Программа для чтения pdfфайлов. Загл с этикетки диска
 Скачать 5.98 Mb.
|
|
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина» Кафедра металловедения и неметаллических материалов КОМПЛЕКС ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО КУРСУ «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» Учебно-методическое пособие Москва, РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, 2021 2 УДК 620.1+620.18+620.22 ББК 34.2 Д 79 Дубинов, Ю.С. Комплекс лабораторных работ по курсу «Материаловедение» [Электронный ресурс]: Учебно-методическое пособие / Ю.С. Дубинов, А.К. Прыгаев, О.Б. Дубинова, В.А. Захаров – М.: РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, 2021. – 11,18 Мб – Электрон.дан. - 1 электрон.опт.диск (CD-ROM); 12 см. – Систем.требования: компьютер IBM-PC совместимый; монитор, видеокарта, поддерживающ. разреш.1024x768; привод CD-ROM; программа для чтения pdf-файлов. – Загл.с этикетки диска. Представлена информация, необходимая для подготовки к выполнению и защите лабораторных работ: «Термический анализ чистых металлов и градуировка термопары», «Термический анализ свинцово-сурьмянистых сплавов и построение диаграммы состояния», «Микроструктурный анализ свинцово-сурьмянистых сплавов», «Построение диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов и микроструктурный анализ углеродистых сталей в равновесном состоянии», «Микроструктурный анализ и свойства чугунов», «Термическая обработка углеродистых сталей: отжиг, нормализация, закалка», «Термическая обработка углеродистых сталей отпуск». Рекомендуется для студентов, обучающихся по направлениям 21.03.01 «Нефтегазовое дело», 15.03.02 «Технологические машины и оборудование», 15.03.01 «Машиностроение», 20.03.01 «Техносферная безопасность», 27.03.01 «Стандартизация и метрология» и др., при изучении курсов «Материаловедение», «Материаловедение и технология конструкционных материалов». Данное издание является собственностью РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина и его репродуцирование (воспроизведение) любыми способами без согласия университета запрещается Минимальные системные требования: Тип компьютера, процессор, частота: IBM-PC совместимый Видеосистема: монитор, видеокарта, поддерживающая разрешение1024x768 Дополнительное оборудование: привод CD-ROM Дополнительное программное обеспечение: программа для чтения pdf-файлов. © РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, 2021 © Ю.С. Дубинов, А.К. Прыгаев, О.Б. Дубинова, В.А. Захаров, 2021 3 Содержание Лабораторная работа №1 ........................................................................................ 4 «Термический анализ чистых металлов и градуировка термопары» ................ 4 Лабораторная работа №2 ...................................................................................... 23 «Термический анализ свинцово-сурьмянистых сплавов и построение диаграммы состояния» ......................................................................................... 23 Лабораторная работа №3 ...................................................................................... 46 «Микроструктурный анализ свинцово-сурьмянистых сплавов» ..................... 46 Лабораторная работа №4 ...................................................................................... 58 «Построение диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов и микроструктурный анализ углеродистых сталей в равновесном состоянии» 58 Лабораторная работа №5 «микроструктурный анализ и свойства чугунов» . 95 Лабораторная работа №6 .................................................................................... 114 «Термическая обработка углеродистых сталей: отжиг, нормализация, закалка» ................................................................................................................ 114 Лабораторная работа №7 .................................................................................... 147 «Термическая обработка углеродистых сталей: отпуск» ............................... 147 Список используемых литературных источников .......................................... 