Меркулова Г.А. Металловедение и термическая обработка цветных сплавов. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

литейная)

БрХ 0,5 дефор-

мир.

- - - - 950-980 400

БрЦр 0,4 дефор-

мир.

- - 700 - 920 450

Порядок выполнения работы

1 Сделать разбор диаграмм медь-олово, медь- алюминий, медь- хром,

медь-цирконий.

2 Познакомиться с химическим составом, структурой, свойствами, ре-

жимами термообработки и применением ряда бронз.

3 Обосновать режим термической обработки полученной бронзы: тем-

пература, время выдержки, скорость охлаждения.

4 Выполнить термообработку.

5 Приготовить шлифы и изучить микроструктуру бронзы с помощью

микроскопа МИМ-7.

6 Измерить твердость на приборе Роквелла ТК-2 по шкале В (НRВ).

7 Полученные данные оформить в виде таблицы и графика: зависи-

мость НRВ от температуры.

Оборудование, инструменты, материалы

Лабораторные камерные электропечи; набор образцов бронз; щипцы;

закалочный бак с водой; шлифовальная бумага; сукно; окись хрома; шлифо-

вальные и полировальные станки; травитель: 5г FeCl

+15мл HCL+50мл H

металлографический микроскоп МИМ-7; прибор типа Роквелла ТК-2; ГОСТ

9013-59; наконечник - стальной шарик; циркуль; линейка.

Требования к отчету

1. Отчет оформить в соответствии со стандартом СТП 2.407-2005.

2. Указать цель работы.

3. Начертить диаграмму состояния согласно полученной марки бронзы.

Показать положение соответствующей бронзы на диаграмме состояния.

4. Привести химический состав, структуру, свойства, применение по-

лученной марки бронзы.

5. Дать обоснование выбора режима термической обработки.

6. Описать используемое оборудование, инструменты, материалы.

7. Привести результаты экспериментов.

8. Дать анализ полученных результатов и сделать вывод по работе.

9. Указать использованную литературу.

Контрольные вопросы и задания

1 Назовите виды отжигов бронз.

2 Поясните особенности закалки бронз (цель, выбор температуры на-

грева, времени выдержки, среды для охлаждения).

3 Укажите марки медных сплавов, подвергаемых закалке.

4 Назовите виды и назначение старения бронз.

5 Каковы структура, состав, свойства, режимы термообработки, приме-

нение БрОФ 6,5-0,4?

6 Тоже для БрАЖН 10-4-4.

7 Тоже для БрХ 0,5.

8 Тоже для БрЦр 0,4.

Литература

1. Колачев, Б.А. Технология термической обработки цветных металлов

и сплавов [Текст]: учеб. пособие для вузов/ Б.А.Колачев, Р.М. Габидуллин,

Ю.В.Пигузов. - М.: Металлургия, 1980. - 280 с.

2. Самохоцкий, А.И. Технология термической обработки металлов

[Текст]: учебник для техник/ А.И.Самохоцкий, Н.Г.Парфеновская.-2-е изд.-

М.: Машиностроение, 1976.- 311 с.

3. Арзамасов, Б.Н. Материаловедение [Текст]: учебник для студ. высш.

техн.уч.завед./ Б.Н.Арзамасов, И.И.Сидорин, Г. Ф.Косолапов, и др.; под общ.

ред. Б.Н.Арзамасова. -2-е изд. - М.:Машиностроение, 1986. - 384 с.

4. Арзамасов, Б.Н. Справочник по конструкционным материалам

[Текст]: справочник/ Б.Н.Арзамасов, Т.В.Соловьева, С.А.Герасимов и др. под

ред. Б.Н.Арзамасова, Т.В.Соловьевой.-М.: Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана,

2005.-640 с.

5. Смирягин, А.П. Промышленные цветные металлы и сплавы [Текст]:

справочник/ А.П.Смирягин, Н.А.Смирягина, А.В.Белова.-3-е изд.-М: Метал-

лургия, 1974.-488 с.

6. Колачев, Б.А. Металловедение и термическая обработка цветных ме-

таллов и сплавов [Текст]: учебник для студ. высш.уч.завед. /Б.А.Колачев,

В.А.Ливанов, В.И.Елагин. -4-е изд. - М.: МИСиС, 2005. -432с.

