Теория строения материалов

ТЕОРИЯ
СТРОЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ
ЛАБОРАТОРНЫЙ
ПРАКТИКУМ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Р.Е. АЛЕКСЕЕВА»
(НГТУ)
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
(ПГТУ)
ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ
Лабораторный практикум
Под общ. ред. профессора В.К. Сорокина
Йошкар-Ола
ПГТУ
2014
УДК 620.22
ББК 30.3
Т-34
Авторы:
Сорокин В.К., Гаврилов Г.Н., Алибеков С.Я, Крашенинникова Н.Г., Костромин С.В., Терещенко Е.Г., Мальцев И.М.,
Колосова Т.М.
Рецензенты: доктор технических наук, профессор Г.С. Юнусов;
доктор технических наук, профессор Ю.Б. Грунин
Печатается по решению
Редакционно-издательского отдела ПГТУ
Т 34
Теория строения материалов: лабораторный практикум /
В.К. Сорокин, Г.Н. Гаврилов, С.Я. Алибеков [и др.]; под ред.
проф. В.К. Сорокина. – Йошкар-Ола: Поволжский государственнй технологический университет, 2014. – 244 с.
ISBN 978-5-8158-1400-4
Представлено строение различных классов технических материалов.
Дано подробное описание микроструктуры сталей, чугунов, цветных сплавов,
рассмотрены физические и технологические свойства полимеров. Приведены
необходимые сведения для выполнения 24 лабораторных работ, анализа их
результатов и оформления отчетов.
Для студентов, обучающихся по направлению «Материаловедение и
технологии материалов».
УДК 620.22
ББК 30.3
ISBN 978-5-8158-1400-4
© Сорокин В.К., Гаврилов Г.Н.,
Алибеков С.Я, Крашенинникова Н.Г.,
Костромин С.В., Терещенко Е.Г.,
Мальцев И.М., Колосова Т.М., 2014
© Поволжский государственнй
технологический университет
(оригинал-макет), 2014
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ............................................................................................................................. 5
Лабораторная работа №1. Классификация и маркировка сталей 7
Лабораторная работа №2. Определение твердости металлов и
сплавов ............................................................................................................................. 16
Лабораторная работа № 3. Макроструктура и поверхности
разрушения материалов ........................................................................................ 24
Лабораторная работа № 4. Микроструктура сталей
и чугунов ....................................................................................................................... 36
Лабораторная работа № 5. Кристаллизация и строение
металлических слитков. ......................................................................................... 53
Лабораторная работа № 6. Влияние условий термической
обработки на свойства стали .............................................................................. 59
Лабораторная работа № 7. Микроструктура стали после
термической обработки ......................................................................................... 70
Лабораторная работа № 8. Изучение прокаливаемости
конструкционной стали ......................................................................................... 80
Лабораторная работа № 9. Оптимизация технологических
процессов термической обработки изделий методом факторного
планирования экспериментов............................................................................ 86
Лабораторная работа № 10. Микроструктура и классификация
легированных сталей ............................................................................................... 95
Лабораторная работа № 11. Изучение технологических процессов
термической обработки сталей. ......................................................................106
Лабораторная работа № 12. Лазерное термоупрочнение
поверхностных слоев стальных изделий ...................................................113
Лабораторная работа № 13. Микроструктура сварных соединений
малоуглеродистой стали .....................................................................................118
Лабораторная работа № 14. Микроструктура цветных
сплавов ...........................................................................................................................122
Лабораторная работа № 15. Термическая обработка
алюминиевых сплавов ..........................................................................................130
3
Лабораторная работа № 16. Микроструктура
двухкомпонентных материалов олово – сурьма
и свинец-сурьма ........................................................................................................138
Лабораторная работа № 17. Микроструктура
трехкомпонентных материалов свинец – олово – висмут ...............143
Лабораторная работа № 18. Исследование физических
и технологических свойств металлических порошков ......................148
Лабораторная работа № 19. Изучение уплотняемости
металлических порошков методом симплекс - решетчатого
планирования экспериментов..........................................................................158
Лабораторная работа № 20. Микроструктура спеченных
материалов из металлических порошков .................................................167
Лабораторная работа № 21. Изучение пористой структуры
и свойств тонколистовых прокатных материалов
из металлических порошков .............................................................................173
Лабораторная работа № 22. Изучение, строение и свойства
алмазосодержащих материалов ......................................................................189
Лабораторная работа № 23. Изготовление и свойства
термопластичных полимеров ...........................................................................196
Лабораторная работа № 24. Термическая обработка
полимерных материалов кристаллически-аморфного
строения ........................................................................................................................204
Задания к домашним практическим работам .........................................210
Примеры выполнения домашних работ .....................................................218
Приложения.................................................................................................................240
Библиографический список ...............................................................................241
4
ВВЕДЕНИЕ
Предлагаемое издание по теории строения материалов отражает многолетний опыт постановки лабораторного практикума
по материаловедению в Нижегородском государственном техническом университете имени Р.Е.Алексеева и Поволжском государственном технологическом университете (г. Йошкар-Ола).
Дисциплина «Материаловедение» является одной из основных при подготовке специалистов, бакалавров и магистров по
направлению «Материаловедение и технология новых материалов». Изучение этой дисциплины крайне важно и для студентов,
обучающихся по другим техническим направлениям и специальностям, поскольку научно-технический прогресс, непрерывный
рост числа новых материалов требуют от специалистов, работающих в разных областях техники, определенных знаний в области материаловедения, умения рационально использовать обширную номенклатуру материалов и методы их обработки для
достижения необходимых эксплуатационных характеристик изделий.
Лабораторные работы являются важнейщим элементом учебного процесса, совершенствующим подготовку будущего специалиста. Выполняя задания, студенты овладевают общими приемами научной деятельности, основными методами исследования
материалов, учатся правильно оформлять результаты испытаний
и объяснять их.
Настоящий лабораторный практикум включает 24 лабораторные работы, в которых рассматриваются методы исследования,
классификация, маркировка, структура и свойства основных
групп металлических, неметаллических и порошковых материалов, виды их термической обработки.
Описание лаборторных работ имеет единую структуру. В
начале каждой работы формулируется ее цель, затем подробно
излагается теоретический материал для самостоятельной подготовки студентов к занятиям. Далее описываются используемые
материалы и оборудование, последовательность выполнения работы, даются рекомендации по обработке экспериментальных
данных и оформленю отчёта. В конце каждой работы приводятся
5
контрольные вопросы для оценки усвоения студентами материала по той или иной теме.
Лабораторный практикуи иллюстрируется большим количеством рисунков, диаграмм, фотографий макро- и микрострукур
материалов, содержит необходимые таблицы, справочные данные.
Настоящее издание может быть использовано студентами
всех направлений подготовки, изучающих общее материаловедение, а также специалистами, работающими в области материаловедения и технологии материалов.
Авторы надеются, что настоящий лабораторный практикум
поможет студентам успешно освоить изучаемую дисциплину,
полнее и глубже понять особенности современных материалов,
пути их совершенствования и создания принципиально новых
материалов и технологий.
6
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ
Цель работы - изучение принципов классификации и маркировки сталей по стандартам, определение назначения, качества,
химического состава и пр. по маркам сталей.
1.
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Классификацию сталей производят по следующим признакам:
химическому составу,
назначению,
микроструктуре,
способу производства,
методу придания формы,
металлургическому качеству,
степени раскисления;
условиям поставки.
По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные. Углеродистыми называют стали, в которых
кроме железа и углерода содержатся примеси, являющиеся следствием особенностей металлургического производства (марганец
и кремний), невозможности их полного удаления (сера, фосфор,
кислород, газовые включения) или случайные примеси (хром,
медь, никель и пр.). Постоянными примесями углеродистой стали
являются: марганец - не более 1% и кремний – не более 0,5%, сера и фосфор – не более 0,005% каждого.
По содержанию углерода углеродистые стали подразделяют
на:
 низкоуглеродистые (С0,25%) ;
 среднеуглеродистые (С = 0,25…0,60%);
 высокоуглеродистые (С0,6%).
Легированные стали содержат специально введенные легирующие вещества (марганец - более 1%, кремний – более 0,5%,
хром, никель, вольфрам и др.). Различают стали:








7
 низколегированные, при суммарном содержании легирующих
элементов до 3,5 %;
 среднелегированные, при суммарном содержании легирующих элементов 3,5 …10 %;
 высоколегированные, при суммарном содержании легирующих элементов более 10 %.
По назначению стали делят на строительные, конструкционные (машиностроительные), инструментальные и с особыми физическими свойствами (нержавеющие, жаропрочные, жаростойкие, магнитные и др.).
По микроструктуре стали могут быть аустенитными, перлитными, мартенситными, карбидными, бейнитными, ферритными и др.
По способу производства стали подразделяют на мартеновские, конвертерные, электропечные, выплавляемые в дуговых
или индукционных высокочастотных электропечах.
По методу придания формы различают литые, кованные и
прокатные стали.
По металлургическому качеству выделяют стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо
высококачественные. Качество стали определяется, в основном,
содержанием вредных примесей - фосфора и серы (табл. 1.1).
Таблица 1.1. Максимально допустимое содержание примесей серы и
фосфора в сталях разного качества
Металлургическое качество стали
Содержание, %, не более
серы
фосфора
Обыкновенного качества
0,06
0,07
Качественная
0,035
0,04
Высококачественная
0,025
0,025
Особовысококачественная
0,015
0,025
Улучшают металлургическое качество сталей методами переплава: электрошлакового (Ш), электронно-лучевого (ЭЛ), пламенно-дугового (ПДП), вакуумно-дугового (ВД); двойного (вакуумно-индукционный + вакуумно-дуговой - ИД, электронношлаковый + вакуумно-дуговой - ШД), вакуумно-индукционной
выплавкой (ВИ).
8
По степени раскисления различают стали:
 спокойные (раскисленные до разливки в изложницу и, частично, в изложнице алюминием, ферромарганцем и ферросилицием);
 полуспокойные (раскисленные частично до изложницы, частично в изложнице ферромарганцем и ферросилицием);
- кипящие (раскисленные в изложнице ферромарганцем).
По условиям поставки различают стали, поставляемые:
 группа А - только с гарантией механических свойств;
 группа Б - только с гарантией химического состава;
 группа В - с гарантией механических свойств и химического
состава (стали для сварных конструкций);
 группа Г – с гарантией механических свойств после термической обработки;
 группа Д – с гарантией наибольшего давления при проведении гидравлических испытаний (стали трубопроводов, котлов и
пр.)
По видам продукции сталь подразделяют на:
 лист;
 рулон;
 ленту;
 трубы и т.д.
Основные группы сталей выпускаются по ГОСТам, ОСТам,
ТУ и СНиПам.
Обозначение сталей
Углеродистые конструкционные стали
Стали обыкновенного качества маркируют в соответствии с
ГОСТ 380-94. Марки стали имеют буквенно-цифровое обозначение: «Ст» –означает сталь, цифры от 0 до 6 – условный порядковый номер. Степень раскисления стали обозначается индексами:
кп - кипящая сталь, пс - полуспокойная сталь, сп - спокойная
сталь. Например, сталь Ст3кп ГОСТ 380-94. При повышенном
содержании марганца добавляется буква Г. Например, сталь
Ст5Гсп ГОСТ 380-94.
9
Качественные стали обозначаются по ГОСТ 1050-94 двумя
цифрами, указывающими на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 20 ГОСТ 1050-94 – качественная углеродистая сталь с содержанием углерода 0,20%
Углеродистые инструментальные стали
Углеродистые инструментальные стали маркируют согласно
ГОСТ 1435-90. Марки стали имеют буквенно-цифровое обозначение: буква У означает, что сталь углеродистая, число, стоящее
после буквы У, показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква А, стоящая в конце марки, означает,
что сталь высококачественная.
Например, У8А ГОСТ 1435-90 - углеродистая высококачественная сталь с содержанием углерода 0,8%.
Легированные стали
Условное обозначение легирующих элементов представлено в
табл.1.2
Таблица 1.2 Обозначение легирующих элементов в марке стали
Хим. символ
C
Cr
Mo
Mn Cu
Ni
Nb
Ti
Co
элемента
Обозначение в
У
Х
М
Г
Д
Н
Б
Т
К
марке тали
Хим. символ
P
V
N
W
Al
B
Si
Se
РЗМ
элемента
Обозначение в
П
Ф
А
В
Ю
Р
С
Е
Ч
марке тали
Легированные конструкционные стали
Легированные конструкционные стали имеют буквенноцифровое обозначение: первые две цифры указывают на среднее
содержание углерода в сотых долях процента; буквы обозначают
легирующие элементы, а цифры за буквой - их среднее содержание в процентах.
Например, сталь 60С2Н2 ГОСТ 14959-79 содержит в среднем
0,12 % С, 2% Si ; 2 % Ni.
Если содержание элемента не указывается в марке стали, то
это значит, что оно менее 1,5%.
10
Инструментальные легированные стали
Легированные инструментальные стали, так же, как и конструкционные, имеют буквенно-цифровое обозначение: Однако
первое число указывает на среднее содержание углерода в десятых долях процента; буквы обозначают легирующие элементы, а
цифры за буквой - их среднее содержание в процентах. Если
первая цифра отсутствует, это значит, что содержание углерода в
стали не более 1,5%. На практике содержание углерода примерно
соответствует 1%. Например, 9ХВГС ГОСТ 5950-73 - легированная инструментальная сталь с содержанием углерода 0,9%, хрома, марганца и кремния до  1,5% каждого.
Обозначение металлургического качества стали
Буква А в конце марки стали означает, что сталь высококачественная. Та же буква А, стоящая внутри марки, означает, что в
стали содержатся нитриды – азот как легирующий элемент.
Например, нержавеющая сталь 10Х14АГ15 ГОСТ 5632-72 содержит углерода  0,10%; хрома  14%; нитридов  до 1,5%;
марганца  15%.
Буква А – в начале марки означает, что сталь автоматная (с
улучшенной обрабатываемостью резанием). Например, А12
ГОСТ 1414-75 - автоматная сталь с содержанием углерода около
0,12%.
Буквы Ш, ВД, ВИ, ЭЛ, ПДП, ИД, ШД обозначают особовысококачественную сталь, улучшенную специальными методами переплава и выплавки.
Например, 12Х2Н3-ВД ГОСТ 4543-71 - особовысококачественная сталь с содержанием углерода около 0,12%; хрома  2%;
никеля  3%.
Маркировка сталей с особыми физическими,
технологическими или механическими свойствами
Стали специального назначения имеют собственную, отличную от общепринятой маркировку.
Быстрорежущая сталь маркируется по ГОСТ 19265-73,
Буква Р означает, что сталь предназначена для скоростного ре11
зания материалов. Число после буквы Р показывает среднее содержание вольфрама - основного легирующего элемента, определяющего свойства стали. Например, Р18 - быстрорежущая
сталь с содержанием углерода  1,5%; вольфрама  18 %;
Подшипниковые стали маркируют по ГОСТ 801-78 буквой
Ш в начале наименования. Содержание хрома в этих сталях
определяется как десятая часть числа, стоящего после буквы Х.
Например, ШХ9 - шарикоподшипниковая сталь с содержанием
углерода  1,5%; хрома  0,9%;
Котловая сталь маркируется по ГОСТ 5520-79. Буква К показывает, что сталь предназначена для использования в котлостроении, число, стоящее перед буквой, показывает примерное
содержание углерода в сотых долях процента. Например, 22К котловая сталь с содержанием углерода  0,22%.
Магнитная сталь маркируется по ГОСТ 6862 буквой Е, указывающей, что сталь магнитотвердая. Остальные буквы обозначают легирующие элементы, цифры - их содержание в процентах. Например, ЕХ9К15М2 - магнитная сталь с содержанием
углерода до 1,5%; хрома  9%; кобальта  15%; молибдена 2%.
Электротехническая сталь маркируется по ГОСТ 3836-83:
10832, 20832, 21832, 10848, 20848, 20864, 21864, 10880, 20880,
11880, 21895. В обозначении марки цифры означают класс по
структурному состоянию и нормируемые характеристики физических свойств.
Сталь для отливок (литую сталь) обозначают с буквой Л в
конце марки. Например, сталь 20Л ГОСТ 997-75 или центробежно-литая сталь 15Х1М1Ф-ЦЛ ГОСТ 997-75 - литая сталь с
содержанием углерода до 0,15%; хрома 1%; молибдена 1%;
ванадия до 1,5%.
Строительная сталь маркируется по ГОСТ 27772-88: С255,
С345Т, С390К, С440Д. Стали обозначаются буквой С (строительная) и цифрами, соответствующими минимальному пределу текучести стали. Буква К в конце наименования указывает на стали
с повышенной коррозионной стойкостью, буква Т - на термоупрочненный прокат; буква Д – на повышенное содержание меди. Например, С390К - строительная сталь с повышенной коррозионной стойкостью, имеющая предел текучести т 390МПа.
12
На практике применяют опытные марки сталей, впервые выплавленные на заводе «Днепроспецсталь» - ДИ57, ДИ 94; марки
Челябинского металлургического комбината - ЧС 43, ЧС 87; завода «Электросталь» - ЭИ135, ЭП225.
Международная маркировка сталей по евронормам
Европейская система обозначения сталей приводится в стандарте EN 10027, состоящем из двух частей. Часть I определяет
порядок наименования сталей (присвоения им буквенноцифровых обозначений), часть II – порядок присвоения сталям
порядковых номеров.
Стали по порядку присвоения им наименований (часть I) делятся на две группы. В первую группу включены стали, наименование которых определяется их назначением и механическими
или физическими свойствами. Вторую группу составляют стали,
наименование которых определяется их химическим составом.
Группа I. Наименования сталей состоят из одной или более
букв, связанных с назначением стали, за которыми следует цифры, обозначающие свойства. За цифрами могут следовать дополнительные символы, определяющие состояние поставки стали и
ее назначение. Например, в обозначении конструкционной стали
S355JO буква S означает, что сталь конструкционная, дополнительные буквы JO определяют дополнительные механические
свойства согласно прилагаемой в EN 10027 таблице. Число показывает свойство: минимальный предел текучести в Н/мм2.
Группа 2. Наименование сталей определяется их химическим
составом. Например, С35Е4 – нелегированная сталь со средним
содержанием углерода 0,35% и максимальным содержанием серы
0,04% (буква Е показывает заданное максимальное количество
серы, умноженное на 100). Сталь Х5CrNi18-10 – легированная
сталь со средним содержанием С – 0,05%, Cr -18%, Ni –10%.
В части II стандарта EN 10027 порядковый номер стали
представляется в виде ХХХХХ. Первая цифра означают, что
материал относится к: 1 - сталям, 0- чугунам, 2 – жаропрочным
сплавам на основе никеля и кобальта; 3 – цветным металлам и
сплавам. Следующие две цифры, стоящие после цифры 1, определяют номер группы сталей, а две последние – порядковый номер стали в группе.
13
2. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ
И ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
1. Ознакомиться с основными принципами классификации и
маркировки углеродистых и легированных сталей.
2. Произвести классификацию и расшифровку химического состава каждой марки стали по таблицам 1.3 и 1.4 согласно варианту, указанному преподавателем.
Таблица 1.3. Марки сталей для расшифровки
№
1
2
3
4
5
6
Ст0
Ст3кп
Ст4пс
Ст2кп
Ст5пс
Ст3пс
10
15кп
20
05кп
08
25
У8-Ш
У7А
У8-Ш
У10
У10А
У9
Марка стали
6ХВС
9Х1
ХВ4Ф
9ХВГ
Х6ВФ
Х12Ф1
Р6М5К5
Р9
Р9М4К8
Р12
Р18
Р6М5К5
60КС2
70С2Н2А
55ХГР
30ХГСНА
12ДН2Ф-Л
12ХМ
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Ст4сп
Ст2пс
Ст5сп
Ст2сп
Ст3кп
Ст1пс
Ст2сп
Ст1кп
Ст4пс
Ст2пс
Ст3кп
Ст4пс
Ст2кп
Ст5пс
Ст3пс
Ст4сп
Ст2пс
Ст5сп
Ст2сп
Ст3кп
Ст1пс
Ст2сп
Ст1кп
Ст4пс
30-Ш
35
40-ВД
60
65-ВИ
55
50
10кп
15пс
10
15кп
20
05кп
08
25
30-Ш
35
40-ВД
60
65-ВИ
55
50
10кп
15пс
У9А
У11
У11А
У12
У12А
У13
У13А
У8-ВД
У7
У8-Ш
У7А
У8-Ш
У10
У10А
У9
У9А
У11
У11А
У12
У12А
У13
У13А
У9-ВД
У7
Х12ВМ
4Х5МФС
3Х3М3В8Ф
6ХС
5ХВ2С
4ХВ2С
ХВГ
7ХФ
ХВСГ
Х12М
ХВ4Ф
15ГФ
Х6ВФ
17ГС
Х12ВМ
4Х5МФС
3Х3М3В8Ф
6ХС
5ХВ2С
4ХВ2С
ХВГ
7ХФ
ХВСГ
Х12М
А12
12К
А22
15К
А30Г
ШХ15
А30Г
22К
ШХ4
Р12
Р18
Р6М5К5
А12
12К
А22
15К
А30Г
ШХ15
А30Г
22К
ШХ4
Р6М5
ШХ15СГ
Р8М3
25Х2МФ
40Х9С2
08Х13
40Х10С2М
20Х23Р13
08Х17
40ХН2МА
20Х23Н18
95Х18
30ХГСА
15Х1М1Ф
38ХН3МА
12Г2СМФ
09Г2ФБ
12Х2Н4А
18Х2Н4М
25ХГМ
12ХН3А
15Х11МФ
15Х25Т
12Х18Н9Т
60С2Н2А
09Г2ФЮ
50ХГА
14
Таблица 1.4. Расшифровка марок сталей
№
п/п
№
п/п
Марка
стали
назначению
Классификация стали по
хим.
степени
металлургическому
составу раскисления
качеству
Химический состав,
%
Окончание табл. 1.4
Ожидаемые
свойства
3. Используя справочный материал (Вегст Ц.В. «Ключ сталей» - М.:Гипрохим, 15-е изд. - 1992 .- 582 с. и Марочник сталей
и сплавов - М.М. Колосков, Е.Т. Долбенко, Ю.В. Каширский и
др. под ред. А.С. Зубченко - М.: «Машиностроение», 2001.- 672
с.: илл.), для выделенных марок сталей найти соответствующие
замены марками сталей из зарубежных стандартов США (
ASTM и AISI), Японии, Германии и Франции.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какое буквенное обозначение имеют стали с особыми технологическими свойствами?
2. Каковы различия в механических и физико-химических свойствах сталей различных степеней раскисления (например, Ст3сп, Ст3пс,
Ст3кп) и различного качества (У8, У8А, У8Ш)?
3. Каково содержание углерода в сталях У7, Х12М, 14Г2, 40Х?
15
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ
И СПЛАВОВ
Цель работы - изучение основных методов определения
твердости металлических образцов из сплавов черных и цветных
металлов, ознакомление с устройством и работой пресса Бринелля ТШ-2М и твердомера Роквелла ТК-2, изучение влияния содержания углерода на твердость отожженной углеродистой стали.
1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Для того чтобы правильно использовать материал, надо знать
его свойства.
Различают физические, химические, технологические и механические свойства.
Физические свойства показывают отношение материала к
действию физических явлений (исключая действие механических
сил). К ним относятся: плотность – отношение к действию сил
тяжести; теплопроводность – способность передавать тепло от
более нагретых частей тела к менее нагретым; цвет – способность
отражать или поглощать световые волны и т.п.
Химические свойства показывают отношение материала к
действию химических явлений. К ним относятся: окисляемость –
способность сопротивляться действию окислителей; коррозионная стойкость – способность сопротивляться коррозии, растворимость – способность растворяться в химических веществах и т.д.
Технологические свойства показывают отношение материала
к способам его обработки. К ним относятся: литейные свойства
(жидкотекучесть, усадка, склонность к ликвации), деформируемость (ковкость), свариваемость – способность образовывать
неразъемные соединения требуемого качества и т.д.
16
Механические свойства показывают отношение материала к
действию внешних сил. К ним относятся твердость, прочность,
пластичность, ударная вязкость и т.д.
Твердостью называют свойство материала оказывать сопротивление проникновению в него постороннего тела. Твердость это характеристика материала, зависящая от совокупности его
пластических, упругих свойств и характера напряженного состояния, проявляющаяся в способности оказывать сопротивление
при деформации участка поверхности тела из этого материала.
Способы измерения твердости различаются по характеру воздействия наконечника на поверхность исследуемого материла и
характеризуют его различные механические свойства.
Твердость, измеренная по вдавливанию наконечника, характеризует сопротивление материала пластической деформации.
Это самые распространенные методы замера твердости (твердость по Роквеллу, Бринеллю, Виккерсу, определение микротвердости).
Твердость, измеренная по царапанью поверхности, характеризует сопротивление материала разрушению. Это метод замера
твердости по Моосу, применяемый в минералогии.
Твердость, измеренная по удару или по отскоку наконечника-шарика, характеризует упругие свойства материала. Это метод замера твердости по Польди, применяемый при переносных
испытаниях.
Определение твердости по методу Бринелля
Измерение твердости по Бринеллю проводят по ГОСТ 9012-59
«Метод измерения твердости по Бринеллю».
Твердость по Бринеллю определяют вдавливанием стального
шарика диаметром от 2,5 до 10 мм с нагрузкой от 187,5 до 3000
кг в течение от 10 до 30 секунд.
Диаметр отпечатка измеряют с помощью микроскопа или других приборов в двух взаимно перпендикулярных направлениях и
определяют среднее арифметическое значение двух измерений.
При этом разность измерений диаметров одного отпечатка не
должна превышать 2% меньшего из них.
17
Твердость по Бринеллю выражается отношением приложенной нагрузки F к площади поверхности сферического отпечатка
А. Обозначение твердости: НВ – при применении стального шарика для металлов и сплавов с твердостью не более 450 единиц и
НВW – при применении шарика из твердого сплава для металлов
и сплавов с твердостью более 650 единиц.
Если твердость по Бринеллю измеряется с использованием
стального шарика диаметром D = 10 мм при нагрузке F = 3000
кгс и продолжительности выдержки под нагрузкой от 10 до 15 с,
она обозначается цифрами, характеризующими величину твердости, и буквами НВ, например 190НВ. При других условиях испытания после буквы НВ указываются условия испытания в следующем порядке: диаметр шарика, нагрузка и продолжительность выдержки под нагрузкой: например, 190 НВ 5/750/20 –
твердость по Бринеллю определенная с применением шарика D =
5 мм при нагрузке 750 кгс и продолжительности выдержки под
нагрузкой 20с. Число твердости определяется по формуле:
𝐹
2𝐹
=
;
𝐴 𝜋𝐷(𝐷 − √𝐷 2 − 𝑑2 )
где F – приложенная нагрузка, кгс, D – диаметр шарика, мм; d –
диаметр отпечатка, мм.
Требования к образцам и проведению испытаний:
 толщина образца должна не менее, чем в 10 раз, превышать
глубину отпечатка;
 поверхность должна быть ровной, гладкой и свободной от оксидных пленок;
 расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно
быть не менее 4d;
 расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть
не менее 2,5d .
Схемы проведения измерения твердости приведена на рис.
2.1 (а).
Для определения твердости по Бринеллю применяют специальные приборы стационарного типа ТШ или ТШК с гидравлическим или рычажно-механическим приводом.
𝐻𝐵 =
18
Рис. 2.1 Схемы замера твердости: по а – по Бринеллю, б –по
Роквеллу, в –по Виккерсу
Определение твердости по методу Роквелла
Сущность метода заключается во внедрении в поверхность
образца алмазного конусного (шкалы А, С, D) или стального
сферического наконечника (шкалы В, Е, F, G, К) под действием
последовательно прилагаемых предварительного Fо и основного
F1 усилий и в определении глубины внедрения наконечника после
снятия основного усилия F1.
Наиболее часто используются три шкалы метода Роквелла:
А,В,С.
Выбор наконечника и нагрузки для испытания по методу Роквелла представлен в табл. 2.1.
Таблица 2.1. Определение твердости по методу Роквелла
Испытуемый материал
Мягкие цвеные металлы
и их сплавы
Твердые
материалы
(сталь, чугун)
Особо твердые материалы (белый чугун, металлокерамические
твердые сплавы)
Наконечник
Шарик
(диаметр
1,59 мм)
Алмазный конус
Алмазный конус
Цвет
шкалы
Красный
Нагрузка, кг
100
Шкала
B
Черный
150
C
HRC
Черный
60
A
HRA
19
Обозначние
твердости
HRB
Твердость по Роквеллу обозначают символом HR с указанием
шкалы твердости. Число твердости по Роквеллу определяется по
шкале индикатора или показателя цифрового отсчитывающего
устройства с округлением до 0,5 единицы твердости. Например:
61,5 HRС - твердость по Роквеллу 61,5 единиц по шкале С.
Число твердости по Роквеллу является условной величиной и
определяется разностью глубин, на которые перемещается наконечник под действием последовательно приложенных нагрузок.
Чем больше величина вдавливания, тем меньше величина твердости HR. Единица твердости по Роквеллу - безразмерная величина, соответствующая осевому перемещению индикатора на 0,002
мм.
Требования к образцам и проведению испытаний:
 шероховатость поверхности образца Rа должна быть не более
2,5 мкм;
 толщина образца должна не менее чем в 10 раз превышать
глубину внедрения наконечника после снятия основного усилия;
 расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно
быть не менее четырех диаметров отпечатка, но не менее 2 мм;
 расстояние от центра до края образца должно быть не менее
2,5 диаметра отпечатка (но не менее 1 мм).
Наличие различных шкал твердости, условный и безразмерный численный результат испытаний, сравнительно низкая чувствительность делают метод Роквелла лишь средством быстрого
и упрощенного технического контроля. Однако отпечатки на поверхности деталей имеют небольшие размеры и практически безвредны для дальнейшей эксплуатации деталей.
Определение твердости по методу Виккерса
Измерение твердости по методу Виккерса проводят по ГОСТ
2999-75 «Металлы и сплавы. Метод определения твердости по
методу Виккерса».
Сущность метода заключается во вдавливании в поверхность
исследуемого образца четырехгранной алмазной пирамидки с
квадратным основанием. После приложения определенной
20
нагрузки Р, равной 50, 100 , 200, 300, 500 или 1000 Н, и выдержки
под нагрузкой в течение 10-15 с для черных металлов и 30 с для
цветных металлов нагрузку снимают и измеряют обе диагонали
отпечатка.
Число твердости по Виккерсу определяют по формуле
2𝑃 sin𝛼⁄2
𝑃
𝐻𝑉 =
= 1,8544 𝑑2,
𝑑2
где d - среднее арифметическое двух диагоналей, мм,  - угол
между противоположными гранями пирамиды при вершине, равный 136о, или по таблицам, заранее рассчитанным на основании
приведенных формул.
Для определения твердости по Виккерсу берут среднее арифметическое значение длин обеих диагоналей. Разность диагоналей одного отпечатка не должна превышать 2% меньшей из них.
Твердость по Виккерсу, измеренная при нагрузке 30 кгс и
времени выдержки под нагрузкой 10-15с, обозначается цифрами,
характеризующими величину твердости, и буквами HV. При других условиях испытания после букв HV указывается нагрузка и
время выдержки.
Примеры обозначения:
500HV – твердость по Виккерсу, полученная при нагрузке 30
кгс и времени выдержки 10-15 с;
220HV10/40 - твердость по Виккерсу, полученная при нагрузке 10 кгс и времени выдержки 40 с;
Рекомендуемые нагрузки для определения твердости по Виккерсу приведены в таблице 2.2.
Таблица 2.2. Исходные нагрузки для определения твердости по Виккерсу
Толщина
образца, мм
0,3-0,5
0,5-1
1-2
2-4
4
200-500
50; 100
100; 200
200; 500
Ожидаемая твердость HV, МПа
500-1000
1000-3000
3000-9000
50; 100
5; 10
10; 20
50; 100
100; 200
100; 200
200; 300
200; 500
200; 500
300; 500
500
500;1000;
1200
21
Требования к образцам и проведению испытаний:
 шероховатость поверхности не более 0,16 мкм;
 минимально допустимый радиус кривизны поверхности 5 мм;
 минимальная толщина образца должна быть больше диагонали отпечатка в 1,2 раза; для изделий из цветных металлов – в 1,5
раза;
 расстояние между краем поверхности образца и краем отпечатка должно быть не менее 2,5 длины диагонали отпечатка.
Между методами измерения твердости по Виккерсу и Бринеллю есть много общего. Числа твердости НВ и НV достаточно хорошо совпадают в интервале от самых низких значений до НВ
4410 МПа, т.е. до предельных значений, которые можно получить
при измерении стальным шариком. При использовании алмазной
пирамидки можно продолжить испытание до 10 000 МПа.
Общего точного перевода чисел твердости, полученных по
одному методу, в числа твердости по другим не существует. Поэтому следует избегать переводов за исключением частных случаев, когда благодаря сравнительным испытаниям имеется основание для перевода.
2. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ
И ОБРАБОТКАЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
1. Ознакомиться с методами замера твердости по Бринеллю,
Роквеллу и Виккерсу.
2. Ознакомиться с устройством и работой пресса Бринелля
ТШ-2М и твердомера Роквелла ТК-2.
3. Выбрать методы замера твердости и соответствующие
шкалы
для определения твердости образцов углеродистых
отожженных сталей 20, 45, У10, дюралюминия Д16 после закалки
и старения, отожженной меди М3. Полученные экспериментальные данные занести в таблицу:
№
п/п
Испытуемый
материал
Твердость, измененная по методам
Роквелла
Бринелля
1
2
3
HRC
НВ,
замер замер замер ср.
кгс/мм2
22
Прочность
σв,,
кгс/мм2
4. Построить график зависимости твердости отожженной стали
от процентного содержания углерода. Сделать вывод по полученному графику и объяснить полученную зависимость.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Как связана твердость с другими механическими характеристиками
материалов?
2. От каких факторов зависит твердость материалов?
3. Какое влияние и почему оказывает углерод на твердость отожженной стали?
4. Как влияют легирующие элементы на твердость стали?
23
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
МАКРОСТРУКТУРА И ПОВЕРХНОСТИ
РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ
Цель работы - Изучить макроструктуру, макродефекты и
строение поверхностей разрушения материалов в литом и деформированном состояниях.
1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
От выплавки в жидком состоянии сплава заданного химического состава до получения готовых деталей машин материалы
на металлургических и машиностроительных заводах подвергаются целому ряду различных обработок. Основными из них являются кристаллизация и получение литого металла, обработка
давлением, термическая обработка, механическая обработка резанием, иногда проводится сварка материалов. Обработка материалов изменяет их внутреннее строение (структуру) и механические свойства.
Основным металлическим материалом для машиностроения
являются стали. Это материалы на основе железа с добавкой
углерода не более 2,14 % и во многих случаях с введением дополнительно других легирующих элементов (хром, кремний,
марганец, никель и др.). Мировой объём производства стали достиг в 2003 году 952 млн. тонн. Предприятия Российской Федерации выплавили в 2003 году 61 млн. тонн стали.
Сталь и большинство других металлических материалов поступает на машиностроительные и другие предприятия преимущественно в виде проката. Это деформированный металлический материал, получаемый способами горячей и холодной
прокатки во вращающихся валках прокатных станов.
Исходным сырьем для получения сталей являются железные
руды, представляющие собой горную породу с содержанием
30…60 % железа. В результате длительной многостадийной обработки из руды получают концентрат с повышенным содержанием полезного металла. Далее проводят окускование способом
24
агломерации – спекания или получение спеченных окатышей,
т.е. превращение мелких частиц концентрата в более крупные
пористые частицы размером от 5…8 до 10…20 мм.
Из окускованных концентратов с добавками топлива (кокса)
и флюсов в особых крупных шахтных (доменных) печах высотой до 30 метров в результате сложных физико-химических
процессов получают жидкий передельный чугун (3,6…4,5 % С;
0,5…1,3 % Si), литейный чугун с повышенным до 0,8…3,6 % Si,
ферромарганец (Fe-Mn) и ферросилиций (Fe-Si).
Передельный чугун, а также стальной лом и ферросплавы
являются сырьем для выплавки стали. В процессе плавки решаются задачи уменьшения количества примесей с помощью
окислительных процессов (первый период). Далее проводят
второй, восстановительный период плавки – раскисление с введением раскислителей: марганца, кремния, алюминия.
Для выплавки стали преимущественно используются два
способа:
 кислородно-конверторный процесс получения стали в
конверторах грушевидной формы;
 плавка стали в дуговых электрических печах. Этот способ широко применяется для выплавки качественных сталей с
низким содержанием вредных примесей.
Все более широкое применение получает последующая внепечная обработка стали, служащая для уменьшения содержания
вредных примесей и газов. Это обработка жидкой стали синтетическими шлаками или выдерживание ковша со сталью в вакууме.
Применяются и методы повторного переплава затвердевшей
стали в особых условиях: электрошлаковый переплав, вакуумно-дуговой переплав и др.
После завершения плавки жидкую сталь заливают в ковши и
подают для разливки на установки непрерывной разливки стали
(УНРС) или в особые чугунные литейные формы вертикального
типа (изложницы). На УНРС жидкая сталь поступает в водоохлаждаемый кристаллизатор, а затем в зону вторичного охлаждения. Непрерывно подаваемый слиток разрезается на мерные
части.
25
Металлический материал в виде слитка или отливки, получаемый при затвердевании залитого в полость литейной формы
жидкого металла, обычно состоит из разветвленных кристаллов
древовидной формы, называемых дендритами. Макроструктура
слитка, как правило, имеет две основные широкие зоны и небольшую зону мелких неориентированных кристаллов у поверхности (корковая зона).
Наружная зона имеет удлиненные малоразветвленные столбчатые кристаллы, располагающиеся примерно перпендикулярно
к охлаждающимся поверхностям слитка. Во внутренней части
слитка располагается зона более или менее равноосных разветвленных кристаллов-дендритов. Такое строение имеют, в частности, слитки хорошо раскисленной сильными восстановителями
(Mn, Si, Al) спокойной стали. Иногда зона столбчатых кристаллов образуется в большей части объема слитка. В верхней части
слитка спокойной стали расположена усадочная раковина конусной формы.
В случае выплавки стали с пониженным содержанием такого
раскислителя, как кремний, при затвердевании слитка выделяется значительное количество газов (FеО + С = Fе + СО ). Большая
часть газовых пузырей остается в слитке такой кипящей стали и
располагается ближе к поверхности. Усадочная раковина в этих
слитках не образуется.
В металлургических производствах слитки далее подвергаются нескольким горячим и холодным прокаткам, иногда ковке
(обработке давлением). При этом дендритные кристаллы сплющиваются и вытягиваются по направлению деформации, превращаясь в волокна. Газовые пузыри завариваются. Следовательно, деформированный с большими обжатиями материал получает волокнистую макроструктуру с различными механическими свойствами вдоль и поперек проката (анизотропия
свойств). Промышленность выпускает горячекатаный сортовой
прокат (круглый, квадратный, шестигранный и др.), толстолистовой (толщина от 4 мм до 160 мм), холоднокатаный прокат
тонколистовой (толщина 0,2…5,0 мм), ленту холоднокатаную,
трубы бесшовные, поковки и другую металлопродукцию.
26
Горячая и холодная обработки давлением, в частности, горячая штамповка, широко применяются и на машиностроительных заводах для изготовления заготовок деталей машин. Волокна в них должны располагаться вдоль контура заготовки, совпадая с направлением действия механических сил на деталь.
В процессе обработок возможно образование различных дефектов материалов в виде неоднородности химического состава
(ликвация), нарушения сплошности (трещины), крупнозернистого строения и др. Разработаны методы изучения и контроля
структуры и возможных дефектов материалов, используемые в
исследовательских организациях и производственной практике.
В настоящей работе рассматриваются два из этих методов: макроструктурный анализ (макроанализ) и фрактография.
Макроанализ – изучение строения шлифованных и протравленных поверхностей материалов невооруженным глазом
или с помощью лупы при небольших увеличениях.
Исследуемая плоская поверхность предварительно подвергается механической обработке резанием, шлифованию, полированию, а затем травлению специальными химическими реактивами. Наблюдаемое строение называется макроструктурой.
При оценке степени развитости макродефектов используют
ГОСТ 10243 «Сталь. Метод испытаний и оценки макроструктуры». Макродефект определяют путем сравнения изучаемого
макрошлифа материала с набором фотографий стандарта и
установления номера балла дефекта.
Фрактoграфия – изучение поверхностей разрушения (изломов) материалов. Исследования проводят без использования
приборов и при небольших (до 50) увеличениях (макрофрактография), а также при увеличениях до десятков тысяч с помощью
электронных микроскопов (микрофрактография). Методы фрактографии дают информацию о микромеханических разрушениях
материалов, используются при анализе повреждений деталей
машин, происходящих в процессе их эксплуатации.
Микрофрактография позволяет изучить вид разрушения заготовки или детали машины. Для вязкого разрушения характерен ямочный (чашечный) рельеф разрушения, для хрупкого
27
разрушения – «ручьистая» поверхность скола, подобная излому
хрупких силикатных стекол при комнатной температуре (рис.
3.1).
Рис. 3.1. Схемы строения поверхностей разрушения:
а- вязкого; б-хрупкого (5000)
2. МАТЕРИАЛЬНО – ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ
При подготовке образцов для макроанализа в практической
части работы используются станок для приготовления шлифов,
тиски, наждачная бумага, вытяжной шкаф, травители. Студентам предоставляются готовые микрошлифы, образцы с изломами, а также образцы для практической части работы.
3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ
И ОБРАБОТКАЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Лабораторная работа состоит из двух частей:
 изучение макроструктуры и поверхностей разрушения
металлических материалов по коллекциям образцов;
 выполнение одного из практических заданий по макроструктурному анализу.
В первой части работы студенты просматривают без применения приборов все образцы из коллекций макрошлифов и изломов. Используя данные табл. 3.1 и 3.2, схемы строения образцов (рис. 3.2), устанавливают характерные особенности строения и дефекты каждого образца в связи с их обработкой.
Во второй части работы выполняется одно из нижеприведенных заданий. Студентам выдаются готовые образцы с отшлифованной поверхностью или же предварительно проводится шлифование с помощью наждачной бумаги.
28
ЧАСТЬ 1. ИЗУЧЕНИЕ МАКРОСТРУКТУРЫ
И ПОВЕРХНОСТЕЙ РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ
Данные об изучаемых образцах представлены в табл. 3.1 и 3.2.
Таблица 1.1. Коллекция макрошлифов металлических материалов
№№
Наименование образца
Описание макроструктуры
образца
Литая и деформированная сталь
1
2
5
3
6
7
Макрошлиф продольного Две основные зоны из кристаллов дендритразреза слитка «спокой- ного строения: столбчатых кристаллов и
ной» стали
равноосных кристаллов. В верхней части
расположена усадочная раковина; центральная часть имеет темные мелкие усадочные
поры.
Макрошлиф поперечного Слиток имеет большое количество газовых
разреза слитка «кипящей» пузырей, которые сплющиваются и заваристали
ваются при последующей многократной
горячей прокатке.
