Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Основы производства и обработки металлов : термическая обработка металлов

Покупка
Артикул: 754302.01.99
Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину
В лабораторном практикуме представлены лабораторные работы по разделу «Термическая обработка металлов», которые знакомят студентов с основами гомогенизации слитков, с вопросами разупрочняющего отжига деформированных сплавов, демонстрируют различие структуры и свойств стали после разных видов фазовой перекристаллизации, закалки и отпуска и показывают возможности упрочняющей термической обработки цветных сплавов. Содержание практикума соответствует программе курса «Основы производства и обработки металлов». Предназначен для студентов, обучающихся по специальностям 150102 «Металлургия цветных металлов» и 150108 «Порошковая металлургия и напыленные покрытия».
Портной, В. К. Основы производства и обработки металлов : термическая обработка металлов : лабораторный практикум / В. К. Портной. - Москва : ИД МИСиС, 2007. - 58 с. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1245288 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
№945

ФЕДЕРАЛЬНОЕАГЕНТСТВОПООБРАЗОВАНИЮ

Êàôåäðà ìåòàëëîâåäåíèÿ öâåòíûõ ìåòàëëîâ

Â.Ê. Ïîðòíîé

Îñíîâû ïðîèçâîäñòâà 
è îáðàáîòêè ìåòàëëîâ

Òåðìè÷åñêàÿ îáðàáîòêà ìåòàëëîâ

Ëàáîðàòîðíûé ïðàêòèêóì

Ðåêîìåíäîâàíî ðåäàêöèîííî-èçäàòåëüñêèì
ñîâåòîì èíñòèòóòà

Ìîñêâà  Èçäàòåëüñòâî «Ó×ÅÁÀ»
2007

УДК 621.7/.9 
 
П60 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, доц. С.М. Педос 

Портной В.К. 
П60  
Основы производства и обработки металлов: Термическая обработка металлов: Лаб. практикум. – М.: МИСиС, 2007. – 58 с. 

В лабораторном практикуме представлены лабораторные работы по разделу «Термическая обработка металлов», которые знакомят студентов с основами гомогенизации слитков, с вопросами разупрочняющего отжига деформированных сплавов, демонстрируют различие структуры и свойств стали после 
разных видов фазовой перекристаллизации, закалки и отпуска и показывают 
возможности упрочняющей термической обработки цветных сплавов. 
Содержание практикума соответствует программе курса «Основы производства и обработки металлов». 
Предназначен 
для 
студентов, 
обучающихся 
по 
специальностям 
150102 «Металлургия цветных металлов» и 150108 «Порошковая металлургия и напыленные покрытия». 
 

© Московский государственный институт

стали и сплавов (технологический  
университет) (МИСиС), 2007 

СОДЕРЖАНИЕ 

Указания по технике безопасности.........................................................4 

Лабораторная работа 1. Гомогенизационный отжиг .........................5 

Лабораторная работа 2. Дорекристаллизационный и 
рекристаллизационный отжиг цветных сплавов............................17 

Лабораторная работа 3. Отжиг, нормализация, закалка и отпуск 
сталей..................................................................................................32 

Лабораторная работа 4. Закалка и старение цветных сплавов........50 

 

 

  

УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ 

1. При полировке шлифа, во избежание травм от быстро летящего 
шлифа, случайно выпущенного из руки, должны соблюдаться следующие условия: 
– полировальное сукно должно быть хорошо натянуто;  
– у шлифа не должно быть острых краев и углов, чтобы шлиф не 
зацепил полировальное сукно и не порвал его, что обычно приводит 
к вылету шлифа; 
– рука со шлифом должна располагаться в направлении вращения 
круга; 
– при вращении круга по часовой стрелке шлиф разрешается полировать только в левой части круга, чтобы в случае выброса шлиф 
ударялся в стенку. 
2. При работе с электрическими печами сопротивления необходимо помнить, что они могут явиться источниками поражения электрическим током и термических ожогов. 
Запрещается начинать работу с печами без разрешения преподавателя или учебного лаборанта. 
Во избежание поражения электрическим током загрузку образцов 
в печь и их выгрузку проводить только при выключенном электропитании печи.  
Во избежание термических ожогов запрещается прикасаться к 
корпусу печей и работать без рукавиц и специальных клещей. 
3. При работе с твердомером Бринелля шариковый индентор нельзя располагать у края образца во избежание вылета образца при нагружении. 
4. Испытания образцов на разрыв или изгиб допускается проводить только под непосредственным руководством учебного лаборанта и с его участием. 

