Протокол показаний гальванометра

Время охлаждения, с	Термоэлектродвижущая сила, мВ	Температура, "С
1	2	3
30 60 90 120 и т. д.

Свинец и сурьма обладают неограниченной растворимостью в жидком состоянии, а в твердом состоянии не растворимы и не образуют промежу­точных фаз.

Добавление к свинцу или сурьме некоторого количества второго компонента вызывает понижение температур начала затвердевания. Чем больше добавлено второго компонента, тем ниже температура затвердева­ния. Это соблюдается до определенной концентрации компонентов, при ко­торой сплав имеет наименьшую температуру затвердевания. Такая концен­трация называется эвтектической, а сплав -эвтектическим.

Обычно берут небольшое количество сплавов, расплавляют их (с не­которым перегревом) и затем следят за процессом их охлаждения, отме­чая через равные промежутки времени температуру сплава. Затвердевание сплава, состоящего из двух компонентов, как правило, происходит в интервале температур. Исключением является сплав эвтектического, состава, который затвердевает при постоянной температуре.

Температуру сплава можно измерить термоэлектрическим пиромет­ром (рис.19), который состоит из термопары (1) и милливольтметра, потенциометра, гальванометра (2). Термопара, представляет собой два разновидных проводника (а, б) сваренных в точке (горячий спай-г.с.). Два конца (хо­лодный спай - х.с.) соединяются проводами с милливольтметром или гальванометром. Если горячий спай термопары поместить в тигель (3) со средой, (4), температура которой необходимо измерить, то в цепи возникает термоэлектрический ток. Сопротивление цепи постоянно, поэто­му величина тока будет зависеть только от термоэлектродвижущей си­лы (т.э.д.с), развиваемой термопарой. Т.э.д.с. зависит от разности температур между горячим и холодным спаями термопары. Если температу­ра холодного спая постоянная (0 или 20°С) то т.о.д.с., а значит и термоэлектрический ток, зависит только от температуры горячего спая, т.е. от температуры среды, в которую он помещен.

Рис.19. Схема термоэлектрического пирометра

Мв – милливольтметр

Ма – миллиамперметр

Потенциометр многоточечный

Термонорм

Х ромель-алюмель ХА

≈ 950 ºС

Хромель-капель ХК

Платина – платинородий Pt ∙ PtRh 1800 ºС

Вольфрам –вольфрамрений W – WRe 3400 ºС

Карбид вольфрама – графит WC графит 3700 ºС

4. ЗАДАНИЕ ПО РАБОТЕ

4.1. Взять тигли с металлическим свинцом и сплавами следующих составов: 5% Sb и 95% Pb, 13% Sb и 87% Рb, 30% Sb и 70% Рb

4.2. Нагреть в печи тигли со свинцом и сплавами до t = 490ºС

4.3. Выгрузить тигли из печи и опустить горячий спай термопара в расплав.

4.4. Измерять температуру свинца или сплава (по указанию препо­давателя) через каждые 15 секунд в интервале температур 450-150°С и заполнить таблицу 5 и 6

4.5. Построить кривые охлаждения свинца, сурьмы (t_пл = б31°С) и сплавов в координатах t ,°С - τ, с.

4.6.Построить диаграмму состояния сплавов свинец-сурьма

4.7.Провести фазовый и структурный анализ сплавов свинец-сурь­ма по диаграмме фазового состояния

Таблица 5

№№ отсчетов
Показания тер- моэлектричес- кого пирометра или °С

Таблица 6

№ сплава	Состав сплава, %			Температура начала затвердевания спла­ва, °С	Температура конца затвер­девания спла­ва, °С
	Свинец	Сурьма

5.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

5.1. Сущность термического метода построения диаграмм состояния

5.2. Какой сплав называется эвтектическим и особенности его кристаллизации

5.3. Что такое компонент, фаза, система?

5.4. Назначение диаграмм состояния?

