Основні теоретичні положення

Фазові перетворення супроводжуються стрибкоподібною зміною питомого об’єму і відповідною зміною коефіцієнта розширення. Виміри довжини або об’єму зразка при нагріванні або охолодженні можуть бути використані для встановлення температури початку й кінця фазового перетворення.

Дилатометричне визначення критичних точок сталей основується на тому, що при фазовому α → γ перетворенні питомий об’єм зразка зменшується, а при зворотному перетворенні γ → α, навпаки, відбувається збільшення його питомого об’єму. Початок і кінець різкої зміни питомого об’єму, внаслідок фазового перетворення, відмічаються зміною ходу дилатометричної кривої (на дилатограмі спостерігаються перегини).

На приведеному нижче рисунку зображена дилатограма доевтектоїдної сталі, яка була знята на диференційному дилатометрі.

Рисунок 1 – Схема дилатометричної кривої для доевтектоїдної сталі

Видно, що спочатку дилатометрична крива йде похило вправо і вниз, через те що коефіцієнт розширення у піроса більший, ніж у сталі. У точці а спостерігається перегин, який відповідає початку перетворення α → γ (критична точка А_С1). Далі крива йде різко вниз через те, що стиск внаслідок поліморфного перетворення превалює над тепловим розширенням зразка. У точці b знову спостерігається перегин, який відповідає закінченню перетворення α → γ (критична точка А_С3). Зразок знову починає розширюватись, але через те, що коефіцієнт розширення аустеніту більший, ніж у піроса, то дилатометрична крива повертає вгору. При охолодженні має місце перетворення γ → α. Світлова точка переміщується подібним чином, але у зворотному напрямку і з деяким гістерезисом. Перегини на кривій у точках с і d відповідають початку й закінченню перетворення, тобто критичним точкам А_r3 і А_r1, відповідно.

На дилатометрі Шевенара критичні точки визначають диференціальним методом, але критичні точки можна визначити й простим методом, користаючись мікрометричним індикатором годинникового типу. На точність визначення критичних точок впливає величина об’ємної зміни, якою супроводжується перетворення в сталі.

При переході сталі зі стану  у стан  спостерігається зменшення питомого об’єму на 0,8%. А перетворення перліту в аустеніт у евтектоїдній сталі в точці А_С1 супроводжується зменшенням питомого об’єму приблизно на 0,4%, тобто у два рази меншим дилатометричним ефектом, ніж у чистого заліза. Вміст фериту у перліті приблизно в 7 разів більший, ніж цементиту, тому дилатометричний ефект перетворення перліту в аустеніт, здавалося б, повинен бути вищим. Але це не так. Зменшення дилатаційного ефекту пояснюється тим, що розчинення цементиту в аустеніті, який утворюється, супроводжується деяким збільшенням питомого об’єму аустеніту.

Дилатометричний ефект перетворення при охолодженні сталі від аустенітного стану дуже сильно залежить від швидкості охолодження. Структури, які можуть утворитися у результаті охолодження аустеніту, за питомим об’ємом розташовуються у такому порядку його зростання: аустеніт, тростит, сорбіт, перліт, мартенсит.

Методика виконання роботи

Критичні точки визначаються для вуглецевистих сталей марок 40, У8 або інших. Для цього зразок досліджуваної сталі, з попередньо визначеною довжиною при кімнатній температурі, розміщується у кварцовій трубці дилатометра. До зразка щільно притискається кварцовий штовхач, який буде передавати рух від подовження зразка при його нагріванні на чутливий мікрометричний індикатор годинникового типу. Одночасно до зразка також щільно притискається одна з двох термопар, за допомогою якої визначається температура зразка під час його нагрівання. Інша термопара занурюється у суміш з водою й кригою, що тане. Далі кварцова трубка зі зразком вводиться у трубчасту піч і надійно в ній фіксується. Схема експериментальної установки така ж сама, як і у попередній лабораторній роботі. При дослідженні, зразки нагріваються до температури 900-950°C. Спочатку, до температур 600-650°C, нагрівання можна проводити прискорено (зі швидкістю 10°С/хв), після чого швидкість нагрівання слід знизити до 2-3°С/хв. Показання мікрометричного індикатора знімати через кожні 25°С, а поблизу критичних точок перейти на виміри температури через кожні 0,01мм подовження, або скорочення. На рисунку 2 приведена типова крива змін лінійних розмірів зразка сталі при нагріванні й охолодженні.

Рисунок 2 – Крива дилатації сталі при нагріванні й охолодженні

За допомогою кривої дилатації можна визначити критичні точки. Перший спад на кривій при нагріванні відповідає фазовому перетворенню α→γ (точки А_С1 і А_С3), а підйом при охолодженні – перетворенню γ → α (точки А_r3 і А_r1).

Порядок виконання роботи

1. Визначити за допомогою штангенциркуля довжину l₀ зразку сталі при кімнатній температурі.

2. Встановити зразок у кварцовій трубці, притиснути штовхач і термопару до зразка і зафіксувати мікрометричний індикатор.

3. Шляхом обертання рухомої шкали індикатора, встановити стрілку на нульову позначку шкали.

4. Обережно розмістити трубку всередині трубчастої печі і зафіксувати всю конструкцію.

5. Увімкнути живлення печі і за допомогою ЛАТРа, повільно збільшуючи напругу, домогтися швидкості нагрівання зразка у межах 10°С/хв.

6. Знімати показання індикатора через кожні 25°С при рівномірному нагріванні зразка до 650°С. Результати занести до таблиці.

№ п/п	l0, мм	ТЕРС, мВ	Δt, °С	Δl, мм	α, град-1

7. По досягненні температури 650°С, за допомогою ЛАТРа, уповільнити швидкість нагрівання до 2-3°С і почати знімати показання ТЕРС через кожні 0,01 мм зміни довжини зразка.

8. При досягненні температури 900°С зменшити напругу на пічці й провести аналогічні виміри у зворотному порядку. Результати також занести до таблиці.

9. На підставі отриманих результатів побудувати графік залежності Δl від Δt і за цим графіком визначити критичні точки сталі. Порівняти отримані результати з довідковими даними для відповідної марки сталі.

10. Визначити коефіцієнти лінійного розширення сталі у перлітному й аустенітному станах. Результати порівняти й зробити висновки.

Контрольні питання

1. Пояснити схему роботи індикаторного дилатометра.

2. Яким чином враховується подовження кварцу при визначенні термічного розширення зразка?

3. Дайте визначення дійсного коефіцієнту лінійного розширення металу.

4. Яким чином за експериментальним графіком залежності довжини від температури сталі визначаються критичні точки А_С1 і А_r1?

5. По яким ділянкам експериментальної кривої слід розраховувати коефіцієнти лінійного розширення сталі в аустенітному і перлітному станах?

6. У якому порядку, за величиною питомого об’єму, розташовуються структурні складові сталі?

7. Якого порядку дилатометричні зміни, що спостерігаються у сталі при фазових перетвореннях?

ДОДАТКИ