Лабораторная работа 1 

ГОМОГЕНИЗАЦИОННЫЙ ОТЖИГ 
(2 + 2 = 4 часа) 

Цель работы – получить навыки анализа изменений микроструктуры и механических свойств при гомогенизации литых сплавов. 

1.1. Теоретическое введение 

1.1.1. Неравновесная кристаллизация 

Гомогенизационный отжиг предназначен для устранения химической (концентрационной) микронеоднородности сплавов, возникающей вследствие неравновесной кристаллизации расплава. Такую 
микронеоднородность часто называют дендритной ликвацией. Во 
многих промышленных цветных сплавах при первичной кристаллизации образуется твердый раствор – основная структурная составляющая сплава. Поэтому рассмотрим процесс кристаллизации такого 
твердого раствора на примере диаграммы состояния с неограниченной растворимостью в жидком и твердом состоянии (рис. 1.1). 

 

Рис. 1.1. Изменение среднего состава твердого раствора  
при неравновесной кристаллизации (кривая cs) 

В сплаве X после некоторого переохлаждения из расплава состава 
точки d образуются кристаллы твердого раствора состава точки c. 

Эти кристаллы растут далее при охлаждении сплава в интервале кристаллизации, при этом состав жидкости меняется по линии ликвидус 
(точки dhkq), а кристаллы, выделяющиеся из этой жидкости, меняют 
свой состав по линии солидус (точки cgio). Это означает, что состав 
последовательно образующихся кристаллов при любой температуре 
определяется соответствующей точкой на кривой равновесного солидуса, например точкой c при температуре t1 и точкой g при температуре t2 .Следовательно, с понижением температуры из жидкости 
выделяются кристаллы, все более богатые компонентом, понижающим точку ликвидуса, в данном случае металлом B.  
В равновесных условиях при любой температуре в интервале кристаллизации точкой солидуса определяется химический состав всего 
объема твердого раствора, т.е. не только тех кристаллов, которые 
выделились ранее, при более высоких температурах, но и тех, которые образовались при данной температуре. Например, при температуре t2 кристаллы твердого раствора должны иметь состав точки g по 
всему объему. То же самое относится и к составу жидкости (точка h) 
при температуре t2. Этот состав относится ко всему объему жидкости, существующей при этой температуре. Такой ход равновесной 
кристаллизации возможен, если полностью успевают пройти следующие четыре процесса:  
1) выделение из жидкости кристаллов состава, соответствующего 
солидусу для каждой температуры, это требует так называемой разделительной диффузии; 
2) диффузионное выравнивание состава жидкой фазы по всему ее 
объему в соответствии с составом точки ликвидуса для каждой температуры; 
3) диффузионное выравнивание состава твердой фазы по всему ее 
объему в соответствии с составом точки солидуса для каждой температуры; 
4) диффузионный обмен между жидкой и твердой фазами для 
приведения их составов в равновесие. 
Обеспечение равновесной кристаллизации с полным протеканием 
перечисленных диффузионных процессов требует очень малых скоростей охлаждения, которые практически не применимы в производстве. Кроме того, рассматривая некоторое приближение к реальному 
процессу кристаллизации в производственных условиях, необходимо 
учитывать, что металлические кристаллы растут в форме дендритов. 
Эти древовидные образования из-за влияния примесей, условий теплоотвода в жидкости и распределения температур на фронте кри
сталлизации растут, ветвясь и наслаивая один на другой свежие слои 
выделяющейся из жидкости твердой фазы. Поэтому, чтобы первичные оси дендритов, их центральные слои не отличались по составу от 
последующих, более богатых компонентом B слоев, прежде всего, 
необходима выравнивающая диффузия между ранее и позднее образующимися слоями кристалла (процесс 3). Но, чтобы привести твердую фазу в равновесное состояние, одной такой диффузии недостаточно. Например, в кристалле, сердцевина и поверхность которого 
ранее имели состав, лежащий в точках c и g соответственно, по окончании выравнивающей диффузии при температуре t2 получается промежуточный состав, лежащий левее точки g (точка f). Поэтому кроме 
выравнивающей диффузии внутри твердой фазы при равновесных 
условиях необходимо межфазовое взаимодействие расплава и кристаллов (процесс 4), которое приводит к дополнительному обогащению твердого раствора компонентом B из расплава так, что состав по 
всему объему твердой фазы оказывается в точке g на солидусе. 
В реальных условиях кристаллизации при непрерывном охлаждении с типичными промышленными скоростями из-за повышенной 
диффузионной проницаемости жидкости первые два из перечисленных выше процессов обычно успевают проходить. А третий и четвертый процессы, т.е. выравнивающая диффузия внутри твердой фазы и диффузионный обмен между жидкой и твердой фазой, полностью не успевают проходить. Образующийся в результате такой кристаллизации неоднородный по своему составу твердый раствор можно охарактеризовать некоторой средней концентрацией, которая 
должна лежать левее солидуса (см. рис. 1.1). Так, при температуре t2 
средний состав твердой фазы может характеризоваться точкой f. Состав поверхностного слоя кристалла при температуре t3 определяется 
точкой i, а средний состав всей твердой фазы должен быть промежуточным между точками f и i. Этот средний состав при температуре t3 
характеризуется точкой j. Если через точки c, f и j провести кривую, 
то она будет описывать изменение среднего состава неоднородного 
твердого раствора при определенной скорости охлаждения.  
Равновесная кристаллизация сплава X должна заканчиваться при 
температуре t4 в точке o. В условиях неравновесной кристаллизации 
при температуре t4 еще не вся жидкость будет израсходована, в сплаве X при этой температуре еще присутствует жидкость в количестве, 
оцениваемом по правилу рычага отношением отрезков po/pq. Поэтому неравновесная кристаллизация будет продолжаться и ниже температуры t4 до тех пор, пока средний состав твердой фазы не совпа
дет с составом сплава в точке s. В этот момент поверхностный слой 
кристалла имеет состав в точке m. Точка s – точка конца кристаллизации сплава X, поэтому эта точка – неравновесный солидус сплава X. 
Каждый сплав при определенной скорости охлаждения характеризуется своей линией изменения среднего состава твердого раствора и соответственно своей температурой неравновесного солидуса 
(рис. 1.2). Линия adfkb, проходящая через точки конца кристаллизации всех сплавов (для данной скорости охлаждения), называется неравновесным солидусом системы. 

