Порядок выполнения работы. 1. Изучить микроструктуру латуней и бронз в различном состоя­нии (на готовой коллекции микрошлифов)

1. Изучить микроструктуру латуней и бронз в различном состоя­нии (на готовой коллекции микрошлифов).

2. Зарисовать микроструктуры образцов с указанием структурных составляющих и фаз.

3. Расшифровать марки сплавов с указанием химического состава.

Содержание отчета

1. Название и цель работы.

2. Краткое изложение теоретического введения с зарисовкой диаграмм равновесия.

3. Схемы микроструктуры образцов рассмотренных сплавов меди и область их применения.

4. Найдите по справочникам состав бронзы в олимпийских медалях.

Контрольные вопросы

На какие группы делят медные сплавы?

Как влияют легирующие элементы на свойства латуней?

Какая обработка приводит к упрочнению бериллиевой бронзы?

Литература: [1, 2].

Работа 13

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМА СТАРЕНИЯ

НА ТВЕРДОСТЬ ДЮРАЛЮМИНА

И ТЕХНИЧЕСКОГО ЖЕЛЕЗА

Цель работы – изучить влияние температуры и продолжительность старения на твердость алюминиевого сплава; ознакомиться с влиянием температуры закалки на интенсивность старения технического железа.

Содержание работы

Старение – это вид упрочняющей термической обработки сплавов. Старение производят, чтобы распались метастабильные фазы, полученные в результате закалки; оно состоит из нагрева при температуре значительно ниже температуры полиморфного превращения и последующего охлаждения на воздухе.

При закалке, благодаря резкому охлаждению от высокой температуры, фиксируется высокотемпературное фазовое состояние сплава. С понижением температуры содержание растворенного компонента в твердом растворе должно уменьшаться, закалка, предотвращая диффузионное перераспределение атомов, создает состояние пересыщенного твердого раствора. Старение проводят путем нагрева пересыщенного твердого раствора ниже температуры, характеризуемой линией ограниченной растворимости на диаграмме состояния. Основной процесс фазовых превращений при старении – распад пересыщенного твердого раствора.

Изменение микроструктуры при старении сводится к образованию выделений разной формы, дисперсности и взаимного расположения, в зависимости от условий старения и типа сплава. Размеры выделений обычно таковы (20 – 100 нм), что они не разрешаются при наблюдении в световом микроскопе. Наблюдать изменение микроструктуры при старении можно только с помощью электронного микроскопа.

Образование дисперсных выделений при старении приводит к существенному упрочнению сплава. Повышение прочности вызывает уменьшение пластичности.

В алюминиевых и титановых сплавах старение используют как эффективный способ повышения эксплуатационных свойств материала – его прочности.

В листовом техническом железе эффект старения стремятся подавить, поскольку оно ухудшает поведение листа при вытяжке и снижает его магнитные свойства.

Распад пересыщенного твердого раствора при старении происходит в несколько стадий в зависимости от температуры и продолжительности нагрева.

Процесс старения, протекающий при комнатной температуре, называют естественным, а при повышенных температурах – искусственным. Указанные два процесса обусловлены различными механизмами.

Классическими дисперсионнотвердеющими сплавами являются сплавы алюминия с медью – дюралюмины (сплавы Д1, Д16, Д6) рис. 17. Содержание меди в них колеблется приблизительно в пределах 4 – 5 %, магния – 0,5 – 1,5 %, марганца – 0,5 – 1,0 %. Для объяснения превращений, которые происходят в дюралюминах при термической обработке, и обоснования режимов термической обработки можно в первом приближении воспользоваться диаграммой состояния Al-Cu, показанной на рис. 17. Как видно из диаграммы, максимальная растворимость меди в алюминии равна 5,7 % при температуре 548 °С. С понижением температуры растворимость меди в алюминии уменьшается и при комнатной температуре становится равной 0,5 %.

При содержании меди 4 – 5 % структура сплава в равновесном состоянии состоит из зерен твердого раствора и выделений CuAl₂. Присутствие фазы CuAl₂ вследствие их высокой твердости несколько увеличивает прочность сплава. Но большего повышения прочности можно достичь термической обработкой – закалкой и старением. Целью закалки является растворение фаз и фиксирование пересыщенного твердого раствора. Для этого сплав нагревают до температуры 530 °С, при которой сплав становится однофазным, и затем быстро охлаждают в воде. Микроструктура сплава после закалки состоит из однофазных зерен твердого раствора.

В закаленном состоянии сплав имеет низкую прочность и высокую пластичность. Пересыщенный твердый раствор, полученный после закалки, является неустойчивым.

В алюминиевых сплавах процесс старения объясняется следующим: при естественном старении после закалки в зернах пересыщенноготвердого раствора сразу начинается перемещение (диффузия) атомов меди к некоторым плоскостям кристаллической решетки. Образуются зоны повышенной концентрации, представля­ющие собой пластинки толщиной в 2-3 атомных слоя и длиной 20-50 атомных слоев. Эти зоны называют зонами Гинье-Престона (кратко зоны Г-П). Образование зон Г-П ведет к искажению кристаллической решетки, вызывает повышенно прочности и снижение пластичности. Через 57 суток образование зон Г-П заканчивается и сплав приобретает максимальную прочность в дальнейшем остающуюся постоянной.

