при почти той же СК, что и в первом случае, но при значительно большем Ч3.

Таким обра­зом, изменяя степень переохлаждения, можно получить кристаллы раз­ной величины.

Степень переохлаждения зависит от скорости охлаждения. Чем боль­ше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения и мельче кристаллы. В реальных условиях затвердевания больших масс металла на процесс кристаллизации, размер и форму кристаллов оказывают вли­яние и другие факторы: твёрдые взвешенные тугоплавкие частицы при­месей, инородные тела, газовые включения, теплоёмкость самого ме­талла, направление отвода тепла, конвекционные потоки в жидком ме­талле, температура заливаемого металла и формы, способы заливки, состояние поверхности изложницы (формы) и другие.

Рис. 2. Зависимость ЧЗ и СК от степени переохлаждения при кристаллизации металлов.

Чаще всего при кристаллизации металлов в результате быстрого от­вода тепла образуются кристаллы древовидной формы, называемые дендритами ("дендрон" – по-гречески-дерево) (рис. 3). Кристаллизация начинается с образования главной оси кристалла а (оси первого порядка). Она растёт в направлении главного теплоотвода, в направлении максимальной линейной скорости роста кристалла СК. Затем перпендикулярно главной оси растут оси второго порядка б, перпендикулярно которым вырастают оси третьего по­рядка в и т.д.

Рис. 3. Дендрит

Если жидкого металла не хватает для заполнения межосных пустот, то древовидная форма кристаллов сохраняется. Такие дендриты можно обнаружить в усадочных раковинах и на свободной поверхности слитков. Если жидкого металла достаточно для заполне­ния межосного пространства, то образуются крупные кристаллы, вы­тянутые в направлении главного теплоотвода. Такие кристаллы назы­ваются столбчатыми.

При равномерном теплоотводе, а также при большом числе зароды­шей, кристаллы растут с одинаковой скоростью по всем направлениям и вырастают равноосными.

Строение слитка. Реальный процесс кристаллизации осложняет­ся влиянием побочных факторов. Сочетание влияния этих привнесен­ных факторов (часто не поддающихся точному учету) с общими зако­нами кристаллизации и определяет особенности строения стального слитка.

Процесс кристаллизации слитка спокойной стали (рис. 4) начина­ется у стенок изложницы и последовательно продвигается к центру слитка.

У стенок изложницы образуется зона 1 – зона мелких равно­осных, беспорядочно направленных кристаллов. Мелкие кристаллы по­лучаются, благодаря быстрому охлаждению ещё холодной стенкой при­легающих слоев жидкой стали.

Рис. 4. Схема строения сталь­ного слитка:

зона 1 - мелкие равноосные крис­таллы; зона 2 - столбчатые кри­сталлы; зона 3 - крупные равно­осные кристаллы

Поэтому кристаллизация здесь идёт при большой степени переохлаждения, при большом числе зародышей. Кристаллы получаются равноосными, беспорядочно направленными, по­тому что оси первого порядка растут перпендикулярно неровностям внутренней поверхности изложницы. Растущие кристаллы сталкиваются между собой и образуют зону мелких дезориентированных кристаллов.

Следующая зона 2 – зона столбчатых кристаллов - крупных крис­таллов, главная ось которых перпендикулярна стенке изложницы. Кристаллы получаются крупными, так как в этой зоне скорость охлаж­дения меньше, чем в зоне 1: тепло отводится не холодной стенкой, а через зону 1 и уже нагревшуюся стенку изложницы.

Поэтому крис­таллизация здесь идёт при малой степени переохлаждения, при малом числе зародышей. Кристаллы вытянуты главной осью перпендикулярно стенке изложницы, так как в этом направлении едет главный теплоотвод. В центре слитка образуется зона 3 – зона крупных равноосных кристаллов. В этой части слитка скорость охлаждения меньше, чем в зоне 1 и 2, поэтому кристаллизация идет при малой степени переохлаждения, при малом числе зародышей.

Кристаллы получаются рав­ноосными, произвольно ориентированными, так как отвод тепла в этой зоне идет во всех направлениях с одинаковой скоростью. Скелетом этих крупных кристаллов являются дендриты.

Задание №1. Провести эксперимент по кристаллизации водного раствора соли хромпика. Методом графического дифференцирования определить скорость движения фронта кристаллизации в двух произвольно выбранных точках графика и путём сравнения сделать вывод о характере изменения скорости кристаллизации с течением времени.

Задание №2. Изучить строение стального слитка.

Задание № 1. 1. Описание экспериментальной части работы

Процесс кристаллизации металлов изучаем методом моделирования на модели прозрачно-водном растворе хромпика.

1 .При помощи стеклянной палочки помещаем каплю раствора соли хромпика на стеклянную пластинку и устанавливаем её на предметный столик биологического микроскопа МБС-10.

2.С началом кристаллизации устанавливаем «ноль» шкалы деления прибора на «край» капли начало выбранного нами кристалла, а ось шкалы совмещаем с осью кристалла (рис 5).