Указания методические к выполнению лабораторных работ по курсу «Материаловедение» для студентов мсф часть 2 ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ УТВЕРЖДАЮ Декан МСФ______________Р.И.Дедюх «___»___________________2009 г. СБОРНИК МЕТОДИЧЕСКИХ УКАЗАНИЙ Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Материаловедение» для студентов МСФ Часть 2 Томск 2009 УДК 620.18:669.14.018.252:548.53 Сборник методических указаний к выполнению лабораторных работ по курсу “Материаловедение” для студентов МСФ. Часть 2. – Томск, Изд-во ТПУ, 2009. Составители: Егоров Ю.П., Ковалевская Ж. Г., Лозинский Ю.М., Марр Е.И., Утьев О.М., Хворова И.А. Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры «Материаловедение и технология металлов» «18 » октября 2007 г. Зав.кафедрой МТМ доц., канд.техн.наук __________________ Ю.П. Егоров ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 МИКРОСТРУКТУРА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ Цель работы Изучение микроструктуры отожженных углеродистых сталей. Материалы и оборудование для выполнения работы 1. Металлографические микроскопы. 2. Коллекция шлифов сталей. 3. Альбом фотографий микроструктур углеродистых сталей. 4. Тренажер «Диаграмма Fe – Fe3 C». Порядок выполнения работы 1. Изучить содержание основных положений работы. 2. Разобраться с помощью тренажера со стальной частью диаграммы Fe – Fe3 C. 3. Получить навыки определения под микроскопом элементов структуры стали: феррита, цементита, перлита, для чего: а) рассмотреть фотографии микроструктур в альбоме; б) рассмотреть под микроскопом подобранные шлифы для изучения структурных составляющих и зарисовать схемы рассмотренных структур. 4. Изучить микроструктуру трех-четырех образцов, относящихся к различным классам стали (доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные), определить к какому из названных классов относится каждый образец. Зарисовать схему микроструктуры рассмотренных образцов и обозначить на рисунках структурные составляющие. 5. В образце доэвтектоидной стали определить содержание углерода в %. Основные положения На диаграмме состояния железо–углерод (рис. 1) сплавы, относящиеся к сталям, расположены в интервале концентраций углерода до 2,14 %, т.е. левее точки Е . При температурах ниже 727 °С все отожженные углеродистые стали состоят из двух фаз - феррита и цементита. Феррит - это твердый раствор углерода в железе с объемно-центрированной кубической решеткой (Fea ). Максимальная растворимость углерода в Fea составляет около 0,02 % (точка Р ). Цементит - это карбид железа Fe3 C, содержащий 6,67 % С. При температурах выше линии GSE равновесной фазой является аустенит - твердый раствор углерода в железе с гранецентрированной кубической решеткой (Feg ). Предельная растворимость углерода в Feg - 2,14 % (точка Е ). В результате фазовых превращений в твердом состоянии при малых скоростях охлаждения в стали образуются следующие структуры: перлит, избыточный феррит, вторичный цементит и третичный цементит. Рис. 1. Диаграмма Fe – Fe3 C На линии GS из аустенита начинает выделяться избыточный феррит, а на линии SE - вторичный цементит. На линии Р Q из феррита выделяется третичный цементит. Во всех сплавах правее точки Р при небольшом переохлаждении до температур ниже 727 °С аустенит эвтектоидного состава (0,8 % С) распадается на эвтектоидную смесь феррита и цементита, называемую перлитом , причем цементит может быть в виде пластинок или зерен (Приложение, рис. 4). Сталь, содержащую 0,8 % С, называют эвтектоидной . Стали, содержащие менее 0,8 % С называют доэвтектоидными , а более 0,8 % С - заэвтектоидными . Металлографический анализ металлов и сплавов заключается в исследовании структуры материалов при больших увеличениях с помощью микроскопа, а наблюдаемая структура называется микроструктурой . Изучение под микроскопом структуры металлов возможно лишь при достаточно интенсивном отражении световых лучей от исследуемой поверхности. Поэтому поверхность образца должна быть специально подготовлена. Образец, поверхность которого подготовлена для металлографического анализа, называется микрошлифом . Для изготовления микрошлифа необходимо вырезать образец из исследуемого металла, получить на нем плоскую, блестящую поверхность, а затем шлиф травят. Существует несколько методов травления, из которых наиболее распространен метод избирательного растворения фаз. Метод основан на различии физико-химических свойств отдельных фаз и пограничных участков зерен. В результате различной интенсивности растворения создается рельеф поверхности шлифа. Для травления микрошлиф погружают полированной поверхностью в раствор избранного состава и через некоторое время вынимают. Если полированная поверхность станет слегка матовой, травление считается законченным, шлиф сразу же промывают водой, затем спиртом и высушивают фильтровальной бумагой. Микрошлифы сталей травят 3-4% раствором НNO3 в спирте, после чего структурно свободные феррит и цементит по сравнению с темным (коричневатым) перлитом выглядят белыми. При охлаждении доэвтектоидной стали из аустенита вначале выделяется феррит. Размер ферритных зерен в значительной степени зависит от скорости охлаждения аустенита. При рассмотрении в микроскоп феррит наблюдается в виде светлых зерен неодинаковой яркости (Приложение, рис. 1). По мере увеличения концентрации углерода в доэвтектоидной стали количество зерен феррита убывает (Приложение, рис. 2), а количество перлита увеличивается. В сплавах, содержащих 0,5-0,75 % C зерна феррита располагаются по границам зерен другой структурной составляющей - перлита - в виде разорванной сетки (Приложение, рис. 3). В доэвтектоидной стали перлит в большинстве случаев имеет пластинчатое строение. Темные пластинки, видимые в перлите, представляют собой тени, отбрасываемые на участки феррита выступающими после травления участками цементита. Форма выделения перлита в доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях определяется условиями выполнения отжига. Форма и размер частиц цементита в перлите существенно влияют на свойства стали. Так, например, зернистый перлит более пластичен и имеет меньшую твердость, чем пластинчатый. Твердость зернистого перлита 160-220 НВ , а пластинчатого - 200-250 НВ . С уменьшением размера цементитных частиц твердость и прочность перлита возрастает. Форма цементитных частиц влияет на обрабатываемость стали резанием. Доэвтектоидные стали хорошо обрабатываются резанием, если имеют структуру пластинчатого перлита, а эвтектоидные и заэвтектоидные - зернистого. В заэвтектоидных сталях возможно выделение вторичного цементита в виде сетки по границам зерен перлита (Приложение, рис. 5). Это происходит в результате окончания горячей обработки при излишне высокой температуре и является значительным дефектом заэвтектоидной стали, ухудшает ее прочность и вязкость. Еще одной, но более редко встречающейся формой выделения цементита, также сильно ухудшающей механические свойства, является образование его в виде игл (вследствие значительного перегрева). Итак, можно выделить четыре типа структур сталей. Первый тип структуры - феррит и третичный цементит - наблюдается в низкоуглеродистых сталях, содержащих до 0,02 % С (т. Р ). Такие стали называются техническим железом . Второй тип структуры - феррит и перлит - наблюдается в доэвтектоидных сталях, содержащих от 0,02 до 0,8 % С (т. S ). Чем больше в доэвтектоидной стали углерода, тем больше в ней перлита. Третий тип структуры - перлит - наблюдается в эвтектоидной стали, содержащей 0,8 % С. Четвертый тип структуры - вторичный цементит и перлит - наблюдается в заэвтектоидной стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % (т. Е ). Отличие доэвтектоидных сталей от заэвтектоидных по микроструктуре В доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях имеется одна общая для обоих типов структур составляющая - перлит. Отличить при микроанализе до- и заэвтектоидные стали друг от друга можно только по избыточным выделениям: если в структуре находится избыточный феррит, то сталь доэвтектоидная, а если вторичный цементит, то сталь заэвтектоидная. Имеются три металлографических способа отличить доэвтектоидные стали от заэвтектоидных. а) При травлении раствором азотной кислоты избыточные феррит и цементит имеют светлый оттенок. Относительное весовое количество избыточного феррита в доэвтектоидных сталях может изменяться от 100 % (сталь состава точки Р ) до 0 % (сталь состава точки S ). В то же время количество вторичного цементита в заэвтектоидных сталях может изменяться в узких пределах - от 0 % (сталь состава точки S ) до 20 % (сталь состава точки Е ). Таким образом, если в отожженной стали, наряду с темным перлитом, обнаруживается светлая составляющая, занимающая более 20 % всей площади поля шлифа, видимого в микроскоп, то эта составляющая является избыточным ферритом, и сталь, следовательно, доэвтектоидная. б) Если относительное количество светлой составляющей меньше 20 %, или если при микроанализе трудно произвести количественную оценку, то эта светлая составляющая может оказаться как избыточным ферритом, так и вторичным цементитом. В этом случае следует использовать индикаторный травитель - горячий щелочной раствор пикрата натрия, который окрашивает цементит в темно-коричневый цвет, оставляя феррит светлым. в) Если избыточная фаза занимает менее 20 % площади шлифа, протравленного азотной кислотой, то при наличии некоторого опыта можно отличить вторичный цементит от избыточного феррита по форме и оттенку выделений. Сетка избыточного феррита после отжига составлена из отдельных зерен, в то время как вторичный цементит на шлифе выявляется в виде почти непрерывной сетки. Сетка вторичного цементита выступает над перлитом в виде рельефа, так как твердый цементит после полировки слегка возвышается над более мягким и сильнее сполировывающимся перлитом. Вторичный цементит может выделяться из аустенита также в виде изолированных игл, как по границам, так и внутри колоний перлита. Наконец, цементит выглядит под микроскопом более светлым по сравнению с ферритом. Металлографическое определение углерода в отожженных сталях Если углеродистая сталь хорошо отожжена, т.