- •Сибирский государственный
- •Предисловие
- •Введение
- •Советы студентам
- •Правила техники безопасности при работе в термической и металлографической лабораториях.
- •Лабораторная работа № I макроскопический метод исследования металлов и сплавов
- •Теоретические сведения Характеристика макроанализа и области его применения
- •Макроанализ изломов
- •Макроанализ шлифов
- •Выявление ликвации серы
- •Выявление ликвации фосфора
- •Выявление макроструктуры
- •Выявление дефектов, нарушающих сплошность металла
- •Порядок выполнения работы и содержание отчета
- •Варианты заданий
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №2 микроскопический анализ машиностроительных материалов
- •Теоретические сведения Принцип действия светового микроскопа
- •Порядок выполнения работы и содержание отчета
- •Лабораторная работа №3 механические свойства сплавов
- •Теоретические сведения
- •Порядок выполнения работы и содержание отчета
- •Лабораторная работа №4 построение диаграммы состояния сплавов «олово - цинк» термическим методом
- •Теоретические сведения Назначение и сущность термического анализа
- •Экспериментальная часть работы
- •Методика построения диаграммы состояния сплавов «олово цинк»
- •Изучение процессов кристаллизации и микроструктур сплавов «олово - цинк»
- •Порядок выполнения работы и содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №5 изучение диаграмм состояния двойных систем
- •Теоретические сведения
- •Порядок выполнения работы и содержание отчета
- •Приложение I
- •Лабораторная работа № 6 изучение диаграммы состояния сплавов железа с углеродом
- •Теоретические сведения Основные свойства железа
- •Диаграмма фазового равновесия «железо - углерод»
- •Основные фазы, области, линии и точки диаграммы
- •Построение кривых охлаждения сплавов заданной концентрации с использованием диаграммы состояния
- •Порядок выполнения работы и содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №7 изучение микроструктуры углеродистых сталей и чугунов в равновесном состоянии
- •Теоретические сведения
- •Порядок выполнения работы и содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •Изучение микроструктуры легированных сталей в равновесном состоянии
- •Теоретические сведения
- •Порядок выполнения работы и содержание отчета
- •Лабораторная работа №9 термическая обработка углеродистых сталей
- •Теоретические сведения
- •Порядок выполнения работы и содержание отчета
- •Лабораторная работа № 10 изучение микроструктур сплавов на основе алюминия
- •Теоретические сведения
- •Принципы термического упрочнения алюминиевых сплавов
- •Порядок выполнения работы и содержание отчета
- •Лабораторная работа №11 изучение микроструктуры сплавов на основе меди
- •Теоретические сведения
- •Порядок выполнения работы и содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 12 изучение микроструктуры сплавов на основе титана
- •Теоретические сведения
- •Порядок выполнения работы и содержание отчета
- •Структура композитов с полимерной матрицей
- •Композиты с металлической матрицей
- •Определение объемной доли волокон в композите методом количественной металлографии
- •Порядок выполнения работы и содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 14 изучение структуры металла после пластической деформации и рекристаллизации
- •Теоретические сведения Влияние пластической деформации на структуру и механические свойства металлов и сплавов
- •Превращения в наклепанном металле при нагреве. Изменения его структуры и свойств
- •Порядок выполнения работы и содержание отчета
- •Контрольные задания
- •Контрольные вопросы
Порядок выполнения работы и содержание отчета
1. Изучить теоретическое содержание работы.
2. Ознакомиться со структурами меди и сплавов, используя микрошлифы и альбом микроструктур.
3. Составить отчет по выполненной работе. Содержание отчета :название и цель работы,краткое содержание теории по медным сплавам, диаграмма состояния сплавов медь-цинк, рисунки микроструктур изученных сплавов с обозначением фаз и структурных составляющих.
Контрольные вопросы
1. Назовите основные физические и механические свойства меди.
2. Какие примеси в меди являются вредными и почему?
3. Какие сплавы называют латунями? Какие легирующие элементы могут содержаться в латунях?
