Кафедра металлургии цветных металлов

Кафедра металлургии цветных металлов

 

 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

 

Методические указания к лабораторным работам

 

 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

 

 

УДК 620.22, 669.017

 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ: Методические указания к лабораторным работам / Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет). Сост.: Бодуэн А.Я., Коновалов Г.В., Цыбизов А.В. СПб, 2011, с.69.

 

 

Методические указания к лабораторным работам предназначены для студентов обучающихся по специальностям: 150100 «Металлургия цветных металлов», 130405 «Обогащение полезных ископаемых», 280202 «Инженерная защита окружающей среды», 130603 «Оборудование нефтегазопереработки».

 

 

Табл. 8. Ил. 32. Библиогр.: 5 назв.

 

Научный редактор проф. В.М. Сизяков

 

 

Ó Санкт-Петербургский горный институт им. Г.В.Плеханова, 2011 г.

ВВЕДЕНИЕ

 

Целью и задачей дисциплины является ознакомление студентов с основами производства металлов и конструкционных материалов, применяемых в современной технике, дать основы знаний о взаимосвязи между составом, строением и свойствами различных сплавов и материалов, о методах направленного воздействия на структуру и свойства материалов для придания им заданных свойств.

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ И СОСТАВУ ОТЧЕТА

 

1.Отчет оформляется индивидуально или один на бригаду (по указанию преподавателя) на листах формата А4.

 

2.Титульный лист содержит наименование кафедры, лабораторной работы, ФИО и учебную группу студентов, выполнивших работу, а также должность и ФИО преподавателя, под руководством которого выполнялась работа.

 

3.Отчет должен включать:

- цель работы;

- краткие теоретические положения, на которых базируется выполнение данной работы;

- краткое описание методики работы и используемого оборудования и приборов (лабораторных установок);

- задание на проведение экспериментальных исследований;

- расчетные и экспериментальные данные, результаты их обработки, оформленные в виде протоколов, графиков и аналитических зависимостей;

- выводы по работе.

Работа 1. ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ РАСПЛАВА НА ПРОЗРАЧНОЙ МОДЕЛИ

Задание

1. Произвести нагрев и заливку модельного расплава в изложницу.

2. Осуществлять замер образовавшейся корки кристаллов каждые 3 минуты.

3. Результаты работы оформить в виде протокола.

4. Рассчитать коэффициент затвердевания для различных моментов времени.

5.Построить графические зависимости толщины корки кристаллов от времени, для различных температур заливки.

6. Написать отчет по работе в соответствии с пунктами задания и сделать необходимые выводы.

 

Цель работы

Осуществить наблюдение за процессом кристаллизации прозрачной жидкости в прозрачном сосуде. Исследовать особенности кристаллизации слитка при различных температурах заливаемого расплава.

 

Приборы, материалы и инструмент

Прозрачная водоохлаждаемая изложница, весы, электроплитка, стакан, ртутно-стеклянный термометр, гипосульфит, линейка.

 

Основные теоретические положения

Кристаллизация металлов и сплавов – это процесс, который во многом определяет строение и свойства готовой металлопродукции, поскольку от условия получения литой структуры слитка или отливки зависит содержание в них легирующих компонентов и примесей, наличие в них пор и раковин, степень завершенности структурных и фазовых превращений после затвердевания.

На формирование литой структуры влияет строение и свойства металлической жидкости, температура ее перегрева перед кристаллизацией, степень ее загрязненности примесями и другие ее характеристики.

Кристаллизация может происходить как при переходе из жидкого состояния в твердое, так и в твердом состоянии при переходе из одной аллотропической формы в другую. Во втором случае такое превращение носит название фазовая перекристаллизация.

Основной причиной и движущей силой процесса кристаллизации является стремление вещества к наиболее устойчивому в термодинамическом отношении, состоянию, т.е. к наименьшему запасу свободной энергии.