При температурах ниже нуля, например, минус 50 °С, процесс старения длится долгое время, что даст возможность сохранять сплав в пересыщенном состоянии.

При искусственном старении процесс протекает значительно быстрее и происходит в три стадии. Первая стадия – образование зон Г-П, которые имеют ту же толщину (2-3 атомных слоя), но большую протяженность (800 атомных слоев). Вторая стадия – протекающая при увеличении выдержки, заключается в том, что внутри зон Г-П происходит перестройка атомов в фазу CuAl₂. Однако эти фазы не обособляются от основного твердого раствора – на границе раздела имеются общие атомы, которые принадлежат одновременно обеим фазам (когерентная связь). Эти еще не обособившиеся от основного твердого раствора фазы называются промежуточными фазами. Третья стадия старения наблюдается при еще более длительных выдержках или дальнейшем повышении температуры старения. В этом случае нарушается когерентная связь, искажение кристаллической решетки уменьшается и промежуточные фазы переходят в стабильную CuAl₂.

Максимум прочности при старении соответствует первой стадии, а меньшей степени – второй. Третья стадия старения всегда связана с разупрочнением. На рис. 18 показаны зависимости прочности дюралюмина от температуры и времени старения.

Техническое железо содержит, помимо примесей 0,02 – 0,05 % углерода. Согласно диаграмме равновесия, растворимость углерода с понижением температуры уменьшается. Это же относится и к растворимости азота, содержание которого составляет 0,01 %. Охлаждение рулонов технического железа и низкоуглеродистой стали после рекристаллизационного отжига, начиная с 400 °С, производят ускоренно, в связи с чем феррит оказывается пересыщенным по содержанию углерода и азота. В ходе вылеживания металла при комнатной температуре в нем проходит старение, поскольку скорость диффузии углерода и азота в железе при этой температуре достаточна высока. Распад пересыщенного раствора углерода в железе приводит вначале к дисперсному выделению метастабильного e-карбида, решетка которого полностью сопрягается с решеткой феррита. Позднее e-карбид сменяется более стабильным цементитом Fe₃C. В твердом растворе азота в железе ситуация аналогична: на начальных стадиях распада выделяется дисперсный метастабильный нитрид Fe₁₆N₂, на более поздних стадиях его сменяет стабильный нитрид Fe₄N.

Выделения карбидов и нитридов из пересыщенного твердого раствора в процессе старения резко ухудшают пластические и магнитные свойства материала. Для предотвращения старения в металл вводят, например, ванадий, алюминий и др. В противном случае технологический процесс необходимо вести таким образом, чтобы уменьшить пересыщение феррита углеродом и азотом (например, понижая температуру, от которой металл охлаждается быстро). Металл, предназначенный для ряда изделий, подвергают испытаниям на склонность к старению. Для этого в некоторых случаях строят зависимость твердости от продолжительности выдержки при 100 – 200 °С.

2. Порядок выполнения работы

Определить твердость образцов из дюралюмина перед закалкой.

Провести закалку образцов с температуры 500 °С с охлаждением в воде и определить твердость после закалки.

Провести старение образцов при 20 °С, 5 – 7 дней (выполняет лаборант), и при 75 – 350 °С (10 – 60 мин). Измерить твердости после старения.

Определить твердость образцов технического железа в отожженном состоянии.

Закалить образцы с 350 и 600 °С в воде и измерить твердость.

Провести старение при одной из температур в интервале 100 – 250 °С (10 – 60 мин). Определить твердость после старения.

Содержание отчета

Название и цель работы.

Краткое теоретическое введение.

Экспериментальные данные в виде таблиц по формам 1 и 2; графики зависимостей твердости от режимов старения:

а) зависимость твердости дюралюмина от времени старения при разных температурах;

б) зависимость твердости дюралюмина от температуры старения (при выбранном времени старения);

в) зависимость твердости технического железа от времени старе­ния (для образцов, закаленных с разных температур).

Форма 1

Твердость дюралюмина
перед закалкой	после закалки	после старения
20 °С	t, °С; t, с

Форма 2

Твердость технического железа
В отожженном состоянии	После закалки при t, °С	После старения t, °С; t, с

Контрольные вопросы

В каком фазовом состоянии должен находиться сплав, подвер­гаемый старению?

Почему при старении возрастает твердость сплава?

Почему закалка без полиморфного превращения не приводит к заметному упрочнению стали на мартенсит?

Литература: [1, 2, 3].

Литература

Гуляев А.П. Металловедение - М.: Металлургия, 1977. – 647 с.

Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение - М.: Металлургия, 1983. - 384 c.

Шульце Г. Металлофизика - М.: Мир, 1971. - 503 с.

Лившиц Б.Г. Металлография. - М.: Металлургиздат, 1971.

Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. Машиностроение, 1990.

Таблица 1