5.5. Правило фаз Гиббса и применение его при анализе двухкомпо-нентных систем.

5.6. Классификация сплавов свинец - сурьма по химическому составу.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.I. Изучить структуру технического железа и углеродистых сталей.

1.2. Определить марки, предложенных сталей.

2. ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ

2.1. Набор шлифов лабораторной коллекции

2.2. Металлографические микроскопы МИМ-7 и МИМ-8

2.3. Альбом с фотографиями микроструктур

3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Сталями называются сплавы железа с содержанием углерода менее 2%. Кроме основных элементов (железа и углерода) в сталях присутст­вуют примеси: кремний, марганец, сера, фосфор, количество которых регла­ментируют ГОСТ 380-71, 1050-74, 1435-74.

Фазовые превращения и структурные составляющие в сталях описы­ваются левой частью (левее точки Е) диаграммы железо-цементит. В зависимости от содержания углерода различают стали:

доэвтектоидные - < 0,8%С

структура - феррит и перлит

эвтектоидные - 0,8%С

структура - перлит

заэвтектоидные - > 0,8%С

структура - цементит вторичный и перлит

3.1. Характеристика структурных составляющих сталей

Структурными составляющими сталей являются феррит, цементит, пер­лит, аустенит.

Аустенит – твердый раствор внедрения «С» в Feγ.

Феррит - это раствор внедрения углерода в α железе. Предельная растворимость углерода в феррите при 727°С - 0,025%. Феррит имеет объемноцентрированную кубическую решетку, твердость - 40-80 НВ, σ – 15 кг*с/мм^2, пластичность – 50-80%.

Цементит - это химическое соединение Fе₃С, содержащее 6,690%С, имеющее сложную ромбическую решетку, твердость 750-800 НВ, σ-15кг*с/мм^2

Перлит - это механическая смесь феррита и цементита пластинчато­го строения, которая образуется в результате эвтектоидного распада аустенита, содержащего 0,8%С. σ_в ≈ 50; а_n ≈ 5-10, φδ ≈ 5-10%

Твердость перлита 180-220 НВ

После травления стали 4-5%-ным раствором НNO₃ в этиловом спир­те феррит и цементит выглядят под микроскопом светлыми составляющи­ми, перлит - темным.

4. ЗАДАНИЕ ПО РАБОТЕ

4.1. Зарисовать микроструктуру сталей с указанием структурных составляющих.

4.2. Определить количественное соотношение структурных состав­ляющих.

4.3. По относительному количеству структурных составляющих приб­лизительно определить содержание углерода по формулам:

в доэвтектоидных сталях

в заэвтектоидных сталях

где Sп , Sц, - площадь, занятая перлитом и цементитом в поле шлифа.

4.4. Определить марки просмотренных сталей:

доэвтектоидных - по ГОСТ 1050-74

эвтектоидных и заэвтектоидных по ГОСТ 1435-74

5. ФОРМА ОТЧЕТА

№№ пп	Зарисовка микроструктуры стали (Форма Ø40мм)	Описание образца стали
5.1.		5.1.1. Доэвтектоидная сталь 5.1.2. Структурные состав­ляющие: светлая сетка избыточного феррита, пластинчатого строения перлит 5.1.3. 5.1.5. Марка стали по ГОСТ 1050 – 74 : 60

6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

6.1. Какие сплавы называются сталями?

6.2. Влияние углерода на механические свойства сталей.

6.3. Характеристика структурных составляющих сталей

6.4. От чего зависит качество сталей и почему?

6.5. Классификация сталей по назначению, содержание углерода в этих сталях, их маркировка.

