Определение механических свойств конструкционных материалов путем испытания их на растяжение

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

Введение и методические рекомендации …………………….…..
Лабораторная работа № 1. Определение механических свойств конструкционных материалов путем испытания их на
растяжение …………………………………………………………
Лабораторная работа № 2. Определение твердости металлов и сплавов ……………………………………………………………
Лабораторная работа № 3. Методы исследования качества,
структуры и свойств металлов и сплавов ………………………...
Лабораторная работа № 4. Пластическая деформация и
рекристаллизация металлов ……………………………………….
Лабораторная работа № 5. Диаграммы состояния двойных
систем, структура и свойства сплавов ……………………………
Лабораторная работа № 6. Диаграмма состояния
«железо-цементит». Структура, свойства и применение
железоуглеродистых сплавов ……………………………………..
Лабораторная работа № 7. Термическая обработка
углеродистых сталей …………………………………………….
Лабораторная работа № 8. Особенности упрочняющей
термической обработки легированных сталей ………………….
Лабораторная работа № 9. Упрочнение титановых сплавов
легированием и термической обработкой ………………………..
Лабораторная работа № 10. Термическая обработка
деформируемых алюминиевых сплавов ………………………….
Библиографический список ……………………………… … …

 

Введение и методические рекомендации

Лабораторные работы по курсу «Авиационное материаловедение» проводятся в целях более глубокого изучения основных тем курса, приобретения навыков в области термической обработки сталей, алюминиевых, титановых сплавов, ознакомления с механическими испытаниями и методами макро- и микроструктурного анализа металлов и сплавов, а также практической отработки ряда вопросов, связанных с использованием лабораторного оборудования: микроскопов, нагревательных печей, закалочных ванн, твердомеров, заточных, шлифовальных и полировальных станков и др.

Выполнению лабораторных работ должно предшествовать изучение соответствующих тем по материалам лекций и учебникам, знакомство с содержанием каждой работы по данному пособию. Для единообразного оформления лабораторных работ до выполнения каждой их них студенту необходимо в отдельной тетради или в специально выделенном месте конспекта по курсу лекций подготовить форму отчета, разработанную на кафедре. На все вопросы вводного раздела отчета (до практической части) должны быть даны необходимые ответы.

Для оценки характера изменения механических свойств в процессе деформации и различных видов термообработки проводится измерение твердости на приборе Роквелла. Если учесть, что твердость и предел прочности являются хорошо коррелирующимися свойствами материала, то по характеру изменения твердости можно судить о характере изменения прочности.

При изучении микроструктур сплавов и их зарисовке желательно пользоваться карандашом. На рисунках микроструктур в каждом случае необходимо делать выносные линии и указывать фазы и структурные составляющие.

По каждому пункту практических работ необходимо делать выводы или указывать значение определяемого параметра и давать его оценку.

Для сдачи лабораторных работ теоретического материала, приведенного в данном учебном пособии, недостаточно. Необходимо обращаться к курсу лекций и учебной литературе.

 

 

 

Лабораторная работа № 1

 

Определение механических свойств конструкционных

материалов путем испытания их на растяжение

 

Цель работы

 

1. Изучить методику испытаний металлов и сплавов на растяжение.

2. Ознакомиться с конструкцией и работой разрывной машины.

3. Провести испытания на растяжение двух образцов из разных материалов, получить диаграммы растяжения.

4. Определить положение характерных точек, рассчитать параметры в характерных и промежуточных точках.

5. На основании выполненных расчетов построить диаграмму зависимости условных напряжений от степени деформации.

6. Определить основные механические характеристики материалов и дать заключение о свойствах испытанных материалов.

 

Содержание работы

Испытания на растяжение (ГОСТ 1497-84) широко применяют для определения механических свойств конструкционных сталей, цветных металлов и сплавов.

Стандарт устанавливает методы статических испытаний на растяжение для определения при температуре 20±15°С пределов пропорциональности, упругости, текучести (условного и физического), временного сопротивления, относительного удлинения и относительного сужения после разрыва.

При испытаниях на растяжение принимают следующие обозначения и определения:

- рабочая длина образца l (м, мм) - часть образца с постоянной площадью поперечного сечения между его головками или участками для захвата;

- начальная расчетная длина образца l₀ (м, мм) - участок рабочей длины образца между нанесенными метками до испытания, на котором определяется удлинение;

- конечная расчетная длина образца l_к (м, мм) - длина расчетной части образца после разрыва;

- начальный диаметр образца d₀ (м, мм) - диаметр рабочей части цилиндрического образца до испытаний;

- диаметр образца после разрыва d_к (м, мм) - минимальный диаметр рабочей части цилиндрического образца после разрыва;

- начальная площадь поперечного сечения образца F₀ (м², мм²) - площадь поперечного сечения рабочей части образца до испытаний;

- площадь поперечного сечения образца после разрыва F_к (м², мм²) - минимальная площадь поперечного сечения рабочей части образца после разрыва;

- осевая растягивающая нагрузка P (Н, кгс) - нагрузка, действующая на образец в данный момент испытания;

- условное напряжение s (МПа, кгс/мм²) - напряжение, определяемое отношением нагрузки P к начальной площади поперечного сечения F₀ образца;

- истинное нормальное напряжение S (МПа, кгс/мм²) - напряжение, определяемое отношением нагрузки P к действительной в данный момент испытания площади поперечного сечения F образца;

- абсолютное удлинение образца Dl (м, мм) - приращение начальной расчетной длины образца в любой момент испытания;

- предел пропорциональности s_пц (МПа, кгс/мм²) - напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой «нагрузка-удлинение» в точке P_пц с осью нагрузки, увеличивается на 50% от своего значения на упругом (линейном) участке;

- условный предел упругости s_0,05 (МПа, кгс/мм²) - напряжение, после снятия которого остаточное удлинение достигает 0,05% длины участка рабочей части образца, равного базе измерения;

- модуль упругости E (МПа, кгс/мм²) - отношение приращения напряжения к соответствующему приращению деформации в пределах упругой деформации;

- предел текучести физический:

- нижний предел текучести s_т (МПа, кгс/мм²) - наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки;

- верхний предел текучести s_тв (МПа, кгс/мм²) - напряжение, соответствующее первому пику нагрузки, зарегистрированному до начала текучести рабочей части образца;

- предел текучести условный s_0,2 (МПа, кгс/мм²) - напряжение, после снятия которого остаточное удлинение достигает 0,2% длины рабочего участка образца;

- временное сопротивление (предел прочности) s_в (МПа, кгс/мм²) - максимальное напряжение, которое выдерживает образец до разрушения;

- относительное равномерное удлинение d_р (%) - отношение приращения длины участка в рабочей части образца до момента начала образования шейки (в т. в) для пластичных материалов или до разрыва в материалах, у которых шейка не образуется, к длине образца до испытания;

- относительное удлинение после разрыва d (%) - отношение приращения расчетной длины образца Dl_к = (l_к -l₀) после разрушения к начальной

расчетной длине l₀;

- относительное сужение после разрыва y (%) - отношение разности начальной F₀ и минимальной конечной F_к площадей поперечного сечения образца после разрушения к начальной площади поперечного сечения образца F₀;

Для испытаний на растяжение применяют пропорциональные цилиндрические или плоские образцы (рис. 1.1) диаметром или толщиной в рабочей части 3 мм и более. Начальная расчетная длина цилиндрических образцов

l₀ =5d₀, l₀ =10d₀, а образцов квадратного или прямоугольного сечения -

l₀ = 5,65(короткие) или l₀ = 11,3(длинные). Применение коротких образцов предпочтительнее.

Образцы из тонких листов и лент толщиной от 0,5 до 3 мм изготавливают в соответствии с ГОСТ 11701-84.

Испытания проводят обычно на двух образцах.

Допускается применение непропорциональных образцов, для которых начальная расчетная длина l₀ устанавливается независимо от начальной площади поперечного сечения образца F₀.

Типы и размеры пропорциональных цилиндрических и плоских образцов приведены в приложениях к ГОСТ 1497-84.

 

 

Рис. 1.1. Образцы для испытаний на растяжение:

1 - плоский; 2 - цилиндрический

 

Форма и размеры головок и переходных частей образцов определяются способом крепления образцов в захватах разрывной машины.

По ГОСТ 1497-84 определяют место вырезки, способ изготовления, качество поверхности, предельные отклонения по размерам образцов.

В качестве испытательных применяют разрывные и универсальные машины различных систем. Машина должна обеспечивать: надежное центрирование образца в захватах, плавность нагрузки, скорость перемещения подвижного захвата не боле 0,1 мм/мин до предела текучести и не более

0,4 мм/мин за пределом текучести. Принципиальная схема разрывной машины Р-5 с рычажно-маятниковым силоизмерителем показана на рис. 1.2 (стрелками на схеме указаны движения элементов машины в процессе нагружения образца).