е. приведена в равновесное состояние, то микроструктурным анализом можно определить содержание в ней углерода. Такие определения фактически выполняют только для доэвтектоидных сталей, так как в заэвтектоидных сталях значительное изменение в содержании углерода мало и почти незаметно изменяет микроструктуру. Углерод в доэвтектоидной стали распределен между избыточным ферритом и перлитом. В феррите содержатся тысячные доли процента углерода, которыми можно пренебречь и считать, что практически весь углерод в доэвтектоидной стали находится в перлите. В перлите содержится 0,8 % С. В доэвтектоидной стали на перлит приходится только часть сплава, и содержание углерода в весовых процентах пропорционально площади шлифа, занимаемой перлитом. Эта пропорция вытекает из примерного равенства удельных весов феррита и перлита; в противном случае по микроструктуре можно было бы судить только об объемном соотношении. Содержание углерода в доэвтектоидной стали: % С = 0,8×F П / 100, где F П – площадь, занятая перлитом (в %) в поле зрения микроскопа. F П чаще всего оценивают на глаз. Такой метод может показаться слишком грубым; в действительности же он дает хорошие результаты. Если абсолютная ошибка в оценке площади, занимаемой перлитом, составляет 10 %, то абсолютная ошибка в определении содержания углерода составляет всего 0,08 %. Содержание отчета Отчет должен включать следующие разделы: 1. Цель работы. 2. Основные положения по теме работы (кратко). 3. Описание отдельных стадий выполнения работы с указанием используемого оборудования, с необходимыми пояснениями, цифровыми данными, зарисовками микроструктур и их описаниями. 4. Анализ полученных результатов, выводы. ПРИЛОЖЕНИЕ Контрольные вопросы 1. Какое содержание углерода в эвтектоидной стали? 2. Какую кристаллическую решетку имеют a- и g-железо? 3. Что такое аустенит, феррит, перлит, цементит? 4. Укажите название областей на стальной части диаграммы. 5. Какие процессы протекают в стали при ее охлаждении в области 727 °С? 6. Какое максимальное содержание углерода в аустените? 7. Какое максимальное содержание углерода в феррите? 8. Как влияет содержание углерода на свойства стали? ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7 СТРУКТУРА, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ЧУГУНОВ Цель работы 1. Изучить основные разновидности чугунов, их строение, свойства и маркировку. 2. Познакомиться с основами выбора марки чугуна для изготовления деталей машин, изделий. Оборудование и материалы для выполнения работы 1. Металлографические шлифы чугунов. 2. Металлографические микроскопы ММУ-3, МИМ-7 и т.п. Порядок выполнения работы 1. Прочитайте внимательно основные сведения по теме работы и разберитесь с классификацией чугунов, их строением, свойствами, областью применения каждой группы материалов. 2. Изучите чугунную часть диаграммы железо-углерод. 3. Изучите под микроскопом металлографические шлифы чугунов и зарисуйте их структуры. На рисунках обозначьте все структурные составляющие и определите, к какой группе относится каждый из изучаемых образцов чугуна. 4. Выполните 1-2 задания, данные преподавателем, по выбору материала для изготовления изделий. Основные положения Чугун – это железоуглеродистый сплав с содержанием углерода от 2,14 до 6 %. Кроме этих элементов, в чугуне содержится еще ряд примесей (кремний, марганец, сера, фосфор и др.). С целью улучшения свойств в чугуны могут вводиться легирующие элементы, такие как хром, никель, медь и др. Чугун, по сравнению со сталью, имеет как преимущества, так и недостатки. Положительными свойствами этого материала являются: хорошие литейные свойства (более низкая, чем у стали, температура плавления, меньшая усадка, хорошая жидкотекучесть), хорошая обрабатываемость резанием (кроме одной разновидности – белого чугуна), достаточно высокая работоспособность в условиях трения, способность гасить вибрации, небольшая стоимость. Недостатком чугуна являются его низкие пластические свойства и ударная вязкость, что препятствует использованию чугуна для изготовления деталей, работающих при значительных динамических, ударных нагрузках, и делает невозможным в большинстве случаев использование обработки давлением (ковки, штамповки, прокатки и т. д.) для изготовления чугунных изделий. По структуре различают чугуны, в которых углерод находится в виде химического соединения с железом Fe3 С – цементита, и чугуны, в которых углерод, в основном, находится в свободном состоянии, в виде графита. Первая разновидность называется белым чугуном . Структура белых чугунов описывается чугунной частью диаграммы железо-углерод (рис. 1). Рис. 1. Диаграмма железо-углерод: Ж – жидкий раствор; А – аустенит (твердый раствор углерода в g-Fe); Ц – цементит (Fe3 С); Ф – феррит (твердый раствор углерода в a-Fe); П – перлит (эвтектоидная смесь феррита и цементита); Л – ледебурит (эвтектическая смесь аустенита и цементита, ниже линии PSK – смесь перлита и цементита) Согласно диаграмме, существует три разновидности белых чугунов: доэвтектический со структурой перлит, ледебурит и вторичный цементит, эвтектический со структурой ледебурит и заэвтектический со структурой ледебурит и первичный цементит (рис. 2). П Л Л = П + ЦII ЦI Л Рис. 2. Получают белый чугун при ускоренном охлаждении в процессе отливки деталей, заготовок. Способствует также получению этой разновидности чугуна повышенное содержание в нем хрома, марганца. Структура белого чугуна определяет его механические свойства: это твердый хрупкий материал, имеющий предел прочности при растяжении sв = 100-400 МПа (10-40 кг/мм2 ), твердость НВ 300-700 и относительное удлинение d = 0,1-0,2 %. Вследствие низкой пластичности, белый чугун применяется очень редко, в основном, для изделий, работающих в условиях абразивного и гидроабразивного износа, когда его повышенная хрупкость не играет решающей роли. В ряде случаев изготавливают детали с так называемой отбеленной поверхностью. Их поверхностный слой представляет собой белый чугун и имеет повышенную твердость и износостойкость, а сердцевина имеет структуру другой разновидности чугуна (с наличием графита), что обеспечивает необходимый комплекс механических свойств. Примерами таких изделий с отбеленной поверхностью являются валки для холодной прокатки металла, шары для шаровых мельниц. Чугуны, в которых углерод находится в свободном виде, классифицируют по форме графитовых включений: 1. Серый чугун . В нем содержится графит в виде пластинчатых включений. 2. Ковкий чугун с хлопьевидными включениями графита. 3. Высокопрочный чугун , в котором графит имеет шаровидную форму. Металлическая основа этих чугунов может быть перлитной , ферритной или феррито-перлитной . Схематические структуры рассматриваемых чугунов показаны на рис. 3. Рис. 3. Поскольку графитовые включения отрицательно сказываются на механических свойствах металла, особенно на пластичности, то чем менее разветвленную форму они имеют, тем меньше их отрицательное влияние. Самая неудачная, с точки зрения механических свойств, форма графита – пластинчатая (пластичность при этом самая низкая), а наиболее благоприятная – шаровидная форма включений, обеспечивающая максимальную пластичность (рис. 3). Это связано с тем, что графитовые включения играют роль трещин, пустот в чугуне и являются концентраторами напряжений. Чем более компактную форму имеют эти включения, тем более «мягкий» получается концентратор напряжений и тем меньше снижение механических свойств металла за счет графита. Серый чугун получают при медленном охлаждении металла при литье изделий, а также при повышенном содержании кремния, углерода. Обозначается он буквами СЧ, после которых ставится цифра, показывающая предел прочности при растяжении sв в кг/мм2 (ГОСТ 1412-85). Например, СЧ12 (sв = 12 кг/мм2 ). Применяется серый чугун для изготовления слабонагруженных деталей, работающих в легких условиях. Например, корпуса редукторов, насосов, электродвигателей, различные крышки, отопительные батареи и т.