Различают теоретическую и фактическую температуру кри­сталлизации. Теоретическая (равновесная) температура кристаллизации (T_S) ¾это такая температура, при которой свободные энергии металла в твердом и жидком состоянии равны. При этой температуре равновероятно существование металла как в жидком, так и в твер­дом состояниях. Реально кристаллизация начинается только при некотором переохлаждении. Температура, при которой практически идет кристаллизация, называется фактической температурой кристал­лизации T_КР. Разность между теоретической и фактической тем­пературой кристаллизации называется степенью переохлаждения DT=Т_S-Т_КР. Чем больше степень переохлаждения, тем больше движущая сила кристаллизации.

Кривые кристаллизации при различных скоростях охлаждения показаны на рис. 1. При медленном охлаждении степень переохлаждения невелика и кристаллизация протекает при температуре, близкой к равновесной. Горизонтальная площадка на термической кривой объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации, кото­рая компенсирует отвод тепла. С ростом скорости охлаждения степень переохлаждения растет. Помимо скорости охлаждения, степень переохлаждения зависит от чистоты металла: чем чище металл, тем выше степень переохла­ждения.

Рис. 1. Температурные кривые процесса кристаллизации металла с различными скоростями охлаждения.

 

Процесс кристаллизации состоит из следующих двух стадий:

1) образование центров кристаллизации (зародышей);

2) рост кристаллов вокруг этих центров.

Суммарная скорость кристаллизации зависит от хода обоих элементарных процессов. Она определяется скоростью зарождения центров кристаллизации (СЗ) и скоростью роста кристаллов из этих центров (СР) (рис. 2). Величины СЗ и СР зависят от степени переохлаждения. При равновесной температуре DT = 0 и СЗ = О, СР = 0. С увеличением DT растет разность свободных энергий металла в жидком и твердом состояниях (движущая сила процесса) и при достаточно большой подвижности атомов СЗ и СР растут и достигают максимума. Последующее уменьшение СЗ и СР объясняется снижением подвижности атомов при падении температуры. При малых значениях коэффициента диффузии затруднена перестройка атомов жидкости в кристаллическую решетку твердого тела. При очень сильном переохлаждении СЗ и СР равны нулю и жидкость не кристаллизуется, а превращается в аморфное тело.

Для реальных металлов, как правило, реализуются лишь восходящие ветви кривых СЗ и СР и с ростом DТ увеличиваются скорости обоих процессов.

Рис. 2. Влияние степени переохлаждения

на скорость зарождения и роста кристаллов.

 

От соотношения СЗ и СР зависит раз­мер зерен. При малом переохлаждении, например, при заливке металла в земляную форму с малой теплопроводностью или подо­гретую металлическую форму, скорость роста велика, скорость зарождения сравнительно мала. В этом случае в объеме обра­зуется сравнительно небольшое количество крупных кристаллов.

При увеличении DT, в случае заливки жидкого металла в хо­лодные металлические формы, скорость зарождения возрастает, что приводит к образованию большого количества мелких кри­сталлов.

Размер зерна определяется не только степенью переохлажде­ния, но также температурой нагрева и разливки метал­ла, его химическим составом и особенно присутствием посторонних примесей.

В реальных условиях самопроизвольное зарождение кристаллов в жидком металле затруднено. Источником образова­ния зародышей служат различные твердые частицы: неметалличе­ские включения, оксиды, продукты раскисления. Чем больше примесей, тем больше центров, тем мельче зерна. Иногда в металл специально вводят вещества (модификаторы), которые при кри­сталлизации способствуют измельчению зерна. Модификаторами для стали являются алюминий, ванадий, титан; для чугуна – магний.

При кристаллизации реальных слитков и отливок важную роль играет направление отвода тепла. Схема стального слитка, данная Черновым Д.К., представлена на рис.3.

 

 

Рис. 3. Схема стального слитка.

 

Слиток состоит из трех зон:

1. мелкокристаллическая корковая зона;

2. зона столбчатых кристаллов;

3. внутренняя зона крупных равноосных кристаллов.

Кристаллизация корковой зоны идет в условиях максимального переохлаждения. Скорость кристаллизации определяется большим числом центров кристаллизации. Образуется мелкозернистая структура.