Макрошлиф образца, под- Волокнистая макроструктура. Волокна расвергнутого горячей обра- положены по конфигурации заготовки.
ботке давлением
Ликвация в литой стали
«Серный» отпечаток на Светло- и темно-коричневые участки, харакфотобумаге с продольно- теризующие неравномерное распределение
го разреза слитка стали
в стали сульфидов MnS, т.е. серы.
Макродефекты деформированных материалов
Макрошлиф рельса с лик- В верхней части рельса имеются несплошвационной зоной
ности и ликвационная зона с повышенным
содержанием серы и фосфора, образовавшаяся при литье и сохранившаяся в прокатанном рельсе.
Макрошлиф стали с круп- В центре крестообразная трещина, образоной ковочной трещиной
вавшаяся при горячей ковке литой стали с
повышенной пористостью (усадочной рыхлостью).
8
Образец стали с надрывами
9
Образец стали с расслоением
По краям проката из недостаточно раскисленной стали образовались надрывы (рванины).
Образец расслоился на две части. Причиной
является наличие шлаковых включений,
газовых пузырей с загрязненной поверхностью, усадочной рыхлости.
29
№№
образца
10
16
17
Наименование образца
Описание макроструктуры
Образец стали с волосовинами
На поверхности проката мелкие «волосные»
трещины, образовавшиеся из различных
несплошностей литого металла.
МАКРОШЛИФЫ ПОСЛЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Макрошлиф образца, под- Видна разная степень потемнения закаленвергнутого поверхностной ной зоны у поверхности и незакаленной
индукционной закалке
внутренней зоны вследствие различий в
микроструктуре.
Макрошлиф образца, под- Видны две зоны, различающиеся по степени
вергнутого
химико- потемнения: поверхностный слой с повытермической
обработке шенным содержанием углерода и структу(цементации)
рой, отличающейся от структуры сердцевины образца, имеющей пониженное содержание углерода.
Таблица 3.2. Коллекция изломов поверхностей разрушения металлических
материалов
№№
Вид излома
Описание поверхности разрушения
образца
4
Излом образца литого Столбчатые кристаллы по всему
сечению
металла небольшого излома.
размера
Продольный
излом На темно-серой поверхности разрушения вид11
прокатанной стали с ны небольшие светлые участки овальной форфлокенами
мы («флокены»). В этих участках разрушение
произошло по поверхности образовавшихся в
стали небольших внутренних трещин.
Хрупкое разрушение по границам крупных
12
Камневидный излом
зерен, образовавшихся при сильном перегреве
стали (высокой температуре нагрева).
13
Нафталиновый излом Хрупкое разрушение по объему зерен перегретой быстрорежущей стали (Fe-C-W-Mo-Cr-V)
Гладкая поверхность разрушения с характерным блеском плоскостей крупных зерен.
Поверхность разрушения имеет слоистое строение вследствие наличия повышенного количе14
Шиферный излом
ства неметаллических включений при недостаточном раскислении стали (излом вдоль волокон деформированной стали).
15
Усталостный
вала
излом
Две зоны поверхности разрушения: гладкая
фарфоровидная поверхностная зона усталости и
более крупнокристаллическая внутренняя зона
«долома» хрупкого или вязкого разрушения.
30
Рис. 3.2. Схемы макроструктур и поверхностей разрушения
металлических материалов.
31
Продолжение рис. 3.2.
32
ЧАСТЬ 2. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ
Задание 1. Выявление зональной ликвации серы в стали
1) Смочить лист фотобумаги в 5 %-ном растворе серной кислоты H2SО4, а затем слегка просушить фильтровальной бумагой.
2) Наложить лист фотобумаги эмульсионной обороной на поверхность
отшлифованного образца и прокатать осторожно резиновым валиком. Сдвиг фотобумаги по шлифу при этом недопустим.
3) Снять фотобумагу через 3 …5 минут с поверхности шлифа,
промыть в проточной воде, поместить в 10 %-ный раствор гипосульфита для фиксирования.
4) Промыть фотобумагу в проточной воде и просушить.
Полученный на фотобумаге «серный» отпечаток вклеить в
отчет, описать характер распределения серы в исследуемом образце стали.
Примечание
Распределение серы в стали в виде сульфидов MnS передается на поверхность фотобумаги в результате следующих химических реакций:
MnS + H2SО4 = Mn SО4 + H2S 
2AgBr + H2S = Ag2S + 2HBr
Образующийся газообразный сероводород H2S при воздействии на фотобумагу дает сульфид серебра Ag2S. Большему количеству серы соответствует более темно-коричневые участки
Ag2S на фотобумаге.
Задание 2. Выявление поверхностного слоя,
созданного химико-термической обработкой
1) Протравить поверхность шлифа 15 %-ным водным раствором
азотной
кислоты в течение 10…15 секунд.
2) Протереть поверхность шлифа ватным тампоном, смоченным
в спирте.
Просмотреть протравленный шлиф, зарисовать в отчете и
определить глубину поверхностного слоя с помощью линейки.
33
Написать объяснение причины разной травимости поверхностного слоя и внутренней части макрошлифа.
Задание 3. Выявление поверхностного закаленного слоя,
созданного индукционной закалкой:
1) Протравить поверхность шлифа 15 %-ным водным раствором
азотной кислоты в течение 10…15 секунд.
2) Протереть поверхность шлифа ватным тампоном, смоченным
в спирте.
Просмотреть протравленный шлиф, зарисовать в отчете и
определить глубину закаленного слоя с помощью линейки.
Написать объяснение причины разной травимости закаленного
поверхностного слоя и внутренней части макрошлифа.
Задание 4. Изучение макроструктуры сварного соединения
1) Поместить шлиф в 10 % - ный раствор медь – аммония хлористого и выдержать в течение 15 мин.
2) Смыть водой с поверхности шлифа образовавшийся слой меди, протереть спиртом и просушить.
Просмотреть, протравленный; шлиф, зарисовать в отчете и
указать наблюдаемые зоны сварного соединения: наплавленный
металл дендритного строения, основной свариваемый металл и
промежуточная, более темная узкая зона термического влияния.
4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Итоги проведенной работы оформляют в отчете, который
должен содержать следующие разделы:
1) Цель работы.
2) Оборудование, приборы и материалы, использованные при
выполнении работы.
3) Теоретические положения: понятие макроанализа и фрактографии, описание макроструктуры литого и горячедеформированного материалов, перечень макродефектов и изломов лабораторной коллекции образцов.
34
4) Методика проведения работы и полученные результаты:
 Наименование, зарисовка и описание строения типовых
образцов №№ 1, 2, 5, 7, 14, 17.
 Наименование практического задания, последовательность его выполнения, зарисовка и описание макроструктуры
(по заданию 1 в отчет вклеивается «серный» отпечаток на фотобумаге).
В конце занятия преподаватель путем устного опроса проверяет усвоение знаний студентами по вопросам для самопроверки.
Оформленные отчеты проверяются и подписываются преподавателем.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Понятие макроанализа и фрактографии.
2. Какую макроструктуру имеют литые и горячедеформированные металлические материалы?
3. Какое строение имеют слитки спокойной и кипящей стали?
4. Приведите примеры макродефектов прокатанных материалов.
5. Какое строение имеет поверхность разрушения в случаях
нафталинистого излома и шиферного излома?
6. Какие две зоны имеют поверхность разрушения в случае усталостного излома вала?
7. Какой вид имеют поверхности вязкого и хрупкого разрушения
при их изучении с помощью электронного микроскопа?
.
35
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
МИКРОСТРУКТУРА СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ
Цель работы - изучить классификацию, микроструктуру,
свойства и назначение сталей и чугунов.
1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
В машиностроении используются детали из заготовок, полученных способами обработки давлением или литьем. Широкое
применение имеют стали и чугуны. Стали являются деформируемым материалом, иногда применяется стальное литье. Чугуны
представляют собой, как правило, литейные материалы. Примеры использования этих материалов даны ниже. Легковой автомобиль среднего класса массой 1000…1100 кг имеет детали из
разных сталей, составляющие 57…60 % его массы (США, Западная Европа). В станкостроении общая масса чугунных деталей равна в среднем 70-80 % от массы металлорежущего станка.
Основу химического состава сталей и чугунов составляет
железо с добавками углерода менее 2,14 % (стали) или более
2,14 % (чугуны). Во многих марках этих материалов дополнительно содержатся легирующие химические элементы (хром,
кремний, марганец, никель, молибден и др.). Перечень основных
видов сталей и чугунов по государственным стандартам приведен в табл. 3 и 4. В машиностроении преимущественно применяются конструкционные стали и отливки из чугунов, используемые для изготовления деталей машин и различных сооружений, и инструментальные стали для металлорежущих, штамповых, измерительных и других инструментов.
При изучении строения и определении качества металлических материалов в материаловедении широко используется
микроструктурный анализ.
Микроанализ - изучение строения поверхностей шлифованных, полированных и протравленных образцов – микрошлифов с помощью металлографических оптических микроскопов
при увеличениях обычно от 100 до 1000.
36
Наблюдаемое при этом строение поверхности шлифа называется микроструктурой. Микроструктура разных по химическому составу материалов и после их различной обработки различается по размеру, геометрической форме, цвету, взаимному
расположению отдельных структурных составляющих
Микроанализ основан на использовании законов отражения
и поглощения световых лучей от поверхности непрозрачных
металлических материалов (рис. 4.1). Полированная металлическая поверхность отражает направленные на нее перпендикулярно световые лучи и видна в окуляр микроскопа как светлая.
При наличии в материале неметаллических составляющих
структуры они видны как темные, так как поглощают световые
лучи.
Стали, получаемые кислородно-конверторным, электросталеплавиль-ным и другими способами, содержат неметаллические включения. Это химические соединения металлов (Fe, Al
и др.) с неметаллами (серой, кислородом, азотом и др.).
Таблица 4.1. Перечень основных разновидностей сталей
по государственным стандартам
№№ ГОСТа
380-88
535-88
1050-88
1414-75Е
1435-90
4543-71
5632-72
5950-73
14959-79
19265-73
Наименование стандарта
Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки.
Прокат сортовой и фасонный из стали углеродистой обыкновенного качества. Общие технические условия.
Прокат сортовой, калиброванный со специальной отделкой
поверхности из углеродистой качественной конструкционной
стали. Общие технические условия.
Прокат из конструкционной стали высокой обрабатываемости
резанием. Технические условия.
Прутки, полосы и мотки из инструментальной нелегированной
стали
Прокат из легированной конструкционной стали. Технические
условия
Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие,
жаростойкие и жаропрочные. Марки.
Прутки и полосы из инструментальной легированной стали.
Технические условия
Прокат из рессорно-пружинной углеродистой и легированной
стали. Технические условия.
Прутки и полосы из быстрорежущей стали. Технические условия.
37
Таблица 4.2. Перечень основных разновидностей чугунов
по государственным стандартам
№№ ГОСТа
Наименование стандарта
1215-79
Отливки из ковкого чугуна. Общие технические условия.
1412-85
Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки.
1585-85
Чугун антифрикционный для отливок. Марки.
7293-85
Чугун с шаровидным графитом для отливок. Марки.
Чугун легированный для отливок со специальными свойствами. Марки.
Чугун с вермикулярным графитом для отливок. Марки.
7769-82
28394-89
Рис. 4.1. Схема отражения световых лучей от поверхности
полированного (а) и подвергнутого травлению (б) микрошлифа.
Основными видами неметаллических включений в стали по
ГОСТ 1778-70 являются оксиды, сульфиды, силикаты, нитриды
и карбонитриды (MnS, SiO2, TiN, nFeO  mMnO  pSiO2 и др.).
Оксиды и нитриды являются хрупкими и при прокатке стали
располагаются в виде строчек или рассредоточенных точечных
частиц. Пластичные сульфиды получают форму продолговатых
линз. Силикаты имеют сложный химический состав и могут
быть пластичными или хрупкими.
При травлении шлифа химическим реактивом различные
структурные составляющие материала растворяются в разной
степени, т.е. возникает некоторый рельеф поверхности (наличие
выступающих и углубленных участков). На отдельных участках
этого рельефа световые лучи отражаются в разной степени и
участки поверхности шлифа видны в окуляр как светлые и темные различных оттенков.
Данные о фазовом строении и структуре материалов в равновесном состоянии получают из приведенных в учебниках и
38
справочниках диаграмм состояния. Такие диаграммы состояния
в координатах «температура – химический состав» содержат
информацию о фазах (первичных составляющих микроструктуры), имеющихся в отдельных областях диаграмм, разделенных
сплошными линиями. Эти данные относятся к равновесному
состоянию сплавов. Применительно к сталям и чугунам диаграмма состояния «железо – углерод» дана на рис. 4.2.
Рис. 4.2. Диаграмма состояния «железо – углерод»
Метастабильная диаграмма состояния железо–углерод относится к случаю полной растворимости компонентов в жидком
состоянии выше линии ликвидуса ABCD и ограниченной растворимости углерода в железе в твердом состоянии. У железа
наблюдаются два полиморфных превращения:
𝒕𝑮
𝒕𝑵
𝑭𝒆𝜸 ↔ 𝑭𝒆𝜶 ; 𝑭𝒆𝜶 ↔ 𝑭𝒆𝜸
Железо модификаций  и  имеет соответственно кристаллические решетки объемоцентрированного куба (ОЦК) и гране39
центрированного куба (ГЦК). В связи с наличием у железа полиморфных превращений на диаграмме состояния железоуглерод образуются три области твердых растворов углерода в
железе:
 область NJESGN твердого раствора  (аустенита А), т.е. раствора углерода в Fe (ГЦК);
 две области QPGQ и AHNA твердого раствора  (феррита
Ф), т.е. раствора углерода в Fe (ОЦК).
В правой части метастабильной диаграммы состояния железо-углерод имеется узкая область DFKLD твердого раствора небольшого количества железа в химическом соединении Fe3C,
т.е. цементита Ц.
Следовательно, в сплавах метастабильной диаграммы состояния железо-углерод существуют следующие фазы: жидкий
раствор углерода в железе, феррит, аустенит, цементит. Остальные области диаграммы состояния, ограниченные сплошными
линиями, являются двухфазными.
На диаграмме состояния имеются также горизонтальные линии трехфазных равновесий при постоянных температурах, где
в равновесном состоянии существуют по три фазы:
 линия HJB перитектического превращения:
𝒕𝑯𝑱𝑩
Жв + Ф н → 𝑨𝑱
 линия ECF эвтектического превращения:
𝒕𝑬𝑪𝑭
Жс → 𝒆(𝑨𝒆 + Ц𝑭 ) (эвтектика – ледебурит Л)
 линия PSK эвтектоидного превращения:
𝑨𝒔 → 𝒆(Фр + Цк ) (эвтектоид – перлит П)
В сплавах железо – углерод – кремний в зависимости от количества углерода и кремния, величины скорости охлаждения
существовуют две разновидности диаграммы состояния железо–углерод: метастабильная (железо–цементит) и стабильная
(железо – графит).
У сталей и чугунов в равновесном состоянии имеются следующие фазы:
Жидкий раствор (Ж) на основе железа.
40
Феррит (Ф) – твердый раствор углерода и легирующих элементов в железе Fе с кристаллической решеткой объемноцентрированного куба (ОЦК). Феррит имеет твердость НВ 8090, пластичен (относительное удлинение 50 %).
Аустенит (А) – твердый раствор углерода и легирующих
элементов в железе Fe с кристаллической решеткой гранецентрированного куба (ГЦК).
Цементит (Ц) – раствор небольшого количества железа в
карбиде железа Fe3C.
Образуются также и более сложные структурные составляющие из двух фаз, наблюдаемые в микроструктуре:
Перлит (П) в виде темных (коричневых) участков, состоящий из ферритной основы и кристаллов цементита пластинчатой формы (пластинчатый перлит). Он образуется при медленном охлаждении в сталях и чугунах в результате следующего
фазового превращения аустенита:
𝒕𝑷𝑺𝑲
𝑨 → Ф + Ц(П)
Особой термической обработкой может быть получен зернистый перлит, состоящий из феррита и частиц цементита в форме
мелких зерен.
Ледебурит (Л) в виде пестрых бело-темных участков, состоящий из белого цементита – основы и темного перлита в виде
округлых или удлиненных частиц (ниже 727°С). Выше температуры 727°С этот ледебурит состоит из цементита и аустенита:
𝒕𝑬𝑪𝑭
Ж → А + Ц(Л)
Многочисленные стали разных марок, различающиеся химическим составом, по микроструктуре в равновесном состоянии
разделяются на шесть основных структурных классов (табл.
4.3). Представление о структурных классах чугунов дает табл. 6
и структурная диаграмма на рис. 4.3. Формы включений графита показаны на рис. 4.4.
41
Таблица 4.3. Структурные классы сталей в равновесном состоянии
Структурный
класс стали
Доэвтектоидные
стали
Эвтектоидные
стали
Заэвтектоидные
стали
Стали карбидного
(ледебуритного)
класса
Стали
аустенитного
класса
Стали
ферритного
класса
Химический состав
Углерод
Типичные
С
легирующие
элементы
Cr, Mn, Ni и
СрССs
др.
C= Сs
СsCCE
CEC2,1
4%
Десятые
доли % и
менее
Cr, W, V и
др.
Cr
Хром, вольфрам (до
6…12 %)
Никель, марганец (до
13…20 %)
Кремний,
хром
Микроструктура
Типовое применение в машиностроении
Феррит +
перлит
Конструкционные стали
Перлит
Инструментальные стали
Инструментальные стали
Перлит и
карбиды
вторичные
Перлит,
карбиды
первичные
и вторичные
Аустенит
легированный
Феррит
легированный
Рис. 4.3. Структурная диаграмма чугунов
(толщина стенки отливки постоянная)
42
Инструментальные стали
Коррозионностойкие стали.
Жаропрочные
стали
Электротехнические стали.
Кислотостойкие стали
Рис. 4.4. Характерные геометрические формы включений графита в
конструкционных чугунах (без травления шлифов): а – пластинчатая,
б – шаровидная, в – вермикулярная, г – хлопьевидная (компактная)
Таблица 4.4. Типичные структурные классы чугунов
Структурный класс чугуна
Микроструктура
Белые чугуны:
Ледебурит, перлит и карбиды вторичные
доэвтектические (СЕCCС)
Ледебурит
эвтектический (С= CС)
Ледебурит и карбиды первичные
заэвтектические (CС CCF)
Половинчатые чугуны
Ледебурит, перлит, вторичный
цементит и графит
Чугуны с пластинчатым графитом ЧПГ
Перлит и графит; феррит, перлит и
графит
Чугуны с шаровидным графитом ВЧШГ
Чугуны с вермикулярным графитом
ЧВГ
Чугуны с хлопьевидным (компактным)
графитом ЧХГ
Перлит и графит; перлит, феррит и
графит;
бейнит и графит
Перлит, феррит, графит вермикулярный, до 20…30 % графита шаровидного
Феррит и графит; перлит и графит
Таблица 4.5. Механические свойства сталей и чугунов (без упрочняющей
термической обработки)
Механические свойства
предел прочности при относительное
Наименование материала
растяжении, МПа
удлинение, %
Углеродистые конструкционные стали
321…676
2…15
Конструкционные чугуны:
с пластинчатым графитом ЧПГ
100…440
0,2…1,1
с вермикулярным графитом ЧВГ
300…450
с хлопьевидным графитом ЧХГ
300…630
с шаровидным графитом ВЧШГ
350…1000
43
2,0…6,0
2,0…12,
0
2,0…17,0
Сведения о характерных механических свойствах углеродистых сталей и конструкционных чугунов приведены в табл. 4.5.
2.МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ
В работе используются металлографические микроскопы и
коллекции микрошлифов. Микроскопы выпускаются различной
конструкции. Основными их частями являются: основание, корпус, предметный столик для установки микрошлифа, механизмы грубой фокусировки с макровинтом и микроподачи с микровинтом для точной наводки на фокус, оптическая система, осветитель.
Способность оптической системы микроскопа изображать
раздельно две точки (разрешающая способность , мкм) определяется по формуле:
𝜹 = 𝝀⁄𝟐𝑨; (𝑨 = 𝒏 𝐬𝐢𝐧(𝜶⁄𝟐)),
где  – длина волны световых лучей, мкм; n – показатель
преломления световых лучей средой, находящейся между поверхностью микрошлифа и объективом микроскопа; - отверстный угол объектива; А – числовая апертура микроскопа
(обычно А= 0,17…1,25). При А = 1,25 и = 0,55 мкм для видимых лучей спектра микроскоп позволяет видеть структурные
составляющие размером  = 0,2 мкм.
3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ
И ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Практическая часть работы заключается в изучении микроструктуры сталей и чугунов, как правило, при увеличении микроскопа х100, а в некоторых случаях до х600. Студентам
предоставляются лабораторные коллекции микрошлифов, подготовленные для исследований.
Предварительно студенты знакомятся с устройством и работой микроскопа под руководством преподавателя и лаборанта.
Для рассмотрения микроструктуры шлиф, запрессованный в
пластилин на стеклянной пластинке, устанавливается на предметный столик микроскопа. После включения источника света
44
проводится наводка на фокус сначала с помощью макровинта, а
затем более точно микровинтом. Далее изучается микроструктура шлифов типовых сплавов, описание которых дано в табл.
4.6. С помощью описания, схем микроструктур (рис. 4.5) и
находящихся в лаборатории фотографий устанавливают, какие
структурные составляющие имеет каждый образец, наименование, состав и структурный класс.
Более подробная оценка микроструктуры сталей, проводится
последующему государственному стандарту: ГОСТ 8233. Сталь.
Эталоны микроструктуры.
Путем сравнения микроструктуры изучаемой стали со шкалами структур ГОСТ, определяется количественная характеристика или номер балла по соответствующему признаку. Применительно к равновесному состоянию сплава использование
ГОСТ 8233 позволяет определить процентное соотношение
между ферритом и перлитом в доэвтектоидных сталях, соотношение количества пластинчатого и зернистого перлита, дисперсность пластинчатого и зернистого перлита. Для оценки неметаллических включений и различных видов неоднородности
микроструктуры в сталях имеются отдельные государственные
стандарты: ГОСТ 1763-68, ГОСТ 1778-70, ГОСТ 5640-68.
Классификация чугунных отливок по микроструктуре металлической основы и графитовым включениям ведется по следующему государственному стандарту: ГОСТ 3443-87. Отливки
из чугуна с различной формой графита. Методы определения
структуры.
Имея количественные данные в процентах о площади, занимаемой в шлифе сплава различными структурными составляющими (П – перлит, Ц – цементит, Л – ледебурит, Г – графит),
можно выполнить расчет примерного количества .углерода в
сталях и чугунах по следующей общей формуле:
С= 0,8П +6,67Ц +4,3Л / 100 + 30Г /100, %
В доэвтектических белых чугунах для определения соотношения между П и Ц принято: если П + Ц2 = 100 %, то количество П составляет 80 %, а цементита вторичного 20 % ( П =
4Ц2)
45
Вычисления по приведенной формуле действительны для
сплавов, находящихся в равновесном состоянии.
Примеры вычислений:
Сталь доэвтектоидная: 40 % П; 60 % Ф: 𝐶 = 0,8 −
40⁄100 = 0,32%.
Сталь заэвтектоидная: 88% П; 12 % Ц2:𝐶 = 0,8 − 88⁄100 +
6,67 − 12⁄100 = 1,50%.
Чугун ЧПГ: 30 % П; 58 % Ф; 12 % Г: 𝐶 = 0,8 − 30⁄100 +
30 − 12⁄100 = 3,84%.
Чугун белый доэвтектический: 40% Л; 60 % (П+Ц2), то есть
48% П и 12% Ц2:
𝐶 = 0,8 − 48⁄100 + 6,67 − 12⁄100 + 4,3 − 40⁄100 = 2,9%.
Чугун белый заэвтектический: 60 %Ц1; 40 % Л:
𝐶 = 6,67 − 60⁄100 + 4,3 − 40⁄100 = 5,7%.
Таблица 4.6. Перечень микрошлифов сталей и чугунов из лабораторных
коллекций (типовые примеры)
№
Химический состав, % Структурный
Описание
икроМатериал
класс
микроструктуры
углерод
другие
шлифа
1
2
3
4
5
6
УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ
1. Углеродистая
0,20
Доэвтектоид- Светлые зерна
качественная
ная сталь
феррита и темные
конструкционная
участки перлита
сталь 20,
ГОСТ 1050-88
3. Инструменталь0,80
Эвтектоидная Перлит планая нелегировансталь
стинчатый
ная сталь У8,
ГОСТ 1435-90
4. Инструменталь0,80
Эвтектоидная Перлит зернистый
ная нелегировансталь
ная сталь У8,
ГОСТ 1435-90,
после отжига
Инструменталь1,00
Заэвтектоид- Темные участки
5. ная нелегированная сталь
перлита и светлая
ная сталь У10,
тонкая сетка
ГОСТ 1435-90
вторичного цементита
46
№
икрошлифа
1
7.
Материал
Химический состав, % Структурный
Описание
класс
микроструктуры
углерод
другие
2
3
4
5
6
КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ С СТРУКТУРНЫМИ
НЕОДНОРОДНОСТЯМИ
Сталь конструк0,40
Доэвтектоид- Крупные темные
ционная после
ная сталь
участки перлита и
перегрева
светлая широкая
сетка феррита
8.
Сталь конструкционная с полосчатостью феррито-перлитной
структуры
0,25
-
Доэвтектоид- Перлит и феррит
ная сталь
расположены в
виде чередующихся полос.
9.
Сталь инструментальная с обезуглероживанием
поверхностного
слоя
0,80
-
Эвтектоидная Перлит в сердсталь
цевине, феррит
и перлит в
поверхностном
слое
ОБРАЗЕЦ СТАЛИ С НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ
10. Сталь с неметал- данных
Темные неметаллическими вклюнет
лические включечениями (полирония, вытянутые по
ванный шлиф без
направлению
травления)
деформации
ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ
34. Легированная
0,40
0,8…1,1
Доэвтекто- Темные участки
конструкционная
Cr
идная сталь перлита и светлый
сталь 40Х,
феррит
ГОСТ 4543-71
38. Инструментальная легированная
сталь Х12,
ГОСТ 5950-73
2,0
11,5…13, Сталь
0 Cr
карбидного
класса
47
Перлит мелкозернистый, крупные
белые первичные
карбиды и более
мелкие вторичные
карбиды
№
икроМатериал
шлифа
1
2
39. Коррозионностойкая сталь
12Х17,
ГОСТ 5632-72
40. Коррозионностойкая сталь
12Х18Н10Т,
ГОСТ 5632-72
Химический состав, % Структурный
Описание
класс
микроструктуры
углерод
другие
3
менее
0,12
менее
0,12
12. Белый заэвтектический чугун
5,1
14. Чугун ЧПГ марки
СЧ15, ГОСТ
1412-85
3,4
16. Чугун ЧХГ марки
КЧ30-6,ГОСТ
1215-79
2,7
18. Чугун ВЧШГ
марки ВЧ 60,
ГОСТ 7293-85
3,5
4
5
6
16…18 Cr Сталь фер- Светлые зерна
ритного
легированного
класса
феррита
17…19
Cr;
9…11 Ni;
не более
0,5 Ti
ЧУГУНЫ
данных
нет
Сталь
аустенитного класса
Светлые зерна
легированного
аустенита
Чугун белый Темно-белые
участки ледебурита и светлые
пластины первичного
цементита
2,2Si ; 0,7 Чугун с пла- Темный перлит,
Mn
стинчатым
светлый феррит и
графитом
тонкие
черные
пластины
графита
1,2Si ; 0,5 Чугун с хло- Светлые зерна
Mn
пьевидным
феррита и темный
графитом
хлопьевидный
(компактный)
графит
2,1Si ; 0,6 Чугун с
Темный перлит,
Mn
шаровидным светлый феррит и
графитом
черный
шаровидный графит
48
Рис. 4.5. Схемы микроструктур сталей и чугунов (начало)
49
Рис. 4.5. Схемы микроструктур сталей и чугунов (продолжение)
50
Рис. 4.5. Схемы микроструктур сталей и чугунов (продолжение)
51
4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Итоги проведенной работы оформляют в отчете, который
должен содержать следующие разделы:
1) Цель работы.
2) Оборудование, приборы и материалы, использованные при
выполнении работы.
3) Теоретические положения: понятие о микроанализе и микроструктуре. Характеристика фаз и структурных составляющих
сталей и чугунов. Перечисление структурных классов сталей и
чугунов.
4) Методика проведения работы и полученные результаты. Зарисовка схем микроструктур всех изученных сплавов, наименование и марка материала, составляющие структуры, химический
состав.
В конце занятия преподаватель путем устного опроса проверяет усвоение знаний студентами по вопросам для самопроверки.
Оформленные отчеты проверяются и подписываются преподавателем.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Понятие микроанализа и микроструктуры материалов.
2. Какие основные части имеет металлографический микроскоп?
3. В какой последовательности проводится рассмотрение микрошлифа и изучение микроструктуры?
4. Что понимается под числовой апертурой микроскопа?
5. Из каких химических элементов (компонентов) состоят стали
и чугуны?
6. Что представляют собой феррит, цементит, перлит, ледебурит?
7. Какие структурные классы имеют стали и чугуны?
8. Какую геометрическую форму имеют включения графита в
чугунах ЧПГ, ВЧШГ, ЧХГ, ЧВГ?
9. Применение и механические свойства сталей и чугунов.
52
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И СТРОЕНИЕ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СЛИТКОВ
Цель работы - установить влияние температуры разливки
расплавленного металла, вида материала и толщины стенок литейной формы, подогрева литейной формы на макроструктуру
металлических слитков.
1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Кристаллизацией называется фазовое превращение металла
из жидкой фазы в твердую. Процесс кристаллизации происходит вследствие перехода системы к термодинамически более
устойчивому состоянию с меньшей величиной свободной энергии (pиc. 5.1). Для протекания кристаллизации свободная энергия единицы объема твердой фазы должна быть меньше свободной анергии такого же объема жидкой фазы.
Процесс кристаллизации осуществляется путем образования
в локальных объемах исходной жидкой фазы частиц новой
твердой фазы (зародышей) и их последующего роста за счет
жидкой фазы. Основными параметрами кристаллизации являются: ЧЦ – скорость образования частиц новой фазы (зародышей) в единицу времени в единице объема; ЛСР – лиейная скорость роста этих зародышей.
При температуре Tо (T=0) Gж = Gтв, скорость образования
зародышей равна нулю, и процесс кристаллизации не идет. С
увеличением переохлаждения T величины ЧЦ и ЛСР возрастают, достигают максимума и далее снижаются (рис. 5.2). Для
металлов реально наблюдаются только восходящие участки
этих кривых.
Различают гомогенное образование зародышей, когда вся
поверхность, ограничивающая зародыш, образуется заново, и
гетерогенное образование зародышей на готовых поверхностях
раздела (на нерастворенных твердых частицах и т.д.).
53
Рис. 3.1. Изменение расчетных
значений свободной энергии
твердой и жидкой фаз в зависимости от температуры
Рис. 3.2. Зависимость числа центров кристаллизации ЧЦ и линейной скорости роста кристаллов
ЛСР от степени переохлаждения
Т
При кристаллизации металлических слитков роль готовых
поверхностей раздела играют стенки литейной формы (изложницы). Процесс кристаллизации начинается от стенок формы и
происходит в тонком поверхностном слое сильно переохлажденного жидкого металла. При кристаллизации слитков в начальный период вследствие теплоотвода от перегретого жидкого
металла при его соприкосновении со стенками литейной формы
температура металла у стенок формы Т1 понижается ниже равновесной температуры Т0 (рис. 5.3). Быстрое переохлаждение
металла приводит к образованию большого числа зародышей.
При этом в поверхностном слое слитка образуется небольшая
зона I мелких равноосных неориентированных кристаллов (рис. 5.4).
Рис. 5.3. Переохлаждение жидкого металла у стенок
литейной формы.
54
Рис. 5.4. Типичная макроструктура металлического слитка:
I – зона мелких равноосных кристаллов; II – зона столбчатых
кристаллов; III – зона равноосных кристаллов.
В дальнейшем охлаждение замедляется вследствие нагревания стенок формы и уменьшения отвода тепла через слой затвердевшего металла. При этом снижается скорость кристаллизации и кристаллы вырастают до значительных размеров в
направлении теплоотвода (т.е. примерно перпендикулярно стенке формы). В результате образуется зона II столбчатых кристаллов.
Вследствие развития конвекционных потоков в жидком металле часть зародышей перемещается в центральную зону, где
они служат центрами для образования равноосных кристаллов
внутри слитка. Это возможно, если скорость перемещения ранее
образовавшихся у стенок формы зародышей в центральную зону
будет больше скорости роста столбчатых кристаллов.
В центральной части слитка направленный теплоотвод выражен слабо, скорость кристаллизации малая и образуется зона
III равноосных различно ориентированных кристаллов.
Соотношение между размерами зон I, II, III в макроструктуре
металлических слитков зависит от перегрева жидкого металла,
теплопроводности литейной формы (т.е. вида материала и толщины стенок формы) и др. факторов. Кристаллы, образующиеся
в процессе затвердевания металла, могут иметь различную форму. Чаще в процессе кристаллизации образуются разветвленные
кристаллы, называемые дендритами.
55
2. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ
Пять образцов макрошлифов слитков, полученных при различных условиях отливки цинка.
В случае проведения литья предоставляются печи для расплавления цинка в тигле, различные литейные формы, инструмент для разрезания слитков, наждачная бумага, травители.
3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ
И ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Группа студентов из 2-3 человек проводит отливку одного
слитка из цинка. Тигель с гранулированным цинком помещают
в лабораторную электропечь и нагревают выше температуры
плавления цинка (Тпл = 420 0 С) в соответствии с заданием.
Жидкий металл разливают в лабораторные металлические или
керамические литейные формы. «Керамическую» форму получают из свернутой асбестовой трубки диаметром 25…30 мм и
длиной не менее 50 мм, помещенной в тщательно просушенный
песок.
После полного охлаждения слиток вынимают из литейной
формы и подвергают распиливанию в поперечном направлении.
Поверхность поперечного разреза далее шлифуют наждачной
бумагой, полируют и протравливают 15…25 % раствором соляной кислоты в этиловом спирте в течение нескольких минут до
выявления макроструктуры.
На полученных образцах изучают невооруженным глазом
или с помощью лупы макроструктуру слитка, измеряют штангенциркулем толщину каждой зоны и поперечный размер
столбчатых кристаллов. Студентам могут быть выданы готовые
макрошлифы слитков.
Макроструктуру продольного шлифа по заданию зарисовывают в отчете. Отливки получены в металлических тонкостенных и толстостенных формах с толщиной стенки соответственно 1,5 и 13,0 мм или в песчаной форме с асбестовыми стенками
(общая толщина 15 мм).
Проводя сопоставление данных по пяти заданиям, делают
выводы о влиянии температуры жидкого металла, материала,
56
толщины стенок и подогрева литейной формы на макроструктуру слитков.
Задание 1. Изучить макроструктуру слитка цинка, полученного при кристаллизации жидкого металла с температурой 480
0
С в толстостенной металлической форме с Т=20 0С.
Задание 2. Изучить макроструктуру слитка цинка, полученного при кристаллизации жидкого металла с температурой 480
0
С в песчаной форме с Т=20 0С.
Задание 3. Изучить макроструктуру слитка цинка, полученного при кристаллизации жидкого металла с температурой 480
0
С в толстостенной металлической форме, подогретой до 600 0С.
Задание 4. Изучить макроструктуру слитка цинка, полученного при кристаллизации жидкого металла с температурой 480
0
С в тонкостенной металлической форме с Т=20 0С.
Задание 5. Изучить макроструктуру слитка цинка, полученного при кристаллизации жидкого металла с температурой 660
0
С в тонкостенной металлической форме с Т=20 0С.
Все полученные данные заносятся в табл. 5.1
Температура, 0 С
Толщина стенки, мм
Вид материала
Температура разливки металла, 0 С
№ задания
Таблица 5.1. Влияние различных факторов на макроструктуру металлических слитков
ХарактеристиХарактеристика макроструктуры слитка
ка литейной
формы
мелких
кристаллов
Толщина зон Н, мм
столбчаравноостых криных кристаллов
сталллов,
II
III
I
Н1
Н2
57
Н3
Поперечный
размер
столбчатых кристал-лов h,
мм
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Итоги проведенной работы оформляют в отчете, который
должен содержать следующие разделы:
1) Цель работы.
2) Оборудование, приборы и материалы, использованные при
выполнении работы.
3) Теоретические положения: краткая характеристика кристаллизации и формирования макроструктуры литых металлов.
4) Методика проведения работы и полученные результаты: задание по работе. Зарисовка и описание макроструктуры слитка
цинка. Таблица влияния различных факторов на макроструктуру
слитков по всем заданиям. Выводы по работе.
В конце занятия преподаватель путем устного опроса проверяет усвоение знаний студентами по вопросам для самопроверки.
Оформленные отчеты проверяются и подписываются преподавателем.
КОНТРОЛЬНЕ ВОПРОСЫ
1. Какую макроструктуру имеет металлический слиток?
2. Как влияет теплопроводность материала литейной формы на
зоны слитка?
3. Какое влияние оказывает толщина стенки металлической литейной формы на зоны слитка?
4. В каких объемах возникают первичные кристаллы при затвердевании отливок?
58
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6
ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ НА СВОЙСТВА СТАЛИ
Цель работы - изучить влияние температурно-временных
условий нагрева и режимов охлаждения при термической обработке на свойства стали.
1.
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Металлопродукция с металлургических предприятий поступает на машиностроительные заводы обычно в виде различного
проката, поковок, в литом состоянии. Из них изготовляют заготовки деталей машин, которые подвергают предварительной
термической обработке. Последующей механической обработкой резанием получают детали заданной геометрической формы
и размеров. Эти детали далее проходят упрочняющую термическую обработку и, в случае сложных машин, направляются на
сборку отдельных частей машины, а из сборочных единиц собирается сама машина. Схема обработки и изготовления на машиностроительных заводах объемных деталей машин (рычаги, коленчатые валы и шатуны двигателей внутреннего сгорания, зубчатые колеса и др.) из деформируемых металлических материалов представлена на рис. 6.1. Как видно, в процессе изготовления деталей машин два раза проводится термическая обработка.
Термическая обработка – процесс обработки изделий из
технических материалов путем теплового воздействия (нагрева
и охлаждения) с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении.
Термическую обработку применяют как окончательную для
получения заданных механических, физических, эксплуатационных свойств деталей машин, а также промежуточную (предварительную) с целью улучшения технологических свойств (обрабатываемости режущими инструментами, обрабатываемости
давлением и др.).
59
Рис. 6.1. Типовая укрупненная схема обработки и изготовления
объемныхдеталей машин на машиностроительном заводе
Основными видами предварительной термической обработки
заготовок из конструкционных сталей в машиностроении являются нормализационный или полный отжиг. Для их проведения
заготовки нагревают в случае использования конструкционных
доэвтектоидных сталей выше температуры фазового превращения tАСз на 30…50°С и получают структуру аустенита. После
некоторой выдержки при температуре нагрева проводят охлаждение на воздухе (нормализационный отжиг) или вместе с печью (полный отжиг), получая структуру из феррита и перлита.
Предварительная термическая обработка снижает твердость
стали и улучшает обрабатываемость резанием. За показатель
обрабатываемости при резании принимается обычно численное
60
значение скорости резанием при точении резцами из быстрорежущей стали на токарном станке, которой соответствует стойкость резцов 60 минут (время между двумя переточками режущей кромки инструмента).
Заготовки из конструкционных углеродистых и низколегированных сталей с содержанием углерода менее 0,5 % подвергают
обычно нормализационному отжигу, с содержанием углерода
более 0,5 % – полному отжигу.
Типовая окончательная термическая обработка деталей машин и инструментов состоит из двух операций: 1 – закалка с
получением на этапе охлаждения с большой скоростью (для углеродистых сталей – в воде и других средах) структуры мартенсита (АМ); 2 – отпуск закаленной стали с нагревом до температуры не выше температуры фазового превращения Ас1.
Применение термической обработки значительно изменяет
механические свойства стали. Схемы основных видов термической обработки для конструкционных доэвтектоидных сталей
представлены на рис. 6.2.
Рис. 6.2. Схемы термической обработки конструкционных
сталей
Данные о механических свойствах конструкционных среднеуглеродистых (улучшаемых) сталей различного химического
состава после закалки и высокого отпуска приведены в табл.
6.1.
61
Таблица 6.1. Механические свойства некоторых типовых конструкционных среднеуглеродистых сталей после закалки и высокого отпуска
Марка
стали
45
Оптовая
КритичесДля деталей с Механические свойценах
кий диаметр, поперечным
ства
0,2,
В,
ммхх
размером,
ххх
МПа
МПа
мм
1,0
12
15…20
490
730
40Х
1,2
15
25…35
800
900
40ХН
1,6
25
50…75
800
1000
40ХН2МА
2,1
100
75…100
950
1050
38ХНЗМФА
2,6
100
100…200
1070
1150
Примечания:
х
Относительные единицы: за 1.0 принята оптовая цена углеродистой качественной стали.
хх
Диаметр образца, закаливающегося насквозь с получением в центре микроструктуры из 95 % мартенсита и 5 % троостита.
ххх
Стали могут быть использованы для изготовления деталей с большим поперечным размером, однако в этом случае изделия получают пониженные по
сравнению с табличными значениями механические свойства в связи с недостаточной прокаливаемостью по сечению деталей.
2. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ
В работе используются лабораторные электрические печи,
автоматические потенциометры для регулирования температуры
нагрева в печи, бачки с водой и маслом для охлаждения, заточный станок (точило) для зачистки образцов от заусенцев и окалины, твердомеры, щипцы для загрузки и выгрузки образцов из
печи, образцы сталей разных марок, линейка для измерения
размеров образцов или штангенциркуль.
Работа выполняется в лаборатории термической обработки.
Для нагрева образцов применяются электрические лабораторные камерные или муфельные печи. Примером камерной печи
является печь СНОЛ-1.6.2. 5. I/II-М1Х) мощностью 3 кВт. Рабочая камера, в которой проводится нагрев, выполнена из жаростойкой керамики. Нагревательные элементы в виде спиралей
62
расположены в углублениях по боковым стенкам, на поду и в
своде печи. Для предохранения спиралей от повреждений и расположения нагреваемых образцов на поду печи имеется плоская
керамическая плитка. С целью измерения температуры в рабочую зону печи вставляется термопара. Рабочая камера печи спереди закрывается крышкой. Максимальная температура в рабочей зоне составляет 1100°С. Печь снабжена милливольтметром
типа МП-64-02.
Для точного измерения и автоматического поддержания заданной температуры применен автоматический электромеханический потенциометр типа КСП4, к которому с помощью
электрических проводов присоединена термопара. Прибор может автоматически записывать данные о температуре в печи на
ленточную бумажную диаграмму в прямоугольных координатах.
Рядом с печами располагаются на подставке бачки с водой и
минеральным маслом. Бачки имеют "корзинки" с отверстиями,
посредством которых образцы после завершения охлаждения
вынимаются из охлаждающей среды. Схема установки для термической обработки показана на рис. 6.3.