п. Ковкий чугун получают из белого чугуна путем специального отжига. Это длительная термическая обработка, при которой белый чугун медленно нагревается до температур 950-1000 °С и после определенной выдержки медленно охлаждается. При таком отжиге происходит графитизация цементита белого чугуна с образованием хлопьевидных включений графита. Обозначается ковкий чугун буквами КЧ, после которых следуют цифры, показывающие предел прочности при растяжении sв в кг/мм2 – первая цифра, и относительное удлинение d в % – вторая цифра (ГОСТ 1215 в редакции 1992 г.). Например, КЧ30-6 (sв = 30 кг/мм2 , d = 6 %). Применяется этот чугун для изготовления деталей, работающих в более тяжелых условиях по сравнению с деталями из серого чугуна ‑ при повышенных нагрузках, при знакопеременных и небольших ударных нагрузках. Например, картеры редукторов, коробок передач автомобилей, кронштейны рессор, различные крюки, фланцы и т.п. Высокопрочный чугун получают путем модифицирования его при выплавке магнием или церием в количестве 0,05 %. Модификаторы способствуют формированию шаровидных включений графита. Обозначаются высокопрочные чугуны буквами ВЧ и цифрой, показывающей предел прочности при растяжении sв (ГОСТ 7293-85). Например, ВЧ 40 (dв = 40 кг/мм2 ). Применяется высокопрочный чугун для изготовления ответственных деталей, работающих в довольно сложных условиях при повышенном нагружении. Например, коленчатые и распределительные валы легковых автомобилей, прокатные валки, корпуса турбин, детали кузнечно-прессового оборудования и др. Представляет интерес использование чугунов для деталей, работающих в специфических условиях (агрессивные среды, высокие температуры и др.). Для этого в чугуны вводят легирующие элементы, способствующие повышению необходимых свойств. Такие чугуны называют легированными или чугунами специального назначения. Они дешевле легированных сталей и вследствие лучших литейных свойств оказываются предпочтительнее для получения отливок. Таблица 1 Марки и механические свойства чугунов Марка чугуна sв , МПа (кг/мм2 ) d, % НВ СЧ10 СЧ15 СЧ20 СЧ35 100 (10) 150 (15) 200 (20) 350 (35) – – – – 190 210 230 275 КЧ 30-6 КЧ 35-10 КЧ 45-7 КЧ 60-3 300 (30) 350 (35) 450 (45) 600 (60) 6 10 7 3 100-163 100-163 150-207 200-269 ВЧ 35 ВЧ 40 ВЧ 50 ВЧ 70 350 (35) 400 (40) 500 (50) 700 (70) 22 15 7 2 140-170 140-202 153-245 228-302 Примечание : Для серых чугунов толщина стенки отливки 15 мм, для ковких чугунов размер отливки 16 мм. Содержание отчета 1. Название и цель работы. 2. Краткая характеристика основных видов чугунов, особенности их строения и свойств. 3. Диаграмма железо-углерод с подробным рассмотрением ее чугунной части. 4. Рисунки структур чугунов, изученных под микроскопом, с подробными пояснениями структурных составляющих и типа чугуна. 5. Выбор материала для изделий по заданиям, данным преподавателем, с подробными пояснениями, анализом. Задания по выбору материала для деталей 1. Выберите материал для изготовления дроби для дробеструйных аппаратов очистки деталей. Дробь при работе аппарата не должна деформироваться и должна иметь высокую твердость и износостойкость. Опишите структуру выбранного материала. 2. Станину станка изготавливают методом литья с последующей обработкой резанием. В процессе работы станина не испытывает ударных нагрузок. Условия работы довольно легкие. Выберите материал для ее изготовления, расшифруйте марку и поясните структуру данного чугуна. 3. Корпуса редукторов изготавливают из чугуна методом литья с последующей обработкой резанием. Материал должен обладать прочностью sв = 500 МПа, относительным удлинением 1,5 % и иметь твердость НВ 230. Выберите и обоснуйте марку чугуна, расшифруйте ее и поясните структуру. 4. Почему белые чугуны ограниченно применяются в машиностроении? Дайте подробное пояснение. Какие разновидности белых чугунов существуют, и какова их структура? 5. Произошла поломка коленчатого вала дизельного двигателя. После исследования микроструктуры было дано заключение, что структура данного сплава состоит из зерен перлита с включениями пластинчатого графита. По техническим условиям данный материал должен обладать sв ³ 650 МПа, d ³ 2 %, НВ ³ 220-300. Из какого материала был изготовлен коленчатый вал? Из-за чего произошла поломка, и что Вы рекомендуете для предотвращения разрушения вала в дальнейшем? 6. Выберите материал для корпуса небольшого электродвигателя. Условия работы легкие, нагрузки небольшие. Корпус отливается с последующей обработкой резанием. Расшифруйте марку чугуна и поясните его структуру. 7. Для добычи гравия из реки Томь используют земснаряды. Шарнирные соединения труб для транспортировки гравия делают из чугуна. Условия работы: большой гидроабразивный износ, ударные нагрузки, постоянная вибрация. Выберите и обоснуйте марку чугуна. 8. Выберите материал для изготовления отопительных батарей. Способ их изготовления – литье. Расшифруйте выбранную марку и поясните структуру. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8 ЗАКАЛКА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ Цель работы 1. Изучить теоретические основы выбора температуры закалки углеродистых сталей. 2. Изучить влияние среды охлаждения (скорости охлаждения) на твердость стали при закалке. 3. Установить влияние содержания углерода в стали на результаты закалки. Оборудование и материалы для выполнения работы 1. Нагревательные печи с автоматическими приборами для регулирования температуры. 2. Баки с различными охлаждающими средами (вода, масло). 3. Твердомеры Роквелла с алмазными наконечниками. 4. Образцы углеродистых сталей с различным содержанием углерода. Порядок выполнения лабораторной работы 1. Перед выполнением лабораторной работы необходимо ознакомиться с основными теоретическими положениями. 2. Выполнить в соответствии с заданием экспериментальную часть. 3. Провести анализ полученных результатов и сделать необходимые выводы по результатам работы всей подгруппы. Основные положения Цель любого процесса термической обработки заключается в том, чтобы нагревом до определенной температуры, выдержкой и последующим охлаждением с определенной скоростью вызвать желаемое изменение структуры металла или сплава и, соответственно, изменение свойств. Следовательно, основными факторами воздействия при термической обработке являются температура, время выдержки и скорость последующего охлаждения. В практике машиностроения различают первичную и вторичную термическую обработки. Назначение первичной термической обработки заключается в подготовке структуры к последующим операциям механической и окончательной термической обработки. К этому виду обработки относятся различные виды отжига и нормализации. Назначение вторичной (окончательной) обработки – получение необходимых эксплуатационных свойств деталей и изделий. К окончательной термической обработке относятся закалка и отпуск. Цель закалки конструкционных и инструментальных сталей – достижение максимально высокой твердости и прочности . Сущность закалки заключается в получении пересыщенного твердого раствора. Пересыщение твердого раствора вызывает искажения кристаллической решетки, которые приводят к появлению дислокаций, компенсирующих эти искажения. Высокая плотность дислокаций затрудняет пластическую деформацию в металле и повышает его прочность и твердость. Закалка применима к сплавам, в которых могут образовываться ограниченные твердые растворы. При нагреве таких сплавов увеличивается растворимость компонентов. Если охлаждать сплав с большой скоростью, не оставляя времени на диффузию, то в процессе охлаждения выделение избыточных атомов растворенного компонента не произойдет. Тогда при комнатных температурах зафиксируется пересыщенный твердый раствор. Еще большее пересыщение может быть получено в сплавах, которые испытывают полиморфные превращения при нагреве и охлаждении. Наибольший эффект при закалке наблюдается в железо-углеродистых сплавах – сталях. Аустенит (твердый раствор углерода в g-железе) может растворить углерода в сотню раз больше, чем феррит (твердый раствор углерода в a-железе). Поэтому, если нагревать сталь выше температур перестройки решетки и охлаждать, не давая углероду возможности выделяться из аустенита, то при обратной перестройке решетки возникает очень большое пересыщение a-железа атомами углерода которое и вызывает значительное изменение свойств стали. Скорость охлаждения, при которой углерод не успевает выделяться из твердого раствора, называется критической скоростью охлаждения . Она может быть определена по диаграмме изотермического превращения переохлажденного аустенита для каждой стали. Геометрически это касательная к кривой начала превращения аустенита в феррито-карбидную смесь. На рис. 1 представлена диаграмма изотермического превращения (или С-образная диаграмма) для стали с 0,8 % углерода. Для углеродистых сталей время до начала распада аустенита очень мало (t инк = 0,5¸1,0 с), и критическая скорость достигается только при охлаждении в воде или в водных растворах солей При очень малой скорости охлаждения (V 1 ) аустенит будет превращаться в перлит (грубая смесь кристаллов феррита и цементита). С увеличением скорости охлаждения (V 2 и V 3 ) число центров зарождения феррита и цементита увеличивается и размеры кристаллов этих фаз уменьшаются. Более дисперсные (мелкозернистые) структуры – сорбит , троостит – имеют более высокую твердость, чем перлит. При скорости охлаждения больше V кр превращение аустенита в смесь феррита и цементита произойти не может, так как скорость диффузии углерода при температурах ниже 200 °С очень мала. Однако g-решетка должна перестроиться в a-решетку, обладающую меньшим запасом энергии при низких температурах. Образуется пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе. Решетка железа сильно искажается, становится тетрагональной, а не кубической. Возникает большое количество дислокаций и других дефектов. Поэтому сплав имеет высокую твердость и прочность, но очень низкую пластичность. Такая структура носит название мартенсит. Рис. 1. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита эвтектоидной стали Мартенсит это твердый пересыщенный раствор углерода в тетрагональной решётке a-железа. Основным фактором, определяющим твердость и прочность мартенсита, являются искажения кристаллической решетки a-железа, вызванные внедренными атомами углерода. Чем больше содержание углерода в мартенсите, тем больше тетрагональность решетки и выше твердость мартенсита (рис. 2). Исходными условиями выбора температуры закалки являются требуемые свойства, которые должна обеспечить закаленная сталь. Конструкционная сталь (<0,8 % С) применяется для изготовления деталей машин, механизмов и различного рода конструкций. Стали должны после закалки обладать высокими прочностными свойствами, особенно высокой усталостной прочностью, т.к. детали машин и механизмов испытывают сложные знакопеременные нагружения. На рис. 3 представлена левая (так называемая «стальная» часть диаграммы железо-цементит). С помощью диаграммы проследим за превращениями, происходящими при нагреве сталей. При нагреве выше линии PSK (или критической температуры Ас 1 ), но ниже GS (критическая температура Ас 3 ) структура стали будет состоять из зерен аустенита и феррита. Рис. 2. Твердость мартенсита в зависимости от содержания углерода Рис. 3. «Стальная» часть диаграммы Fe-Fe3 C При последующем охлаждении со скоростью, равной или больше критической, аустенит превратится в мартенсит, а феррит превращений не испытывает. После такой закалки структура будет состоять из очень твердых кристаллов мартенсита и мягких, пластичных кристаллов феррита. Отсюда низкая твердость и прочность, а главное – низкая усталостная (циклическая) прочность стали. Следовательно, такая закалка не обеспечит высокие эксплуатационные свойства конструкционных сталей. Если при закалке нагреть доэвтектоидную сталь выше линии GS (Ac 3 ), то произойдет превращение феррита и перлита в аустенит. Последующее охлаждение с критической скоростью позволит получить однородный мартенсит, характеризующийся высокой прочностью и значительной усталостной прочностью. Большое влияние на свойства стали после закалки оказывает температура нагрева и время выдержки при этой температуре. Чем выше температура нагрева и длительнее выдержка при этой температуре, тем интенсивнее происходит рост аустенитных зерен. Рост зерна при нагреве вызывается стремлением сплава к уменьшению поверхностной энергии зерен. Из крупнозернистого аустенита после охлаждения получатся крупные кристаллы мартенсита (крупноигольчатый мартенсит). Это приведет к высокой хрупкости стали. Следовательно, для доэвтектоидных (конструкционных) сталей температура закалки должна быть выше точки Ас3 (линии GS) , однако это превышение не должно быть большим. Для получения оптимальных свойств после закалки необходимо производить нагрев до температуры, определяемой эмпирической формулой: t зак. доэвт. = Ас 3 + (30 ¸ 50) °С. Все заэвтектоидные стали – инструментальные. Материалы, идущие на изготовление инструментов (особенно режущих), должны обеспечивать высокие твердость и износостойкость, высокую прочность. Эти свойства получают часто в ущерб пластичности стали, в противном случае инструмент не будет обладать высокими режущими свойствами. При нагреве выше линии SK (Ас 1 ) превращение претерпевает лишь перлит (рис. 3), а цементит не успевает раствориться в аустените. После нагрева до этих температур структура стали – аустенит и цементит. При охлаждении со скоростью больше критической получается структура, состоящая из твердых и износостойких кристаллов мартенсита и кристаллов цементита, имеющих еще большую твердость и износостойкость. Нагрев до более высоких температур не приведет к повышению твердости; но резко увеличится размер зерен аустенита (т.к. растворение кристаллов цементита уже не будет сдерживать их рост), что отрицательно скажется на механических свойствах. Следовательно, для заэвтектоидных (инструментальных) сталей температура закалки должна быть выше точки Ас1 (линии S K) . Нагрев под закалку инструментальных сталей осуществляется до температур: t зак. заэвт. = Ас 1 + (30 ¸ 50) °С. Область оптимальных температур нагрева сталей под закалку представлена на рис. 3. Методические указания по выполнению работы Студенты получают образцы различных марок углеродистых сталей. Для группы студентов в 2-3 человека преподаватель указывает конкретные марки стали для проведения экспериментов (ВСт3; 10; 45; У8; У12). Студенты определяют содержание углерода в стали по обозначению марки. Зная содержание углерода, выбирают по диаграмме состояния системы «железо-цементит» оптимальную температуру закалки для данной стали. Исходя из температуры нагрева и размеров образцов, студентам необходимо выбрать время нагрева образцов в печи. Время нагрева стали под закалку складывается из времени прогрева образца до заданной температуры и времени выдержки при температуре закалки. Длительность выдержки при температуре закалки определяется временем, необходимым для превращения исходной структуры в аустенит. Общее время нагрева под закалку можно определить по данным табл. 1, в которой приведены нормы нагрева стали при термической обработке в лабораторных электрических печах. Таблица 1 Темпера-тура нагрева, °С Форма детали Круг Квадрат Пластина Продолжительность нагрева в минутах На 1 мм диаметра На 1 мм толщины 600 2,0 3,0 4,0 700 1,5 2,2 3,0 800 1,0 1,5 2,0 900 0,8 1,2 1,6 1000 0,4 0,6 0,8 Скорость охлаждения, обеспечивающая получение структуры мартенсита, определяется экспериментально. Наиболее распространенными охлаждающими средами в термических цехах являются вода и водные растворы солей и щелочей, минеральные масла, возможно применение в качестве охлаждающей среды воздуха (спокойного или циркулирующего). Охлаждая образцы, нагретые до температур закалки в различных средах, определяют оптимальную среду охлаждения. Образцы, получившие в результате нагрева и охлаждения структуру мартенсита (твердость для стали с данным содержанием углерода соответствует значению на рис. 2), являются закаленными. Образцы же, не получившие максимально возможной твердости для данной стали, закаленными считать нельзя. Кроме того, в ходе данной лабораторной работы готовятся закаленные образцы для проведения следующей лабораторной работы – «Отпуск закаленной углеродистой стали». Производится закалка 3-4 образцов одной марки стали, которые будут подвергнуты на следующем занятии отпуску при различных температурах. Все сведения о результатах проведенного эксперимента сводятся в таблицу 2. Таблица 2 № п/п Марка стали Режим закалки Твердость, НRС Структура Темпе-ратура нагрева, °С Время нагрева, мин. Среда охлаждения, °С/c По результатам работы студенты подгруппы строят следующие графики: а) зависимость твердости стали от скорости охлаждения (принимая скорость охлаждения: в воде – 600 °С/с, в масле – 150 °С/с, на воздухе – 30 °С/с); б) зависимость твердости закаленной стали от содержания углерода. Содержание отчета 1. Название и цель работы. 2. Краткие сведения о выборе оптимальных температур закалки и скорости охлаждения углеродистых сталей. 3. Таблица с данными по твердости сталей до и после термообработки, графики по результатам работы. 4. Выводы по проделанной работе. Контрольные вопросы 1. В каком температурном интервале образуется сорбит при изотермическом превращении аустенита? 2. К чему приводит повышение температуры нагрева доэвтектоидной стали под закалку от (Ас 1 + 50°) до (Ас 3 + 50°)? 3. Какую решетку имеет мартенсит после закалки? 4. С какой целью проводят закалку стали? 5. Чем отличается перлит эвтектоидной стали от сорбита? 6. От чего зависит степень дисперсности (размер зерна) продуктов перлитного превращения? 7. Почему мартенсит имеет тетрагональную решетку? 8. По какому механизму превращения образуется структура троостит? 9. От чего зависит температура нагрева стали под закалку? 10. В чем основное отличие мартенсита от аустенита, из которого он образовался? 11. Чем отличается структура стали У12 после закалки от температуры немного выше Ас 1 от структуры этой же стали после закалки от температуры выше Ас 3 ? 12. Чем отличается сорбит от троостита? 13. Как влияет повышение содержания углерода в доэвтектоидной стали на температуру нагрева стали под закалку? 14. Что является обязательным результатом закалки? 15. Каков механизм перлитного превращения? 16. От чего зависит закаливаемость стали (твердость стали после закалки)? 17. Как называется пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе? 18. Как изменяются свойства закаленной стали при увеличении содержания углерода до 0,8 %? 19. Чем объясняется высокая твердость и прочность закаленной стали? 