 

Рис. 1.2. Неравновесный солидус системы с непрерывным рядом 
твердых растворов: cd, mf и nk – линии изменения среднего состава 
твердого раствора при неравновесной кристаллизации сплавов X1 X2 и X3; 
adfkb – неравновесный солидус; acmnb – равновесный солидус 

Между линиями равновесного и неравновесного солидуса имеется 
не только количественная разница в температурах, но и качественное 
различие. Линия равновесного солидуса является геометрическим 
местом точек конца кристаллизации сплавов и одновременно геометрическим местом точек состава твердой фазы при любой температуре в интервале кристаллизации. Линия неравновесного солидуса 
является только геометрическим местом точек конца кристаллизации 
при конкретных условиях охлаждения.  
В результате неравновесной кристаллизации твердого раствора 
химический состав в сечении каждого дендрита оказывается переменным. На шлифе под микроскопом такие сечения ветвей дендрита 
называют дендритными ячейками. Оси дендритов – центры ячеек, 
образовавшиеся при более высоких температурах, обогащены ком
понентом, повышающим точку солидуса (здесь компонентом А), а 
межосные пространства и края ячеек, образовавшиеся при более низких температурах, обогащены компонентом, понижающим точку солидуса (компонент В). Из-за разной травимости участков твердого 
раствора с разной концентрацией на шлифе выявляется специфический дендритный рисунок из дендритных ячеек внутри каждого зерна. Образование неоднородности по химическому составу внутри 
кристаллитов раствора называется внутрикристаллитной или дендритной ликвацией.  

 

Рис. 1.3. Неравновесная кристаллизация и неравновесный солидус  
в системе эвтектического типа 

В системах эвтектического типа дендритная ликвация приводит к 
более сильным отклонениям структуры от равновесного состояния 
(рис. 1.3), чем в системе с непрерывным рядом твердых растворов 
(см. рис. 1.1 и 1.2). В малолегированном сплаве (X1 на рис. 1.3) неравновесная кристаллизация протекает так же, как и в системе с непрерывным рядом твердых растворов (например, у сплава Х на 
рис. 1.1). Затвердевание сплава X1 заканчивается в точке h, когда 
средний состав твердого раствора совпадает с составом сплава. В 
более легированном сплаве X2 средний состав твердого раствора при 
неравновесной кристаллизации изменяется по кривой vps. Новым 