Жидкий металл под корковой зоной находится в условиях меньшего переохлаждения. Число центров ограничено, и процесс кристаллизации реализуется за счет их интенсивного роста до большого размера.

Рост кристаллов во второй зоне имеет направленный характер. Они растут перпендикулярно стенкам изложницы, образуются древовидные кристаллы – дендриты (рис. 4). Растут дендриты с направлением, близким к направлению теплоотвода.

Рис.4 Схема дендрита по Чернову Д.К.

 

Толщина зоны столбчатых кристаллов в значительной степени зави­сит от перегрева металла, так как для его затвердевания требуется от­вести не только скрытую теплоту кристаллизации, но и, в первую оче­редь, теплоту перегрева металла над точкой ликвидуса. Вследствие та­кого двухстадийного отвода тепла в жидкой сердцевине всегда имеется градиент температур. У фронта кристаллизации температура жидкости близка к температуре ее кристаллизации. По оси слитка температура жидкости вскоре после заливки изложницы близка к температуре залив­ки. В дальнейшем температура жидкости у оси постепенно снижается, так как происходит постоянный отвод теплоты перегрева жидкости. В момент, когда температура жидкости у оси становится близкой к темпе­ратуре ее кристаллизации, градиент температур в жидкой сердцевине слитка становится близким нулю, а рост столбчатых кристаллов пре­кращается. Начинается кристаллизация третьей зоны слитка - зоны крупных равноосных, неориентированных кристаллов. Незначительное переохлаждение жидкости вблизи фронта кристаллизации приводит к тому, что в этом слое может возникать небольшое количество зароды­шей кристаллизации, способных к росту. Эти кристаллы растут равно­мерно во всех направлениях и достигают большой величины, поскольку в своем росте они не мешают друг другу. Чем выше перегрев жидкости над точкой ликвидуса, тем большее ко­личество теплоты перегрева жидкости необходимо отвести. Если темпе­ратура заливки металла окажется настолько высокой, что теплота пере­грева жидкости сохраняется практически до конца кристаллизации, то столбчатые кристаллы прорастают до самой оси слитка, а третья зона кристаллизации не возникает.

Если температура заливки близка к температуре кристаллизации ме­талла, то возникают условия для раннего начала формирования третьей зоны слитка.

В процессе кристаллизации в первую оче­редь затвердевает более чистый ме­талл, поэтому границы зерен более обога­щены примесями. Неоднородность хи­мического состава в пределах дендри­та называется дендритной ликвацией.

Зоны столбчатых кристаллов в процессе кристаллизации стыкуются, это явление называется транскристаллизацией.

Для малопластичных металлов и для сталей это явление нежелательное, так как при последующей прокатке, ковке могут образовываться трещины в зоне стыка.

Основными дефектами слитка являются усадочная раковина, пористость и ликвация. Усадочная пористость обычно образуется вблизи усадочной раковины и по оси слитка. Образование усадоч­ной раковины и пористости обусловлено тем, что все металлы, кроме висмута, имеют в твердом состоянии меньший удельный объем, чем в жидком.

Методика выполнения работы

Для моделирования процесса кристаллизации металла в изложнице применяется гипосульфит. Он имеет невысокую температуру плавления 48... 52 °С и в жидком состоянии прозрачен. Поэтому ход кристаллиза­ции гипосульфита доступен для наблюдения. Однако в твердом состоя­нии гипосульфит образует малопрозрачные белые кристаллы. Возник­новение даже тонкой корочки из таких кристаллов препятствовало бы наблюдению за дальнейшим ходом кристаллизации жидкости.

Чтобы избежать этих осложнений, модель изложницы (рис.5) изготовляют комбинированной. Две ее стенки представляют плексигла­совые пластинки с низкой теплопроводностью.

В процессе выполнения работы необходимо взвесить 150 г гипосульфита и нагреть его в стакане на электроплитке до заданной температуры, ко­торая измеряется с помощью ртутно-стеклянного термометра. После этого гипосульфит заливаем в предварительно собранную и охлаждаемую проточной водой модель изложницы. Вначале заливаем небольшое ко­личество гипосульфита, покрывающее лишь дно сосуда. После затвер­девания этой порции заливаем весь оставшийся гипосульфит.