К Х С К

S P H N O

H – участвует во всех ломкостях, флокены, газовые раковины, гидраты.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ ЧУГУНОВ

I. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.1. Изучить микроструктуру чугунов

1.2. Определить по микроструктуре вид и класс чугуна

2. ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ

2.1. Набор шлифов чугунов лабораторной коллекции

2.2. Металлографические микроскопы МИН-7 и МИМ-8

2.3. Альбомы с фотографиями микроструктур

3. Теоретическое введение

Чугунами называется сплавы железа с содержанием углерода более 2%.По состоянию углерода все чугуна можно разделить на две группы:

3.1. Чугуны, в которых весь углерод связан с железом в химичес­кое соединение Fe₃C (белые чугуны).

3.2. Чугуны, в которых углерод частично связан с железом в хими­ческое соединение Fe₃C, частично присутствует в свободном состоянии в виде графита (серые, ковкие, высокопрочные чугуны).

3.1. Белые чугуны

Кристаллизация белого чугуна протекает при относительно быстром охлаждении расплава в соответствии с метастабильной диаграммой железо-цементит. В процессе кристаллизации белый чугун дважды претерпе­вает изотермическое превращение:

3.1.1. Эвтектическое

Ж4,3%С Л4,3%С (А2,14%С+Ц6,67%С)

3.1.2. Эвтектоидное

А0,8%С П0,8%С(Ф0,025%С+Ц6,67%С)

Таким образом, в структуре белого чугуна обязательно присутствует составлявшая ледебурит, который в интервале 1147-727°С представ­ляет собой механическую смесь аустенита и цементита, а ниже 727°С - смесь перлита и цементита.

В зависимости от содержания углерода белые чугуны делятся на: дбэвтектические - Fе + (2,0 - 4,31)%С, структура: ледебурит, перлит, цементит. Эвтектические - Fе + 4,3%С, структура ледебурит. Заэвтектические - Fе + (4,3 - 6,67)%С структура; ледебурит + цементит.

3.2. Серые, ковкие, высокопрочные чугуны.

Серый чугун кристаллизуется при медленном охлаждении расплавов, которое обусловливает выделение графита в соответствии со стабильной диаграммой железо-графит.

Ковкий чугун получают из белого чугуна путем его отжига (при t=950ºС и модифицирования Ca,CаSi, РЗМ).

Высокопрочный чугун получают путем модифицирования серого чугуна.

Всевозможные формы графитных включений, встречающиеся в чугунах, регламентирует ГОСТ 3443-77

В чугунах можно выделить три основные формы графитных включений и соответственно три вида чугунов:

Форма графитных включений	Вид чугуна
Пластинчатая	серый
компактная (хлопье­видная)	ковкий
Глобулярная	высокопрочный

Влияние форм графита на м/св

Влияние дисперсности в одной форме графита на мех.св-ва

Cч 10 – Cч 40 σ_ср ≈ 25

Кч 30 – Кч 80 σ_ср ≈ 55

Вч 40 Вч 110 σ_ср ≈ 75

Структура металлической основы чугунов с графитом, которая зави­сит от количества углерода, находящегося в связанном состоянии (С связ), может быть

ферритной - С_связ = 0,025%С

феррито - перлитной - С_связ = (0,025-0,8) %

перлитной - С_связ = 0,8 %

Структура металлической основы, механические свойства и марки серых, ковких и высокопрочных чугунов регламентирует ГОСТ. 1412-79, 3443-77, 7293-79, 215-79

4. ЗАДАНИЕ ПО РАБОТЕ

4.1. Зарисовать микроструктуру чугунов с указанием структурных составляющих

4.2. Определить вид чугунов

4.3. Определить класс чугунов

5. ФОРМА ОТЧЕТА

	Зарисовка микроструктуры чугуна (формат Ø40 мм)	Описание образца чугуна
5.1.		5.1.1. Вид чугуна: белый 5.1.2. Класс чугуна: заэвтектический 5.1.3. Структурные состав­ляющие - грубые пластины первичного цемен­тита и ледебурит
5.2.		5.2.1. вид чугуна: серый 5.2,2. Класс чугуна: феррито - перлитный 5.2.3. Структурные составляющие: феррит, перлит, включения пластинча­того графита

6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

6.1. Какие сплавы называются чугунами?

