Термическая обработка образцов

 

Параметры различных видов термической обработки занести в таблицу 13.1.

Таблица 13.1 – Параметры термической обработки

Вид ТО	Температура нагрева	Время нагрева	Время выдержки	Охлаждающая среда
Отжиг
Нормализация
Закалка

 

Результаты эксперимента

 

Около каждого графика зарисовать и описать структуру и объяснить ее изменения по отношению к исходному образцу с точки зрения превращений, протекающих при нагреве и охлаждении. Указать, какая структура получается в нагретом состоянии и что дает охлаждение. В таблицу 13.2 записать значения твердости термически обработанны

 

Отжиг

Нормализация

Закалка

Таблица 13.2 – Твердость термически обработанных образцов

№ образца	Вид ТО	Твердость
по Роквеллу	по Бринеллю
	Отжиг
	Нормализация
	Закалка

 

Вывод

 

Указать, как скорость охлаждения влияет на структуру и твердость углеродистой стали.

 

13.5 Контрольные вопросы

 

1. Что такое термическая обработка стали?

2. Какие превращения лежат в основе термической обработки стали?

3. Укажите параметры термической обработки.

4. Какой вид термической обработки называют отжигом? Перечислите виды отжига. Каковы цели отжига?

5. Какой вид термической обработки называют нормализацией?

6. Какой вид термической обработки называют закалкой, каковы ее цели?

7. В каких случаях применяется полная и неполная закалка?

8. Что такое отпуск и для чего он применяется?

 

Лабораторная работа № 14

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДУРАЛЮМИНА

 

Цель работы: изучить упрочняющую термическую обработку для дуралюмина.

 

Теоретические сведения

 

Дуралюмины – это деформируемые упрочняемые сплавы на основе алюминия, легированные медью, марганцем, магнием. Основной легирующий компонент – медь.

Диаграмма состояния «алюминий – медь» приведена на рис. 14.1.

 

 

Рисунок 14.1 – Диаграмма состояния «алюминий – медь»

 

Легирующие элементы при комнатной температуре незначительно растворяются в алюминии (0,05 %), образуя a-твердый раствор. Основная масса этих элементов находится в крупных кристаллах CuAl₂, CuMgAl₂ и др. Дуралюмины содержат 4,5 – 5 % меди. С повышением температуры растворимость меди в алюминии увеличивается и достигает 5,5 % при температуре 548 ^оС. Для упрочнения дуралюмина применяют закалку и старение.

Закалка – это нагрев сплава до температуры выше линии предельной растворимости меди в алюминии (линия АВ), выдержка до полного растворения включений CuAl₂ в a-твердом растворе и охлаждение в подогретой воде, чтобы не было трещин. При нагреве до
t» 500 ^оC в алюминии растворяются кристаллы CuAl₂ и в твердый раствор переходит 4 % Cu. Охлаждение в воде фиксирует пересыщенный твердый раствор меди в алюминии (a _{4 % Cu}).

Сплав после закалки пластичен, твердость и прочность невысоки. Полученная структура метастабильная.

Старение – это процесс распада пересыщенного твердого раствора с образованием более стабильных структур. На первой стадии образуются зоны Гинье - Престона (Г.П.) – дискообразные структурные образования толщиной в несколько атомов из меди, диффундирующей из кристаллической решетки. Зоны Г.П. искажают решетку, и прочность повышается.

Вторая стадия – дисперсионное твердение. На этой стадии в зонах Гинье – Престона атомы перестраиваются, образуя кристаллическую решетку новой фазы Q', по составу и строению близкую к CuAl₂.
Фаза Q' дисперсна и когерентно связана с кристаллической решеткой a-твердого раствора, поэтому ее образование не снижает прочностных свойств.

Третья стадия связана с нарушением когерентной связи между фазой Q' и основным твердым раствором a. Фаза Q' превращается в равновесную фазу CuAl₂. Образовавшиеся кристаллы CuAl₂ могут укрупниться, и тогда прочностные характеристики понизятся.

Скорость и полнота распада пересыщенного твердого раствора зависят от температуры и времени выдержки. Чем выше температура, тем быстрее идет процесс распада.

Естественное старение происходит при комнатной температуре в течение трех – пяти суток. За это время протекает первая стадия, и сплав упрочняется.