 

Рис. 5. Модель изложницы.

 

Сразу после заливки следим за нарастанием затвердевшего слоя и через равные интервалы времени 2 … 5 мин измеряем и записываем его толщину. Измерения производятся на середине высоты слитка с по­мощью линейки отдельно для каждой стороны кристаллизующегося слитка. При этом необходимо особо отметить время, истекшее от мо­мента заливки до начала кристаллизации слитка на половине его высо­ты, толщину корковой зоны, моменты начала образования столбчатых кристаллов и зон крупных равноосных кристаллов, протяженность этих зон. Следует отметить также наличие восходящих и нисходящих потоков жидкости, с какого момента они стали заметными, наблюдалось ли об­ламывание и передвижение кристаллов.

После окончания процесса кристаллизации модель изложницы раз­бираем и извлекаем из нее слиток. Поверхность слитка протравливаем дистиллированной водой и зарисовываем его структуру, указывая про­тяженность соответствующих зон для половины высоты слитка. На схе­ме должно быть показано также расположение усадочной раковины и ее размеры. Затем модель собираем и всю последовательность операций производим для следующей, указанной руководителем температуры.

 

Содержание отчета

1. Кратко изложить причины образования различных кристаллических зон слитка, привести схему модели изложницы, описать последователь­ность проведения опыта.

2. Представить таблицу нарастания толщины затвердевшего слоя для опытов, проведенных при разных температурах.

 

Таблица 1

 

Температура заливки, °С	Толщина δ (см) корочки через время τ, мин	Примечания
				…
К, см/мин^1/2

 

В таблице указать среднюю арифметическую толщину корочки для двух сторон. В примечании отметить время, истекшее от момента залив­ки до начала кристаллизации на половине высоты слитка, момент нача­ла образования столбчатых кристаллов и толщину затвердевшей короч­ки из мелких равноосных кристаллов, момент начала образования зоны крупных равноосных кристаллов и протяженность зоны столбчатых кри­сталлов. Необходимо отметить также, были ли заметны нисходящие и восходящие потоки жидкости, в какой части слитка и с какого момента, наблюдалось ли обламывание кристаллов. По данным таблицы строят график, на котором на оси абсцисс откладывается время от начала за­ливки, а на оси ординат – толщина затвердевшего слоя для разных температур заливки. На графике отмечают моменты образования раз­личных зон слитка и указывают их толщину.

3. Привести схемы структур протравленной поверхности слитка. Со­поставить протяженность различных зон по результатам визуального наблюдения за ходом кристаллизации и по результатам их измерения на протравленной поверхности слитка.

4. Сформулировать выводы о влиянии температуры заливки на строение слитка, протяженность различных зон, скорость и продолжи­тельность затвердевания, расположение и размеры усадочной рако­вины, наличие и расположение нисходящих потоков жидкости и обла­мывание столбчатых кристаллов.

5. Рассчитать значение коэффициента затвердевания для указанных выше моментов времени по формуле

К=δ/√τ

и оценить его постоянство или непостоянство в данной работе.

Задание

1. Провести испытание на твердость по Бринеллю образцов стали и сплавов цветных металлов различной толщины.

2. Определить твердость.

3. Изучить:

а) схему испытания (с зарисовкой) (и величину) твердости по Бринеллю;

б) устройство автоматического рычажного пресса,

в) выбор диаметра шарика и нагрузки:

г) подготовку образца для испытания;

д) подготовку прибора и проведение испытания;

е) методику измерения отпечатка с помощью лупы (с зарисовкой схемы отсчета по шкале лупы);

ж) определение твердости по таблице.

4. Результаты испытания оформить в виде протокола.

5. Написать отчет по работе в соответствии с пунк­тами 3а, 3в, 3д, 3е, 3ж и 4 задания.

Цель работы

Ознакомиться с методикой определения твердости металлов по Бринеллю.

