3. Испытания на ударную вязкость

Ударная вязкость – способность металла сопротивляться разрушению под действием динамической нагрузки. Для оценки ударной вязкости металлов проводят ударные испытания на маятниковых копрах (рис. 11). На разрушение образца затрачивается работа:

где P – вес маятника, H и h – высоты подъема маятника до и после удара.

Формула для расчета ударной вязкости:

где – энергия, запасенная маятником, – энергия маятника после разрушения образца, S – площадь поперечного сечения образца

Рис. 15. Маятниковый копер МК-30

На рисунке 12 показаны образцы, отлитые из силумина в металлической и керамической формах. Следовательно, они имеют разную структуру, один имеет мелкозернистую, а другой крупнозернистую.

Рис. 16. Образцы из силумина: а – крупнозернистый образец, б – мелкозернистый образец

Таблица 1. Расчет ударной вязкости для двух образцов.

Образец	Площадь поперечного сечения S, см2	Энергия маятника до удара Адо, кДж	Энергия маятника после удара Апосле, кДж	Ударная вязкость КС,
Мелкозернистый	1	8.4	5.6	2.8
Крупнозернистый	1	6.4	5.8	0.6

Из таблицы 1 видно, что ударная вязкость для мелкозернистого образца силумина больше, чем для крупнозернистого в 3 раза.

На рис. представлена зависимость твердости для мелко- и крупнозерностого образцов силумина. Видно, что твердость по Бринеллю для образца с мелкозернистой структурой больше.

Под действием нагрузки (индентора) в зернах начинают работать источники Франка-Рида. Образуется много дислокаций в одном зерне. Эти дислокации скапливаются у границ. Большая часть механической энергии выделяется в виде тепла на границе. Часть механической энергии передается соседним зернам. В них также начинают работать источники Франка-Рида. В образце с мелкозернистой структурой, вследствие больших потерь, может не хватить напряжения чтобы смогли заработать источники Франка-Рида.

4. Кристаллизация солей из растворов

Рис. 15. Рис. 1. Рис. 2.

Кристаллы NaCl Кристаллы KMnO₄ Кристаллы K₂Cr₂O₇

Заключение

В результате выполнения лабораторной работы были получены следующие компетенции:

1. Ознакомились с процессами кристаллизации из водных растворов и расплавов.

2. Установили гетерогенный характер процессов кристаллизации.

3. Провели испытания сплавов на ударную вязкость.

4. Установили зависимость ударной вязкости от степени переохлаждения сплава.

Выводы:

1. Наблюдали за процессом кристаллизации из водных растворов NaCl,

хромпика K₂Cr₂O₇ и перманганата калия KMnO₄. Обнаружили, что процесс кристаллизации всех водных растворов является гетерогенным, т.е. не самопроизвольным, так как наблюдались центры кристаллизации (зародыши).

2. Наблюдали за процессом кристаллизации расплава силумина (Al - 11Wt%Si) в литейных формах, обладающих различной теплопроводностью. Обнаружили влияние степени переохлаждения расплава на его структуру и механические свойства. В том сплаве, который охлаждался в более теплопроводной литейной форме (металлическая форма), образовалась мелкозернистая структура, а в менее теплопроводной (керамическая форма) – крупнозернистая. Ударная вязкость для образца, отлитого в металлическую форму больше, чем в керамическую, в 3 раза.

Контрольные вопросы

1. Что является движущей силой процесса кристаллизации?

- Движущей силой кристаллизации является выигрыш в свободной энергии, который достигается некоторым переохлаждением относительно теоретической температуры кристаллизации.

2. Каков механизм кристаллизации металла?

- Механизм кристаллизации металлов представляет собой образование центров кристаллизации (зародышей, мельчайших твердых частиц), с последующим ростом центров кристаллизации.

3. Что такое степень переохлаждения?

- Степень переохлаждения - это разница между теоретической температурой кристаллизации и реальной, так как теоретическая всегда будет выше, то степень переохлаждения можем представить формулой:

где – степень переохлаждения, – теоретическая температура кристаллизации, – реальная температура кристаллизации

4. Почему структура слитка неодинакова по сечению?

- Структура слитка неодинакова по сечению из-за того, что разные части слитка затвердевают с разной скоростью. Скорость охлаждения уменьшается от стенки формы к центральной ее части, также меняется направление теплоотвода в местах роста кристалла, в итоге, поверхностный слой будет зернистым, а центральная часть слитка – крупнозернистая.

5. Как влияет скорость охлаждения при кристаллизации на структуру металла?

- При большой скорости охлаждения образуется много центров кристаллизации, а структура металла получается мелкозернистой. При малой скорости охлаждения образуется намного меньше центров кристаллизации, а полученный металл имеет крупнозернистую структуру.

6. Как можно получить мелкозернистый металл?

- Необходимо достичь быстрой скорости охлаждения металла. Для этого можно использовать литье в кокиль из стали, за счет высокой теплопроводности стали расплав остывает быстро, образуя мелкозернистую структуру. Если достичь быстрой скорости охлаждения не удается, то можно использовать процесс модифицирования, который заключается в добавке модификаторов – примесей нерастворимых мелких частиц карбидов, оксидов и некоторых других веществ, которые становятся дополнительными центрами кристаллизации. Измельчению зерна также способствует вибрация кристаллизирующегося металла.

7. Как влияет структура металла на механические свойства?

- Металлы, обладающие мелкозернистой структурой, имеют большее сопротивление деформации и большую вязкость. Металлы, обладающие крупнозернистой структурой, имеют меньшее сопротивление деформации и меньшую ударную вязкость.

8. Почему свойства крупнозернистого и мелкозернистого металла различны?

- Границы зерен являются барьером для развития деформации и для роста трещин. В металле с мелкозернистой структурой суммарная поверхность зерен в единице объема больше, чем в металле с крупнозернистой структурой. Это и является причиной различных свойств различных структур металла.