2851
.pdf
где А– процентное содержание фазы А; В- процентное содержание фазы В;
а - суммарное значение длины отрезка l , занятое зернами фазы А;
b - суммарное значение длины отрезка l , занятое зернами фазы В;
l - общая длина выбранного отрезка.
Достаточная точность данной методики обеспечивается в случае, когда размеры отрезков, отсекаемых фазами на выбранной прямой, примерно на порядок больше, чем цена деления окулярмикрометра, а также при случайном и неоднократном выборе направления при анализе.
Наиболее удобным является метод, в котором используют окуляры со стеклянной вставкой, имеющей систему упорядоченно расположенных точек, чаще всего сетку, узлы которой можно рассматривать как точки (рис.1.11,в). При этом увеличение микроскопа должно быть выбрано таким, чтобы расстояние между узлами сетки не превышало линейные размеры зерен или других структурных составляющих. Отношение числа узлов сетки ( na ), попадающих на данную фазу (на-
пример, фазу А), к общему числу узлов сетки (n) дает объемное содержание ( Va ) фазы А в отношении ко всему объему сплава:
Va |
na |
(1.12) |
|
n |
|||
|
|
1.3. Неметаллические материалы Неметаллические материалы макроскопически заметно
отличаются от металлических по внешнему виду и физическим свойствам (плотности, цвету, термостойкости, степени прозрачности, электрическим и магнитным свойствам).
1.3.1. Сведения о неметаллических материалах
21
Неметаллические материалы подразделяются на две большие группы: органические и неорганические, каждая из которых имеет свою классификацию. Основой неметаллических материалов являются полимеры, макромолекулы которых составлены из мономеров (элементарных звеньев). Полимеры получают из низкомолекулярных веществ при проведении реакции полимеризации или поликонденсации.
Преимуществом органических полимерных материалов является, как правило, малая плотность, низкий коэффициент трения, хорошая химическая стойкость, технологичность, возможность обеспечения ряду из них светопрозрачности, определенного цвета, специальных теплофизических и химикофизических свойств, невысокая стоимость.
Недостатками следует считать низкий модуль упругости, невысокий уровень механических свойств и термостойкости, узость рабочего интервала температур термопластов, зависимость свойств от вида, морфологии и ориентации наполнителя у термореактивных пластмасс.
Неорганические материалы, представляют собой кристаллическую фазу связанную стекловидной фазой. Для них характерна высокая твердость, износостойкость и сопротивляемость сжимающим нагрузкам. В своем большинстве они термостойки, химически пассивны, но хрупки и малотехнологичны.
В зависимости от свойств полимеров при нагревании пластмассы подразделяются на термопластичные - размягчающиеся при первом и последующих нагреваниях (с линейным строением молекул) и термореактивные – теряющие способность размягчаться при повторных нагревах после однократного нагрева до критической температуры ~ 150-170 ºС (с сетчатым и пространственным строением молекул).
Термопласты выпускаются в виде плѐнок, труб, волокон, пластин для электроизоляции, прокладок, антикоррозионных покрытий, втулок, канатов.
Термореактивные пластмассы с успехом используют при изготовлении подшипников, зубчатых колес для малошумя-
22
щих зубчатых передач, для элементов фрикционных передач, основ печатных плат, электроизоляторов. Газонаполненные пластмассы в виде листов и крошки хороши для звуко- и теплоизоляции, для демпфирования колебаний.
Неорганические полимеры, такие как керамики, ввиду их низкой технологичности и твердости производят, как правило, в виде готового изделия: абразивных порошков, для шлифования и полирования, порошков высокоизносостойких, жаропрочных и жаростойких покрытий, накладок на рабочие части режущего инструмента и инструмента ОМД. Отдельные виды керамик обладают аномально высокими или нетрадиционными свойствами, такими как твердостью на уровне алмаза, уникальными диэлектрическими свойствами, теплостойкостью до 1700 ºС, жаростойкостью до 1600 ºС при аномально высоком электросопротивлении, эффектом тепловыделения.
Всѐ перечисленное свидетельствует о том, что представление о неметаллических материалах, как о заменителях металлов и сплавов не корректно, так как многие свойства неметаллических материалов пока не удается получить на базе металлов и наоборот.
Краткая характеристика отдельных неметаллических материалов представлена в прил. 7.
2. Задание
1.Изучите теоретическую часть работы.
2.Ознакомьтесь с видом изломов и макроструктурой ме-
таллов и сплавов по атласу.
3.Проведите макроанализ литых, деформированных, сварных и термообработанных изделий.
4.Исследуйте и зарисуйте структуру изломов и макрошлифов.
5.Проведите разделение неметаллических материалов на органические и неорганические.
