Материаловедение
 Скачать 0.54 Mb.
|
|
Содержание отчета 1. Цель и задачи работы. 2. Краткое описание методики определения механических свойств резины. 3. Расчеты показателей эластичности по формулам. 4. Протокол испытаний. 5. Оценка результатов испытаний и выводы по работе. 72 73 Лабораторная работа № 10 ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Цель лабораторной работы – ознакомить студентов с теорией и практикой термической обработки алюминиевых сплавов. При выполнении лабораторной работы необходимо: 1) изучить теоретические предпосылки термообработки алюми- ниевых сплавов; 2) измерить твердость образцов алюминиевых сплавов после за- калки и после старения; 3) обработать и проанализировать полученные результаты. Оснащение участка лабораторной работы: • оборудование – муфельные печи, нагретые до температур 100, 150, 175, 300, 500 °С, бак с водой (20 °С) для закалки, гальваноме- тры и термопары, твердомер Роквелла, шлифовальный круг, щипцы, рукавицы; • материалы – образцы алюминиевого сплава Д1 или Д16; • плакаты – таблица твердости и плакат с диаграммой состояния алюминий – медь. Термическая обработка является одним из наиболее распро- страненных методов повышения прочности алюминиевых сплавов. Повышение прочности достигается путем закалки и последующего старения. Основа этого технологического процесса – наличие пере- менной растворимости в сплавах в твердом состоянии. Причем эта растворимость должна увеличиваться с повышением температуры. Процесс старения, проводимый после закалки, имеет большое прак- тическое значение. Полнее всего изучено старение сплавов двойной системы алюминий – медь (рис. 10.1). Эта система является основой большого числа многокомпонент- ных стареющих литейных и деформируемых алюминиевых сплавов. Наибольшая растворимость меди в алюминии (5,7 %) достигает- ся при 548 °С (эвтектическая температура), и резко уменьшается при понижении температуры (до 0,1 % при 200 °С). Если сплав, содер- жащий, например, 4 % меди, нагреть до температуры 500…520 °С, то Q-фаза полностью растворится в алюминии и α-фаза обогатится медью. При быстром охлаждении с этой температуры (закалка) медь не успеет выделиться из твердого раствора, и при комнатной темпе- ратуре образуется структура пересыщенного твердого раствора меди в алюминии. Твердость и прочность такого свежезакаленного спла- ва будут относительно невысокими. Это объясняется тем, что медь, как и другие металлы, образует с алюминием твердый раствор заме- щения, в котором кристаллическая решетка искажена значительно меньше, чем, например, в твердом растворе внедрения. Однако с те- чением времени закаленный сплав даже при комнатной температуре упрочняется. Это явление, замеченное еще в начале XX в., послужи- ло причиной возникновения термина старение. Рис. 10.1. Фрагмент диаграммы состояния алюминий – медь Дальнейшие исследования показали, что упрочнение происходит и при нагреве закаленного сплава до 100…200 °С. Пересыщенный твердый раствор является фазой метастабильной (неустойчивой). 74 75 Избыточная медь стремится выделиться из него, поэтому уже при 20 °С по истечении некоторого времени после закалки в зернах пересы- щенного твердого раствора начинается диффузия (перемещение) атомов меди к некоторым определенным плоскостям кристалличе- ской решетки. В этих плоскостях образуются зоны с повышенной концентрацией меди. По форме они представляют собой диски ди- аметром до 20…50 Å и толщиной 2-3 атомных слоя. Эти зоны на- зывают зонами Гинье – Престона в честь ученых, которые впервые установили их существование. С течением времени эти зоны раз- растаются и достигают в диаметре 800 Å и еще больше обогаща- ются медью. Образование зон Гинье – Престона практически за- канчивается по истечении 5–7 сут (при 20 °С) и ведет к искажению кристаллической решетки, что сопровождается повышением проч- ности и снижением пластичности сплавов. Этот процесс получил название естественного старения. Следует отметить, что естественное старение начинается не сра- зу после закалки, а примерно через 3…4 ч. В течение этого времени свежезакаленный сплав сохраняет высокую пластичность, хорошо обрабатывается давлением. На практике это явление используется для проведения таких технологических операций, как клепка, правка и т. д. Процесс старения может протекать и при повышенных темпе- ратурах (150…180 °С). Его называют искусственным старением. Механизм его существенно отличается от механизма естественно- го старения. Сначала в результате диффузии атомов меди в отдель- ных участках кристаллической решетки формируется новая, богатая медью, Q′-фаза. Она по составу и строению очень близка к Q-фазе, т. е. к стабильной фазе CuAl 2 , но отличается от нее кристаллической решеткой. Выделяется Q′-фаза в виде мелкодисперсных частичек. Причем на границе ее раздела с основным раствором α сохраняет- ся когерентность (соответствие). Это