Програма підготовки до виконання роботи

1. Вивчити теоретичний матеріал за цим посібником та поданим нижче списком літератури.

2. Ознайомитися з правилами техніки безпеки при визначенні ударної в’язкості. Вивчити будову маятникового копра і методику визначення ударної в’язкості.

3. Зарисувати в зошит схему випробування на ударну в’язкість та форму зразків, які при цьому використовуються.

Література

1. Технология металлов и материаловедение /Под ред. Л.Ф. Усовой. - М.: Металлургия, 1987.  С. 140 – 143.

2. Металловедение и технология металлов /Под ред. Ю.П. Солнцева. – М.: Металлургия, 1988.  С. 88 – 92.

3. Жуковец И.И. Механические испытания металлов: Учеб. для сред. ПТУ. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1986. – 199 с.

Завдання й методичні вказівки

1. Підняти маятник на кут α₁ до найвищого положення і закріпити його защіпкою.

2. Звільнити защіпку, щоб забезпечити вільне падіння маятника при випробуванні.

3. Стрілку на шкалі встановити в нульове положення.

4. Установити відстань між опорами залежно від розмірів досліджуваних зразків: якщо зразки мають поперечний переріз 10х10 мм, то відстань між опорами повинна бути 40 мм.

Попередження. Заборонено встановлювати зразки і регулювати опори при піднятому і закріпленому защіпкою маятнику. Випадкове звільнення защіпки може викликати важкі ушкодження.

5. Зразок, розміри якого попередньо перевірені мікрометром або штангенциркулем, розмістити на опорі надрізом всередину станини так, щоб удар ножа маятника був проти надрізу на протилежному боці зразка (рис. 4.4, в).

6. Звільнити защіпку, сприяючи вільному падінню маятника і руйнуванню (згинанню) зразка розміщеного на його шляху.

7. Кут ₂ вильоту маятника після надлому зразка відраховують за шкалою і знаходять величину затраченої роботи К. Якщо надлому зразка не відбулося, то випробування потрібно повторити, випробовуючи новий зразок.

Контрольні запитання

1. Пояснити які чинники потрібно враховувати для виявлення крихкості металів?

2. Пояснити для чого потрібно визначати ударну в’язкість? Схарактеризуйте методику проведення випробування на ударну в’язкість.

3. Пояснити який фізичний зміст має ударна в’язкість та на яких зразках її визначають?

4. ударну в’язкість як залежить ударна в’язкість від радіуса надрізу та як впливає температура випробування на ударну в’язкість?

5. Запропонуйте визначення втомлюваності, витривалості і здатності металів до стирання.

Лабораторна робота № 5. Вивчення процесу кристалізації

Мета: провести експериментальне спостереження за процесом переходу з рідкого стану в твердий аморфної і кристалічної речовини

Обладнання, матеріали та інструменти

Вольтметр типу В7-21, секундомір, термопара, штатив, щипці, тиглі з досліджуваними кристалічними і аморфними речовинами, бінокулярний мікроскоп, розчини солей, пробірки, електроплитка, піпетка, лінійка, термометр.

Короткі теоретичні відомості

Кристалізацією називається процес утворення кристалів як з рідкої фази (первинна кристалізація), так і зі твердої фази (вторинна кристалізація). Першим описав процес кристалізації сталі з рідкої фази Д.К. Чернов у своїй класичній роботі “Дослідження, що стосуються структури литих сталевих болванок”, опублікованої у 1878 р.

Твердий стан кристалічних тіл, у тому числі й металів, характеризується геометрично правильним розташуванням у них атомів, а рідкий – безладним (точніше, відносно безладним).

К ристаліти (зерна)², з яких складаються метали, характеризуються анізотропією властивостей, тобто фізичні властивості в кристалі залежать від напряму дослідження, тоді як в аморфних тілах (скло, каніфоль, ебоніт, целюлоза), які є ізотропними, властивості в різних напрямках однакові. При плавленні металів відбувається руйнування так званої кристалічної решітки, що є сукупністю закономірно розташованих атомів у металі, а при кристалізації – утворення кристалічної решітки.