20. Объясните, почему для конструкционных сталей не применяют закалку от температур несколько выше Ас 1 . 21. Почему при закалке необходимо охлаждать сталь со скоростью выше критической? 22. Что такое критическая скорость охлаждения? 23. Что представляет собой С-образная диаграмма? 24. Чем объясняется устойчивость и неустойчивость аустенита в различных температурных интервалах? 25. Чем отличается мартенситное превращение от перлитного? 26. По какому механизму образуется мартенсит? ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9 ОТПУСК ЗАКАЛЕННОЙ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ Цель работы 1. Ознакомиться с процессами, происходящими при отпуске закаленной стали. 2. Изучить влияние температуры нагрева закаленной стали на твердость. Оборудование и материалы для выполнения работы 1. Нагревательные печи с автоматическими приборами регулирования температуры; 2. Твердомеры Роквелла с алмазными наконечниками; 3. Закаленные образцы углеродистых конструкционных и инструментальных сталей. Порядок выполнения лабораторной работы 1. Перед выполнением лабораторной работы необходимо ознакомиться с основными теоретическими положениями. 2. Выполнить в соответствии с заданием экспериментальную часть. 3. Провести анализ полученных результатов и сделать выводы по результатам работы всей подгруппы. Основные положения Как было установлено в лабораторной работе «Закалка углеродистых сталей», закаленные стали имеют высокие твердость и прочность, но очень низкие пластические свойства. То есть, сталь в закаленном состоянии очень хрупка и ненадежна в эксплуатации. Причиной высокой твердости и хрупкости является пересыщение твердого раствора на основе a-Fe углеродом, искажение его кристаллической решетки и появление дислокаций, компенсирующих эти искажения. Для изменения таких свойств стали применяют следующую обязательную операцию термообработки – отпуск. Отпуск – это нагрев закаленной стали ниже критических температур, с целью придания стали необходимых эксплуатационных свойств и уменьшения внутренних напряжений. Пересыщенный твердый раствор углерода в a-Fe (мартенсит ) обладает большим запасом свободной энергии, и поэтому не является стабильным. Следовательно, в закаленной стали должны протекать процессы, приводящие систему к более устойчивому состоянию, т. е. углерод должен выделяться из решетки мартенсита. Эти процессы идут и при комнатной температуре, но с бесконечно малой скоростью. При нагреве закаленной стали скорость диффузии увеличивается, и чем выше температура, тем выше подвижность атомов углерода. Таким образом, происходит распад пересыщенного твердого раствора с образованием равновесных фаз: карбидов и феррита. Рассмотрим последовательно этапы распада мартенсита при нагреве. При нагреве до 80 °С скорость распада мартенсита ввиду малой подвижности атомов настолько мала, что заметных изменений в строении закаленной стали не наблюдается даже с применением весьма точных методов исследования. При более высоких температурах нагрева (до 160-180 °С) происходит выделение углерода из решетки мартенсита и образование очень мелких карбидов, связанных с мартенситом. Уменьшение концентрации углерода в твердом растворе снижает тетрагональность решетки мартенсита, поэтому твердость и хрупкость стали уменьшаются. Однако образующиеся очень мелкие карбиды оказывают сопротивление движению дислокаций под действием приложенных нагрузок, поэтому прочность почти не снижается. Процесс распада мартенсита завершается при нагреве до температур 300-350 °С. Чем выше температура, тем более интенсивно происходит распад, так как скорость диффузии углерода возрастает. Мартенсит превращается в мягкий феррит, карбиды немного укрупняются, однако все еще остаются мелкими и являются препятствием для движения дислокаций. Сталь с такой структурой имеет высокие прочностные и пластические характеристики, особенно высокий предел текучести. При температурах выше 450-500 °С идет процесс укрупнения частиц карбидов, они приобретают округлую форму. Первый процесс называется коагуляцией , второй – сфероидизацией . Структура будет состоять из зерен феррита и крупных, сферической формы, карбидов. Сталь обладает высокой вязкостью и высокими пластическими свойствами при достаточной прочности. В зависимости от процессов, происходящих при отпуске, и от изменений структуры и свойств (рис. 1) различают три вида отпуска: 1) низкотемпературный отпуск – от 160 до 200 °С; 2) среднетемпературный отпуск – от 350 до 450 °С; 3) высокотемпературный отпуск – от 500 до 600 °С. Низкий (низкотемпературный) отпуск применяется для деталей, от которых требуются высокие твердость и износостойкость. Низкий отпуск назначается для повышения вязкости и пластичности стали без заметного снижения твердости. Этот отпуск применяется, в основном, для режущих и мерительных инструментов. При таком отпуске получается структура, состоящая из менее напряженного, чем после закалки, мартенсита и очень мелких карбидов. Такая структура называется мартенсит отпуска . Средний (среднетемпературный) отпуск применяется для изделий, от которых требуется высокие упругие свойства . Мелкие кристаллы цементита игольчатой формы, образующиеся при таком отпуске, являются большим препятствием для дислокаций, что обеспечивает высокую упругость и прочность стали. В результате отпуска у стали сильно повышается предел текучести и незначительно, снижается предел прочности. Структура, получаемая при среднем отпуске, называется троостит отпуска . Она состоит из мелких зёрен феррита и игольчатых кристаллов цементита. Такому отпуску подвергают пружины, рессоры, торсионы и другие детали, которые работают при знакопеременных нагрузках и должны быстро восстанавливать свою форму после деформации. Обычно для изготовления упругих элементов используют стали с содержанием углерода от 0,5 до 0,7 %, как углеродистые, так и легированные. Эти конструкционные стали выделены в особую группу рессорно-пружинных сталей . Высокий (высокотемпературный) отпуск применяют для ответственных деталей машин с высокой надёжностью , испытывающих при эксплуатации сложные виды нагружения: статические, ударные и знакопеременные нагрузки. Структура после высокого отпуска состоит из более крупных зерен феррита и довольно крупных кристаллов цементита округлой формы и называется сорбит отпуска . Высокий отпуск обеспечивает максимальную пластичность и ударную вязкость в сочетании с достаточной прочностью. Рис. 1. Влияние температуры отпуска на механические свойства закаленной углеродистой стали Закалка в сочетании с высоким отпуском носит название улучшение . Такому виду обработки подвергается особая группа конструкционных сталей, носящая название улучшаемые стали . Они могут быть углеродистыми и легированными, содержание углерода от 0,3 до 0,5 %. Улучшение конструкционных сталей позволяет повысить конструктивную прочность деталей (понизить чувствительность к надрезам и перекосам, к переходам от одного сечения детали к другому, к изменению размеров детали и т. д.). Влияние температуры отпуска на механические свойства закаленной углеродистой стали представлено на рис. 1. В табл. 1 приведены данные о влиянии термической обработки на механические свойства конструкционной углеродистой стали с 0,45 % углерода в отожженном состоянии, а также после закалки и отпуска при 300 °С (средний отпуск) и при 600° С (высокий отпуск). Таблица 1 Термическая обработка Механические свойства sВ , МПа s0,2 , МПа d, % Y, % КС U , Дж/см2 Отжиг при 850 °С 650 450 20 6 60 Закалка с 850 °С в воде и отпуск при 300 °С 1080 890 10 52 75 Закалка с 850 °С в воде и отпуск при 600 °С 750 520 17 68 160 Данные табл. 1 говорят о том, что сталь в улучшенном состоянии имеет более высокие характеристики прочности (sв и s0,2 ), пластичности (d, Y) и вязкости (КС U ) по сравнению со сталью в отожженном состоянии. Отсюда и возникло название «улучшение» – механические характеристики стали улучшаются. Кроме того, из табл. 1 видно, что после среднетемпературного отпуска закаленная конструкционная сталь приобретает весьма высокие предел прочности (sв ) и условный предел текучести (s0,2 ) при хороших характеристиках пластичности (d, Y) и ударной вязкости (КС U ). Методические указания по выполнению работы 1. Закаленные в ходе предыдущей лабораторной работы («Закалка углеродистой стали») образцы различных марок углеродистых сталей подвергнуть отпуску при температурах 200, 400 и 600 °С. 2. Исходной структурой стали перед отпуском должен быть мартенсит, поэтому отпускать необходимо только закаленные в воде образцы. 3. Время отпуска принять равным 0,5 часа. Охлаждение после отпуска производить на воздухе. 4. Замерить твердость образцов после отпуска на приборе Роквелла, результаты внести в таблицу 2. 5. По результатам замеров построить графики зависимости твердости Н RС от температуры отпуска для всех исследованных сталей. 6. Сделать выводы. Таблица 2 № п/п Марка стали Твердость после закалки, Н RС t отпуска, °C Время нагрева и выдержкиt , мин. Твердость после отпуска, Н RС Структура Содержание отчета 1. Название и цель работы. 2. Краткие сведения о превращениях при нагреве в закаленной углеродистой стали. 3. Таблица с данными по режимам отпуска, твердости и структуре исследуемых сталей до и после отпуска. 