7. СТП 2.407-2005 Текстовые документы в учебном процессе. Общие

требования к построению, изложению и оформлению [Текст]. – Введ. 2005 -

01-06.- ГУЦМиЗ.- Красноярск, 2005 – 68 с.

Лабораторная работа 3

Металловедение и термическая

обработка алюминиевых сплавов

Цель работы: Изучение влияния режимов термообработки на структу-

ру и свойства дуралюмина Д16.

Теоретические сведения

Алюминиевые сплавы подразделяют на деформируемые (ГОСТ 4784-

97*) и литейные (ГОСТ 2665-86*), а также на термически упрочняемые и

термически неупрочняемые.

Алюминий и его сплавы подвергают различным видам термической

обработки в зависимости от состава сплавов, вида полуфабрикатов, деталей и

заготовок, а также их назначения.

Отличительная особенность алюминия заключается в его высокой теп-

лопроводности, в связи с чем проблема прокаливаемости не имеет особой

остроты. Склонность алюминия и его сплавов к взаимодействию с газами,

составляющими атмосферу печи, невелика. Поэтому до последнего времени

не возникало особой необходимости в применении защитных атмосфер при

термической обработке алюминиевых сплавов.

Для алюминиевых сплавов наибольшее распространение получили три

вида термической обработки: отжиг, закалка и старение.

Обозначение видов термической обработки

Состояние полуфабрикатов из алюминиевых деформируемых сплавов

обозначается буквенно-цифровой маркировкой: М-мягкий, отожженный; Т -

закаленный и естественно состаренный; Т1 - закаленный и искусственно со-

старенный на максимальную прочность; Т2 и Т3 - смягчающие режимы ис-

кусственного старения; Н - нагартованный; П – полунагартованный (буква

«П», входящая в марку сплава, обозначает, что сплав проволочный); Н1 -

усиленно нагартованный (нагартовка листов примерно 20 %); ТН - закален-

ный, естественно состаренный и нагартованный; Т1Н - закаленный, нагарто-

ванный и искусственно состаренный; Т1Н1 - закаленный, нагартованный на

15-20 % и искусственно состаренный.

Условные обозначения видов термической обработки литейных спла-

вов следующие: Т1 - старение; Т2 - отжиг; Т4 - закалка; Т5 - закалка и час-

тичное старение; Т6 - закалка и полное старение до максимальной твердости;

Т7 - закалка и стабилизирующий отпуск; Т8 - закалка и смягчающий отпуск.

На способ литья указывают буквы: З - в землю; О - в оболочковые формы; В -

по выплавляемым моделям; К - в кокиль; Д - под давлением. Буква "М" обо-

значает, что сплав при литье подвергается модифицированию.

Основы термической обработки алюминиевых сплавов

Термическая обработка слитков и деформированных полуфабрикатов

является мощным средством воздействия на их структуру и свойства. Боль-

шое разнообразие структур, которые могут быть получены в алюминиевых

сплавах после различной термообработки результат различной степени от-

клонения сплавов от термодинамически равновесного состояния при комнат-

ной температуре.

Равновесная структура промышленных алюминиевых сплавов, сум-

марное содержание легирующих компонентов в которых, за редким исклю-

чением, не превышает 15-18%, представляет собой твердый раствор с низким

содержанием легирующих компонентов (десятые доли процента) с включе-

ниями интерметаллидных фаз Al

Cu, Al

CuMg, MgZn

, Mg

Si и т.д.

При таком фазовом составе сплавы, как правило, обладают низкой

прочностью и очень высокой пластичностью. Самой неустойчивой при ком-

натной температуре структурой в алюминиевых сплавах, имеющих фазовые

превращения в твердом состоянии (термически упрочняемых сплавах), явля-

ется пересыщенный твердый раствор легирующих компонентов в алюминии,

концентрация которых может в десятки раз превышать равновесную. При та-

кой структуре алюминиевые сплавы также пластичны, но значительно проч-

нее, чем в равновесном состоянии.

Для достижения максимальной прочности термически упрочняемых

сплавов необходимо за счет регламентированных нагревов получить некото-

рую промежуточную структуру, которая соответствует начальным стадиям

распада пересыщенного твердого раствора.

Для алюминиевых сплавов широкое распространение в металлургиче-

ском производстве получили три основных вида термообработки: отжиг, за-

калка, старение.

Отжиг

Отжиг слитков или деформированных полуфабрикатов применяется в

тех случаях, когда возникшее по тем или иным причинам неравновесное со-

стояние сплава обусловливает появление нежелательных свойств, чаше всего

пониженной пластичности.

