Материаловедение: сущность, задачи

Теоретическая часть

Свойство материала — признак, составляющий его отличительную особенность. Свойства металлов разделяют на 5 групп: механические, физические, химические, технологические, эксплуатационные.

Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение металла (или другого материала) под действием приложенных внешних сил.

К механическим свойствам относят прочность, твердость, пластичность и ударную вязкость.

Прочность — способность материала сопротивляться действию внешних сил не разрушаясь.

Твердость — способность материала сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела.

Пластичность — способность металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять свою форму после прекращения действия сил, вызвавших деформацию. Свойство обратное упругости.

Ударная вязкость — способность материалов оказывать сопротивление действию ударных нагрузок.

Методы измерения твердости

По характеру воздействия индикатора на поверхность испытуемого материала различают следующие методы измерения твердости:

способ вдавливания, понимая под твердостью сопротивление вещества внедрению в него индентора (методы определения твердости по Бринеллю, Виккерсу, Роквеллу и др.);

способ по отскоку наконечника — шарика, характеризующий упругие свойства материала (метод Шора);

способ царапания поверхности характеризует сопротивление разрушению путем среза (метод Мооса).

Метод измерения твердости по Бринеллю Индентор (стальной закаленный шарик диаметром 2,5; 5,0; 7,5; 10 мм) под нагрузкой (750, 1000, 3000 кг) вдавливается в испытуемый образец, расположенные на приборном столике прибора, время проведения испытаний составляет 30−40 с. Диаметр индентора и величина нагрузки назначается в зависимости от размеров образца и вида материала. Чем меньше полученная лунка — тем тверже материал.

Число твердости по Бринеллю обозначается НВ и представляет отношение прилагаемой нагрузки Р к площади отпечатка F:

кгс/мм2,.

где — диаметр индентора, мм; - диаметр лунки, мм.

Основные требования при проведении испытаний следующие:

• — высота образца должна быть в 10 раз больше глубины лунки;
• — твердость индентора в 1,5 раза выше чем твердость испытуемого материала;
• — максимальное число твердости, определяемое данным методом для черных сплавов 450, для цветных 200 единиц.

Метод измерения твердости по Роквеллу В испытуемый образец вдавливают стальной закаленный шарик (d=1,58мм) или алмазный конус (с углом при вершине 1200) под нагрузкой, назначаемой в зависимости от толщины и рода испытуемого материала (табл.1).

За единицу твердости по Роквеллу принимают осевое перемещение индентора (рис.2) вглубь образца на 0,02 мм.

Число твердости смотрят по шкале прибора. Обозначают твердость в зависимости от шкалы: HRB, HRA, HRC.

Рис. 2. Определение твердости по Роквеллу

Таблица 1. Условия испытаний по Роквеллу.

* нагрузка на индентор слагается из двух последовательно прилагаемых нагрузок — предварительной 10 кгс и основной (по шкале В — 90 кгс, С — 140 кгс, А — 50 кгс.).

Практическая часть В данной работе необходимо определить из какого сплава изготовлены предложенные образцы на основании измеренных свойств: плотности, твердости и предела прочности, используя приложение 1.1.

Таблица 1.

Предел прочности определяем по зависимости:

кгс/мм2.

где — твердость по Бринеллю, кгс/мм2; - коэффициент пропорциональности, зависящий от рода материала: катаная и кованая сталь — 0,36; литая сталь — 0,4; серый чугун — 0,1; медные сплавы — 0,45; алюминиевые сплавы — 0,35; цинковые сплавы —; титановые сплавы — .

Приложение 1.1.

Контрольные вопросы

• 1. Классификация свойств металлов и сплавов.
• 2. Классификация методов измерения твердости.
• 3. Что такое твердость?
• 4. Метод определения твердости по Бринеллю.
• 5. Метод определения твердости по Роквеллу.
• 6. Метод определения твердости по Виккерсу.
• 7. Метод определения твердости по Шору.
• 8. Соотношение чисел твердости.
• 9. Что такое предел прочности?
• 10. Методика определения предела прочности.
• 11. Что такое ударная вязкость?
• 12. Методика определения ударной вязкости.
• 13. Сравните следующие металлы по плотности: медь, железо, алюминий, цинк, магний, титан.
• 14. Сравните следующие металлы по температуре плавления: медь, железо, алюминий, цинк, магний, титан.

Лабораторная работа № 2. Процесс кристаллизации веществ Цель работы: изучить процесс затвердевания кристаллических веществ и установить взаимосвязь между структурой слитка и условиями процесса кристаллизации.

Теоретическая часть Различают первичную и вторичную кристаллизацию.

Переход из жидкого состояния в твердое называется первичной кристаллизацией. Вторичная кристаллизация (перекристаллизация) происходит в твердом состоянии. Рассмотрим процесс первичной кристаллизации более подробно и построим кривую охлаждения.

Рис. 1: 1−2 — охлаждение в жидком состоянии; 2 — из жидкости начинают выделятся кристаллы; 3 — вся жидкость закристаллизовалась; 3−4 — охлаждение в твердом состоянии

Разность между теоретической и практической температурами кристаллизации называется величиной или степенью переохлаждения.

Процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов:

Первый процесс заключается в зарождении центров кристаллизации — зародышей, второй процесс состоит в росте кристаллов из этих центров.

Рис. 2. Схема процесса кристаллизации

Скорость охлаждения, количество центров кристаллизации и скорость роста вновь образующихся кристалликов определяют строение твердого вещества (кристаллическое, аморфное или стеклообразное).

