- •Методические указания
- •Анализ кристаллического строения
- •Задание
- •Контрольные вопросы
- •Исследование строения металлических материалов методом макроскопического анализа (макроанализа)
- •Цель работы:
- •Приборы, материалы и инструмент
- •Краткие теоретические сведения
- •Задание
- •Задание
- •Задание
- •Контрольные вопросы
- •Испытание материалов на твердость
- •Задание
- •Контрольные вопросы
- •Анализ диаграмм состояния двухкомпонентных систем Цель работы
- •Приборы, материалы и инструмент
- •Краткие теоретические сведения
- •Задание
- •Контрольные вопросы
- •Построение диаграммы состояния рь-sь
- •Задание
- •Контрольные вопросы
- •Задание
- •Контрольные вопросы
- •Задание
- •Контрольные вопросы
- •Исследование влияния на твердость металла
- •Задание
- •Порядок выполнения работы
- •Содержание письменного отчета
- •Контрольные вопросы
- •Изучение влияния структуры материала
- •Задание
- •Контрольные вопросы
- •Задание
- •Контрольные вопросы
- •Задание
- •Контрольные вопросы
- •Исследование влияния легирующих
- •Задание
- •Контрольные вопросы
- •Задание
- •Контрольные вопросы
- •Исследование влияния цементации
- •Задание
- •Контрольные вопросы
- •Определение режимов термической обработки дуралюмина, отвечающих максимальной твердости сплава Цель работы
- •Приборы, материалы и инструмент
- •Краткие теоретические сведения
- •Задание
- •Контрольные вопросы
- •Литература
Задание
1. Изучить микроструктуру цементованного слоя исследуемой стали.
2. Определить по изменению микроструктуры глубину цементованного слоя.
3. Зарисовать схему микроструктуры.
4. Определить твердость (НRС) цементованного слоя и сердцевины образца после цементации и термической обработки.
5. Сделать вывод о влиянии цементации на микроструктуру и твердость стали.
6. Оформить отчет об исследовании в соответствии с п.п. 1-5.
Контрольные вопросы
1. Что такое ХТО?
2. Для чего проводят цементацию?
3. Какие стали подвергают цементации?
4. Используя диаграмму состояния "железо-углерод", опишите структуру поверхностного слоя дозвтектоидной стали после цементации.
5. Какие режимы термической обработки применяют после цементации стали?
6. Почему окончательной термической обработкой цементованной стали служит низкий отпупк?
7. Опишите структуру поверхностного слоя дозвтектоидной стали после цементации, закалки и отпуска.
Лабораторная работа 17
Определение режимов термической обработки дуралюмина, отвечающих максимальной твердости сплава Цель работы
Ознакомиться с режимами термической обработки цветных сплавов на примере дюралюминия.
Определить режимы закалки и искусственного старения дуралюмина, отвечающие максимальной твердости сплава.
Приборы, материалы и инструмент
1. Муфельная печь, клещи
2. Закалочный бак с водой,
3. Твердомер Бринелля.
4. Лупа для измерения отпечатка.
5. Образцы дуралюмина.
6. Штангенциркуль, шлифовальная шкурка.
Краткие теоретические сведения
Все алюминиевые сплавы, в зависимости от технологии изготовления из них полуфабрикатов и деталей, делятся на деформируемые и литейные.
Из деформируемых сплавов путем горячей или холодной обработки давлением изготавливают различные профили, листы, прутки, трубы, плиты, проволоку, а также полуфабрикаты для различных деталей машин.
В зависимости от способа повышения механических свойств, деформируемые алюминиевые сплавы подразделяются на сплавы, неупрочняемые термической обработкой, и сплавы, упрочняемые термической обработкой.
К деформируемым, термически упрочняемым алюминиевым сплавам относятся дуралюмины (Д1, Д8, Д16 и т.д.). Термическая обработка дуралюмина заключается в закалке и последующем старении.
Для обоснования выбора температуры закалки, а также для объяснения тех превращений, которые происходят в сплавах при термической обработке, воспользуемся диаграммой состояния А1-Сu, приведенной на рисунке 17.1.
|
Рисунок 17.1 – Диаграмма состояния сплава А1-Сu |
Как видно из диаграммы, структура сплавов типа дуралюмина в отожженном состоянии при комнатной температуре состоит из твердого раствора меди в алюминии и избыточных частиц второй фазы θ(СuА12). Закалка дуралюмина заключается в нагреве сплавов до температур выше линии переменной растворимости аb (сольвуса), выдержке и быстром охлаждении до комнатной температуры.
После нагрева и выдержки при температурах выше линии аb вся избыточная интерметаллидная θ-фаза (СuА12) перейдет в твердый раствор; алюминий обогатится медью. Сплав становится однофазным. При быстром охлаждении интерметаллидная θ-фаза не успевает выделиться из твердого раствора, вследствие чего при комнатной температуре получается структура однородного пересыщенного твердого раствора меди в алюминии.