Применительно к алюминиевым сплавам наиболее распространены три

разновидности неравновесных состояний:

1. Неравновесное состояние, свойственное литым сплавам. Скорость

охлаждения сплавов при кристаллизации слитков значительно превышает

скорости охлаждения, необходимые для равновесной кристаллизации. Осо-

бенности литой структуры деформируемых алюминиевых сплавов, в частно-

сти неравновесная эвтектика по границам дендритных ячеек в виде почти не-

прерывных ободков интерметаллидных фаз, обусловливают пониженную

пластичность слитков, особенно из высокопрочных (высоколегированных)

сплавов, а отсюда трудности их деформирования.

2. Неравновесное состояние, вызванное пластической деформацией,

особенно холодной.

3. Неравновесное состояние, являющееся результатом предыдущей упроч-

няющей обработки (закалки и старения). Основная особенность такого со-

стояния - присутствие в сплаве более или менее пересыщенного (легирую-

щими компонентами) твердого раствора с дисперсными выделениями интер-

металлидных фаз. Между этим неравновесным состоянием и двумя выше

рассмотренными имеется принципиальное различие: оно может быть полу-

чено только в сплавах, претерпевающих фазовые превращения в твердом со-

стоянии, т.е. в термически упрочняемых сплавах, в то время как два других

состояния наблюдаются и в сплавах без фазовых превращений в твердом со-

стоянии, и в сплавах с такими превращениями.

В соответствии с тремя рассмотренными выше разновидностями не-

равновесных состояний, различают три разновидности отжига:

1) гомогенизирующий отжиг слитка, или гомогенизация;

2) Рекристаллизационный и дорекристаллизационный отжиг деформи-

рованных изделий после обработки давлением;

3) гетерогенизационный отжиг, как правило, термически упрочненных

полуфабрикатов (дораспад пересыщенного твердого раствора и коагуляция

выделившихся интерметаллидов) с целью разупрочнения.

Гомогенизация - разновидность отжига, которая применяется при про-

изводстве деформированных полуфабрикатов. Гомогенизация слитка - пер-

вая термическая обработка в технологическом процессе.

Слиток с неоднородной, термодинамически неустойчивой структурой

подвергают отжигу, в результате которого его структура становится гомо-

генной, пластичность повышается, что позволяет значительно интенсифици-

ровать последующую обработку давлением (прессование, прокатка) и

уменьшить технологические отходы. Во многих случаях гомогенизация по-

зволяет также улучшить свойства деформированных полуфабрикатов

Рассмотрим сущность гомогенизации и принципы выбора режима го-

могенизации на примере двойного сплава А1-4% Сu(рис. 3.1).

Рис. 3.1 Алюминиевый угол диаграммы состояния системы Al- Cu.

Хотя равновесная структура сплава представляет собой обедненный

медью твердый раствор и вторичные выделения Ө - фазы (А1

Сu), в слитках

в результате неравновесной кристаллизации образуется неравновесная эвтек-

тика, интерметаллидный ободок по границам дендритных ячеек состоит из

эвтектических (достаточно грубых) включений Ө - фазы (А1

Сu) Если сплав

нагреть до температуры выше температуры сольвуса и выдержать при этой

температуре, то эвтектические включения Ө (Al

Cu) растворятся, выровнится

концентрация меди по сечению дендритных ячеек и сплав будет иметь гомо-

генную однофазную структуру. Температура гомогенизации (t

гом

) должна

быть выше температуры полного растворения легирующих компонентов в

алюминии, т.е. выше t

на рис.3.1, но ниже температуры равновесного соли-

дуса (t

сол

). При выборе температуры гомогенизации следует учитывать нали-

чие в слитке неравновесной эвтектики, температура плавления которой равна

эв

. Если слиток быстро нагреть до температуры выше tэв, то эвтектика рас-

плавится, образовавшаяся жидкость через некоторое время снова закристал-

лизуются. Тем не менее, нагрев при гомогенизации до появления жидкой

фазы обычно не допускается, поскольку это сопровождается межзеренным

окислением и образованием пористости, что приводит к снижению прочно-

сти и особенно пластичности сплавов.