Подготовка прибора и проведение испытания

1. Установить на коромысло (см. рис. 2) грузы 3, соответствующие выбранной для испытания нагрузке.

2. Наконечник с шариком вставить в шпиндель 4 и укрепить.

3. На столик 1 поместить испытываемый образец. Образец должен плотно лежать на столике. Центр от­печатка должен находиться от края образца на рас­стоянии не менее диаметра шарика.

4. Вращением рукоятки 2 по часовой стрелке поднять столик и прижать образец к шарику, про­должать вращать рукоятку 2 до тех пор, пока не услышите щелчок.

5. Нажатием кнопки включить электродвигатель.

6. После сигнала звонком вращением против часо­вой стрелки рукоятки 2 опустить столик 1 и снять с него образец с полученным отпечатком.

7. Измерить полученный отпечаток.

8. Определить твердость.

Задание

1. Провести испытание на твердость по Роквеллу образцов стали в отожженном и закаленном состоянии, сплавов цветных металлов и твердых сплавов.

2. Определить твердость.

3. Изучить:

а) схему испытания и величину твердости по Роквеллу;

б) устройство прибора типа Роквелла;

в) выбор нагрузки и наконечника;

г) подготовку образца для испытания;

д) контроль прибора;

е) подготовку прибора и проведение испытания.

4. Результаты испытания оформить в виде прото­кола.

5. Написать отчет по работе в соответствии с пунк­тами 3а, 3в, 3е и 4 задания.

Цель работы

Ознакомиться с методикой определения твердости металлов по глубине вдавливания алмазного конуса или шарика.

 

Подготовка прибора и проведение испытания

1. В конец штока 5 (см. рис. 7) прибора закрепить оправку с алмазным (или из твердого сплава) конусом или шарик и установить необходимую нагрузку.

2. Установить испытываемый образец на стол 6 прибора.

3. Вращением маховика 7 по часовой стрелке стол осторожно поднимать до тех пор, пока образец не упрется в ограничительный чехол; при этом малая стрелка индикатора 4 должна стать против черной отметки (рис. 8), а большая, с погрешностью ±5 делений, на нуль шкалы индикатора. [1]

4. Вращением барабана 8 установить нуль шкалы С (черного цвета) против конца большой стрелки инди­катора.

5. Плавным нажатием руки на клавишу 3 вклю­чить в работу привод механизма нагружения.

6. После окончания цикла нагружения произвести отсчет по шкале индикатора. Полученный результат твердости записать в графу 4 протокола испытания.

7. Вращением маховика 7 против часовой стрелки опустить стол (снять предварительную нагрузку), образец передвинуть и повторить испытание в другом месте образца. На каждом образце должно быть про­ведено не менее трех испытаний. Расстояние центра отпечатка от края образца или от центра другого отпечатка должно быть не менее 3 мм. Результаты последующих испытаний твердости записать в графы 5 и 6 протокола испытания, а среднее — в графу 7. После смены наконечника первые два испытания в расчет не принимаются.

8. Числа твердости по Роквеллу перевести в числа твердости по Бринеллю (по специальной таблице) и записать в графу 8 протокола испытания.

 

 

 

Таблица 4

Протокол испытания на твердость по Роквеллу

 

№	Материал образца	Шкала	Первое измере-ние	Второе измере-ние	Третье измере-ние	Сред-нее	Твердость по Бринеллю

Задание

1. Провести испытание на твердость по Виккерсу образцов стали различной толщины в отожженном и закаленном состоянии, образцов цементованных, цианированных, азотированных и др.

2. Определить твердость.

3. Изучить:

а) схему испытания и величину твердости по Виккерсу;

б) устройство прибора типа Виккерса;

в) выбор нагрузки;

г) подготовку образца для испытания;

д) контроль прибора;

с) подготовку прибора и проведение испытания;

к) методику измерения отпечатка (с зарисовкой схемы);

з) определение твердости по таблицам.

4. Результаты испытания оформить в виде прото­кола.

5. Написать отчет по работе в соответствии с пунк­тами 3а, 3в, 3е, 3ж, 3з и 4 задания.

Цель работы

Ознакомиться с методикой определения твердости металлов по Виккерсу.

Задание

1. Сплав заданного состава расплавить в электропечи.

2. После полного расплавления тигель со сплавом извлечь из печи и при помощи термопары производить измерение температуры расплава через определенные промежутки времени.

3. По полученным данным построить кривую охлаждения (в координатах «температура – время») и определить критические точки.

4. Под микроскопом изучить структуру полученного сплава.

5. Написать отчет по работе в соответствии с пунктами задания и сделать необходимые выводы.

Цель работы

Ознакомиться с принципом построение диаграмм состояния сплавов двухкомпонентных систем.

Описание диаграммы

Полученная диаграмма состояния относится к диаграммам первого типа. Этот тип диаграмм описывает случай сплавообразования, когда оба компонента сплава в жидком состоянии обладают неограниченной взаимной растворимостью, а в твердом состоянии – нерастворимы, не имеют аллотропических превращений и не образуют химических соединений. Линия АСВ на диаграмме отвечает температуре начала затвердевания сплавов данной системы и называется линией ликвидус. При температурах, лежащих выше этой линии, все сплавы находятся в жидком состоянии и представляют собой жидкий раствор.

Рис. 3. Кривые охлаждения сплавов системы А-В.

 

Линия ДЕ соответствует температуре конца затвердевания сплавов и называется линией солидус. Очевидно, что при температурах, расположенных ниже этой линии, все сплавы находятся в твердом состоянии.

При кристаллизации сплавов выделяющаяся твердая фаза обычно отличается по химическому составу от жидкого раствора. В связи с этим химический состав жидкого раствора по мер выделения из него твердой фазы будет непрерывно меняться, что неизбежно повлечет за собой и изменение температуры его затвердевания.

Очевидно, что в этих условиях кристаллизация сплавов должна протекать в определенном интервале температур. Однако существуют сплавы, которые, как и чистые металлы, кристаллизуются при одной определен­ной температуре. В этом случае из жидкого раствора выделяются одно­временно кристаллы исходных компонентов, и средний состав твердой фазы соответствует химическому составу исходного жидкого металла. Такие сплавы называются эвтектическими, а образующаяся в ходе кристаллизации тонкодисперсная механическая смесь (в нашем случае кристаллов компонентов А и В) - эвтектикой.

Эвтектический сплав имеет строго определенный химический состав и наименьшую температуру кристаллизации по сравнению с другими сплава­ми данной системы. В нашем примере эвтектическим является сплав III, содержащий 40% компонента В.

Пользуясь диаграммами состояния, можно определить для любого сплава системы количество и состав фаз при любой температуре. С этой це­лью необходимо провести через точку, соответствующую заданной температуре, горизонтальную линию до пересечения с ближайшими линиями на диаграмме (рис.3). Проекция точки пересечения температурной гори­зонтали с линией ликвидус на ось концентраций укажет химический сос­тав жидкой фазы, а проекция точки пересечения с линией солидус или осями ординат – химический состав выделяющейся при кристаллизации твердой фазы.

В случае эвтектического сплава температурная горизонталь, проведенная через точку С, совпадает с линией солидус, которая пересекается с осями ординат диаграммы. Это означает, что в процессе кристаллизации эвтектического сплава III одновременно образуются кри­сталлы компонента А и кристаллы компоненте В. Таким образом, сплав III сразу после окончания кристаллизации (точка С диаграммы) будет сос­тоять из кристаллов исходных компонентов.

Дальнейшее охлаждение сплава III не вызывает в нем превращений, что наглядно отображается диаграммой. Действительно, вертикаль, отвечающая эвтектическому сплаву III,ниже линии солидус не пересечет ни одну из линий диаграммы.

Следовательно, при любой температуре ниже точки С, в том числе и при комнатной температуре, сплав III будет представлять собой тонкодисперсную механическую смесь зерен компонентов А и В, которая, как уже указывалось, называется эвтектикой. Структуре эвтектического сплава приведена на рис. 1 приложения. Сплавы, расположенные левее точки С, называются сплавами доэвтектическими, правее – заэвтектическими.