6.Проведите разделение неметаллических материалов на группы по прочности, термостойкости и плотности.
23
7.Изучите устройство металлографического микроскопа
иосвойте работу на нѐм.
8.Определите полезное и общее увеличение микроскопа с заданными объективом и окуляром.
9.Ознакомьтесь с окуляр- и объектмикрометрами, определите цену деления окулярмикрометра.
10.Определите размер зерна в исследуемом образце.
3. Содержание отчѐта
1.Краткая характеристика макро- и микроанализа.
2.Рисунки и описания изломов и макроструктур исследованных образцов.
3.Описание результатов макроанализа неметалла.
4.Краткие сведения о металлографическом микроскопе и основные расчѐтные формулы.
5.Расчѐт полезного и общего увеличения микроскопа.
6.Результаты определения цены деления окулярмикро-
метра.
7.Описание методики и результаты определения величины зерна.
4. Контрольные вопросы
1.Каково назначение макро- и микроанализа?
2.Какие виды излома существуют? Их особенности.
3.Что выявляется на макрошлифе?
4.Какова классификация неметаллических материалов?
5.Какие из неметаллов относятся к термостойким?
6.Какие неметаллы являются сверхпрочными?
7.Каковы основные достоинства и недостатки органических полимерных материалов?
8.Какие из неметаллических материалов обладают наибольшей термостойкостью?
9.Какие из неметаллических материалов могут хорошо срабатываться давлением и резанием?
24
10.Какие из неметаллов можно использовать как инструментальный материал?
11.Как определяется максимальное полезное увеличение микроскопа?
12.Что такое разрешающая способность оптической сис-
темы?
13.Как определяется общее увеличение микроскопа?
14.Для какой цели служат объектмикрометр и окулярмикрометр?
15.Как определить цену деления окулярмикрометра?
16.Как определить линейный размер объекта под микроскопом с помощью окулярмикрометра?
16.Для чего применяют иммерсионную среду?
17.Как определить величину зерна металла?
25
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2
ИССЛЕДОВАНИЕ ДВОЙНЫХ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ
Цель работы: ознакомление студентов с диаграммами состояния бинарных систем, методами их построения и анализа.
Оборудование и материалы: компоненты для приготовления сплавов, технические весы, тигли, печь, термопары, самопищущий потенциометр, диаграммы состояния.
1. Теоретическое введение
1.1. Правило фаз Гиббса Системой называется отдельный сплав, образованный
данными компонентами. Системы могут быть гомогенными, состоящими из одной фазы или гетерогенными, состоящими из нескольких фаз. Системы могут находиться в равновесном или неравновесном состоянии.
Фазой называется однородная часть сплава (системы) с определѐнными свойствами, отделѐнная от других частей сплава (системы) границей раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачком.
Закономерность изменения числа фаз в системе определяется фундаментальным правилом фаз Гиббса:
С = К – Ф + n, (2.1)
где С – число степеней свободы (вариантность); К – количество компонентов в сплаве; Ф – число фаз в сплаве; n – число внешних факторов, влияющих на равновесие. Обычно n = 2 – это давление и температура и правило фаз Гиббса записывается в виде:
C = К – Ф + 2 |
(2.2) |
26
Для двойных систем число компонентов К=2, изменениями атмосферного давления можно пренебречь, поэтому правило фаз Гиббса запишется
С = 3 – Ф (2.3) 1.2. Термический анализ. Двойные диаграммы Диаграммой состояния называется графическое изобра-
жение состояния сплавов в координатах температура – концентрация, которое позволяет определить фазовый состав и структуру любого сплава при любой температуре в условиях равновесия.
Реальные диаграммы состояния построены методом термического анализа по кривым охлаждения сплавов. В процессе медленного охлаждения сплавов от температуры плавления до комнатной на кривых охлаждения в координатах температура
– время регистрируют критические точки начала и конца соответствующих превращений. Диаграмма состояния получается путѐм соединения плавными линиями точек начала и конца превращений в координатах состав-температура (рис.2.1).
Т |
|
|
|
VI |
I II II |
IV V VI |
|
II |
IV |
V |
6 6´ |
Т |
|
6-6´ |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
II |
|
|
5 |
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5´ |
|
3 |
5´ |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
I |
4´ |
|
|
|
||
|
|
|
2 |
|
|||
|
|
|
|
4´ |
|||
|
|
|
3´ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1´ 2´ |
|
|
|
3´ |
|
|
|
|
|
2´ |
|
||
|
|
|
|
|
1-1´ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
log τ |
А |
|
→ %В |
Рис. 2.1. Построение диаграмм состояния по критическим точкам кривых охлаждения сплавов
27
1.2.1. Правило рычагов (отрезков)
Для определения концентрации (химического состава) фаз в двухфазных областях необходимо провести горизонтальную линию – коноду (отрезок аб на рис. 2.2), соответствующую выбранной температуре до пересечения с линиями диаграммы, ограничивающими данную двухфазную область. На рис. 2.2,а показан участок диаграммы с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. На рис. 2.2,б показан участок диаграммы с образованием химического соединения AmBn.
