Контрольные вопросы

1. Из каких фаз состоит сталь У8 после закалки?

2. Какие фазы существуют в доэвтектоидной и заэвтектоидной стали после неполной закалки? После полной?

3. Что такое мартенсит? Чем отличается мартенсит отпуска от мартенсита закалки?

4. Как степень тетрагональности решетки мартенсита зависит от концентрации растворенного в нем углерода?

5. Как связана плотность мартенсита с содержанием в нём углерода?

6. Расположите встречающиеся в сталях фазы в ряд по возрастанию плотности.

7. На каких стадиях отпуска закаленной стали следует ожидать сжатие образцов, а на каких - расширение? Почему?

8. Как зависит величина объемного аффекта второго превращения при отпуске от состава стали?

9. В чем отличие дилатометра UBD от базовой модели (дилатометра Шевенара)?

10. Как производится градуировка осей дилатограммы "расширение-температура" в дилатометре UBD?

Литература

1. Лившиц Б.Г. и др. Физические свойства металлов и сплавов.- М., Металлургия, 1980 г., - 320 с.

2. Лившиц Б.Г. Металлография. – М., Металлургия, 1990 г. -236 с.

Лабораторная работа № 9

Дифференциальный термический анализ превращений в металлах и сплавах

(4 часа)

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Освоить метод дифференциального термического анализа превращений в металлических материалах на установке "Дериватограф-Q-1000".

2. На основе анализа термограмм, полученных при нагреве и охлаждении кристаллического или аморфного металлического материала, выявить особенности наблюдаемых в них тепловых эффектов, сделать заключение о характере фазовых превращений, вызывавших появление этих эффектов.

Введение. Основные принципы применения термического анализа для изучения превращений в металлических веществах

Дифференциальный термический анализ (ДТА) является усовершенствованной разновидностью простого термического анализа, основанного на измерении в процессе нагрева или охлаждения двух величин, а именно, времени и температуры образца. Зависимость температуры образца от времени изображают в виде кривых, называемых термограммами.

Тепловые эффекты, которыми обычно сопровождаются превращения в твердых телах, обусловливает особенности термограмм, что позволяет при их расшифровке в первую очередь обнаружить сам факт превращения и определить температуру начала и конца его протекания. Kpоме того, на основе анализа термограмм, полученных не только при нагреве, но и при последующей охлаждении, можно в ряде случаев сделать заключение о природе обнаруженного превращения.

Классификация превращений в металлах и сплавах

При протекании обратимых превращений, т.е. превращений, отвечающих диаграмме фазового равновесия, тепловые эффекты наблюдаются как на термограммах нагрева, так и охлаждения. При этом, если это фазовый переход I рода (кристаллизация-плавление, аллотропические превращения), то наблюдается температурный гистерезис фазового превращения - тепловые эффекты при нагреве проявляются при более высоких температурах, чем те же эффекты при охлаждении. Однако, когда происходят фазовые переходы II рода, например, переход ферромагнитного состояния в парамагнитное и наоборот) температурный гистерезис отсутствует.

В ряде случаев могут также наблюдаться необратимые превращения. При нагреве образцов, находящихся в неравновесном (термодинамически неустойчивом) состоянии, появляются тепловые эффекты, которые не повторяются при последующем охлаждении или при повторном нагреве. В результате таких превращений совершается переход из неравновесного состояния с повышенной внутренней энергией в состояние термодинамически более устойчивое. Такой переход сопровождается выделением избыточной внутренней энергии и соответственно нагревом образца (экзотермическая тепловая реакция).

Необратимые превращения в случае пластически деформированных металлов имеют характер структурных превращений, сначала при нагреве происходит перераспределение дислокаций (полигонизация), их частичная аннигиляция и сток избыточных вакансии на свободные поверхности (процессы возврата), а при более высоких температурах резко уменьшается плотность дислокаций (от ~10¹¹ до 10⁷ см^-2) в результате развития процессов рекристаллизации. На термограммах в ряде случаев отчетливо разделяются экзотермические тепловые эффекты, связанные с развитием отдыха и рекристаллизации.

Необратимыми превращениями могут быть также фазовые превращения. Этот случай, в частности, реализуется в образцах закаленной углеродистой стали. На термограммах, полученных на таких образцах, наблюдаются экзотермические эффекты, отвечающие распаду мартенсита, остаточного аустенита, а также формированию равновесной структуры.

Таким образом, подводя итоги, можно заключить, что в общем случае превращения могут происходить как в интервале температур, так и при постоянной температуре; превращения бывают обратимыми или необратимыми; они могут протекать с термическим гистерезисом или без термического гистерезиса.

На рис. 9.1 в виде схемы приведены некоторые характерные примеры термограмм нагрева и охлаждения для различных типов обратимых превращений в кристаллических материалах. На рис. 9.1,а для случая, когда превращение I рода протекает при постоянной температуре T₁ (плавление-затвердевание чистого металла или эвтектического сплава и др.), а на рис. 9.1,б, когда такое превращение происходит в интервале температур T₁ – T₂ (например, плавление-затвердевание жидкого сплава, кристаллизующегося в виде твердого раствора). Штриховыми плавными кривыми показано, как изменялась бы температура образца при его нагреве и охлаждении, если бы в нем отсутствовали какие-либо превращения. Эти кривые можно также рассматривать как относящиеся к эталону - образцу, в котором не происходят внутренние превращения и который нагревается и охлаждается в строго идентичных условиях с исследуемым образцом. По разнице между сплошными и штриховыми кривыми можно судить о том, когда температура образца выше или ниже температуры эталона. Поглощение тепла (эндотермическая тепловая реакция) или его выделение (экзотермическая реакция) всегда сопровождается появлением разницы в температурах исследуемого образца и эталона.

Рисунок 9.1 – Виды термограмм нагрева и охлаждения для разных типов превращений (схема)

Характер термограмм, соответствующих фазовым превращениям II рода типа магнитных переходов, показан на рис. 9.1в. В случае нагревания образца поглощение теплоты, связанное с разупорядочиванием спиновой системы, проявляется задолго до точки Кюри Т_с (условно при температурах ТT₁). Поскольку в самой точке перехода Т_с теплота превращения равна нулю, площадки на термограмме не будет. Следует отметить, что при охлаждении точка Кюри будет фиксироваться не по экстремуму на термограмме, как в случае нагрева, а по высокотемпературному излому. Экстремуму будет отвечать температура T₁, ниже которой тепловые эффекты, связанные с упорядочением спиновой системой, становятся исчезающе малыми^*. Участок тернограммы ниже T₁ определяется выравниванием температуры образца и печи. Напомним, что магнитные превращения являются безгистерезисными.