Теоретический раздел. К выполнению лабораторных работ № 9 - 12

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К выполнению лабораторных работ № 9 - 12

по дисциплине «Материаловедение и

технология конструкционных материалов»

для студентов инженерных специальностей,

обучающихся по направлениям:

6.050502 «Инженерная механика»,

6.070106 «Автомобильный транспорт»,

6.051201 «Судостроение и океанотехника»

дневной и заочной форм обучения

Часть 2 -

«Термическая обработка сплавов»

Севастополь

УДК 669.584 (046)

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Материаловедение и технология конструкционных материалов» для студентов дневной и заочной форм обучения направления 6.050502 «Инженерная механика», 6.070106 «Автомобильный транспорт», 6.051201 «Судостроение и океанотехника»: в 3 ч. / Сост. Л.Б.Шрон, Г.П. Резинкина, В.Б Богуцкий, Э.С. Гордеева – Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2009.Ч.2: Термическая обработка стали. - 32 с.

Целью издания методических указаний является помощь студентам в самостоятельном изучении научных и практических основ материаловедения и технологии материалов.

Рассмотрены и утверждены на заседании кафедры «Технология машиностроения» СевНТУ (протокол № 9 от 08.04. 2009 г.)

Допущено учебно-методическим центром СевНТУ в качестве методических указаний.

Рецензент:

Ю.К.Новоселов д.т.н., профессор кафедры «Технология машиностроения»

СОДЕРЖАНИЕ

Лабораторная работа № 9

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДУРАЛЮМИНА

МАРКИ Д16

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить влияние закалки и старения на структуру и свойства дуралюмина марки Д16.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

Термической обработкой называется совокупность операций нагрева, выдержки и последующего охлаждения твердых металлических материалов с целью получения заданных свойств за счет изменения структуры. Существуют следующие основные виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка, отпуск, старение.

Различают два вида закалки: с полиморфными и без полиморфных превращений. Закалка с полиморфными превращениями характерна для черных металлов, без полиморфных – для большинства цветных.

Закалка без полиморфных превращений заключается в фиксации при комнатной температуре (после охлаждения) состояния, соответствующего состоянию при температуре нагрева под закалку.

Дуралюмин марки Д16 содержит (3, 8 - 4, 9) % Cu; (1, 2 - 1, 8) % Mg и (0, 3 -0, 9) % Mn и подвергается упрочняющей термической обработке, заключающейся в закалке без полиморфных превращений с последующим старением.

В исходном отожженном состоянии сплав Д16 имеет двухфазую структуру: α -фазу и CuAl₂ в виде сетки по границам зерен α –фазы, где α – твердый раствор меди в алюминии, а CuAl₂ - химическое соединение (интерметаллид). В α -фазе при комнатной температуре согласно диаграмме состояния Al – Cu растворено 0, 5 % меди, а в CuAl₂ - 3, 5%.

Закалка сплава Д16 производится при нагреве сплава до температуры на 30…50 ⁰С выше критической точки (505±10 ⁰С), выдержке при этой температуре для сквозного прогрева и завершения фазовых превращений с последующим резким охлаждением (обычно в воде) до комнатной температуры.

В результате резкого переохлаждения в структуре не происходит выделения твердой дисперсной фазы CuAl₂ из a- фазы, т.к. не успевает произойти диффузионное перераспределение химических элементов в атомно-кристаллической решетке, и, как следствие, фиксируется твердый раствор a. По сравнению с равновесной (0, 5 % Cu) при комнатной температуре в такой a- фазе содержится 4% меди, а следовательно, она является пересыщенным твёрдым раствором и поэтому обозначается a^/ (равновесная- a). Пересыщение a^/- фазы создаётся при отсутствии полиморфных превращений в основном металле (алюминии). Таким образом, после закалки сплав имеет структуру a^/ - фазу.

В закалённом состоянии сплав обладает невысокой прочностью (твёрдостью) и хорошей технологической пластичностью (хорошо прокатывается, штампуется, в т.ч. в холодном состоянии).

Старение заключается в длительной изотермической выдержке (до 4…7 суток) закалённого сплава при климатических температурах (естественное или холодное старение), либо при повышенных (до 200 ⁰С) температурах (искусственное или горячее старение) за гораздо более короткие сроки.

Дело в том, что a^/- фаза является термодинамически нестабильной и поэтому склонна к самопроизвольному распаду с выделением твёрдых дисперсных частиц CuAl₂ равномерно в объёме зёрен α -фазы.

Процесс распада протекает в несколько стадий с увеличением количества частиц CuAl₂ в зерне, пока содержание [ Cu ] в a- фазе не достигнет практически равновесного значения (0, 5 %). Такое строение сплава принято называть дисперсионной структурой, которая видна только под электронным микроскопом.

Поэтому термообработка, состоящая из закалки с последующим старением, получила название «дисперсионного твердения», т.к. упрочняющую фазу переводят в высокодисперсное состояние.

Сплавы, упрочнение которых осуществляется старением, называют стареющими.

Если с увеличением времени выдержки или температуры при искусственном старении происходит укрупнение частиц CuAl₂ и падение прочности металла, то этот процесс называют «перестариванием».

Прочность сплава (s_в) после закалки с естественным старением составляет порядка 450 МПа.