Приборы и материалы

Муфельная печь, наждачная бумага, твердомер Роквелла, образцы мате-риалов.

Методические указания и порядок выполнения работы

1. Изучить теоретический материал.

2. Получить задание у преподавателя.

3. Измерить на твердомере Роквелла исходную твердость образцов (HRB).

4. Провести закалку образцов в печи нагретой до температуры закалки, выдержав в ней образцы 15 – 20 мин и охладить в холодной воде.

5. Замерить твердость закаленного образца на твердомере Роквелла (HRB).

6. Провести процесс старения образцов согласно заданию и замерить твердость состаренных образцов (HRB).

7. Внести данные результатов опыта в табл. 2.1, построить на основе опытных данных график изменения твердости в координатах «Твердость – время старения».

8. Посмотреть коллекцию закаленных и состаренных образцов на микроскопе МИМ-8.

9. Зарисовать микроструктуру образцов и обозначить на рисунке структурные составляющие.

Контрольные вопросы

1. Какие процессы термообработки представляет упрочняющая термическая обработка алюминиевых сплавов?

2. Как выбирается режим закалки дуралюминов?

3. Каковы структура и свойства дуралюмина после закалки?

4. Что представляет собой процесс старения?

5. Какие материалы подвергают старению?

6. Как влияет процесс старения на механические свойства материалов?

7. Почему при искусственном старении алюминиевых сплавов прочность после определенного времени старении понижается?

8. Какова структура алюминиевых сплавов после старения?

Рекомендуемая литература

1. Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. – М. : МИСИС, 1999.

2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В. П. Материаловедение. – М. : Издательский дом Альянс, 2009.

3. Масленков С.Б., Масленкова Е.А. Стали и сплавы для высоких температур. – М. : Металлургия, 1991.

4. Фетисов Г.П., Карпов В.М. Материаловедение и технология металлов. –М. : Высш. шк., 2001.

Таблица 2.1

Данные результатов работы

п/п образца	Состояние
	Исходный дуралюмин	Закаленный дуралюмин	Старение, время
			при 20С 7 суток	при -5С 7 суток	при 190С
					5 мин	10 мин	20 мин	40 мин
I	HRB= HB=	HRB= HB=	HRB= HB=	HRB= HB=	HRB= HB=	HRB= HB=	HRB= HB=	HRB= HB=

Лабораторная работа 3 Гомогенизационный отжиг цветных металлов

Цель работы: Получить навык анализа изменений микроструктуры и механических свойств при гомогенизации слитка сплавов.

Теоретическое введение

Гомогенизационный отжиг предназначен для устранения химической (концентрационной) микронеоднородности, возникшей в результате неравно-весной кристаллизации расплава при дендритной ликвации.

В большинстве промышленных сплавов при первичной кристаллизации образуется твёрдый раствор – основная структурная составляющая сплава (рис. 3.1). Линия A' r B' – ликвидус, выше этой линии сплав находится в жидком состоянии, линия A' d B' – солидус, ниже этой линии -сплав находится в твердом состоянии.

Рис. 3.1. Изменение среднего состава твёрдого раствора при неравно-весной кристаллизации (кривая a – s)

В сплаве Х (рис. 3.1) после некоторого переохлаждения расплава образуются кристаллы твёрдого раствора состава точки а.

Эти кристаллы растут при охлаждении сплава в интервале кристаллизации, состав последовательно кристаллизующихся слоёв при любой температуре определяется соответствующей точкой равновесного солидуса , например, точкой а при t₁ и точкой b при t₂. Следовательно, с понижением температуры образуются слои кристалла всё более богатые компонентом, понижающим точку ликвидуса. В равновесных условиях при любой температуре в интервале кристаллизации точкой солидуса должен определяться химический состав (по всему объёму) твёрдого раствора, а не только в поверхностном слое кристаллов. Например, при температуре t₂ кристаллы твёрдого раствора должны иметь состав точки b по всему объёму. Для этого прежде всего необходима выравнивающая диффузия между ранее и позднее образовавшимся слоями кристалла. Но, чтобы привести твёрдую фазу в равновесное состояние, одной такой диффузии недостаточно. Например, в кристалле, сердцевина и поверхность которого ранее имели составы точек а и b, по окончанию выравнивающей диффузии при температуре t₂ получится промежуточный состав, лежащий левее точки b.

В реальных условиях кристаллизации при непрерывном понижении температуры выравнивающая диффузия внутри твёрдой фазы полностью не успевает проходить. Неоднородный по своему составу твёрдый раствор можно характеризовать средней концентрацией, которая должна лежать левее солидуса (рис. 3.1). Так, при температуре t₂ средний состав твёрдой фазы может характеризоваться точкой f. Состав поверхностного слоя кристалла при температуре t₃ определяется точкой c, а средний состав всей твёрдой фазы должен быть промежуточным между составами точек f и c. Этот средний состав кристалла при температуре t₃ характеризуется точкой k. Если через точки a, f и k провести кривую, то она будет описывать изменение среднего состава неоднородного твёрдого раствора при определённой скорости охлаждения.

Равновесная кристаллизация сплава Х заканчивается при температуре t₄ в точке d.