Рис. 6.3. Схема установки для проведения термической обработки:
1 – печь; 2 – шкаф с потенциометрами; 3 – бачки
с охлаждающими жидкостями.
63
Оценка механических свойств образцов в данной работе проводится по численному значению твердости. Твердость – свойство материала оказывать сопротивление пластической деформации при вдавливании под постоянной нагрузкой в плоскую
поверхность материала шарика из закаленной твердой стали,
алмазного конуса или пирамиды. Имеются различные методы
измерения твердости: метод Бриннеля, Роквелла, Виккерса и др.
3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ
И ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Практическая часть работы выполняется в следующем порядке:
1) Группе студентов до 3–4 человек преподаватель указывает
номер выполняемого задания. Текст задания каждый студент
записывает себе в отчет.
2) В соответствии с заданием преподаватель назначает марку
стали, определяется ее структурный класс.
3) Определяется по заданию вид термической обработки: закалка, отжиг, закалка с отпуском.
4) Далее переходят к назначению режимов термической обработки:
температуры нагрева, времени нагрева и выдержки, охлаждающей среды. Некоторые показатели режима в зависимости от
конкретного задания указываются преподавателем.
Температура нагрева подсчитывается по формулам, приведенным в табл. 6.2. Численные значения температур фазовых
превращений Aс1 и Aс3 принимаются по данным табл. 4.3. При
этом вычисляют два численных значения температуры: минимальное tmin и максимальное tmax. Эти значения температуры
характеризуют оптимальный интервал температуры нагрева.
Фактическая величина температуры в печи должна находиться в
этом интервале (не ниже tmin).
ПРИМЕР. Закалка стали У12 (Aс1=730°С): tmin = 730 + 70 =
800°С; tmax = 730 + 100 = 830°С.
64
Таблица 6.2. Температуры нагрева и охлаждающие среды при
термической обработке стали
Вид термической обработки стали
Отжиг
Нормализационный
отжиг
Закалка
Отпуск закаленной стали
Температура нагрева, 0 С
Стали
Стали эвтектоидные
доэвтектоидные
и заэвтектоидные
(менее 0,8 %С)
(от 0,7…0,8 до
2,14%)
tотж = tАс3 +
tотж = tАс1 +
+(30…50 °С)
+(30…70 °С)
tн.о. = tАс3 +
tн.о. = tАсm +
+(50…80 °С)
+(30…50 °С)
tзак = tАс3 +
+(30…50 °С)
tзак = tАс1 +
+(70…100 °С)
Ниже Ас1 (в зависимости от заданных
свойств при 160…650 0С)
Типовая
охлаждающая
среда
С печью
На спокойном
воздухе
Углеродистые
стали – в воде,
легированные –
в масле
Для большинства сталей – на
воздухе
Таблица 6.3. Температуры критических точек Ас1, Ас3 , Асm некоторых
сталей
Марка
стали
Ас1 , 0 С
Ас3 , 0 С
Марка
стали
Ас1 , 0 С
Асm , 0 С
50
40Х
45Г2
35ХГСА
60С2
727 725
788 770
У10
750
760
У12
743
762
ШХ15
711
765
9ХС
750
830
ХВГ
750
820
Х12М
730
800
730
820
750
900
770
870
750
940
810
-
30
35
40
735
812
У7
730
802
У8
730
-
730
-
45
Время нагрева образцов до заданной температуры вычисляют по следующей эмпирической зависимости:
н = 1,5 Д , мин,
где Д – диаметр или толщина образца в мм.
Время выдержки при заданной температуре в = 0,2 н ,
мин. Общее время от загрузки образцов в рабочую камеру
печи до их выгрузки из печи составляет сумму времени
нагрева и выдержки:
 = н + в
65
ПРИМЕР. Диаметр образца равен 12 мм:
н = 1,5  12 = 18 мин; в = 0,2  18 = 3,6 мин; = 18,0 + 3,6 =
21,6 мин.
Охлаждающая среда при термической обработке стали
назначается по табл.10.
Студенты получают у лаборанта образцы стали заданной
марки и зачищают их от заусенцев на заточном станке (точиле).
Далее лаборант измеряет твердость образцов до термообработки
методом Роквелла по шкале НRВ. Полученное число твердости
переводится по таблице в шкалу НВ. Величину твердости записывают в таблицу.
После этого образцы с помощью щипцов загружаются в печь
под руководством лаборанта. Предварительно печь отключается
от электрической сети. После загрузки образцов в печь дверца
закрывается, и печь включается в электрическую сеть. По истечении времени нагрева и выдержки печь отключается от электрической сети, образцы с помощью щипцов быстро выгружаются из печи и помещаются в заданную охлаждающую среду.
После завершения охлаждения образцы зачищаются на заточном станке (точиле), и лаборант измеряет твердость в зависимости от вида термической обработки по шкале НRС или
HRB. Полученные числа твердости переводятся по таблице в
шкалу НВ. Величины твердости записывают в таблицу. Форма
таблицы для записи результатов термической обработки по всему заданию дана ниже:
Влияние термической обработки на твердость стали
Марка стали.
Режим
терТвердость стали
Вид термообрамообработки
ботки (т.о.)
t,
Среда охладо т.о.
после т.о.
,
0
С
ждения
НRB НВ НRB НRС НВ
мин
Группыы студентов выполняют одно из практических заданий по термической обработке сталей с заданным содержанием
углерода. На небольших образцах сталей в лабораторных условиях имитируется реальная термическая обработка заготовок,
деталей машин и инструментов. Практические задания даны
ниже.
66
Задание 1. Изучение влияния охлаждающей среды
(скорости охлаждения) на твердость стали.
Четыре образца углеродистой стали заданной марки нагреть,
выдержать и охладить: первый образец в воде (полная закалка),
второй – в минеральном масле (частичная закалка), третий – на
воздухе (нормализационный отжиг), четвертый – в печи (полный отжиг). Измерить твердость образцов до и после термической обработки.
Таблица 6.4. Скорость охлаждения в различных средах
Охлаждающая среда
вода
масло
воздух
Примерная скорость
охлаждения, градусов /с
600
100
1
с печью
0,05
По полученным данным строится график зависимости твердости стали от скорости охлаждения. Сделать выводы: какие
виды термической обработки обеспечивают максимальную и
минимальную твердость стали; как скорость охлаждения влияет
на твердость стали.
Задание 2. Изучение влияния закалки на твердость стали
с различным содержанием углерода.
Для нескольких образцов углеродистых сталей разных марок
проводится закалка. Измеряется твердость образцов до и после
закалки.
По полученным данным строятся два графика зависимости
твердости от содержания углерода (до закалки для сталей марок
У7, У8, У10 и после закалки для всех изученных сталей). Сделать выводы о влиянии закалки на твердость стали и о влиянии
содержания углерода на твердость закаленной стали.
Задание 3. Изучение влияния температуры отпуска
на твердость закаленной стали.
Три образца стали одной марки подвергнуть закалке. Измерить твердость каждого образца до и после закалки.
67
Провести отпуск закаленных образцов при температуре: первого—200°С, второго – 400°С, третьего – 600°С. Время нагрева
и выдержки 30 мин. Измерить твердость после отпуска.
По полученным данным построить график зависимости
твердости от температуры отпуска. Сделать выводы 1) о влиянии температуры отпуска закаленной стали на твердость; 2) о
температурах отпуска, обеспечивающих наиболее высокую и
наименьшую твердость исследуемой стали.
По полученным данным на доске проводят построение графиков зависимостей твердости НВ от изменяемых факторов:
содержания углерода в стали; скорости охлаждения при термической обработке; температуры отпуска закаленных образцов.
Для этого каждый студент отмечает в соответствующих координатах экспериментальные точки.
Далее студенты по заданиям формулируют выводы, которые
записываются в отчет. Выводы в отчете каждого студента приводятся по всем трем заданиям.
4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Итоги проведенной работы оформляют в отчете, который
должен содержать следующие разделы:
1) Цель работы.
2) Оборудование, приборы и материалы, использованные при
выполнении работы.
3) Теоретические положения: понятие термической обработки,
типовые виды предварительной и окончательной термической
обработки конструкционных сталей, графики термической обработки.
4) Методика проведения работы и полученные результаты. Задание по термической обработке, марка стали, вид термической
обработки, выбор режима термической обработки, таблица результатов по всему заданию. Три графика зависимости твердости от изучаемых факторов по всем заданиям.
5) Выводы по работе.
68
В конце занятия преподаватель путем устного опроса проверяет усвоение знаний по вопросам для самопроверки. Оформленные отчеты проверяются и подписываются преподавателем.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Понятие термической обработки.
2. Какие основные виды термической обработки применяются в
машиностроении?
3. Какое влияние оказывают полный отжиг и полная закалка с
отпуском на механические свойства конструкционной стали?
4. Какие печи применяются для термической обработки в лаборатории материаловедения?
5. Для каких целей применяются потенциометры?
6. Понятие твердости материалов.
7. Как определяется температура нагрева при закалке и отжиге?
8. Какая охлаждающая среда применяется в случае нормализационного отжига?
69
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7
МИКРОСТРУКТУРА СТАЛИ ПОСЛЕ
ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Цель работы - изучить влияние различных видов термической и химико-термической обработки на микроструктуру и
свойства сталей.
1.
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
В машиностроении при изготовлении деталей машин термическая обработка проводится обычно два раза. Первой предварительной термической обработке подвергают заготовки с целью улучшения технологических свойств, а после механической
обработки резанием на металлорежущих станках выполняется
окончательная упрочняющая термическая обработка деталей
машин для обеспечения требуемых по условиям работы деталей
в машине механических, эксплуатационных и других свойств.
В основу термической обработки изделий машиностроения
положены фазовые превращения первого рода, происходящие в
твердом состоянии на этапах нагрева и охлаждения железоуглеродистых сплавов (рис. 7.1).
Рис. 5.1. Интервал температур нагрева на диаграмме состояния железо – углерод при отжиге и закалке изделий
70
В процессе медленного нагрева в печах при проведении закалки или отжига по достижении температуры, обозначенной
tАс1 (для углеродистых сталей 727 °С), происходит фазовое превращение перлита в аустенит: П (Ф+Ц)  А. В доэвтектоидных
сталях (Ср < С < Cs) при последующем нагреве в интервале
температур tАс1…tАс3 после завершения превращения П  А
происходит еще фазовое превращение феррита в аустенит:
ФА.
Важнейшую роль при термической обработке играет этап
охлаждения, на котором из аустенита формируется окончательная микроструктура. В зависимости от степени переохлаждения
аустенита ниже температуры tА1 (727 °С) происходит одно из
трех фазовых превращений:
перлитное: А  Ф + Ц;
бейнитное: А  Б;
мартенситное: А  М.
Рис. 7.2. Диаграмма изотермического превращения переохлажденногоаустенита доэвтектоидной углеродистой стали
Интервалы температур указанных фазовых превращений для
одной из доэвтектоидных углеродистых сталей показаны на
диаграмме изотермического превращения переохлажденного
аустенита. (рис. 7.2). На этой диаграмме горизонтальными
пунктирными линиями нанесены температуры фазовых превращений Ас1 и Ас3 в равновесном состоянии, а сплошные ли71
нии разделяют диаграмму на области с различными фазами
(границу между перлитным и беинитным превращениями в виде
линии диаграмма не показывает). Приведены также нанесенные
на диаграмму кривые охлаждения: V1 – с печью (полный отжиг); V2 – на спокойном воздухе (нормализация); V3 – в масле
(частичная закалка); V4 > Vкр. зак. – в воде (полная закалка).
При понижении температуры перлитного превращения А 
Ф + Ц уменьшаются толщины пластин феррита ф и цементита
ц ( = ф+ +Н), а твердость смеси Ф + Ц возрастает. Структуры,
различающиеся по величинам  и твердости, получили разное
наименование: перлит ( = 0,6…1,0 мкм), сорбит ( =
0,25…0,30 мкм), троостит ( = 0,10…0,15 мкм).
Бейнит представляет собой двухфазную структуру из несколько перенасыщенного твердого раствора углерода в  железе с искаженной кристаллической решеткой ОЦК и дисперсных кристаллов карбидов. Он характеризуется высокой
твердостью HRC 38…46 и прочностью.
Мартенсит является перенасыщенным твердым раствором
внедрения углерода в искаженной кристаллической решетке αжелеза (тетрагональная решетка с отношением с/а > 1). В конструкционных среднеуглеродистых сталях микроструктура
представляет собой пакетный мартенсит из параллельных тонких пластин толщиной 0,1…0,2 мкм с большой твердостью HRC
> 45.
На перлитном превращении основано проведение полного и
нормализационного отжига, а на мартенситном – закалки изделий.
После закалки выполняется еще одна термическая обработка
– отпуск (нагрев до температур не выше tАс1 (727 0С)). В зависимости от конкретной температуры нагрева образуются различные структуры. При нагреве до 160…200 °С (низкий отпуск)
формируется структура отпущенного мартенсита (мартенсит,
из которого частично путем диффузии выделился углерод в виде дисперсных пластин особого -карбида).
Отпуск при температурах 350…470 °С (средний отпуск)
приводит к формированию игольчатой структуры троостита
72
отпуска, состоящей из феррита и кристаллов цементита размером 0,5…1,0 мкм. Возрастание температуры отпуска до
550…650 0С (высокий отпуск) обеспечивает получение сферических частиц цементита размером карбидов до 1,5…2 мкм в
ферритной основе (сорбит отпуска).
Кроме объемного упрочнения применяются способы поверхностного упрочнения. Широко используется в машиностроении
поверхностная закалка способом индукционного нагрева с
использованием токов высокой частоты (ТВЧ) в десятки тысяч
и более герц. Деталь помещают с некоторым зазором в специальное устройство – индуктор из медных трубок, к которому
подают or машинного или лампового генератора ток высокой
частоты. Вследствие возникновения в детали электрических
вихревых токов с наибольшей плотностью в поверхностном
слое происходит нагрев этого слоя выше температур фазовых
превращений Ac1 и Асз и образование аустенита.
При последующем быстром охлаждении в поверхностном
слое аустенит превращается в мартенсит.
При термической обработке с лазерным нагревом (лазерное
термоупрочнение) используются газовые и твердотельные лазерные установки, которые снабжаются системами транспортировки и фокусировки луча лазера, механизмами перемещения
изделий по заданному режиму. При воздействии лазерного луча
на поверхность происходит поглощение и передача энергии высокой концентрации тонкому поверхностному слою, соответствующий нагрев выше температур Ac1 и Асз, возможно плавление и переход в жидкое состояние тонкого поверхностного слоя.
В процессе быстрого охлаждения нагретого объема путем интенсивного теплоотвода холодной массой изделия без применения специальной охлаждающей среды создается скорость охлаждения до 1000 градусов в секунду (Vохл.Vкрит. зак.), происходит фазовое превращение в нагретом малом объеме металла
аустенита в мартенсит, то есть закалка.
При химико-термической обработке происходит одновременно тепловое и химическое воздействие на материал, что изменяет химический состав и структуру в поверхностных слоях
деталей на некоторую толщину. Для изменения химического
73
состава поверхностных слоев детали помещают в активную среду: газовую, жидкую, твердую, из которой в результате адсорбции атомов насыщаемого элемента поверхностью детали и
диффузии адсорбированных атомов от поверхности на некоторое расстояние вглубь изделия формируется поверхностный
слой с измененным химическим составом и структурой.
В машиностроении получили наибольшее применение следующие виды химико-термической обработки:
Цементация – поверхностное насыщение углеродом обычно
в газовой науглероживающей среде (эндогазе и др.) при температуре 920…950 °С в течение 8…10 часов. После цементации
детали подвергаются закалке от температуры 800…840 °С и
низкому отпуску при 160…200 °С.
Нитроцементация – поверхностное насыщение одновременно углеродом и азотом в газовой среде при температуре
840…860 °С с выдержкой 4…8 часов. После завершения выдержки проводят закалку деталей и низкий отпуск при температуре 160…180 °С.
Азотирование – насыщение поверхностного слоя азотом в
газовой среде диссоциированного аммиака при температуре
500…520 °С в течение 25…50 часов. После азотирования дополнительную термическую обработку не проводят.
Реже применяют другие виды химико-термической обработки, например насыщение поверхностных слоев деталей бором
(борирование), алюминием (алитирование), кремнием (силицирование) и др.
Представление о толщине поверхностного слоя и твердости
при некоторых видах химико-термической обработки дает табл.
7.1. Механические свойства некоторых сталей приведены в табл.
7.2.
Таблица 7.1. Глубина слоя и твердость поверхностного слоя после химико-термической обработки деталей
Вид обработки
Толщина слоя, мм
Твердость поверхностного слоя
Цементация,
закалка и низкий
отпуск
Нитроцементация,
закалка и низкий
отпуск
1,5…1,8
0,2…0,8
03…0,5
HRC 58…62
HRC 58…64
HV 850…1050
74
Закалка,
высокий отпуск и
азотирование
Таблица 7.2. Механические свойства поверхностного слоя и
сердцевины некоторых типовых сталей после термической обработки
Марка
Оптовая
Для деталей
Твердость
Механические свойства
стали
ценах)
с
поверхностсердцевины
поперечным
ного слоя,
НВ
0,2,
в,
сечением, мм
НRС
МПа
МПа
Цементация, закалка и низкий отпуск
до 50
56…62
290
490
156
до 60
56…63
390
640
250
до 60...80
56…63
1080
1180
300
до 60...80
56…63
830
1080
340
Закалка, высокий отпуск, азотирование
38Х2МЮА
1,9
до 60
НV
880
1030
50…2
950…1050
70
Индукционная поверхностная закалка, и низкий отпуск
45
1,0
до 100
до 60
450
750
195…
240
Х)
Относительные единицы: за 1,0 принята оптовая цена углеродистой качественной стали.
20
20Х
25ХГМ
20ХН2М
1,0
1,1
1,4
2,1
2. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
РАБОТЫ
В работе используются металлографические микроскопы и
коллекции микрошлифов.
Применяется телевизионная установка для демонстрации
микроструктур.
3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ И
ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Практическая часть работы заключается в изучении микроструктуры после различных видов отжига, закалки, отпуска закаленной стали, поверхностной закалки и лазерного термоупрочнения, цементации, цементации и нитроцементации с последующей закалкой и низким отпуском, азотирования и борирования. Микроанализ проводится, как правило, при увеличении
микроскопа х100 или х600. Студентам предоставляются лабораторные коллекции микрошлифов, подготовленные для исследований.
75
Рис. 7.3. Схемы микроструктур после термической
и химико-термической обработки сталей
76
Для более подробной оценки микроструктуры используется
ГОСТ 8233 "Сталь. Эталоны микроструктуры". По этому стандарту может быть дана количественная характеристика или номер балла структуры по различным признакам: процентное соотношение между ферритом и перлитом, мартенситом и трооститом, пластинчатым и зернистым перлитом; балл дисперсности пластинчатого перлита, мартенсита.
Данные о микроструктуре сталей после различных видов
термической и химико-термической обработки представлены в
табл. 7.3 и на рис. 7.3.
Таблица 7.3. Перечень лабораторной коллекции микрошлифов стали
после термической и химико-термической обработки
№
Марка стали, Вид термической обМикроструктура
шлифа
ГОСТ
работки
Стали после термической обработки
20
21
22
23
Конструкцион- Отжиг полный
ная сталь 40,
Отжиг нормализациГОСТ 1050-88 онный
Закалка полная
Закалка неполная
Феррит и перлит
Феррит и перлит
Мартенсит пакетный
Мартенсит и феррит
24
Закалка частичная
Мартенсит и темный троостит
25
Закалка полная и высокий отпуск (улучшение)
Сорбит отпуска (Ф +Ц)
Отжиг на зернистый
перлит
Закалка неполная
заэвтектоидной стали
Перлит зернистый
26
27
28.
28-1
Инструментальная сталь
У12, ГОСТ
1435-90
Мартенсит и белые зерна вторичного цементита
Стали после поверхностной закалки и лазерного термоупрочнения
КонструкциЗакалка поверхност- Поверхностный слой: мартенонная сталь
ная с нагревом тосит; сердцевина: феррит + пер45, ГОСТ
ками высокой часто- лит
1050-88
ты
ИнструменЛазерное термоПоверхностный слой: мартентальная сталь упрочнение (закалсит мелкоигольчатый и карбиУ10,
ка)
ды дисперсные. Переходная
ГОСТ 1435зона: мартенсит, троостит и
90
карбиды
77
№
шлифа
29-1
29-2
30
31
32
33
Марка стали,
ГОСТ
Вид термической обработки
Микроструктура
Стали после химико-термической обработки
Сталь 20,
Цементация
Поверхностный слой: перлит +
ГОСТ 1050цементит вторичный; перлит;
88
переходная зона: перлит +
феррит; сердцевина: феррит +
небольшое количество перлита
Сталь 20,
Цементация с поПоверхностный слой имеет
ГОСТ 1050следующей закалкой мартенсит высокоуглероди88
и низким отпуском
стый. Сердцевина – ферритная
с участками перлита
Сталь 20Х,
Цементация с по- Поверхностный слой – высоГОСТ 4543следующей закалкой коуглеродистый мартенсит.
71
и низким отпуском
Сердцевина – малоуглеродистый бейнит
Сталь 08кп,
Нитроцементация с
Поверхностный слой – высоГОСТ 1050последующей закал- коуглеродистый мартенсит с
88
кой и низким отпускарбонитридами. Сердцевина –
ком
феррит
Сталь
Закалка с отпуском
Поверхность – темный азоти4Х5В2ФС
и последующее азорованный слой. Сердцевина –
ГОСТ 5950тирование
троостит отпуска
73
Сталь 38ХС,
Борирование и поПоверхностный слой – тонкая
ГОСТ 4543верхностная закалка
зона светлых вытянутых зерен
71
боридов, широкая зона мартенсита. Сердцевина – перлит и
небольшое количество мелких
зерен феррита
4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Итоги проведенной работы оформляются в отчете, который
должен содержать следующие разделы:
1) Цель работы.
2) Оборудование, приборы и материалы, использованные при
выполнении работы.
3) Теоретические положения: понятия о перлитном, бейнитном
и мартенситном фазовых превращениях; характеристики перлита, сорбита, троостита, бейнита и мартенсита. Характеристики
структуры после отпуска закаленной стали при разных темпера78
турах. Понятие о цементации, нитроцементации и азотировании.
Зарисовки диаграммы состоянияжелезо-углерод и диаграммы
изотермического превращения переохлажденного аустенита
доэвтектоидной углеродистой стали.
4) Методика проведения работы и полученные результаты. Зарисовки схем микроструктур стали после наиболее характерных
разновидностей термической обработки (образцы 20, 21, 22, 24,
25, 27, 29-1, 29-2, 32), наименование и марка стали, вид термической обработки, составляющие структуры.
В конце занятия преподаватель путем устного опроса проверяет усвоение знаний студентами по вопросам для самопроверки. Оформленные отчеты проверяются и подписываются преподавателем.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.
Какие фазовые превращения происходят при нагреве доэвтектоидных сталей до температур образования аустенита?
2.
Какие три фазовых превращения происходят при распаде переохлажденного аустенита?
3.
Что представляют собой перлитное, бейнитное и мартенситное превращения?
4.
Какая разновидность мартенсита образуется в конструкционной стали?
5.
Какие структурные изменения происходят при повышении
температуры отпуска закаленных сталей?
6.
Что представляют собой перлит, сорбит, троостит, бейнит,
мартенсит?
7.
Что представляют собой отпущенный мартенсит, троостит отпуска,
сорбит отпуска?
8.
В чем заключается химико-термическая обработка материалов?
9.
Какие основные разновидности химико-термической обработки применяются в машиностроении?
10.
Какую микроструктуру имеет поверхностный слой после цементации?
11. Какую микроструктуру имеет поверхностный слой после цементации, закалки и низкого отпуска?
79
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8
ИЗУЧЕНИЕ ПРОКАЛИВАЕМОСТИ
КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ
Цель работы - изучить методику испытания стали на прокаливаемость способом торцевой закалки с определением критического диаметра.
1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Большинство деталей машин подвергается улучшению, т.е.
закалке на мартенсит с последующим высоким отпуском. Такая
термическая обработка обеспечивает оптимальное сочетание
предела прочности, предела текучести и ударной вязкости. Однако, не всегда учитывается то обстоятельство, что различные
марки стали имеют разную прокаливаемость, т.е. при закалке
дают разную толщину закаленной зоны. Неправильный выбор
марки стали для детали какого-либо сечения может привести к
тому, что после высокого отпуска вследствие недостаточной
прокалнваемости оптимальные механические свойства будут
обеспечены только на незначительной части расчитанного при
конструировании детали сечения. При работе такое изделие может не выдержать заданной механической нагрузки и разрушиться.
Прокаливаемость стали – способность получать в процессе
закалки микроструктуру мартенсита или мартенсита с трооститом на определенном расстоянии от поверхности детали. За глубину закаленного слоя принимают расстояние от поверхности
детали до слоя с полумартенситной микроструктурой из 50 %
мартенсита и 50 % троостита по ГОСТ 5657 или до слоя с 95 %
мартенсита и 5 % троостита.
Несквозная прокаливаемость деталей объясняется тем, что
при закалке изделие охлаждается быстрее с поверхности и медленнее в сердцевине. Если скорость охлаждения во внутренних
слоях детали будет меньше критической скорости закалки, то в
сердцевине не получится 100 %-я мартенситная структура.
80
Сталь, не получившая сквозной закалки, будет иметь в сердцевине структуру, состоящую из троостита и мартенсита, троостита, сорбита и даже феррита и перлита, а в слоях близ поверхности – мартенситную структуру. Поэтому сталь с несквозной прокаливаемостью имеет во внутренних слоях пониженные механические свойства.
Легирующие элементы Cr, Mn, Ni и другие (кроме Со) уменьшают критическую скорость зэкалки. Поэтому легированные
стали закаливаются на большую глубину от поверхности или
даже по всему сечению при значительных поперечных размерах.
Сталь со сквозной прокаливаемостью после закалки и высокого отпуска имеет по всему сечению детали структуру сорбита
отпуска и одинаковые механические свойства.
2. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ
Тигельная печь, нагретая до температуры 860 0С, установка
для определения прокаливаемости, твердомер с приспособлением для измерения твердости стандартных образцов, точило,
стандартный образец стали.
3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ
И ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Задание. Провести торцевую закалку стандартного образца
стали с построением кривой прокаливаемости и определением
критических диаметров.
Задание выполняется в следующем порядке:
1) Провести торцевую закалку стандартного образца на специальной установке.
2) Измерить твердость образца на разном расстоянии от торца и
построить кривые прокаливаемости для углеродистой и легированной сталей в одной системе координат.
3) Определить по построенному графику расстояние от торца
образца до сечения, имеющего твердость полумартенситной зоны данной стали (50 % мартенсита и 50 % троостита).
4) По специальной номограмме определить, какие критические
диаметры имели бы реальные детали цилиндрической формы
81
при условии закалки в воде и масле и отношении длины к диаметру детали равном 1 и 10.
Для проведения данной работы группе студентов представляется образец из стали, прокаливаемость которой требуется
определить (одной группе выдается образец легированной стали, а другой - из углеродистой стали). Стандартный образец засыпают чугунной стружкой и нагревают в печи в течение 1 часа
до температуры 860 0С. Нагретый образец быстро переносят
щипцами из печи в приспособление для торцевой закалки (рис.
8.1) и охлаждают с торца струей воды. Температура нагрева под
закалку для углеродистых, хромистых, марганцовистых сталей с
содержанием 0,37…0,55 % С принимается равной 860°С, что
обеспечивает получение при нагреве структуры аустенита.
Рис. 8.1. Схема установки образца при испытании на прокаливаемость методом торцевой закалки
Испытание на прокаливаемостъ проводится в присутствии
преподавателя и лаборанта. После охлаждения образец сошлифовывается на точиле с одной стороны по всей длине на глубину 0,2…0,3 мм и помещается в специальное приспособление,
которое устанавливается на твердомер типа ТК. Начиная с расстояния 3 мм от закаленного торца через каждые 1,5 мм измеряют твердость по длине образца алмазным конусом при
нагрузке 150 кг на приборе ТК (шкала HRC). Измерение твердо82
сти производит лаборант. Полученные данные представляют в
виде таблицы, а затем строят график в координатах твердость –
расстояние от закаливаемого торца в мм.
Далее устанавливают твердость полумартенситной зоны
данной стали, которая зависит от содержания углерода (для сталей с содержанием 0,4 % С твердость полумартенситной зоны
равна HRС 40).
По построенному графику определяется расстояние в мм от
закаленного торца образца до сечения, имеющего твердость полумартенситной зоны. Зная расстояние от закаливаемого торца
до полумартенситной зоны, можно по специальной номограмме
определить критические диаметры для деталей с различным отношением длины к диаметру.
Для определения критического диаметра, т.е. диаметра
максимального сечения, прокаливающегося в данной охлаждающей среде насквозь, на верхней шкале номограммы находят
полученное опытным путем по графику расстояние от закаливаемого торца до полумартенситной зоны. Из этой точки опускают перпендикуляр до пересечения с линией 1 «идеального
охлаждения» с бесконечно большой скоростью охлаждения, затем проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями
2 (охлаждение в воде) или 3 (охлаждение в масле) в зависимости
от задания. Из точки пересечения опускают перпендикуляр на
шкалу критических диаметров Дкр., и при заданном L/Д получают ответ (рис. 8.2).
Таким образом, используя данные торцевой закалки стандартного образца, можно определять прокаливаемоеть стали в
деталях геометрически разных форм и при использовании различных охлаждающих жидкостей.
Студенты определяют по номограмме критический диаметр
для случая закалки цилиндрической детали в предположении
охлаждения в воде или минеральном масле при отношении длины к диаметру L/Д=10 (длинный вал) и L/Д=1 (плоская шайба).
Путем сопоставления данных таблицы выявляется влияние легирования стали на прокаливаемость.
83
Рис. 8.2. Схема номограммы для определения критического
диаметра
Поскольку прокаливаемость разных плавок одной стали имеет несколько различающиеся значения, принято прокаливаемость стали характеризовать полосой прокаливаемости для совокупности разных плавок данной марки стали.
Форма таблицы для отчета:
Критические диаметры деталей для углеродистой и легированной сталей
Марка
стали
Содержание
углерода, %
Охлаждающая среда
Критический диаметр,
мм
L/Д=1
L/Д=10
Вода
Минеральное масло
4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Итоги проведенной работы оформляют в отчете, который
должен содержать следующие разделы:
1. Цель работы;
2. Оборудование, приборы и материалы, использованные
при выполнении работы.
84
3. Теоретические положения: понятие и значение прокаливаемости стали.
4. Методика проведения работы и полученные результаты:
задание по работе. График зависимости твердости от расстояния
от торца для обеих сталей в одной системе координат. Таблица с
данными о критических диаметрах для углеродистой и легированной стали при охлаждении в воде и минеральном масле.
5. Вывод о влиянии легирования на прокаливаемость стали.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.
2.
3.
метр?
4.
Как определяется экспериментально прокаливаемость стали?
Почему легирование увеличивает прокаливаемость стали?
Как по номограмме определяется реальный критический диаЧто понимается под критическим диаметром?
85
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9
ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
ИЗДЕЛИЙ МЕТОДОМ ФАКТОРНОГО
ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Цель работы - исследование влияния условий термической
обработки на свойства металлических сплавов методом факторного планирования экспериментов.
1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Термическая обработка – это технологический способ воздействия на структурное и фазовое состояния металлов с помощью различных режимов нагрева и охлаждения. При этом достигается приближение или отклонение металла от равновесного состояния и получение требуемого комплекса физикомеханических свойств.
Основными видами термической обработки являются отжиг,
закалка, отпуск (старение). Отжигом называется вид термической обработки, при которой металлы или сплавы получают
структуру, близкую к равновесной. При закалке, в отличие от
отжига, формируется неравновесная структура. В результате
отпуска (старения) предварительно закаленных сплавов происходят процессы, приближающие их структуру к более равновесному состоянию. Проведение закалки с последующим отпуском
(старением), как правило, приводит к повышению уровня прочностных свойств по сравнению с отжигом. Получаемые свойства зависят от режимов термической обработки: температуры,
времени выдержки, охлаждающей среды.
В работе студенты изучают влияние режимов термической
обработки различных металлических материалов на их свойства.
Исследования проводятся методом факторного планирования
экспериментов с последующим построением математической
модели изучаемого процесса термической обработки и отысканием оптимальных условий протекания процессов. Последова86
тельность выполнения работы по оптимизации режимов термической обработки металлических сплавов рассмотрена ниже на
примере дуралюмина.
Дуралюмины представляют собой сплавы алюминия с
3,8…4,9 %меди; 0,4…1,8 % магния и повышенным содержанием
марганца (0,4…0,9 %). Основными компонентами являются
алюминий и медь. Растворимость CuAl2 в алюминии с понижением температуры уменьшается. Упрочняющая термическая
обработка дуралюмина состоит из операций закалки и старения.
После закалки образуется пересыщенный твердый раствор. При
старении закаленного дуралюмина происходит распад пересыщенного твердого раствора. В зависимости от химического состава, температуры и продолжительности старения изменяется
структура состаренного дуралюмина.
2. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
РАБОТЫ
Лабораторные печи, твердомеры, бачки с водой и маслом для
охлаждения образцов, щипцы для загрузки и выгрузки образцов,
образцы материалов.
3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ
И ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Задание. Требуется определить оптимальные режимы термической обработки дуралюмина марки 1160 (Д16) (3,8…4,9 %
Cu; 1,2…1,8 % Mg; 0,3…0,9 % Mn). Варьируемыми факторами
являются: Х1 – время выдержки при температуре закалки 500 0С;
Х2 – охлаждающая среда при закалке; Х3 – время выдержки при
температуре старения 100 0С. В качестве параметра оптимизации принята твердость по Роквеллу HRF.
Работа выполняется в следующем порядке.
1) Исходя из материаловедческих соображений, выбирают исходные значения факторов (основной уровень), интервалы варьирования и подсчитывают верхний и нижний уровни факторов
(табл. 9.1).
87
Таблица 9.1. Уровни факторов
Исходные данные
Основной уровень Х i0
Интервал варьирования  Хi
Верхний уровень:
Хi0 + Хi
Нижний уровень:
Хi0 -  Хi
Кодированные
Натуральные значения
значения
факторов Хi нат.
факторов,
Время Охлаждающая Время
Хi.
закалки,
среда
старения,
мин
мин.
Х1 нат.
Х2 нат.
Х3 нат.
0
25
15
10
10
+1
35
вода
25
-1
15
масло
5
2) Составляют матрицу планирования экспериментов в кодированном и натуральном масштабах, изменяя факторы на двух
уровнях: верхнем и нижнем.
Для случая полного факторного эксперимента при варьировании трех факторов на двух уровнях число опытов N = 23 = 8.
Дополнительно проводятся три параллельных опыта №№ 9, 10,
11 на основном уровне для определения ошибки опыта (качественный фактор Х2 принимаем на верхнем уровне). Все данные
представлены в табл. 9.2.
3) Проводят опыты № 1 – 8 в соответствии с матрицей планирования и дополнительные параллельные опыты №№ 9 – 11. Каждый студент получает, как правило, один или два образца. На
каждом образце проводится не менее трех замеров твердости и
подсчитывается среднеарифметическое значение твердости 𝒀𝒋 .
Эта величина твердости заносится в матрицу планирования.
4) По полученным данным параметра оптимизации Уj после
старения проводится математическая обработка результатов
опытов:
 Рассчитывают коэффициенты уравнения регрессии:
∑𝑵
𝒋=𝟏 𝒙𝒊𝒋 ×𝒀𝒋
𝑩𝒊 =
,
𝑵
где N – число опытов на верхнем и нижнем уровнях.
88
1
2
3
4
5
6
7
8
+1
-1
+1
-1
+1
-1
+1
-1
9
10
11
0
0
0
Нату-ральное, мин
Коди-рованное
Натуральное,
(охл. среда)
Коди-рованное
Натураль-ное,
мин.
Коди-рованное
Таблица 9.2. Матрица планирования экспериментов
№
Значения факторов Хij
опыта
Х1
Х2
Х3
j
Параметр оптимизации Уj (твердость HRF после
старения)
Опыты на верхнем и нижнем уровнях
35
+1
вода
+1
25
15
+1
вода
+1
25
35
-1
масло
+1
25
15
-1
масло
+1
25
35
+1
вода
-1
5
15
+1
вода
-1
5
35
-1
масло
-1
5
15
-1
масло
-1
5
Опыты параллельные на основном уровне
25
+1
вода
0
10
25
+1
вода
0
10
25
+1
вода
0
10
91,7
87,0
93,0
88,0
89,5
80,8
90,7
90,0
89,3
88,7
88,7
В результате расчетов получаем: В0 = 88,8; В1 = 2,4; В2 = -1,6;
В3 = 1,1.
 Проверяют статистическую значимость коэффициентов
регрессии при уровне значимости  = 0,05. Коэффициент регрессии статистически значим, если его абсолютное значение
Вiравно или больше его доверительного интервала  Вi. Для
определения доверительного интервала предварительно подсчитывают среднюю квадратичную ошибку опыта:
𝒏
𝟏
𝟐
𝑺=√
∑(𝒀𝒋 − 𝒀𝒐 )
𝒏−𝟏
𝒋=𝟏
где n – число параллельных опытов на основном уровне (n =
3);
𝒀о - выборочное среднее значение для этих опытов:
𝟏
𝒀𝒐 = 𝒏 ∑𝒏𝒋=𝟏 𝒀𝒋 ;
89
Далее подсчитывают среднеквадратичную ошибку в определении коэффициентов регрессии по формуле:
𝑺
𝑺𝑩𝒊 =
√𝑵
После расчетов имеем: 𝑌𝑜 = 88,9; S = 0,47; SВi = 0,116
Доверительный интервал рассчитывают по табличному значению критерия Стьюдента:
|∆𝑩𝒊 | = 𝒕табл.(𝜶;𝑵) × 𝑺𝑩𝒊
При уровне значимости  = 0,05 и числе степеней свободы f
= N = 8 (число опытов) tтабл. (0,05;8) = 2,31 и доверительный интервал равен:
|∆𝐵𝑖 | = 2,31 − 0,116 = 0,27
Для рассматриваемого примера все коэффициенты регрессии
больше доверительного интервала (ВiВi) и являются статистически значимыми: В1=2,40,27; В2=1,60,27; В1=1,10,27.
 Составляем уравнение регрессии с учетом главных эффектов факторов:
𝒀 = 𝑩𝟎 + 𝑩𝟏 𝑿𝟏 + 𝑩𝟐 𝑿𝟐 + 𝑩𝟑 𝑿𝟑
𝑌 = 88,8 + 2,4𝑋1 + 1,6𝑋2 + 1,1𝑋3
 Проверяют гипотезу, т.е. предположение относительно
нормального закона распределения, об адекватности уравнения
регрессии характеристикам исследуемого процесса. Проверку
выполним по расчетному значению t – критерия Стьюдента:
|𝒀𝒐 − 𝑩𝒐 |
𝑺𝑩𝒊
|88,9 − 88,8|
=
= 0,61
0,116
𝒕расч.(𝜶;𝒏−𝟏) =
𝑡расч.(𝛼;𝑛−1)
Табличное значение критерия Стьюдента при уровне значимости  = 0,05 и числе степеней свободы f = n – 1 = 3 – 1 = 2:
tтабл.(0,05;2) = 4,30.
90
Так как tрасч. tтабл. (0,61 4,30), гипотеза об адекватности
уравнения регрессии не отвергается и это уравнение может использоваться в дальнейшем для расчетов.
В полученном уравнении регрессии значения факторов Хi
входят в кодированном масштабе. Расчет кодированных значений факторов Хi по соответствующим значениям факторов в
натуральном масштабе Хi нат. проводится по формуле:
𝑿𝒊 =
𝑿𝒊 нат −𝑿𝒊 𝟎 нат
∆𝑿𝒊 нат
где Хi – кодированное значение фактора;
Хi нат. – натуральное значение фактора;
Xi0нат- натуральное значение фактора на основном уровне;
∆ Xiнат - натуральное значение интервала варьирования фактора.
Для рассматриваемого примера расчет кодированных значений факторов ведется по следующим формулам:
𝑿
−𝟐𝟓
𝑿
−𝟏𝟓
𝑿𝟏 = 𝟏нат
; 𝑿𝟑 = 𝟑 нат
𝟏𝟎
𝟏𝟎
Фактор Х2 является качественным и может принимать только
два кодированных значения: +1 (охлаждение в воде) и –1 (охлаждение в масле).
Далее, используя полученное уравнение регрессии, продолжают опыты в направлении к оптимуму, изменяя одновременно
все факторы (так называемое крутое восхождение по градиенту). Качественные факторы оставляют неизменными на лучшем
уровне.
Вначале выбирают интервал между значениями одного из
факторов в двух последовательных опытах, называемый единичным шагом i. Примем за единичный шаг изменение времени закалки (фактор Х1) на 15 мин i =15 мин). Шаг 3 для фактора Х3 (время старения) получают из пропорции:
𝑩𝟏 × ∆𝑿𝟏 нат ∆𝟏
=
𝑩𝟑 × ∆𝑿𝟑 нат ∆𝟑
Отсюда ∆3 =
𝑩𝟑 ×∆𝑿𝟑 нат ×∆𝟏
𝑩𝟏 ×∆𝑿𝟏 нат
=
1,1×10×15
2,4×10
91
≈ 7 мин.
Качественный фактор Х2 поддерживают на нижнем уровне
(Х2 = -1, т.е. охлаждение в масле), обеспечивающем большее
значение твердости. До проведения реальных опытов предварительно просчитывают «мысленные» опыты по уравнению регрессии, начиная с основного уровня. Натуральные значения
факторов в «мысленных» опытах определяются по формуле:
Хiнат = Хi0нат. + кI; к =1,2,3…
Данные для опытов по крутому восхождению представлены
в табл. 9.3.
Таблица 9.3. Опыты по крутому восхождению в направлении к оптимуму
Х1нат.
Х2нат.
Х3нат.
Параметр
оптимизации Уj
Время
ОхлаждаВремя
Факторы
закалки,
ющая среда
старения, (твердость HRF
после старения)
мин
мин
Основной уровень
25
15
Хi0нат
Шаг i
15
-
7
-
«Мысленные опыты»:
Хi0нат + i;
№ 12
40
масло
22
94,8
Хi0нат + 2i;
№ 13
55
масло
29
99,2
Хi0нат + 3i;
№ 14
Хi0нат + 4i;
№ 15
70
масло
36
103,6
85
масло
43
107,9
№12
40
масло
22
90,3
№ 14
70
масло
36
93,5
№15
85
масло
43
93,2
Реализованные опыты:
*) Примечание. Эта часть работы выполняется по указанию преподавателя.
Для подсчета по уравнению регрессии величины параметра
оптимизации Уj в «мысленных» опытах натуральные значения
факторов необходимо пересчитать в кодированные значения.