Енергетичні умови процесу кристалізації металів легко пояснити, з огляду на відоме положення термодинаміки, що всяке фазове перетворення супроводжується зменшенням вільної енергії, тобто всі перетворення, які самовільно відбуваються, в природі, а, отже, й кристалізація та плавлення зумовлені тим, що новий стан у нових умовах є енергетично стійкішим, має менший запас вільної енергії.

Я

Рис. 5.1. Залежність вільної енергії металу в рідкому (1)

і твердому станах (2) від температури

к відомо, вільна енергія системи (для рідких і твердих тіл) дорівнює

F = U –TS,

де U – повна енергія; T – абсолютна температура; S – ентропія системи.

На рис. 1.1 подані криві, що відтворюють характер зміни вільної енергії рідкого й твердого металу залежно від температури.

Аналіз цих кривих засвідчує, що при переохолодженні рідкої фази нижче Т_S (теоретична температура кристалізації (плавлення), при якій F_тв = F_р) почнеться процес кристалізації, тому що тверда фаза має при цих температурах меншу вільну енергією. Отже, при низьких температурах тверде тіло є стабільнішим.

П ід ступенем переохолодження ∆Т розуміють різницю між теоретичною й фактичною температурою кристалізації (∆Т = Т_Т - Т_ф). Так, наприклад, теоретична (рівноважна) температура затвердіння сурми дорівнює 631°; оскільки до початку кристалізації рідина була переохолоджена до 590°, то ступінь переохолодження ∆Т = 631° – 590° = 41°. У металів і сплавів здатність до переохолодження невелика. Вона звичайно не перевищує 10…20°С (виключення становить сурма). У них число зародків (ч.з.), які виникають, дуже сильно росте зі збільшенням переохолодження. Ні за яких одержуваних на практиці швидкостях охолодження не вдається перевести рідкий метал в аморфний стан. Що стосується механізму кристалізації, то ще в 1878 р. Д. К. Чернов указав, що кристалізація складається із двох елементарних процесів: зародження в рідині дрібних кристалічних частинок (зародків) і росту цих частинок. Пізніше в результаті дослідження процесу кристалізації на прозорих органічних речовинах і частково на легкоплавких металах, узятих у малих кількостях, установлено, що при цій величині переохолодження число виникаючих зародків (ч.з.) і швидкість росту кристалів (ш.р.) є величинами постійними протягом усього часу процесу кристалізації.

Графічний вираз цієї залежності, характерний для випадку кристалізації металів, подано на рис. 5.2.

Ш

Рис. 5.2. Принципова схема залежності ч.з. і ш.р. від ступеня переохолодження для випадку кристалізації металів

видкість виникнення зародків визначається числом зародків (ч.з.), що виникають в одиниці об'єму (1 мм³) за одиницю часу (1 сек.). Зародки (центри кристалізації) можуть виникати без-посередньо в рідкій фазі внаслідок неоднорідності розподілу енергії між атомами й наявності флуктуації густини (мимовільне утворення зародків), а також на поверхнях включень домішок, що є присутніми у рідині в зв'язку з умовами проведення плавлення або спеціально введеними (немимовільне утворення центрів кристалізації).

Як показали роботи В. І. Данилова, присутність дрібних твердих частинок у рідкій фазі значно впливає на зародження центрів кристалізації.

Швидкість росту кристала (ш.р.) – це лінійне переміщення зростаючої грані кристала в міліметрах за одиницю часу.

Величина отриманих кристалів N залежить від співвідношення величин ш.р. і ч.з. при даному ступені переохолодження й може виражатися формулою

де α – коефіцієнт пропорційності.

Наприклад, для ступеня переохолодження, рівного ∆Т₁ (рис. 1.2), кристали після затвердіння будуть великі, тому що число зародків (ч.з.) мале (відрізок а₁в₁), а швидкість кристалізації (ш.к.) велика (відрізок б₁в₁).

При переохолодженні, рівному ∆Т₂, кристали будуть дрібніші, тому що при тій же майже ш.к., що й у першому випадку (відрізок б₂в₂ ≈ б₁в₁), ч.з. значно більше (відрізок а₂в₂).