Неравновесная кристаллизация будет продолжаться ниже температуры t₄ до тех пор, пока средний состав твёрдой фазы не совпадёт с составом сплава в точке s. В этот момент поверхностный слой кристалла имеет состав точки m. Каждый сплав при определенной скорости охлаждения характеризуется своей линией изменения среднего состава твёрдого раствора и, соответственно, своей температурой неравновесного солидуса (рис. 3.2)

Линия A'bdkB', проходящая через точки кристаллизации всех сплавов (для данной скорости охлаждения) называется неравновесным солидусом системы. Между линиями равновесного A'acfB' и неравновесного солидуса имеется не только количественная разница в температурах, но и качественное различие. Линия равновесного солидуса является геометрическим местом точек конца кристаллизации сплавов и, одновременно, геометрическим местом точек состава твёрдой фазы при любой температуре в интервале кристаллизации. Линия неравновесного солидуса является только геометрическим местом точек конца кристаллизации сплавов при конкретных условиях охлаждения.

В результате неравновесной кристаллизации твёрдого раствора химический состав в сечении каждого кристалла оказывается переменным. Кристаллиты твёрдого раствора обычно растут в виде дендритов. Оси дендритов, образовавшиеся при более высоких температурах, обогащены компонентом, понижающим точки солидуса.

Рис. 3.2. Неравновесный солидус системы с непрерывным рядом твёрдых растворов: ab, cd и fk – линии изменения среднего состава твёрдого раствора при неравновесной кристаллизации сплавов Х₁, Х₂ и Х₃. A'bdkB' – неравновесный солидус, A'acfB' – равновесный солидус

Рис. 3.3. Неравновесный солидус в системе эвтектического типа

Благодаря разной травимости участков твёрдого раствора с разной концентрацией на шлифе выявляется неоднородность по химическому составу внутри каждого зерна. Образование неоднородности по химическому составу внутри кристаллитов раствора называется внутрикристаллитной ликвацией.

В системах эвтектического и перитектического типов дендритная ликвация приводит к более сильным (по сравнению с непрерывным рядом твёрдых растворов) отклонениям структуры от равновесного состояния (рис.3. 3). В малолегированном сплаве Х₁ (рис. 3.3) неравновесная кристаллизация протекает так же, как и в системе с непрерывным рядом твёрдых растворов. Затвердевание сплава Х₁ заканчивается в точке s, когда средний состав твёрдого раствора совпадает с составом сплава.

В более легированном сплаве Х₂ средний состав твёрдого раствора при неравновесной кристаллизации изменяется по кривой fr. Новым моментом является то, что средний состав твёрдого раствора не попадает на ординату сплава выше эвтектической температуры. Равновесная кривая сплава Х₂ должна закончиться в точке m. В неравновесных условиях ниже температуры точки m состав жидкого раствора изменяется вплоть до эвтектической (c) точки. Следовательно, в сплаве Х₂ закристаллизуется эвтектика (рис. 3.3). Неравновесная кристаллизация сплава Х₂ заканчивается при температуре n. Таким образом, в результате дендритной ликвации в сплаве, находящемся левее точки предельной растворимости (точки а ), т. е. в области твёрдого раствора, по эвтектической реакции образуется неравновесная вторая фаза. Концентрация, соответствующая точке k, является границей, правее которой при данных условиях охлаждения вторая фаза кристаллизуется из расплава.

В результате отклонения от равновесия в процессе кристаллизации литой сплав имеет следующие основные недостатки:

1. центральные участки дендритных ячеек и их граница, имеющие разный химический состав, образуют микрогальванические пары, что снижает стойкость твёрдого раствора против электрохимической коррозии, появление неравновесной избыточной фазы в твёрдом растворе также снижает стойкость против коррозии;

2. дендритная ликвация понижает температуру солидуса сплава, при быстром нагреве под закалку или обработку давлением изделие может частично оплавиться;

3. появление избыточной хрупкой фазы, в результате дендритной ликвации, сильно снижает пластичность сплава;

4. при обработке давлением, например, прокатке, прессовании микроучастки, имеющие разный химический состав, вытягиваются, и может возникнуть строчечная структура;

5. структура и свойства литого сплава нестабильны во времени: в изделии может самопроизвольно протекать постепенное выравнивание состава твёрдого раствора и рассасывание избыточных фаз, эти процессы вызывают постепенное изменение свойств, которое может выйти за допустимые пределы.

Для устранения недостатков литой структуры слиток или фасонную отливку подвергают отжигу – гомогенизации. Структурные изменения при гомогенизационном отжиге состоят в выравнивании состава твёрдого раствора и в растворении неравновесного количества избыточных фаз. В основе этих процессов лежит диффузия, поэтому гомогенизацию называют также диффузионным отжигом. Основные параметры гомогенизационного отжига – температура нагрева и время выдержки при этой температуре. С повышением температуры и увеличением времени выдержки гомогенизация проходит полнее.

Обычно гомогенизацию проводят при t = (0,9 - 0,95)T_пл. Время выдержки зависит не только от температуры отжига, но и от природы сплава, его структуры и степени микронеоднородности в литом состоянии. Чем дисперснее структура литого сплава и тоньше ветви дендритов, чем меньше расстояние между ними и мельче избыточные фазы, тем быстрее протекает гомогенизация, так как пути диффузии короче. Слитки и отливки, затвердевшие при большей скорости охлаждения, обладают более тонкой структурой и гомогенизируются быстрее и полнее. Чрезмерно большие выдержки при гомогенизации нецелесообразны – они приводят к повышенным потерям металла на окалины, расходы на электроэнергию и к уменьшению производительности. Повышение температуры отжига действует эффективнее, чем увеличение времени выдержки.

Время выдержки при гомогенизационном отжиге обычно колеблется от нескольких до десятков часов (не считая времени прогрева).