Рассчитаем в качестве примера кодированные значения факторов для «мысленного» опыта №12, в котором натуральные значения факторов равны: Х1нат. = 40 мин; Х3нат. = 22 мин:
92
40−25
22−15
𝑋1 = 10 = 1,5; 𝑋3 = 10 = 0,7
Затем кодированные значения факторов (Х1 = 1,5; Х2 = -1,0;
Х3 = 0,7) подставляют в уравнение регрессии и рассчитывают
величину параметра оптимизации:
𝑌12 = 88,8 + 2,4 − 1,5 − 1,6(−1,0) + 1,1 − 0,7 = 94,8
Аналогично рассчитывают значения параметра оптимизации
для других "мысленных" опытов № 13, 14, 15 и заносят полученные результаты в
табл. 7.3.
Далее реализуют некоторые "мысленные" опыты по рассчитанным режимам до получения оптимальных значений параметра Уj старения, удовлетворяющих исследователя. Были выполнены опыты № 12, 14, 15. Оптимальное значение твердости У =
93,5 получено в опыте № 14. Следующий опыт № 15 не приводит к повышению твердости, поэтому дальнейшие опыты не
проводились.
В случае необходимости условия лучшего опыта могут быть
приняты за новый основной уровень и повторяют план исследований до попадания в область оптимума. Может возникнуть и
необходимость в переходе к другим, более сложным методам
математического планирования эксперимента. Ниже приведены
некоторые возможные задания по проведению работы.
Задание 1. Исследовать влияние температуры закалки, охлаждающей среды при закалке и температуры отпуска на твердость стали.
Задание 2. Исследовать влияние охлаждающей среды при
закалке, температуры и времени старения на твердость дуралюмина.
Задание 3. Исследовать влияние времени закалки, охлаждающей среды при закалке и температуры отпуска на твердость
стали.
Задание 4. Исследовать влияние температуры, времени и
охлаждающей среды при закалке на твердость стали.
Задание 5. Исследовать влияние содержания углерода, температуры закалки и охлаждающей среды при закалке на твердость стали.
93
4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Итоги проведенной работы оформляют в отчете, который
должен содержать следующие разделы:
1. Цель работы.
2. Оборудование, приборы и материалы, использованные
при выполнении работы.
3. Теоретические положения: понятие термической обработки, методология проведения исследований влияния режимов
термической обработки на свойства материалов.
4. Методика проведения работы и полученные результаты.
Задание по термической обработке, таблица уровней факторов и
матрица планирования экспериментов, все формулы для расчетов и вычисления, полученное уравнение регрессии с учетом
главных эффектов факторов в кодированном и натуральном
масштабе, выводы о влиянии факторов на параметр оптимизации.
В конце занятия преподаватель путем устного опроса проверяет усвоение знаний по вопросам для самопроверки. Оформленные отчеты проверяются и подписываются преподавателем.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. С какой целью выполняются параллельные опыты?
2. Как подсчитывается средняя квадратичная ошибка опыта?
3. По результатам каких опытов ведется расчет коэффициентов
регрессии?
4. Что называется единичным шагом?
5. Как рассчитываются кодированные значения факторов по их
натуральным значениям?
6. Что представляют собой «мысленные» опыты?
94
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10
МИКРОСТРУКТУРА И КЛАССИФИКАЦИЯ
ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
Цель работы - изучить классификацию легированных сталей по назначению, химическому составу и структурным классам, микроструктуру легированных сталей различных структурных классов.
1.
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Изменение строения и свойств стали в широких пределах
возможно специальным введением в состав стали при ее выплавке легирующих элементов (хрома, никеля, молибдена,
вольфрама и др.). Такие стали называют легированными. Содержание легирующих элементов изменяется от 0,001…0,005
(бор) до 20…25 % и более (никель, марганец, вольфрам, хром и
др.).
Многочисленные легированные стали в зависимости от
назначения подразделяются на конструкционные для деталей
машин, инструментальные для различных инструментов и стали
с особыми свойствами, обладающие каким-либо более резко
выраженным свойством, например, коррозионностойкие, жаропрочные и др.
По химическому составу стали в зависимости от наличия легирующих элементов, классифицируются следующим образом:
хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и др. Многие стали, особенно с особыми свойствами, имеют сложный химический состав и содержат до 5…10 %
и более легирующих элементов. При введении трех и более легирующих элементов стали называются сложнолегированными.
По суммарному количеству всех легирующих элементов в данной стали различают низколегированные (менее 2,5 %), среднелегированные (2,5…10 %) и высоколегированные стали (10…50
% в сумме легирующих элементов).
Обозначения марок легированных сталей состоят из чисел и
букв, указывающих примерный химический состав стали. Двух95
значное число в начале марки конструкционных сталей и сталей
с особыми свойствами показывает среднее содержание углерода
в сотых долях процента (например, 38ХН3МФ).
Однозначное число в начале марки
инструментальных
сталей
характеризует среднее содержание углерода в
десятых долях процента (например, 9ХС, 5ХНМ). При содержании углерода 1% и более число в начале марки не ставится
(например, Х12).
Принятые в Российской Федерации буквенные обозначения
легирующих элементов следующие: А – азот, Б – ниобий, В –
вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, М –
молибден, Н – никель, П фосфор, Р– бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, X – хром, Ц – цирконий, Ч – редкоземельные
элементы, Ю – алюминий. Число после буквы указывает примерное содержание элемента в процентах (при 1,0…1,5 % число
не ставится). Для сильно действующих легирующих элементов
(бор, ванадий, титан) обозначение в марке стали не означает,
что их количество – 1%. Обычно содержание бора - тысячные
доли процента, ванадия и титана – не более 0,2 % (в обозначении марок это не отражается).
Буква А в конце марки обозначает высококачественную и Ш
– особо высококачественную сталь; буква Л в конце марки
означает, что сталь предназначена для отливок (например,
110Г13Л).
Некоторые легированные стали имеют особое обозначение:
Р – быстрорежущая сталь (число после буквы Р - содержание
вольфрама в %, например, PI8);
Ш – шарикоподшипниковая сталь (например, ШХ15; число
после буквы X – среднее содержание хрома в десятых долях
процента);
Е – сталь для постоянных магнитов, например, ЕХ5К5.
ОСНОВНЫЕ ФАЗЫ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
Феррит легированный - твердый раствор углерода и легирующих элементов в  - железе. При растворении легирующих
элементов феррит упрочняется и обычно становится менее вязким. Введение никеля вязкость феррита несколько повышает,
96
Аустенит легированный – твердый раствор углерода и легирующих элементов в  - железе. Большинство легирующих
элементов замедляет перлитное превращение аустенита в смесь
феррит + карбиды и снижает температуру превращения аустенита в мартенсит (линию Мн).
Карбиды – химические соединения легирующих элементов
и железа с углеродом. В легированных сталях могут быть следующие карбиды: М3С, М7С3, М23С6, М6С, М2С, МС (М – сумма
элементов, образующих карбиды), к примеру (Fe,Mn)3C, Gr7C3,
(Сг,Мn,Fe)23С6 и т.д. Карбиды обладают высокой твердостью и
износостойкостью; мелкодисперсные частицы карбидов упрочняют аустенит и феррит.
Интерметаллические соединения – химические соединения
легирующих элементов, образующиеся в высоколегированных
сталях (жаропрочных и др.). Мелкодисперсные частицы этих
соединений, например, Ni3Ti, Ni3Al и др., упрочняют аустенит.
Для анализа фазовых превращений в легированных сталях
используют сложные пространственные диаграммы состояния
железо–углерод–легирующие элементы, которые изучают в
специальных металлургических курсах. Упрощенно эти превращения для большинства конструкционных и инструментальных сталей, содержащих до 1,5…2 % углерода и до 5…13 % легирующих элементов (в сумме), можно рассмотреть по схематическим вертикальным разрезам тройных диаграмм состояния
железо–углерод–легирующий элемент при заданном содержании легирующего элемента. Большинство легирующих элементов уменьшает растворимость углерода в аустените т.е. точки S
и Е (линия SЕ предельной растворимости углерода в аустените)
смещаются на диаграмме состояния влево; изменяются также
температуры критических точек А1 и А3.
В легированных сталях (С 2,14 %) возможно в равновесном
состоянии при комнатной температуре формирование следующих структурных классов:
1) Доэвтектоидные стали с содержанием углерода С < Сs и
микроструктурой феррит + перлит. Эти стали имеют повышенную прочность, пластичность и вязкость, используются преимущественно в качестве конструкционных сталей для изготов97
ления разнообразных деталей машин (валов, зубчатых колес,
втулок и др.), например, 20Х, 40Х 40ХН, 30ХГТ, 30ХГС и многие другие. Доэвтектоидные стали марок 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХГМ и
др. применяются для изготовления ковочных молотовых штампов деформирующих металл в горячем состоянии.
2) Эвтектоидные стали с содержанием углерода С = Сs и микроструктурой перлита.
3) Заэвтектоидные стали с содержанием углерода Сs < С < СЕ,
имеющие микроструктуру перлит + карбиды вторичные.
4) Стали с содержанием углерода С  Сs имеют повышенную
твердость и используются для изготовления разнообразных металлорежущих, штамповых и мерительных инструментов: стали
марок X, 9XC, Х38Ф и др.
5) Ледебуритные стали с содержанием углерода CЕ < С< 2,14 %
имеют микроструктуру из ледебурита, перлита и вторичных
карбидов. У таких высоколегированных сталей вследствие значительного смещения точек Е и S на диаграмме железо–
углерод–легирующий элемент в сторону меньшего содержания
углерода даже при 0,8…1,5 % С в результате эвтектического
превращения Ж  А + К1 (ледебурит) кристаллизуется непосредственно из жидкого раствора смесь аустенита и сетки первичных карбидов. При горячей обработке давлением (ковке и
др.) сетка карбидов ледебурита дробится на отдельные обособленные зерна карбидов. Эти стали после ковки и отжига на зернистый перлит имеют в микроструктуре карбиды трех видов:
очень мелкие зерна карбидов в составе мелкозернистого перлита
(сорбита) (Ф + К), мелкие вторичные карбиды K2 и более крупные обособленные первичные карбиды K1, образовавшиеся при
ковке из сетки карбидов ледебурита. Общее количество карбидов в микроструктуре сталей ледебуритного (карбидного) класса составляет до 20…30 % от площади шлифа. Эти стали характеризуются повышенной твердостью и износостойкостью.
К сталям ледебуритного класса относятся инструментальные
штамповые высокохромистые стали с 12…13 % хрома и 1,5…2
% углерода марок Х12, XI2M, Х12ВМ, Х12Ф1, используемые
для изготовления вырубных, гибочных, и др. штампов холодной
штамповки.
98
Сталями ледебуритного класса являются быстрорежущие
стали марок Р6М5, PI8, Р9Ф5, P9K10 и др. Эти стали с содержанием 0,8…1,5 % углерода и основного легирующего элемента –
вольфрама в количестве 6…19 % применяются для изготовления металлорежущих инструментов (резцов, сверл, фрез и др.),
работающих с большими скоростями резания. Кроме вольфрама, в быстрорежущие стали вводят 3,0…4,5 % хрома, 1…5 %
ванадия, 1…5 % молибдена и, в некоторые стали, 5…10 % кобальта.
Доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные стали используются преимущественно в качестве конструкционных, инструментальных и, частично, сталей с особыми свойствами.
Рис. 10.1. Схема диаграмм состояний железо – легирующий элемент
Многие стали с особыми свойствами (коррозионностойкие,
жаропрочные и др.) содержат небольшое количество углерода
(не более 0,1…0,2 %) при высоком содержании легирующих
элементов (12…30 % и выше). Формирование структуры таких
малоуглеродистых легированных сталей упрощенно можно анализировать по диаграммам состояния железо-легирующий элемент (рис. 10.1). Легирующие элементы, имеющие объемноцентрированную кубическую решетку (кремний, хром, молибден и
др.), расширяют на диаграмме состояния фазовую область раствора (феррита). В этом случае при повышенном содержании
легирующих элементов область феррита существует от линии
солидус до комнатной температуры.
99
Такие стали относятся к ферритному классу, например, хромистые стали ферритного класса марок 15Х28, 12Х17 обладают
высокой коррозионной стойкостью, а также используются как
жаростойкие, устойчивые против окисления при рабочих температурах 900…1000 °C. Кремнистые стали ферритного класса с
3…4 % кремния применяются в качестве электротехнической
листовой стали (стали для сердечников трансформаторов и др.).
Легирующие элементы, имеющие гранецентрированную кубическую решетку (никель, марганец), расширяют на диаграмме
состояния фазовую область  - раствора (аустенита). При повышенном содержании марганца и никеля область аустенита существует от линии солидуса до комнатной температуры. Такие
стали относятся к аустенитному классу. Это хромоникелевые
коррозионностойкие стали марок 12Х18Н9, 12Х18Н10Т,
17Х18Н9 и др., которые устойчивы против электрохимической
коррозии и широко используются в машиностроении.
Хромоникелевые стали, дополнительно легированные
небольшим количеством вольфрама, молибдена, титана и других элементов, имеют микроструктуру из аустенита и мелкодисперсных частиц карбидов (или интерметаллидов), например
45Х14В14В2М, и являются жаропрочными, т.е. способны сопротивляться механическим нагрузкам при рабочих температурах 600 – 700 0 С и выше.
Высокомарганцовистая сталь марки 110Г13Л аустенитного класса используется в литом состоянии как износоустойчивая при трении под большими давлениями и с ударами. При деформации эта сталь значительно упрочняется; применяется для
изготовления деталей камнедробилок, траков гусениц тракторов
и т.п.
В материаловедении получила применение и классификация
легированных сталей по микроструктуре, которую получают
после охлаждения на воздухе от температуры 900 0 С из аустенитного состояния (нормализации) образцы небольшой толщины (не более 20…25 мм). В этом случае формирование структуры рассматривается по диаграммам изотермического превращения переохлажденного аустенита легированных сталей (рис.
10.2).
100
Рис. 10.2. Диаграммы изотермического превращения
переохлажденного аустенита для сталей 40Х(а) и 40Х13(б)
Стали, у которых при нормализации идет перлитное
превращение А  Ф + К, относят к сталям перлитного класса:
конструкционные стали 40Х, 45Г2, 40ХН, инструментальные
стали Х, 9ХС и многие другие.
У ряда сталей с повышенным содержанием легирующих
элементов С – образные кривые смещаются значительно вправо,
т.е. возрастает устойчивость легированного аустенита, при
охлаждении на воздухе происходит мартенситное превращение
АМ и формируется мартенситная структура. Это стали мартенситного класса. Так, хромистые стали мартенситного класса
30Х13, 40Х13 с 12...14 % хрома применяются в качестве коррозионностойких для изготовления хирургического инструмента,
бытовых изделий и т. д. К сталям мартенситного класса относятся некоторые конструкционные стали: 18Х2Н4ВА, жаропрочные хромокремнистые стали (сильхромы), например, сталь
40Х9С2, используемая для изготовления клапанов автомобильных двигателей.
Высоколегированные стали, у которых на диаграмме изотермического превращения аустенита температура начала мартенситного превращения (линия Мн) снижается ниже 0 0С, при
охлаждении на воздухе до комнатных температур сохраняют
структуру легированного аустенита. Эти стали аустенитного
класса, например, коррозионностойкая сталь 08Х15Н8Ю. Дальнейшее охлаждение таких сталей и область отрицательных тем101
ператур (обработка холодом) ниже Мн приводит к частичному
превращению аустенита в мартенсит, поэтому нержавеющие
стали типа 08Х15Н8Ю иногда относят к особому аустенотномартенситному классу.
Таким образом, по микроструктуре в нормализованном состоянии (охлаждение образцов небольших размеров на воздухе
от 900 0С) легированные стали подразделяют на три основных
класса: перлитный, мартенситный, аустенитный.
2. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ
В работе используются металлографические микроскопы и
коллекции микрошлифов.
3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ И
ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Задание. Просмотреть коллекцию микрошлифов легированных сталей и, используя их описание, установить, какие структурные составляющие имеет каждый образец, назначение и химический состав стали. Выполнить контрольное задание по
микроанализу легированной стали и установлению ее структурного класса в равновесном состоянии.
ЧАСТЬ 1. МИКРОСТРУКТУРА ЛЕГИРОВАННЫХ
СТАЛЕЙ РАЗЛИЧНЫХ СТРУКТУРНЫХ КЛАССОВ
Для выполнения этой части работы студентам выдаются эксикаторы со шлифами легированных сталей. Каждый шлиф коллекции просматривается под микроскопом и по описанию определяется структурный класс стали, назначение данной марки и
ее химический состав.
Студенты по готовым шлифам изучают микроструктуру легированных сталей основных структурных классов. Описание
лабораторной коллекции микрошлифов дано в табл. 10.1. Изучается влияние содержания углерода и хрома на микроструктуру легированных сталей в равновесном состоянии. Для наглядного изображения влияния хрома и углерода на микроструктуру
сталей в равновесном состоянии используется структурная диаграмма (рис. 10.3).
102
менее 0,12
Легирующие
элементы
0,8
…1,
1 Cr
1,3…1,6
Cr
12…1
4 Cr
12…1
4 Cr
11,5…13
Cr
Доэвтектоидная сталь
Отжиг на
зернистый
перлит
Перлит зернистый и
вторичные
карбиды
Заэвтектоидная сталь
Отжиг неполный
Перлит и
вторичные
карбиды
Заэвтектоидная сталь
Нормализация
Мартенсит
Заэвтектоидная сталь
Отжиг на
зернистый
перлит
Перлит зернистый (сорбит),
карбиды первичные и вторичные
Феррит легированный
Ледебуритная
сталь
Отжиг
16…18
Cr
0,95..1,1
2,0..2,3
5950-00
Хромистые стали
Отжиг
Феррит и
полный
перлит
Хромоникелевая сталь
Отжиг
Аустенит
легированный
3,8…4,4 Cr 17…19 Cr
5,5…6,5 W 9…11 Ni
1,7…2,1 V не более
5,0…5,5 Мо 0,5 Ti
Углерод
ГОСТ
4543
-71
0,36.
.0,44
5950-00
Х
40Х1
3
563272
0,36..
0,45
40Х1
3
563272
0,36..
0,45
0,8…0,88
8
5632-72
7
19265-73
6
563272
менее
0,12
5
Х12
4
12Х17
3
12Х18Н10Т
2
Р6М5
1
40Х
Марка стали
Таблица 10.1. Перечень лабораторной коллекции микрошлифов легированных сталей различных структурных классов
Химический
Термическая Микроструктура Структурный
состав, %
обработка
класс стали в
равновесном
№
состоянии
Отжиг на
зернистый
перлит
103
Ферритная
сталь
Аустенитная
сталь
Перлит зерни- Ледебуритная
стый (сорбит),
сталь
карбиды первичные и вторичные
Рис. 10.3 Структурная диаграмма хромистых сталей в равновесном состоянии (после отжига)
В качестве примера стали аустенитного класса просматривается шлиф коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т. Изучается
также микроструктура шлифа быстрорежущей стали Р6М5 ледебуритного класса.
ЧАСТЬ 2. КОНТРОЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ
ПО МИКРОАНАЛИЗУ ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ
Студенту предоставляется готовый микрошлиф легированной стали в равновесном состоянии (марка стали и условия обработки указываются преподавателем). По усмотрению преподавателя могут быть выданы шлифы легированных сталей в
нормализованном состоянии.
Необходимо определить структурные составляющие образца,
установить, к какому структурному классу относится сталь, и
указать назначение стали (конструкционная, инструментальная,
коррозионностойкая, жаропрочная и т.д.).
4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Итоги проведенной работы оформляют в отчете, который
должен содержать следующие разделы:
1. Цель работы.
2. Оборудование, приборы и материалы, использованные
при выполнении работы.
104
3. Теоретические положения: характеристика фаз и структурных классов легированных сталей.
4. Методика проведения работы и полученные результаты.
 Зарисовка микроструктуры образцов с четким изображением структурных составляющих. Для каждого образца указывается наименование стали и ее назначение, марка, химический
состав, микроструктура.
 Зарисовка и описание микроструктуры контрольного образца, наименование и марка стали, структурный класс, назначение стали.
В конце занятия преподаватель путем устного опроса проверяет усвоение знаний по вопросам для самопроверки. Оформленные отчеты проверяются и подписываются преподавателем.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какая термическая обработка положена в основу классификации легированных сталей по структуре?
2. Какие имеются структурные классы легированных сталей после нормализации и после отжига?
3. Как влияют на прокаливаемость и критическую скорость закалки легирующие элементы?
4. К каким структурным классам относятся стали, марки которых
приведены в лабораторной работе?
5. Как маркируются легированные стали: конструкционные, инструментальные, с особыми свойствами?
105
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11
ИЗУЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЕЙ
Цель работы: изучить основные операции термической обработки конструкционных и инструментальных сталей.
1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
По своему назначению все виды термообработки разделяются на предварительные и окончательные. Целью предварительной термической обработки является подготовка структуры
стали к последующим операциям (обработке резанием, окончательной термообработке и т.д.). Предварительной термической
обработкой исправляют дефекты микроструктуры (видманштеттову структуру литья, перегрев и строчечностъ горячедеформированной стали), понижают твердость, что улучшает обрабатываемость стали резанием. К предварительной термической обработке относятся нормализация, полный и неполный
отжиг, сфероидизация или отжиг на зернистый церлит.
Обрабатываемость стали резанием ухудшается с увеличением содержания углерода. За показатель обрабатываемости принимается допустимая скорость резания при одинаковой стойкости инструмента (времени между двумя переточками режущей
кромки). В практике термообработки углеродистые и малолегированные конструкционные стали с содержанием углерода до
0,5 % обычно подвергаются нормализационному отжигу, а
свыше 0,5 % С – отжигу.
Окончательная термическая обработка является одной из
последних операций в общем технологическом цикле изготовления детали и инструмента. Все рабочие свойства готового изделия формируются в результате окончательной термообработки. К ней относятся закалка, отпуск, химико-термическая и термомеханическая обработка. По назначению и содержанию углерода конструкционные стали делятся на цементуемые, улучшаемые, рессорно-пружинные и шарикоподшипниковые.
106
Детали из цементуемых сталей (содержание углерода
0,1…0,25 %) после цементации подвергаются закалке и низкому
отпуску. У изделий из улучшаемых сталей (содержание углерода 0,3…0,5 %) окончательная термообработка состоит из закалки и высокого отпуска на сорбитную микроструктуру. Рессоры
и пружины (содержание углерода 0,5…0,8 %) после закалки отпускают при температурах 350…500°С (средний отпуск) на трооститную структуру.
Инструментальные стали имеют содержание углерода
0,65…2 % (штамповые стали от 0,35 до 0,7 % С), шарикоподшипниковые стали содержат 0,95…1,15 % С. Предварительной
термической обработкой высокоугдеро-дистых инструментальных сталей является сфероидизация (отжиг на зернистый перлит). В качестве предварительной термообработки для углеродистых и малолегированных инструментальных сталей с целью
улучшения обрабатываемости резанием можно применять высокий отпуск при температуре 680…700°С.
Окончательная термическая обработка режущего и мерительного инструмента, штампов холодной штамповки из углеродистых и малолегированных сталей заключается в закалке от
температуры выше TАc1 и низком отпуске. Структура сталай
заэвтектоидного состава после термообработки состоит из мартенсита отпуска и карбидов. Аналогичной термической обработке подвергаются шарикоподшипниковые стали.
Окончательная термическая обработка молотовых штампов и
прессового инструмента состоит из закалки и высокого отпуска.
2. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ
Лабораторные печи, твердомеры, образцы сталей для термической обработки.
3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ
И ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Задание. Провести на образце заданной стали термическую
обработку, имитирующую реальный технологический процесс
107
термообработки детали, инструмента или заготовки (штамповки
и др.) на машиностроительном заводе.
Лабораторная работа выполняется в следующем порядке:
1) Установить в соответствии с заданием операции термической
обработки.
2) Назначить режим термической обработки, обеспечивающий
получение заданной в задаче твердости (рис. 11.1).
Рис. 11.1. Влияние температуры отпуска на твердость закаленных конструкционных сталей различных марок
3) Измерить исходную твердость, провести термическую обработку и вновь замерить твердость. Твердость после термической
обработки должна соответствовать указанной в заданиях.
4) На образцах, защищенных от заусенцев на точиле, измеряется исходная твердость на твердомере типа ТК при нагрузке 100
кг закаленным стальным шариком (шкала В).
5) Температура нагрева и охлаждающая среда определяются по
таблице 10 (см. лабораторную работу № 3). Данные о температурах критических точек сталей приведены в табл. 11.1.
6) Время нагрева при заданной температуре для отжига и нормализации берется из расчета 1 час на 25 мм наименьшего размера образца (диаметр, толщина, высота).
Время нагрева при заданной температуре для закалки принимается из расчета:  = н + в , мин,
108
н (время нагрева) = 1,5d, где d – наименьший размер образца
в мм (диаметр, толщина и т.д.);
в (время выдержки) = 0,2н , мин.
Выдержка закаленных образцов при отпуске 30…40 мин.
Таблица 11.1. Температуры критических точек сталей АС1 и АС3
Марка
35
40
45
40Х
45Г2
30ХГС
стали
АС3, 0С
802
788
770
815
765
830
Марка
65
70
75
65Г
60С2
50ХФА
стали
АС3, 0С
752
743
735
750
820
788
Марка
У8
У9
У10
Х
9ХС
ХВГ
стали
АС1, 0С
730
730
730
750
770
750
7) Твердость термически обработанных образцов замеряется на
приборе типа ТК. После предварительной термообработки твердость измеряется по шкале В, после окончательной термообработки испытания на твердость проводятся при нагрузке 150 кг
алмазной пирамидой (шкала С). Показания твердости по HRB и
HRC переводятся по таблице в единицы твердости по Бриннелю
(НВ).
8) Режимы термической обработки образцов заносятся в карту
технологического процесса, а результаты измерения твердости
записываются в таблицу по нижеприведенной форме.
Форма таблицы для отчета:
Результаты измерения твердости при термической обработке стали
Операция
Заданная
Твердость
термической
твердость по
до т.о.
после т.о.
обработки
заданию
(т.о.)
HRC
HB
HRB
HB
HRB
HRC
HB
Задание 1. Назначить и провести предварительную термическую обработку на заданную твердость одной из конструкционных сталей (табл. 11.2).
109
10
11
12
30ХГС
65Г
60С2
50ХФА
230
270
290
260
9
45Г2
70
270
8
240
65
255
40Х
45
220
250
40
210
7
75
35
190
6
290
Марка
стали
5
Твердость
НВ
не выше
Таблица 11.2. Условия задач
№ зада1
2
3
4
чи
Задание 2. Назначить и провести окончательную термическую обработку одной из улучшаемых конструкционных сталей
на заданную твердость (табл. 11.3).
Таблица 11.3. Условия задач
№ задачи
13
14
Марка стали
35
40
Твердость
25…30
28…33
HRC
15
45
30…35
16
40Х
30…35
17
45Г2
25…30
18
30ХГС
32…37
Температура отпуска закаленной стали определяется в зависимости от заданной в таблице твердости для заданной марки
стали и находится по справочнику или по графику (рис. 11.1).
Задание 3. Назначить и провести окончательную термическую обработку одной из конструкционных рессорнопружинной стали на заданную твердость (табл. 11.4). Температура отпуска определяется по справочнику.
Таблица 11.4. Условия задач
№ задачи
19
20
Марка стали
65
70
Твердость HRC
42…48 40…45
21
75
27…32
22
65Г
38…45
23
60С2
46…50
24
50ХФА
40…45
Задание 4. Назначить и провести окончательную термическую обработку одной из сталей (15,20, 20Х, 18ХГТ, 25Х2НМ и
т.д.), предварительно подвергнутой цементации. Перед термообработкой замерить твердость на цементованной поверхности
и отдельно в сердцевине. После окончательной термообработки
110
твердость цементованного слоя должна быть НRС 58…62. Температуры закалки и отпуска определяются по справочнику.
Задание 5. Назначить и провести предварительную термическую обработку для улучшения обрабатываемости резанием одной из инструментальных сталей на заданную твердость (табл.
11.5).
Таблица 11.5. Условия задач
№ задачи
25
26
Марка стали
У8
У10
Твердость
HВ
не
более
190
не
более
200
27
У12
28
Х
29
9ХС
30
ХВГ
не
более
210
180…230
200…240
210…250
Задание 6. Назначить и провести окончательную термическую обработку одной из инструментальных сталей на заданную
твердость (табл. 11.6). Температура отпуска определяется по
справочнику.
Таблица 11.6. Условия задач
№ задачи
31
32
Марка стали
У8
У10
Твердость HRC 58…63 60…65
33
У12
60…65
34
Х
не менее 62
35
9ХС
60…63
36
ХВГ
60…63
4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Итоги проведенной работы оформляют в отчете, который
должен содержать следующие разделы:
1) Цель работы.
2) Оборудование, приборы и материалы, использованные при
выполнении работы.
3) Теоретические положения: описание предварительной и
окончательной термической обработки конструкционных и инструментальных сталей.
4) Методика проведения работы и полученные результаты:
 задание по термической обработке стали, обоснование
выбора операции и режима термообработки. График проведения
термообработки в координатах «Температура-время» (в масштабе), таблица результатов изменения твердости при термообработке.
111
 технологическая маршрутная карта термической обработки стали (см. образец в табл. 11.7).
Таблица 11.7. Маршрутная карта обработки
Разраб.
Д. Мошков
НГТУ
Согл.
Утв.
Н. контр.
М 01
В.К. Сорокин
Вал редуктора
Сталь 40ХН ГОСТ 4543-71
М 02
А 03
Б 04
Закалка
Электропечь СН – 3  6  2/10
О 05
Т 06
07
А 08
Б 09
О 10
11
12
13
14
15
Закалить деталь
Поддон
Диаметр 50 мм
0,2 = 600 МПа
КСИ = 0,7 МДж/м2
Отпуск
Электропечь СВГ – 20/8,5
Отпустить деталь
МК
В конце занятия преподаватель путем устного опроса проверяет усвоение знаний по вопросам для самопроверки. Оформленные отчеты проверяются и подписываются преподавателем.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1) Какова цель проведения предварительной термической обработки?
2) Какая окончательная термическая обработка применяется для
улучшаемых сталей, рессорно-пружинных сталей?
3) Какая термическая обработка выполняется после цементации?
4) Какая предварительная термическая обработка применяется для
инструментальных сталей?
5) Какая характеристика принимается за показатель обрабатываемости стали резанием?
6) Как определяется температура отпуска закаленной стали?
112
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 12
ЛАЗЕРНОЕ ТЕРМОУПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ
СЛОЕВ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Цель работы: ознакомиться с принципом действия и
устройством лазеров, микроструктурой и твердостью углеродистых сталей после лазерного термоупрочнения.
1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
В атомной физике рассматривается, что атомы имеют различные, вполне определенные дискретные энергетические
уровни.
При взаимодействии с электромагнитным излучением атомы
совершают переходы с одного энергетического уровня на другой.
Если, например, атом находился первоначально в верхнем
энергетическом состоянии с энергией Е2, то через некоторое
время с определенной вероятностью он перейдет на нижний
энергетический уровень Е1 с испусканием кванта света h = Е2 –
Е1 (рис. 12.1, а). Такой процесс называется спонтанным излучением. В случае действия электромагнитного излучения атом,
находившийся на нижнем на нижнем энергетическом уровне Е1,
может перейти на более высокий энергетический уровень Е2
(рис. 12.1, б). Эти переходы обусловливают поглощение излучения веществом.
В случае нахождения атома на верхнем энергетическом
уровне Е2 и действии на вещество электромагнитного излучения
с частотой , равной частоте  спонтанного излучения, имеется
конечная вероятность перехода атома с уровня Е2 на уровень Е1
в результате взаимодействия с электромагнитным полем. При
этом разность энергий «Е2 – Е1» выделяется в виде электромагнитного излучения, которое добавляется к действующему на
вещество излучению (рис. 12.1, в). Возникающее в результате
суммарное излучение называется вынужденным или индуцированным излучением.
113
Рис. 12.1. Схемы атомных переходов между энергетическими
уровнями атомов.
При индуцированном излучении направление его распространения совпадает с направлением спонтанного излучения.
Тоже относится к частоте, фазе и поляризации излучений. Таким образом, индуцированное и спонтанное излучения являются
строго когерентными. Эта особенность индуцированного излучения лежит в основе действия квантовых генераторов, работающих в оптическом диапазоне электромагнитных волн. Такие
устройства, впервые созданные в 1960 г., получили название
«лазеры» (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).
Для дальнейшего рассмотрения вводят понятие населенности атомами данного энергетического уровня Еi. Это число
атомов, находящихся на заданном уровне Еi, в единице объема.
Для получения индуцированного излучения надо, чтобы в энергетическом состоянии с более высокой энергией Еn находилось
большее число атомов, чем в состоянии с меньшей энергией Е m
(Еn Еm). В этом случае говорят об инверсной населенности данной совокупности атомов.
Только после разработки способов осуществления инверсной
населенности энергетических уровней атомов были созданы
квантовые генераторы. Для ее получения используют рабочие
среды с трехуровневыми или четырехуровневыми энергетическими системами (рубин, алюмоиттриевый гранат, смесь газов
СО2 + N2 + Не и др.).
Так, рубин представляет собой кристалл окиси алюминия
Al2О3, в котором некоторые из атомов алюминия замещены атомами хрома. Хром находится в рубине в виде ионов хрома Cr3+.
Схема трех энергетических уровней ионов хрома в рубине представлена на рис. 12.2.
114
Рис. 12.2 Диаграмма энергетических уровней 1,2,3 ионов хрома
в рубине и переходов между уровнями
Стрелкой W13 показано осуществление инверсии населенности («накачка»). Некоторые ионы спонтанно переходят далее с
уровня 3 на уровень 1 (стрелка А31). Большинство ионов, однако, переходят на метастабильный уровень 2, что показано стрелкой S32. При достаточной мощности «накачки» число ионов
хрома на энергетическом уровне 2 становится больше числа
ионов на основном энергетическом уровне 1 (n2 n1). Следовательно, возникает инверсия населенности уровня 1 и 2.
Спонтанный переход с уровня 2 на уровень 1 показывает
стрелка А21, а стрелка W21 характеризует индуцированное (вынужденное) излучение.
В состав лазерных установок входят:
 рабочая среда, в которой может быть осуществлена инверсия населенности энергетических уровней атомов;
 устройство, обеспечивающее какое-либо физическое воздействие на рабочую среду с целью осуществления инверсии
населенности («накачки»);
 элемент, обычно резонатор, в котором осуществляется
интенсивное взаимодействие электромагнитного излучения с
рабочей средой и происходит отбор энергии от ансамбля частиц;
 устройство, обеспечивающее вывод лазерного излучения
и осуществляющее его локализацию и доставку к месту назначения;
 дополнительные элементы, определяемые назначением
лазера (устройства управления лучом, изменения параметров
излучения, фокусирующие системой и др.).
115
2. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ
В работе используется молекулярный газоразрядный СО2 –
лазер «Латус – 31» с осуществлением «накачки» электрическим
разрядом при пропускании сильного тока через газовую среду.
Рабочей средой является смесь газов СО2, N2 и Не.
Обработка образцов ведется при следующих параметрах:
мощность излучения Р = 0,8…1,0 кВт, диаметр лазерного сфокусированного пятна на поверхности образца d = 2,5…3,0 мм,
скорость перемещения образца  = 10…12 мм/с, светопоглощающее покрытие – желтая гуашь.
Перемещение образцов осуществляется с помощью координатно – подвижного стола АП – 400.
Студентам предоставляются микрошлифы и образцы после
лазерного термоупрочнения для измерения твердости, металлографические микроскопы и твердомеры.
3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ И ОБРАБОТКА
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Работа выполняется в следующем порядке:
1) Ознакомление с конструкцией и работой лазера «Латус – 31».
2) Измерение твердости лазерной дорожки сталей 45, У8, У10,
У12 после лазерного термоупрочнения. Результаты представляются в форме таблицы:
Таблица. Твердость образцов сталей после лазерного термоупрочнения
№№
Марка
С,
Параметры обработТвердость
пообразца
стали
%
ки
верхностного слоя
Р,
d,
,
кВт
мм
мм/с
3) Изучение микроструктуры упрочненного слоя, переходной
зоны и основного металла после лазерного термоупрочнения
различных марок сталей по готовой коллекции микрошлифов.
Провести анализ полученных структур для сталей различных
структурных классов.
116
4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Итоги проведенной работы оформляют в отчете, который
должен содержать следующие разделы:
1) Цель работы.
2) Оборудование, приборы и материалы, использованные при
выполнении работы.
3) Теоретические положения. Понятия о спонтанном и индуцированном электромагнитных излучениях, инверсной населенности энергетических уровней атомов. Диаграмма энергетических
уровней ионов хрома в рубине и переходов между уровнями.
Понятие о рабочей среде и «накачке» в лазерах.
4) Методика проведения работы и полученные результаты. Характеристика лазера «Латус – 31» и параметры проведения лазерного термоупрочнения. Результаты измерения твердости в
форме таблицы и графика зависимости твердости от содержания
углерода в сталях. Зарисовки микроструктуры различных зон и
её описание.
В конце занятия преподаватель путем устного опроса проверяет усвоение знаний по вопросам для самопроверки. Оформленные отчеты проверяются и подписываются преподавателем.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1) Какой процесс называется спонтанным электромагнитным излучением?
2) Индуцированное (вынужденное) электромагнитное излучение и его
особенности.
3) Что понимается под инверсной населенностью энергетических
уровней атомов?
4) Какие рабочие среды используются в лазерах?
5) Что понимается под «накачкой» в лазерах?
6) Из каких составных частей состоят лазеры?
7) Какой состав газовой среды имеет лазерная установка «Латус – 31».
8) Какую микроструктуру имеют упрочненные слои сталей различных
структурных классов после лазерного термоупрочнения?
9) Как изменяется твердость упрочненного слоя с увеличением содержания углерода в стали после лазерного термоупрочнения?
117
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13
МИКРОСТРУКТУРА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
МАЛОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ
Цель работы: Изучить микроструктуру сварного соединения малоуглеродистой стали, полученного способом оплавления.
1.
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Исследование микроструктуры сварных соединений является
одним из методов контроля качества сварки. В микроструктуре
сварного соединения различают три зоны: 1 – зона кристаллизации расплавленного металла (наплавленный металл, шов); 2 –
зона основного металла, подвергающегося тепловому влиянию в
процессе сварки и испытывающего перекристаллизацию (зона
термического влияния); 3 – зона основного металла, незначительно нагревающегося и не испытывающего перекристаллизации.
Рис. 13.1 Расположение участков перегрева («А»), нормализации
(«Б»), и неполной нормализации («В») в зоне термического влияния сварного соединения
Наплавленный металл имеет крупнозернистую видманштеттовую структуру с вытянутыми участками феррит + перлит. В зоне термического влияния в зависимости от температуры нагрева относительно критических точек диаграммы состоя118
ния жзлезо-углерод различают по микроструктуре следующие
участки: А – перегрева; Б – нормализации; В – неполной перекристаллизации (рис.13.1).
В процессе сварки участок основного металла, непосредственно примыкающий к наплавленному металлу, нагревается
значительно выше критической точки А3 и происходит рост
зерна аустенита (перегрев). При последующем охлаждении образуется крупнозернистая феррито-перлитная структура видманштеттового строения (участок перегрева «А»).
Следующий участок основного металла нагревается до температур, незначительно превышающих точку Аз, и формируется
мелкозернистый аустенит. В результате охлаждения образуется
мелкозернистая феррито-перлитная структура (участок нормализации "Б"). Еще более удаленный от наплавленного металла
участок основного металла нагревается при сварке в интервал
температур А3 – А1. Перлит при нагреве превращается в мелкозернистый аустенит, и часть феррита растворяется в аустените.
При охлаждении из образовавшегося аустенита частично выделяется мелкозернистый феррит, при 727 °С, оставшийся аустенит превращается в перлит. В микроструктуре присутствуют
крупные зерен феррита, а также участки из мелких зерен феррита и перлита (участок неполной перекристаллизации «В»).
Структура основного металла состоит из зерен феррита и небольших участков перлита.
Таблица 13.1. Микроструктура зон и участков сварного соединения.
№
зоны
1
2
3
Т, 0С
Зона и участок
Микроструктура
Выше Тпл
Зона наплавленного
металла
Видманштеттовая крупнозернистая феррит + перлит
tА3 + (100…150) и
более
Зона термического
влияния:
участок перегрева «А»
Крупные зерна феррита и
перлита видманштеттового
строения
tА3 … (tА3 +100)
участок нормализации
«Б»
Мелкозернистая
феррит + перлит
tА1 … tА3
участок неполной перекристаллизации «В»
ниже А1
Зона основного металла
Крупнозернистый феррит и
мелкозернистый феррит +
перлит
феррит + перлит
119
Описание микроструктуры сварного соединения приведено в
табл. 13.1, а схемы структур даны на рис. 13.2.
Зона термического влияния
Рис. 13.2 Схемы микроструктур сварного соединения
Хорошо выполненный сварной шов имеет постепенный переход от наплавленного к основному металлу и ясно выраженных участков перегрева, нормализации и неполной перекристаллизации не наблюдается.
2. МАТЕРИАЛЬНО –ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ
Образцы сварных соединений малоуглеродистых сталей, металлографические микроскопы.
3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Изучение микроструктуры сварного соединения провести
путём просмотра с помощью металлографического микроскопа
готовых микрошлифов. Структуру рассматривать по зонам, перемещая шлиф по направлению от наплавленного к основному
металлу примерно перпендикулярно линии сплавления.
120
4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Итоги проведенной работы оформить в отчете, который должен содержать следующие разделы:
1) Цель работы.
2) Оборудование, приборы и материалы, использованные при
выполнении работы.
3) Теоретические положения. Характеристика зон сварного соединения малоуглеродистой стали, таблица данных о микроструктуре зон и участков сварного соединения.
4) Методика проведения работы и полученные результаты. Последовательность изучения микроструктуры сварного соединения, зарисовки микроструктуры всех зон и участков с представлением данных об особенностях структуры.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1) Какие зоны различают в структуре сварного соединения?
2) Какие участки по микроструктуре различают в зоне термического влияния?
3) Какую микроструктуру имеет участок неполной перекристаллизации?
4) Какую микроструктуру имеет наплавленный металл?
121
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14
МИКРОСТРУКТУРА ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ
Цель работы: изучить классификацию, микроструктуру,
свойства и назаначение типовых цветных сплавов машиностроения.
1.
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
К цветным относится обширная группа металлов следующих классов:
 легкие металлы являются основой сплавов для машиностроения, судостроения, самолетостроения. Это преимущественно алюминий и титан, реже магний;
 легкоплавкие металлы преимущественно используются
для изготовления антифрикционных сплавов: это свинец, олово,
цинк. Такие сплавы часто в виде тонкого слоя наносятся на рабочую поверхность стальной основы подшипников скольжения
машин и механизмов;
 редкоземельные металлы применяются в качестве добавок
к различным сплавам (сталям и др.) с целью улучшения их
свойств;
 благородные металлы (золото, серебро, платина и др.) используются в электротехнике, электронике, радиотехнике;
 урановые металлы получили применение в атомной энергетике;
 тугоплавкие металлы (ниобий, тантал, молибден, вольфрам) применяются для изготовления изделий, работающих при
особо высоких температурах до 1500...2000 °С.