4. Какие типы латуней (по структуре) имеют практическое применение? Покажите их на диаграмме состояния.
5. Как маркируются латуни? Назовите наиболее применимые сплавы, расскажите о их свойствах и применении.
6. Какие сплавы называют бронзами? Назовите основные типы бронз.
7. Какие фазы образуются по диаграмме состояния «медь-олово» при кристаллизации сплава с 20% олова?
8. Расскажите о свойствах и применении оловянистых бронз. Назовите их марки.
9. Какие фазы встречаются в алюминиевых бронзах? Укажите их на диаграмме состояния.
10. Расскажите о свойствах и применении алюминиевых бронз. Назовите их марки.
11. Какие легирующие элементы и в каком количестве содержатся в бериллиевых бронзах? Назовите марки бронз.
12. Расскажите о упрочняющей термической обработке бериллиевых бронз.
13. Расскажите о свойствах и применении бериллиевых бронз. Назовите их марки.
Лабораторная работа № 12 изучение микроструктуры сплавов на основе титана
Цель работы: изучить основные свойства и микроструктуру технического титана и титановых сплавов различных структурных групп; ознакомиться с особенностями термической обработки сплавов титана и их применением в различных областях машиностроения.
Теоретические сведения
Титан является очень ценным конструкционным материалом для авиационной и космической техники. Он почти вдвое легче железа (γ =4500 ), имеет высокую температуру плавления (1668°С), обладает высокой удельной прочностью и коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах. В отличие от многих металлов (алюминия, магния, меди, железа и др.) даже технически чистый титан может применяться для изготовления конструкций, работающих как при повышенных температурах до 400о С, так и в условиях глубокого холода, например при температурах жидкого гелия (-253°С). Для повышения прочностных свойств титан легируют алюминием, хромом, марганцем, ванадием, цирконием, молибденом, ниобием, железом, кремнием, оловом.
При нагревании титана выше 500-550 С он активно поглощает в больших количествах водород, кислород, азот и другие газы, образуя твердые растворы внедрения, а также гидриды, оксиды, нитриды и другие соединения. Они придают титану твердость и хрупкость, что является существенным недостатком для конструкционного материала. С другой стороны, способность титана поглащать газы используется в производстве электронно-вакуумных изделий (кинескопы, лампы и др.), где он используется как геттер.
Титан имеет две аллотропических формы: при температуре ниже 882°С существует α -титан с гексагональной плотноупакованной решеткой, а выше 882 С существует β -титан с объемно-центрированной кубической решеткой. Легирующие элементы способны снижать или повышать температуру полиморфного превращения. Так, например, алюминий повышает температуру превращения (рис. I2. I), стабилизируя α-фазу, а марганец (рис. I2. 2) и молибден (рис. 12. 3) снижают температуру превращения, стабилизируя β- фазу. Стабилизаторами β-фазы являются также хром, железо, никель, медь, вольфрам, кремний, образующие диаграммы, подобные диаграмме «титан-марганец» и ванадий, тантал, ниобий, образующие диаграммы, подобные диаграмме «титан – молибден» Такие легирующие добавки, как цирконий, олово, гафний, торий практически не изменяют температуру полиморфного превращения и являются нейтральными.
Рис. 12.1 Диаграмма состояния сплавов «титан - алюминий»
Рис. 12.2. Диаграмма состояния сплавов «титан - марганец»
Рис. 12. 3. Диаграмма состояния сплавов «титан – «молибден»
Структура технически чистого титана марки ВТ1-0 в отожженном состоянии состоит из равноосных зерен (см. образец и альбом микроструктур), а после нагрева до 920°С и охлаждения в воде приобретает игольчатую структуру мартенсита. Для нелегированного титана свойства мартенсита почти не отличаются от свойств зернистой структуры.
В зависимости от типа и количества легирующих элементов, содержащихся в титановых сплавах, их подразделяют: по структуре в отожженном состоянии - на α, (α + β) и β -сплавы; по способности упрочняться при термообработке - на упрочняемые и не упрочняемые; по механическим свойствам - на сплавы повышенной пластичности, нормальной прочности, высокопрочные и жаропрочные; по технологии изготовления деталей - на деформируемые и литейные.