Искусственное старение проводят при 100 - 250 ^оС. Необходимо правильно выбрать температуру, чтобы не наступило разупрочнение. Чем выше температура, тем меньше дается выдержка.

 

 

Материалы и принадлежности

 

· Образцы дуралюмина с размерами 10х10х10 мм в отожженном состоянии.

· Термическая печь с температурой закалки 500 ^оС, старения – 100, 150, 200 и 300 ^оС.

· Твердомер ТК с индентером – шариком.

 

 

Порядок выполнения работы

 

14.3.1 Ознакомиться с исходными данными образцов (марка, размеры, состояние).

14.3.2 Измерить твердость образцов после отжига на приборе ТК по шкале В.

14.3.3 Произвести закалку всех образцов (15 шт.) по режиму:

- температура закалки – 500 ± 5 ^оС;

- время выдержки – 10 минут;

- охлаждающая среда – вода, t = 30 ^оС.

14.3.4 Измерить твердость на приборе ТК по шкале В (на трех образцах).

Два образца оставить для естественного старения и замерить твердость через 24, 48 часов. Остальные образцы подвергнуть искусственному старению. Для этого загрузить в печи с указанными температурами, выдержать требуемое время и охладить в воде:

100 ^оС (3 шт.) – 5, 10, 20, 30 мин;

150 ^оС (4 шт.) – 5, 10, 20, 30 мин;

200 ^оС (4 шт.) – 5, 10, 20, 30 мин.

14.4.5 На охлажденных образцах проверить твердость.

14.4.6 Построить график изменения твердости в зависимости от времени старения для всех температур. Оформить отчет.

 

 

Оформление отчета

 

14.4.1 Марка сплава …

Химический состав …

Размеры образцов …

Состояние после отжига

Твердость НRВ …

14.4.2 Твердость образцов после закалки:

1-й образец –... НRВ

2-й образец – … НRВ

3-й образец – … НRВ

14.4.3 Твердость образцов после естественного старения: … НRВ.

14.4.5 Значения твердости образцов после искусственного старения занести в таблицу 14.1.

 

Таблица 14.1 – Твердость образцов после искусственного

старения

Температура старения, ^оС	Твердость НRВ после старения
Время в минутах

14.4.5 Построить графики изменения твердости в координатах «НRВ – время выдержки в минутах» для всех температур.

14.4.6 Вывод.

По результатам анализа полученных значений твердости и кривых изменения ее после старения сделать вывод о влиянии температуры нагрева и времени выдержки на твердость дуралюмина после
старения.

 

 

14.5 Контрольные вопросы

 

1. Какой сплав называют дуралюмином?

2. Какова структура сплава в отожженном состоянии?

3. Что такое закалка?

4. На чем основана закалка дуралюмина?

5. Какие процессы протекают при старении?

6. Чем отличается искусственное старение от естественного?

 

 

Литература

 

1. Тушинский, Л.И. Методы исследования материалов/ Л.И. Тушинский, А.В. Плохов, А.О. Токарев, В.Н. Синдеев. – М.: Мир, 2004. – 380 с.

2. Лахтин, Ю.М. Материаловедение/ Ю.М. Лахтин. – М.: Металлургия, 1993. – 448 с.

3. Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов/ Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман и др. – М.: Высшая школа, 2001. – 622 с.

4. Евстратова, И.И. Материаловедение/ И.И. Евстратова и др. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2006. – 268 с.

5. Маркова, Н.Н. Железоуглеродистые сплавы/ Н.Н. Маркова. – Орел: ОрелГТУ, 2006. – 96 с.

6. Ильина, Л.В. Материалы, применяемые в машиностроении: справочное пособие/ Л.В. Ильина, Л.Н. Курдюмова. – Орел: ОрелГТУ, 2007.

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Справочные данные

 

Таблица А.1 – Химический состав некоторых марок

металлических материалов и состав травителей

Материал	Марка	Химический состав, основные компоненты, %	Травитель
Железо		Fe - 100	4%-й раствор HNO3 в этиловом спирте
Сталь		С – 0,2; Fe – остальное	то же
Баббит	Б83	Sb ~ 11, Cu ~ 6, Sn – 83	– // –
Латунь	Л96	Zn – 4, Cu – остальное	5%-й раствор FeCl3 в 10%-й соляной кислоте
Дюралюмин	Д1	Cu ~ 4; Mg ~ 0,5; Si ~ 0,7; Al - остальное	7 % HF, 27 % HNO3, 1,5 % HCl, остальное – H2O
Силумин	АЛ 2	Si – (11 13); Al – остальное	то же

 

 

Таблица А.2 – Таблица соотношений чисел твердости,

определяемой различными методами

Твердость	Твердость
Виккерс HV	Бринелль	Роквелл	Виккерс HV	Бринелль	Роквелл
d, мм	НВ	HRC	HRА	HRВ	d, мм	НВ	HRC	HRА	HRВ
	-	-	-		-		2,80				-
	-	-	-		-		2,85				-
	-	-	-		-		2,90				-
	-	-	-		-		2,95				-
	-	-	-		-		3,00				-
	-	-	-		-		3,05				-
	-	-	-		-		3,10				-
	-	-	-		-		3,15				-
	-	-	-		-		3,20				-
	2,20				-		3,25				-
	2,25				-		3,30				-
	2,30				-		3,35				-
	2,35				-		3,40				-
	2,40				-		3,45				-
	2,45				-		3,50				-
	2,50				-		3,55				-
	2,55				-		3,60				-
	2,60				-		3,65				-
	2,65				-		3,70				-
	2,70				-		3,75				-
	2,75				-		3,80				-
	3,85				-		4,90		-	-
	3,90						4,95		-	-
	3,95						5,00		-	-
	4,00						5,05		-	-
	4,05						5,10		-	-
	4,10						5,15		-	-
	4,15						5,20		-	-
	4,20						5,25		-	-
	4,25						5,30		-	-
	4,30						5,35		-	-
	4,35						5,40		-	-
	4,40						5,45		-	-
	4,45						5,50		-	-
	4,50						5,55		-	-
	4,55						5,60		-	-
	4,60						5,65		-	-
	4,65						5,70		-	-
	4,70						5,75		-	-
	4,75					-	-	-	-	-	-
	4,80					-	-	-	-	-	-
	4,85		-	-		-	-	-	-	-	-

Примечание – Числа твердости по Бринеллю и Виккерсу даны в кгс/мм².

 

 

Таблица А.3 – Некоторые марки серых, высокопрочных

и ковких чугунов

Вид чугуна	ГОСТ	Металли- ческая основа	Струк-тура	Марка	Механические св-ва
σв МПа	, %	НВ МПа
не менее
Серый	1412-85	феррит перлит и феррит перлит	Ф+Гр   Ф+П+Гр П+Гр	СЧ 10   СЧ 15 СЧ35		-   - -
Высоко- прочный	7293-85	феррит перлит и феррит перлит	Ф+Гр   Ф+П+Гр П+Гр	ВЧ 40   ВЧ45 ВЧ60
Ковкий	1215-85	феррит перлит и феррит перлит	Ф+Гр   Ф+П+Гр П+Гр	КЧ 35-10   КЧ 45-6 КЧ 55-4

Примечание – Высокопрочный чугун по ГОСТ 7293-79 маркируется двумя числами, как ковкий. Первое число – предел прочности при испытании на растяжение
(10^-1 Мпа), второе – относительное удлинение (%).

 

Например: ВЧ 42-12: σ_в не менее 420 Мпа, δ не менее 12 %.

 

Таблица А.4 – Химический состав и критические точки некоторых

марок сталей

Марка стали	Химический состав, основные компоненты, %	Критические точки, °С
С	Cr	Ni	Si	другие	АС1	АС3
У7 У8 У10 У12 40Х 40ХН 60С2 9ХС 50ХФ 30ХМ	0,3 0,4 0,45 0,50 0,7 0,8 1,0 1,2 0,4 0,4 0,6 0,9 0,5 0,3	1,0 1,0 - 1,0 1,0 1,0	1,0	2,0 1,3   0,3п	V – 0,2 Мо – 0,3		- 840^1 860^1 870^1
^1 – сталь заэвтектоидная; дано значение критической точки Аст

 

 

 

риложение Б Номограмма для определения критического диаметра прокаливаемости

Рисунок Б.1

 

Приложение В