потёмкин (материаловедение. металлы. Потёмкин)

Федеральное агентство по образованию МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ ~государственный технический университет) УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО МЕТАЛЛОВЕДЕНИЮ Под редакцией д-ра техн. наук, профессора О.Х Фаткуллила Утверждено на заседании редсовета 20 сентября 2004 г. Москва Издательство МАИ 2005 Авторы; А.В.

Потемкин, Ю,П. Фролов, Г.П. Бенедиктова, В.С. Терентьева, В.В. Николенко, АА, алыпин, Т. С. Морозова, Е.В. Рябченко Учебное пособие к лабораторным работам по металловедению. А.Я. Потемкин, Ю.П. Фролов, Г,П. Бенедиктова и др. / Под ред. О.Х, Фаткуллина. — Мл Изд-во МАИ, 2005. — 88 сл ил. Излагаются основные методы изучения структуры и свойств металлических материалов, применяемых в качестве конструкционных и злектротехнических. Рассматривается влияние термической обработки и пластической деформации на свойства легких сплавов и сталей.

Предназначено для студентов всех специальностей, выполняющих лабораторные работы по курсам «Конструкционные материалы», «Материаловедение», «Материалы н технология нх обработки», Рецензенты: Б.Н. Арзамасов, Г.И. Эскин 1ВВХ 5-7035-1564-5 © Московский авиационный институт (государственный технический университет), 2005 ПРЕДИСЛОВИЕ В учебном пособии кратко излагаются теоретические положения, касающиеся каждой конкретной лабораторной работы, описываются методические приемы их выполнения, а также требования, предъявляемые к оформлению и отчету, По сравнению с предшествующим изданием в данное пособие включены контрольные вопросы к каждой работе и внесены существенные изменения в текстовую часть некоторых работ.

Описания лабораторных работ составлены из расчета проведения их в течение четырех часов, хотя вполне возможно выполнение работы и за два часа. В этом случае практическая часть работы осуществляется в сокращенном варианте. Необходимо учитывать, что лабораторной работе предшествует самостоятельная работа студента с учебником, и поэтому теоретическая часть описания работы имеет целью лишь напомнить основные положения, связанные с выполнением конкретного задания по лабораторной работе.

В пособии номера лабораторных работ поставлены в порядке изложения, а в скобках указаны номера работ, соответствующие кафедральному расписанию. Это помогает студентам легче ориентироваться в материале пособия. Студентам отлельных специальностей помимо работ, приведенных в пособии, могут быть предложены для выполнения другие работы, не вошедшие в данное издание. Лабораторная работа 1(41) написана проф. А.Я. Потемкиным и проф. Ю.П.

Фроловым; 2(42) — доц. Г.П. Бенедиктовой; 3(43) — проф. В.С. Терентьевой; 4(44) и 9(49) — проф. В.В. Николенко; 5(45) — проф. А.А. Клыпиным; 6(46) — доц. Т.С. Морозовои; 4(44), 7(47) — доц. Е.В. Рябченко, Авторы выражают благодарность рецензентам д-ру техн. наук проф. Г.И. Эскину и заел. деятелю науки и техники д-ру техн, наук проф, Б.Н. Арзамасову за ценные замечания.

Работа 1(41). ПОСТРОЕНИЕ И АНАЛИЗ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ И ДИАГРАММ СОСТА — СВОЙСТВО 1. Построение диаграммы состояния по данным термического анализа Одной из важнейших задач практического металловедения является построение и изучение диаграмм состояния. Диаграммой состояния называется графическое изображение фазового состояния сплавов данной системы в зависимости от их концентрации и температуры. По этой диаграмме можно качественно судить о структуре сплавов, их физико-химических, физических, механических и технологических свойствах. Для системы сплавов, состояших из двух компонентов А и В, диаграмма состояния изображается в двух измерениях: по оси абсцисс откладывается концентрация компонентов, а по оси ординат — температура (рис.

1), Диаграммы состояния строятся экспериментально ез Ф3. путем нахождения критичес- 6 ъ» ких точек чистых компонентов А и В и ряда их сплавов. Критическими точками и называются температуры, при ь которых происходит изменение фазового состояния сплавов или чистых компонентов. Линии диаграммы являются рис. ! геометрическими местами критических точек, соответствующих аналогичным изменениям фазового состояния.

Определение критических точек производится с помошью ряда методов физико-химического анализа; термического, металлографического, дилатометрического, измерения электрических, магнит- ных свойств и т.д. Любой из этих методов основан на том, что изменение фазового состояния сплава сопровождается скачкообразным изменением его свойств. Одним из наиболее простых и широко используемых методов является термический. Термический метод основан на том, что при изменении фазового состояния металла или сплава меняется его теплосодержание, так как фазовые преврашения, согласно принципу Ле-Шателье, происходят либо с выделением, либо с поглошением тепла. Для определения критических точек металла или сплава термическим методом произволится построение кривгях охлаждения (или нагрева) в координатах температура — время.

Тепловой эффект фазового преврашения сказывается на скорости изменения температуры системы, в результате чего на кривой охлаждения появляется точка перелома, соответствуюгцая критической точке материала. Преврашение может происходить как при постоянной температуре (тогда на кривой охлаждения имеется площадка), так и в интервале температур (тогда на кривой охлаждения имеются две точки перелома: точка начала и точка конца преврашения). Для объяснения вида кривых охлаждения и нагревания пользуются правилом фаз Гиббса. Г)равилю фаз дает количественную связь между числом степеней свободы системы (С), количеством фаз (Ф) и компонентов (К) и выражается уравнением С = К вЂ” Ф + 2.