Из цветных металлов наибольшее использование имеет
алюминий, содержание которого в земной коре равно 8,8 %.
Алюминиевые сплавы применяют для кузовов, рам, элементов
дверей, радиаторов, колес автомобилей, блоков цилиндров, головок блоков, поршней двигателей внутреннего сгорания и других деталей машин.
Алюминиевые сплавы остаются одним из основных конструкционных материалов в производстве летательных аппаратов. Из них изготовляют элементы конструкций самолетов, вос122
принимающие действие механических сил: шпангоуты, лонжероны, нервюры и др. Сплавы в виде листов применяют для обшивки корпусов ракет и самолетов, изготовления топливных и
масляных баков (сплав алюминий-магний, дуралюмин, алюминий - литиевые сплавы и др.). Поковки и штамповки получают
из ковочных сплавов марок 1360 (АК6) и 1380 (АК8). В серийном производстве освоены новые алюминиевые сплавы, имеющие в два раза меньшее содержание вредных примесей и повышенное сопротивление к образованию трещин. Из этих сплавов
промышленность производит листы длиной до 9 метров и плиты длиной до 25 метров.
Расширяется применение титановых сплавов преимущественно в судостроении и авиационной технике. Сплавы обычно
получают способом вакуумно-дуговой плавки с расходуемым
электродом. Выплавляемые титановые слитки имеют диаметр
500...800 мм, массу 5...8 тонн и далее подвергаются обработке
давлением: ковке на молотах, прокатке на станах и др. Основными видами деформируемых титановых полуфабрикатов являются поковки, штамповки, прутки, профили, трубы.
Таблица 14.1. Перечень основных разновидностей промышленных цветных материалов но государственным стандартам
№ ГОСТа
Наименование стандарта
493-79
Бронзы безоловянные литейные. Марки
613-79
Бронзы оловянные литейные. Марки
1320-74
Баббиты оловянные и свинцовые. Технические условия
1583-89Е Сплавы алюминиевые литейные. Марки
2856-79 Сплавы магниевые литейные. Марки
4784-74
Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки
5017-74
Бронзы оловянные, обрабатываемые давлением. Марки
14957-76 Сплавы магниевые деформируемые. Марки
15527-70 Сплавы медноцинковые (латуни), обрабатываемые давлением.
Марки
17711-80 Сплавы медно-цинковые (латуни) литейные. Марки
18175-78 Бронзы безоловянные, обрабатываемые давлением. Марки
19807-91 Титан и сплавы титановые деформируемые. Марки
28873-90 Сплавы на основе тяжелых цветных металлов, обрабатываемые
давлением. Унифицированные марки.
123
На основе алюминия, меди, магния, титана и некоторых других цветных металлов разработаны сплавы, перечень основных
видов которых по государственным стандартам приведен в табл.
14.1.
Описание микроструктур цветных сплавов лабораторной
коллекции шлифов дано в табл. 14.2, а схемы микроструктур
приведены на рис. 14.1. Применяемые в современной технике
цветные материалы на основе алюминия, меди, титана и других
металлов подразделяются на деформируемые и литейные. Из
деформируемых сплавов получают различными способами горячей и холодной обработки давлением кованые и штампованные
заготовки, прутки, листы и прочие полуфабрикаты. Основу их
структуры составляют твердые растворы.
ГОСТ
19807-91
4784-74
15527-70
44
Титановый
сплав
Ti-основа;
5,5…7Al;
2…3Мо;1;
2…5Cr;
0,15…0,4 Si;
0,2…0,7 Fe.
45
Силумин
Al-основа;
10…13 Si
Л68
Cu – основа 3033 Zn
1583-89
43
Медноцинковый
сплав
(латунь)
Al-основа;
3,8…4,8Cu;
1,2…1,8Mg;
0,3…0,9Mn.
ВТ3-1
Дуралюмин
Химический
состав, %
АК12
42
Марка
Название
1160
№ шлифа
Таблица 14.2. Перечень лабораторной коллекции микрошлифов цветных
сплавов
124
Обработка
сплава
Структурные
составляющие
Отжиг
-раствор и
частицы интерметаллидов
Холодная
деформацияи
отжиг
Зерна раствора с
двойниковыми кристаллами (светлые
и темные)
Отжиг
-раствор
(светлый) и раствор (темный)
Литьё без
модифицирования
Эвтектика
(+Si) и крупные кристаллы
Si.
ГОСТ
1583-89Е
2856-79
Mg – основа
7,5…9 Al;
0,2…0,8 Zn;
0,15…0,5 Mn.
Магниевый
сплав
Бронза
оловянная
48
49
Баббит
Обработка
сплава
Структурные
составляющие
Литьё с
модифицированием
Дисперсная
эвтектика
(+Si) и раствора
(светлый)
Литьё и
закалка
Перенасыщенный -раствор
и Mg4Al3
Cu – основа
9…11 Sn;
0,8…1,2 Р
Литьё
Дендриты раствора (темные), эвтектоид (светлый) и
Cu3Р
Литьё
-раствор,
светлые крупные кристаллы
 и мелкие
Cu3Sn
1320-74
47
Б83
Силумин
Химический
состав, %
-
Марка
АК12
Al-основа;
10…13 Si
46
МЛ5
Название
БрО10Ф1
№ шлифа
Окончание табл. 14.2
Sn – основа;
10…12 Sb;
5,5…6,5 Cu
Рис. 14.1. Схемы микроструктур цветных сплавов.
125
Детали из литейных сплавов не обрабатываются давлением и
ставятся в конструкцию машин в литом состоянии в виде фасонных отливок. Для изготовления из них отливок они должны
обладать хорошими литейными технологическими свойствами:
высокой способность жидких сплавов к заполнению полостей
литейной формы (жидкотекучестью), малой усадкой, небольшой склонностью к образованию трещин и др.
Широкое использование получили материалы алюминий –
медь – магний, дополнительно легированные марганцем (дуралюмины). В отожженном состоянии при содержании 3,8…4,8 %
меди микроструктура дуралюминов состоит из  - твердого раствора меди в алюминии и вторичных дисперсных включений
интерметаллических соединений CuAl2 , Al2CuMg (S-фазы).
Наиболее распространенными деформируемыми медными
сплавами являются медно-цинковые сплавы (латуни). Двухкомпонентные сплавы медь-цинк при содержании до 39 % цинка имеют микроструктуру из одного -твердого раствора цинка
в меди (латунь Л68). Микроструктура образца, подвергнутого
холодной деформации и рекристаллизационному отжигу, состоит из равновесных зерен твердого раствора , имеющих вследствие анизотропии (зависимости свойств от направления) различный цвет от светлого до разных оттенков темного. Эти латуни применяются для получения ленты, трубок.
У латуней с содержанием 39…46 % цинка микроструктура
состоит из зерен  - твердого раствора и фазы ' (упорядоченный твердый раствор на основе соединения CuZn). Такие двухфазные латуни имеют повышенную прочность при пониженной
пластичности и изготовляются в виде прутков и других полуфабрикатов.
Большинство деформируемых промышленных титановых
сплавов получают после отжига микроструктуры из  - раствора
или + - растворов на основе титана. Твердый раствор  на
основе Ti имеет гексагональную кристаллическую решетку, раствор на основе Ti - решетку объемно-центрированного куба. Титановые сплавы характеризуются высокой удельной
прочностью, хорошей сопротивляемостью коррозии.
126
Широкое применение имеют литейные сплавы алюминийкремний (силумины). У заэвтектического сплава микроструктура состоит из эвтектики и первичных более крупных кристаллов
кремния, например, у силумина АК12. Эвтектика представляет
собой смесь  - твердого раствора кремния в алюминии и грубых игольчатых кристаллов кремния, играющих роль внутренних надрезов (концентраторов напряжения). При модифицировании жидкого силумина натрием в количестве 0,05…0,08 %
эвтектика измельчается и состоит из  раствора и мелких зерен
кремния. Микроструктура модифицированного доэвтектического силумина имеет первичные светлые дендриты твёрдого раствора  и мелкозернистую эвтектику. Измельчение эвтектики и
отсутствие в микроструктуре грубых кристаллов первичного
хрупкого кремния позволяет несколько повысить прочность и
пластичность силумина. Силумины применяют для изготовления фасонных отливок сложной формы.
Из литейных сплавов меди используются наиболее широко
бронзы. Литая оловянная бронза с содержанием олова до 5…6
% имеет структуру  - твердого раствора олова в меди с развитой дендритной ликвацией. Микроструктура литой бронзы, содержащей более 6 % олова, состоит из дендритов твердого раствора  и извилистых светлых включений хрупкого эвтектоида
(дисперсной смеси двух фаз:  - раствора и Cu31Sn8 (-фазы)).
Оловянная бронза, раскисленная фосфором, дополнительно
имеет в микроструктуре небольшие включения химического
соединения Cu3Р светло-голубого цвета, например, бронза марки БрО10Ф1. Оловянные бронзы применяются для изготовления
сложных по форме отливок, подшипников скольжения, арматуры.
Из магниевых литейных сплавов наиболее широко используются сплавы магний – алюминий – цинк, например, марки
МЛ5. В литом состоянии микроструктура сплава МЛ5 состоит
из  -твердого раствора алюминия и цинка в магнии и включений хрупкого химического соединения Mg4A13. Применение
длительного нагрева отливок при 400 °С приводит к растворению части включений химического соединения в твердом растворе, что позволяет повысить пластические свойства. Охла127
ждение в воде дает перенасыщенный  -раствор с частицами
Mg4A13 (закалка). Магниевые сплавы характеризуются небольшой плотностью (1,7 г/см3).
Для заливки вкладышей подшипников скольжения широкое
применение получили сплавы олово – сурьма – медь, например,
оловянный баббит Б83. Микроструктура баббита состоит из
мягкого  -твердого раствора сурьмы в олове и крупных светлых кристаллов упорядоченной -фазы на основе химического
соединения SnSb с высокой твердостью. Введение небольшого
количества меди обеспечивает кристаллизацию в жидком растворе олова с сурьмой разветвленных дендритов ранее затвердевающего химического соединения Cu31Sn8, которые препятствуют ликвации в сплаве по плотности ("всплыванию") кристаллов - фазы.
Наличие в микроструктуре баббита мягкой, пластичной основы из раствора  и включений кристаллов химических соединений с высокой твердостью обеспечивает сочетание прирабатываемости подшипника к валу с износостойкостью и небольшой коэффициент трения между валом и подшипником при
наличии жидкостного трения.
2. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ
В работе используются металлографические микроскопы и
коллекции микрошлифов. Описание микроскопов дано в лабораторной работе № 4.
3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ И ОБРАБОТКА
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Практическая часть работы заключается в изучении микроструктуры типовых цветных сплавов машиностроения: алюминиевых, медных, титановых, магниевых, баббита. Микроанализ
проводится, как правило, при увеличении микроскопа  100.
Студентам предоставляется лабораторная коллекция микрошлифов, подготовленных для анализа.
При изучении микроструктуры с помощью описания в табл.
14.2 и схем микроструктур (рис. 14.1) устанавливают, какие
128
структурные составляющие имеет каждый образец, наименование и марку сплава, химический состав и обработку.
4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Итоги проведенной работы оформляют в отчете, который
должен содержать следующие разделы:
1) Цель работы.
2) Оборудование, приборы и материалы, использованные при
выполнении работы.
3) Теоретические положения: перечень классов цветных металлов; краткие сведения о типовых литейных и деформируемых
цветных сплавах машиностроения.
4) Методика проведения работы и полученные результаты. Зарисовка схем микроструктур всех цветных сплавов коллекции
шлифов; наименование сплава, марка, химический состав, обработка, структурные составляющие.
В конце занятия преподаватель путем устного опроса проверяет усвоение знаний студентами по вопросам для самопроверки. Оформленные отчеты проверяются и подписываются преподавателем.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1) Как классифицируются цветные металлы?
2) Где применяются редкоземельные, благородные, урановые, тугоплавкие, легкие, легкоплавкие металлы?
3) Какие типичные цветные металлы используются в качестве основы
для создания конструкционных материалов машиностроения?
4) Какие цветные металлы применяются в качестве основы для
антифрикционных сплавов подшипников скольжения?
5) Какое применение находит алюминий и его сплавы в машиностроении?
6) Какие требования предъявляются к микроструктуре деформируемых и литейных цветных сплавов?
7) Какую микроструктуру должны иметь антифрикционные сплавы?
8) Что представляет собой твердый раствор  в дуралюминах?
129
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 15
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Цель работы - изучить влияние закалки и режимов старения
на свойства алюминиевых сплавов.
1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Из цветных сплавов конструкционного назначения широко
используются алюминиевые сплавы. У них отсутствует мартенситное превращение, как в сплавах железо-углерод, поэтому
типовая упрочняющая термическая обработка стальных деталей, заключающаяся в проведении закалки с получением мартенситной структуры и последующего отпуска, для алюминиевых сплавов неприменима. Такие сплавы обычно характеризуются ограниченной переменной растворимостью легирующих
элементов в алюминии в твердом состоянии. Для них разработан особый вид двухэтапной упрочняющей термической обработки
1) Закалка с получением перенасыщенного, термодинамически
неустойчивого твердого раствора легирующих элементов в
алюминии.
2) Старение путем повторного нагрева закаленного сплава до
невысоких температур (в некоторых сплавах проводится без
нагрева путем выдержки в течение нескольких суток при комнатных температурах).
При проведении старения в результате диффузии атомов легирующих элементов в зависимости от температуры нагрева
происходит образование в твердом растворе особых малых микрообъемов, называемых зонами, обогащенных атомами легирующих элементов до 50 % и более, или мелкодисперсных частиц
метастабильных промежуточных химических соединений. Такие структурные изменения создают повышенные препятствия
движению дислокаций, что и упрочняет сплав.
130
Применительно к алюминиевым сплавам закалка и старение
используются как для деформируемых (дуралюмины марок
1110, 1380), так и для литейных сплавов (АК7ч, АК9ч и др.).
Данные о химическом составе, обработке и механических свойствах некоторых сплавов алюминия приведены в табл. 15.1 и
15.2.
Таблица 15.1. Химический состав некоторых алюминиевых сплавов
Марка сплава
Химический состав, мас. %
цифровая
буквенная
медь
магний
марганец кремний
1160
1360
Д16
АК6
3,8…4,5
1,8…2,6
1,2... 1,8
0,4.. .0,8
0,З…0,9
0,4…0,8
0,5
0,7…1,2
железо
0,5
0,6
-
АК7ч
-
0,2…0,4
-
6,0...8,0
0,3... 1,0
Таблица 15.2. Механические свойства полуфабрикатов из алюминиевых
сплавов
Полуфабрикат и обработка
Механические свойства
Марка сплава
цифровая
буквенв,
0,2,
,
ная
МПа
МПа
%
1160
Д16
Отжиг
220
110
18
Закалка
300
23
Закалка и старение:
прутки прессованные,
540
400
11
листы
440
330
18
Закалка и старение:
1360
АК6
Штамповка: вдоль детали
400
290
12
поперек детали
370
280
10
АК7ч
Закалка
200
6
Закалка и старение: от240
210
2
ливки
Процессы закалки и старения подробно изучены для сплавов
алюминий-медь, которые можно рассматривать как основу дуралюминов (рис. 15.1).
Содержание меди в таких сплавах выбирают в интервале переменной растворимости меди в алюминии. Закалку проводят
из однофазной области, например, сплав, содержащий 4 % меди
(рис.15), нагревают под эакалку выше температуры t1, но ниже
t2. В процессе нагрева и выдержки должно происходить полное
131
растворение относительно крупных частиц химического соединения CuAl2 в твердом растворе  меди в алюминии.
Рис. 15.1 Диаграмма состояния алюминий-медь (левая часть)
После выдержки при закалочной температуре и получения 
– твердого раствора ведется охлаждение со скоростью больше
критической скорости закалки (Vохл > Vкрит).
В результате полной закалки высокотемпературное состояние твердого раствора  с содержанием 4 % меди сохраняется
до комнатной температуры, при. которой сплав получает структуру  – твердого раствора меди в алюминии, перенасыщенного
медью по сравнению с равновесным состоянием, когда растворимость меди составляет 0,5 %. Получаемое в результате закалки состояние раствора  (4 % Сu > 0,5 % Сu) является термодинамически неустойчивым.
При повторном нагреве закаленного сплава не выше t1 (при
старении) происходит распад перенасыщенного твердого раствора и изменение структуры. Процесс распада развивается в
несколько стадий в зависимости от температуры и времени старения. В случае пониженных температур старения (в том числе
и комнатных) за счет диффузии атомов меди в твердом растворе
образуются тонкопластинчатые дискообразные зоны с повы132
шенной концентрацией меди. Эти зоны имеют кристаллическую
решетку гранецентрированного куба, как и твердый раствор .
Между зонами и окружающим их твердым раствором нет границ раздела (когерентные «границы»). Такие высоколегированные по составу зоны в твердом растворе получили название зон
Гинье - Престона (сокращенно: зоны ГП).
При повышенных температурах старения образуются мелкодисперсные частицы метастабильных промежуточных фаз " и
', по составу соответствующих химическому соединению
СuА12 (-фазе). Кристаллические решетки фаз " и ' тетрагональные, а границы с твердым раствором  у фазы " полностью когерентные, а у фазы ' частично когерентные.
Следовательно, в случае двухкомпонентных сплавов алюминий-медь происходят следующие стадии распада закаленного
перенасыщенного твердого раствора :
𝜶 → зоны ГП → 𝜽′′ → 𝜽′ → 𝜽 (𝑪𝒖𝑨𝒍𝟐 )
Величина достигаемого при термической обработке упрочнения материала зависит преимущественно от структурных
факторов: типа выделяющихся фаз, размера, формы и др. Большое влияние на повышение твердости и прочности материала
оказывает температурный фактор, обеспечивающий соответствующие изменения структуры выделяющихся фаз.
2. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ
В работе используются лабораторные муфельные электрические печи, автоматические потенциометры для регулирования
температуры в печи, бачок с водой для охлаждения при закалке,
твердомер, щипцы для загрузки образцов в печь и выгрузки,
образцы алюминиевого сплава. Описание оборудования и приборов дано в лабораторной работе № 3.
Твердость алюминиевых сплавов измеряется методом Роквелла путем вдавливания закаленного стального шарика диаметром 1,588 мм под нагрузкой 589 Н (60 кгс) в поверхность
образца. Получаемое число твердости обозначается HRF.
133
3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ
И ОБРАБОТКАЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
В работе несколько студентов выполняют одно из практических заданий по термической обработке алюминиевого сплава.
На небольших образцах сплава в лабораторных условиях имитируется реальная термическая обработка изделий. Практические задания даны ниже.
Задание 1 . Изучение влияния температуры старения на
твердость дуралюмина. Четыре образца дуралюмина одной
марки подвергнуть закалке от температуры нагрева 500...510 °С
(время нагрева и выдержки 30...40 мин) в воде. Измерить твердость до закалки и после закалки у каждого образца.
Провести старение закаленных образцов при температуре:
первого – 100 °С, второго – 180 °С, третьего – 250 °С, четвертого – 350 °С. Время нагрева и выдержки 30 мин. Измерить твердость после старения.
По полученным данным построить график зависимости
твердости от температуры старения. Сделать вывод о влиянии
закалки и температуры старения закаленного дуралюмина на
его твердость. Указать, при какой температуре старения досгигается максимальная твердость дуралюмина.
Задание 2. Изучение влияния времени старения при температуре 180 0С на твердость дуралюмина. Три образца дуралюмина одной марки подвергнуть закалке от температуры нагрева
500–510 °С (время нагрева и выдержки 30...40 мин) в воде. Измерить твердость до и после закалки у каждого образца.
Провести старение закаленных образцов при температуре
180 °С и времени нагрева и выдержки: первого – 10 мин, второго – 20 мин, третьего – 40 мин. Измерить твердость после старения.
По полученным данным построить график зависимости
твердости от времени старения. Сделать вывод о влиянии времени старения при температуре 180°С закаленного дуралюмина
на его твердость.
Задание 3. Изучение влияния времени старения при температуре 250 °С на твердость дуралюмина. Проводится закалка
134
пяти образцов, как указано в задании 2. Провести старение закаленных образцов при температуре 250 °С и времени нагрева и
выдержки: первого – 2 мин, второго – 5 мин, третьего – 10 мин,
четвертого – 20 мин, пятого – 40 мин.
По полученным данным построить график зависимости
твердости от времени старения при температуре 250 °С закаленного дуралюмина. Сделать вывод о влиянии времени старения при 250 °С на твердость дуралюмина.
Как правило, образцы для проведения закалки заранее лаборантом загружаются в печь и проводится нагрев и выдержка в
течение 30...40 мин. После прихода студентов в лабораторию
выполняется последний этап проведения закалки: охлаждение
образцов в воде.
После охлаждения измеряется твердость закаленного дуралюмина одного из образцов на приборе Роквелла по шкале HRF.
Твердость образцов до закалки измеряется заранее и сообщается студентам лаборантом.
Закаленные образцы далее подвергаются старению в соответствии с заданными температурно-временными режимами. С
помощью щипцов образец загружается в печь, имеющую требуемую по режиму температуру. После завершения указанного в
задании времени нагрева, и выдержки образцы щипцами выгружаются из печи, помещаются на керамическую подставку
или кирпич и охлаждаются на воздухе до комнатной температуры.
У охлажденных образцов лаборант измеряет твердость на
приборе Роквелла по шкале HRF. Все данные о твердости по
заданию записывают в таблицу. Форма таблицы для записи результатов термической обработки дана ниже.
Влияние термической обработки на твердость алюминиевого сплава
Режим
Твердость HRF
Марка алюминиевого сплатермообработки
ва. Вид термообработки
t,
t,
среда охла(ТО)
до ТО
после ТО
0
С мин
ждения
Дуралюмин 1160:
Закалка
Старение
135
После завершения экспериментальной части работы студенты по полученным данным под руководством преподавателя
приступают к построению графиков следующих зависимостей:
 зависимость твердости HRF сплава от температуры старения (время нагрева и выдержки 30 мин);
 зависимость твердости HRF сплава от времени старения
(две кривые при температурах 180 °С и 250 °С).
Для построения графиков каждый студент отмечает на доске
и у себя в отчете в соответствующих координатах экспериментальные точки в виде крестиков, небольших кружочков и т. д,
строят графики. Далее студенты по своим заданиям формулируют выводы, которые записываются в отчет. Выводы в отчете
приводятся каждым студентом по всем заданиям.
4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Итоги проведенной работы оформляют в отчете, который
должен содержать следующие разделы:
1) Цель работы.
2) Оборудование, приборы и материалы, использованные при
выполнении работы.
3) Теоретические положения: понятия о закалке и старении
сплавов.
Зарисовки диаграммы состояния алюминий-медь. Описание
структурных изменений при старении закаленных сплавов
алюминий-медь,
4) Методика проведения работы и полученные результаты. Задание
по
термической обработке, марка алюминиевого сплава, таблица результатов термической обработки по всему заданию.
Два графика зависимости твердости от изучаемых факторов по
всем заданиям.
5) Выводы по работе.
В конце занятия преподаватель путем устного опроса студентов проверяет усвоение знаний по вопросам для самопроверки. Оформленные отчеты проверяются и подписываются
преподавателем.
136
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1) Какая упрочняющая термическая обработка применяется для алюминиевых сплавов?
2) Какие структурные изменения происходят в процессе закалки
алюминиевых сплавов?
3) Какие стадии распада пересыщенного твердого происходят при
разных температурах старения в сплавах алюминий-медь?
4) Что представляют собой зоны Гинье - Престона (зоны ГП)?
5) Как изменяется твердость дуралюмина в зависимости от температуры старения?
6) Какое влияние оказывает время старения на твердость дуралюмина?
137
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 16
МИКРОСТРУКТУРА ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ
МАТЕРИАЛОВ ОЛОВО – СУРЬМА И СВИНЕЦ-СУРЬМА
Цель работы: изучить особенности микроструктуры двухкомпонентных легкоплавких материалов на основе олова и
свинца.
1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Материалы на основе олова и свинца с добавками сурьмы и
небольшого количества меди, называемые баббитами, получили
широкое применение в качестве антифрикционных сплавов для
подшипников скольжения различных машин (автомобильных и
судовых двигателей, турбонасосов, турбокомпрессоров и др.).
Такие подшипники обычно изготовляют в виде стальных вкладышей, на рабочую поверхность которых наносят способами
литейного производства тонкий слой баббита. Характеристики
некоторых легкоплавких антифрикционных сплавов приведены
в табл. 16.1.
Таблица 16.1. Характеристики баббитов
Химический состав, %
Sn
Pb
Sb
Cu
-
10…12
5,5…6,5
380
-
основа
16…18
1,0…1,5
410
40
0,5
0,007
15…17
основа
15…17
1,5…2,0
410
8
0,5
0,006
Б16
БС
Б83
Марка
баббита
основа
Свойства
Коэффици,
ент трения
%
(со смазкой)
90
9
0,005
tпл,
0
С
в,
МПа
В настоящей работе рассмотрены особенности микроструктуры материалов олово-сурьма и свинец-сурьма, составляющих
основы соответственно оловянистых и свинцовых баббитов.
Диаграммы состояния Sn-Sb и Pb-Sb даны на рис. 16.1.
138
Рис. 16.1 Диаграммы фазового равновесия олово-сурьма (а) и свинец-сурьма (б)
Эти диаграммы состояния относятся к случаю полной растворимости компонентов в жидком состоянии и ограниченной
растворимости компонентов в твердом состоянии. В сплавах SnSb имеется два перетектических фазовых превращения: ж +  
 и ж +   . У сплавов Pb-Sb происходит одно эвтектическое фазовое превращение ж   +  (эвтектика).
Материалы Sn-Sb при высоких температурах имеют фазу 
на основе интерметаллида SnSb с неупорядоченным расположением ионов Sn и Sb в кристаллической решетке. При пониженных температурах ниже 320 0С формируется упорядоченный
твердый раствор , в котором ионы Sn и Sb занимают определенные положения в кристаллической решетке интерметаллида
SnSb.
Некоторые особенности микроструктуры наблюдаются в
сплавах олово-сурьма, испытывающих перитектические превращения. Так, в случае превращения ж +    зерна твердого
раствора  образуются на границах реагирующих жидкого раствора и ранее сформировавшихся кристаллов  - фазы (рис.
16.2). В результате поверхность кристаллов  получает «зубчатый» рельеф.
139
Рис. 16.2. Схемы структур, формирующихся в результате перитектического превращения ж +    сплава Sn (а) и кристаллизации ж   сплава Sb (б).
В сплавах Pb-Sb кристаллизация - фазы непосредственно из
жидкого раствора ж   приводит к получению кристаллов  с
«гладкой» поверхностью.
2. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ
В работе используются металлографические микроскопы и
коллекции микрошлифов материалов олово-сурьма и свинецсурьма.
3.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛЕННИЯ И ОБРАБОТКА
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Таблица 16.2. Составы и структуры двухкомпонентных сплавов
Sn-Sb и Pb-Sb из лабораторной коллекции
№№
Химический соФазы
Микроструктура
п/п
став, %
сплавов
Sn
Pb
Sb
1
70
30
 + 
 + 
2
35
65
+
+ (неоднородное строение  - фазы)
3
95
5
+
 + эвтектика (доэвтектический сплав)
4
87
13
эвтектика (эвтектический сплав)
+
5
75
25
+
 + эвтектика (заэвтектический сплав)
140
Практическая часть работы заключается в изучении микроструктуры сплавов олово-сурьма и свинец-сурьма с различным
содержанием сурьмы при увеличении микроскопа 100, а в отдельных случаях до 600. Студентам предоставляются лабораторные коллекции микрошлифов, подготовленные для исследований (табл. 16.2). Схемы микроструктур приведены на рис.
14.3.
Рис. 16.3. Схемы микроструктур сплавов Sn-Sb (а) и Pb - Sb (б)
4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Итоги проведенной работы оформляют в отчете, который
должен содержать следующие разделы:
1) Цель работы.
2) Оборудование, приборы и материалы, использованные в работе.
3) Теоретические положения: зарисовки и характеристики диаграмм состояния олово-сурьма и свинец-сурьма.
4) Методика проведения работы и полученные результаты: таблица составов и структур двухкомпонентных сплавов, схемы
микроструктур и их особенности.
141
В конце занятия преподаватель путем устного опроса проверяет усвоение знаний студентами по вопросам для самопроверки.
Оформленные отчеты проверяются и подписываются преподавателем.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
В чем заключается перитектическое превращение?
Что представляет собой эвтектическое превращение?
Дать характеристику диаграмм фазового равновесия Sn-Sb и Pb- Sb.
Какую микроструктуру имеет сплав состава 80 % Sn, 20 % Sb?
Какую микроструктуру имеют доэвтектические сплавы Pb- Sb?
Какую микроструктуру имеет эвтектический сплав Pb- Sb?
Какую микроструктуру имеют заэвтектические сплавы Pb- Sb?
142
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 17
МИКРОСТРУКТУРА ТРЕХКОМПОНЕНТНЫХ
МАТЕРИАЛОВ СВИНЕЦ – ОЛОВО – ВИСМУТ
Цель работы - изучить микроструктуры трехкомпонентных
сплавов свинец – олово – висмут различного химического состава в связи с диаграммой состояния и фазовыми превращениями..
1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Пространственные диаграммы состояния из трех компонентов представляются в виде трехгранных призм, основанием которых служат равносторонний (концентрационный) треугольник. Температуру откладывают на вертикалях к основанию
призмы. Согласно одной из геометрических теорем для равностороннего треугольника сумма перпендикуляров, опущенных
из точки внутри треугольника на стороны, равна его высоте Н.
Если принять Н за массу всего сплава (Н = 100 %), то длины
трех перпендикуляров можно рассматривать как содержание
отдельных компонентов. При этом точки внутри треугольника
характеризуют трехкомпонентные сплавы разной концентрации,
на сторонах – двухкомпонентные сплавы, в вершинах треугольника – чистые компоненты.
Рис. 17.1. Концентрационный треугольник
143
Для удобства определения в качестве численных значений
количества компонентов принимают пропорциональные высотам отрезки на сторонах треугольника. Например, принимая отсчет концентраций на сторонах треугольника по часовой стрелке, при определении содержания компонентов А, В, С сплава
точки 1 проводят линии, параллельные соответствующим сторонам треугольника (рис. 17.1): Компоненты: А, %; линии // ВС;
В, %; линии // СА; С, % линии // АВ.
Пространственная диаграмма состояния для случая полной
нерастворимости компонентов в твердом состоянии имеет следующие разновидности поверхностей:
 три поверхности ликвидуса: ае’1Е’е’3а; ве’2Е’е’2в; се’2Е’е’3с;
(рис. 15.2);
 горизонтальную плоскую треугольную поверхность солидуса, проходящую через точку Е: а1в1с1 (рис. 17.2);
Рис. 17.2. Трехкомпонентная
диаграмма состояния для случая полной нерастворимости
компонентов в твердом состоянии
144
Рис. 17.3. Одна из линейчатых
поверхностей начала кристаллизации двойной эвтектики е1(А+В)
 три совокупности линейчатых поверхностей начала кристаллизации трех двойных эвтектик (например, для эвтектики е1
(А+В) – это совокупность поверхностей а1а2е’1Е’а1 и в1в2е’1Е’в1
(рис. 17.3).
Структурными составляющими сплавов разного состава являются:
 кристаллы компонентов А, В, С;
 двойные эвтектики, являющиеся смесями мелких кристаллов двух компонентов: е1(А + В); е2(В + С); е3(А + С);
 тройная эвтектика, то есть смесь из более мелких кристаллов всех трех компонентов: Е(А + В + С).
2. МАТЕРИАЛЬНО -ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ
Изучение микроструктур сплавов проводится с использованием металлографических микроскопов. Студентам предоставляются подготовленные для микроисследования образцы нескольких сплавов различного химического состава.
3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ И ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Задание. Изучить микрострутуру типовых сплавов свинец –
олово – висмут по готовым микрошлифам.
Практическая часть работы заключается в изучении микроструктур характерных разновидностей сплавов свинец – олово –
висмут. Если не учитывать некоторую небольшую взаимную
растворимость компонентов в твердом состоянии, диаграмму
состояния свинец – олово – висмут можно рассматривать как
разновидность диаграммы состояния для случая нерастворимости в твердом состоянии. На рис. 17.2 даны проекции линий
е1’Е’, е2’Е’, е3’Е’, и а1Е’, в1Е’, с1Е’ на концентрационный треугольник АВС. Точки расположения четырех изучаемых сплавов Pb – Sn – Bi показаны на рис. 15.4. Описание микроструктуры дано в табл. 15.1, схемы структур приведены на рис. 17.5.
145
Рис. 17.4. Расположение изучаемых сплавов (точки №№ 1,2,3,4)
на концентрационном треугольнике Pb – Sn – Bi
Рис. 17.5. Схемы микроструктур сплавов свинец– олово – висмут
Студенты просматривают микрошлифы с помощью металлографического микроскопа, устанавливают, какие структурные
составляющие имеет каждый сплав.
Таблица 17.1. Микроструктура сплавов Pb – Sn – Bi
№№
Структурные составляющие
п/п Кристаллы компонента Двойная эвтектика Тройная эвтектика
1
Bi
Е(Pb + Sn + Bi)
2
Bi
е1(Bi + Sn)
Е(Pb + Sn + Bi)
3
е1(Bi + Sn)
Е(Pb + Sn + Bi)
4
Е(Pb + Sn + Bi)
146
4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Итоги проведенной работы оформляют в отчете, который
должен содержать следующие разделы:
1) Цель работы.
2) Оборудование, приборы и материалы, использованные при
выполнении работы.
3) Теоретические положения: описание метода изображения
химического состава трехкомпонентных сплавов; рисунок пространственной диаграммы состояния.
4) Методика проведения работы и полученные результаты. Методика выполнения, зарисовка и описание микроструктур всех
четырех сплавов, рисунок проекций характерных линий пространственной диаграммы состояния свинец-олово-висмут на
концентрационный треугольник в масштабе с указанием точек
расположения сплавов.
В конце занятия преподаватель путем устного опроса проверяет усвоение знаний студентами по вопросам для самопроверки. Оформленные отчеты проверяются и подписываются преподавателем.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1) Какой метод применяется для изображения составов трехкомпонентных сплавов?
2) Как определить химический состав сплава, заданного точкой на
концентрационном треугольнике?
3) Какие поверхности имеет диаграмма состояния для случая полной
нерастворимости компонентов с образованием тройной эвтектики?
4) Какие фазовые превращения происходят при охлаждении сплавов,
изученных в работе?
147
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 18
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ И
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
ПОРОШКОВ
Цель работы - изучение устройств и методов определения
насыпной плотности, текучести, уплотняемости, гранулометрического состава и формы частиц металлических порошков.
1.
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Определение насыпной плотности
Насыпная плотность порошка (нас.)– это масса единицы
его объема при свободной засыпке.
Эта характеристика зависит от плотности материала порошка, размеров и формы его частиц, состояния их поверхности.
Насыпная плотность существенно влияет на технологию получения изделий из порошка, поэтому она указывается во всех
технических условиях на порошки и метод ее определения стандартизован
(ГОСТ
19940–94).
Определение насыпной плотности сводится к измерению
массы порошка, который в свободно насыпанном состоянии
полностью заполняет цилиндрическую емкость объемом
(25+0,05) см3 и внутренним диаметром (30+1) мм.
Для порошков, свободно протекающих через отверстие диаметром 2,5 мм, а также порошков, которые плохо протекают
через отверстие диаметром 2,5 мм, но свободно протекают через
отверстие диаметром 5 мм, свободно насыпанное состояние получается при заполнении емкости с помощью воронки, расположенной над ней на определенном расстоянии (рис.18.1).
Диаметры выходных отверстий воронок составляют
(2,5+0,2) мм или (5+0,2) мм. Емкость и воронки изготавливают
из немагнитного устойчивого против коррозии материала
(обычно из стали 12Х18Н10Т) со стенками достаточной толщины и твердости, чтобы противостоять деформации и чрезмерному износу. Внутренние поверхности емкости и воронок отшлифованы.
148
а
б
Рис.18.1 Воронка для измерения насыпной плотности (а); схема измерения насыпной плотности (б)
Стойка для крепления воронки фиксирует отверстие воронки
на высоте 25 мм от верхнего края емкости.
Рис.18.2 Волюмометр Скотта
1 – латунное сито;
2 – сторона коробки из стекла;
3 – деталь нижнего
соединения;
4 – нижняя квадратная воронка;
5 – сторона коробки из дерева;
6 – стойка
149
Для порошков, не протекающих свободно через воронку с
диаметром 5 мм, заполнение емкости проводят с помощью волюмометра Скотта, представляющего собой прямоугольный сосуд с внутренними наклонными стеклянными полочками, по
которым под действием силы тяжести ссыпается порошок (рис.
18.2).
Для испытаний отбирают пробу порошка объемом не менее
100 см3. Обычно порошок испытывают в состоянии поставки,
т.е. в воздушно-сухом состоянии. Если порошок не удовлетворяет требованиям воздушно-сухого состояния, его сушат в сушильном шкафу при температуре (110+5) оС до постоянной
массы. Высушенную пробу охлаждают в эксикаторе.
Порядок выполнения работы
1. Исследуемый порошок засыпать в воронку с отверстием
диаметром 2,5 мм.
2. Открыть выходное отверстие воронки и пропустить порошок
через отверстие до полного заполнения емкости и начала пересыпания из нее порошка. Одноразовым движением с помощью
немагнитной линейки выровнять в емкости поверхность порошка, не оказывая на него давления.
3. Если порошок не протекает, необходимо взять воронку с отверстием диаметром 5 мм. Если порошок не протекает и через
эту воронку, для заполнения емкости использовать волюмометр
Скотта.
4. После выравнивания поверхности порошка слегка постучать
по емкости, чтобы порошок осел и не рассыпался при перемещении.
5. Определить массу порошка с точностью до 0,05г.
6. Определение повторить 3 раза.
7. Насыпную плотность рассчитать по формуле:
𝝆нас = 𝒎⁄𝑽
где m – масса порошка в емкости, г;
V – объем емкости (25 см3).
Массу порошка рассчитать по формуле:
𝒎 = 𝒎𝟏 − 𝒎𝟐
150
где m1 – масса емкости с порошком, г;
m2 – масса емкости, г.
Рассчитать среднее арифметическое из трех значений с точностью до 0,01 г/см3
Определение текучести
Текучесть порошка характеризует его способность с определенной скоростью вытекать из отверстий, что чрезвычайно
важно для быстрого и равномерного заполнения пресс-формы.
Согласно ГОСТ 20899-98 текучесть характеризуют временем
истечения 50 г порошка через отверстие калиброванной воронки
стандартизированных размеров.
Калибрование воронки проводят по стандартному образцу,
скорость истечения которого составляет 50 г за 40 с. Калибр воронки выбивается на ее поверхности. Поправочный коэффициент рассчитывают как частное от деления числа 40 на числовое
значение, указанное на воронке.
Для испытаний отбирают пробу порошка массой не менее
200 г. Порошок испытывают в состоянии поставки. В отдельных
случаях порошок может быть просушен (если он не содержит
летучих веществ).
Порядок выполнения работы
1. Подготовить воронку для проведения испытаний. Для этого
рабочую поверхность воронки обезжирить, протерев ватой,
смоченной бензином или другим растворителем. Когда воронка
высохнет, через ее рабочее отверстие протянуть жгутик сухой
ваты. Операцию повторить 2 – 3 раза. При этом необходимо
следить, чтобы в отверстии воронки не остались ваты. Затем
пропустить через воронку предварительно (без регистрации
времени истечения) 50–60 г исследуемого порошка. Равномерное истечение порошка из воронки указывает на готовность ее к
проведению испытаний.
2. Взвесить навеску порошка массой (50+0,1) г.
3. Высыпать испытываемую порцию порошка в воронку, закрыв выходное отверстие.
151
4. Открыть выходное отверстие, одновременно запустив секундомер. Остановить секундомер в момент истечения порошка.
Записать показания с точностью 0,5с.
5. Определение повторить 3 раза.
6. Среднее арифметическое результатов трех определений
умножить на поправочный коэффициент воронки и записать
результат в секундах с точностью до 0,5 с.
Определение уплотняемости металлических порошков
Уплотняемость порошков показывает их способность к
уменьшению занимаемого объема под воздействием давления.
Рис.18.3.
Пресс-форма
для изготовления образцов диаметром 22 мм:
1 – обойма;
2 – матрица;
3 – пуансон нижний
(L = 65 мм) и верхний
(L=110 мм)
Прессуемость порошков можно определять как в состоянии
поставки, так и после добавления смазки (стеарата цинка) в количестве от 0,5 до 1,5 %.
По ГОСТ 25280-90 эта характеристика оценивается по плотности прессовок, изготовленных при давлении прессования 200,
400, 500, 600, 700 и 800 МПа в цилиндрической пресс-форме
(рис .14.3), обеспечивающей получение прессовок диаметром
152
25 мм и отношением высоты к диаметру от 0,8 до 1,0. Допускается применять пресс-форму для получения цилиндрических
прессовок диаметром 11,3 мм.
Порядок выполнения работы
1. Рассчитать массу навески порошка по формуле:
𝑚 = 𝑉 × 𝜌к
где V – объем заготовки;
к – плотность материала порошка, г/см3
Объем заготовки V = 0,79d3,
где d – диаметр отверстия матрицы.
2. Взвесить навеску с точностью 0,1 г.
3. Нанести на поверхности стенок полости матрицы смазку, состоящую из стеарата цинка и ацетона (в соотношении 100 г стеарата цинка на 1л ацетона). Дать возможность растворителю
испариться, оставив на стенках тонкий слой смазки.
Допускается не наносить смазку на поверхность стенок матрицы
при наличии ее в прессуемом порошке.
4. Ввести нижний пуансон в матрицу и установить ее на опорах. Навеску порошка засыпать в полость матрицы, обеспечив
равномерное ее заполнение. Ввести в матрицу верхний пуансон
и расположить пресс-форму вместе с опорами между плитами
пресса.
5. Приложить предварительную нагрузку (20 кН при диаметре
прессовки 25 мм или 4 кН при диаметре прессовки 11,3 мм).
6. Удалить опоры, поддерживающие пресс-форму, и прессовать
с постоянной скоростью возрастания усилия, не превышающей
50 кН/с, при давлениях 200, 400, 500, 600, 700 и 800 МПа. При
каждом давлении получить 3 прессовки.
7. Взвесить прессовки с погрешностью не более 0,01г.
8. Измерить размеры прессовок микрометром типа МК 25-1 с
погрешностью не более 0,01 мм.
9. Рассчитать плотность прессовки по формуле:
𝝆 = 𝒎⁄𝑽
где m – масса прессовки, г;
V – объем прессовки, см3.
153
Результаты вычислений округлить до второго десятичного знака.
10. Рассчитать среднее арифметическое результатов трех измерений при каждом давлении прессования.
11. Результаты представить в виде таблицы. Построить график
зависимости плотности прессовок от давления прессования.