Недогрев ведет к тому, что вторичная θ-фаза не полностью переходит в твердый раствор, что ухудшает механические свойства. Перегрев дуралюминов опасен тем, что обусловливает интенсивный рост зерен твердого раствора, окисление границ зерен и расплавление легкоплавких эвтектических примесей. Пережог является неисправимым браком термической обработки.
Нужно отметить, что в отличие от углеродистых сталей, закалка которых приводит к сильному упрочнению и резкому снижению пластичности и вязкости, при закалке алюминиевых сплавов наблюдается незначительное повышение прочности при сохранении высокой пластичности, примерно равной пластичности отожженных сплавов. Полученный после закалки пересыщенный твердый раствор находится в неустойчивом (метастабильном) состоянии, так как обладает повышенной свободной энергией. Избыточная θ-фаза (СuА12) будет выделяться из пересыщенного твердого раствора до тех пор, пока количество меди в твердом растворе не достигнет значения, соответствующего равновесной системе (0,2 % при комнаткой температуре, точка b на рис. 17.1). Этот процесс называется старением. В процессе старения (дисперсионного твердения) прочность растет, а пластичность падает. Если выделение избыточной фазы происходит при комнатной температуре, то старение называют естественным, при повышенных температурах – искусственным.
Следует отметить, что твердость дуралюминов при естественном старении начинает заметно увеличиваться через 3-5 ч с момента закалки. Этот период времени называется "инкубационным". В инкубационный период сплавы сохраняют высокую пластичность и хорошо обрабатываются давлением. Это свойство используют для проведения таких технологических операций, как клепка, правка и т.д.
Старение начинается с процесса диффузии атомов меди к плоскостям кристаллической решетки (100). В этих плоскостях концентрация меди достигает 55,4 %. Зоны с повышенной концентрацией меди представляют собой пластинки или диски толщиной в 2-4 атомных слоя (5-10 А) и диаметром 20-50 атомных слоев (до 100 А). По имени ученых Гинье (Франция) и Престона (Англия), обнаруживших эти зоны рентгеноcтруктурным методом, эти зоны принято называть зонами Гинье-Престона (зоны ГП).
Образование зон Гинье-Престона ведет к искажению кристаллической решетки (атомный диаметр меди меньше, чем у алюминия), что, в свою очередь, сопровождается повышением твердости, прочности и снижением пластичности сплавов. С образованием зон Гинье-Престона естественное старение заканчивается. Обычно сплавы приобретают максимальную прочность через 5-7 суток, которая остается в дальнейшем постоянной.
Дальнейшее развитие процесса распада пересыщенного твердого раствора осуществляется только при искусственном старении.. Внутри зон Гинье-Престона происходит перестройка атомов и образуются новые промежуточная θ' (СuА12) и θ'' (СuА12)-фазы, имеющие сильно искаженную, по сравнению с θ (СuА12)-фазой, кристаллическую решетку. Мелкодисперсные частички θ'' и θ'- фазы, когерентно связанные с основным твердым раствором, упрочняют сплавы, создавая барьеры для движущихся дислокаций.
Увеличение продолжительности искусственного старения приводит к переходу θ' (СuА12)-фазы в стабильную θ (СuА12)-фазу, не имеющую когерентной связи с твердым раствором. Образование некогерентной θ-фазы и ее укрупнение приводят к уменьшению искажений от продолжительности старения кристаллической решетки твердого раствора и разупрочнению сплава (рис. 17.2).
Рисунок 17.2 – Схема зависимости твердости закаленного дуралюмина от времени старения при различных температурах старения (Т1<Т2<Т3) |
Таким образом, последовательность структурных изменений при искусственном старении Сu-А1 сплавов можно представить в виде схемы:
ГП → θ''→ θ'→ θ (СuА12).
Эта схема справедлива и для других сплавов на основе цветных металлов. Различие заключается в неодинаковом составе, форме, строении зон, а также типе образующихся промежуточных фаз.
Как видно из рисунка 17.2, при искусственном старении дуралюмина (кривые Т1,Т2 и Т3) твердость его сначала возрастает, достигает максимума и затем снижается. Старение до достижения максимума твердости (восходящая ветвь кривой) называется упрочняющим, правее максимума (нисходящая ветвь) – разупрочняющим или перестариванием. С увеличением температуры старения максимум кривых старения смещается влево. Это объясняется тем, что с повышением температуры ускоряется процесс диффузии атомов меди и стадия перестаривания достигается раньше. Снижение максимума твердости при повышении температуры (см. рис. 17.2, кривая Т3) связано с интенсивным, практически одновременным протеканием всех структурных превращений при старении.