4. Графики изменения твердости закаленной стали в зависимости от температуры отпуска. 5. Выводы по работе. Контрольные вопросы 1. Что такое термическая операция «отпуск»? 2. После какого вида термической обработки производится отпуск? 3. С какой целью проводится отпуск? 4. К каким видам изделий применяется низкотемпературный отпуск? 5. К каким видам изделий применяется среднетемпературный отпуск? 6. К каким видам изделий применяется высокотемпературный отпуск? 7. Какие процессы протекают при отпуске до 200 °С? 8. Какие процессы протекают при отпуске до 400 °С? 9. Какие процессы протекают при отпуске до 600°С? 10. Что представляет собой структура мартенсит отпуска? 11. Что такое троостит отпуска? 12. Что такое сорбит отпуска? 13. В каком температурном интервале отпуска наиболее интенсивно протекают процессы сфероидизации и коагуляции цементита? 14. С каким процессом при отпуске связано уменьшение напряжений в стали? 15. Как изменяются свойства закаленной стали при повышении температуры отпуска? 16. Какой основной процесс происходит при отпуске? 17. Чем отличается сорбит отпуска от троостита отпуска? 18. Какая структура образуется при отпуске до 200 °С? 19. Какая структура образуется при отпуске до 400 °С? 20. Какая структура образуется при отпуске до 600 °С? 21. Как изменяется прочность стали sв при отпуске до 600 °С? 22. Как изменяется предел текучести s0,2 при отпуске до 400 °С? 23. Как изменяются характеристики пластичности d и Y при отпуске до температуры 600 °С? 24. Какую операцию необходимо выполнить, если при отпуске получены более низкие твердость HRC и прочность sв , чем требовалось? 25. Какую операцию необходимо выполнить, если при отпуске получили более высокие твердость HRC и прочность sв , чем требовалось? 26. Какую температуру отпуска выбрать для изделий, от которых требуются высокие упругие свойства? 27. Какую температуру отпуска надо выбрать для изделий, от которых требуются высокие твердость и износостойкость? 28. Что произойдет в структуре стали, если после отпуска при 600 °С произвести дополнительный отпуск при 200 °С? ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10 ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Цель работы 1. Изучить возможности упрочнения алюминиевых сплавов термической обработкой. 2. Изучить закономерности изменения структуры и механических свойств дуралюмина при термической обработке. 3. Ознакомиться с технологией термической обработки алюминиевых сплавов. Материалы и оборудование для выполнения работы 1. Образцы из дуралюмина марки Д16. 2. Прибор измерения твердости по методу Бринелля ТШ-2. 3. Нагревательные печи. 4. Бачок с водой. Порядок выполнения работы 1. Изучить необходимый теоретический материал по теме занятия. Ознакомиться с механизмом упрочнения алюминиевых сплавов термической обработкой, с изменениями их структуры при закалке и старении. 2. Измерить твердость дуралюмина по Бринеллю в исходном (отожженном) состоянии. 3. Провести закалку образцов сплава и замерить твердость после нее. 4. Провести искусственное старение закаленного сплава при температурах 100, 200 и 300°С с выдержкой при этих температурах в течение 20 минут, кроме этого провести старение сплавов при температуре 200°С с выдержками 5 и 10 минут. 5. Измерить твердость образцов после старения. 6. По результатам измерений построить графические зависимости твердости от температуры и продолжительности старения. 7. Проанализировать и объяснить полученные результаты. Основные положения Термическая обработка алюминиевых сплавов в зависимости от производственной ситуации и эксплуатационных условий работы детали может преследовать различные цели: 1) Повышение пластичности и снижение твердости с целью улучшения обрабатываемости резанием и давлением. (Это реализуется при проведении смягчающей термической обработки – отжига .) 2) Повышение сопротивления деформации с целью повышения твердости и прочности. (Такая задача решается проведением упрочняющей термической обработки – закалкой и старением .) Поскольку указанные изменения свойств алюминиевых сплавов связаны с изменением их структуры, рассмотрим особенности ее формирования при различных видах термической обработки. С этой целью необходимо использовать диаграмму состояния, соответствующую данным сплавам. Дуралюмин представляет собой сплав алюминия с медью и магнием (а также с небольшим количеством марганца и кремния), поэтому рассмотрим диаграмму состояния сплавов системы алюминий-медь (рис. 1). Это диаграмма с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Рис. 1 В соответствии с приведенной диаграммой, при температурах выше линии ABC , называемой линией ликвидус , сплавы находятся в жидком состоянии; ниже этой линии протекают процессы кристаллизации. Растворимость меди в алюминии достигает 5,7 % при 548 °С. С понижением температуры растворимость меди быстро уменьшается до значений ≤ 0,2 % при 20 °С. В области, ограниченной линиями ADE 0A , существует твердый раствор меди в алюминии (условное обозначение – α). В области правее линий CKM существует химическое соединение СuAl2 . В области, ограниченной линиями ABDA , формируются из жидкости кристаллы твердого раствора меди в алюминии α, а в области, ограниченной линиями BCKB , – кристаллы химического соединения СuAl2 . Оставшаяся часть жидкости при понижении температуры до 548 °С изменяется по составу и при достижении эвтектического состава (33 % меди) кристаллизуется в виде эвтектики. Эта эвтектика представляет собой механическую смесь кристаллов твердого раствора α и СuAl2 . Соединение СuАl2 также может изменяться по составу, о чем свидетельствует форма области в правой части диаграммы (ограниченная слева линиями СКМ ). Линия DE на диаграмме показывает предельную растворимость меди в твердом растворе α в зависимости от температуры. С понижением температуры растворимость меди уменьшается с 5,7 % (точка D при 548 °С) до ≤0,2 % (точка Е при 20 °С). Поэтому при охлаждении доэвтектических сплавов ниже линий ED и DB из твердого раствора α выделяются избыточные атомы меди с образованием частиц СuАl2 . Широкое применение в технике получили деформируемые алюминиевые сплавы – дуралюмины . Это сплавы с содержанием 3-5 % меди в алюминии. В равновесном (отожженном) состоянии согласно диаграмме (рис. 1) структура дуралюмина состоит из зерен твердого раствора меди в алюминии α и частиц соединения СuАl2 (рис. 2). При этом частицы СuАl2 крупные. Такая структура обеспечивает сплаву хорошую пластичность (d = 18-20 %) при относительно невысоких значениях прочности (sв = 200-220 МПа) и твердости. Рис. 2 Рис. 3 Если сплав алюминия с 4 % меди со структурой, показанной на рис. 2, нагреть до температур выше линии DE , но ниже AD , то при этом частицы СuАl2 диссоциируют и растворяются в твердом растворе α. Когда этот процесс завершится, структура станет однофазной (рис. 3), и вся медь (в данном случае 4 %) будет находиться в твердом растворе. Если затем сплав быстро охладить, то медь не успеет выделиться из твердого раствора и сохранится в нем после охлаждения. В результате такой обработки сформируется твердый раствор α¢, сильно пересыщенный медью, так как согласно диаграмме состояния при комнатной температуре в этом растворе может содержаться не более 0,2 % меди. В данном случае после обработки в твердом растворе α¢ содержится 4 % меди. Такой процесс получения пересыщенного твердого раствора α¢ путем нагрева сплава до температур выше линии DE на диаграмме (в однофазную область), выдержки и последующего быстрого охлаждения называется закалкой . В результате закалки формируется твердый раствор замещения, и упрочнение происходит, в основном, за счет искажений кристаллической решетки, обусловленных разными размерами атомов алюминия и меди. Торможение дислокаций за счет этих искажений невелико. Поэтому после закалки значительного упрочнения дуралюмина не происходит – его прочность составляет sВ = 250-270 МПа, однако пластичность возрастает до d = 20-24 %, что позволяет пластически деформировать сплав в этом состоянии. Для более эффективного упрочнения алюминиевых сплавов их необходимо после закалки подвергать старению – длительной выдержке (от 4 до 6 суток) при комнатной температуре или более короткой выдержке (несколько часов или несколько десятков минут в зависимости от марки сплава) при повышенной температуре (100-180 °С). В первом случае старение называют естественным , а во втором – искусственным . В процессе старения происходят следующие изменения в структуре закаленного сплава. Поскольку пересыщенный твердый раствор α¢ в закаленном сплаве – структура неравновесная и неустойчивая, при последующей выдержке сплава в течение определенного времени (при комнатной или повышенной температурах) в этом твердом растворе происходит диффузионное перераспределение атомов меди. В результате в отдельных участках сплава образуются обогащенные медью зоны . Постепенно в этих зонах при возрастании концентрации меди формируются дисперсные (очень мелкие) частицы химического соединения с кристаллической решеткой, отличной от гранецентрированной решетки твердого раствора α. На последней стадии этого процесса в дуралюмине формируется соединение, имеющее формулу типа СuАl2. Размер