Практическое занятие № 1 «Разбор строения слитка» (МЕ-1 Строение, кристаллизация и превращения в металлических материалах)

 

Задания к практическому занятию

Зарисовать образец слитка. Выполнить анализ строения стального слитка, обозначить зоны, описать процессы происходящие при образовании зон.

Пример выполнения работы

В слитке "спокойной" стали (Рис. 1.1) различают в общем случае следующие кристаллические зоны: зону мелких кристаллов; зону столбчатых кристаллов; центральную зону крупных равноосных кристаллов; конус осаждения в данной части слитка, состоящий из мелких рав­ноосных кристаллов; усадочную раковину. Наличие нескольких кристаллических зон связано с различными условиями зарождения роста кристаллов в этих зонах.

 

 

1 – мелкокристаллическая корковая зона; 2 – зона столбчатых кристаллов; 3 – внутренняя зона крупных равноосных кристаллов; 4 – конус осаждения; 5 – усадочная раковина.

 

Рис. 1.1. Схема строения стального слитка

 

 

В процессе затвердевания слитка непосредственно после заливки слой металла, соприкасающийся с колодными стенками изложницы, сильно переохлаж­дается. В этом металле образуется большое количество центров кристаллизации, из которых с большей скоростью вырастают кристал­лы. Так как центры кристаллизации располагаются близко друг от друга, то кристаллы растут в стесненных условиях и после заверше­ния кристаллизации имеют малые размеры, их оси не имеют опреде­ленной ориентации в пространстве.

После образования тонкой затвердевшей корки интенсивность охлаждающего воздействия изложницы на жидкий металл уменьшается, и кристаллизация протекает при значительно меньшем переохлаждении.

В этих условиях скорость зарождения центров кристаллизации резко уменьшается. Кристаллы растут, вытягиваясь постепенно в сторону жидкого металла, ориентируясь по направлению теплоотвода. Так об­разуется зона столбчатых кристаллов.

В дальнейшем степень переох­лаждения жидкости у фронта кристаллизации уменьшается еще больше. Линейная скорость роста кристаллов становится весьма малой, а за­родыши новых кристаллов самопроизвольно в жидком металле практи­чески не образуются. Ведущую роль начинает играть роль кристал­лов на отдельных посторонних включениях, всегда имеющихся в жид­ком металле.

Так как включений, которые могут быть центрами крис­таллизации, ограниченное количество, и расположены они на значи­тельном расстоянии друг от друга, то образующиеся кристаллы полу­чают возможность расти до больших размеров.

В верхней части слит­ка, которая затвердевает в последнюю очередь, концентрируется усадочная раковина. Под ней металл получается рыхлым, в нем со­держится много усадочных пор. Часть слитка с усадочной раковиной и рыхлым металлом отрезают.

Слиток имеет неоднородный состав. В стали, по направлению от поверхности к центру и снизу вверх увеличивается концентрация углерода и вредных примесей серы и фосфора. Химическая неоднородность по отдельным зонам слитка называется зональной ликвацией. Она отрицательно влияет на механические свойства.

 

1.2 Контрольные вопросы:

2. Как образуется мелкокристаллическая корковая зона?

3. Как образуется зона столбчатых кристаллов?

4. Как образуется внутренняя зона крупных равноосных кристаллов?

5. Как образуется конус осаждения?

6. Как образуется усадочная раковина?

2 Практическое занятие №2 «Анализ фазовых превращений по диаграммам состояния двухкомпонентных материалов» (МЕ-2 Классификация сплавов. Диаграммы состояния сплавов)

 

Задания к практическому занятию

Выполнить анализ фазовых превращений, происходящих при медленном охлаждении из области жидкого раствора («Ж») до комнатной температуры в сплаве состава Х₁.

 

Варианты заданий

 

№ варианта задания	№ рисунка и диаграмма состояния	Х1 , % (второй компонент)
Варианты
а	б	в
	48, а: Fe-P
	48, б: Cu-As
	48, в: Cu-La
	48, г: Al-Ca
	48, д: Al-Ni
	48, е: Al-Zn
	48, ж: Bi-Pb
	48, и: Cu-Be
	48, к: Ni-Sb
	48, л: Ti-Mn
	48, м: Ti-Ge
	48, н: Ti-C

 

а	б
в	г
д	е

. Диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов к работе № 1

ж	и
к	л
м	н

. Диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов к работе №1 (продолжение)

Пример выполнения работы

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. 49, а).

 

Рис. 49. 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

 

t₂ < t < t₁ Ф=2 (Ж,a) С = 2-2+1=1

t – переменная,

С – сonst

 

t = t₂ Ф=3 (Ж,a,b) С = 2-3+1=0

t – сonst,

С - сonst

 

t₃ < t < t₂ Ф=2(a,b) С = 2-2+1=1

t – переменная,

С – сonst

t₄ < t < t₃ Ф=1(b) С = 2-1+1=2

t – переменная,

С – сonst

 

t = t₄ Ф=3(a,b,g) С = 2-3+1=0

t – сonst,

С – сonst

 

t > t₄ Ф=2(a,g) С = 2-2+1=1

t – переменная,

С – сonst

 

2.2. С учетом полученных при расчетах данных о температурах представляется схема кривой охлаждения сплава Х₁ (рис. 49, б).

 

2.3. Запишем фазовые превращения, происходящие при медленном охлаждении сплава Х_1, с указанием температур превращений и соответствующих концентраций фаз:

 

 

2.4. Количество жидкой и a - твердой фаз в точке В:

 

 

Количество a и g фаз в точке 5:

 

 

2.2 Контрольные вопросы:

 

 

1) Какие фазы и какого состава могут существовать при температуре t _комн?

2) Чему равно число степеней свободы сплава при кристаллизации эвтектики?

3) Для сплавов определите количество фаз при температуре, но в интервале между линиями ликвидус и солидус.

4) Каков состав и количество жидкой фазы у сплава, когда температура сплава достигла t _комн?

5) Какая фаза выделяется из жидкости у сплава при понижении температуры до линии солидус?

6) Как изменяется состав жидкой и твёрдой фаз у сплава при понижении температуры от линии ликвидус до линии солидус?

7) Что происходит со сплавами ниже температуры t _комн при дальнейшем охлаждении?