Ударная вязкость

 

Вязкость – свойство материала сопротивляться разрушению под действием динамических нагрузок.

Ударная вязкость определяется работой А, затраченной на разрушение образца, отнесенной к площади его поперечного сечения F; Дж/м²:

 

КС =

 

Испытания проводятся ударом специального маятникового копра. Для испытания применяется стандартный надрезанный образец, устанавливаемый на опорах копра. Маятник определенной массы наносит удар по стороне, противоположной надрезу.

КС – ударная вязкость, Дж/м²: индексы V, U (KCV, KCU) характеризуют форму надреза.

 

Таблица 1.1.

Механические свойства сталей

Марка стали	Свойства
, МПа	, %	ψ, %	НВ, МПа
У8

 

1.3. Порядок выполнения работы

 

1. Изучить маркировку сталей;

2. Изучить механические свойства материалов и способы их определения;

3. Получить образцы для испытаний;

4. Провести испытания образцов на твердость;

5. По результатам испытаний и табличным данным построить графики, отражающие зависимость твердости, прочности и пластичности от содержания углерода;

6. Составить письменный отчет по работе.

Содержание отчета: теоретическая часть, таблица, графики, выводы.

 

1.4. Контрольные вопросы

 

1. Как маркируют стали обыкновенного качества, качественные, легированные?

2. Что такое прочность? Методы измерения, характеристики, единицы измерения.

3. Чем отличается упругая деформация от пластической?

4. Что такое пластичность? Методы измерения, характеристики, единицы измерения.

5. Что такое твердость? Методы определения твердости.

6. Что такое ударная вязкость?

7. Чем отличаются статические методы испытаний от динамических?

 

Лабораторная работа 2

 

ИЗУЧЕНИЕ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ ДВОЙНЫХ СИСТЕМ

Цель работы: ознакомиться с основными типами диаграмм состояния двойных систем; научиться распознавать фазовый состав сплава и структуру в зависимости от температуры и концентрации компонентов.

 

2.1. Основные понятия

 

1. Система. Системой называют группу тел (веществ), которую выделяют из прочих окружающих тел и в которой наблюдают интересующие явления.

Для металлических сплавов системой будет являться совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия. Система, состоящая из одной фазы, называется гомогенной; система, состоящая из двух и более фаз – гетерогенной.

2. Фаза. Фазой называют однородную (гомогенную) составную часть системы, имеющую одинаковый состав, строение и свойства, одно и тоже агрегатное состояние и отделенную от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства резко меняются.

Фазами могут быть:

· сами элементы в твердом, жидком состоянии и их аллотропические модификации;

· жидкие и твердые растворы, химические соединения.

3. Структура. Под структурой понимают форму, размеры, количество и характер взаимного расположения соответствующих фаз.

4. Компонент. Компонентами называют независимые индивидуальные вещества, способные существовать в изолированном виде, наименьшее число которых достаточно для образования всех фаз данной системы.

5. Металлический сплав – вещество, обладающее металлическими свойствами, полученное сплавлением или спеканием двух или более компонентов. В металлических сплавах компонентами являются чистые металлы и неметаллы, а также химические соединения.

 

2.2. Правило фаз

 

Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз могут быть выражены в математической форме, именуемой правилом фаз или законом Гиббса.

Правило фаз показывает количественную зависимость между числом степеней свободы С, числом компонентов К и числом фаз Ф:

С = К – Ф + 2 (1)

 

Независимыми переменными в уравнении правила фаз являются концентрация, температура, давление. Если признать, что все превращения происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшается на единицу и уравнение правила фаз примет следующий вид:

 

С = К – Ф + 1. (2)

 

Число степеней свободы С (вариантность) показывает, сколько переменных могут изменяться в системе одновременно и независимо друг от друга, без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.

Для случая, характеризуемого уравнением (2), таких переменных две – температура и концентрация.

Если С = 2 (система бивариантная), то в рассматриваемой области и температура, и концентрация могут изменяться независимо друг от друга. Это значит, что никаких превращений в сплаве не происходит (например, в жидком расплаве из двух компонентов С = 2 – 1 + 1 = 2).

Если С = 1 (система моновариантная), то это значит, что в данной области при изменении одного параметра (например, температуры сплава) одновременно по определенному закону изменяется и второй (концентрация). На кривой охлаждения будет наблюдаться перегиб (например, сплав из двух компонентов в области первичной кристаллизации будет иметь С = 2–2+1=1).

Если С = 0 (система нонвариантная), то это значит, что оба параметра (температура и концентрация) должны оставаться постоянными до окончания данного превращения. На кривой охлаждения будет наблюдаться горизонтальная площадка при температуре этого превращения (например, сплав из 2-х компонентов при эвтектических концентрациях и температуре будет иметь С = 2–3+1=0).

 

 

2.3. Основные типы диаграмм состояния

 

Диаграммы состояния или диаграммы фазового равновесия в удобной графической форме показывают фазовый состав сплава в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Диаграммы состояния строят для условий равновесия или условий, достаточно близких к ним. Они дают наглядное представление о процессах, происходящих в сплавах при нагревании и охлаждении, что может быть использовано при оценке физико-химических, механических и технологических свойств сплава и позволяет рационально подойти к выбору материалов для изготовления изделий.

Диаграммы состояния двойных систем строят в координатах “концентрация компонентов - температура”. Линии, соединяющие точки аналогичных превращений в системе, разграничивают области существования равновесных фаз. Каждая точка на диаграмме определяет фазовый и химический состав сплава, а также его структуру при данной температуре.

В зависимости от взаимной растворимости и характера взаимодействия компонентов различают разные типы диаграмм состояния. Рассмотрим пять основных типов диаграмм.

Диаграмма состояния сплавов 1 рода, образующих механические смеси из чистых компонентов, представлена на рис. 2.1.

 

Рис 2.1 Диаграмма состояния I рода сплавов, образующих механическую смесь из чистых компонентов

 

Оба компонента в жидком состоянии неограниченно растворимы, а в твердом состоянии нерастворимы (или ничтожно мало растворимы) и не образуют химических реакций. На этой диаграмме линия MBN – линия ликвидус, линия ДСЕ – линия солидус. Точки М и N – температуры плавления компонентов А и В. При охлаждении жидкого сплава x в интервале между линиями ликвидус и солидус от точки 1 до 2 происходит образование кристаллов компонента В. При достижении температуры t₁, весь оставшийся жидкий сплав превращается в эвтектическую смесь, состоящую из кристаллов А и В с химическим составом, соответствующим точке С. Точка С называется эвтектической точкой. При температуре t₁ и концентрации, соответствующей точке С, до завершения кристаллизации система будет нонвариантной (С = 2 – 3 + 1 = 0).

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (2 рода) представлена на рис. 2.2.

Рис 2.2 Диаграмма состояния II рода сплавов с неог­раниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

 

Линия M1N – линия ликвидус, линия M2N – линия солидус. Точки М и N – температуры плавления компонентов А и В. При охлаждении жидкого сплава в интервале температур между линиями ликвидус и солидус (от точки 1 до точки 2) происходит выпадение кристаллов твердого раствора a разного химического состава, изменяющегося от точки С до точки 2. При медленном охлаждении концентрация всех зерен твердого раствора выравнивается за счет диффузии между кристаллами. При охлаждении сплава в интервале кристаллизации от t₁ до t₂ система будет моновариантной (С = 2 – 2 + 1 = 1).

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (3 рода) представлена на рис. 2.3.

Рис 2.3 Диаграмма состояния Ш рода сплавов - с ограниченной растворимостью в твердом состоянии

 

Линия MEN – линия ликвидус, линия МДECN – линя солидус. Точки М и N – температуры плавления компонентов А и В. Точка Д – максимальная растворимость компонентов В в компоненте А. Точка С – максимальная растворимость компонента А в компоненте В. Точка Е – эвтектическая точка. При охлаждении жидкого сплава этой концентрации до температуры t₁ происходит одновременная кристаллизация твердых растворов a и b с образованием эвтектики, состоящей из кристаллов a и b. Согласно правилу фаз при температуре t₁ до полного затвердевания эвтектического сплава система будет нонвариантной (С = 2 – 3 + 1 = 0).

При медленном охлаждении твердого раствора a от температуры t₁ до комнатной в связи с уменьшением растворимости из него будут выделяться субмикроскопические кристаллы твердого раствора b (вторичные).

Диаграмма состояния сплавов с перитектическим превращением (4 рода), представлена на рис.2.4.

Линия MCN – линия ликвидус, линия MPDN – линия солидус. Точки М и N – температуры плавления компонентов А и В. Точка Р – перитектическая точка. Линия СРД (температура t₁) – перитектическая линия. При охлаждении жидкого сплава с концентрацией F, соответствующей точке Р, ранее выпавшие кристаллы твердого раствора b полностью реагируют с жидкостью и превращаются в кристаллы a-твердого раствора.

 

 

Рис 2.4 Диаграмма состояния с перитектикой (IV рода)

 

При температуре t₁ система также будет нонвариантной до завершения превращения (С = 2 – 3 + 1 = 0).

В интервале концентраций между точками F и Е образуется структура из твердых растворов a и b, а между точками F и А структура сплава будет состоять из одной фазы a-твердого раствора.

Диаграмма состояния с устойчивыми химическими соединениями (5 рода) представлена на рис. 2.5.