Определение формы частиц порошка
В зависимости от метода получения форма частиц порошка
может быть сферической (распыление), губчатой (восстановление), осколочной (измельчение в шаровой мельнице), дендритной (электролиз), чешуйчатой (распыление расплава с кристаллизацией частиц на охлаждаемых поверхностях).
Форма частиц порошка существенно влияет на его технологические свойства, а также на многие свойства порошковых материалов (плотность, прочность, проницаемость, однородность
свойств).
Форму частиц определяют методами оптической или электроннолучевой микроскопии.
Порядок выполнения работы
Исследовать форму частиц методом оптической микроскопии:
1. Пробу порошка (1–2 г) поместить на предметное стекло микроскопа.
2. Добавить 1–2 капли диспергирующей жидкости (воды, глицерина или скипидара) и осторожно распределить частицы по
поверхности предметного стекла. Излишек жидкости удалить с
помощью фильтровальной бумаги.
3. Изучить с помощью оптического микроскопа при 50–100кратном увеличении форму частиц порошка.
Оценить:
1) фактор неравноосности частиц (отношение максимального и
минимального размеров частицы),
154
2) фактор развитости поверхности (отношение квадрата наблюдаемого периметра частицы к занимаемой ею площади).
Определение гранулометрического состава порошка
Металлические порошки, как правило, представляют собой
полидисперсные системы, состоящие из частиц разного размера.
Важнейшей характеристикой порошка является гранулометрический состав – масса частиц, содержащихся в определенных
фракциях, по отношению к общей массе порошка.
Фракция порошка – это диапазон размеров частиц между их
максимальным и минимальным значениями.
Наиболее часто используемый метод определения гранулометрического состава порошка – ситовый анализ, проводимый в
соответствии с ГОСТ 18318-94.
Суть метода заключается в просеивании пробы порошка через набор сит, взвешивании отдельных фракций и определении
их процентного содержания.
Для определения используют комплект круглых сит (диаметр
обечайки – 200 мм, глубина – 25–50 мм) с крышкой и поддоном.
Размеры отверстий сит устанавливает ГОСТ 6613. Установка
для просеивания обеспечивает как вращательное движение
набора сит, так и встряхивание его с определенной частотой.
Порядок выполнения работы
1.
Отобрать пробу порошка массой (100+1) г при насыпной
плотности порошка более 1,5 г/см3. При насыпной плотности
мене 1,5 г/см3 масса навески – (50+0,5) г.
Допускается высушивать порошок перед испытанием, обеспечивая сохранность его гранулометрического состава.
2.
Пробу взвесить с погрешностью не более 0,05 г. Результат взвешивания округлить до первого десятичного знака для
проб массой 100 г и до числа, кратного пяти, во втором десятичном знаке для проб массой 50 г.
3.
Сухие и чистые сита уложить на поддон по возрастающему диаметру отверстий.
155
4.
Взвешенную пробу высыпать на верхнее сито и закрыть
крышкой.
5.
Поместить приготовленный набор сит с пробой порошка
в установку для просеивания, включить установку. Время рассева пробы – 30 минут.
6.
После рассева фракции порошка, оставшиеся на каждом
сите и поддоне, пересыпать на глянцевую бумагу, начиная с сита с наибольшими размерами отверстий. Порошок, прилипший к
сетке или обечайке сита, счистить мягкой кисточкой или щеткой
в следующее сито с меньшими размерами отверстий.
7.
Взвесить каждую фракцию порошка с погрешностью не
более 0,05 г. Результаты взвешивания фракций округлить для
проб массой 100 г до первого десятичного знака, а для проб массой 50 г – до ближайшего числа, кратного пяти, во втором десятичном знаке. Сумма масс всех фракций должна быть не менее
98% от массы пробы для испытания.
8.
Рассчитать массовую долю каждой из фракций (в процентах) с точностью до 0,1%. Массовую долю фракций порошка
менее 0,1% обозначают словом “следы”.
Результаты испытаний представить в виде таблицы:
Диапазон размеров частиц
фракций порошка, мкм
Итого:
Масса пробы для испытаний
Потери
Масса фракции порошка, г
Массовая доля
фракции, %
50,0 или 100,0
100
156
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1) Какими факторами определяются насыпная плотность и текучесть
металлического порошка?
2) Как влияют технологические свойства порошка на процесс формования?
3) Какие устройства используются для определения насыпной плотности и текучести порошка?
4) Как влияет способ производства порошка на форму его частиц?
5) Что такое гранулометрический состав порошка? Как он определяется?
6) Как влияют форма и размеры частиц порошка на технологию изготовления порошковых изделий?
7) Что такое уплотняемость порошка? Как она определяется?
8) Какова конструкция пресс-формы для определения уплотняемости?
9) Каков характер зависимости плотности прессовок от давления
прессования?
157
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 19
ИЗУЧЕНИЕ УПЛОТНЯЕМОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
ПОРОШКОВ МЕТОДОМ СИМПЛЕКС - РЕШЕТЧАТОГО
ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Цель работы: Изучение зависимостей физико-механических
и технологических свойств от состава материала или смеси методом симплексных решеток.
1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Метод симплексных решеток можно использовать для установления аналитической зависимости свойств от состава в виде
математической модели, представляющей собой отрезок степенного ряда. При этом выбирают некоторое количество экспериментальных точек (составов материала или смеси), определяют свойства в этих точках и проводят расчет величины коэффициентов Вi, математической модели.
Экспериментальные точки располагают по симплексным решеткам в соответствии с выбранной математической моделью.
Симплексом называют простейшую выпуклую геометрическую
фигуру, образованную множеством (к + 1) независимых точек в
к-мерном пространстве и обладающую минимальным количеством вершин. Вершинами называют точки, образующие симплекс. Так, симплексами являются треугольник (двухмерный
симплекс), тетраэдр (трехмерный симплекс) и др. Некоторые из
вариантов расположения точек на симплексной решетке для
практически важных тройных систем приведены на рис. 19.1. В
случае тройных систем симплексом является треугольник. Матрица планирования эксперимента для построения математической модели неполной третьей степени в случае тройных систем
приведена в табл. 19.1.
В соответствии с выбранной математической моделью и матрицей планирования, выполняют опыты и для каждого опыта
определяют значение изучаемого свойства Уj. Далее составляют
математическую модель, рассчитав предварительно коэффицие158
нты модели по нижеследующим формулам (в случае модели
неполной третьей степени):
𝒀 = 𝑩𝟏 𝑿𝟏 + 𝑩𝟐 𝑿𝟐 + 𝑩𝟑 𝑿𝟑 + 𝑩𝟏𝟐 𝑿𝟏 𝑿𝟐 + 𝑩𝟏𝟑 𝑿𝟏 𝑿𝟑 + 𝑩𝟐𝟑 𝑿𝟐 𝑿𝟑
+ 𝑩𝟏𝟐𝟑 𝑿𝟏 𝑿𝟐 𝑿𝟑
где В1 = У1;
В2 = У2;
В3 = У3;
𝑩𝟏𝟐 = 𝟒𝒀𝟏𝟐 − 𝟐𝒀𝟏 − 𝟐𝒀𝟐 ; 𝑩𝟏𝟑 = 𝟒𝒀𝟏𝟑 − 𝟐𝒀𝟏 − 𝟐𝒀𝟑 ;
𝑩𝟐𝟑 = 𝟒𝒀𝟐𝟑 − 𝟐𝒀𝟐 − 𝟐𝒀𝟑 ;
𝑩𝟏𝟐𝟑 = 𝟐𝟕𝒀𝟏𝟐𝟑 − 𝟏𝟐(𝒀𝟏𝟐 + 𝒀𝟏𝟑 + 𝒀𝟐𝟑 ) + 𝟑(𝒀𝟏 + 𝒀𝟐 + 𝒀𝟑 ).
Рис. 19.1. Примеры расположения точек на двухмерном симплексе
в случае тройных систем
Таблица 19.1. Матрица планирования экспериментов для построения математической модели неполной третьей степени
№№
Обозначение
Значения факторов Хi в кодированном
опыта
экспериментальных
масштабе, доли единиц
точек
Х1
Х2
Х3
Опыты плана экспериментов
1
Х1
1
0
0
2
Х2
0
1
0
3
Х3
0
0
1
4
Х12
1/2
1/2
0
5
Х13
1/2
0
1/2
6
Х23
0
1/2
1/2
7
Х123
1/3
1/3
1/3
Опыты для контрольных точек
8
Х1123
1/2
1/4
1/4
9
Х1223
1/4
1/2
1/4
10
Х1233
1/4
1/4
1/2
159
После построения математической модели проводят проверку адекватности этой модели по t – критерию Стьюдента.
Для проверки адекватности дополнительно выполняют контрольные опыты. Контрольные точки выбирают в области составов, наиболее интересующих исследователя.
При проверке адекватности математической модели расчетный t –критерий Стьюдента для каждой контрольной точки
определяют по уравнению:
|𝒀эксп − 𝒀расч |
√𝒏
𝒕расч (𝜶⁄𝒍;𝒇) =
×
𝑺
√𝒏 + 𝝃
где Yэксп. и Yрасч – экспериментальное и расчетное (по модели) значения свойства в контрольной точке;
S – средняя квадратичная ошибка опыта;
n – число параллельных опытов в каждой контрольной точке
плана;
f=n-1 – число степеней свободы;
 – уровень значимости;
l– число контрольных точек;
 – величина, зависящая от положения точки на концентрационном треугольнике (состав материала или смеси).
Изолинии значений  строятся заранее и представляются в
виде контурных карт для математических моделей различных
степеней (рис. 19.2).
Рис. 19.2. Изолинии значений  для модели неполной третьей
степени
160
Доверительный интервал  значений свойств, предсказываемых математической моделью, при заданном уровне значимости
, числе коэффициентов  модели и числе степеней свободы
f=n-1 определяют по формуле:
𝑺
|∆| = 𝒕табл (𝜶⁄𝒌;𝒏−𝟏) ×
√𝝃
√𝒏
В работе изучают влияние состава материала (смеси) на
свойства, проводят построение математической модели и геометрического образа зависимости свойств от состава.
2. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ
Порошки железа и стали Х18Н15, прибор для рассева порошков, смеситель, гидравлический пресс, пресс-форма, весы,
микрометр.
3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ И ОБРАБОТКА
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Последовательность выполнения работы с использованием
метода симплексных решеток рассмотрена на следующем примере.
Задание. Изучить зависимость уплотняемости при прессовании смеси порошков трех фракций от гранулометрического состава порошка нержавеющей стали марки ПХ18Н15, полученного гидриднокальциевым восстановлением оксидов.
Предварительно исходный порошок рассеивают на три
фракции с размером частиц (мкм): 1 – менее 60 (мелкая М); 2
– 60…120 (средняя С); 3 – 120…200 (крупная К).
Работа выполняется в следующем порядке:
1) Принимаем симплекс-план из семи опытов, позволяющий
построить математическую модель неполной третьей степени.
2) Составляем матрицу планирования экспериментов в кодированном и натуральном масштабе (табл. 19.2) в соответствии с
принятым симплекс - планом.
3) Подготавливаем семь смесей механическим смешиванием
отдельных фракций порошка согласно матрице планирования.
Из каждой смеси прессуем в стальной пресс-форме на гидрав161
лическом прессе при давлении 400 МПа по четыре образца диаметром 16 мм.
№ опыта
Таблица 19.2. Матрица планирования экспериментов и результаты опытов
Состав смесей
Плотность
образцов
в кодированном
в натуральном
кодовое в натуральном
масштабе,
масштабе, %
обознамасштабе,
доли единицы
чение
г/см3
Уj
Х1
Х2
Х3
С
М
К
1
1
0
0
100
0
0
У1
5,15
2
0
1
0
0
100
0
У2
5,20
3
0
0
1
0
0
100
У3
5,30
4
1/2
1/2
0
50
50
0
У12
5,10
5
1/2
0
1/2
50
0
50
У13
5,23
6
0
1/2
1/2
0
50
50
У23
5,23
7
1/3
1/3
1/3
33,33
33,33
33,33
У123
5,17
У образцов измеряем микрометром диаметр, высоту и подсчитываем объем в см3. Далее определяем массу с помощью
весов и подсчитыавем плотность каждого образца в г/см3. Для
каждой смеси рассчитываем среднее арифметическое значение
плотности У. Эта величина плотности, являющаяся оценкой
уплотняемости, записывается в матрицу планирования. Каждый
студент готовит для исследований, как правило, 2–3 смеси.
4) По полученным данным рассчитываются коэффициенты математической модели:
В1 = 5,15; В2 = 5,20; В3 = 5,30;
𝐵12 = 4 − 5,10 − 2 × 5,15 − 2 × 5,20 = −2,42
𝐵13 = 4 − 5,23 − 2 × 5,15 − 2 × 5,30 = 0,02
𝐵23 = 4 − 5,23 − 2 × 5,20 − 2 × 5,30 = −0,08
𝐵123 = 27 − 5,17 − 12(5,10 + 5,23 + 5,23)
+ 3(5,15 + 5,20 + 5,30) = −0,18
Составляем математическую модель:
𝑌 = 5,15𝑋1 + 5,20𝑋2 + 5,30𝑋3 + 2,42𝑋1 𝑋2 + 0,02𝑋1 𝑋3
− 0,08𝑋2 𝑋3 − 0,18𝑋1 𝑋2 𝑋3
162
Проверяем гипотезу об адекватности полученной математической модели по t – критерию Стьюдента. Для этого проводились дополнительно три контрольных опыта в точках Х1123,
Х1223, Х1233. Данные о контрольных опытах представлены в табл.
16.3.
Для контрольных точек (число этих точек l = 3) величина  =
0,75 из контурной карты, уровень значимости принят  = 0,05,
число параллельных опытов в каждой контрольной точке n = 4.
Для определения t – критерия Стьюдента предварительно
подсчитывают расчетное значение плотности Урасч. в каждой
контрольной точке по модели и среднюю квадратичную ошибку
опыта.
5)
№ контрольной точки
Таблица 19.3. Контрольные точки для проверки гипотезы об адекватности
математической модели
Кодовое
Состав смесей
Плотность
Критеобообразцов,
рий
в кодированном
в натуральзначег/см3
Стьюмасштабе,
ном масштание
дента,
доли единицы
бе, %
точки
tрасч.
Х1
Х2
Х3
С
М
К Уэксп. Урасч.
8
9
10
Х1123
Х1223
Х1233
1/2
1/4
1/4
1/4
1/2
1/4
1/4
1/4
1/2
50
25
25
25
50
25
25
25
50
5,10
5,15
5,20
4,89
4,89
4,93
3,32
4,11
4,27
Так, для контрольной точки №8 (Х1123) Х1 = 1/2, Х2 = 1/4, Х3 =
1/4:
1
1
1
11
11
11
𝑌расч = 5,15 + 5,20 + 5,30 − 2,42
+ 0,02
− 0,08
2
4
4
24
24
44
111
− 0,18
= 4,89
244
𝟏
𝟐
Средняя квадратичная ошибка опыта: 𝑺 = √𝒏−𝟏 ∑𝒏𝒋=𝟏(𝒀𝒋 − ̅̅̅
𝒀𝒐 )
𝟏
где ̅̅̅
𝒀𝒐 = ∑𝒏𝒋=𝟏 𝒀𝒋 - выборочное среднее значение для парал𝒏
лельных опытов.
163
Например, в контрольной точке Х1233 значения плотности в
четырех параллельных опытах составили 5,25; 5,16; 5,24; 5,15
г/см3. Используем эти данные для расчета𝑌̅𝑜 и S:
1
𝑌эксп = 𝑌̅𝑜 = (5,25 + 5,16 + 5,24 + 5,15) = 5,20
4
𝑆=√
1
(5,25 − 5,20)2 + (5,16 − 5,20)2 + (5,24 − 5,20)2 + (5,15 − 5,20)2
4−1
= √0,0034 = 0,058
Расчетный t – критерий Стьюдента для контрольной точки
№ 8:
|5,10 − 4,89|
0,21 × 2
√4
𝑡расч (0,05⁄3;4−1) =
×
=
0,058
√4 + 0,75 0,058 × 2,179
= 3,32
Аналогично подсчитывается tрасч. для контрольных точек №9
и №10.
Так как tрасч  tтабл (0,02;3) = 4,54, то гипотеза об адекватности
полученной математической модели не отвергается и ее можно
использовать в дальнейшем для расчетов и построения геометрического образа зависимости свойств от состава.
Определяем доверительный интервал значений свойств,
предсказываемых математической моделью. При уровне значимости =0,05, числе коэффициентов Вi математической модели
=6 и числе параллельных опытов n = 4 в каждой точке плана
табличное значение t – критерия Стьюдента:
𝑡табл (𝛼⁄𝑘;𝑛−1) = 𝑡табл (0,05⁄6; 4−1) = 5,84
Доверительный интервал:
𝟎, 𝟎𝟓𝟖
|∆| = 𝟓, 𝟖𝟒 ×
√𝝃
√𝒏
В зависимости от состава смеси величина  изменяется от
0,4 до 1,0 и доверительный интервал составляет от ∆= 0,53 ×
3
3
√0,4 = ±0,33 г/см до ∆= 0,53 × √1,0 = ±0,53 г/см .
Геометрический образ модели зависимости плотности образцов от гранулометрического состава порошка представлен на
рис. 16.3.
164
Самая низкая уплотняемость наблюдается у смеси из 50 %
средней фракции и 50 % мелкой фракции. При возрастании количества средней фракции более 50 %, мелкой фракции выше
50 % или добавке крупного порошка уплотняемость повышается.
Рис. 19.3. Расчетные зависимости плотности образцов, г/см3
(числа у линий уровня) от гранулометрического состава порошка
Лучшую уплотняемость имеет порошок с большим количеством крупной фракции, в межчастичных порах котрой могут
размещаться более мелкие частицы. Экспериментально установлено, что при пористости 44…47 % образцы из крупной
фракции 0,12…0,20 мм имеют межчастичные поры размером
0,025…0,087 мм, достаточные для помещения частиц мелкой и
средней фракций величиной – 0,060 и 0,060…0,120 мм.
4.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Итоги проведенной работы оформляют в отчете, который
должен содержать следующие разделы:
1) Цель работы.
2) Оборудование, приборы и материалы, использованные при
выполнении работы.
165
3) Теоретические положения. Понятие о симплексе, расположение точек на двухмерном симплексе и матрица планирования
экспериментов в кодированном масштабе.
4) Методика проведения работы и полученные результаты. Задание по работе, матрица планирования экспериментов и результаты опытов, таблица для контрольных опытов, все формулы для расчетов и вычисления, математическая модель и геометрический образ зависимости плотности образцов от гранулометрического состава порошка, выводы.
В конце занятия преподаватель путем устного опроса проверяет усвоение знаний по вопросам для самопроверки. Оформленные отчеты проверяются и подписываются преподавателем.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1) Какая геометрическая фигура называется симплексом?
2) Какой вид имеют математические модели для тройных систем?
3) С какой целью проводятся дополнительные контрольные опыты?
4) Как проводится проверка адекватности математической модели?
5) Как определяется доверительный интервал значений свойств,
предсказанных математической моделью?
166
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 20
МИКРОСТРУКТУРА СПЕЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ
Цель работы - изучить микроструктуру характерных порошковых материалов, применяемых для изготовления металлорежущих инструментов и деталей машин.
1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Порошковые материалы изготавливают из металлических
порошков путём формования в изделия заданных формы и размеров и последующей тепловой обработки (спекания) при температурах ниже температуры плавления основного компонента
шихты. Такая технология изготовления изделий методами порошковой металлургии внешне имеет сходство с технологией
керамического производства. Порошковые материалы подразделяют на инструментальные, конструкционные и с особыми
свойствами (магнитные, фрикционные, фильтровальные и др.).
Инструментальные материалы, изготовляемые из порошков
карбидов с добавками кобальта методами порошковой металлургии, известны под названием «твердые сплавы». Твердые
сплавы содержат 90…98 % тугоплавких карбидов вольфрама
WC, титана TiC и тантала ТаС большой твердости, имеют высокую теплостойкость (твердость сохраняется при нагреве до
температур 800…1000 0С), повышенную хрупкость и небольшую прочность в отношении растягивающих напряжений. Из
твердого сплава изготовляют пластинки – режущую часть инструмента, которые закрепляют на стальной державке. Металлорежущий инструмент, оснащенный твердыми сплавами, применяют для резания меаллов с большими скоростями.
По структуре карбидных фаз твердые сплавы подразделяют
на две основные группы:
1) Твердые сплавы на основе карбида вольфрама с различным
содержанием кобальта. Эти сплавы маркируются следующим
образом: ВК2, ВК6, BK8, BKI5, ВКЗ0 (число показывает содержание кобальта в процентах). С увеличением содержания ко167
бальта возрастает вязкость сплава, снижаются твердость и износостойкость. Микроструктура твердых сплавов ВК состоит из
кристаллов карбида вольфрама, имеющих правильную форму, и
прослоек вязкого твердого раствора на основе кобальта. Такие
твердые сплавы применяют для механической обработки хрупких материалов (чугуна и др.).
2) Твердые сплавы на основе карбидов вольфрама с добавками
карбидов титана и различным содержанием кобальта. Маркировка таких сплавов следующая:. T5K10, T15K6, Т30К4 (первое
число – процентное содержание карбида титана, второе число –
содержание кобальта). Микроструктура твердых сплавов ТК
состоит из кристаллов карбида вольфрама WC правильной
формы, частиц твердого раствора вольфрама в карбиде титана
(TiW)C округлой формы и прослоек твердого раствора на основе кобальта. Эти твердые сплавы применяют для механической
обработки вязких материалов (стали и др.).
Из металлических порошков методами порошковой металлургии изготовляют разнообразные материалы и изделия: детали машин, антифрикционные, фрикционные, фильтровые и др.
В машиностроении типовыми металлокерамическими деталями
являются втулки, кулачки, шестерни, рычаги, изделия сложной
конфигурации, поршневые кольца и др. Наиболее широко применяют детали системы железо-углерод на основе железного
порошка. Углерод обычно вводятв шихту в виде порошка графита. Из смеси железного в графитового порошков прессуют
детали требуемой конфигурации при давлении 500…600 МПа и
спекают при температуре 1050…1150°С с выдержкой 1…2 час.
в защитной восстановительной атмосфере.
В процессе спекания углерод графита растворяется в железе с образованием твердого раствора (аустенита). Часть
графита выгорает в результате довосстановления оксидов железного порошка и взаимодействия с компонентами восстановительной атмосферы. Для получения аустенита с концентрацией 0,8 % С в зависимости от условий спекания необходимо добавлять в шихту 1,3…1,8 % графита. При охлаждении, в соответствии с диаграммой состояния «железо-углерод» и в зависимости от содержания графита, образуется микроструктура фер168
рит + перлит, перлит или перлит + цементит вторичный. Микроструктура порошковых материалов железо-графит в основном аналогична микроструктуре углеродистых сталей, отличаясь обычно большей дисперсностью и присутствием пор (до 25
%). Для получения плотных изделий применяется горячее прессование и другие методы.
Повышение прочности порошковых материалов железографит достигается путем легирования медью, хромом и др.
Медь вводят в количестве 2…10 %. При содержании более 8
% медь видна в микроструктуре в виде прослоек, при меньшем
содержании она растворяется в феррите и в микроструктуре не
обнаруживается.
Хром добавляютв количестве 2…6 %, при этом в микроструктуре материала образуются включения на основе карбида
хрома.
Влияние легирования на твердость порошковых сталей показано на рис. 20.1. Максимальная твердость достигается при содержании графита в шихте около 1,5 %.
Для повышения антифрикционных свойств порошковых материалов в их состав вводят серу, сульфид цинка и рнекоторые
другие сульфиды.
Рис. 20.1 Твердость порошковых материалов железо – графит с
добавками 7 % меди и 4,2 % хрома в зависимости от содержания
графита в шихте
Таким образом, для изготовления деталей машин преимущественное применение имеют порошковые материалы железо–
169
графит, железо–графит– медь, железо–графит–медь–сера, железо–графит–хром, железо–графит–медь–хром. Для повышения
прочности и износостойкости эти материалы в случае необходимости дополнительно подвергаются термической и химикотермической обработке: закалке с последующим отпуском, цементации, нитроцементации, диффузионному хромированию и
другим операциям. Получаемые при этом микроструктуры в
основе своей аналогичны структурам термообработанных сталей.
2. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ
Металлографические микроскопы, коллекции микрошлифов
спеченных материалов из металлических порошков.
3.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ И
ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Изучение микроструктуры проводится путем просмотра с
помощью металлографического микроскопа коллекции микрошлифов. Данные о структуре лабораторной коллекции образцов
порошковых материалов приведены в табл. 20.1.
Таблица 20.1. Перечень лабораторной коллекции микрошлифовматериалов из металлических порошков
№
п/п
1
Марка
материала
ВК8
Химический
состав шихты, %
92 WC, 8 Со
2
Т5К10
85 WC, 5 ТiС, 10 Со
3
ЖГр0,6КО,3
4
5
ЖГр1,3
ЖГр1,3
6
ЖГр2Д10
7
ЖГр3Д2Х2
Микроструктура после
спекания
WC + твердый раствор на основе кобальта.
WC + (TiW)C + твердый раствор на
основе кобальта
Феррит + перлит + сульфиды
0,6 графита, 0,3 серы,
Fe – основа
1,3 графита,Fe – основа Перлит пластинчатый
2 графита,
Перлит зернистый (отжиг)
10 Cu, Fe – основа
3 графита, 2 Сu, 2 Cr,
Fe - основа
Перлит + медь в виде отдельных прослоек + графит
Перлит + сетка цементита + карбиды
хрома; поверхностный белый слои - хром
Примечание: В обозначении марок машиностроительных материалов буквами обозначены: Ж – железо, Гр – графит, Д – медь, Х – хром, К – сера, и
цифрами – содержание в процентах в исходной шихте.
170
Рассмотреть каждый шлиф при увеличении 300 (твердые
сплавы - 600), изучить микроструктуру, зарисовать и описать
её в своём отчете. При изучении микроструктуры использовать
схемы микроструктур (рис. 20.2).
Рис.20.2 Схемы микроструктур порошковых материалов
4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Итоги проведенной работы оформить в отчете, который
должен содержать следующие разделы:
1) Цель работы.
2) Оборудование, приборы и материалы, использованные
при выполнении работы.
3) Теоретические положения. Краткая характеристика инструментальных твердых сплавов и конструкционных материалов на основе железного порошка.
4) Методика проведения работы и полученные результаты.
Таблица данных о составе и микроструктуре порошковых материалов, зарисовки микроструктур.
171
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Какую микроструктуру имеют твердые сплавы типа ВК и ТК?
Какие материалы применяют для изготовления деталей машин?
Какую микроструктуру имеют материалы железо - графит?
Какие элементы применяют для легирования порошковых сталей?
5. Какой термической и химико-термической обработке подвергают
порошковые материалы системы железо - графит?
1.
2.
3.
4.
172
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 21
ИЗУЧЕНИЕ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ
ТОНКОЛИСТОВЫХ ПРОКАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ
Цель работы - изучить параметры пористой структуры и
свойства тонколистовых порошковых материалов.
1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Среди различных технических материалов имеется класс
пористых материалов. Для них характерно наличие в объеме
пористого тела внутренних сквозных поровых каналов. Пористые материалы имеют способность пропускать через свои
сквозные поровые каналы жидкие среды и газы при создании
некоторого перепада давлений на входе и выходе. Такие пористые материалы применяют для очистки жидкостей и газов от
мелких частиц механических примесей (фильтрования), в смесителях, виброгасителях и других аппаратах и устройствах.
Пористые материалы с внутренними поровыми каналами
имеют различную пористую структуру. Под пористой (поровой)
структурой имеют в виду круг понятий, характеризующих пористость тел, распределение по размерам, однородность поровых каналов по размерам и по ориентации в объеме тела, геометрическую форму пор, состояние поверхности внутренних
поровых каналов. Математическое описание структуры пор
проводится с помощью геометрических моделей пористых тел.
Для пористых тел, получаемых из порошкообразных веществ
(металлических и керамических порошков и др.), распространены два подхода к описанию поровой структуры, оперирующие с
частицами скелета (матрицы) тела или рассматривающие непосредственно размеры и форму поровых каналов.
Модели пористой структуры, рассматривающие тела как состоящие из сферических упорядоченно упакованных частиц,
называют глобулярными, моделями уложенных сфер или зернистых материалов. В таких моделях поровые каналы представляют собой полости между сферическими частицами, которые
173
сообщаются между собой суженными перешейками. У пористых сред из сферических частиц одного размера dч.ср. средний
размер пор: d определяют по формуле Козени:
𝟐
П
𝒅= ×
× 𝒅ч.ср.
𝟑 𝟏−П
где П – пористость в долях единицы.
Другое направление анализа моделей пористых сред исходит
из рассмотрения размеров и формы внутренних поровых каналов. Это капиллярные модели пористых сред. В случае модели
идеальной пористой среды поровые каналы представляются в
виде прямых параллельных цилиндрических капилляров постоянного поперечного сечения. В этой модели диаметр круглой
трубки, которая моделирует пору, считается размером пор.
Пористые тела, получаемые из порошкообразных веществ,
имеют извилистые поровые каналы, различного размера. В этом
случае капилляры представляются как извилистые трубки с некоторым коэффициентом извилистости поровых каналов. Этот
коэффициент «а» характеризует возрастание длины поровых
каналов l по сравнению с толщиной пористого материала h:
𝒂 = 𝒍⁄𝒉
В работах В.С. Маркина теоретически показано, что при допущении равновероятности всех направлений поровых каналов
в объеме пористого тела среднее значение коэффициента извилистости пор равно двум и не зависит от диаметра пор.
Многолетние исследования, выполненные в Нижегородском
государственном техническом университете, показали, что для
пористых тонколистовых материалов типа ФНС из порошков
хромоникелевой высоколегированной стали марки ПХ18Н15
поровая структура может быть описана капиллярной моделью
пористой среды. По этой модели пористая структура материалов характеризуется следующими показателями:
1) Пористость П, т.е. отношение объема поровых каналов к
полному объему физического тела (часто выражается в процентах).
2) Распределение поровых каналов по размерам. Такие данные получают при выполнении специальных исследований пористых материалов. В инженерной практике, а часто и в науч174
ных работах, для характеристики поровых каналов используют
понятия среднего d и максимального Д размеров поровых
каналов. Под максимальным размером понимают величину
одиночных наиболее крупных поровых каналов, определенных
экспериментальным путем на поверхности испытуемого образца. В производственной практике применяется 100 %-ный
входной контроль размеров поровых каналов всех пористых
листовых материалов перед их направлением на участок изготовления фильтровальных элементов.
3) Однородность по размерам поровых каналов характеризуется коэффициентом размера поровых каналов Кd , представляющим собой отношение максимального к среднему размеру
пор:𝒌𝒅 = Д⁄𝜶.
4) Однородность по ориентации (расположению) поровых
каналов в объеме физического тела характеризуется численным значением коэффициента извилистости поровых каналов
«а». По этому показателю пористые тела подразделяются на три
разновидности:
 1 а  2 – поровые каналы расположены ближе к преимущественно перпендикулярному поверхности пористого тела;
 а = 2 – равновероятная ориентация поровых каналов в
разных направлениях по объему тела;
 а  2 – поровые каналы расположены ближе к преимущественно параллельному поверхности физического тела.
5) Форма пор у пористых тел сложная (например, бутылкообразная и т.д.), и она изменяется в зависимости от величины пористости.
6) Состояние поверхности пор характеризуется шероховатостью, неровностями поверхности поровых каналов.
Ниже приведены некоторые данные о взаимосвязи между
показателями d, Д, «а» и пористостью П тонколистовых материалов из металлических порошков. Зависимости среднего и
максимального размера пор от пористости являются степенными:
𝒅 = 𝑪𝟏 − П𝒎 ; Д = 𝑪𝟐 − П𝒏
Показатели степени «m» и «n» возрастают с увеличением
размеров частиц порошков.
175
Коэффициент извилистости поровых каналов «а» при пористости листов 20…35 % находится в пределах 1,7…2,5. С увеличением пористости выше 35 % наблюдается тенденция к повышению величины «а», особенно у листов из порошков крупных фракций. Так, листы из порошка стали 08Х18Н15 фракций
–160 +100 мкм и –200 +160 мкм при пористости 44…46 % имеют коэффициент извилистости поровых каналов 3,63…3,76.
Важнейшими свойствами пористых фильтровальных материалов являются тонкость фильтрации и скорость фильтрации.
Под тонкостью фильтрации понимается способность фильтровальных материалов задерживать частицы механических
примесей соответствующего размера при прохождении жидких
или газообразных сред через поровые каналы материала. Численными показателями задерживающей способности является
абсолютная Аабс, номинальная Аном и средняя Аср тонкость
фильтрации, фракционный коэффициент отфильтровывания
(отсева) х частиц загрязнителя и коэффициент полноты фильтрации . Зависимость фракционного коэффициента отфильтровывания х от величины частиц загрязнителя Х показана на
рис. 20.1.
Рис. 20.1. Зависимость коэффициента отфильтровывания х
от величины частиц загрязнителя Х.
Абсолютная тонкость фильтрации Аабс определяется по максимальному размеру частиц искусственного загрязнителя Хmax,
пропускаемых поровыми каналами материала.
176
За номинальную тонкость фильтрации Аном, определяемую
расчетом, принимают размер частиц загрязнителя Хi, для которого х = 0,97 (авиационная промышленность).
Для средней тонкости фильтрации х = 0,50.
Коэффициент отфильтровывания х характеризует относительное количество частиц загрязнителя определенного размера Хi, задерживаемых фильтровальным материалом:
𝑵𝟐𝒊
𝝋𝒙 = 𝟏 −
𝑵𝟏𝒊
где N1i и N2i – количество частиц загрязнителя i – го размера Хi,
содержащегося соответственно в единице объема жидкой среды
до и после фильтрования.
Коэффициент полноты фильтрования  характеризует уменьшение массы загрязнений в жидкой среде при однократном ее пропускании через фильтровальный материал:
𝒎𝟐
𝝋=𝟏−
𝒎𝟏
где m1 и m2 соответственно масса загрязнителя в единице
объема до и после фильтрования.
Для характеристики задерживающей способности фильтровальных материалов в исследовательской практике используют
диаграммы зависимости дисперсного состава прошедших через
поровые каналы частиц загрязнителя от изменяемых факторов.
На рис. 20.2 представлены обобщенные экспериментальные
данные об изменении дисперсного состава частиц загрязнителя
разной величины от среднего размера поровых каналов d при
фильтровании топлива ТС – 1 через пористые ленты из порошка
ПХ18Н15 разных фракций по величине частиц исходного порошка.
С увеличением среднего размера поровых каналов от 7 до 11
мкм значительно возрастает количество частиц загрязнителя
размером 3…5 мкм за счет снижения частиц величиной менее 3
мкм.
177
Рис. 21.2. Изменение дисперсного состава частиц загрязнителя в
зависимости от среднего размера поровых каналов пористых
листов
Для пористых листов из порошка ПХ18Н15 мелких фракций
имеет место степенная функциональная зависимость между абсолютной тонкостью фильтрации Аабс и максимальным размером пор Д в диапазоне от 4 до 36 мкм: Аабс = 0,26 Д1,21.
Скорость фильтрации при ламинарном характере движения
жидкости в поровых каналах изменяется пропорционально перепаду давлений и выражается уравнением Дарси:
∆𝒑
𝑾ф = 𝑲
𝝁𝒍
где К – коэффициент проницаемости; р – перепад давлений;  - коэффициент динамической вязкости фильтруемой среды; l- толщина пористого образца.
По капиллярной модели пористой среды численная величина
коэффициента проницаемости зависит от пористости П, среднего размера поровых каналов d и коэффициента извилистости
сквозных поровых каналов «а» по формуле:
𝟏 П𝒅𝟐
𝑲=
𝟑𝟐 𝒂𝟐
178
Некоторые данные в графической форме приведены на рис.
21.3.
Рис. 21.3. Зависимость коэффициента проницаемости материала
с пористостью П = 35 % от коэффициента извилистости поровых каналов «а» при среднем размере пор, мкм:
1 – 3; 2 – 6; 3 – 9; 4 – 15
Для расчета предела прочности при растяжении в широкое
применение имеет следующая зависимость Е. Рышкевича:
𝝈в = 𝝈в𝟎 × е−ВП
где в0 – предел прочности при растяжении порошкового
беспористого материала (для материала из порошка ПХ18Н15
в0 = 540 МПа); в – константа. Для пористых листов типа ФНС в
= 5…6, возрастая с увеличением размера частиц исходного порошка ПХ18Н15.
Относительная оценка пластичности пористых тонколистовых материалов при толщине, минимально равной до 3…4 от
среднего размера частиц порошка, может быть выполнена по
результатам технологических испытаний на перегиб при радиусах изгиба от 1 до 5 мм. В качестве критерия принимается число
перегибов, которое выдерживает материал до разрушения. Так в
зависимости от материала и фракции порошка при пористости
35…40 % и радиусе изгиба 5 мм число перегибов изменяется от
нескольких до 40...50.
179
Под фильтрующими материалами типа ФНС понимаются
пористые тонколистовые материалы, получаемые из порошка
марки ПХ18Н15 гидридно-кальциевого восстановления путем
рассева исходного порошка на отдельные фракции по размеру
частиц, прокатки этих фракций порошка в пористую ленту, разрезания ленты на листы и их спекания в среде осушенного водорода. Классификация пористых листов ФНС приведена в
табл. 21.1.
Таблица 21.1. Классификация фильтрующих материалов тонкой очистки
типа ФНС
Марка материала
Фракция порошка,
Толщина листов, мм
мкм
по техническим условиям
ФНС – 2
– 40
0,10…0,15
ФНС – 5
– 63 +40
0,14…0,20
ФНС – 10
ФНС – 20
–100 +60
–160 +100
0,18…0,25
0,18…0,25
2. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ
Для прокатки и спекания порошков используется прокатный
стан и лабораторная камерная печь. Весы, микрометр, штангенциркуль. Машина для испытаний на растяжение. Прибор для
проведения испытаний на перегиб.
Скорость фильтрации по воздуху определяется на установке,
состоящей из газового счетчика, баллона со сжатым газом, редуктора, манометра, трубопроводов, устройства для закрепления испытуемых образцов, расположенного на подвижном столе установки.
Максимальный и средний размеры поровых каналов пористых листовых материалов определяются методом продавливания воздуха через сквозные поровые каналы, предварительно
пропитанные смачивающей жидкостью (бензином, водой и т.д.).
Для проведения испытаний используется установка, состоящая
из воздушного баллона с редуктором, манометра, зажимного
устройства со смачивающей жидкостью и трубопроводов.
3.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ
ВЫПОЛНЕНИЯ И
ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
180
Студенты получают 7–9 образцов порошковых пластин, различающихся величиной толщины и пористости (плотности).
Толщину пластин измеряют микрометром в 3–5 точках. Определение пористости П проводится расчетным методом на основе установления массы образца m и расчета объема V по результатам измерения длины, ширины и толщины образца (плотность беспористой стали 08Х18Н15 составляет  = 7,86 г/см3).
Плотность пористого образца 𝝆п = 𝒎⁄𝝑, г/см3; относительная плотность пористого образца: 𝜽п = (𝝆п ⁄𝝆) × 𝟏𝟎𝟎, %; пористость образца: П = 𝟏𝟎𝟎 − 𝜽п .
Полученные данные представляются в форме нижеприведенной таблицы:
Результаты определения толщины и пористости прокатанных образцов
из порошка ПХ18Н15
№№
Размеры, мм Объем, Масса, Плотность, п, Пористость,
образца
(см)
V, см3
m, г
П, %
п, г/см3
%
l
b
h
Для определения максимального и среднего размеров поровых каналов проводится испытание образцов методом продавливания воздуха через сквозные поровые каналы помещенных в
жидкую среду пористых листов, предварительно пропитанных
смачивающей жидкостью ("пузырьковый" метод), с измерением
давления, при котором через поровые каналы начинает проходить подаваемый под давлением воздух.
В процессе испытания давление воздуха, подаваемого снизу
пористого образца, постепенно повышается. Первоначально
воздух преодолевает пленку поверхностного натяжения жидкости в месте расположения поровых каналов наибольшего размера (максимальный размер пор Д). В этом месте возникает первый непрерывный поток пузырьков воздуха. Отмечается и записывается давление Рж1, при котором наблюдалась течь первых
пузырьков воздуха.
По мере повышения давления воздуха наступает момент
массовой течи пузырьков воздуха через поровые каналы по всей
181
поверхности пористого образца, возникает как бы «кипение»
поверхности жидкости над образцом пористого материала.
Отмечается и записывается давление воздуха Рж2, при котором наблюдается массовая течь пузырьков воздуха. Это давление характеризует средний размер пор материала d.
В зависимости от величины давления воздуха проводится
расчет размера поровых каналов. Жидкость, не смачивающая
твердое тело, может быть введена в его капилляры-поры только
при некотором внешнем давлении Рж, необходимом для преодоления сил поверхностного натяжения жидкости ж. Величина
внешнего давления определяется соотношением Лапласа (уравнением капиллярности):
𝟒𝝈ж
Рж =
𝐜𝐨𝐬 𝜽
𝒅ц
где  – угол смачивания на границе раздела жидкостьповерхность поровых каналов; dц – диаметр круглоцилиндрической поры.
Каждому значению равновесного внешнего давления Рж соответствует определенная величина диаметра пор. Обычно при
испытаниях расчеты размеров пор ведут по следующей формуле, преобразованной из уравнения капиллярности с учетом размерности величин:
𝝈ж
𝒅пор = 𝟒, 𝟏𝟔
Рж
где ж – поверхностное натяжение смачивающей жидкости,
дин/см2 , Рж – давление, КПа, необходимое для вытеснения жидкости из поровых каналов (100 мм водяного столба = 0,98
KПa); dпор– размер поровых каналов, мкм.
В качестве жидкой среды для пористых листовых материалов ФНС, имеющих поровые каналы размером от нескольких
микрометров до 20…30 мкм, рекомендуется авиационный бензин Б-70 (ж =21,4 дин/см2).
Примечание. В случае отсутствия бензина Б-70 при выполнении лабораторной работы используется вода (ж = 72,6
дин/см2). Такое испытание рекомендуется для листов с более
крупными порами. У материалов ФНС при использовании воды
определяется размер только более крупных пор, а мелкие поры
182
не устанавливаются. Это испытание не дает истинной картины
пористой структуры материалов ФНС в отношении, поровых
каналов микронных размеров.
Экспериментальное определение скорости фильтрации по
воздуху выполняется на специальной установке. Образец, вырезанный из пористого листа, закрепляется в устройстве для закрепления. С помощью редуктора задается перепад давления и
при фиксированном р определяется количество профильтрованного газа или жидкости Q за время ф. Скорость фильтрации
Wф численно равна удельному объемному расходу газа или
жидкости  в единицу времени через единицу площади фильтрации:
𝑸
𝑾ф =
𝑭 ф × 𝝉ф
где Wф – скорость фильтрации, см3/см2  с (см/с); Fф – площадь фильтрации, см2; ф – время фильтрации, секунды.
Выполняется несколько измерений Q и ф и, соответственно,
расчетов Wф при различных перепадах (градиентах) давления
рi:
∆𝒑𝒊 = 𝒑ВХ𝒊 − 𝒑ВЫХ𝒊
где рВХi и рВЫХi – давления соответственно на входе и выходе
из пористого образца.