Рассмотрим процесс кристаллизации доэвтектического сплава II (рис. 3). При охлаждении сплава, когда его температура достигает критической точки b, расположенной на линии ликвидус, начинается процесс кристаллизации. Для установления химического состава выделяющихся кристаллов через точку b проведем температурную горизон­таль. Как видно из рис. 3, температурная горизонталь bb' пересекает ось ординат диаграммы. Это означает, что при температуре, отвечающей точке b, начинают выделяться из жидкого раствора кристаллы ком­понента А.

Охладим сплав II до температуры, соответствующей точке р и определим количество и химический состав фаз, наблюдающихся в сплаве при этой температуре.

Температурная горизонталь, проведенная че­рез точку р, пересекает с одной стороны линию ликвидус, с другой - ось ординат диаграммы. В связи с этим сплав при температуре, соот­ветствующей точке р, будет состоять из жидкого раствора и кристаллов компонента А. Для определения химического состава жидкого раствора спроектируем точку q пересечения температурной горизонтали с линией ликвидус на ось концентраций.

Проекция точки q будет соответствовать химическому составу жидкой фазы сплава II при температуре, отвечающей точке р.

Пользуясь правилом обратных отрезков, можно определить и коли­чественное соотношение фаз при заданной температуре.

Длина отрезка eq на диаграмме плавкости пропорциональна весу сплава II, а длина отрезков m и m₁ - количеству (соответственно) жидкой и твердой фазы при температуре, отвечающей точке р.

Совершенно очевидно, что по мере охлаждения в процессе кристал­лизации сплава II состав жидкой фазы непрерывно изменяется по линии ликвидус от точки b до точки с, т.е. постепенно приближается к химическому составу эвтектического сплава. При температуре точки с, расположенной на линии солидус, химический состав жидкой фазы будет точно соответствовать химическому составу эвтектического сплава. По­этому, затвердевая, оставшийся жидкий раствор превратится в эвтектику.

Из вышеизложенного следует, что при исследовании микрострукту­ры сплава II, так же как и любого доэвтектического сплава, будут наблюдаться зерна компонента А, которые выделились в процессе затвер­девания из жидкого растворе в интервале температур между линиями ликвидус и солидус диаграммы, и эвтектика, заполняющая пространство между этими зернами.

Следует отметить, что рассмотренные превращения обратимы. В процессе медленного нагрева сплавов при соответствующих критичес­ких температурах будут происходить обратные превращения. Например, в процессе нагреве сплава II при температуре, соответствующей точке b₁, происходит образование жидкого раствори из эвтектики. В ин­тервале температур от точки b₁ до точки b происходит растворение кристаллов компонента А.

Порядок выполнения работы

Сплав Pb-Sn (состав задается преподавателем) поместить в тигле в электропечь, где поддерживается температура примерно 600-650^оС. После полного расплавления тигель со сплавом извлечь из печи, в расплав погрузить запаянную с одного конца фарфоровая трубка, куда вставить термопару, служащую для измерения температуры расплава. В процессе охлаждения сплава каждые 30 секунд фиксировать температуру. Охлаждение вести до температуры примерно 200^оС. По полученным данным построить кривую охлаждения (в координатах «температура – время») и определить критические точки. Под микроскопом изучить структура полученного сплава.

В отчете по работе следует привести краткие теоретические сведения о диаграмме состояния сплавов с простой эвтектикой. Построить кривую охлаждения сплава и найти по ней критические точки. Последние следует сравнить с критическими точками, найденными по известной диаграмме Pb-Sn (рис.4). В отчете должна быть дана зарисовка структуры сплава.

 

 

Рис. 4. Диаграмма фазового равновесия системы Pb-Sn.

Задание

1. Исследовать структуру двух-трех образцов углеродистой стали.

2. Научиться идентифицировать основные структурные составляющие стали - феррит, перлит, цемента.