Таким образом, t

гом

должна быть ниже t

эв

, однако во многих случаях

для ускорения процесса гомогенизации ее выбирают выше tэв, но в этом слу-

чае нагрев до температуры tгом должен производиться медленно с тем, что-

бы неравновесная эвтектика рассосалась (растворились интерметаллидные

эвтектические включения) до достижения температуры t

эв

Нагрев и выдержка при гомогенизации должны обеспечить полное

растворение неравновесных эвтектических включений Ө-фазы (А1

Сu). Вы-

держка должна быть тем больше, чем грубее эти включения, величина кото-

рых зависит от скорости кристаллизации при литье. В общем случае выдерж-

ка при гомогенизации зависит от коэффициента диффузии компонентов, со-

держащихся в растворенной фазе.

Температура гомогенизации для промышленных алюминиевых сплавов

колеблется в пределах от 450 до 560 °С, а выдержка - от 4 до 36 ч. Выдержка

выбирается экспериментально.

Гомогенизация не должна быть излишне длительной, длительная го-

могенизация может привести к отрицательным эффектам, например образо-

ванию вторичной водородной пористости в слитке. Скорость охлаждения

при гомогенизации обычно не регламентируют, слитки охлаждают с печью

или на воздухе. При таком сравнительно медленном охлаждении растворен-

ные легирующие компоненты снова выделяются из твердого раствора в виде

вторичных интерметаллических кристаллов. Однако эти кристаллы гораздо

меньше имевшихся до гомогенизации эвтектических включений и более рав-

номерно распределены, поэтому пластичность сплава остается достаточно

высокой. Изложенная на примере сплавов Al-Cu сущность процесса гомоге-

низации может быть распространена и на более сложные алюминиевые спла-

вы. Отличие этих сплавов от двойных сплавов Al-Cu заключается лишь в

том, что в результате дендритной ликвации у сложных сплавов в литом со-

стоянии твердый раствор неоднороден не только по содержанию меди, но и

по содержанию других компонентов (Mg, Zn, Si, Li)а по границам дендрит-

ных ячеек залегает не двойная (или не только двойная) эвтектика α +ӨА1

Сu,

а более сложные неравновесные эвтектики, и при гомогенизации происходит

растворение различных интерметаллидных фаз.

В том случае, когда в сплавах содержатся наряду с одним или несколь-

кими выше упомянутыми основными компонентами добавки переходных ме-

таллов (Мn, Cr, Zr), структурные превращения, происходящие при гомогени-

зации, усложняются.

На рис.3.2 в одном масштабе вычерчены кривые изменения раствори-

мости меди, магния и марганца в алюминии в зависимости от температуры.

Видно, что при температурах гомогенизации растворимость меди, магния (и

др. основных легирующих компонентов (Zn, Li, Si) велика, а растворимость

марганца мала, поэтому в процессе выдержки при этих температурах медные,

магниевые, литиевые, кремниевые интерметаллиды растворяются. Вместе с

тем из твердого раствора выделяются марганцевые (хромовые, циркониевые)

интерметаллиды, являющиеся продуктами распада пересыщенного твердого

раствора, образовавшегося при кристаллизации.

Рис. 3.2 Кривые растворимости меди, магния и марганца в алюминии

Рис. 3.3 Микроструктура слитков сплава Д16 с 0,4% Мn, х 800: а - литое состояние, б- по-

сле гомогенизации при 480 °С, 24 ч

На рис.3.3 показано влияние марганца на микроструктуру литого спла-

ва Д16 после гомогенизации. Видно, что в процессе гомогенизации сплава с

Мn наряду с растворением эвтектических включений Ө-фазы (А1

Сu) и S-

фазы (Al

CuMg) из твердого раствора Mn-фаза в дисперсном виде, выделяет-

ся Мn - интерметаллид Al-Cu-Mn фаза в дисперсном виде.

Таким образом, применительно к сплавам, в состав которых кроме Сu,

Mg, Zn, Si, Li входят переходные металлы (Мn, Сr, Zr), описанная выше тер-

мообработка (гомогенизирующий отжиг), гомогенизируя структуру по ос-

новным компонентам, обусловливает и некоторую гетерогенизацию - выде-

ление алюминидов переходных металлов Дисперсные частицы марганцевых,

хромовых, циркониевых интерметаллидов влияют на температуру рекри-

сталлизации деформированных полуфабрикатов, полученных из гомогенизи-

рованных слитков. При оптимальной дисперсности этих интерметаллидов

температура рекристаллизации некоторых полуфабрикатов (особенно горя-

чедеформированных) может быть выше температуры конечной термообра-

ботки. В этом случае в готовых изделиях после термообработки сохраняется

нерекристаллизованная (полигональная) структура, обусловливающая значи-

тельный прирост прочности (структурное упрочнение).