Отже, змінюючи ступінь переохолодження, можна одержати зерна різної величини, а від величини зерен залежать механічні властивості сплавів.

Теорія об’ємної кристалізації Таммана, яка передбачає, одночасний початок кристалізації в усьому об’ємі зливка й, що розвиток процесу кристалізації відбувається в ізотермічних умовах у результаті переохолодження металу, є правильною тільки для дуже малих об'ємів рідин, а також і для кристалізації в твердому стані (наприклад, перлітної кристалізації сталі), і може застосовуватися для пояснення процесу кристалізації реальних зливків великої ваги.

Як засвідчили роботи, проведені школою акад. Н.Т. Гудцова, що ґрунтуються на дослідженнях А. С. Лаврова й Д. К. Чернова, у реальних умовах затвердіння великих зливків переохолодження виявити дослідами не вдається. Кристалізація зливка починається на стінках форми й послідовно просувається до центра, де об'єми металу, що твердіють з різних сторін, зближуються. Ріст кристалів без переохолодження можливий тільки за рахунок відводу від них теплоти кристалізації через стінки форми й раніше затверділі шари, тобто послідовно. Крім стінок форми, на процес кристалізації значно впливають тверді завислі тугоплавкі частинки домішок, що перебувають у рідкому сплаві. Ці частинки, що є “зародками” кристалізації (немимовільне утворення зародкових центрів), сприяють одержанню дрібнозернистої структури. Їхня роль не враховується теорією Таммана; тому насправді число зародків може не збігатися з кривою ч.з. (рис. 5.2), що свідчить про мимовільне виникнення центрів кристалізації.

При затвердінні можуть виникати кристали самої різноманітної форми й розмірів. Це залежить від умов охолодження зливка, а також від того, з якою температурою метал потрапляє у форму, яка була температура перегріву сплаву, та від низки інших факторів.

Загалом то у природі існують дві форми кристалізації: нормальна і дендритна. За нормальної кристалізації кристал росте шляхом більш або менш рівномірного нарощування граней. За дендритної (деревоподібної) форми спочатку утворюються з розплаву основні осі кристалізації, від яких ростуть осі другого порядку  в перпендикулярному до першого напрямку. Далі кристалізуються осі третього, четвертого і т.д. порядків. Нормальна кристалізація властива зазвичай солям, дендритна – всім металам і деяким солям.

Найчастіше при кристалізації металів і солей утворюється дендритна структура. Дендрит – деревоподібний кристал. На рис. 5.3 подано схему росту дендрита (за Д. К. Черновим). Кристалізація відбувається так: спочатку утвориться головна вісь кристала – а (вісь першого порядку). Потім перпендикулярно до головної осі в сторони відростають осі б (осі другого порядку), від яких, у свою чергу, ростуть бічні осі в (осі третього порядку) і т.д.

У результаті утвориться деревоподібний кристал, що є (у разі кристалізації металу з утворенням кубічної решітки) скелетом витягнутого квадратного октаэдра.

На рис. 5.4 зображено зливок сурми, що закристалізувався у вигляді дендритів.

Рис 5.3. Схема росту дендрита (за Д. К. Черновим)

Рис. 5.4. Зливок сурми; кристалізація у вигляді дендритів. Х ?

Метали є непрозорими тілами, внаслідок чого неможливо візуально спостерігати за ходом процесу їхньої кристалізації. Водночас ряд солей кристалізуються з насичених водних розчинів за тими самими закономірностями, що і метали; при цьому прозорий стан останніх уможливлює спостереження ходу кристалізації за допомогою звичайного біологічного мікроскопа. Утворення кристалів з розчину солей викликається випаровуванням розчинника, а за самим процесом кристалізації легко спостерігати за наявності нескладної апаратури.

Процес кристалізації солей вивчають за допомогою біологічного мікроскопа (рис. 5.5), що складається з таких частин: плити 1, з’єднаної зі стовпчиком 2 шарніром 3, у результаті чого верхню частину мікроскопа можна нахиляти, що досить зручно при роботі сидячи; тубуса 4, що може пересуватися нагору й долілиць обертанням гвинта 5; об’єктива 6; окуляра 7; предметного столика 8; мікрометричного гвинта 9 і дзеркала 10.