Практически все титановые сплавы содержат в своем составе алюминий, который не только делает их более легкими, но также более прочными, жесткими, менее склонными к водородной хрупкости. Сплавы титана, содержащие только алюминий (ОТ4, ВТ5) или алюминий с небольшими добавками β - стабилизаторов и нейтральных упрочнителей (ВТ4, ВТ18, ВТ20), относятся к группе α, - сплавов, т.к. после отжига имеют структуру твердого раствора замещения легирующих элементов в α- - титане. Эти сплавы высокопластичны в горячем состоянии, хорошо куются, прокатываются, штампуются, свариваются. Они термически-не упрочняются, поэтому подвергаются только ре кристаллизационному отжигу для снятия наклепа. Сплавы 'этой группы обладают наиболее высокой жаропрочностью, они могут длительно работать при температуре 700°С.
Наибольшее применение в машиностроении имеют α+β сплавы, в равновесной структуре которых количество β- фазы может колебаться в широких пределах от 5 до 50%, в зависимости от содержания β - стабилизаторов. Они обладают хорошим сочетанием технологических и механических свойств, упрочняются при термической обработке: закалка + старение. В отожженном, закаленном состояниях эти сплавы имеют хорошую пластичность, а после старения - высокую прочность, причем чем больше в структуре β - фазы, тем сплав прочнее в отожженном состоянии и сильнее упрочняется при старении.
Однофазные β - сплавы промышленного применения не имеют, т.к. -должны содержать большое количество дорогих дефицитных легирующих элементов β-стабилизаторов, например ванадия, молибдена, ниобия, тантала (рис. 12. 3).
Химический состав и механические свойства основных титановых сплавов приведены в табл. 12.1.
Применение титановых сплавов очень эффективно в сверхзвуковой авиации, ракетной и космической технике, где требуется высокая удельная прочность и жаропрочность при температурах 300- 600°С. При этих температурах алюминиевые, магниевые сплавы уже неэффективны или не могут работать вовсе, а стали и никелевые сплавы тяжелы.
Из титановых сплавов изготавливают диски и лопатки компрессоров реактивных авиационных двигателей, корпуса двигателей второй и третьей ступеней ракет. Благодаря высокой коррозионной стойкости титановые сплавы применяют для изготовления гребных винтов и корпусов морских судов, насосов для перекачки кислот, ответственных деталей и узлов, работающих в контакте с пищевыми продуктами. Они хорошо сочетаются с живыми тканями человека, поэтому используются для изготовления искусственных суставов и различных приспособлений, вживляемых в организм. Титановые сплавы применяют в холодильной и криогенной технике.
Таблица 12. 1
Марка сплава |
Содержание легирующих элементов, % |
Механические свойства |
Структура сплава | |||||
σв, МПа |
σ0,2, МПа |
δ, % | ||||||
Al |
V |
Мo |
Другие | |||||
ВТ1-0
|
|
|
|
Сумма примесей 0,6% |
550 |
400 |
20 |
α-титан |
ВТ5 |
4-6 |
|
|
|
950 |
850 |
15 |
α-сплав |
ВТ5-1 |
4-6 |
— |
— |
2-3 Sn |
950 |
850 |
15 |
α-сплав |
ОТ4 |
4-5 |
— |
— |
1-2 Мn |
900 |
650 |
20 |
α -сплав |
ВТ6С |
6.5 |
5.0 |
— |
— |
1200 |
1050 |
15 |
α+β-сплав |
ВТ14 |
6.3 |
1.2 |
3.5 |
— |
1400 |
1300 |
10 |
α+β-сплав |
ВТ16 |
3.5 |
5.0 |
5.5 |
— |
1450 |
1200 |
6 |
α+β-сплав |
ВТ22 |
5.0 |
5.5 |
5.5 |
1. 0 Gr 1.0-Fе |
1250 |
1050 |
9 |
α+β-сплав |