6.2. Перечислите виды чугунов

6.3. Какой формы бывают графитные включения в чугунах?

6.4. Влияет ли, как и почему форма графитных включений на механические свойства чугунов?

6.5. Классификация чугунов по структуре

6.6. Влияние металлической основы чугунов на механические свойства

6.7. Получение ковких чугунов

6.8. Получение высокопрочных чугунов.

6.9. Маркировка серых, ковких и высокопрочных чугунов.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

7.1. Выбрать и обосновать температуру нагрева, продолжительность выдержки, способ охлаждения пси закалке и отпуске углеродистой стали.

2. ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ

2.1. Лабораторная электрическая муфельная печь

2.2. Образцы углеродистой стали: конструкционной - 45, инстру­ментальной - УТО.

2.3. Твердомеры ТШ и ТК

2.4. Закалочные баки с водой и маслом

2.5. Шлифовальная бумага

3. ВВЕДЕНИЕ

3.1. Термическая обработка проводится для получения необходи­мых при эксплуатации изделий свойств путем изменения структуры, но без изменения химического состава и формы изделий. Возможность по­лучения различных свойств стали одного и того же состава обуслов­лена наличием фазовых превращений в твердом состоянии. Охлаждая аустенит с разными скоростями и вызывая тем самым различные степе­ни переохлаждения, можно получать продукты распада, обладающие различными свойствами и строением. Скорость и режим охлаждения опреде­ляется в зависимости от марки стали с помощью изотермического (качественные закономерности.) и термокинетического (количественные за­кономерности) распада аустенита

Рис.20. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита "С" - кривая) для стали эвтектоидного состава (0,8%С) с наложенными скоростями охлаждения

Аp - равновесный аустенит

Аn - переохлажденный аустенит

Аост- остаточный аустенит

М - мартенсит

Закалка - один из видов термической обработки, который проводят для получения предельной твердости. В зависимости от температуры нагрева закалку проводят для доэвтектоидных сталей с содержанием углерода от 0,3% до 0,8%, нагревая их на 30-50°С выше критической точки Ас₃ (линия GS диаграммы Fе - Fе₃С).

Неполную закалку проводят для заэвтектоидных сталей с содержа­нием углерода более 0,8%, нагревая их на 30-50°С выше критической точки Ac₁ (линия SK диаграммы Fe – Fe₃С) (рис.21)

Рис.21. Интервал закалочных температур для углеродистых сталей

После выдержки при температуре закалки, которую можно определить с помощью таблицы 7,охлаждение проводят со скоростью, равной или пре­вышающей критическую (Vкр), которая обеспечивает превращение аустенита (рис.13)

Мартенсит - пересыщенный твердый раствор углерода в λ - Fе , который образуется в результате бездиффузионного (сдвигового) прев­ращения и содержит углерода столько же, сколько его было в исходном аустените. Мартенсит имеет объемноцентрированную тетрагональную крис­таллическую решетку, которая определенным образом ориентирована по отношению к решетке исходного аустенита.

Таблица 7

Нормы нагрева образцов углеродистой стали при термической обработке в лабораторных электрических печах (в мин)

Температура нагрева ºС	Форма образцов
	круг	квадрат	пластина
	на 1 мм	на 1 мм	на 1 мм
600 700 800 900 1000	2,0 1,5 1,0 0,8 0,4	3,0 2,2 1,8 1,2 0,6	4,0 3,0 2,0 1,6 0,8

Закалка стали сопровождается существенным увеличением объема, что в условиях неодновременности превращения по сечению изделия вызывает появление значительных внутренних напряжений, которые могут привес­ти к короблению и появлению трещин в процессе закалки и деформацию их с течением времени в условиях эксплуатации.