моментом является то, что средний состав твердого раствора не попадает на ординату сплава выше эвтектической температуры. Равновесная кристаллизация сплава X2 должна закончиться в точке m. В 
неравновесных условиях ниже температуры точки m состав жидкого 
раствора изменяется от точки t до эвтектической точки e, и по достижении температуры эвтектической горизонтали в этом сплаве еще 
присутствует жидкость эвтектического состава в количестве sn/se. 
Следовательно, сплав X2 закончит свою неравновесную кристаллизацию эвтектической реакцией при эвтектической температуре (см. 
рис. 1.3). Равновесная кристаллизация сплава X2 заканчивается при 
более высокой температуре в точке m. Таким образом, в результате 
дендритной ликвации в сплаве, находящемся левее точки предельной 
растворимости (точка c), т.е. находящемся в области твердого раствора, по эвтектической реакции образуется неравновесная эвтектика. Концентрация, соответствующая точке k, является границей состава сплавов, правее которой при данных условиях охлаждения 
кристаллизация заканчивается образованием из расплава неравновесной эвтектики. В сплавах по составу левее точки k при данных 
условиях охлаждения прослоек неравновесной эвтектики по границам дендритных ячеек и зерен быть не должно. 
Количество неравновесной эвтектики, образовавшейся при развитии дендритной ликвации, обычно невелико, и поэтому неравновесная эвтектика часто структурно вырождается в β-фазу (α-фаза из эвтектики наслаивается на первичные α-кристаллы). В этом случае в 
сплаве X2 no границам α-зерен находятся прослойки β-фазы эвтектического происхождения, а двухфазные эвтектические колонии можно 
увидеть только в тройных стыках α-зерен, в которых эвтектической 
жидкости было больше и эвтектика структурно не вырождалась. 
В промышленных условиях охлаждения отливок и слитков кристаллизация всегда неравновесная. Так, в системе Al–Cu точка предельной растворимости по равновесной диаграмме состояния при 
температуре кристаллизации эвтектики (точка c на рис. 1.3) соответствует содержанию меди 5,65 % масс., а в промышленных слитках и 
отливках включения θ-фазы (CuAl2) из-за образования неравновесной эвтектики по границам дендритных ячеек наблюдаются уже в 
сплавах, содержащих более 0,3 % Cu. 
В результате отклонения от равновесия в процессе кристаллизации литой сплав имеет следующие основные недостатки: 
1. Дендритная ликвация понижает температуру солидуса сплава. 
При быстром нагреве под обработку давлением или закалку изделие 

может частично оплавиться. При горячей обработке давлением оплавленные прослойки неравновесной эвтектики вызывают растрескивание заготовки. Такой вид брака называют красноломкостью 
или горячеломкостью. Оплавленные по границам зерен прослойки 
неравновесной эвтектики при нагреве под закалку быстро окисляются, вызывая после охлаждения непоправимое падение и прочности, и 
пластичности металла детали. Это называется пережог. 
2. При горячей обработке давлением, например, прокатке и прессовании, микроучастки, имеющие разный химический состав, вытягиваются и может возникнуть строчечная структура, приводящая к 
анизотропии свойств, т.е. показатели прочности и пластичности будут сильно различаться вдоль строчечности структуры и поперек нее.  
3. Появление по границам зерен избыточной хрупкой β-фазы в результате образования прослоек неравновесной эвтектики из-за дендритной ликвации сильно снижает пластичность сплава и при холодной обработке давлением. 
4. Центральные участки дендритных ячеек и их границы, имеющие разный химический состав, образуют микрогальванические пары во влажной атмосфере, что снижает стойкость твердого раствора 
против электрохимической коррозии. Появление неравновесной эвтектики еще больше снижает стойкость сплава против коррозии. 
5. Структура и свойства литого сплава нестабильны во времени. В 
изделии при эксплуатации с кратковременными разогревами могут 
самопроизвольно протекать постепенное выравнивание состава твердого раствора и рассасывание избыточных фаз. Эти процессы вызывают постепенное изменение свойств, которое может выйти за допустимые пределы. 

1.1.2. Гомогенизационный отжиг 

Для устранения недостатков литой структуры слиток или фасонную отливку подвергают отжигу – гомогенизации. Структурные изменения при гомогенизационном отжиге состоят в выравнивании 
состава твердого раствора и в растворении неравновесного количества избыточных фаз. В основе этих процессов лежит диффузия, поэтому гомогенизацию называют также диффузионным отжигом.  
Структура сплава X2 (см. рис. 1.3) в литом состоянии должна представлять собой дендритные ячейки (сечения стволов и ветвей дендритов), оконтуренные включениями второй (β) фазы из вырожденной неравновесной эвтектики. Центр каждой дендритной ячейки, образовав
Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину