Химический состав (%) и некоторые свойства деформируемых и литейных сплавов на основе алюминия

Сплав	Сu	Si	Mg	Mn	Ni	Fe	Режим термической обработки	НВ	σв, МПа/м2 (кгс/мм2)	δ, %	Назначение сплава
АК-4	1,9-2,5	0,5-1,2	1,4-1,8	−	0,8-1,3	0,8-1,3	Закалка 500-520 ºС в воде	100	38	6	Для поршней
АК6	1,8-2,6	0,7-1,2	0,4-0,8	0,4-0,8	≤ 0,1	≤ 0,7	Отпуск 150-175 ºС, 12–15 ч.	100	40	12	Для штамповки фасонных деталей
Д1	3,8-4,8	0,7	0,4-0,8	0,4-0,8	≤ 0,1	≤ 0,7	Закалка 495-515ºС в воде	100	40	15	Листы, трубы, фасонные профили, винты
Д16	3,8-4,9	0,6	1,2-1,8	0,3-0,9	≤ 0,1	≤ 0,5	Естественное старение 8-10 суток	120	47	15	То же
В95	1,4-2,0	–	1.8-2,8	0,2-0,6	Zn ~ 5,0−7,0	Сr ~ 0,1-0,25	Закалка 460-480 ºС, 3 ч., кипящая вода; отпуск 150-120 ºС, 20 ч.	100	60	12	Листы, трубы, фасонные профили, винты
АЛ4	–	8,0-10,5	0,17-0,3	0,25-0,5	–	0,6-1,2	1,0-1,5	4,5-5,5	0,35-0,6	3	Картеры и блоки цилиндров, корпуса карбюраторов и др., отливки
АЛ5				–	–	0,6-1,5	Закалка 520-530 ºС, 15 ч, кипящая вода; отпуск 225-235 ºС, 5 ч.	65	20	1,0	То же

Рекомендуемая литература Основная

1. Материаловедение и технология металлов. Учеб. Для студентов вузов/ Фетисов Г.П. и др. - М. Высшая школа, 2001,- 637 с.

2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. - М. Машиностроение, 1990.-528 с.

3. Тарасов В.В, Малышко С.Б.  Лабораторный практикум по материаловедению. Учеб. пособие - Владивосток: МГУ им. адм. Г.И. Невельского, 2003. - 117 с.

4. Кривошеева Г .Б., Тарасов В.В., Герасимов А.П. Материаловедение. Учеб. пособие для орган, самост. работы. Владивосток. ДВГМА. 1999.-110с.

5. Тарасов В.В., Кривошеева Г.Б., Герасимов А.П. Справочник - экзаменатор по материаловедению. Учеб. пособие. Владивосток. ДВГМА. 2000. - 70 с.

Дополнительная и справочная

1. Гуляев А.П. Металловедение. М. Металлургия. 1986, - 541 с.

2. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка. М., Металлургия, 1983.-359 с.

3. Марочник сталей и сплавов. М., Машиностроение. 2001.

Лабораторная работа 9 макроскопический анализ сплавов

1.1. Цель работы. Провести макроанализ шлифов. Для каждого макрошлифа указать технологический процесс его изготовления.

Получить серные отпечатки по методу Бауману. По фотографиям объяснить причины неравномерного распределения серы в металле.

1.2. Теоретическое обоснование

Металлографический анализ проводится с целью изучения влияния химического состава и различных видов обработки на структуру металла.

Различают макро- и микроструктуру. Соответственно, металлографический анализ подразделяется на макроанализ и микроанализ.

Макроструктура – это строение металла, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении (до 30 крат).

Микроструктура – это строение металла или сплава, видимое при больших увеличениях (более 50 крат) с помощью микроскопа.

Макроанализ дает представление об общем строении металла и позволяет оценить его качество после различных видов обработки: литья, обработки давлением, сварки, термической и химико-термической обработки.

Макроструктурой называется строение металла или сплава, видимое невооруженным глазом или при небольших увеличениях (~ до 30 раз).

Не выявляя подробностей строения, макроанализ позволяет определить участки металла, требующие дальнейшего микроскопического исследования. Макроанализом можно определить:

1. Нарушения сплошности металла: центральную пористость, свищи, подкорковые пузыри, трещины, непровары и газовые пузыри при сварке;

2. Дендритное строение, размеры и ориентацию зерен в литом состоянии (рис. 1.1);

3. Химическую неоднородность литого металла – ликвацию (исследуется макрошлиф);

4. Волокнистое строение деформированного металла;

5. Вид излома: вязкий, хрупкий, нафталинистый, камневидный и т.д.;

6. Глубину слоя после химико-термической обработки (исследуется излом).

Макроанализ проводят на продольных и поперечных макрошлифах (темплетах) и изломах. Для успешного выполнения макроанализа необходим выбор наиболее характерного для изучаемого изделия сечения или излома. Вырезанные темплеты подвергают механической обработке, химическому травлению и исследованию. Макроскопический анализ проводится тремя способами:

- осмотром поверхности детали или металла;

- изучением изломов (изломом называют поверхность разрушенных (при эксплуатации или специально)) образцов или деталей;

- изучением специально подготовленных образцов - макрошлифов.

Рис.1.1. Схема дендрита по Чернову Д.К.

Исследование поверхности детали или заготовки проводят редко, так как этот способ макроанализа малоинформативен. На поверхности можно увидеть трещины или дефект металлургического производства.

Исследование изломов (фрактография) - один из распространенных способов анализа металлов. На изломе можно наблюдать трещины, газовые и усадочные раковины, шлаковые включения, глубину поверхностной термиче­ской обработки: незакаленная зона внешне отличается от закаленной. По строению излома можно сделать вывод о причинах поломки детали, о качестве термической обработки, о хрупком или вязком состоянии металла.