обогащенных медью зон на начальной стадии старения составляет: толщина 5-10 Å, диаметр 40-100 Å. Затем они растут до толщин 40 Å и диаметра ≥ 300 Å. Формирование в структуре сплава зон с высокой концентрацией меди и дисперсных частиц химического соединения СuАl2 является сильным препятствием для движения дислокаций при пластической деформации и приводит к значительному упрочнению материала (sВ = 400-650 МПа), при незначительном снижении пластичности (d = 10-18 %). При увеличении температуры и продолжительности искусственного старения дисперсные частицы начинают интенсивно коагулировать и укрупняться. При этом расстояние между ними увеличивается, что облегчает прохождение дислокаций между частицами и приводит к снижению прочности сплава. Поэтому для каждого сплава необходимо выбирать оптимальный режим старения, который должен обеспечивать сохранение в структуре дисперсной упрочняющей фазы СuАl2 . Такой механизм упрочнения характерен для всех алюминиевых сплавов, а тип образующегося химического соединения зависит от состава конкретного сплава. Состав и обозначение деформируемых алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой Дуралюмины обозначаются буквой Д с цифрами, являющимися условными номерами сплавов, например, Д1, Д6, Д16, Д18 и. т. д. Структурное состояние сплава также может обозначаться в его марке. Если сплав находится в отожженном (мягком) состоянии, после цифр ставится буква М, а если сплав повышенного качества (содержит меньше примесей) – буква А. Для обозначения сплавов, подвергнутых закалке и старению, ставится буква Т («твердый») после естественного старения и Т1 после искусственного старения, например, Д16Т. При добавлении в сплав цинка и магния (дополнительно к находящимся в нем меди, хрому, марганцу) создаются условия, позволяющие еще значительнее повышать его прочностные свойства термической обработкой. Такие сплавы называют высокопрочными и обозначают буквой В с цифрами, соответствующими номеру сплава. Некоторые марки и состав алюминиевых сплавов приведены в таблице 1. Таблица 1 Марка сплава Химический состав, % (вес.) Сu Мn Мg Si Fe Zn Cr Zr Д1 4,3 0,6 0,6 0,7 0,7 - - - Д16 4,2 0,6 1,5 0,5 0,5 - - - Д18 2,6 0,6 0,4 0,5 0,5 - - - В95 1,7 0,4 2,3 0,5 0,5 6,0 0,2 - В96 2,3 0,4 2,6 0,5 0,5 8,5 - 0,15 Режимы термической обработки алюминиевых сплавов приведены в таблице 2. Таблица 2 Марка сплава Вид термической обработки Температура нагрева, °С Время выдержки Охлажда-ющая среда Д1, Д16, Д18 Закалка Старение 500 20-30 0,5-3,0 час. 4-6 суток Вода Воздух В95,В96 Закалка Старение 470 120-140 0,5-3,0 час. 16-24 час. Горячая вода (80-90 °С) Воздух Для алюминиевых сплавов данного типа проводят также смягчающий (разупрочняющий) отжиг при 350-430 °С с выдержкой при этих температурах в течение 1-2 часов и последующим медленным охлаждением. При этом в структуре сплава образуются зерна твердого раствора α с крупными частицами химического соединения СuАl2 (в дуралюминах) или MgZn2 , CuMgAl2 (в высокопрочных сплавах). Прессование вызывает структурное упрочнение, так называемый пресс-эффект . Деформируемые алюминиевые сплавы применяются для изготовления изделий пластической деформацией. Это могут быть листы, прутки, заклепки, изделия разных профилей. Из дуралюминов изготавливают обшивку, шпангоуты и лонжероны самолетов, кузова автомобилей, строительные конструкции и т. д. Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Используемые материалы и оборудование. 3. Краткое изложение теоретического материала, видов и обозначения алюминиевых сплавов. 4. Построить графики изменения твердости и провести анализ полученных результатов. Контрольные вопросы 1. В чем заключается суть упрочняющей термической обработки алюминиевых сплавов? 2. Какую структуру имеет дуралюмин в отожженном состоянии? 3. Какие изменения происходят в структуре алюминиевых сплавов при закалке? 4. Что такое старение, и какие его разновидности Вы знаете? 5. Как изменяется структура закаленного сплава при старении? 6. Каков механизм упрочнения алюминиевых сплавов при термической обработке. 7. Почему слабо упрочняется сплав при высокой температуре старения? 8. Что такое дуралюмин? 9. Почему необходимо быстро охлаждать сплав при закалке? 10.Как можно снизить твердость и повысить пластичность дуралюмина? ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11 МИКРОСТРУКТУРА СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ Цель работы 1. Познакомиться с особенностями микроструктуры металла сварного шва. 2. Изучить влияние развиваемого при сварке тепла на изменение структуры металла околошовной зоны. 3. Исследовать изменение свойств по сечению сварного соединения. Материалы и оборудование для выполнения работы Коллекция шлифов сварных соединений, металлографический микроскоп, твердомер, альбом фотографий микроструктур сварного соединения. Порядок выполнения работы 1. Ознакомиться по методическому пособию с процессом образования сварного соединения. 2. По диаграмме железо-углерод и схеме сварного соединения изучить характерные зоны и участки, их структуру и свойства. 3. Выявить и описать дефекты на образцах. 4. Изучить микроструктуру сварного соединения по альбому. 5. С помощью микроскопа изучить и зарисовать микроструктуру характерных зон сварного соединения. 6. Произвести определение химического состава шва и основного металла по микроструктуре. 7. Произвести замер твердости по сечению сварного соединения. Основные положения Характерные зоны в сварных соединениях и особенности их образования, структуры и свойств Процесс образования сварного соединения начинается с нагрева и расплавления основного и электродного металлов. После образования сварочной ванны жидкий металл подвергается металлургической обработке – раскислению (удалению кислорода), рафинированию (удалению вредных примесей) и легированию. В этот же период происходит выделение газов из жидкого металла. Последний период – кристаллизация металла шва. Следует отметить, что одновременно с образованием сварочной ванны и кристаллизацией происходит нагрев околошовной зоны основного (свариваемого) металла. Поэтому в процессе сварочной операции, каждый объем металла сварного соединения претерпевает нагрев до разных максимальных температур и затем охлаждается с различной скоростью. Таким образом, каждый характерный участок металла в сварном соединении после сварки имеет свою термическую историю, которая может быть описана термическим циклом сварки. Термический цикл сварки (также как и любая термическая обработка) представляет собой изменение температуры сварного соединения во времени. В зависимости от реальных условий процесса сварки, скорости нагрева и охлаждения и достигаемые температуры могут изменяться в очень широких пределах. Наибольшие скорости наблюдаются при контактной сварке (особенно при точечной и роликовой). В этих случаях электрический ток часто протекает в течение долей секунды. При газовой сварке скорость нагрева и охлаждения значительно меньше. Условились режимы сварки, при которых скорости нагрева и охлаждения очень большие, называть «жесткими» . Под «мягким» режимом понимают такие режимы, при которых металл нагревается и охлаждается медленно. Сварное соединение состоит из следующих зон. 1. Металл шва . Это та зона, в которой в связи с нагревом выше температуры ликвидуса свариваемый металл расплавлялся в процессе сварки, перемешивался с металлом электрода и затем кристаллизовался. Структура шва характеризуется столбчатой формой кристаллов. При дальнейшем охлаждении металл шва претерпевает вторичную перекристаллизацию. Особенностью кристаллизации сварочной ванны является то, что в отличие от кристаллизации слитка, кристаллизация шва протекает при одновременном нагреве от источника тепла и охлаждения в виде отвода тепла в основной металл. Металл шва, за счет перехода легирующих элементов из покрытия или электродного стержня, часто отличается по химическому составу от основного металла. Как известно, литая структура металла шва обладает меньшей прочностью и повышенной хрупкостью по сравнению с основным металлом, который, как правило, имеет более высокую прочность и ударную вязкость за счет обработки его давлением (прокатка, ковка и т.п.). Равнопрочность литого металла шва с основным металлом при сварке достигается за счет легирования шва. 2. Зона сплавления охватывает те объемы металла, которые в процессе сварки нагревались до температур выше линии солидуса, но ниже линии ликвидуса. В этой области происходило частичное расплавление основного металла. В эту зону в процессе сварки могли проникать различные элементы, которые вводились в электрод. Ширина зоны сплавления зависит от свойств металла (что определяет температурный интервал Т л – Т с ) и от способа сварки. 