Грубе наведення мікроскопа на фокус роблять шляхом піднімання (але не опускання) тубуса за допомогою гвинта 5, дивлячись при цьому одним оком в окуляр. Точне фокусування здійснюють обертанням мікрометричного гвинта 9. Спостере-ження за допомогою мікроскопа ведуть при збільшенні не більше 100.

На предметний столик мікроскопа встановлюють плоске скло 11, на яке нанесено велику краплю майже насиченого розчину солі. Найзручніше спостерігати за кристалізацією розчину солі азотнокислого свинцю – Pb(NO₃)₂.

На рис. 5.6 показана схема ходу променів у мікроскопі при дослідженні краплі розчину. Промені від природного або штучного джерела світла1, відбившись від плоского або ввігнутого дзеркала 2, проходять через краплю 3 в об'єктив 4, освітлюючи її. Отримане в об'єктиві зображення краплі розглядається за допомогою окуляра 5.

Рис 5.5. Біологічний мікроскоп МА	Рис. 5. 6. Схема ходу променів у біологічному мікроскопі

Процес кристалізації досліджуваної краплі розчину солі азотнокислого свинцю можна умовно розділити на три періоди.

У міру випаровування рідини концентрація розчину змінюється, і розчин поступово приходить до стану насичення. Найбільше випаровування буде біля країв краплі, звідки й починається кристалізація.

Протягом першого періоду кристалізації на краях краплі утворюється кірка, що складається з дрібних кристалів А правильної форми (рис. 5.7), тому що сильне переохолодження викликає велику кількість зародків кристалізації.

Рис. 5.7. Будова затверділої краплі розчину солі Pb(NO3)2. Х 50	Рис. 5.8. Макроструктура поперечного перерізу зливка сплаву інвар

У другий період кристалізації ростуть великі, так звані стовбчасті кристали Б. Напрямок їх нормальний до країв краплі. Тут ми маємо більшу швидкість кристалізації й обмежене число зародків.

У третій період кристалізації, коли крапля стає тонкою й випаровування із середини йде значно швидше, виникають нові кристали В, безладно орієнтовані, і мають яскраво виражену форму дендритів.

Процес кристалізації солі подібний до процесу затвердіння металевого зливка. На рис. 5.8 показано макроструктуру поперечного перерізу зливка сплаву інвар (62,78% Fе, 36,2% Ni, 0,37% Cu й 0,65% Мn). На поверхні зливка – невеликий шар дрібних рівноосних зерен 1, глибше розташований – шар стовбчастих (витягнутих) зерен 2. У центрі зливка безладно розташовані грубі зерна 3.

Часто процес переходу речовини з рідкого стану в твердий вивчають за допомогою кривих охолодження, що будуються за результатами термічного аналізу. Термічний аналіз ґрунтується на фіксації теплового ефекту перетворення, оскільки фазові перетворення відбуваються з виділенням або поглинанням деякої кількості тепла. Схему установки для проведення термічного аналізу подано на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Установка для проведення термічного аналізу: 1  шкала гальванометра; 2  гальванометр; 3  термопара; 4 – досліджуваний метал; 5  тигель

В електропечі розміщують тигель 5 з досліджуваним сплавом 4. Потім у розплавлений сплав занурюють термопару 3 так, щоб кінець термопари не дотикався стінок тигля і відключають піч: через рівні проміжки часу фіксують покази гальванометра 2. Для відліку часу, звичайно, використовують секундомір.

Покази гальванометра і секундоміра записують у табл. 5.1.

Таблиця 5.1

Час, с	mV	Tемпература, С	Час, с	mV	Tемпература, °С

Після закінчення вимірювань за допомогою спеціальних таблиць переводять мілівольти в градуси і будують криву охолодження в координатах температура  час. Одержана крива наочно демонструє, як змінюється характер ходу кривої з часом. Точки згину, спроектовані на вісь ординат, відповідають температурам критичних точок.