Испытываемый образец 1 помещают в захваты, один из которых (2) называется активным, а другой (3) - пассивным. Активный за­хват располагается на подвижной траверсе 4, в которой имеются застопоренные (не вращающиеся) гайки 5. Привод активного захвата (создание силы Р ) осуществляется электромеханическим путем: вращательное движение вала электродвигателя 6 через червячный редуктор 7 и шестерни 8 и 9 передается винтам 10; вращаясь в застопоренных гайках, винты заставляют траверсу перемещаться поступательно.

На опоре11 верхней неподвижной траверсы установлен рычаг 12 маятникового силоизмерителя, связанный с тягой 13 пассивного захвата 3. Через систему рычагов и тяг силоизмерителя 12 - 16 нагруз­ка Р, действующая на образец, уравновешивается силой G маятникового груза 17. Отклонение маятника от начального положения (когда Р = 0) фиксируется по отсчетному устройству 18 со шкала­ми, проградуированными по силе Р .

При отклонении маятника поводок 19, жестко соединенный с рычагами 15 и 16 маятника, перемещает зубчатую рейку 20, которая вращает шестерню 21, сидящую на одной оси с рабочей стрелкой 22 отсчетного устройства силоизмерителя. При перемещении рабочая стрелка ведет засобой контрольную стрелку, которая фиксирует максимальное усилие. На циферблате отсчетного устройства нанесены три шкалы (А, Б и В), соответствующие различным диапазонам нагрузок (маши­на может быть настроена на создание предельных нагрузок: 1000, 2500 и 5000 кгс соответственно).

На одной оси с шестерней и рабочей стрелкой указателя на­грузок установлен шкив 23, который с помощью гибкого тросика 24 перемещает перо 25 самописца.

Для записи диаграммы Р = f(Dl) используют специальную бумажную ленту 26 (ЛПГ 320, ГОСТ 7836-75) с величиной наименьших делений 1,6 мм.

Одно такое деление по оси ординат (сила Р) при наладке машины на предельную нагрузку 1000 кгс соответствует 5 кгс, на 2500 кгс - 12,5 кгс, на 5000 кгс - 25 кгс.

При растяжении образца перемещению активного захвата в 1 мм будет соответствовать перемещение ленты по оси абсцисс (аб­солютная деформация Dl ) на 10, 50 или 100 мм.

Желаемый масштаб Dl (10:1, 50:1 или 100:1) обеспечивается настройкой масштабного преобразователя 27, который является на­страиваемым редуктором, передающим вращение на барабан 28 ленто­протяжного механизма от шестерни 29 через валик 30 и пару кони­ческих шестерен 31.

Одновременно деформация может контролироваться специальным счетчиком 32, одна единица показаний которого соответствует 0,2 мм перемещения подвижной траверсы 4.

Движение активного захвата без нагрузки может происходить с различной скоростью (от 1 до 100 мм/мин), которая контролиру­ется прибором 33.

 

 

Рис. 1.2. Принципиальная схема разрывной машины

 

Показанный на схеме груз 34 служит для возврата в исходное положение (к нулю) рабочей стрелки 22 и пера 25 при снятии на­грузки.

На этой же машине, применяя специальное приспособление, мож­но испытывать металлы на сжатие и изгиб.

 

Диаграмма деформации при растяжении

Записывающее устройство разрывной машины графически изобра­жает зависимость между действующей осевой нагрузкой и абсолютной деформацией образца.

На рис. 1.3 даны типичные диаграммы растяжения различных металлов. Диаграмма на рис. 1.3, а свойственна большинству металлов и сплавов. Для малоуглеродистой отожженной стали и некоторых отож­женных бронз характерна диаграмма с площадкой текучести, которая приве­дена на

рис. 1.3, б. Хрупкие металлы (чугун и др.) разрушаются при малых пластических деформациях (рис. 1.3, в).

 

а б в

Рис. 1.3. Диаграммы растяжения различных металлов

 

Характерные участки и точки диаграммы растяжения показаны на

рис. 1.4.

Первый участок диаграммы 0P представляет собой прямую линию, т.е. между Р и Dl соблюдается закон Гука. Напряжение в точке Р есть предел пропорциональности .

При дальнейшем увеличении силы прямолинейная зависимость нарушается.

Несколько выше точки Р находится точка «е». Напряжение в точке «е» есть предел упругости s_0,05, который вычисляют по формуле

. (1.1)

Предел упругости s0,05 , как и предел пропорциональности, определяется расчетным или графическим способом.

. (1.2)      

Порядок выполнения работы

2. Занести в табл. 1.3 параметры машины. 3. Разорвать образцы (выполняет учебный мастер). При испытаниях по контрольной… 4. Измерить значения lк, dк, вычислить Fк и занести в табл. 1.2.

Лабораторная работа № 2

Определение твердости металлов и сплавов

Цель работы

 

1. Ознакомиться с устройством приборов.

2. Изучить методику определения твердости металлов по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу (подготовка образцов, выбор наконечников и нагрузки, порядок определения твердости, области применения).

3. Определить твердость образцов из различных материалов по Бринеллю и Роквеллу.

4. Вычислить приближенное значение предела прочности по полученному значению НВ.

5. Перевести числа твердости по Роквеллу в числа твердости по Бринеллю.

Содержание работы

Твердость – это способность материала сопротивляться внедрению в него других тел определенной формы и размеров под действием определенных сил. Измерение твердости можно осуществлять по методам Бринелля, Роквелла и Виккерса. В данной работе рассматриваются первые два метода.

Метод Бринелля

Сущность метода заключается во вдавливании стального закаленного шарика диаметром 2,5; 5,0 или 10 мм в испытываемый образец (изделие) под действием… Рис. 2.1. Схема получения отпечатка

Порядок выполнения работы

1. Проверить соответствие образцов требованиям.

2. По табл. 2.1 выбрать диаметр шарика, нагрузку и время выдержки под нагрузкой.

2. Закрепить шариковый наконечник в шпинделе.

4. Установить на подвеску требуемое для испытания количество грузов.

5. Установить нужную выдержку.

6. Установить на столик испытуемый образец и вращением маховика поднять его до касания с шариком и дальше до упора.

7. Нажать на пусковую кнопку.

8. После выключения двигателя снять образец и замерить диаметр отпечатка.

9. По величине диаметра отпечатка d (см. табл. 2.2) найти число твердости НВ. Для каждого образца провести не менее трех испытаний.

10. Результаты испытаний занести в протокол № 1 (см. приложение).

11. Вычислить предел прочности s_в испытанных материалов, результат занести в протокол № 1.

 

Метод Роквелла

Алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной шарик диаметром 1,588 мм (1/16¢¢) вдавливается в испытуемый образец (изделие) под… 60 кгс при вдавливании конуса. Схема определения твердости по Роквеллу приведена на рис. 2.4.

Порядок выполнения работы

2. По табл. 2.4 выбрать шкалу, нагрузку и вид наконечника. 3. Включить прибор тумблером 8 (см. рис. 2.5), при этом должна загореться… 4. Проверить соответствие груза выбранному наконечнику и шкале, по которой предполагается проводить измерение.

Микроструктурный анализ металлов и сплавов

С помощью микроанализа можно определить следующие особенности структуры: 1) тип и балл неметаллических включений в сплавах; 2) величину и форму зерен;

Таблица 3.2

Увеличения при рациональных комбинациях

Объективов и окуляров микроскопа МИМ-7

* увеличение в скобках применять не рекомендуется. Для получения желаемого увеличения микроскопа надо, пользуясь табл. 3.2,… Для увеличения разрешающей способности микроскопа можно использовать ультрафиолетовую часть спектра (l<0,4 мкм),…

Вспомогательные устройства микроскопа

Цену деления окуляра-микрометра определяют следующим обра­зом. На предметный столик помещают объект-микрометр шкалой вниз. Наблюдая в… Подсчитывают, в какое число делений окуляра-микрометра укладывается… ,

Контрольные вопросы

1. Что представляет собой макроструктурный анализ металлов и сплавов? Что выявляется с его помощью?

2. Какие вы знаете виды разрушений, чем они характеризуются?

3. Чем характеризуется поверхностное травление и для чего оно применяется? Для чего используется глубокое травление?

4. Как определяется наличие и распределение серы в сталях методом отпечатка по Бауману?

5. Что представляет собой микроструктурный анализ? Что можно выявить с его помощью? Каков порядок приготовления микрошлифов?

6. Какие реактивы применяют для выявления структуры в различных сплавах?