Вязкое состояние металла характеризуется матовым волокнистым из­ломом, который образуется в результате предшествующей разрушению зна­чительной пластической деформации (рис 1.2, а).

а) вязкий б) хрупкий

Рис. 1.3. Виды изломов

Хрупкое состояние металла отличает кристаллический (зернистый) излом, образующийся в результате отрыва одной части от другой по кристаллографической плоскости без предварительной пластической деформации. Хрупкий излом имеет блестящую поверхность (рис 1.3, б).

Хрупкое и вязкое разрушение происходит в результате однократного превышения предела прочности металла (_в).

Вязкое или хрупкое состояние металлического материала зависит от хи­мического состава, внутреннего строения, действующих напряжений и темпе­ратуры эксплуатации. Вязкое состояние свидетельствует о хороших свойствах материала, а хрупкое - о его ненадежности.

Особое место занимает разрушение металла в результате усталости. Усталостью называют распространенное в практике разрушение металла под действием длительных повторно-переменных напряжений, меньших предела текучести (_s). Считается, что большая часть разрушений при эксплуатации является следствием усталости металла.

Рис. 1.4. Схема усталостного излома:

1 - очаг зарождения трещины;

2 - зона медленного развития трещины;

3 - зона долома.

Усталостный излом состоит из трех зон (рис. 1.4 и 1.5):

1. Очаг разрушения - место зарождения разрушения из-за наличия какого-либо концентратора напряжений.

2. Участок распространения или развития усталостной трещины.

3. Зона долома (имеет хрупкий или вязкий излом, характерный для данного материала, разрушенного в результате однократного нагружения).

Рис. 1.5. Усталостный излом

Наибольшая информация при макроскопическом анализе может быть получена в процессе исследования поверхности макрошлифов. Макрошлиф представляет собой пластину толщиной 15 - 30 мм, которую вырезают в том месте, где нужно исследовать металл. В некоторых случаях макрошлиф готовят из целой детали или её части. С одной стороны пластину (деталь) обрабатывают на станке до получения ровной поверхности, а затем шлифуют наждачной бумагой или абразивным камнем. Для выявления макроструктуры проводят травление, используя концентрированные растворы кислот (холодных или горячих). Время травления 10 - 60 мин.

Анализ макрошлифов дает возможность получить достаточно полное представление о качестве металла. Анализом макрошлифов можно обнаружить:

1. Дефекты литого металла.

2. Дефекты металла после обработки давлением.

3. Дефекты металла после сварки.

МАКРОСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИТОГО МЕТАЛЛА

На рис. 1.6 показано продольный и поперечный макрошлифы литого металла. Макроструктура слитка состоит из трех зон.

1) мягких кристаллов на поверхности, где имеет место высокая скорость охлаждения 2) столбчатых кристаллов, которые растут нормально к поверхности отвода теплоты 3) равноосных крупных кристаллов в центре слитка, где скорость охлаждения мала.

Рис. 1.6. Характерные зоны слитка:

1 – корка (зона мелких по-разному ориентированных кристаллов);

2 – зона столбчатых кристаллов, растущих в направлении,

обратном направлению теплоотвода;

3 – зона крупных, произвольно ориентированных кристаллов;

4 – усадочная раковина в верхней части слитка.

Первая зона - тонкий слой мелких равноосных кристаллов. Затем идет слой вытянутых, столбчатых кристаллов. В центральной части слитка расположена зона крупных равноосных кристаллов. Наличие трех кристаллических зон в литом металле связано с различной скоростью охлаждения металла при затвердении.

Размер этих зон существенно меняется в зависимости от состава металла и условий кристаллизации.

Аналогичное кристаллическое строение металла существует у любой отливки, меняется лишь соотношение между размерами кристаллических зон.

Обязательным дефектом литого металла является усадочная раковина. При охлаждении и затвердевании объём металла уменьшается. В результате этого в верхней части отливки образуется незаполненное металлом пространство, которое называется усадочной раковиной. В жидком металле может быть много растворенных газов: кислорода, азота, водорода, окиси углерода. При затвердевании газы выделяются из металла и образуют большие и мелкие зоны, заполненные газом - газовые пузыри.

Углерод и вредные примеси в стали: сера и фосфор обладают повышенной склонностью к ликвации. Ликвацией называют неравномерное распределение элементов (в первую очередь примесей) по сечению или объёму затвердевшего металла. В слитке большая часть примесей находится в центральной и верхней областях (рис.1.6). Ликвация, которая возникает при затвердевании металла, сохраняется и в готовых деталях после обработки давлением и резанием. В местах скопления серы и фосфора металл обладает пониженной пластичностью и ударной вязкостью.

Качественную оценку распределения серы в металле можно получить при помощи т.н. метода Баумана. Фотобумагу смачивают в 10% растворе H₂SO₄ в воде, кладут на ровную поверхность слоем эмульсии вверх и на эмульсию ставят готовый макрошлиф. Выдерживают его на бумаге в течение 5 - 10 мин.

Сера присутствует в металле не в чистом виде, а в виде сульфидов железа или марганца. В результате на поверхности металла проходят реакции:

FeS + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂S,

MnS + H₂SO₄ = MnSO₄ + H₂S.

Образующийся сероводород взаимодействует с бромистым серебром, входящим в состав фотобумаги: H₂S + 2AgBr = Ag₂S + 2НВг. Сульфид серебро имеет коричневый цвет. Отпечаток промывают в воде, фиксируют 20 - 30 мин. в растворе гипосульфида, вновь промывают и сушат. По образующимся на фотобумаге темным участкам можно судить о характере распределения серы в исследуемой стали (или чугуне).