3. Зона термического влияния представляет тот объем основного металла, который при сварке нагревался ниже температуры плавления, и вызвал изменение структуры и свойств. Характер структуры и свойств в отдельных зонах сварного соединения может быть определен из рассмотрения диаграммы состояния свариваемого сплава. Наибольшее применение в промышленности находят низкоуглеродистые стали, отличающиеся хорошей свариваемостью. Для анализа изменения микроструктуры малоуглеродистой стали, при сварке воспользуемся диаграммой железо-углерод. Намечая на диаграмме состояния температурные границы характерных зон и участков, перенесем эти границы на график распределения температур. Из точек пересечения горизонтальных линий с кривой охлаждения опустим перпендикуляры на рисунок сварного соединения. Это дает возможность определить линейные границы отдельных участков. При сварке плавлением низкоуглеродистых сталей применяются сварочные материалы, при которых металл шва получается низкоуглеродистым и низколегированным. Такие стали мало чувствительны к скорости охлаждения и не закаливаются. Микроструктура шва получается, как правило, феррито-перлитной. Переходная зона, или зона сплавления (иногда ее называют границей сплавления), отмечена на схеме цифрой 1. У низкоуглеродистых сталей она невелика. Обычно она имеет ширину 0,08-0,1 мм при дуговой сварке и 0,15-0,20 мм при газовой и электрошлаковой сварке. Структура данной зоны обычно крупнозернистая (феррит + перлит). Зона термического влияния нагревается до температур ниже солидуса и в зависимости от температуры нагрева разделяется на ряд участков. Участок перегрева (2) у низкоуглеродистой стали включает металл, нагретый от температур 1000-1100 °C до температур, близких к температуре плавления. В связи с этим здесь развивается крупное зерно; характерным признаком перегрева является повышенная хрупкость. Иногда в участке перегрева встречается так называемая видманштеттова структура. Эта структура впервые была обнаружена Видманштеттом при исследовании метеоритного железа и характеризуется ориентированным расположением феррита. При правильно выбранных режимах сварки структура участка перегрева – крупнозернистый перлит и феррит. Участок нормализации (3) охватывает металл, нагреваемый в процессе сварки несколько выше критической точки Ас 3 (для низкоуглеродистой стали до температур 900-1100 °С). Благодаря процессу перекристаллизации при нагреве и охлаждении и оптимальной температуре этого нагрева имеет место значительное измельчение зерна. Механические свойства этого участка весьма высокие по сравнению со свойствами других участков зоны термического влияния. Участок неполной перекристаллизации (4) нагревается до температур, лежащих в интервале от точки Aс 1 до Aс 3 . Металл этого участка в процессе нагрева и охлаждения подвергается только частичной перекристаллизации. Процесс перекристаллизации доэвтектоидной стали протекает следующим образом. До нагрева основной металл имеет структуру феррит и перлит со значительным преобладанием феррита, поскольку сталь низкоуглеродистая. При нагреве в точке Aс 1 наблюдается эвтектоидное превращение перлита в аустенит, феррит же при этой температуре никаких превращений не претерпевает. При охлаждении зерна феррита остаются без изменения, а аустенит переходит в мелкозернистый перлит. Таким образом, отличительной чертой структуры этого участка будет наличие мелких зерен перлита рядом с зернами феррита, имеющими обычные, характерные для основного металла размер и форму. Участок рекристаллизации (5) может иметь разную структуру в зависимости от предшествовавшей обработки. У горячекатаной или отожженной перед сваркой стали структура металла, нагревавшегося до температур ниже Ас 1 , не меняется. Если металл перед сваркой был наклепан (путем холодной прокатки, штамповки, гибки, обработки резанием), то структурные превращения наблюдаются и на участках, которые нагревались ниже температуры Ас 1 . В холоднодеформированном металле при нагреве происходит процесс рекристаллизации, заключающийся в том, что из деформированных, вытянутых зерен вырастают новые, равноосные зерна. Величина этих новых зерен зависит от степени деформации. Температура начала процесса рекристаллизации вычисляется по формуле: Т р = K ·Т пл , где K – коэффициент, зависящий от чистоты металла. У металлов обычной технической чистоты K = 0,3-0,4; Т пл – температура плавления, K. Если же основной металл перед сваркой холодной пластической деформации не подвергался, то рекристаллизация не происходит и участка рекристаллизации не будет. Участок синеломкости (6) по структуре совершенно не отличается от основного металла. Температура нагрева этого участка 200-500 °С. Характерным для него является снижение ударной вязкости из-за выделения примесей по границам зерен в виде субмикроскопических частиц. Механические свойства зон и участков сварного соединения неодинаковы. Наиболее низкими механическими свойствами будут обладать металл шва, граница сплавления, участок перегрева и участок синеломкости. Низкие механические характеристики шва объясняются литой структурой металла и вероятностью наличия дефектов (включений, газовых пор, непроваров и т.п.). Переходная зона, как известно, состоит из литых зерен и крупных зерен перегретого основного металла с характерной для них низкой прочностью. На участке синеломкости прочность снижается из-за выпадения примесей по границам зерен. Особенно резко проявляется это явление при эксплуатации сварных конструкций при повышенных температурах. Возможности термической обработки сварных соединений Структурную неоднородность сварного соединения можно в некоторой степени устранить путем термической обработки. Если на термическую обработку возлагается только задача снятия внутренних напряжений (возникших в результате сварки), то достаточно ограничиться низкотемпературным отжигом с последующим медленным охлаждением. Обычно для снятия внутренних напряжений применяют отжиг при 500-600 °C, а иногда и при более низких температурах. Однако часто на термическую обработку возлагают и другие задачи: 1. Получение мелкого зерна путем перекристаллизации. 2. Выравнивание структуры по сечению шва и зоны термического влияния. 3. Выравнивание химического состава путем диффузии. 4. Придание основному и наплавленному металлу заданных свойств и структуры. В любом случае, прежде чем решиться на термическую обработку сварного соединения, нужно тщательно изучить геометрию и размеры сварного соединения, неоднородность химического состава и структуры. Как правило, после этого требуется экспериментальная проверка принятых решений. Следует отметить, что прочность сварного соединения зависит также от дефектов, не связанных со структурными превращениями. Это неправильное формирование шва, образование наплывов и подрезов, образование трещин при неравномерной усадке шва. Последнее объясняется тем, что жидкий металл имеет больший объем, нежели твердый. При затвердевании объем шва будет уменьшаться, а основной металл, как правило, препятствует этой усадке. В результате могут образоваться внутренние напряжения и трещины. Задания по выполнению работы 1. Изучить коллекцию сварных образцов и определить дефекты, которые выявляются внешним осмотром. 2. Определить характерные зоны сварного соединения. 3. Изучить и зарисовать микроструктуру сварного соединения. 4. Определить содержание углерода (по микроструктуре) в шве и в основном металле. 5. Произвести замер твердости по сечению сварного соединения. 6. Ответить на контрольные вопросы. Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Материалы и оборудование. 3. Рисунок диаграммы железо-углерод и схемы сварного соединения. 4. Краткая характеристика микроструктуры и свойств зон и участков сварного соединения. 5. Изображение микроструктуры характерных участков и зон сварного соединения. 6. Расчет химического состава шва и основного металла по углероду. 7. Рисунки дефектов сварных швов. 8. График изменения твердости по сечению шва. Контрольные вопросы 1. Из каких этапов состоит процесс образования сварного соединения? 2. Что такое термический цикл сварки? 3. Попробуйте нарисовать термический цикл при сварке (в координатах температура – время). Сравните с графиком какого-либо вида термической обработки, например, закалки в воду, нормализации. Проанализируйте, в чем сходство и различие вида кривых. 4. Что такое мягкий и жесткий режим сварки? Как их получить практически, например, при ручной дуговой сварке, контактной и др.? 5. Из каких зон состоит сварное соединение? 6. Опишите характерные признаки зон сварного соединения. Как эти зоны образуются при сварке? 7. Как добиваются равнопрочности сварного шва с основным металлом? 8. Всегда ли нужно добиваться равнопрочности шва и основного металла? 9. От каких факторов зависит ширина зоны сплавления? 10.Что называется зоной термического влияния? 11. Из каких участков состоит зона термического влияния? 12. От чего зависит величина зоны термического влияния? 13. Отличается ли химический состав металла в зоне термического влияния от химического состава основного свариваемого металла? 14. Какие изменения происходят в металле участка перегрева? 15. Свойства металла на участке нормализации. 16. Структурные превращения металла на участке неполной перекристаллизации. 17. Что такое наклеп и рекристаллизация? 18. Какие дефекты влияют на качество шва? 19. Причины образования трещин в шве. 20. Как устранить внутренние напряжения в сварном соединении? Подписано к печати Формат 60х84/16. Бумага офсетная. Печать RISO. Усл. печ. л. 2,44. Уч.-изд. л. 2,21. Тираж 150 экз. Заказ . Цена свободная. Отпечатано в ООО «Типография «Иван Федоров» г. Томск, Октябрьский взвоз, 1