значит, что на границе разде- ла имеются общие атомы, которые одновременно принадлежат обе- им фазам. Кристаллическая решетка этих участков сильно искажена, что и является причиной упрочнения сплавов при искусствен- ном старении. Повышение температуры до 200…250 °С приводит к коагуляции Q′-фазы и к переходу в Q-фазу. Когерентная связь исчеза- ет, искажение решетки уменьшается, и происходит некоторое разупроч- нение сплавов. Указанные механизмы старения наблюдаются не только в двойных сплавах алюминия с медью, но и в многокомпонентных де- формированных сплавах системы алюминий – медь – магний – мар- ганец (Д1, Д16, ВАД17 – дуралюмины), в литейных сплавах систем алюминий – медь – никель – магний (АЛ1), алюминий – крем- ний – медь – магний (АЛ3) и др. Присутствие в сплавах магния и кремния приводит к появлению дополнительных фаз CuMgAl 2 (S-фаза), CuMg 5 Al 5 (T-фаза), Mg 2 Si, Mg 2 Al 3 . При нагреве сплавов под закалку эти фазы растворяются в алюминии, а в процессе искус- ственного старения выделяются из твердого раствора в виде мелко- дисперсных частиц, упрочняя сплавы. В табл. 10.1 приведены составы, характерные виды термической обработки и области применения некоторых наиболее распростра- ненных сплавов. Помимо закалки и старения, алюминиевые сплавы подвергают и отжигу. Цель его – снятие напряжений в отливках, рекристаллиза- ция и снятие наклепа в деформируемых сплавах в процессе их об- работки плавлениием. Температура отжига колеблется в пределах 270…420 °С. Практическую часть работы рекомендуется выполнять в сле- дующем порядке: 1) провести закалку 13 образцов сплава Д1 или Д16 с 500 °С и старение при 100 °С (4 образца), 150 °С (1 образец), 185 °С (4 об- разца) и 300 °С (4 образца); 2) измерить твердость всех образцов после закалки, а затем по- сле старения; результаты записать в таблицу, составленную по об- разцу табл. 10.2; 3) по данным табл. 10.2 построить графики в координатах твер- дость – время для температур 100, 185 и 300 °С и в координатах твер- дость – температура для времени старения 60 мин и температур 100, 150, 185, 300 °С; 4) объяснить ход изменения кривых. 76 77 Таблица 10.2 Номер образ- ца Твердость после за- калки Темпера- тура ста- рения, °С Время старения, мин Твердость после старения HRB HB HRB HB 1 20 2 100 40 3 60 4 80 5 150 60 6 185 20 7 40 8 60 9 80 10 300 20 11 40 12 60 13 80 Содержание отчета 1. Цель и задачи работы. 2. Краткие сведения о методах термообработки и механизме ста- рения алюминиевых сплавов. 3. Описание эксперимента с указанием марки термообрабатывае- мого сплава, его химического состава, температуры закалки. 4. Таблица экспериментальных данных. 5. Графики изменения твердости от времени и температуры ста- рения. 6. Выводы по работе. ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие ………………………………………..……………........3 Лабораторная работа № 1. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО – ЦЕМЕНТИТ…………..…………………….……..……4 Лабораторная работа № 2. МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ СТРОЕНИЯ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ...........…......................................................................22 Лабораторная работа № 3. МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ СТРОЕНИЯ ЧУГУНОВ….................................................................29 Лабораторная работа № 4. ИСПЫТАНИЕ МЕТАЛЛОВ НА ТВЕРДОСТЬ....….........................................................................38 Лабораторная работа № 5. ЗАКАЛКА СТАЛИ................................50 Лабораторная работа № 6. ОТПУСК СТАЛИ..................................57 Лабораторная работа № 7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОКАЛИВАЕМОСТИ СТАЛЕЙ..................................................62 Лабораторная работа № 8. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ТЕРМИЧЕСКИ ОБРАБОТАННОЙ ЦЕМЕНТОВАННОЙ СТАЛИ..................................................................................................70 Лабораторная работа № 9. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛАСТИЧНОСТИ РЕЗИНЫ...............................................................................................77 Лабораторная работа № 10. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ........................................................72 78 79 Учебное издание Гордиенко Валерий Евгеньевич Гордиенко Евгений Григорьевич Степанов Сергей Александрович Кнышев Юрий Владимирович МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Учебное пособие Редактор О. Д. Камнева Корректор А. А. Стешко Компьютерная верстка А. А. Стешко Подписано к печати 19.10.09. Формат 60×84 1/16. Бум. офсетная. Усл. печ. л. 4,5. Уч.-изд. л. 4,9. Тираж 1000 экз. Заказ 109. «С» 51. Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4. Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 5. ДЛЯ ЗАПИСЕЙ 80 ДЛЯ ЗАПИСЕЙ |