157 4 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 «ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЧИСТЫХ МЕТАЛЛОВ И ГРАДУИРОВКА ТЕРМОПАРЫ» Металловедение – это наука, которая изучает зависимость между строением, составом и свойствами металлов и сплавов, а также закономерности их изменения в результате воздействия внешних факторов: механических, химических, электромагнитных, тепловых и радиоактивных [1]. Металлы – это группа химических элементов, представляющих собой простые вещества и обладающих характерными металлическими свойствами, а именно, металлическим блеском, пластичностью, высокой электро- и теплопроводностью и ковкостью [2]. Все металлы и их сплавы представляют собой кристаллические тела, имеющие определенную кристаллическую решетку, которую образуют закономерно расположенные в пространстве атомы. Для того чтобы понять взаимное расположение атомов в решетке, достаточно иметь представление о минимальном комплексе атомов, который многократно повторяясь в пространстве, образует структуру металла во всем объеме. Такой комплекс атомов называется элементарной кристаллической ячейкой. Выделяют следующие типы кристаллических решеток: кубическая объемноцентрированная (ОЦК), в которой атомы расположены по вершинам куба и один атом – в центре объема куба (рисунок 1.1, а); кубическая гранецентрированная (ГЦК), в которой атомы расположены по вершинам куба и в центре каждой грани (рисунок 1.1, б); гексагональная плотноупакованная (ГПУ), в которой атомы расположены в вершинах и в центре шестигранных оснований и 5 три атома в средней плоскости шестигранной призмы (рисунок 1.1, в); тетрагональная, так же как и кубическая решетка может быть объемноцентрированной и гранецентрированной (рисунок 1.2). Каждая кристаллическая решетка характеризуется определенными параметрами, или так называемыми периодами решетки. Для ОЦК и ГЦК решеток таким параметром является длина ребра куба a (для большинства металлов этот параметр лежит в пределах (0,2÷0,6) x 10 -9 м [3]), а для ГПУ решетки – отношение длин ребер a и c, с/а = 1,633 [2]. Тетрагональная решетка, в свою очередь, характеризуется тем, что ребро c не равно ребру a [2]. Рисунок 1.1 – Элементарные кристаллические ячейки: а – ОЦК; б – ГЦК; в – ГПУ 6 Рисунок 1.2 – Элементарная кристаллическая ячейка простой тетрагональной решетки Некоторые металлы при разных значениях температур находятся в разных кристаллических состояниях (формах). Существование одного и того же вещества в разных кристаллических формах называется полиморфизмом или аллотропией [3]. Кристаллические модификации одного и того же металла обозначают буквами греческого алфавита: α, β, γ, δ и др. Примеры кристаллических решеток металлов представлены в таблице 1.1. Таблица 1.1 – Типы кристаллических решеток важнейших металлов [1] Тип решетки Металлы А. Металлы с неизменяющимся типом решетки ОЦК Na, K, Li, V, Nb, Cr, Mo, W, Ba, Ta,Rb ГЦК Cu, Ag, Au, Al, Pb, Ni, Pt, Ni, Pd Гексагональная Be, Mg, Zn, Cd, Os, Ru Б. Металлы с изменяющимся типом решетки Ca ГЦК (Ca α ) ← 450°С → ГПУ (Ca β ) Ti ГПУ (Ti α ) ← 882°С → ОЦК (Ti β ) Zr ГПУ (Zr α ) ← 862°С → ОЦК (Zr β ) Fe ОЦК (Fe α ) ← 911°С → ГЦК (Fe γ ) ← 1392°С → ОЦК (Fe α ) 7 Co ГПУ (Co α ) ← 477°С → ГЦК (Co β ) Одной из особенностей кристаллического строения металлов является анизотропия. Анизотропия – это неодинаковость свойств кристаллов в различных направлениях кристаллической решетки, что объясняется разной плотностью упаковки атомов [3]. В основном анизотропия характерна для одиночных кристаллов – монокристаллов. В промышленности большинство металлов имеют поликристаллическое строение, то есть состоят из большого числа кристаллов неправильной формы, которые называются кристаллитами или зернами. Кристаллическая решетка каждого отдельно взятого зерна имеет произвольную ориентацию в пространстве, а само зерно анизотропно. Однако, за счет того, что поликристаллический металл состоит из множества зерен, то его свойства в итоге получаются усредненными в любом направлении. В кристаллическом строении любого реального кристалла всегда присутствуют несовершенства в виде различных дефектов. Дефекты кристаллического строения подразделяются на точечные, линейные и поверхностные. К точечные дефектамотносятся вакансии – отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки (рисунок 1.3, 1), межузельные атомы – атомы кристалла, находящиеся в пространствах между узлами кристаллической решетки (рисунок 1.3, 2), примеси внедрения – чужеродные атомы, внедряющиеся в пространства между узлами решетки или заменяющие собственные межузельные атомы (рисунок 1.3, 3) и примеси замещения – чужеродные атомы, заменяющие атомы основного металла в узлах решетки или заполняющие ее вакансии (рисунок 1.3, 4) [4]. 8 Рисунок 1.3 – Схема точечных дефектов кристаллической решетки: 1-межузельный атом; 2-вакансия; 3-примесный атом внедрения; 4-примесный атом замещения В качестве линейных несовершенств могут выступать ряд вакансий или ряд межузельных атомов. Однако наиболее важным видом линейных дефектов являются дислокации. Различают краевые дислокации, которые представляют собой искажение кристаллической решетки в результате образования лишней полуплоскости атомов (экстраплоскости) (рисунок 1.4) и винтовые дислокации, представляющие собой сдвиг одной части кристалла относительно другой (рисунок 1.5). Рисунок 1.4 – Схема краевой дислокации 9 Рисунок 1.5 – Схема винтовой дислокации Поверхностные дефекты проявляются в качестве искажения кристаллической решетки по границе между зерен (рисунок 1.6) или субзерен в поликристаллическом металле; к ним также относятся дефекты упаковки. Рисунок 1.6 – Схема размещения атомов внутри и по границам зерен 10 Металлы, как и любые другие вещества, способны существовать в четырех агрегатных состояниях: газообразном, жидком, твердом и в виде плазмы. Процесс перехода структуры металла из твердого состояния в жидкое называется плавлением. Обратный процесс, когда происходит переход металла из жидкого состояния в твердое, называется кристаллизацией. Процессы плавления и кристаллизации характеризуются тем, что система всегда переходит в состояние, которое является энергетически более устойчивым с меньшей свободной энергией. Зависимость изменения свободной энергии металла в жидком и твердом состоянии от изменения температуры представлена на рисунке 1.7. Рисунок 1.7 – Изменение свободной энергии G металла в жидком G ж и твердом G тв состояниях в зависимости от температуры T; T кр.ф – фактическая температура кристаллизации; T s – равновесная или теоретическая температура кристаллизации; T пл.ф – фактическая температура плавления 11 Выше температуры T s меньшим запасом свободной энергии, и, следовательно, большей устойчивостью обладает вещество, находящееся в жидком состоянии, а ниже температуры T s – вещество в твердом состоянии. Температура T s является равновесной или теоретической температурой кристаллизации вещества. При такой температуре величины свободных энергий жидкого и твердого состояний равны, то есть жидкая и твердая фазы могут существовать одновременно и при этом бесконечно долго [1]. Таким образом, при температуре T s процесс кристаллизации еще не начинается, он развивается только тогда, когда появляются условия, при которых возникает разность свободных энергий, образующаяся по причине меньшей свободной энергии металла в твердой фазе по сравнению с металлом в жидкой фазе. Следовательно, для перехода металла из жидкого состояния в твердое необходимо переохлаждение ниже равновесной температуры кристаллизации T s , а для обратного превращения необходим соответственно перегрев выше равновесной температуры кристаллизации T s . Температура, при которой практически начинается процесс кристаллизации называется фактической температурой кристаллизации T кр.ф , а температура, при которой практический начинается процесс плавления – фактической температурой плавления T пл.ф Разность между теоретической T s и фактической T кр.ф температурами кристаллизации называется степенью переохлаждения и рассчитывается по формуле 1.1 [2]: ΔT= T s - T кр.ф , (1.1) где T s – теоретическая (равновесная)температура кристаллизации, T кр.