Ж |
I |
|
|
II |
|
|
|
|
|
|
|
а |
с |
в |
γ |
|
|
|
|
|
|||
|
Ж+α |
|
а |
с |
в |
|
|
|
|
α+АmBn |
|
|
|
α |
|
|
|
|
а´ |
в´ |
а´ |
|
в´ |
А |
а |
→%В |
А |
б |
→%В AmBn |
|
|||||
Рис. 2.2. Определение химического состава и массы фаз
Проекции точек пересечения концов а и в коноды с линиями диаграммы на ось концентрации определяют химический состав соответствующих фаз (точки а´ и в´`). Процентное содержание фаз Qt в двухфазной области при заданной температуре и для данного состава сплава определяется по правилу отрезков (рычагов). Согласно которому процентное содержание фаз прямо пропорционально длинам соответствующих отрезков коноды (рис. 2.2). Часть коноды, примыкающая к линии солидуса (линии другого фазового превращения) определяет долю жидкой фазы в сплаве, а часть коноды примыкающая к линии ликвидуса (линии другого фазового превращения) определяет долю кристаллов в сплаве:
28
Qtж I = |
|
вс |
100% ; |
Qtα I = |
|
ас |
100% |
; (рис. 2.2,а) |
|||
|
ав |
|
ав |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Qtγ II = |
вс |
|
100% ; |
QtAmBn II = |
ас |
|
100%. |
(Рис. 2.2,б) (2.4) |
|||
ав |
ав |
||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||
1.2.2. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии
На рис. 2.3 показана диаграмма с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Это самая простая из двойных диаграмм. На диаграмме присутствуют всего две фазы – это жидкость и α-твердый раствор. α-твердый раствор – это раствор с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии, то есть это твердый раствор компонента А в компоненте В и наоборот, твердый раствор компонента В в компоненте А в зависимости от того, какого из компонентов больше в составе сплава и, соответственно, какой из компонентов выступает в качестве растворителя.
|
|
|
Ж |
Тпл.В |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
m t1 |
t2 |
Ж + α |
n |
|
|
|||
mm |
t3 |
t4 |
n2 |
n1 |
m |
t5 |
|
n3 |
|
Тпл.А
α
0 |
20 |
40 |
60 |
80 |
100%, В |
29
Рис. 2.3. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии
Диаграмма состоит всего из двух линий. Линия ТплА, t1,ТплВ – линия ликвидуса (выше линии ликвидуса только жидкий сплав) и линия ТплА, t5,ТплВ – линия солидуса (ниже линии солидуса только твердый сплав). Между линиями ликвидуса и солидуса находится как жидкость, так и кристаллы твердого сплава.
Рассмотрим процесс кристаллизации из жидкого состояния сплава состава 1. Вертикальная линия, проведенная на диаграмме (пунктирная линия 1 на рис. 2.3) это линия состава. Состав сплава в процессе любых превращений остается неизменным.
Если понизить температуру жидкого сплава состава 1 до линии ликвидуса точка t1 (температура t1) на рисунке то при этой температуре в сплаве начинается процесс кристаллизации и в жидкости появляются первые кристаллы α-твердого раствора. При этом в соответствии с правилом рычагов доля кристаллов в сплаве равна нулю, кристаллизация только начинается.
При дальнейшем понижении температуры от t1 к t2, t3, t4 доля кристаллов сплаве постоянно растет (в соответствии с правилом рычагов отрезки mt2, m1t3, m2t4, m3t5), а доля жидкость уменьшается (отрезки t2n1, t3n2, t4n3). Наконец при температуре t5, соответствующей линии солидуса, доля жидкости становится равной нулю и процесс кристаллизации заканчивается.
Важно отметить, что коноды – горизонтальные отрезки
t1n, mt2n1, m1t3n2, m2t4n3, m3t5, на рис. 2.3 – не только позволяют определить количество жидкой и твердой фаз в сплаве, но и
составы жидкой и твердой фаз при любой температуре. Точка пересечения коноды с линией ликвидуса определяет состав жидкой фазы при температуре соответствующей данной коноде. Аналогично состав твердой фазы определяется точкой пересечения коноды с линией солидуса при температуре соот-
30