3. Зарисовать и кратко описать микроструктуру образцов, указать особенности строения.

4. Для одного-двух образцов доэвтектоидной стали определить содержание углерода.

5. Написать отчет по работе в соответствии с пунктами задания и сделать необходимые выводы.

Цель работы

Научиться исследовать структура стали и определять основные структурные составляющие.

Порядок выполнения работы

С помощью рудного микроскопа МИН-9 исследуйте микроструктуру 2-3 образцов углеродистой стали. Научитесь идентифицировать основные структурные составляющие стали - феррит, перлит, цемента. Зарисуйте и кратко опишите микроструктуру образцов, укажите особенности строения.

Для одного-двух образцов доэвтектоидной стали определите содержание углерода.

Задание

1.Исследовать под микроскопом структуру белых, серых, высокопрочных и ковких чугунов.

2.Определить процент связанного углерода в одном из образцов чугуна.

3.Зарисовать и кратко описать микроструктуру образцов, указать особенности строения.

4.Написать отчет по работе в соответствии с пунктами задания и сделать необходимые выводы.

Цель работы

Исследовать микроструктуру белых и графитизированных чугунов. Изучить маркировку и практическое применение графитизированных чугунов.

Приборы, материалы и инструмент

Металлографические микроскопы. Коллекция микрошлифов чугунов.

Белый чугун

Как указывались, в белом чугуне весь углерод присутствует в связанном состоянии (в виде цементита). Свое название белый чугун получил по виду излома, имеющему матово-белый цвет. Структура белого чугуна находит объяснение на основании метастабильной диаграммы состояния «железо-цементит».

Микроструктура доэвтектического белого чугуна показана на рис.2. Крупные темные участки - это перлит, образовавшийся из структурно свободного аустенита, остальное - превращенный ледебурит, состоящий из цементита (светлое поле) и перлита (темные участки). Вторичный цементит структурно не обнаруживается, так как он сливается с эвтектическим цементитом.

Эвтектический белый чугун представляет собой превращенный ледебурит.

Структура заэвтектического белого чугуна состоит из первичного цементита (крупные светлые выделения пластинчатой формы) и превращенного ледебурита.

 

а) б) в)

 

Рис.2. Микроструктура белого чугуна, Х500:

Пестрые участки — ледебурит; темные — перлит; светлые — цементит.

а - доэвтектический чугун (ледебурит + перлит + цементит);

б — эвтек­тический чугун (ледебурит);

в — заэвтектический чугун (ледебурит + первичный цементит).

 

В белых чугунах обязательной структурной составлявшей является ледебуритная эвтектика. Последняя более чем наполовину состоит из твердого и хрупкого цементита. Поэтому белые чугуны отличаются большой твердостью и хрупкостью и в качестве конструкционного материала практически не применяются.

Отливки из белого чугуна применяют для получения ковкого чугуна. Кроме того, широко применяют чугунные отливки с отбеленной поверхностью. В этом случае основная масса металла имеет структуру серого чугуна (см. ниже), а поверхностный слой – белого. Отбел достигается местным увеличением скорости охлаждения путем установки в нужных местах литейной формы металлических вставок, служащих холодильниками. Изделия из отбеленного чугуна имеют твердую и износостойкую поверхность при достаточно вязкой сердцевине.

Серый чугун

Серым называют чугун, в котором весь углерод или большая часть находится в свободном состоянии в виде пластинчатого графита, придающего излому серый цвет.

Микроструктура чугуна состоит из металлической основы и графитных включений.

При медленном охлаждении и достаточно высоком содержании кремния и углерода графитизация протекает полностью, металлической основой такого чугуна является феррит (рис.3 а). При относительно быстром охлаждении и невысоком содержании кремния и углерода графит может выделиться только при эвтектической кристаллизации, а эвтектоидное превращение произойдет с образованием перлита (т.е. смеси феррита и цементита), а не феррита и графита. Такой чугун будет иметь перлитную основу (рис.3 в). Возможен и промежуточный случай, когда скорость охлаждения и содержание кремния и углерода таковы, что при эвтект