ф – фактическая температура кристаллизации. Процесс кристаллизации чистых металлов можно изобразить термическими кривыми охлаждения в координатах температура-время (рисунок 1.8) 12 Рисунок 1.8 – Термические кривые охлаждения при кристаллизации чистых металлов с разной скоростью охлаждения Термическая кривая охлаждения a на рисунке 1.8 характеризует процесс кристаллизации, который протекает при очень медленном охлаждении. При таком охлаждении степень переохлаждения невелика, поэтому процесс перехода металла из жидкого состояния в твердое происходит при температуре, близкой к равновесной. В реальных условиях скорость охлаждения гораздо больше, и процесс кристаллизации протекает при более низкой температуре, что характеризуется термической кривой охлаждения b на рисунке 1.8. По мере увеличения скорости охлаждения степень переохлаждения будет расти и, следовательно, процесс кристаллизации станет происходить при температурах, лежащих значительно ниже теоретической температуры кристаллизации. Кроме скорости охлаждения степень переохлаждения зависит также от природы и чистоты металла. Чем жидкий металл чище, тем больше он склонен к переохлаждению. 13 В жидкости расположение атомов характеризуется ближним порядком, то есть когда в пространстве закономерно расположена только небольшая часть атомов. Вследствие этого внутренняя энергия неупорядоченной жидкости больше, чем внутренняя энергия твердого тела, которое имеет упорядоченное строение, поэтому процесс перехода из одного состояния в другое сопровождается выделением (или поглощением) тепла. На термических кривых охлаждения при достижении температуры кристаллизации появляется горизонтальная площадка, когда происходит остановка в падении температуры. Образование этой площадки обусловлено выделением скрытой теплоты кристаллизации, которая компенсирует отвод тепла [5]. Таким образом, на кривой охлаждения можно выделить три участка: 1 - охлаждение металла в жидком состоянии; 2 - период кристаллизации; 3 - охлаждение металла в твердом состоянии. Процесс кристаллизации представляет собой образование кристаллических зародышей и последующий рост их числа и размеров (рисунок 1.9). При температуре, близкой к температуре кристаллизации, в жидком металле начинают возникать мельчайшие частицы кристаллов, которые называются «зародышами» или «центрами кристаллизации». Вокруг образовавшихся центров начинают расти кристаллы и одновременно с этим в жидкой фазе возникают новые центры кристаллизации. До тех пор пока образовавшиеся кристаллы свободно растут в жидкой фазе, они имеют геометрически правильную форму, но как только они сталкиваются друг с другом, их правильная форма нарушается, потому что в этих участках прекращается рост граней. Такие растущие кристаллы называются кристаллитами или зернами. 14 Рисунок 1.9 – Схема процесса кристаллизации Скорость процесса кристаллизации определяется скоростью зарождения центров кристаллизации (ч.ц.) и скоростью роста кристаллов (с.к.) (рисунок 1.10). Величины ч.ц. и с.к., в свою очередь, зависят от степени переохлаждения. При равновесной температуре ΔT=0 соответственно ч.ц.=0, с.к.=0. С увеличением степени переохлаждения ΔT растет разность свободных энергий ΔF=F ж -F тв , и при хорошей подвижности атомов ч.ц. и с.к. растут и достигают максимума [5]. Последующее уменьшение величин ч.ц. и с.к. обусловлено тем, что при понижении температуры подвижность атомов снижается. Также ч.ц. и с.к. равны 0 при очень сильном переохлаждении, в этом случае жидкость не кристаллизуется, а превращается в аморфное тело. 15 Рисунок 1.10 – Скорость роста кристаллов (1) и числа центров кристаллизации (2) в зависимости от степени переохлаждения металла Размер образовавшихся кристаллов зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов при данной степени переохлаждения. При небольших степенях переохлаждения в жидкости образуется малое количество центров кристаллизации, а скорость роста кристаллов из этих центров велика, в результате образуются немногочисленные крупные кристаллы. С увеличением степени пере- охлаждения число центров кристаллизации увеличивается, и размер зерна в затвердевшем металле уменьшается [6]. Для того чтобы получить высокие механические и, в частности прочностные характеристики, необходимо получение мелкозернистой структуры металла. |