Дисперсные алюминиды переходных металлов, помимо положительно-

го влияния на механические свойства деформиррванных полуфабрикатов,

значительно уменьшают склонность ряда сплавов к коррозии под напряже-

нием.

Таким образом, гомогенизация, являясь средством повышения пла-

стичности слитков перед обработкой давлением, оказывает многогранное

влияние на структуру и свойства деформированных полуфабрикатов В связи

с этим гомогенизация широко применяется при производстве полуфабрика-

тов не только из высокопрочных сплавов, но и мягких сплавов (даже из тех-

нического алюминия).

Применительно к слиткам для производства прессованных профилей из

высокопрочных сплавов, разработан процесс гомогенизации с последующим

гетерогенизационным отжигом. Цель такой обработки - предельно обед-

нить твердый раствор легирующими компонентами при температуре прессо-

вания, что приводит к снижению усилия истечения металла и существенному

(на 30...50 %) повышению скорости истечения при прессовании. Режим гомо-

генизации с последующим гетерогенизационным отжигом показан на рис.3.4.

Гетерогенизационньй отжиг проводится при температуре минимальной ус-

тойчивости твердого раствора, что обеспечивает его быстрый распад (доста-

точна выдержка 1...2 ч) и определенную коагуляцию продуктов распада.

Слиток, подвергнутый обработке и имеющий минимальное содержание ле-

гирующих компонентов в твердом растворе, при нагреве перед прессовани-

ем, сохраняет свое структурное состояние, что и определяет повышение тех-

нологичности при прессовании.

Рекристаллизационный отжиг наиболее

распространен в качестве промежуточной тер-

мической обработки между операциями хо-

лодной деформации или между горячей и хо-

лодной деформацией.

При нагреве деформированных металлов

и сплавов до определенной температуры (тем-

пературы начала рекристаллизации), которая

для технически чистых металлов составляет

0,4 Т

пл

, а для сплавов несколько выше, в них

начинается процесс образования и роста но-

вых зерен с совершенной кристаллической

структурой (плотность дислокаций уменьша-

ется на несколько порядков). Все свойства де-

формированного металла (или сплава) в ре-

зультате рекристаллизации меняются в на-

Рис. 3.4 Схема гетерогенизи-

рующей обработки после гомо-

генизации: t

- температура го-

могенизации; t

- температура

минимальной устойчивости

твердого раствора

правлении, обратном тому, в котором они менялись при деформации, т.е.

прочность и твердость снижаются, а пластичность возрастает. Эта законо-

мерность справедлива для тех условий нагрева, при которых не наблюдается

еще заметной собирательной рекристаллизации.

Величина рекристаллизованного зерна, в значительной степени

влияющая на свойства материала после отжига, зависит от следующих ос-

новных факторов: 1) степени деформации перед отжигом (рис.3.5); 2) темпе-

ратуры нагрева; 3) скорости нагрева; 4) времени выдержки.

Рис. 3.5 Изменение величины рекристаллизованного зерна алюминия

в зависимости от степени предшествующей холодной деформации

Величина критической степени деформации для разных алюминиевых

сплавов колеблется в широких пределах, для алюминия она равна 1...3% (в

зависимости от содержания примесей), а для сплавов выше (4...10%). Во из-

бежание собирательной рекристаллизации температура рекристализационно-

го отжига не должна быть высокой, но во избежание образования крупного

зерна при первичной рекристаллизации она должна существенно превышать

температуру окончания рекристаллизации.

На практике температура рекристаллизационного отжига на 50..150º С

превышает температуру окончания рекристаллизации и для промышленных

алюминиевых сплавов колеблется в пределах от 300 до 500 °С. Выдержка

при температурах рекристаллизационного отжига составляет 0,5...2 ч.

Для алюминиевых сплавов, неупрочняемых термообработкой, скорость

охлаждения при кристаллизационном отжиге, как правило, не играет и может

выбираться произвольно (садку после выдержки в печи обычно охлаждают

на воздухе). Для термически упрочняемых сплавов скорость охлаждения

должна быть определенной, как правило не выше 30 °С/ч до 200...250 °С (да-

лее произвольно), чтобы после отжига формировалось равновесное или близ-