7. Что представляет собой разрешающая способность и полезное увеличение микроскопа? Как можно повысить полезное увеличение микроскопа?

8. Что представляет собой окуляр-микрометр и объект-микрометр? Как определяется цена деления окуляра-микрометра с помощью объекта-микрометра?

9. Как определяется балл неметаллических включений в сталях?

10. Как определяется номер зерна в сталях? Сколько всего номеров зерна в сталях в соответствии с ГОСТом?

 

Лабораторная работа № 4

Пластическая деформация и рекристаллизация металлов

Цель работы

1. Изучить механизм пластической деформации монокристаллов и поликристаллических металлов и сплавов. Эксперимен­тально определить зависимость механических свойств металлов и сплавов от степени пластической деформации.

2. Исследовать влияние температуры нагрева на свойства деформированного металла.

3. Экспериментально определить температуру начала рекристаллизации и критическую степень деформа­ции заданного сплава.

 

Содержание работы

При различных технологических операциях (ковке, штамповке, прокатке) в металлах и сплавах возникают значительные структурные изменения, вызываемые смещением атомов в кристаллической решетке. Степень смещения атомов зависит от величины действующих напряжений. Небольшие смещения атомов, полученные при малых деформирующих напряжениях, могут быть обратимыми, т.е. после снятия нагрузки атомы возвращаются на свои прежние места. Деформация в таком случае называется упругой, и поскольку она не сопровождается остаточными изменениями в структуре, свойства деформированных металлов не изменяются.

При увеличении напряжения выше предела упругости наблюдаются значительные смещения атомов относительно положений равновесия. После снятия нагрузки атомы не возвращаются в свои прежние положения – это приводит к изменению свойств материалов. Остаточная деформация называется пластической.

 

Атомно-кристаллическое строение металлов

Металлы имеют кристаллическую структуру, состоящую из пра­вильно расположенных в пространстве ионов, которые образуют про­стые геометрические фигуры (куб, октаэдр, ромбические и гекса­гональные призмы и т.п.), и свободно движущихся между ними ва­лентных электронов.

Реальная структура промышленных сплавов в большинстве слу­чаев представляет собой совокупность большого количества отдель­ных кристаллов неправильной формы - зерен или кристаллов с различной их ориентацией в пространстве. Зерна состоят из отдель­ных фрагментов, разориентированных относительно друг друга на несколько градусов, а фрагменты - из блоков с углами разориентировки в несколько минут. Внутри блоков структура близка к идеальной.

Механизм пластической деформации монокристаллов

При сближении атомов (ионов) возрастают силы отталкивания, а при удалении появляются силы притяжения. Соотношение этих сил и определяет упругость и… Основное свойство упругой деформации состоит в том, что после снятия нагрузки… В монокристалле под воздействием внешних усилий пластическая

Влияние нагрева на свойства деформированных металлов

И сплавов

Возврат наблюдается при относительно невысоких температу­рах нагрева (0,2Тпл, К ) и разделяется, в свою очередь, на две фазы: отдых и… Отдых сопровождается диффузионным перемещением и аннигиляцией (взаимным… Полигонизация происходит при более высокой температуре и сопровождается изменениями в блочной структуре зерен за счет…

Задание и методические рекомендации

1. Изучить основные теоретические положения и кратко их изложить по предложенной форме.

2. Установить зависимость твердости и прочности образцов от степени пластической деформация. Для определения зависимости НRВ = f (e, %) необходимо:

а) зачистить напильником торцевые поверхности образцов в специальном приспособлении и измерить их начальную высоту h₀, мм;

б) подверг­нуть образцы деформации на ручном гидравлическом прессе (давление по манометру Р = 0, 50, 100, 150 кгс/см², при площади поршня

30 см² это соответствует усилиям 0, 1500, 3000 и 4500 кгс);

в) измерить высоту h образцов после дефор­мации;

г) определить степень деформации ;

д) измерить твердость образцов (НRB) деформированных с раз­личной степенью деформации на твердомере Роквелла;

е) построить график зависимости НRВ = f (e, %). Сделать выводы.

3. Определить расчетным путем и экспериментально значения температуры начала рекрис­таллизации заданного сплава, сравнить их между собой:

а) рассчитать по формуле Бочвара температуру рекристалли­зации для материала исследуемых образцов;

б) определить экспериментально температуру начала рекристаллизации. Для этого необходимо:

- зачистить напильником торцевые поверхности нескольких образцов в специальном приспособлении;

- подвергнуть дефор­мации несколько образцов с одинаковой степенью деформации (давление по манометру Р = 150 кгс/см²), измерить твердость материала после дефор­мации;

- выдержать в течение 30 мин образцы в печах с разной температурой (в интервале 100...700 °С), охладить образцы;

- измерить твердость образцов после нагрева, результаты занести в таблицу, построить график зависимости НRВ = f (t, °С). Начало резкого падения твердости соответствует температуре начала рекристаллизации.

Записать экспериментальную температуру начала рекристаллизации, сравнить ее с расчетной, объяснить ре­зультаты.

4. Определить критическую степень деформации сплава:

а) на испытуемые образцы (6 штук) нанести риски, отметив ими базовую длину (от 50 до 100 мм);

б) продеформировать образ­цы со степенью деформации e = 0, 3, 6, 9, 12, 15%;

в) провести рекристаллизационный отжиг образцов в течение 30 мин (выбрав температуру по рекомендации преподавателя);

г) выявить зерно после рекристаллизационного отжига путем травления;

д) замерить средний диаметр зерна в зависимости от степени

предварительной пластической деформации, данные внести в таблицу;

е) построить график зависимости среднего диаметра зерна d_ср, мм, от степе­ни пластической деформации e, %. Определить критическую степень деформации (критическая сте­пень деформации соответствует максимуму величины зерна, см. рис. 4.5).

Контрольные вопросы

1. Что представляют собой упругая и пластическая деформации металлов и сплавов?

2. Каков механизм пластической деформации путем скольжения и двойникования?

3. Как объяснить механизм скольжения в монокристаллах с точки зрения теории дислокаций?

4. Какие причины препятствуют перемещению дислокаций и объясняют природу упрочнения при пластической деформации?

5. Каковы особенности пластической деформации поликристаллических металлов и сплавов?

6. Какие изменения в структуре и свойствах металлов наблюдаются при пластической деформации? Что представляет собой наклеп, или нагартовка?

7. Как изменяются структура и свойства при нагреве деформированных металлов? Что представляет собой рекристаллизация, каковы ее виды?

8. Как можно определить температуру начала рекристаллизации?

9. Что называется критической степенью деформации?

10. Что представляют собой холодная и горячая пластические деформации? Какие виды деформации возможны еще?

Лабораторная работа № 5

Диаграммы состояния двойных систем,

Структура и свойства сплавов

Цель работы

1. Изучить принципы и правила построения диаграмм состоя­ния сплавов.

2. Построить основные типы диаграмм состояния, определить значения их линий и точек.

3. Приобрести практические навыки проведения фазового ана­лиза и определения количественного соотношения фаз в зависимос­ти от концентрации компонентов и температуры.

4. Изучить и зарисовать микроструктуры сплавов.

5. Установить закономерности изменения свойств сплавов с разным типом диаграмм состояния.

 

Содержание работы

Диаграмма состояния сплава представляет собой графическое изображение равновесного состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации (начиная с температур плавления).

Диаграмма состояния позволяет для конкретных сплавов проследить за процессами, происходящими в сплаве при нагревании и охлаждении; определить сплавы, которые обладают хорошими литейными свойствами, а также сплавы, изменяющие физико-механические свойства путем термической обработки; правильно установить режимы термической, химико-термической обработки и обработки давлением; указать, какую структуру будут иметь сплавы в равновесном состоянии (медленно охлажденные), в некоторых случаях по микроструктуре рассчитать химический состав сплава; правильно выбрать состав сплава, который будет обладать необходимыми свойствами, и т.д.

 

Некоторые положения теории сплавов

Закономерности взаимодействия элементов при любом способе получения сплавов одинаковы. Рассмотрим сплавы, полученные кристаллизацией из расплавов. … Компонентами называются химические элементы или устойчивые химические… Фазой называется простейшая структурная составляющая часть сплава, отделенная от других частей границами раздела, при…

Правила построения диаграмм состояния

Диаграммой состояния называется график зависимости темпера­тур фазовых превращений от концентраций сплавов.

Диаграммы состояния строят на основе термического анализа, в результате которого получают кривые охлаждения. Расплавленный металл помещают в калориметр и медленно охлаждают с постоянным теплоотводом. Так как фазовые превращения в металлах и сплавах сопровождаются тепловыми эффектами, то на кривых охлаждения в координатах "температура-время" можно наблюдать либо остановки (площадки) - тогда фазовые превращения происходят при постоян­ных температурах, либо перегибы за счет изменения скорости охлаждения - тогда фазовые превращения протекают в интервале температур.

Температуры начала и конца фазовых превращений, которые определяются по кривым охлаждения, называются критическими, а соответствующие им точки на кривых охлаждения - критическими точками.

 

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых

Не растворяются друг в друге в твердом состоянии

- в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых со­отношениях; - в твердом состоянии совершенно не растворяются один в другом; - не образуют между собой химических соединений;

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной

Растворимостью компонентов друг в друге

В твердом состоянии

Построение диаграммы состояния неограниченных твердых раст­воров проводится так же, как и построение диаграмм состояния эвтектического типа по…     Рис. 5.6. Построение диаграммы состояния «никель-медь»

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов друг в друге в твердом состоянии

В системах такого типа не образуются фазы, представляющие собой чистые компоненты. Из жидкой фазы могут выделяться только твердые растворы a и b… a-твердый раствор - это раствор компонента В в компоненте А, т.е. А (В).

Задание и методические рекомендации

1. Ознакомиться с диаграммами состояния различных типов, указать в отчете значения линий и точек диаграммы, а также фа­зовый состав сплавов в различных областях диаграммы.

2. В точке, заданной преподавателем, определить концентра­цию и относительное количество фаз графическим и расчетным ме­тодами. Оценить свойства сплава указанной концентрации и его технологические особенности.

3. Изучить и зарисовать структуру сплавов системы "свинец-сурьма" различного состава, а также сплава системы Ni-Cu заданного состава.

4. По указанию преподавателя построить кривые охлаждения для различных сплавов.

 

Контрольные вопросы

1. Что такое фаза, компоненты, система сплавов?

2. Как строятся диаграммы состояния и какие основные свой­ства сплавов можно выявить с их помощью?

3. Какие типы диаграмм состояния могут образовывать между собой различные компоненты? От чего зависит тот или иной тип диаграммы?

4. Как определить фазовый состав, концентрацию фаз и количественное соотношение между фазами с помощью коноды?

5. Как изменяются свойства сплавов в зависимости от их состава и типа диаграммы состояния?

Лабораторная работа № 6

 

Диаграмма состояния «железо-цементит».

Структура, свойства и применение железоуглеродистых

Сплавов

Цель работы

 

1. Рассмотреть и изучить свойства основных фаз и сложных структур в сплавах железа с углеродом.

2. Изучить диаграмму состояния "железо-цементит", рассмот­рев процесс кристаллизации жидкого сплава и превращения в спла­вах в твердом состоянии.

3. Изучить структуры углеродистых сталей с различным со­держанием углерода и различных марок чугунов. Установить связь структуры материалов с их свойствами. Определить области приме­нения различных сталей и чугунов.

 

Теоретические сведения

Чтоб разобраться в сложных и разнообразных структурных превращениях в сплавах на основе железа и сознательно воздействовать на них путем…   Компоненты и фазы в системе «железо-углерод»

Влияние углерода на строение и свойства сталей

Углерод является важнейшим элементом, определяющим как структуру, так и свойства углеродистых сталей, ее прочность и поведение при производстве… Классификация сталей по структуре. Стальная часть диаграммы состояния… 1) на доэвтектоидные, содержащие от 0,02 до 0,8% углерода. Структура этих сталей состоит из феррита и перлита (табл.…

Структура, свойства и применение чугунов

В зависимости от условий кристаллизации и последующей об­работки углерод в чугунах может находиться в виде цементита ли­бо в виде графита. В… Белые чугуны по структуре могут состоять из перлита и леде­бурита… Из-за присутствия в белых чугунах большого количества це­ментита они тверды и хрупки и для изготовления деталей машин…

Задание и методические рекомендации

1. Изучить диаграмму состояния «железо-цементит», на ее гра­фическом изображении обозначить области существования соответствующих структур и фазовый состав сплавов.

2. Указать значения линий и точек диаграммы.

3. Дать определение и характеристику свойств основных фаз и двухфазных структур железоуглеродистых сплавов.

4. Для заданного сплава построить кривую охлаждения и указать, какие превращения происходят при охлаждении.

5. Изучить под микроскопом или на компьютере микроструктуру сталей с различ­ным содержанием углерода. Зарисовать микроструктуру. В соответствии с диаграммой определить основные структурные составляющие и обозначить их на рисунках. Пользуясь справочными таблицами, указать основные механические характеристики сталей и их приме­нение.

6. По структуре отоженной стали определить процентное содержание углерода. Например, в доэвтектоидной стали содержится 20% перлита и, следовательно, 80% феррита (определяем на глаз под микроскопом или по микрофотографии). При приближенном расчете, не учитывая содержания углерода в феррите, считают, что весь углерод находится только в перлите. В этом случае количество углерода в стали определяется так:

100% перлита содержат 0,8% С, 20% перлита содержит х₁ % С. Тогда

х₁= = 0,16% С.

При более точном определении содержание углерода в стали, особенно в малоуглеродистой, необходимо учитывать углерод, содержащийся в феррите и в третичном цементите, который определяется следующим образом:

100% феррита содержат 0,025% С (при 727°С),

80% феррита содержат х₂% С. Тогда

х₂== 0,02% С.

Содержание углерода в стали равно сумме: х₁+х₂.

Если сталь заэвтектоидная и ее структура содержит 95% перлита и 5% вторичного цементита, содержание углерода в стали определяется так:

1) 100% перлита содержат 0,8% С, 95% перлита содержат х₁ % С.

Тогда

х₁== 0,76 % С;

2) 100% цементита содержат 6,67% С, 5% цементита содержат х₂% С. Тогда

х₂== 0,33% С.

Содержание углерода в стали равно х1+х2.

7. Рассмотреть классификацию и способы производства различ­ных чугунов. Изучить под микроскопом или на компьютере структуру различных марок чугунов, зарисовать ее в таблице с обозначением основных фаз и структур. Указать основные механические характеристики и применение различных чугунов.

 

Контрольные вопросы

1. Какие фазы и сложные структуры образуются в же­лезоуглеродистых сплавах?

2. Как называются линии, точки и отдельные области диаграммы "железо-цементит"?

3. Как изменяется структура сталей в равновесном состоянии по мере увеличения содержания в ней углерода? Как классифицируются стали по структуре?

4. Как классифицируются стали по содержанию в них углерода?

Как они маркируются?

5. Как изменяются свойства сталей в зависимости от их структуры и содержания углерода? Указать области применения сталей с различным содер­жанием углерода.

6. Как изменяются свойства чугуна в зависимости от их структуры? Указать области применения серых, ковких и высоко­прочных чугунов.

Лабораторная работа № 7

Термическая обработка углеродистых сталей

Цель работы

1. Ознакомиться с различными видами термической обработки углеродистых сталей и их назначением.

2. Разобраться в сущности упрочняющей термической обработ­ки сталей (закалка и отпуск). Научиться правильно выбирать ре­жимы нагрева сталей под закалку по диаграмме состояния "железо-цементит".

3. Изучить способы и технологию закалки сталей, их преимущества и недостатки.

4. Экспериментально определить влияние на закаливаемость сталей: а) их состава (содержания углерода); б) скорости непрерыв­ного охлаждения из аустенитной области.

5. Экспериментально исследовать влияние отпуска при раз­личной температуре на структуру и свойства закаленной стали.

6. Изучить с помощью металлографического микроскопа микро­структуру сталей после различных видов термической обработки.

 

Содержание работы

Теория термической обработки сталей базируется на четырех основных превращениях:

1) превращение перлита в аустенит при нагреве выше точек А₁ или А₃;

2) превращение аустенита в перлит при охлаждении ниже точек А₁, А₃ (изотермический распад аустенита и распад аустенита при непрерывном охлаждении);

3) превращение аустенита в мартенсит при закалке сталей;

4) превращения мартенсита и остаточного аустенита при нагреве (отпуск сталей).

Для полного или частичного перевода сталей в структурно-
равновесное состояние применяют различные виды отжига.

Отжигом называют такой вид термической обработки, при котором сталь нагревают ниже или выше температуры критических точек, выдерживают при этой температуре и затем медленно охлаждают.

Отжиг I рода проводят при температурах выше или ниже температур фазовых превращений. К отжигу I рода относятся диффузионный отжиг (гомогенизация), рекристаллизационный отжиг и отжиг для снятия внутренних напряжений. Этот вид термообработки в зависимости от температурных условий его выполнения устраняет химическую или структурную неоднородность, созданную предшествующими обработками.

Отжиг II рода заключается в нагреве стали до температур выше точек А₁ или А₃, выдержке и, как правило, последующем медленном охлаждении (вместе с печью). При этом виде отжига протекают фазовые превращения, определяющие структуру и свойства стали. Для сталей проводят следующие виды отжига: полный отжиг с температурой нагрева доэвтектоидных сталей выше температуры А₃ и заэвтектоидных сталей выше температуры А₁ и неполный отжиг, когда температура выше А_1, но ниже А₃. Структура сталей после отжига: перлит + феррит, перлит или перлит + цемен­тит. Отжиг II рода применяют для получения равновесной структуры в целях снижения твердости, повышения пластичности и вязкости стали; улучшения обрабатываемости; измельчения зерна.

Нормализация (рис. 7.3, режим V₄) заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку А₃ на 40…50°С, заэвтектоидной стали до температуры выше критических точек А_ст также на 40…50°С, в непродолжительной выдержке для завершения фазовых превращений и охлаждении на воздухе. Углеродистые стали после нормализации несколько прочнее, чем после отжига. Их пластичность при этом ниже максимально возмож­ной. Так как при производстве полуфабрикатов (прутков, уголков, швеллеров, листов, полос и др.) методами горячей обработки давлением по­сле деформации их охлаждение происходит на воздухе, то структура и свойства таких полуфабрикатов соответствуют нормализованному состоянию, что обычно указывается в справочниках.

Настоящая работа посвящена упрочняющим видам термической обработки углеродистых сталей - закалке и отпуску.

Закалка - это термическая операция, состоящая из нагрева стали до температуры аустенитного состояния, выдержки при этой температуре с последующим охлаждением со скоростью больше кри­тической в целях получения структурно-неустойчивого состояния. В результате закалки аустенит превращается в мартенсит.

Мартенсит представляет собой пересыщенный (неравновесный) напряженный твердый раствор углерода в a-железе (рис. 7.1).

Уровень пересыщенности определяется содержанием в стали углерода и характеризуется понятием «степень тетрагональности мартенсита» - с/а, где с - наибольшее ребро, а - наименьшее ребро искаженной ОЦК кристаллической решетки мартенсита.

Таким образом, закаливаемость - способность сталей упроч­няться закалкой - зависит от содержания в стали углерода. Закаливаемыми считаются средне- и высокоуглеродистые стали (начиная с содержания в стали 0,25% С и более).

 

Рис. 7.1. Мелкоигольчатый мартенсит, х500. Сталь марки У8

Определение режимов нагрева сталей под закалку

Для назначения режимов нагрева сталей под закалку использу­ется диаграмма «железо-цементит» (область сталей) (рис. 7.2).

 

Рис. 7.2. Интервал закалочных температур для углеродистых сталей

 

Целью нагрева является получение аустенитной структуры. При этом цементит должен распасться, а углерод равномерно раст­вориться во всем объеме аустенита. Доэвтектоидные стали нагрева­ются выше критических точек А₃ на 30...50°С (А_с3), а заэвтектоидные выше А₁ на 30...50°С (А_с1).

Нагрев до более высоких температур вызывает рост зерна аусте­нита, увеличение уровня внутренних напряжений в сталях при закалке, воз­можное коробление, тре­щинообразование и поэто­му нежелателен. Практичес­ки время выдержки для уг­леродистых сталей выбира­ется из расчета - одна ми­нута на каждый миллиметр сечения детали.

Наиболее существенное влияние на свойства стали оказывает скорость охлаждения. Изменяя скорость охлаждения, можно изменить структуру и свойства стали. Различные закалочные среды обеспечивают следу­ющие скорости охлаждения в интервале температур 650...550°С: вода при температуре 18°С - 600 град/с; вода при температуре 74°С - 300 град/с; минеральное машинное масло - 150 град/с; трансформаторное масло - 120 град/с; спокойный воздух - 3 град/с.

Как было отмечено ранее, для превращения аустенита в мар­тенсит

деталь необходимо охлаждать со скоростью больше критической (V_кр,

рис. 7.3). При этом распад аустенита не успевает начаться, и при температуре ниже температуры начала мартенситного превращения (М_н) протекает бездиффузионное превращения аустенита в мартенсит. Критическая скорость закалки – это минимальная скорость охлаждения, при которой образуется мартенсит. Эта скорость представляет собой каса­тельную к линии начала распада аустенита на диаграмме его изо­термического распада. На этой же диаграмме удобно графически изобразить различные способы закалки (координаты: температура-время, рис. 7.3).

 

Рис. 7.3. Схема диаграммы изотермического распада аустенита

для стали У8 с нане­сенными на ней режимами охлаждения

при различных способах за­калки

 

Время сквозного прогрева, максимальная температура нагре­ва и время выдержки стальных деталей при нужной температуре оп­ределяются составом стали, формой и размерами закаливаемых де­талей. Способы закалки характеризуются различными режимами ох­лаждения при закалке.

Непрерывная закалка (1) предусматривает охлаждение сталей в одной среде (воде, масле или любой другой, обеспечивающей охлаждение со скоростью больше V_кр). В результате в стали образуется мартенситная структура. Но так как мартенситное превращение протекает быстро и сопровождается увеличением объема, то в деталях высок уровень внутренних напряжений, возможно трещинообразование, коробление и другие дефекты.

Прерывистая закалка (2) - это закалка в двух средах. Сначала сталь охлаждается в среде с большей скоростью охлаждения до температуры несколько выше М_н, а далее со значительно меньшей скоростью. Это может быть, например, закалка из воды в масло. Мартенситное превращение в этом случае протекает медленнее, что приводит к снижению уровня внутренних напряжений, уменьшению коробления и трещинообразования.

Ступенчатая закалка (3) предусматривает охлаждение с большой скоростью до температуры несколько выше М_н , изотермическую выдержку при этой температуре в пределах инкубационного периода (не доходя до линии начала изотермического распада аустенита) и последующее довольно медленное охлаждение. Этот способ практи­чески не имеет недостатков, присущих предыдущим способам. Перед мартенситным превращением температура детали выравнивается во всем объеме. Мартенситное превращение протекает одновременно во всем объеме детали с умеренной скоростью.

Закалка с самоотпуском может осуществляться при закалке массивных деталей. Охлаждение проводится по одному из вышена­званных способов до образования в поверхностном слое мартенси­та, но охлаждение деталей прекращается в тот момент, когда вну­тренние слои деталей имеют еще довольно высокую температуру и определенный запас тепла. Этого тепла должно быть достаточно для прогрева всей детали до желаемой температуры, при которой и протекает отпуск. Способ требует высокой квалификации термис­та или регламентированной по времени механизации процесса извлечения деталей из закалочной ванны, но не требует затрат тепла на процесс отпуска. Закалка и отпуск выполняются с одного нагрева.

Изотермическая закалка (4) проводится так же, как и ступенча­тая, но выдержка при температуре несколько выше М_н длитель­ная (до полного распада аустенита с образованием бейнита ниж­него (рис. 7.4)).

Изотермическая выдержка может осуществляться в распла­вах солей, щелочей или в термостатах. Этот способ закалки, как правило, не требует отпуска, а детали со структурой нижнего бейнита имеют повышенную конструкционную прочность и удельную ударную вязкость.

 

 

Рис. 7.4. Бейнит нижний (игольчатый), х1000

 

Обработка сталей холодом. В высокоуглеродистых (С> 0,6%) и легированных сталях температура конца мартенситного превращения ниже комнатной. При охлаждении деталей при закалке до комнатной температуры мартенситное превращение останавливается и не доходит до конца. В результате закалки кроме мартенсита в структуре час­тично может присутствовать остаточный аустенит (А_ост) (рис.7.5).

 

 

Рис. 7.5. Мартенсит и остаточный аустенит, х1000

 

В целях перевода аустенита в мартенсит и завершения процес­са упрочнения при закалке, а чаще для стабилизации размеров за­каленных деталей их непосредственно после закалки охлаждают в течение 3-4 часов при температуре -60...-70°С (ниже М_к). При этом остаточный аустенит превращается в мартенсит. После обработки холодом стали чаще всего подвергают низкому отпуску.

После закалки стали с мартенситной структурой находятся в термодинамически неустойчивом состоянии, имеют максимальную твердость и прочность и минимальную пластичность. Промежуточные показатели механических свойств можно получить путем нагрева.

Термическая операция, заключающаяся в нагреве закаленных сталей до температур не выше критических, называется отпуском сталей. На практике различают три вида отпуска: низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск - это нагрев закаленной стали до температур 130...250°С, выдержка и охлаждение. При этом снижаются внутренние напряжения, мартенсит закалки превращается в мартенсит отпуска или отпущенный мартенсит (рис. 7.6). Не­много улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Высокоуглеродистая сталь после низкого отпуска сохраняет твердость в пределах 58...63 HRС и имеет высокую износостойкость. Этому виду отпуска подвергают режущий инструмент, детали после поверх­ностной закалки, а также после цементации и закалки.

 

 

Рис. 7.6. Мартенсит отпуска, х500.

Сталь марки У8

 

Средний отпуск проводится путем нагрева закаленных деталей до температур 350...500°С. Структура стали после отпуска - троостит отпуска (феррит и коагулированные частицы цементита) (рис 7.7).

Твердость средне- и высокоуглеродистых сталей - в пределах 40...50 НRС. Стали при этом имеют высокий предел упругости, пре­дел выносливости и релаксационную стойкость. Средний отпуск при­меняют обычно для пружин, рессор и большинства ответственных сильно нагруженных деталей авиационной техники.

 

 

Рис. 7.7. Троостит отпуска, х1000 (справа вверху – то же, х15000)

 

Высокий отпуск проводится при температурах 500...680°С. При этом об­разуется структура - сорбит отпуска (феррит и цементит зернистого строения) (рис. 7.8), обеспечивающая стали наилучшее соотношение прочности и вязкости.

Высокий отпуск применяют для тяжелонагруженных де­талей, испытывающих ударные нагрузки.

Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого от­пуска, называют улучшением сталей.

 

 

Рис. 7.8. Сорбит отпуска, х1000 (справа вверху – то же, х15000)

 

Длительность нагрева при отпуске - 1-2 часа и более. Во избежание термических напряжений после отпуска рекомендуется медленное охлаждение, за исключением сталей, подверженных обра­тимой отпускной хрупкости, которые от температуры высокого от­пуска охлаждают в воде или масле.

Задание и методические рекомендации

1. Изучить содержание работы и заполнить вводную часть от­чета по предложенной форме.

2. Нарисовать часть диаграммы «железо-цементит» (область сталей), указать на ней область закалочных температур. Выбрать температуру нагрева под закалку сталей 30, 45, У8.

3. Нарисовать диаграмму изотермического распада аустенита и нанести на ней кривые охлаждения для нормализации и различных способов закалки: а) непрерывной; б) прерывистой в двух средах; в) ступенчатой; г) изотермической.

4. Выполнить закалку в воде углеродистых сталей марок 30 , 45, У8. Измерить твердость и построить график зависимости твер­дости закаленной стали от содержания углерода. Указать причину изменения твердости.

5. Нагреть до закалочной температуры и провести охлаждение стали 45 или У8 в различных охлаждающих сре­дах (воздухе, масле, воде); измерить твердость образцов, поль­зуясь данными таблицы, построить график зависимости твердости от скорости охлаждения. Указать причину изменения твердости.

6. Провести закалку образцов из стали 45 или У8 в воде и отпуск при различных температурах (температуры отпуска указаны в соот­ветствующей таблице журнала-отчета). Измерить твердость образ­цов после отпуска и построить график зависимости твердости ста­ли от температуры отпуска. Объяснить причину изменения твердос­ти. Указать структуры, образующиеся при различных температурах отпуска.

7. С помощью металлографического микроскопа или компьютера изучить микро­структуру сталей (4-5 микрошлифов) после различных видов тер­мообработки. Сделать зарисовку микроструктур. Указать свойства и применение сталей после соответствующих видов термической обработки.

 

Контрольные вопросы

1. Как выбирают температуры нагрева под закалку для доэв-тектоидных и заэвтектоидных сталей?

2. Какие структуры получают при изотермическом распаде аустенита?

3. Что такое критическая скорость закалки? Что представляет собой

структура сталей после закалки?

4. Какие существуют способы закалки в зависимости от режи­ма охлаждения? В чем их отличие?

5. Охарактеризуйте виды отпуска в зависимости от температу­ры. Каковы структура, свойства и применение сталей после различных видов от­пуска?

6. В каких случаях в стали после закалки кроме мартенсита присутствует остаточный аустенит? Как его перевести в мартенсит?

Лабораторная работа № 8

Особенности упрочняющей термической обработки

Легированных сталей

Цель работы

1. Изучить влияние легирования на структуру и свойства сталей в равновесном состоянии.

2. Выяснить особенности закалки и отпуска легированных сталей по сравнению с углеродистыми на всех стадиях процесса термического упрочнения.

3. Ознакомиться с нормализацией сталей и их классификаци­ей по структуре после нормализации.

4. Экспериментально определить принадлежность нескольких марок сталей к тому или иному классу по структуре после норма­лизации.

5. Ознакомится с показателями прокаливаемости сталей. Изучить влияние легирования на прокаливаемость сталей.

6. Провести определение прокаливаемости углеродистой и ле­гированной сталей методом торцевой закалки.

7. Выявить, изучить с помощью оптического микроскопа или компьютера и за­рисовать структуры наиболее характерных легированных сталей в различном состоянии, ознакомиться с их свойствами и применени­ем.

 

Содержание работы

Влияние легирования на структуру и свойства сталей

Чаше всего легирующие элементы образуют с железом твердые растворы. Карбидообразующие легирующие элементы могут также за­мещать атомы железа в… Легирующие элементы существенно влияют на температуру поли­морфных превращений… Элементы, снижающие температуру точки А3 и повышающие температуру точки А4, называют g-стабилизаторами. К этой группе…

Особенности закалки и отпуска легированных сталей

По сравнению с углеродистыми

Закалка легированных сталей может выполняться с меньшими скоростями охлаждения (в масле, иногда на воздухе). Это объясня­ется тем, что большинство… Структура легированных сталей в результате закалки с охлаж­дением до комнатной… Особенности отпуска легированных сталей. Карбидообразующие легирующие элементы W, Mo, Cr, V, Ti и другие замедляют…

Влияние легирования на прокаливаемость сталей

    Рис. 8.2. Распределение скоростей охлаждения в цилиндрической детали при закалке

Задание и методические рекомендации

1. Изучить содержание работы и по пп. 1 - 4 цели рабо­ты заполнить вводную часть отчета по разработанной на кафедре форме.

2. Экспериментально определить принадлежность нескольких марок сталей (не менее четырех, ориентировочно ста­лей 30, 30ХГСА, 18Х2Н4ВА, 12Х18Н10Т) к тому или иному классу по структуре после нормализации косвенным методом в такой последовательности:

- нагреть образцы из предложенных марок сталей до температуры нормализации и выдержать их при этой температуре (по два образца каждой марки стали);

- извлечь из печи по одному образцу каждой марки сталей и положить на асбестовый (теплоизоляционный) лист для охлаждения на спокойном воздухе (нормализация);

- вторые образцы каждой марки стали закалить в воде;

- зачистить плоские поверхности всех образцов на наждачной шкурке или на точиле с небольшой интенсивностью шлифования и измерить твердость на приборе Роквелла. Если при замере твер­дости алмазным индентором при нагрузке 150 кгс (НRС) твер­дость по черной шкале окажется меньше нуля, провести замер шариком при нагрузке 100 кгс (НRB). Соответствующие показания твер­дости занести в таблицу. Для обеспечения возможности сравнения материалов по твердости между собой перевести все показания твердо­сти в твердость по Бринеллю (см. табл. 2.5, лабораторная работа № 2);

- косвенным способом определить принадлежность каждой мар­ки стали к тому или иному классу по структуре после нормализа­ции. Суть способа заключается в следующем. Если сталь не закалилась при ох­лаждении на воздухе, а закалилась в воде (твердость полумартенситного закаленного слоя в зависимости от содержания углерода в стали дана в табл. 8.1), то, очевидно, на воздухе произошел рас­пад аустенита в области перлитного превращения и образовалась структура перлитного типа (перлит, сорбит или троостит). Значит, эта сталь принадлежит к перлитному классу. Если сталь закалилась и в воде и на воздухе (т.е. твердость в обоих случаях соответ­ствует твердости мартенсита для данного содержания в ней угле­рода и примерно одинакова), т.е. в стали при нормализации обра­зовался мартенсит, то сталь относится к мартенситному классу. Ес­ли при охлаждении и в воде и на воздухе сталь не закалилась и имеет очень низкую твердость, то это сталь аустенитного класса.

3. Экспериментально определить прокаливаемость углеродис­той и легированной стали (марки ориентировочно 40 и 40Х или 30 и 30ХГСА) методом торцевой закалки в такой последователь­ности:

- нагреть стандартные образцы до температуры под закалку и выдержать их при этой температуре в течение задан­ного времени;

- провести поочередно торцевую закалку каждого из образцов на установке для торцевой закалки под руководством преподавате­ля, лаборанта или учебного мастера;

- под руководством учебного мастера на точиле снять лыску вдоль образующей образца на глубину 0,5...1 мм и длиной 25...30 мм;

- под наблюдением лаборанта или преподавателя провести за­мер твердости на приборе Роквелла ( НRС) с помощью алмазного индентора в специальном приспособлении на подготовленной ранее поверхности образцов с шагом 1,5...2 мм, начиная от плоскости торцевой закалки. Данные замеров занести в таблицу. (В порядке исключения, по указанию преподавателя, можно воспользоваться таблицей результатов, полученных при испытаниях контрольных об­разцов);

- построить графики зависимости твердости по длине образца в координатах HRC=f(l) , где l - расстояние от закалива­емого торца, мм;

- по табл. 6.1 для каждой марки стали определить твердость полумартенситной (50% мартенсита и 50% троостита) структуры;

- по таблице полученных результатов и по графикам для каждой стали найти глубину закаленного слоя до полумартенситной структуры l;

- по номограмме Блантера (дана в приложении, рис. П.1) для каждой марки стали определить критические диаметры прокаливаемос­ти, используя цилиндрические образцы с разным отношением l/D - длины образца к диаметру;

- сделать выводы о влиянии легирования на прокаливаемость стали.

4. Выявить и изучить с помощью оптического микроскопа структуру наиболее характерных легированных сталей после различных видов термической обработки (4-6 микрошлифов). Структуру зарисовать в таблице по предложенной форме, обозначив фазы и структурные составляющие. В примечании, используя плакаты, таблицы, справочники и учебную литературу, указать свойства и применение изучаемых сталей.

 

Контрольные вопросы

1. Какое влияние оказывают легирующие элементы на свойства сталей?

2. Какие фазы образуют легирующие элементы в сталях и как в связи с этим изменяется структура сталей?

3. Какое влияние оказывают легирующие элементы на темпера­туру критических точек в сталях? Как классифицируются легиру­ющие элементы?

4. Каковы особенности закалки и отпуска легированных ста­лей по сравнению с углеродистыми на всех стадиях термообработ­ки?

5. Что представляет собой нормализация? Как классифициру­ются стали по структуре после нормализации?

6. Что представляют собой закаливаемость и прокаливаемость сталей, от чего они зависят? Как определяется прокаливаемость сталей? Каковы показатели прокаливаемости?

7. Каковы особенности микроструктуры легированных сталей в равновесном состоянии и после термообработки по сравнению с соответствующими структурами углеродистых сталей?

Лабораторная работа № 9

Упрочнение титановых сплавов легированием

И термической обработкой

Цель работы

1. Изучить влияние легирования на структуру, свойства и возможность упрочнения путем термообработки титановых сплавов.

2. Разобраться в фазовых превращениях, протекающих в тер­мически упрочняемых титановых сплавах при закалке и старении.

3. Экспериментально установить влияние степени легирования на твердость и прочность термически неупрочняемых и термически упрочняемых (в равновесном состоянии) титановых сплавов.

4. Провести закалку образцов из титанового сплава и их старение с различными режимами:

а) при различных температурах в течение постоянного вре­мени;

б) при постоянной температуре с различным временем ста­рения.

5. Используя металлографический микроскоп и комплект микро­шлифов, изучить и зарисовать наиболее характерные микрострукту­ры сплавов титана.

Содержание работы

Титан относится к легким металлам с плотностью 4,51 т/м³. До температуры 882°С он имеет гексагональную плотноупакованную (ГПУ) кристаллическую решетку a ( Ti_a ), выше этой темпера­туры устойчива объемно центрированная кубическая (ОЦК) кристаллическая решетка b (Ti_b ). Химически чистый титан имеет низкий предел прочности ( s_в = 250 МПа) и высокую пластичность. Существенное влияние на прочность титана оказывают примеси. Например, небольшое (до 0,5%) содержание примесей в техническом титане ВТ1-0 увеличива­ет s_в до 500 МПа.

Легирующие элементы в основном образуют с титаном твердые растворы и обеспечивают интенсивное упрочнение сплавов. Например, легирование сплава ВТ5 пятью процентами алюминия упрочняет его до

s_в = 800... 900 МПа. Сложнолегированные однофазные a-сплавы типа ВТ18 имеют предел прочности в отожженном состоянии до 1000...1200 МПа.

Кроме упрочнения легирующие элементы оказывают влияние на температуру полиморфного превращения a-титана в b-титан. Некото­рые из них позволяют получить сплавы с устойчивой при комнат­ной температуре двухфазной ( a + b)-структурой, которые можно упрочнять путем термообработки.

Классификация легирующих элементов в зависимости от их влияния на температуру аллотропического превращения

В титане

  Рис. 9.1. Влияние легирующих элементов (л.э.) на полиморфное

Классификация титановых сплавов по структуре

В равновесном состоянии. Особенности применения сплавов

Псевдо-a-сплавы ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ОТ4-2, ВТ4, АТ2 , АТ3, АТ4, ВТ20 , ТС5 и др., легированные в основном a-стабилизато­ром (Аl) и небольшим… (a+b)-сплавы: ВТ6С, ВТ6, ВТ8, ВТ9, ВТ3-1 , ВТ14, ВТ16, ВТ22, ВТ23, ВТ25, ВТ28… Псевдо-b-сплавы ВТ15, ТС6 - высоколегированные сплавы на основе b-фазы с небольшим количеством a-фазы. После закалки…

Фазовые превращения в титановых сплавах

При закалке и старении

Рис. 9.2. Обобщенная диаграмма состояния «Тi - b-стабилизирующий легирующий… при закалке и старении титановых сплавов

Превращения в сплавах при закалке

В сплавах с относительно небольшой концентрацией легиру­ющих элементов при закалке происходит мартенситное превращение b®a¢ сдвигового типа. … Титановый мартенсит a¢ представляет собой пересыщенный твердый раствор…  

Превращения в закаленных сплавах при старении

Превращение в a¢(a¢¢)-фазе. Распад мартенситной фазы ин­тенсивно протекает при температуре выше 350...400°С и проходит в несколько… a¢(a¢¢) ® a + a¢(a¢¢)обогащ ® a + bнеравновесн ®… Превращения в метастабильных bн- и w-фазах. Превращение в нестабильной bн-фазе может начинаться уже при 100...200°С,…

Задание и методические рекомендации

1. Изучить влияние легирования на структуру, свойства и возможность упрочнения титановых сплавов путем термообработки. Заполнить вводную часть журнала-отчета по предлагаемой форме.

2. Разобраться в фазовых превращениях, протекающих в тер­мически упрочняемых титановых сплавах. Изобразить обобщенную диаграмму состояния «титан-b-стабилизирующий легирующий элемент» и пока­зать на ней структуру сплавов в равновесии, после закалки и старения.

3. Провести измерение твердости трех термически неупрочня­емых титановых сплавов, отличающихся степенями легирования, и одного термически упрочняемого сложнолегированного сплава в отожженном состоянии. Результаты измерений занести в таблицу по предложенной форме. Сделать выводы о возможностях упрочне­ния сплавов путем легирования.

4. Провести закалку термически упрочняемого двухфазного титанового сплава. После закалки выполнить зачистку образцов и замер твердости. Образцы с примерно одинаковой твердостью рассортировать на две группы.

Образцы первой группы по одному поместить в печи с разной температурой (400, 450, 500, 600°С) и провести старение в тече­ние 40 мин.

Все образцы второй группы поместить в печь с температурой 500 или 550°С для старения в течение различного времена (5, 10, 20, 40 минут). После старения образцы зачистить и определить их твердость. Результаты занести в таблицу по предлагаемой форме.

Построить графики зависимости твердости от температуры старения и твердости от времени старения при постоянной температуре. Сделать необходимые выводы.

5. Изучить и зарисовать в таблице по предлагаемой форме структуры титановых сплавов по указанию преподавателя (ВТ1-0 и ВТ4-1 - в отожженном состоянии; ВТ3-1 - в отожженном состоянии, после закалки , а также после закалки и старения; ВТ22 - после закалки, после закалки и старения; ВТ15 - после закалки, после закалки и старения). На рисунках микроструктур указать основные фазы и фазовые составляющие.

 

Контрольные вопросы

 

1. Какие способы упрочнения титановых сплавов вы знаете?

2. Как классифицируются легирующие элементы в зависимости от их влияния на аллотропические превращения в титане?

3. Как классифицируются титановые сплавы по структуре в равновесном состоянии? Каковы свойства и где используются сплавы разных классов?

4. Дайте определение и характеристику закалочных структур в титановых сплавах.

5. Какие превращения происходят в закалочных структурах титановых сплавов при старении?

6. Как выбираются режимы нагревания титановых сплавов для закалки и при старении? Почему нагрев для закалки и закалку необходимо проводить в вакууме?

 

Лабораторная работа № 10

Термическая обработка деформируемых алюминиевых сплавов

Цель работы

1. Ознакомиться с основами теории и практики термической обработки алюминиевых сплавов.

2. Экспериментально выполнить закалку термически упрочня­емого алюминиевого сплава, оценить влияние закалки на свойства сплава.

3. Экспериментально исследовать изменение свойств сплава после закалки и естественного старения в течение различных пе­риодов времени, если сплав поддается естественному старению, а также провести искусственное старение, определив оптимальную температуру старения при постоянном времени и оптимальное вре­мя старения при постоянной температуре.

4. Выявить, изучить с помощью оптического микроскопа и за­рисовать структуру типичных алюминиевых сплавов в различном со­стоянии, указав фазовый состав, свойства и применение этих спла­вов.

 

Содержание работы

Чистый алюминий - легкий металл (g = 2,7 т/м³) с низкой температурой плавления (660°С). Кристаллическая решетка - ГЦК с периодом

а = 4,041 кХ. Алюминий не имеет аллотропических моди­фикаций, обладает высокой теплопроводностью, электропроводнос­тью и очень высокой скрытой теплотой плавления. Это химически активный металл, но образующаяся на его поверхности плотная окисная пленка из Аl₂0₃ предохраняет его от коррозии.

Характерные свойства алюминия - высокая пластичность и ма­лая прочность. В зависимости от степени чистоты алюминий имеет предел прочности s_в = 60...150 МПа, относительное удлинение при разрыве d = 40%, модуль упругости Е =7×10⁴ МПа.

В качестве конструкционных материалов применяют в основном сплавы алюминия с различными легирующими элементами, которые в зависимости от степени легированности и способов производства из них деталей мо­гут быть деформируемыми и литейными. Кроме того, сплавы подразделяются на термически неупрочняемые и термически упрочняемые.

К термически неупрочняемым сплавам относят в основном сплавы алюминия с магнием, марганцем, кремнием; к термичес­ки упрочняемым - сплавы системы Al-Cu, Al-Zn-Cu-Mg, Al-Mg-Li, Al-Be-Mg и др.

Возможность упрочнения путем закалки основана, как правило, на переменной в зависимости от температуры растворимости легиру­ющих элементов в алюминии. Это позволяет при нагреве растворить в алюминии значительную часть легирующих элементов, а при после­дующем быстром охлаждении зафиксировать пересыщенный твердый раствор, что сопровождается упрочнением. Иногда дополнительное существенное упрочнение может быть получено при старении зака­ленных сплавов.

Процессы, протекающие в термически упрочняемых алюминиевых сплавах при закалке и старении, рассмотрим на примере термооб­работки сплавов алюминия с медью типа дуралюминов, например Д1. Состав сплава Д1 - Аl + 3,8... 4,8% Сu + 0,4... 0,8% Мg + 0,4...0,8% Мn. Диаграмма состояния Al - Сu(СuАl₂) показана на рис. 10.1, а схема закалки и старения дуралюмина – на рис. 10.3.

 

 

Рис. 10.1. Диаграмма состояния Al - Сu(СuАl₂)

и интервал закалочных температур

Как видно из рис. 10.1, при комнатной температуре в алюминии растворяется 0,2% меди. Максимальная растворимость меди в алюминии при температуре 548°С (точка Е) составляет 5,7%. Все сплавы с содержанием меди до 5,7% путем нагрева выше линии GЕ могут быть переведены в однофазное состояние. В равновесии в этих сплавах при комнатной температуре структура состоит из a-твердого раствора меди в алюминии и интерметаллидной фазы СuАl₂ (q-фаза) (рис.10.2).

Температура нагрева дуралюмина под закалку выбирается так, чтобы при нагреве распалась q-фаза и вся медь перешла в a-твердый раствор в алюминии. На диаграмме рис. 10.1 эта темпе­ратура выше линии GЕ. При довольно большом содержании в спла­ве меди его легко перегреть выше линий АЕ. Это приведет к нача­лу плавления сплава, что недопустимо. Поэтому температуру на­грева сплава под закалку выдерживают с жестким допуском (для дуралюмина Д1 – 500 + 5°С). Наиболее стабильные результаты получаются при нагреве деталей в расплаве солей. Закалка дета­лей из дуралюмина проводится в воде.

 

Рис. 10.2. Микроструктура деформированного отоженного

Дуралюмина Д1, х150.

       

Задание и методические рекомендации

1. Начертить часть диаграммы Al-Cu, указать на ней сплав Д1

(Аl + 3,8... 4,8% Сu + 0,4... 0,8% Мg + 0,4...0,8% Мn). Выбрать для него температуру нагрева под закал­ку. Показать на диаграмме состояния интервал закалочных температур для других сплавов.

2. Провести закалку образцов из заданного сплава (Д1, Д16 или другого термически упрочняемого сплава). Замерить твердость ( НRВ ) образцов после закалки, оценить влияние закалки на свой­ства.

3. Экспериментально исследовать процесс естественного ста­рения, для чего через каждые 15 мин измерять твердость закален­ного образца (во время занятий), а затем провести измерение твердости через 3, 7 (желательно) и через 14 суток (на следующем занятии).

4. Экспериментально исследовать процесс искусственного ста­рения в течение различного времени при постоянной температуре (120 или 150°С). Для этого закаленные образцы с примерно одина­ковой твердостью в количестве 4 шт. поместить в печь с заданной температурой, затем извлекать по одному образцу через 5, 15, 30, 45 мин и измерять твердость. Данные занести в таблицу, построить график зависимости твердости от времени старения. Определить оп­тимальное время старения при заданной температуре.

5. Экспериментально исследовать процесс искусственного ста­рения в течение постоянного времени (30 мин) при различных тем­пературах. Для этого закаленные образцы поместить в печи с раз­ной температурой (по одному образцу в каждую печь). Значения температуры старения занести в таблицу. Через 30 мин образцы извлечь из пе­чей, охладить (можно в воде) и замерить твердость. Данные занес­ти в таблицу. Построить график зависимости твердости от темпе­ратуры старения (при постоянном времени старения). Определить оптимальную температуру старения.

6. Выявить, с помощью оптического микроскопа изучить и за­рисовать в таблицу по предлагаемой форме структуру типичных алю­миниевых сплавов в различном состоянии (не менее 5-6 микрошли­фов), указать на зарисовках фазовый состав сплавов, а в послед­ней графе таблицы отразить (используя учебники, справочники, пла­каты и другие источники) свойства и применение этих сплавов в соответствующем состоянии.

 

Контрольные вопросы

1. Как классифицируются алюминиевые сплавы? На чем основа­на возможность термического упрочнения ряда сплавов?

2. Какова структура термически упрочняемых сплавов в равно­весном состоянии? Как изменяется структура и свойства сплавов в процессе нагрева, закалки, естественного и искусственного старе­ния?

3. Охарактеризуйте особенности зонного и фазового старения.

4. Что происходит в закаленных дуралюминах при естественном старении, как изменяются при этом свойства сплавов? Что представ­ляет собой обработка на возврат?

5. Охарактеризуйте стадии искусственного старения дуралюмина. Почему на определенной стадии искусственного старения наблю­дается перестаривание?

 

Библиографический список

 

1.Конструкционное материаловедение/ Борисевич В.К., Виноградский А.Ф., Карпов Я.С., Самойлов В.Я., Семишов Н.И.: В 2 кн. - Х.: Нац. аэрокосм. ун-т им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», 2001. - Кн. 1. Металлы и сплавы. - 456 с.

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

3. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1977. - 647 с.

4. Борисевич В.К., Виноградский А.Ф., Семишов Н.И. Конструкционное материаловедение. - Х.: Харьк. авиац. ин-т, 1998. - 404 с.

5. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. - М.: Металлургия, 1977. - 407 с.

6. Мозберг Р.К. Материаловедение. - Таллин: Валгус, 1976. - 554 с.

7. Глазунов С.Г., Моисеев В.Н. Конструкционные титановые сплавы. - М.: Металлургия, 1984. - 367 с.

8. Сазоненко Н.Д., Горбань В.П., Каныгин С.Л. Свойства и применение нержавеющих, жаростойких и жаропрочных сталей и сплавов в авиадвигателестроении: Учеб. пособие. - Х.: Харьк. авиац. ин-т, 1994. - 30 с.

9. Свойства и применение сплавов алюминия, магния, бериллия в авиастроении: Учеб. пособие/ Горбань В.П., Рева Л.С., Сазоненко Н.Д., Кириченко Л.Р., Каныгин С.Л. - Х. :Харьк. авиац. ин-т, 1994. - 62 с.