Для уменьшения закалочных напряжений, снижения твердости до тре­буемого уровня, получения нужного комплекса механических свойств (проч­ности, пластичности, вязкости) проводят вспомогательную термическую обработку, называемую отпуском. Температура отпуска не должна превышать критической точки Ас₁ - (линия РSК даиграммы Fе - Fе₃С). Вид от­пуска определяется в зависимости от назначения обрабатываемого изде­лия и его конечных свойств (табл.8).

Таблица 8

Вид отпуска	Температура от­пуска ºС	Свойства после отпуска	Твер­дость
Низкотемпературный Среднетемпературный Высокотемпературной	150-200 300-500 550-680	Высокая твердость износостойкость Высокий предел упругости Сочетание высокой прочности, вязкос­ти пластичности	55-65 40-45 25-40

Продолжительность выдержки при отпуске углеродистых сталей выби­рается из расчета 2-3 минуты на I мм сечения, скорость охлаждения не имеет существенного значения, поэтому для ускорения процесса образцу можно охлаждать в воде.

4. ЗАДАНИЕ ПО РАБОТЕ

4.1. Определить твердость образцов углеродистой стали в исход­ном состоянии (после нормализации или отжига).

4.2. Изобразить нижнюю левую часть диаграммы Fе – Fе₃С с опти­мальным интервалом температур закалки (рис.14) и определить темпе­ратуру закалки предложенных сталей, обосновать эти температуры.

4.3. Определить продолжительность выдержки при закалке, пользуясь табл.7

4.4. Охладить образцы стали в двух средах; в воде и в масле

4.5. Измерить твердость, предварительно зачистив поверхность шли­фовальной бумагой.

4.6. Используя "С" - диаграмму, (рис.13) проанализировать резуль­таты, занеся их в табл.9.

Результаты исследования

Таблица 9

№ пп	Марка стали	Твердость в исходном состоянии		Режим закалки						Твердость после закалки
				Температура нагрева, ºС		Время выдержки, мин		Охлаждающая среда
		НВ	НRС
1	2	3	4		5		6		7		8

№ пп	марка стали	Режим отпуска		Твердость после отпуска
		Температура нагрева, ºС	Время выдержки, мин
9	10	11	12	13

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

5.1. Виды термической обработки

5.2. Критические точки в стали и что они означают при нагреве и охлаждении

5.3. Выбор закалочных температур.

5.4. Причины повышения твердости при закалке

5.5. Закалочные среды. Их охлаждающая способность

5.6. Что такое перлит, сорбит, троостит? Структуры диффузионные

5.1. Что такое бейнит, мартенсит?

5.8. Что такое критическая скорость закалки, от чего она зависит?

5.9. Виды отпуска, их назначение

5.10. Чем отличается сорбит отпуска мартенсита от сорбита нормализации?

5.11. Закаливаемость и прокаливаемость

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9

МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.1. Изучить микроструктуру легированных сталей

1.2. Классифицировать стали по структуре в равновесном состоянии.

1.3. Указать типовые режимы окончательной термической обработки легированных сталей.

1.4. Указать области применения легированных сталей.

2. ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ

2.1. Набор шлифов легированных сталей лабораторной коллекции.

2.2. Металлографические микроскопы МИМ-7 и МИМ-8

2.3. Альбомы с фотографиями микроструктур

3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

3.1. Влияние легирующих элементов на "температуры аллотропического превращения железа.

Марганец, никель, медь, платина повышают критическую точку А₄ и сни­жают точки А₃ расширяя тем самым γ - область диаграмм равновесия же­лезо - легирующий элемент. Кремний, молибден, вольфрам, ванадий и др. сни­жают точку А₄ и повышают точку А₃, что приводит к сужению γ - облас­ти и расширению λ - области. Хром также понижает критическую точку А₄, а на точку А₃ действует своеобразно: вначале (до 8% Cz) точку А₃ снижает, а затем повышает.

Легирующие добавки, как правило, смещают точки S, Е c диаграммы рав­новесия железо-цементит в сторону пониженных концентраций углерода для получения перлита, аустенита, ледебурита стали.