При небольших перепадах давления для пористых сред характерна линейная зависимость между скоростью фильтрации и
градиентом давления. Это ламинарный режим течения жидкости и газов в поровых каналах материала, который аналитически выражается уравнением Дарси:
∆𝒑
𝑾ф = 𝑲
𝝁𝒍
где  – динамическая вязкость среды; l– толщина пористого
материала; К – коэффициент проницаемости пористой
среды.
Из уравнения Дарси видно, что коэффициент проницаемости
по данным испытаний скорости фильтрации можно вычислить
по следующей формуле:
183
𝑾ф 𝝁𝒍
∆𝒑
где Wф – скорость фильтрации, см3/см2 с;  – динамическая
вязкость фильтруемой среды, кПас l – толщина пористого материала, см; р – градиент давлений фильтруемой среды, КПа;
К – коэффициент проницаемости пористой среды, дарси. В
Международной системе единиц размерность коэффициента
проницаемости – м2 (1 дарси = 1012, м2). Динамическая вязкость
воздуха равна 0,018 сантипуаз (1 сантипуаз = 1 КПа  с).
Ввиду отсутствия надежных экспериментальных методов
непосредственного определения коэффициента извилистости
поровых каналов используются расчетные методы. Наибольшее
распространение имеет следующая методика вычисления коэффициента извилистости поровых каналов. Определяют экспериментально методом продавливания воздуха через сквозные
поровые каналы средний размер пор d.
Далее проводят испытания по определению скорости фильтрации и подсчитывают коэффициент проницаемости пористой
среды. Имея данные о коэффициенте проницаемости К и пористости материала П, можно определить средний размер пор d
расчетным путем по формуле:
𝑲=
𝟑𝟐𝑲
𝒅расч = 𝒂√
П
В эту формулу входит неизвестная величина коэффициента
извилистости а. Приравнивая d = dрасч, получаем уравнение с
одной неизвестной величиной а:
𝒅расч
𝒅
𝒂=
=
√𝟑𝟐𝑲 √𝟑𝟐𝑲
П
П
где d – средний размер пор, мкм, К – коэффициент проницаемости, дарси, П – пористость в долях единицы.
Предел прочности при растяжении определяется на ленточных образцах шириной 10 мм по ГОСТ 11701. Испытания на
перегиб проводятся по ГОСТ 13813 при радиусе изгиба 2 мм с
184
определением числа перегибов, которое выдерживает материал
до образования макротрещин и разрушения.
Для микроанализа используются шлифы поперечного сечения образцов пористого материала ФНС. При необходимости
проводится предварительно пропитка пор образцов полимером.
Изучается микроструктура до и после травления. На нетравленных шлифах анализируется строение пор. После травления
изучают микроструктуру металлической матрицы.
4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Итоги проведенной работы оформляют в отчете, который
должен содержать следующие разделы:
1) Цель работы.
2) Оборудование, приборы и материалы, использованные при
выполнении работы.
3) Теоретические положения: характеристики капиллярной модели пористой среды, показатели пористой структуры; основные свойства фильтровальных материалов.
4) Методика проведения работы и полученные результаты.
Расчетные формулы, использованные для вычислений. Все первичные данные измерений, результаты вычислений. Окончательные данные параметров пористой структуры и свойств материала ФНС.
В конце занятия преподаватель путем устного опроса проверяет усвоение знаний студентами по вопросам для самопроверки.
Оформленные отчеты проверяются и подписываются преподавателем.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что понимается под пористой структурой материалов?
2. Какие геометрические модели используются для анализа поровой
структуры пористых материалов?
3. Какие показатели характеризуют пористую структуру материалов?
4. Какие характеристики используются в качестве показателей однородности поровой структуры пористых сред?
185
5. Какими показателями характеризуется способность пористых, материалов задерживать частицы механических примесей при фильтрации загрязненных жидкостей или газов?
6. Что понимается под скоростью фильтрации?
7. Что понимается под коэффициентом проницаемости пористой среды?
8. Каким методом определяются размеры пор?
9. Какая методика применяется для определения коэффициента проницаемости пористых сред?
10. По какой методике проводится определение коэффициента извилистости поровых каналов у пористых материалов?
Приложение А
ПРИМЕРЫ ПРОВЕДЕНИЯ ВЫЧИСЛЕНИЙ
Определение размеров поровых каналов.
Задание. При испытании по определению размеров пор пористого листа ФНС с использованием бензина Б – 70 пузырьковым методом получены следующие величины давления рж : рж1
= 920 мм вод. столба; рж2 = 1690 мм вод. столба. Требуется выполнить расчет среднего и максимального размеров поровых
каналов.
Решение. Расчеты ведем по следующей формуле:
𝜎ж
𝑑пор = 4,16
Рж
Для бензина Б-70 ж = 21,4 дин/см2. Принимая во
внимание соотношение: 100 мм вод. столба = 0,98 КПа, имеем:
920 × 0,98
𝑃ж1 =
= 9,02 КПА;
100
1690 × 0,98
𝑃ж2 =
= 16,56 КПА
100
Выполняем расчеты размеров поровых каналов:
средний размер пор:
21,4
𝑑 = 4,16
= 5,4 мкм
16,56
максимальный размер пор:
21,4
Д = 4,16
= 9,85 мкм
9,02
186
Ответ: Пористый лист ФНС имеет d = 5,4 мкм и Д = 9,85
мкм.
Определение коэффициента проницаемости пористой среды.
Задание. Выполнить расчет коэффициента проницаемости
для пористого материала ФНС из порошка ПХ18Н15 фракции –
100 +63 мкм. Листовой материал имеет толщину 0,23 мм, пористость 40,8 %, средний размер пор 13,5 мкм, коэффициент извилистости поровых каналов 2,4.
Скорость фильтрации по воздуху составляет 248 см3/см2 с
при градиенте давлений 0,25 кг/см2. Для воздуха  = 0,018 Кпа 
с (сантипуаз).
Решение. Расчеты ведем по следующей формуле:
𝑊ф 𝜇𝑙
𝐾=
∆𝑝
Подставляем численные значения заданных величин:
248 × 0,018 × 0,023
𝐾=
= 0,41 дарси = 0,41 × 1012 , м2
0,25
Ответ. Материал ФНС имеет численное значение коэффициента проницаемости пористой среды, равное 0,41 1012, м2.
Расчет коэффициента извилистости поровых каналов.
Задание. Определить коэффициент извилистости поровых
каналов для пористого материала ФНС из порошка ПХ18Н15
фракции – 160 +100 мкм с пористостью 39 %. По экспериментальным данным средний размер пор d = 19,0 мкм, коэффициент проницаемости пористой среды К = 0,83 дарси.
Решение. Для расчетов используем формулу:
𝑑
𝑎=
√32𝐾
П
Подставляем численные значения заданных величин:
19,0
𝑎=
= 2,3
32 × 0,83
√
0,39
187
Ответ. Коэффициент извилистости поровых каналов пористого материала ФНС равен 2,3.
ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ РАБОТЫ
Задание 1. При изучении размеров пор пористого материала
типа ФНС пузырьковым методом при использовании в качестве
смачивающей жидкости бензина Б-70 получены величины давления рж1 и рж2 (табл. I). Требуется выполнить расчет среднего и
максимального размеров пор.
Таблица II. Данные испытаний пористых листов
№№
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
варианта
h, мм
0,23 0,23 0,36 0,35 0,52 0,52
П, %
33,3 27,7 39,6 32,2 39,4 34,2
d, мкм
10,3 6,7
17,2 9,5
15,4 10,3
0,25
р,
кг/см2
Wф,
109
44
163
68
102
63
см3/см2с
1.10
1310
1810
1.9
1180
1500
1.8
1310
1680
1.7
1290
1740
1.6
520
710
1.5
500
690
1.4
970
1320
1.3
920
1260
1.2
900
1.1
1790
рж2,мм
.вод.
ст.
1130
рж1,мм.
вод. ст.
1520
№№
варианта
Таблица I. Значения давлений рж1 и рж2.
2.7
2.8
2.9
2.10
0,67
37,5
14,6
0,64
39,1
19,1
0,59
41,9
27,2
0,75
41,7
28,5
124
202
232
168
Задание 3. Определить коэффициент извилистости поровых
каналов для пористого материала ФНС по экспериментальным
данным, указанным в задании 2.
188
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 22
ПОЛУЧЕНИЕ, СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА
АЛМАЗОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ
Цель работы - ознакомится с прессованием, прокаткой и
спеканием алмазосодержащих смесей, строением и прочностными свойствами материалов.
1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Алмазосодержащие материалы, состоящие из связки – матрицы и наполнителя в виде алмазного порошка, применяются
для изготовления абразивных инструментов (шлифовальные
круги, отрезные круги и др.). В качестве связок используются
металлические, полимерные и керамические материалы. Алмазный наполнитель является одной из разновидностей сверхтвердых материалов, которые в зависимости от величины твердости
разделяются на пять подклассов (табл. 22.1). Эти материалы
имеют большую долю ковалентно-направленных  - связей
между атомами, что и обусловливает их высокую твердость и
хрупкость.
Таблица 19.1. Классификация сверхтвердых материалов
№
Наименование материалов
Твердость НV,
п/п
МПа
1
Природные алмазы
98100
2
Синтетические алмазы
88300…98100
3
Кубический нитрид бора (КНБ)
68700…78500
4
Гексагональный (вюрцитный) нитрид бора
49050…78500
5
Композиционные сверхтвердые материалы
менее 49050
Содержание алмазного наполнителя в связке-матрице во
многих абразивных инструментах составляет 25 % по объему.
Такое содержание алмаза специалисты-инструментальщики
называют 100 %-ной условной концентрацией. Наибольшее количество технических алмазов (60…70 %) расходуется на доводку и заточку режущих инструментов из твердых сплавов и
189
быстрорежущих сталей, для шлифования изделий из твердых
сплавов.
Формование алмазосодержащих композиций выполняется
прессованием в прессформах, прокаткой на прокатных станах и
др. При использовании способов прессования смесей металлических и алмазных порошков в прессформах возможны следующие варианты технологий:
1) Холодное прессование в прессформе с последующей горячей
допрессовкой пористой заготовки в прессформе. Такой метод
является традиционным в производстве инструментов из алмазосодержащих смесей. Он позволяет получить практически беспористый абразивный материал на металлических связкахматрицах с алмазным наполнителем.
2) Холодное прессование смеси порошков в прессформе, выпрессовка заготовок. Далее проводится вакуумное спекание в
присутствии жидкой фазы. Состав металлической связки выбирается такой, чтобы при спекании происходило образование
жидкой фазы.
3) Метод горячего прессования. Холодное прессование смеси
металлических и алмазных порошков в прессформе без их выпрессовки; затем нагрев сформованных заготовок в той же
прессформе, являющейся одновременно нагревателем, и горячее уплотнение. Время выдержки составляет несколько минут.
4) Формование алмазосодержащих смесей способом прокатки
на прокатном стане используется для получения листовых материалов пониженной толщины. В результате прокатки порошков получают ленту-заготовку с пористостью 28...32 %. После
спекания эта лента-заготовка, разделенная на отдельные пластины-карточки, подвергается нескольким операциям холодной
уплотнящей прокатки с промежуточными рекристаллизационными отжигами до получения беспористого состояния. Применяется также горячая прокатка.
Особенностью технологии изготовления алмазосодержащих
материалов являются ограничения температур спекания и других тепловых обработок, обусловленные требованиями предотвращения графитизации алмазного наполнителя. С учетом термостойкости алмазов температура спекания не рекомендуется
190
выше 800…850°С, Такие температуры спекания могут быть выдержаны при использовании металлических связок на основе
меди, принимая во внимание, что Тсп  (0,80…0,85)Тпл.
По данным анализа патентов различных стран большинство
связок имеют в качестве основы медь. Медь дополнительно легируют следующими элементами (мас. %): 8...25 олова, 8...18
никеля, 2..15 железа, 4...18 цинка, 0,6...3 хрома, до 10 молибдена. Некоторые металлические связки содержат небольшие добавки упрочнящих фаз (карбид бора, двуокись кремния и др.) и
твердые смазки (графит, сульфиды и др.).
Данные об изменении пористости, предела прочности при
растяжении, модуля упругости алмазосодержащего материала и
микротвердости металлической связки «никель –36 % меди – 11
% железа» (25 об. % алмазного наполнителя марки АСM10/7
(размер зерна 7... 10 мкм)) по операциям обработки приведены в
табл. 22.2. Конечная толщина пластин составляет 0,040 мм.
3
4
Термическая обработка
Холодная прокатка
Микротвердость матрицы,
Мпа
2
Спекание ленты
Холодная прокатка
Спекание
Холодная прокатка
Спекание
Холодная прокатка
Модуль
упругости,
МПа
1
Операция
обработки
Предел
прочности,
МПа
Цикл
Обработка материала
Пористость,
%
Таблица 22.2. Изменение характеристик алмазосодержащих пластин по
операциям обработки
32,0
8,5
12,5
6,2
10,0
2,9
2,9
16
86
116
163
170
180
174
19000
34000
53000
88000
90000
96000
1750
1730
2300
2100
2860
0
232
Нет данных
Определяющее влияние на предел прочности при растяжении алмазосодержащих тонколистовых материалов (толщина
десятки микрометров) оказывает содержание алмазного напол191
нителя. Зерна алмаза можно представлять как своеобразные поры в металлической матрице, заполненные алмазом. После прокатки и первых спеканий пластины имеют "воздушные" и "алмазные" поры. В процессе последующих холодных прокаток
количество "воздушных" пор снижается, и на четвертом цикле
проведения двойной обработки "тепловая обработка - холодная
прокатка" формируется плотный материал, содержащий только
"алмазные" поры. Для оценочных вычислений предела прочности при растяжении в может быть использована формула Е.
Рышкевича:
𝜎в = 𝜎в0 × е−В𝜃
где в – предел прочности при растяжении безалмазных
плотных порошковых пластин; В – константа;  – суммарная
пористость "алмазных" и "воздушных" пор, доли единицы.
Модуль упругости Е алмазосодержащих пластин
можно вычислить по формуле:
Е = Е0 × е−В𝜃
где Е0 – модуль упругости безалмазных плотных порошковых пластин; в – константа.
Тонколистовые алмазосодержащие материалы на связках из
оловянно-никелевых бронз и никелевых материалов, формуемые способом прокатки порошков, используются в качестве
заготовок для изготовления отрезных кругов. Эти круги применяются в микроэлектронике для разделения (разрезания) тонких
пластин из полупроводниковых (кремний и др.) и диэлектрических (поликор, сапфир, гранит и др.) материалов с группой готовых изделий электронной техники (микропроцессоров, полупроводниковых приборов и др.) на отдельные элементы по промежуточным разделительным дорожкам. Такая обработка проводится на заключительном сборочно-контрольном этапе изготовления изделий электронной техники.
Резание проводится на установках разделения серии УР различных модификаций УДР-150; УР.ПУ-150-1М высокой точности с микропроцессорными системами управления, дисковое
резание ведется при частоте вращения круга 34000...50000 мин
и скорости подачи разрезаемых пластин до 80...100 мм/с при
192
разделении кремния по методу глубокого прорезания несквозных пазов шириной 30…50 мкм.
В Российской Федерации характеристики алмазосодержащих кругов для микроэлектроники более 55-ти типоразмеров
регламентированы стандартом ОСТ 11 31.700-85. Круги толщиной 0,025…0,090 мм изготовляются с алмазными микропорошками АСМ зернистостью от 7/5 до 40/28 мкм. Для кругов толщиной 0,090…0,150 мм применяются алмазные шлифпорошки
марок АС4, АС6, ACI5, АС32 зернистостью 50/40 и 63/50 мкм.
Технология проведения разделения регламентирована нормативными документами ОСТ 11 054.298-84, РД 11 14.3323-90 и
РД 11 14.3325-90.
2. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ
В работе используются гидравлический пресс, прокатный
стан, лабораторная камерная печь, весы, микрометр.
Машина для испытаний на растяжение.
Металлические порошки: медный, никелевый, оловянный.
Алмазные синтетические порошки различной зернистости.
3.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ И
ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Лабораторная работа состоит из двух частей.
ЧАСТЬ 1. ИЗУЧЕНИЕ ПРЕССОВАНИЯ И СПЕКАНИЯ
АЛМАЗОСОДЕРЖАЩИХ ПОРОШКОВ
Смеси порошков получают из следующих исходных порошков: медный электролитический ПМС-1 или ПМС-2 ГОСТ
4960-75, никелевый карбонильный ПНК-ОТ4 ГОСТ 9722-79,
оловянный распыленный ПО-1 ГОСТ 9723-79, алмазные синтетические порошки АСМ 7/5, АСМ 10/7, АСМ 14/10, АСМ 20/14,
АСМ 40/28.
В первой серии экспериментов заранее подготавливаются
смеси порошков на медной основе с 6 % олова и 4 % никеля с
содержанием 25 об. % алмазных порошков разной зернистости.
Смеси порошков прессуют в цилиндрические образцы с отношением высоты к диаметру 1:2 при давлении 300…400 МПа на
193
гидравлическом прессе. После выпрессовки у образцов измеряются микрометром диаметр и высота, определяются объем и
масса, подсчитываются плотность, г/см3 и пористость, %.
Спрессованные образцы спекают в среде осушенного водорода при температуре 750 0С в течение 2-х часов и вновь определяют перечисленные выше характеристики. По данным об
изменении диаметра, высоты, объема подсчитывают величину
усадки (или роста) при спекании отдельно по диаметру, высоте
и объему.
Полученные данные представляют в форме таблицы:
Характеристики образцов
№№
Марка алмаза Д,
образца
мм
Н,
мм
V,
мм3(см3)
m,
г
,
г/см3
Усадка, %
Д Н V
Д
Н
V
После прессования:
-
-
-
После спекания:
Дополнительно проводится построение графиков зависимости пористости до и после спекания и усадки по диаметру, высоте и объему при спекании от среднего размера зерна алмазного наполнителя (студентам могут быть предоставлены заранее
спеченные образцы материалов).
Во второй серии экспериментов выполняется та же последовательность опытов при неизменной зернистости алмазного
наполнителя и разной концентрации (0; 6,25; 12,5; 25,0 об. %).
ЧАСТЬ 2. ИЗУЧЕНИЕ ПРОКАТКИ И СПЕКАНИЯ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩИХ ПОРОШКОВ
Студентам демонстрируются штатным сотрудником лаборатории в присутствии преподавателя все операции прокатки,
спекания и тепловой обработки алмазосодержащих материалов.
Далее студентам предоставляются готовые пластины алмазосодержащего материала на основе меди, никеля или железа.
Химический состав металлической связки, концентрацию и зернистость алмазного порошка указывает преподаватель. Из пла194
стин вырезают ленточные образцы шириной 10 мм, на которых
определяют предел прочности, при растяжении по ГОСТ 11701.
4.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Итоги проведенной работы оформляют в отчете, который
должен содержать следующие разделы:
1) Цель работы.
2) Оборудование, приборы и материалы, использованные при
выполнении работы.
3) Теоретические положения: классификация сверхтвердых материалов; способы формования (прессование, прокатка) и спекания, применение алмазосодержащих материалов.
4) Методика проведения работы и полученные результаты. Изложение последовательности выполнения, состав смеси для
прессования, режимы прессования и спекания, используемое
оборудование, таблица результатов, график зависимости пористости и величин усадки от среднего размера зерна алмаза и
концентрации алмазного наполнителя.
Данные о результатах испытаний прочности алмазосодержащих пластин, состав материала.
В конце занятия преподаватель путем устного опроса проверяет усвоение знаний студентами по вопросам для самопроверки.
Оформленные отчеты проверяются и подписываются преподавателем.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. На какие разновидности подразделяют сверхтвердые материалы?
2. Какие способы прессования и спекания, применяют при изготовлении алмазосодержащих материалов?
3. По какой технологии изготовляют тонколистовые алмазосодержащие материалы?
4. Какой состав имеют металлические «связки?
5. По каким зависимостям можно выполнить расчеты предела прочности при растяжении и модуля упругости алмазосодержащих тонколистовых материалов?
6. Для изготовления каких абразивных инструментов применяются
алмазосодержащие тонколистовые материалы?
195
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 23
ИЗГОТОВЛЕНИЕ И СВОЙСТВА
ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ПОЛИМЕРОВ
Цель работы - ознакомление с получением и свойствами
полимерных материалов некристаллического строения.
1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Класс полимерных материалов характеризуется наличием в
структуре длинных гибких цепных макромолекул, большим молекулярным весом. Цепные макромолекулы состоят из многократно повторяющихся элементарных химических групп («звеньев»). По характеру расположения в пространстве элементарных звеньев различают полимеры линейного (а), разветвленного
(б), пространственного (в), лестничного (г) и паркетного (д)
строения. В условных схемах кружками обозначены элементарные химические группы, а черточками – ковалентные связи
(рис. 23.1).
У наиболее широко применяемых полимеров с линейным и
разветвленным строением макромолекул звенья связаны между
собой вдоль цепи ковалентными связями. Между цепными мак-
Рис. 23.1. Строение макромолекул полимерных материалов
196
ромолекулами действуют значительно более слабые межмолекулярные силы связи Ван–Дер–Ваальса.
В зависимости от гибкости цепных макромолекул полимерные материалы разделяются на две группы:
1) Матьериалы на основе полимеров с «жесткими» макромолекулами с небольшой гибкостью – пластические массы.
2) Матьериалы на основе каучукоподобных полимеров с высокой гибкостью (эластомеров) – резины.
Свойства полимерных материалов зависят от химического
строения элементарных звеньев, размера и строения отдельных
макромолекул и их взаимного расположения, т.е. от структуры
полимерного тела.
Некристаллические полимерные материалы с линейным и
разветвленным строением макромолекул характеризуются отсутствием строгого порядка в расположении элементарных химических групп и цепных макромолекул (при определенных
условиях может происходить взаимная ориентация цепных макромолекул) на больших расстояниях в пространстве. Однако,
определенная упорядоченность расположения макромолекул в
полимерных телах имеется. В результате различной укладки
макромолекул образуются так называемые надмолекулярные
микроструктуры, которые можно исследовать с помощью электронного микроскопа при увеличениях в несколько тысяч раз. У
некристаллических полимеров наблюдаются два типа надмолекулярных микроструктур полимерных тел:
1) Линейные структуры, состоящие из пачек развернутых макромолекул. В структуре пластических масс пачки макромолекул
обычно соединяются в крупные нитеобразные структурные образования (фибрилы) (рис. 23.2, а). У каучукоподобных полимеров пачки макромолекул сливаются в более крупные полосатые структуры (рис. 23.2, б).
2) Глобулярные (шарообразные) структуры пластических масс
из свернутых макромолекул с повышенной гибкостью. Отдельные глобулы из нескольких макромолекул сливаются в частицы
более крупного размера из десятков и сотен макромолекул.
Глобулы объединяются в группы (рис. 23.2, в).
197
Рис. 23.2. Надмолекулярные структуры полимеров, х10000
У некристаллических полимерных материалов с линейной
структурой макромолекул при разных температурах наблюдаются три физических состояния: 1 – стеклообразное, 2 – высокоэластичное; 3 – вязкотекучее. Зависимость величины деформации при неизменной внешней нагрузке от температуры (термомеханическая кривая) приведена на рис. 23.3. Температуры
стеклования Тст и текучести Ттек характеризуют переход от одного физического состояния в другое. В стеклообразном физическом состоянии расположение макромолекул и их звеньев при
небольшой внешней нагрузке не изменяется, полимер имеет
достаточную прочность. В этом состоянии эксплуатируются
пластические массы.
Рис. 23.3. Термомеханическая кривая для полимеров с линейным строением макромолекул
В случае высокоэластичного физического состояния под
воздействием внешней нагрузки происходит перегруппировка
отдельных звеньев макромолекул, а при снятии нагрузки – воз198
вращение к исходному наиболее вероятному свернутому состоянию. В полимерном теле макромолекулы непрерывно меняют
свою форму вследствие относительно высокой подвижности
отдельных участков, называемых сегментами. В состав сегмента
входит от нескольких десятков до сотен атомов. Без воздействия внешней нагрузки макромолекулы находятся в свернутом
состоянии.
Под действием нагрузки макромолекулы развертываются, а
при снятии нагрузки вновь свертываются, поэтому полимер
способен к значительной высокоэластичной обратимой деформации. В высокоэластичном состоянии эксплуатируются каучукоподобные полимеры. В вязкотекучем физическом состоянии
происходит относительное перемещение цепных макромолекул
и развивается необратимая деформация, приводящая к изменению формы тела. Это состояние используется для изготовления
(формования) изделий из полимеров путем прессования, литья и
др. методами.
2. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ
В работе используются порошок поливинилхлорида, гидравлический пресс, лабораторный сушильный шкаф, прессформа,
весы, микрометр.
3.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ
ВЫПОЛНЕНИЯ
И
ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Изучение свойств некристаллических полимеров проводится
на примере поливинилхлорида с линейными макромолекулами
и элементарным эвеном состава –СН2–СНСl–. Плотность поливинилхлорида  = 1,40 г/см3, температура стеклования Тст = 80
°С; температура текучести Ттек = 95 °С, температура начала разложения – 130…160°C.
В лабораторных условиях образцы изготавливают прессованием и спеканием порошка поливинилхлорида (рис. 23.4). Порошок 4 засыпают в полость матрицы 1, установленной на подставке 3 прессформы и прессуют при комнатной температуре и
199
небольшой скорости движения пуансона 2 при давлении Р =
10…100 МПа в соответствии с заданием. Общее усилие прессования подсчитывают по формуле:
𝝅Д𝟐
𝑭 = 𝒑𝒔 = 𝒑
𝟒
где F – усилие прессования; р – давление прессования; S –
площадь торца пуансона; Д – диаметр пуансона.
Рис. 23.4. Схема прессформы
Рис. 23.5. Зависимость
плотности полимера от
давления прессования
Прессформу вместе со спрессованным порошком поливинилхлорида помещают в лабораторный сушильный шкаф и спекают при температуре 115…125°С, т.е. выше температуры текучести, но ниже температуры начала разложения полимера.
При спекании температура не должна быть выше 130°С, так как
начинается деструкция поливинилхлорида. Время нагрева и выдержки образца подсчитывается, исходя из нормы 5…7 мин на
один миллиметр диаметра образца.
После окончания выдержки в сушильном шкафу «горячая»
прессформа вместе со спеченным образцом поливинилхлорида
устанавливается на столе пресса и проводится повторное горячее прессование при давлениях 50…200 МПа в соответствии с
заданием. Общее усилие повторного прессования подсчитывается по той же формуле. С увеличением давления происходит
перемещение материала в межчастичные поры, и относительная
200
плотность образца возрастает (рис. 23.5). Спрессованный образец поливинилхлорида выпрессовывается из полости прессформы на гидравлическом прессе.
Микрометром измеряют в пяти различных сечениях диаметр
и высоту образца, подсчитывают среднеарифметические значения Д и Н с точностью до сотых долей миллиметра. Далее определяют массу образца на аналитических весах и подсчитывают
объем V с точностью до третьего знака после запятой:
𝝅Д𝟐
𝑽=
Н (см𝟑 )
𝟒
На основании полученных данных рассчитывают плотность
образца 0 по формуле:
𝑮
𝜸𝟎 = (г/см𝟑 )
𝑽
где G – масса образца, г; V – объем образца, см3.
Затем определяют относительную плотность образца, т.е.
долю объема, занимаемого материалом, по формуле:
𝜸о
𝜽=
× 𝟏𝟎𝟎 (%)
𝜸м
где  - относительная плотность образца, %; 0 – плотность
образца , г/см3; м – плотность материала поливинилхлорида,
г/см3 (м = 1,40 г/см3).
Далее определяют разрушающую нагрузку при испытании
образца поливинилхлорида на сжатие. Образец помещают на
плиту испытательной машины и медленно увеличивают нагрузку. При этом определяется величина нагрузки Fразр, при которой
происходит разрушение образца путем образования и развития
трещин.
Группе студентов из 3–5 человек выдается одно из следующих практических заданий:
Задание 1. Прессование при давлении 20 МПа, спекание и
горячее прессование при давлении 50 МПа.
Задание 2. Прессование при давлении 10 МПа, спекание и
горячее прессование при давлении 100 МПа.
201
,%
0,г/см3
Р,г
V,см3
Н,см
Д,см
Характеристики образцов поливинилхлорида
Режимы изготовления образцов
Характеристики образцов
ПрессоСпекание
Горячее
вание
прессование
р, МПа
t,
р,
t, 0С
,
0
МПа
С
мин
Fразр,кг
Задание 3. Прессование при давлении 10 МПа, спекание и
горячее прессование при давлении 150 МПа.
Задание 4. Прессование при давлении 60 МПа, спекание и
горячее прессование при давлении 200 МПа.
Результаты проведенной работы представляются в форме
таблицы, приведенной ниже. Полученные данные о величине
нагрузки Fразр представляются в виде графика зависимости Fразр
от относительной плотности  образцов поливинилхлорида.
Форма таблицы для отчета:
4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Итоги проведенной работы оформляют в виде отчета, который должен содержать следующие разделы:
1. Цель работы.
2. Оборудование, приборы и материалы, использованные при
выполнении работы.
3. Теоретические положения: основные понятия о строении и
физических состояниях некристаллических полимерных материалов, термомеханическая кривая.
4. Методика проведения работы и полученные результаты.
Описание последовательности изготовления образцов. Таблица
полученных результатов опыта для данного задания. График
зависимости разрушающей нагрузки от относительной плотности образца. Этот график строится по данным всех четырех заданий.
В конце занятия преподаватель путем устного опроса проверяет усвоение знаний студентами по вопросам для самопровер202
ки. Оформленные отчеты проверяются и подписываются преподавателем.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какое строение макромолекул имеют полимерные материалы?
2. Какие надмолекулярные структуры имеют некристаллические полимеры?
3. Какую термомеханическую кривую имеют полимеры с линейным
строением макромолекул?
4. Какими свойствами характеризуются полимеры в высокоэластичном физическом состоянии?
5. Какими свойствами характеризуются полимеры в стеклообразном
физическом состоянии?
203
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 24
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПОЛИМЕРНЫХ
МАТЕРИАЛОВ КРИСТАЛЛИЧЕСКИ-АМОРФНОГО
СТРОЕНИЯ
Цель работы - ознакомиться с термической обработкой машиностроительных полимерных материалов.
1.
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Полимерные материалы характеризуются большой молекулярной массой и наличием в структуре длинных макромолекул
из многократно повторяющихся элементарных звеньев, которые
связаны между собой ковалентными направленными связями.
Между цепями действуют более слабые межмолекулярные силы
Ван-дер-Ваальса.
Полимеры имеют аморфное или кристаллическое состояние.
Кристаллический полимер в отличие от аморфного характеризуется наличием дальнего порядка в расположении цепей и звеньев макромолекул в трех измерениях. В аморфном состоянии
дальний порядок отсутствует. Кристаллический полимер всегда
имеет в структуре некоторое количество аморфных областей.
Рис. 21.1. Физические состояния полимерных материалов
Аморфные полимеры в зависимости от температуры находятся в одном из трех физических состояний: I – стеклообраз204
ное; II – высокэластичное; III – вязко-текучее (рис. 24.1). Температуры стеклования Тст и текучести Ттек характеризуют переход полимеров из одного состояния в другое. Кристаллические
полимеры 2 имеют малую деформацию до Тпл.
Термическая обработка полимеров позволяет изменять их
структуру путем нагрева до определенной температуры и последующего охлаждения. Различают следующие основные виды
термической обработки: 1 – отжиг; 2 – закалка; 3 – нормализация (рис. 24.2).
Рис. 24.2. Схемы основных видов термической обработки
полимерных материалов
Отжиг – нагрев до повышенных температур с медленным
охлаждением. В процессе медленного охлаждения происходит
кристаллизация, и формируется структура с большим количеством кристаллических областей. Отжиг приводит к увеличению прочности и твердости полимеров.
Закалка – нагрев до повышенных температур и быстрое
охлаждение. В процессе быстрого охлаждения кристаллизация
не успевает произойти, и в структуре формируется повышенное
количество аморфных областей. Закалка снижает твердость и
хрупкость полимеров.
Нормализация – нагрев выше температуры стеклования на
20…30 0С и медленное охлаждение; применяется для уменьшения внутренних напряжений.
Примерами полимеров кристаллически-аморфного строения
являются фторопласт, полиамиды, полиэтилен, полистирол.
Фторопласт имеет строение элементарного звена –СF2– и
большую молекулярную массу (более 500000). В структуре
205
фторопласта содержится 56…58 % кристаллических областей.
Аморфные области фторопласта находятся в высокоэластичном
физическом состоянии в интервале температур от 327 0С до
112 0С. Только при температурах ниже tст = 1120С фторопласт
в аморфных областях переходит в стеклообразное физическое
состояние.
При нагреве выше температуры плавления кристаллических
областей (tпл = 327 0С) фторопласт вследствие большой молекулярной массы и высокой вязкости расплава не переходит в вязко-текучее состояние. Температура начала разложения (химического разрушения) фторопласта составляет около 400°С.
Характерными свойствами фторопласта являются высокая
химическая стойкость, небольшой коэффициент трения, теплостойкость при нагреве до 300 °С, т.е. способность сохранять до
этой температуры комплекс присущих фторопласту механических свойств. При комнатной температуре фторопласт имеет
низкую твердость (НВ 3…4) и высокую вязкость (при испытании на ударную вязкость образцы не ломаются, а только изгибаются). Это объясняется наличием в структуре значительного
количества аморфных областей в высокоэластичном физическом состоянии. Термическая обработка фторопласта не оказывает большего влияния на структуру и механические свойства.
Широкое применение в машиностроении имеют полиамиды
(капрон и др.), обладающие высокими механическими свойствами, низким коэффициентом трения. Одним из представителей полиамидов является поли -- капронамид, строение которого состоит из элементарных звеньев ––NH(CH2)5 – CO – .
Этот полиамид имеет температуру плавления кристаллических
областей tпл = 225°С; для аморфных областей температура текучести tтек = 210°С, температура стеклования tст = 40°С и температура хрупкости tхр=– 70°С. То есть, аморфные области полиамида при комнатной температуре находится в стеклообразном физическом состоянии и способны к вынужденноэластичной деформации. В зависимости от термической обработки в структуре полиамидов содержится до 65…70 % кристаллических областей.
206
2. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ
Лабораторные печи, емкость с кипящей водой, бачки с холодной водой и минеральным маслом, твердомер с нестандартными наконечниками, образцы полимеров кристаллически –
аморфного строения: капрон, фторопласт.
3.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ И
ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Для выполнения работы группе студентов выдаются образцы
полимерного материала кристаллически-аморфного строения
(полиамиды, фторопласт и др.) Образцы нагреваются в лабораторных муфельных электропечах до заданной температуры, выдерживаются и охлаждаются в воде (закалка) или вместе с печью (отжиг), либо проводится нормализация (нагрев до 100 0С
осуществляют в кипящей воде). Режимы термической обработки и ориентировочное количество кристаллических областей в
структуре приведены в табл. 24.1. После термической обработки измеряется твердость.
Таблица 24.1. Режимы термической обработки полимерных материалов
Полимерный матеt,
Время, Охлаждающая
Количество кри0
риал
С
среда
сталлических
мин/мм
областей, %
Фторопласт – 4
300
10
с печью
56…58
в воде
48…50
Полиамиды (капрон 100
10
с печью
65…70
и др.)
в воде
45…50
Практические задания приведены ниже.
Задание 1. Изучение влияния охлаждающей среды на
твердость капрона. Три образца капрона нагреть до температуры 100 0С, выдержать 30 мин и охладить, соответственно,
первый образец в холодной воде, второй в минеральном масле и
третий в среде, в которой проводился нагрев. Перед измерением
твердости все образцы окончательно охладить в холодной воде.
Полученные данные представить в виде диаграммы.
207
Задание 2. Влияние времени выдержки при температуре
термической обработки на твердость капрона. Четыре образца нагревают при температуре 100 0С и выдерживают, соответственно, 5, 10, 25, 40 мин с последующим охлаждением в холодной воде. После измерения твердости строится график зависимости твердости от времени выдержки при термообработке.
Задание 3. Влияние времени старения закаленного капрона при комнатной температуре на твердость. Четыре образца нагревают при температуре 100 0С с выдержкой 40 мин,
охлаждают в воде и измеряют твердость. Далее проводят старение при комнатной температуре в течение 10, 25, 35 и 45 мин. и
измерение твердости.
Полученные данные представляют в виде графика зависимости твердости от времени старения.
Задание 4. Изучение влияния охлаждающей среды на
твердость фторопласта. Три образца фторопласта нагреть до
температуры 300 0С с выдержкой 25 мин, охладить, соответственно, первый образец в холодной воде, второй образец в минеральном масле и третий вместе с печью. После измерения
твердости полученные данные представить в виде диаграмм.
Полученные результаты оформить в виде таблицы:
Влияние термической обработки на твердость полимера.
Вид
Режим термообработки
Твердость HR
термообработки Т, 0С , мин Охлаждающая среда
до
после
Т.О.
Т.О.
4.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Итоги проведенной работы оформляют в отчете, который
должен содержать следующие разделы:
1. Цель работы.
2. Оборудование, приборы и материалы, использованные при
выполнении работы.
3. Теоретические положения: понятие о строении и физических
состояниях термопластичных полимерных материалов, виды
термической обработки полимеров кристаллически-аморфного
строения.
208
4. Методика проведения работы и полученные результаты. Задание по термической обработке полимера. Таблица результатов, графики, диаграммы. Выводы по работе.
В конце занятия преподаватель путем устного опроса проверяет усвоение знаний по вопросам для самопроверки. Оформленные отчеты проверяются и подписываются преподавателем.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие виды термической обработки могут применяться для полимерных материалов?
2. Как изменяется структура при закалке полимеров?
3. Какая температура нагрева принимается в случае отжига полимеров?
4. Какие различия в структуре между аморфными и кристаллическиаморфными полимерами?
5. Какие физические состояния имеют аморфные полимеры?
209
ЗАДАНИЯ К ДОМАШНИМ
ПРАКТИЧЕСКИМ РАБОТАМ
РАБОТА № 1
Анализ фазовых превращений
в двухкомпонентных сплавах
Задание
Выполнить анализ фазовых превращений, происходящих
при медленном охлаждении из области жидкого раствора («Ж»)
до комнатной температуры в сплаве состава Х1.
Таблица 1 Варианты заданий
№
№ рисунка и
Х1 , % (второй компонент)
варианта
диаграмма
задания
состояния
а
б
в
1
1, а: Fe-P
5
12
20
2
1, б: Cu-As
10
30
40
3
1, в: Cu-La
10
30
40
4
1, г: Al-Ca
10
25
35
5
1, д: Al-Ni
20
40
60
6
1, е: Al-Zn
20
40
60
7
1, ж: Bi-Pb
20
40
60
8
1, 3: Cu-Be
2
4
6
9
1, и: Ni-Sb
10
20
40
10
1, к: Ti-Mn
15
40
60
11
1, м: Ti-Ge
5
10
15
12
1, н: Ti-C
3
6
10
Варианты
210
а
б
в
г
д
е
Рис. 1. Диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов
к домашней работе № 1
211
ж
з
и
к
Рис. 1. Диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов
к домашней работе №1 (продолжение)
212
РАБОТА № 2
Анализ фазовых превращений
в железоуглеродистых сплавах
Задание
Выполнить анализ фазовых превращений, происходящих
при медленном охлаждении из области жидкой фазы до комнатной температуры в сплаве состава Х1 системы железоуглерод.
Варианты заданий:
№ варианта
Х1 (С,%)
№ варианта
задания
Х1 (С,%)
задания
1
0,16
13
2,60
2
0,30
14
3,00
3
0,60
15
3,30
4
0,80
16
3,60
5
1,00
17
4,00
6
1,20
18
4,30
7
1,40
19
4,60
8
1,60
20
5,00
9
1,80
21
5,30
10
2,00
22
5,60
11
2,14
23
6,00
12
2,30
24
6,40
213
РАБОТА № 3
Проектирование композиционных материалов
с короткими волокнами
Задание.
На цилиндрическую деталь летательного аппарата действует
растягивающая сила N = _________H. Деталь имеет длину L =
________мм, площадь поперечного сечения S = __________ кв.
мм., масса детали М = ______ г., рабочая температура детали t =
_________ град. С.
Требуется:
1. Выполнить для заданной детали расчеты прочности, плотности и удельной прочности без учета материала детали.
2. Выполнить проектирование композиционного материала
(КМ) для заданной детали.
Таблица 2 Варианты заданий
№ задания
L, мм S, кв.мм.
1
950
100
2
900
95
3
850
90
4
800
85
5
800
100
6
800
90
7
850
80
8
950
100
9
900
90
10
850
95
11
900
85
12
950
100
13
850
90
14
900
80
15
950
90
16
950
100
17
900
95
18
850
90
19
800
85
20
800
100
21
850
80
22
900
85
М, г
500
450
400
350
450
400
350
500
400
350
300
450
400
350
450
500
450
400
350
450
400
350
214
N, Н
60000
55000
50000
65000
60000
55000
50000
60000
55000
50000
65000
60000
55000
50000
65000
60000
55000
50000
65000
60000
55000
50000
t (раб), град.С
20
20
20
20
20
20
20
400
400
400
400
400
400
400
400
550
550
550
550
550
550
550
РАБОТА № 4
Выбор стали и термической обработки деталей машин
Задача №1:
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки
для изготовления валов диаметром 50 мм редуктора. По расчету
сталь должна иметь предел прочности:
a) не ниже 600 МПа, ударную вязкость не ниже 0,7 МДж/м2
b) не ниже 800 МПа, ударную вязкость не ниже 0,8 МДж/м2
c) не ниже 900 МПа, ударную вязкость не ниже 0,8 МДж/м2
Задача №2:
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки
для вала двигателя. Вал должен иметь предел прочности при
растяжении не ниже 700 МПа, ударную вязкость не ниже 0,7
МДж/м2 . Диаметр вала:
a) 35 мм;
b) 50 мм;
c) 120 мм.
Задача №3:
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки
для вала диаметром 60 мм двигателя. Предел текучести стали
должен быть:
a) не ниже 600 МПа, ударную вязкость не ниже 0,7 МДж/м2
b) не ниже 800 МПа, ударную вязкость не ниже 0,8 МДж/м2
Задача №4:
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки
для шатунов с поперечным сечением стержня 40 мм двигателя
внутреннего сгорания. Сталь должна иметь предел прочности
при растяжении:
a) не ниже 600 МПа, ударную вязкость не ниже 0,7 МДж/м2
b) не ниже 750 МПа, ударную вязкость не ниже 0,8 МДж/м2
c) не ниже 900 МПа, ударную вязкость не ниже 0,9 МДж/м2
215
Задача №5:
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки
для изготовления коленчатых валов с диаметром шейки 60 мм
двигателя. Предел текучести стали должен быть:
a) не ниже 600 МПа, ударную вязкость не ниже 0,7 МДж/м2
b) не ниже 750 МПа, ударную вязкость не ниже 0,8 МДж/м2
c) не ниже 850 МПа, ударную вязкость не ниже 0,9 МДж/м2
Задача №6:
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки
для вала тяжелонагруженного прицепа. Вал должен иметь предел прочности не ниже 700 МПа, ударную вязкость не ниже 0,8
МДж/м2 .