Если принять, что фазовые превращения происходят при постоянном давлении, то правило фаз принимает следуюший вид: С = К вЂ” Ф+1. Если С = О, то фазовое превращение происходит при постоянной температуре, а если С = 1, — в ин- ф тервале температур. На рис. 2 представлена кривая охлаждения чистого металла. Участок 1 — 2 соответствует охлаждению жидкого металла (на рис. 2, Ж— жидкий металл, Кр — кристаллический, твердый металл). В точке 2 дреме начинается процесс кристаллизации, т.е. переход из жидкого в твердое состояние.

Изменение фазового состояния металла приводит к появлению на кривой охлаждения точки перелома. Решая уравнение правила фаз для кристаллизации чистого металла, получаем С = О, т.е, процесс кристаллизации в чистом металле происходит при постоянной температуре. В точке 3 кристаллизация заканчивается, металл полностью переходит в твердое состояние. На кривой охлаждения снова появляется ~очка перелома. Точкам перелома 2 и 3 на кривой охлаждения соответствует температура кристаллизации металла, являющаяся его критической точкой.

На участке 3 — 4 происходит охлаждение затвердевшего металла. Цель работы — ознакомиться с термическим методом построения диаграммы состояния системы свинец — сурьма и проанализировать зту диаграмму. Термический метод построения диаграммы состояния системы свинец — сурьма Для исследования даны чистые металлы ЯЬ и РЬ и их сплавы следующего состава: 6% 8Ь и 94% РЬ; 13% 8Ь и 87% РЬ; 80% 8Ь и 20% РЬ, Экспериментальная установка (рис. 3) состоит нз тигельной печи сопротивления 1, в которую помещен тигель 3 с расплавом 1 2 Л Рис.

3 исследуемого металла или сплава. В перегретый расплав погружена термопара 2, соединенная с гальванометром 4. Приступая к работе, студент выключает печь из сети и в процессе охлаждения через каждые 30 с записывает показания гальва- нометра. По полученным данным строится кривая охлаждения в следующих координатах: по оси абсцисс — время в минутах, по оси ординат — соответствующие показания гальванометра в милливольтах. Критическим точкам сплава (или чистого металла) соответствуют точки перелома на кривой охлаждения. Критическая температура определяется путем перевода в точках перегиба показаний гальванометра в градусы по градуировочным кривым.

Полученные критические точки вносятся в сводную таблицу (табл. 1), Уайлииа У По полученным критическим точкам строится диаграмма состояния системы свинец — сурьма. Для этого по оси абсцисс слева направо откладывается содержание сурьмы от 0 до 100%, а по оси ординат — температура. Левая крайняя ордината соответствует чистому свинцу, крайняя правая — сурьме, а каждому из исследуемых сплавов — определенная промежуточная ордината. Найденные критические точки металлов и сплавов наносятся на соответствующие ординаты и соединяются плавными линиями (рис. 4).

При небольших отклонениях температуры конца кристаллизации у различных сплавов она определяется как среднеарифметическая. Анализ диаграммы состоянии системы РЬ вЂ” БЬ Линия начала кристаллизации АСВ называется ликвидус. Выше нее сплавы находятся в жидком состоянии. Линия конца кристаллизации 1)СГ называется солидус. Ниже нее сплавы находятся в твердом состоянии.

Между линиями ликвидуса и солидуса сплавы состоят из жидкой и твердой фаз. Точка С называется эвтектической, В ней происходит кристаллизация только одной эвтектики. Звтектикой называется гетерогенная смесь двух (или более в сложных системах) фаз, кристаллизуюшихся одновременно в оп- ваа ааа оао аао а го во аа оо аа оо эо аа оо гаа Р аа е — Точки начала кристаллиоации к — Точки конца кристаллизации Рис. 4 ределенном количественном соотношении из жидкой фазы определенного эвтектического состава. Кристаллизация эвтектики, согласно правилу фаз, происходит при постоянной температуре„называемой эвтектической температурой, так как С= К вЂ” Ф+ 1= 2 — 3+ 1 = О„ где К = 2 (система состоит из двух компонентов); Ф=З (при кристаллизации эвтекгики в равновесии находятся три фазы: жидкая и две твердые).

В системе свинец — сурьма эвтектнческая точка соответствует содержанию!3% сурьмы и 87% свинца. Этот сплав кристаллизуется при температуре 247'С в эвтектическую смесь„состоящую из кристаллов свинца и сурьмы. Сплав, структура которого состоит из одной эвтектики называется эвтектическим. Сплавы, содержашие сурьмы меньше 13%, называются доэвтектическими, а больше 13% — эаэвтектичеекими. Кристаллизация доэвтектических сплавов начинается с выделения кристаллов свинца (согласно правилу фаз, этот процесс происходит в интервале температур, так как С = К вЂ” Ф + 1= 2 — 2 + + 1 = 1). Жидкая фаза по мере кристаллизации свинца, постепенно обогашаясь сурьмой при температуре 24?'С, принимает концентрацию эвтектической точки (13% 8Ь я 87% РЬ) и кристаллизуется в эвтектику.

Таким образом, микроструктура доэвтектического сплава состоит из кристаллов избыточного свинца и эвтектики. Кристаллизация заэвтектических сплавов начинается с выделения кристаллов сурьмы. Этот процесс происходит до температуры 247'С. Жидкая фаза по мере кристаллизации сурьмы постепенно обогащается свинцом, при температуре 247'С достигает концентрации эвтектической точки и кристаллизуется в эвтектику.