Диаметр вала: а) 40 мм; б) 75 мм; в) 150 мм.
Задача №7:
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки
для зубчатых колес редуктора диаметром 50 мм. Твердость поверхности зубьев должна быть не ниже HRC 58 … 60, толщина
поверхностного твердого слоя 0,7 … 0,9 мм.
Предел текучести в сердцевине должен быть:
a) не ниже 500 МПа;
b) не ниже 600 МПа;
c) вне ниже 800 МПа.
Задача №8:
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки
для стаканов цилиндров мощных дизельных двигателей, которые должны обладать повышенной износостойкостью поверхностного слоя (HV 1000 … 1050); толщина поверхностного твердого слоя 0,30 … 0,35 мм; предел текучести в сердцевине должен быть не ниже 750 МПа.
Задача №9:
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки
поршневых пальцев диаметром 50 мм автомобильного двигателя внутреннего сгорания. Поршневые пальцы должны иметь
216
высокую износостойкость поверхности (HRC 58 … 60), толщину поверхностного твердого слоя 1,5 … 1,8 мм. Предел текучести в сердцевине должен быть не ниже 600 МПа.
Задача №10:
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки
для зубчатых колес редуктора диаметром 30 мм. Твердость поверхности зубьев должна быть HRC 58 … 60; толщина поверхностного твердого слоя 0,30 … 0,35 мм. Предел текучести в сердцевине должен быть не ниже 700 МПа.
Задача №11:
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки
для поршневого пальца диаметром 15 мм двигателя мотоцикла.
Поршневые пальцы должны иметь высокую износостойкость
поверхности (HRC 58 … 60) и предел текучести в сердцевине
не ниже 650 МПа. Толщина поверхностного твердого слоя 1,5
… 1,6 мм.
Задача №12:
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки
для зубчатых колес диаметром 60 мм коробки перемены передач. Твердость поверхности зубьев должна быть не ниже HRC
58; толщина поверхностного твердого слоя 0,6 … 0,8 мм. Предел текучести в сердцевине должен быть не ниже 600 МПа.
217
ПРИМЕРЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ДОМАШНИХ РАБОТ
РАБОТА №1
Анализ фазовых превращений в двухкомпонентных сплавах
Задание:
Выполнить анализ фазовых превращений, происходящих
при медленном охлаждении из области жидкого раствора до
комнатной температуры в сплаве Х1 = 80% Zn системы алюминий – цинк.
Решение:
1. Вычерчиваем диаграмму фазового равновесия (рис. 2, а).
Рис. 2. Диаграмма состояния Al – Zn (а) и кривая охлаждения
для Х1 (б)
2. Анализ фазовых превращений.
2.1. Подсчитаем число степеней свободы С для сплава Х1
при различных температурах по правилу фаз: число компонентов К=2 (алюминий, цинк). Число фаз Ф и число степеней
свободы С при различных температурах:
t  t1 Ф=1 (Ж)
С = 2-1+1=2
t – переменная,
С – переменная
218
t2  t  t1 Ф=2 (Ж,)
t – переменная,
С – сonst
С = 2-2+1=1
t = t2 Ф=3 (Ж,,)
t – сonst,
С - сonst
С = 2-3+1=0
t3  t  t2 Ф=2(,)
t – переменная,
С – сonst
С = 2-2+1=1
t4  t  t3 Ф=1()
t – переменная,
С – сonst
С = 2-1+1=2
t = t4 Ф=3(,,)
t – сonst,
С – сonst
С = 2-3+1=0
t  t4 Ф=2(,)
t – переменная,
С – сonst
С = 2-2+1=1
2.2. С учетом полученных при расчетах данных о температурах представляется схема кривой охлаждения сплава
Х1 (рис. 2, б).
2.3. Запишем фазовые превращения, происходящие при медленном охлаждении сплава Х1, с указанием температур
превращений и соответствующих концентраций фаз:
𝒕𝟏 …𝒕𝟐
Ж𝟏…р →
𝜶𝟏…В
𝒕𝟐
Ж𝟏 + 𝜶В → 𝜷к
𝒕𝟏 …𝒕𝟐
Ж𝟏…𝟑 →
219
𝜷к…𝟑
𝒕𝟏
𝜷Е → 𝜶А + 𝒀с
2.4. Количество жидкой и  - твердой фаз в точке В:
8−6
8−7
𝑄ж = 6−7 × 100, % 𝑄𝛼 = 6−7 × 100, %
Количество  и  фаз в точке 5:
5−10
9−5
𝑄𝛼 =
× 100, % 𝑄𝛾 =
× 100, %
9−10
9−10
РАБОТА № 2
Анализ фазовых превращений в железоуглеродистых сплавах
Задание:
Выполнить анализ фазовых превращений, происходящих
при медленном охлаждении из области жидкого раствора до
комнатной температуры в сплаве состава Х1 = 4,6 % системы
железо – углерод.
Решение:
1. Вычерчиваем диаграмму состояния железо – углерод (рис.3).
2. Анализ фазовых превращений.
2.1. Подсчитаем число степеней свободы С для сплава Х1
при различных температурах по правилу фаз.
Число компонентов К=2 (железо, углерод). Число фаз Ф и
степеней свободы С при различных температурах:
t  t1 Ф = 1 (Ж)
С=2-1+1=2
t – переменная, С – переменная.
t2 t t1 Ф = 2 (Ж, Ц1)
t – переменная, С – const.
С=2-2+1=1
t = t2 Ф = 3 (Ж, А, Ц)
t – const, С – const.
С=2-3+1=0
220
t4 t t2 Ф = 2 (А, Ц)
t – переменная, С – const.
С=2-2+1=1
t = t4 Ф = 3 (А, Ф, Ц)
t – const, С – const.
t  t4 Ф = 2 (Ф, Ц)
t – переменная, С – const.
С=2-3+1=0
С=2-2+1=1
Рис. 3. Диаграмма фазового равновесия железо-углерод
2.2. С учетом полученных при расчетах данных о температурах представляется схема кривой охлаждения сплава Х1
(рис. 4).
221
Рис. 4. Кривая охлаждения сплава Х1
2.3. Запишем фазовые превращения, происходящие при медленном охлаждении сплава Х1, с указанием температур превращений и соответствующих концентраций фаз:
𝒕𝟏 …𝒕𝟐
Ж𝟏…с →
𝒕𝟐
Ц𝟏…𝑭
ЖС → АЕ + Ц𝑭
𝒕𝟐 …𝒕𝟑
𝑨𝑬…𝑺 →
𝒕𝟒
Ц𝑭…𝑲
𝑨𝑺 → Ф р + Ц к
𝒕𝟒 …𝒕𝟏𝟎
Ф𝑷…𝑸 →
Ц𝑹…𝑳
2.4. Количественные расчеты для сплава Х1 по правилу отрезков:
В точке 12
12 − 11
𝑄Ж =
× 100, %
10 − 11
10 − 12
𝑄Ц =
× 100, %
10 − 11
В точке 3
3−7
𝑄А =
× 100%
6−7
6−3
𝑄Ц =
× 100%
6−7
222
В точке 5
5−9
𝑄Ф =
× 100%
8−9
8−5
𝑄Ц =
× 100%
8−9
РАБОТА № 3
Проектирование композиционных материалов
с короткими волокнами
Задание № 1:
На цилиндрическую деталь летательного аппарата действует растягивающая сила N = 55000 (Н). Деталь имеет длину L = 900 (мм);
площадь поперечного сечения S = 95 (мм2); масса детали М = 450 (г);
рабочая температура детали t = 900 0С.
Требуется:
1. Выполнить для заданной детали расчеты прочности, плотности и
удельной прочности без учета материала детали.
2. Выполнить проектирование композиционного материала (КМ) для
заданной детали.
Рис. 5 Деталь аппарата
Расчет № 1
1. Рассчитываем предел прочности при растяжении:
𝑵
𝟓𝟓𝟎𝟎𝟎
[𝝈𝒑 ] = =
= 𝟓𝟕𝟖, 𝟗 МПА
𝑺 𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟎𝟗𝟓
2. Определяем верхнее и нижнее значение плотности детали (плотность КМ допускается меньше на 10%):
223
𝑴
𝟎, 𝟒𝟓
кг
=
=
𝟓𝟐𝟔𝟑
𝑽 𝟎, 𝟖𝟓𝟓 × 𝟏𝟎−𝟒
м𝟑
𝟏𝟎
кг
𝑮𝒎𝒊𝒏 = 𝑮𝒎𝒂𝒙 −
𝑮𝒎𝒂𝒙 = 𝟓𝟐𝟔𝟑 − 𝟎, 𝟏 × 𝟓𝟐𝟔𝟑 = 𝟒𝟕𝟑𝟕 𝟑
𝟏𝟎𝟎
м
3. Рассчитываем верхнее и нижнее значение удельной прочности:
|𝝈𝒑 | 𝟓, 𝟕𝟗 × 𝟏𝟎𝟖
Нм
𝝈𝒎𝒂𝒙
= 𝟎, 𝟏𝟐𝟐 × 𝟏𝟎𝟔
уд = 𝒎𝒊𝒏 =
𝑮
𝟒𝟕𝟑𝟕
кг
𝒑|
𝟖
|𝝈
𝟓,
𝟕𝟗
×
𝟏𝟎
Н
м
𝝈𝒎𝒊𝒏
= 𝟎, 𝟏𝟏 × 𝟏𝟎𝟔
уд = 𝒎𝒂𝒙 =
𝑮
𝟓𝟐𝟔𝟑
кг
𝑮𝒎𝒂𝒙 =
Расчет № 2
Расчеты КМ для данной детали:
Материал матрицы – УУМ. Материал волокон – Al2О3.
1. Расчет критической длины волокон:
Н
√𝟐
= 𝟐𝟒𝟕, 𝟓 × 𝟏𝟎𝟔 𝟐
𝟐
м
𝟔
𝟑𝟒𝟎𝟎
×
𝟏𝟎
= 𝟐𝟖 × 𝟏𝟎−𝟕 ×
= 𝟏𝟗𝟐, 𝟑 мкм
𝟐 × 𝟐𝟒𝟕, 𝟓 × 𝟏𝟎𝟔
𝑻гр = 𝝈Вт 𝐜𝐨𝐬 𝟒𝟓° = 𝟑𝟓𝟎 × 𝟏𝟎𝟔 ×
𝑳𝒌𝒑𝒇 = 𝑫𝒇 ×
𝝈𝑩𝒇
𝟐𝑻гр
2. Рассчитываем объемную концентрацию волокон:
[𝝈𝒑 ] − 𝝈Вт
𝟓, 𝟕𝟖𝟗 × 𝟏𝟎𝟖 − 𝟑, 𝟓 × 𝟏𝟎𝟖
𝑽𝒇𝒎𝒊𝒏 =
=
𝑳𝒌𝒑𝒇
𝟏𝟗𝟐, 𝟑 × 𝟏𝟎−𝟖
− 𝟑, 𝟓 × 𝟏𝟎𝟖
𝑻гр ×
− 𝝈Вт 𝟐, 𝟒𝟕 × 𝟏𝟎𝟖 ×
𝑫𝒇
𝟐𝟖 × 𝟏𝟎−𝟕
𝟐, 𝟐𝟖𝟗
=
= 𝟎, 𝟏𝟕 = 𝟏𝟕%
𝟏𝟑, 𝟒𝟔
3. Рассчитываем плотность спроектированного КМ:
𝑮КМ = 𝑮т × (𝟏 − 𝑽𝒇 ) + 𝑮𝒇 × 𝑽𝒇 = 𝟏𝟗𝟑𝟎(𝟏 − 𝟎, 𝟏𝟕) + 𝟑𝟗𝟔𝟎 × 𝟎, 𝟏𝟕
кг
= 𝟐𝟐𝟕𝟓 𝟑
м
4. Расчет удельной прочности спроектированного КМ:
𝝈КМ
𝟓𝟕𝟖, 𝟗 × 𝟏𝟎𝟔
кДж
В
𝝈КМ
=
=
= 𝟎, 𝟐𝟓𝟒
уд
КМ
𝑮
𝟐𝟐𝟕𝟓
кг
224
5. Проверяем выполнение необходимого условия для спроектированного КМ:
кДж
кДж
𝝈КМ
> 𝝈𝒎𝒊𝒏
уд = 𝟎, 𝟐𝟓𝟒
уд = 𝟎, 𝟏𝟏𝟎
кг
кг
Неравенство выполняется. Делаем вывод, что КМ спроектирован правильно.
РАБОТА № 3
Проектирование композиционных материалов
с короткими волокнами
Задание № 2:
На цилиндрическую деталь летательного аппарата действует
растягивающая сила N=65000 Н. Деталь имеет длину L = 800 мм;
площадь поперечного сечения S=85 кв. мм.; масса детали М = 350 г;
рабочая температура детали t=250 0С.
Требуется:
1. Выполнить для детали расчеты прочности, плотности и
удельной прочности без учёта материала детали.
2. Выполнить проектирование композиционного материала
(КМ) для заданной детали.
Исходные данные: N = 65000 Н; М = 0,35 кг; L = 0,8 м; t
=2500С; S =85.10-6 мм2.
Выполнение расчетов:
Часть 1.
1. Определяем расчётное напряжение растяжения в детали:
𝑵
𝝈в = = 𝟕, 𝟔𝟒𝟕 × 𝟏𝟎𝟖 Па
𝑺
2. Определяем верхнее и нижнее значения плотности детали:
𝑴
кг
𝜸𝒎𝒂𝒙 =
= 𝟓, 𝟏𝟒𝟕 × 𝟏𝟎𝟑 𝟑
𝑺𝑳
м
𝜸𝒎𝒂𝒙
кг
𝜸𝒎𝒊𝒏 = 𝜸𝒎𝒂𝒙 − 𝟏𝟎𝟎
× 𝟏𝟎 = 𝟒, 𝟑𝟔𝟐 × 𝟏𝟎𝟑 м𝟑
3. Вычисляем верхнее и нижнее значения удельной прочности:
225
𝝈в
= 𝟏, 𝟒𝟖𝟔 × 𝟏𝟎𝟓
𝜸𝒎𝒂𝒙
𝝈в
=
= 𝟏, 𝟔𝟓𝟏 × 𝟏𝟎𝟓
𝜸𝒎𝒊𝒏
𝝈уд 𝒎𝒊𝒏 =
𝝈уд 𝒎𝒂𝒙
Дж
кг
Дж
кг
Часть 2.
Выбираем в качестве материала матрицы алюминиевый высокопрочный сплав 1950 (В95).
Характеристики материала:
кг
Дж
Дж
𝜸 = 𝟐𝟖𝟎𝟎, 𝟑 ; 𝑾т = 𝟑𝟎𝟎 × 𝟏𝟎𝟑 ,
; 𝑾экстр = 𝟐 × 𝟏𝟎𝟔 ,
; 𝝈Вт
м
кг
кг
кг
= 𝟔𝟎𝟎 × 𝟏𝟎𝟔 , Па; 𝑮т = 𝟐𝟖𝟎𝟎, 𝟑
м
Выбираем в качестве наполнителя керамические волокна Al2О3.
Характеристики наполнителя:
кг
𝒅𝒇 = 𝟏𝟐𝟕 × 𝟏𝟎−𝟔 , м; 𝝈𝒇 = 𝟐𝟒𝟏𝟎 × 𝟏𝟎𝟔 , Па; 𝑮𝒇 = 𝟑𝟗𝟔𝟎, 𝟑 ; 𝑾𝒇
м
кДж
= 𝟗𝟓𝟎,
кг
1. Расчёт критической длины волокон:
𝒅𝒇 × 𝝈𝒇
𝝅
𝑳КР =
, где 𝑻ГР = 𝝈Вт 𝐜𝐨𝐬
𝟐𝑻ГР
𝟒
𝑳КР = 𝟑, 𝟔𝟎𝟕 × 𝟏𝟎−𝟒 м
2. Расчёт минимальной объёмной концентрации волокон:
𝜎В − 𝜎Вт
7,647 × 108 − 600 × 106
𝑉𝑓𝑚𝑖𝑛 =
=
6
𝑇ГР × 𝐿КР
× 10−4
− 𝜎Вт 423,2 × 10 × 3,607
− 600 × 106
−6
𝑑𝑓
127 × 10
= 0,272
𝑉𝑓𝑚𝑖𝑛 = 27,2%
3. Расчёт удельных энергетических затрат на изготовление материалов матрицы и волокна:
Дж
𝑾кт = 𝑾𝒇 × 𝑽𝒇 + 𝑾т × (𝟏 − 𝑽𝒇 ) = 𝟐, 𝟏𝟖𝟔 × 𝟏𝟎𝟓
кг
4. Расчёт общих энергетических затрат на изготовление детали из
проектируемого КМ:
226
𝑾общ = 𝑾кт + 𝑾экстр = 𝟐, 𝟐𝟏𝟗 × 𝟏𝟎𝟔
5. Расчёт плотности спроектированного КМ:
Дж
кг
кг
м𝟑
6. Расчёт удельной прочности для спроектированного КМ:
𝜎в
Дж
𝜎удкт =
= 2,454 × 105
𝐺км
кг
Имеем
Дж
Дж
𝜎удкт = 2,454 × 105
; 𝜎уд 𝑚𝑖𝑛 = 1,486 × 105
кг
кг
𝑮кт = 𝑮𝒇 × 𝑽𝒇 + 𝑮т × (𝟏 − 𝑽𝒇 ) = 𝟑, 𝟏𝟏𝟔 × 𝟏𝟎𝟑 ,
Как видно 𝜎удкт > 𝜎уд 𝑚𝑖𝑛 .
Вывод: Расчёт удельной прочности показывает, что для спроектированного КМ выполняется требование по удельной прочности.
Таким образом, для изготовления детали можно выбрать матрицу из
сплава 1950 (В95), наполнитель из керамических волокон Al2О3 диаметром 127 мкм и длиной 364 мкм при концентрации 27,2 об. %.
РАБОТА № 4
Выбор стали и термической обработки деталей машин.
Задание № 1:
На вал машины диаметром 40 мм действуют напряжения кручения
и изгиба. Предел текучести материала в середине детали должен быть
0,2  800 МПа.
Требуется:
1. Обосновать выбор упрочняющей термической обработки детали.
2. Обосновать выбор группы и марки стали.
3. Обосновать условия и режим термообработки.
4. Выбрать нагревательное устройство.
5. Составить технологическую маршрутную карту обработки детали.
227
Решение:
Исходя из условий задачи видно, что на деталь действуют напряжения изгиба и кручения, т.е. деталь находится в сложнонапряженном
состоянии. Принимаем объемное упрочнение и назначаем термическую обработку, состоящую из полной закалки и высокого отпуска.
Используем группу улучшаемых конструкционных сталей, у которых прокаливаемость при закалке не менее 40 мм. Исходя из заданных
численных значений предела текучести 0,2  800 МПа, принимаем
группу стали для высоконагруженных деталей машин. Предварительно выбираем хромоникелевую сталь марки 40ХН. Проверка по справочным данным показала, что использование стали 40ХН при d = 40
мм обеспечивает 0,2  800 МПа. После проведенного анализа назначаем окончательно марку стали 40ХН и операции упрочняющей термической обработки, включающие полную закалку и высокий отпуск.
Назначаем режимы термической обработки.
Режим закалки:
Температура нагрева:
𝑡нагр = 𝑡𝐴𝑐3 + (30 … 50) = 820 + (30 … 50) = 850 … 870° 𝐶
время нагрева и выдержки для размера сечения 40 мм составляет
при норме 1 мин./мм:
1 мин⁄мм × 40мм = 40 мин
Охлаждающая среда – минеральное масло.
Режим отпуска:
По справочным материалам для стали 40ХН с целью обеспечения
𝜎0,2 ≥ 800 МПа назначаем температуру отпуска 550 0С. В качестве
нагревательных устройств принимаем:
Закалка: камерная печь серии СНО с электрическим нагревом и
воздушной атмосферой типа СНО-4.8.2,5/10, tmax=1000 0С.
Отпуск: шахтная печь серии ПН с электронагревом и воздушной
атмосферой типа ПН-32, tmax=650 0С.
Составим технологическую маршрутную карту на операции термообработки.
228
Таблица 3 Маршрутная карта термической обработки
Разраб.
Коробова Н.В.
НГТУ
Согл.
Утв.
Сорокин В.К.
Вал
МО1
Сталь 40ХН ГОСТ4543-71
МО2
А 03
Закалка полная
Б 04
Электропечь СНО-4.8.2,5/10
О 05
Закалить деталь
Т 06
Поддон
07
А 08
Отпуск высокотемпературный
Б 09
Электропечь ПН-32
О 10
Отпустить деталь
Т 11
Корзинка, подвеска
12
13
14
15
МК
0,2 = 800 МПа,
d=40 мм
Задание № 2:
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для
зубчатых колес диаметром 60 мм коробки перемены передач. Твердость поверхности зубьев должна быть не менее HRC 58; толщина
поверхностного твердого слоя 0,8…1,0 мм.
Предел текучести в сердцевине должен быть не менее 600 МПа.
Требуется:
 обосновать выбор марки стали, упрочняющей термической обработки.
 назначить режимы проведения обработки, нагревательные
устройства.
 составить технологическую маршрутную карту термической обработки детали.

Решение: В соответствии с заданием выбираем поверхностное
упрочнение: цементация, закалка и низкий отпуск. Типовая глубина
упрочняемого слоя в данном случае составит 1,5…1,8 мм, что удовлетворяет заданным условиям. Выбираем сталь марки 20Х.
229
Упрочнение детали осуществляется проведением цементации, закалки и низкого отпуска. В соответствии со справочными данными
это позволяет получить для стали 20Х предел текучести 0,2 = 700
МПа.
Принимаем на основе анализа цементуемую сталь 20Х.
Назначение режимов термообработки.
- Режим цементации:
Температура нагрева – 930 0С; время цементации составит 9 часов;
науглероживающая среда – эндогаз.
- Режим закалки:
Температура нагрева – 850 0С; среда охлаждения – минеральное
масло.
- Режим отпуска:
Закаленные детали подвергают отпуску при 160…180 0С в течение
1 часа.
Выбор нагревательных устройств.
- Цементация.
Шахтная печь Ц-105. Вид нагрева – электрический. Атмосфера –
науглероживающая. Максимальная температура 950 0С.
- Закалка.
Камерная печь СНО-4.8.2,5/10. Вид нагрева – электрический. Атмосфера – воздушная. Максимальная температура 1000 0С.
- Отпуск.
Шахтная печь ПН-32. Вид нагрева – электрический. Атмосфера –
воздушная. Максимальная температура 650 0С.
Составляем технологическую маршрутную карту на операции цементации и термической обработки цементованных деталей.
230
Таблица 4 Маршрутная карта термической обработки
Разраб.
Сдобняков Е.В.
НГТУ
Согл.
Утв.
Сорокин В.К.
Зубчатое колесо
МО1
Сталь 20Х ГОСТ4543
Диаметр 60 мм
МО2
0,2 = 800 МПа,
А 03
Цементация
Б 04
Шахтная печь Ц-105
О 05
Цементовать деталь
Т 06
Корзинка, подвеска
07
А 08
Закалка
Б 09
Электропечь СНО-4.8.2,5/10
О 10
Закалить деталь
Т 11
Поддон
12
А 13
Отпуск высокотемпературный
Б 14
Электропечь ПН-32
О 15
Отпустить деталь
МК
231
Приложение 1
Справочные материалы
Таблица П1. Нагревательные устройства термических производств машиностроения (примеры)
Обозначение
серии
Тип нагревательного
устройства
СНО
СН3
СНО4.8.2,5/10
СН3-3.6.2/10
ОКБ
ОКБ-210
СШ3
СШ3-6.6/7
Конструкция
устройства
Максимальная рабочая
температура,
0
С
Вид нагрева – электрический
камерная
воздушная атмо1000
сфера
камерная
защитная атмо1000
сфера
камерная
защитная атмо1300
сфера
шахтная
защитная атмо700
сфера
Характер среды
Назначение
при термообработке
закалка,
отжиг
закалка,
отжиг
закалка
ПН
ПН-32
шахтная
воздушная атмосфера
650
Ш
Ш-30
шахтная
950
Ц
Ц-105Б
шахтная
950
цементация
США
СВС
США-6.6/6
СВС-2.4.4/10
600
1000
азотирование
закалка
СВГ
СВГ-20/8,5
шахтная
ванна
электродная
печь-ванна
воздушная атмосфера
науглероживающая атмосфера
аммиак
расплавленная
соль
отпуск
закаленных изделий
отпуск
закаленных изделий
закалка
850
отпуск
закаленных
изделий
МГ3
МГ3-208АК
расплавленная
соль
Вид нагрева – индукционный
машинный
воздух
частота тока
генератор
8000 Гц
ТВЧ
поверхностная
индукционная
закалка
Таблица П2. Время нагрева и выдержки в электрических и газовых печах, соляных ваннах при закалке стали
Сечение поперечное
(диаметр
детали), мм
25
50
100
150
200
Печи
электрические
Нагрев и
выдержка
1,0 на 1 мм
сечения
Продолжительность, мин
Печи газовые
Нагрев
Выдержка
20
40
80
120
160
5
10
20
30
40
232
Соляные ванны
(жидкая среда)
Нагрев
Выдержка
7
17
33
50
65
3
8
17
25
35
Таблица П3. Группы улучшаемых конструкционных сталей по степени
нагруженности деталей машин и механическим свойствам после закалки и
высокого отпуска
Улучшаемые стали
Механические свойства
(основные разновидности, примеры марок)
сердцевины
Предел
Предел
прочности,
текучести,
в, МПа
0,2, МПа
1. Малонагруженные детали машин (прокаливаемость при закалке в сечениях до
10-12 мм; 0,2  600 МПа).
Углеродистые стали марок 35,40,45
600…700
400…600
2. Средненагруженные детали машин (прокаливаемость при закалке в
сечениях до 20-50 мм; 0,2  850 МПа).
Хромистые: 40Х, 45Х
900…1100
700…850
Марганцовистые: 45Г2
Хромомарганцовистые (дополнительно вводят титан
или бор): 30ХГТ; 40ХГР
3. Высоконагруженные детали машин (прокаливаемость при закалке в
сечениях до 75-100 мм; 0,2  1100 МПа).
Хромоникелевые: 40ХН
1000…1200
800…1100
Хромоникельмолибденовые: 40ХН2М
Хромоникельмолибденованадиевые: 38ХН3МФА
Предназначены
для деталей с поперечным сечением, мм
Среднее значение
критического
диаметра, мм**
tзак, 0С
Оптовая
цена*
Марка улучшаемой стали
Таблица П4. Механические свойства некоторых типовых конструкционных
среднеуглеродистых сталей после закалки и высокого отпуска при температуре
540…600 0С
Механические свойства
0,2,
МПа
в, МПа
НВ
40
1,0
830
12
15…20
450
660
167…207
45
1,0
810
12
15…20
490
730
205…210
40Х
1,2
860
15
25…35
800
900
163…168
40ХН
1,6
820
25
50…75
800
1000
166…170
30ХГС
1,4
880
25
50…75
980
1080
207…217
40ХН2М
2,1
850
100
75…100
950
1050
280…310
38ХН3МФА
2,6
850
100
100…200 1070
1150
230
Примечания:
* Относительные единицы: за 1,0 принята оптовая цена углеродистой качественной
стали;
** Диаметр образца, закаливающегося насквозь с получением в центре микроструктуры из 90% мартенсита и 10% троостита.
233
Таблица П5. Основные способы поверхностного упрочнения деталей машин
Типовая глубина
Упрочняющая обработка
Твердость
упрочняемого
поверхностного слоя
слоя, мм
HV
HRC
0,1…0,2
Борирование
1800…2000
0,3…0,5
Азотирование
850…1050
65…68
0,2…0,8
Нитроцементация, закалка и низкий
58…64
отпуск
0,5…1,0
Лазерное термоупрочнение
950…1200
67…72
1,5…1,8
Цементация, закалка и низкий отпуск
58…62
1,5…2,0
Объемно-поверхнастная
58…61
закалка и низкий отпуск
1,6…5,0
Поверхностная индукционная
45…55
закалка ТВЧ и низкий отпуск
Таблица П6. Группы цементуемых конструкционных сталей по степени
нагруженности деталей машин и механическим свойствам сердцевины деталей
после цементации, закалки и низкого отпуска
Типовые примеры
Механические свойства сердмарок цементуемых сталей
цевины
деталей
Предел проч- Предел текуности
чести
в, МПа
0,2, МПа
1. Малонагруженные детали машин (прокаливаемость при закалке малая; 0,2 
300 МПа)
Углеродистые стали марок 10, 15, 20
380…460
245…300
2. Средненагруженные детали машин (прокаливаемость при закалке в
сечениях 10…20 мм; 0,2  700 МПа)
Легированные стали марок 15Х, 20Х, 15ХР, 20ХН и
730…830
590…700
др.
3. Высоконагруженные детали машин (прокаливаемость при закалке в зависимости от марки стали от 20 до 100 мм; 0,2  1080 МПа)
Легированные стали марок 25ХГТ, 20ХГР, 25ХГМ,
980…1270
830…1080
12ХН3А, 12Х2Н4А, 15ХГН2ТА, 20ХН2М и др.
234
Таблица П7. Характеристики основных видов поверхностного упрочнения
Операции
Типовая
Твердость
ПопеПредел теПримеупрочняющей
глубина
поверхностречное
кучести
ры
термической
упрочняеного слоя
сечение
сердцевины
типовых
обработки
мого слоя
детали,
марок
HV
HRC
0,2, МПа
мм
сталей
Химико-термическая обработка
Цементация,
1,5…1,8
58…62
До
390…830
20Х,
закалка и низ50…60
25ХГТ,
кий
20ХН2
отпуск
М
и др.
Нитроцемен0,2…0,8
58…64
До 30
930
35Х,
тация, закалка
25ХГМ,
и низкий
и др.
отпуск
Борирование
0,1…0,2
1800
До 150
Зависит от
Кон…
марки
струк2000
стали и тер- ционные
мообработстали
ки
(40Х,
30ХГСА
и др.)
Азотирование
0,3…0,5
850 65…68
До
880…590
38Х2М
…
60…200
ЮА и
1050
др.
Поверхностная термическая обработка
Поверхностная
1,6…5,0
45…55 40…100
375
40Х, 45
индукционная
и др.
закалка (закалка с нагревом
ТВЧ) и низкий
отпуск
Объемно1,5…2,0
58…61
6
1850
55ПП
поверхностная
индукционная
закалка с глубинным нагревом и низкий
отпуск
Лазерная за0,5…1,0
950 67…72 16…25
460…780
45, 45Х
калка (термо…
и др.
упрочнение) и
1200
низкий отпуск
235
Таблица П8. Механические свойства в сердцевине некоторых типичных цементуемых сталей после цементации и низкого отпуска при 180…200 0С (по данным
Ю.М. Лахтина)
Марка
Рекомендуемое максималь- Температура
Механические свойства
стали
ное поперечное рабочее
закалки, 0С
в,
0,2,
, ,
сечение, мм
МПа
МПа
% %
20Х
35
820
650
800
11 40
18ХГТ
35
870
900
1000
9 50
20ХГР
40…60
880
800
1000
9 50
20ХГМ
60…80
860
1100
1200
10 45
30ХГТ
60…80
850
1300
1500
9 40
12Х2Н4А
100…120
800
110
1300
9 45
18Х2Н4МА
более 120
860
850
1150
12 50
Таблица П9. Данные по поверхностной индукционной закалке
Диаметр
Рекомендуемая
Глубина
Рекомендуемая частота
изделия,
глубина
закаленного
тока, Гц
мм
закаленного слоя,
слоя, мм
мм
40
1,6…3,1
1,5
25000*
60
2,3…3,9
2,0
15000*
80
2,6…4,5
3,0
8000**
100
2,9…5,0
4,0
4000**
Генератор тока:
*
ламповый или машинный;
**
машинный.
Некоторые виды поверхностного упрочнения
деталей машины
Газовая цементация. При проведении цементации используются
различные науглероживающие газы и жидкие карбюризаторы (бензол,
кероснн, синтин и др.), которые подают каплями в шахтные печи; при
их разложении образуется газ (расход газа 0,9…1,2 м3/ч). В
массовом производстве (автомобилестроение и др.) часто применяют
получаемый в генераторах эндотермический газ (эндогаз) состава
(мас. %): 19...23 СО; 1СН4; 0,2СО2; 39…44 Н2; 33…37 N2. Для эндогаза
236
существует функциональная зависимость между достигаемым при
цементации содержанием углерода в стали и количеством Н2О или
СО2 в газе, что позволяет автоматически регулировать состав газа для
получения требуемого содержания углерода в поверхностном слое
деталей (обычно 0,8...1,1 % С).
Температура газовой цементации составяяет 910...930 0С. Продолжительность процесса зависит, кроме глубины слоя, также от ряда
других факторов: состава газа, величины садки в печи, толщины деталей и др. На скорость цементации оказывает влияние и химический
состав цементуемых легированных сталей. Данные ЗИЛа при газовой
цементации деталей из стали 25ХГТ в безмуфельной печи СЩЦ при
930 0С. (табл. 14).
Таблица П10. Глубина слоя и время цементации
Глубина слоя, мм
0,5…0,7
0,6…0,9
Время цементации,
6
7
0,9…1,3
1,2…1,6
9
12
часов
В промышленности широко применяют следующую технологию
газовой цементации: первый этап – более активная цементация в смеси эндогаза с добавками природного газа; второй этап – цементация
только в эндогазе. Это сокращает общую продолжительность цементации. Для газовой цементации применяются периодические шахтные
электропечи серии Ц и печи непрерывного действия. В шахтных печах
внутрь нагревательной камеры устанавливается реторта, в которую
помещаются детали, и подается жидкий карбюризатор (40…60 капель/мин). При цементации в шахтных печах глубина слоя 1,3…1,6
мм достигается за 6…8 часов при 920 0С.
Термическая обработка цементированных деталей. При
проведении газовой цементации в печах непрерывного действия после
ее завершения, детали несколько охлаждают в печи до 830…860 °С
(подстуживание), т.е. до температуры закалки выше Ас3 сердцевины
деталей, а затем закаливают с охлаждением в минеральном масле (легированные стали). После цементации в шахтных печах детали обычно охлаждают на воздухе до комнатных температур, а далее закаливают отдельно с нагревом в других печах без защитной атмосферы.
Закаленные детали подвергают отпуску при 160…180 °С в течение
1…2 часов. Используются и другие разновидности цементации и схе237
мы термической обработки, рассматриваемые в литературе по термической обработке.
Нитроцементация. Процесс насыщения поверхностных слоев деталей углеродом (0,65…0,95 %) и азотом (0,35…0,40 %) ведется в печах непрерывного действия в газовой среде из 80…90 % зндогаза,
5…8 % природного газа; 2…7 % аммиака при 840…870 °С. Длительность процесса при 850 °С для получения слоя 0,5…0,7 или 0,8…1,0
мм составляет соответственно 5 и 9 ч. Далее детали несколько подстуживают до 820...830°С и проводят ступенчатую закалку с охлаждением в масляной или щелочной ванне ("горячая'' среда с температурой
170…190°С), а затем низкий отпуск при 160…180°С. Нитроцементация может проводиться в шахтных печах с подачей каплями жидкого
триэтаноламина (С2Н3О)N.
Азотирование деталей из легированных сталей. Процесс азотирования применяют для деталей, работающих на износ и воспринимающих знакопеременные нагрузки (детали дизелей, авиамоторов и
др.). Применение при азотировании имеет специальная сталь
38Х2МЮА и др. С целью ускорения процесса, используют двухступенчатый режим азотирования в диссоциированном аммиаке: 1 – при
500...520 °С 12 ч (степень диссоциации аммиака 20…40 %}; 2 – при
550…570 °С 42 ч (степень диссоциации 50…60 %). При этом обеспечивается глубина слоя 0,5…0,7 мм и твердость поверхностного слоя
по Виккерсу НV 950…1000. После азотирования дополнительную
термообработку не проводят. Для азотирования широко применяются
шахтные печи. Внутри нагревательной камеры устанавливается герметически закрытая реторта (муфель), в которую из баллона подается
аммиак. Аммиак при нагреве диссоциирует с образованием атомов
азота и водорода.
Снижение продолжительности азотирования в 1,6…2,0 раза достигается в случае применения ионного азотирования в тлеющем разряде.
Деталь подключают в качестве катода в цепь постоянного тока высокого напряжения 500…1500 В, а анод помещают над деталями или
вокруг них. В герметичную камеру вводят аммиак и поддерживают
низкое давление.
238
Возбуждается тлеющий разряд, атомы азота ионизируются и бомбардируют поверхность детали, нагревая ее до 500…550 °С и насыщая
азотом.
Лазерное термоупрочнение. При термической обработке лазерным нагревом используются газовые и твердотельные лазерные
установки, которые имеют системы транспортировки и фокусировки луча лазера, механизмы перемещения изделий по заданному режиму. При воздействии лазерного луча на поверхность происходит
поглощение и передача энергии высокой концентрации тонкому поверхностному слою, соответствующий нагрев выше Ас1 и Ас3, возможно плавление и переход в жидкое состояние тонкого поверхностного слоя. В процессе охлаждения нагретого участка путем теплоотвода холодной массой изделия без применения специальной охлаждающей среды, создается скорость охлаждения до 1000 градусов в
секунду (охл. крит.зак.), происходит фазовое превращение аустенита
в мартенсит, то есть закалка. Непосредственно у поверхности микроструктура состоит из мелкоигольчатого мартенсита, небольшого количества остаточного аустенита и высокодисперсных карбидов. В более глубокой переходной зоне образуется структура из мартенсита,
троостита и карбидов.
При лазерной обработке в непрерывном режиме параметрами технологии являются мощность излучения Nизд., диаметр пятна луча D,
скорость перемещения V луча относительно обрабатываемой поверхности изделия (по ГОСТ ЕСТД 3.1405-86).
Для деталей из стали 45 при Nизд = 700…1000 Вт, V = 4....12 мм/с,
глубина закаленного слоя =0,5... 1,0 мм (по данным ЭНИМС). Штампы из стали У8 обрабатывали при Nизд = 600 Вт, V =12 мм/с, D=3 мм с
получением =0,9 мм; твердость поверхности составляет НV
950…1100 МПа.
239
Приложение 2
Техника безопасности
при выполнении лабораторных работ
К лабораторным занятиям допускаются лица, прошедшие инструктаж по технике безопасности при работе в лаборатории.
В лабораторных работах данного цикла используются металлографические микроскопы, оборудование для исследования механических свойств материалов, электрические печи сопротивления, технологическое оборудование, а также водные и спиртовые растворы кислот и щелочей. При работе с ними необходимо выполнять следующие
правила:
- в лаборатории запрещается курить и принимать пищу;
- при приготовлении и переливании растворов следует использовать перчатки и воронки, которые после употребления необходимо
промывать холодной водой;
- растворы, случайно пролитые на полу или на столе, немедленно
удалить сухой тряпкой, обильно смоченной водой, защитив руки резиновыми перчатками;
- при попадании на руки растворов кислот или щелочей следует
тщательно вымыть руки с мылом, а при необходимости нейтрализовать поражённые участки кожи: при ожоге кислотой – раствором соды, при ожоге щёлочью – раствором борной кислоты;
- во избежание получения термических ожогов при работе с электропечами помещать образцы в рабочий объём печи можно только с
помощью специальных зажимных устройств;
- при неисправности электропроводки, розеток, появления запаха
горящей изоляции, искрения в местах контактов пользоваться электроприборами запрещается.
Запрещается приступать к выполнению работы без разрешени
преподавателя или учебного мастера.
Обо всех несчастных случаях, возникших при выполнении работы, необходимо немедленно сообщить преподавателю.
240
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Основная литература:
1. Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов: учеб. для студентов машиностр. спец. вузов / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюшин; под ред. Г.П.
Фетисова. – 3-е изд., испр. и доп. – М.: Высш. шк., 2005. 862 с.
2. Кикин, П.Ю. Основы лазерной обработки металлов: учебное пособие / П.Ю. Ки.
кин, В.Н. Перевезенцев, А.И. Пчелинцев, Е.Е Русин. – Нижний Новгород: изд-во
ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 2003. 67 с.
3. Спиридонов, А.А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. / А.А. Спиридонов. – М.: Машиностроение, 1981. – 184 с.
4. Андриевский, Р.А. Порошковое материаловедение / Р.А. Андриевский. М.: Металлургия, 1991. 205 с.
5. Новик, Ф.С. Планирование эксперимента на симплексе при изучении металлических систем / Ф.С. Новик. М.: Металлургия, 1985. 256 с.
6. Производство порошкового проката / В.К. Сорокин, Л.С. Шмелев, Б.Ф. Антипов
и др.; под ред. В.К. Сорокина. – М.: Металлургиздат, 2002. – 296 с.
Дополнительная литература:
1. Арзамасов, Б.Н. Материаловедение: учеб. для вузов / Б.Н. Арзамасов и др.; под
общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. – 7-е изд., стереотип. – М.: Изд-во МГТУ им.
Н.Э. Баумана, 2005. 648 с.
2. Гуреев, Д.М. Основы физики лазеров и лазерной обработки материалов: учебное
пособие / Д.М. Гуреев, С.В. Ямщиков. – Самара: изд-во «Самарский университет»,
2001. 392 с.
3. Новик Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами
планирования экспериментов. / Ф.С. Новик, Я.Б. Арсов. – М.: Машиностроение; София: Техника, 1980. – 304 с.
4. Дамбраускас, А.П. Симплексный поиск / А.П. Дамбраускас. М.: Энергия, 1979.
276 с.
5. Пористые проницаемые материалы: справочник / С.В. Белов, П.А. Витязь, В.К.
Шелег и др.; под ред. С.В. Белова. – М.: Металлургия, 1987. – 335 с.
6. Синтетические сверхтвердые материалы: в 3-х томах / Н.В. Новиков, (отв. редактор), Е.К. Бондарев, С.Т. Бура и др.. – Киев: Наукова думка, 1986. – 823 с.
241
Учебное издание
Сорокин Всеволод Константинович
Гаврилов Геннадий Николаевич
Алибеков Сергей Якубович
Крашенинникова Надежда Геннадьевна
Костромин Сергей Викторович
Терещенко Елена Григорьевна
Мальцев Илья Михайлович
Колосова Татьяна Михайловна
Теория строения материалов
Лабораторный практикум
Редактор
Л. С. Емельянова
Компьютерная рерстка и дизайн обложки
С. Н. Эштыкова
Подписано в печать 19.08.2014 .Формат 60х84 1/16.
Бумага офсетная. Печать офсетная.
Усл. печ. л. 14,18. Тираж 100 экз. Заказ № 5416
Поволжский государственный технологический университет
424000 Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3
Редакционно-издательский центр
Поволжского государственного технологического университета
424000 Йошкар-Ола, ул. Панфилова 17