Источником образования кристалликов часто являются твердые частицы (примеси), играющие роль готовых центров кристаллизации. Примеси, практически не изменяя химического состава, могут вызывать уменьшение размеров зерен, так как чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации. Использование специально вводимых примесей (модификаторов) для получения мелкого зерна называется модифицированием.

Рис. 3 Зависимости скорости зарождения центров кристаллизации (ч.ц.) и скорости роста кристаллов (с.р.) от от степени переохлаждения.

Структура слитка.

Рис. 4 Структура слитка: 1 — мелкокристаллическая корковая зона; 2 — зона столбчатых кристаллов; 3 — внутренняя зона крупных равноосных кристаллов

Кристаллизация корковой зоны (зона 1) идет в условиях максимального переохлаждения. Скорость кристаллизации определяется большим числом центров кристаллизации. Образуется мелкозернистая структура.

Жидкий металл под корковой зоной находится в условиях меньшего переохлаждения. Число центров ограничено и процесс кристаллизации реализуется за счет их интенсивного роста до большого размера.

Рост кристаллов во второй зоне имеет направленный характер. Они растут перпендикулярно стенкам изложницы, образуются древовидные кристаллы — дендриты. Растут дендриты с направлением, близким к направлению теплоотвода.

Так как теплоотвод от незакристаллизовавшегося металла в середине слитка в разные стороны выравнивается, то в центральной зоне образуются крупные дендриты со случайной ориентацией.

Практическая часть.

• 1. Построить кривую охлаждения чистого металла — олова.
• 2. Изучить структуру слитка и условия ее формирования.

Контрольные вопросы.

• 1. Что такое фаза и фазовое превращение?
• 2. Что такое диаграмма состояния?
• 3. Что такое кристаллизация? Виды кристаллизации.
• 4. Методика получения кривой охлаждения металла или сплава.
• 5. Что представляют собой монои поликристаллы?
• 6. Формирование структуры слитка.
• 7. Условия образования мелкозернистой структуры.
• 8. Полиморфизм и полиморфные превращения.
• 9. Модифицирование, модификаторы I и II рода.
• 10. Как влияет размер зерна на механические свойства металлов и сплавов?

Лабораторная работа № 3. Макроструктурный анализ металлов и сплавов Цель работы: ознакомиться с методикой проведения макроструктурного анализа, изучить характерные виды изломов, макроструктуру литой и деформированной стали на макрошлифах.

Макроструктура — структура материала, видимая невооруженным глазом или при небольшом увеличении (30−40 раз), например с помощью лупы.

Макроскопический анализ применяют для выявления:

Нарушения сплошности металла (поры, трещины);

Вида излома (вязкий, хрупкий, смешанный, усталостный, и т. д.);

Дендритного строения литого металла;

Химической неоднородности литого металла (ликвацию) и присутствия в нем грубых включений;

Неоднородности строения сплава, вызванной обработкой давлением (волокнистой структуры);

Структурной и химической неоднородности металла, созданной термической, термомеханической или химико-термической обработкой.

Определение ликвации серы (метод отпечатков (метод Баумана)).

На хорошо подготовленную поверхность накладывают фотографическую (бромосеребряную) бумагу, предварительно смоченную в течение 5−10 минут в 5%-ном растворе серной кислоты, и выдерживают 5−10 минут.

Сернистое серебро имеет темный цвет, темные участки указывают форму и характер распределения включений сульфидов в исследуемой стали (или чугуне). Снятую с макрошлифа фотобумагу промывают в воде, фиксируют 3 минуты в растворе гипосульфита, после чего снова промывают и сушат.

Макроанализ изломов металлов По характеру разрушения различают два основных вида изломовхрупкий и вязкий, также смешанный, в котором есть области вязкого и хрупкого разрушения.

Вязкий излом имеет обычно матовый волокнистый вид.

Хрупкий — кристаллический блестящий, так как разрушение металла в этом случае развивается по определенным кристаллографическим плоскостям скола (т.е. по границам зерен).

Появление вязкого излома менее опасно для службы изделия, так как отличается существенно большей энергоемкостью по сравнению с хрупким — изделие находится дольше в работе.

Специфический излом имеет излом металлов, полученный в результате многократного нагружения под действием повторно-переменных (циклических) напряжений, называемый усталостным изломом.

Усталостный излом состоит из:

• 1 — очага разрушения — места зарождения (очага) разрушения,
• 2 — зоны стабильного развития трещины (зоны усталости),
• 3 — зоны долома — участка развития трещины, связанного с окончательным разрушением.

Очаг разрушения обычно находится вблизи поверхности. В зоне усталости часто можно рассмотреть полосы, расходящиеся от очага разрушения — усталостные бороздки, отражающие последовательное положение растущей трещины. Скорость роста трещины невелика. Рост трещины продолжается до тех пор, пока сечение не окажется столь малым, что действующие в нем напряжения превысят разрушающие. При этом происходит быстрое разрушение, что и приводит к образованию зоны долома. Зона долома имеет структуру, характерную для хрупкого и вязкого разрушения в зависимости от природы материала.

Определение неоднородности в структуре, созданной термической и химико-термической обработкой.

Например: Определение толщины закаленного слоя (при закалке образец нагревают до высоких температур и резко охлаждают — при этом его структура изменяется и существенно повышается твердость). Чтобы проконтролировать результат закалки — закаленный образец ломают. Слой, получивший закалку, отличается по виду излома (более мелкозернистый). Более точно толщину закаленного слоя определяют после шлифования образца по излому (перпендикулярно оси) и травления в течение 3 мин в 50%-ном растворе соляной кислоты при 80 °C. Закаленный слой получает более темную окраску.

Методика определения балла пористости по М. В. Альтману Для определения газовой пористости темплеты, вырезанные из чушек, отливки или образцы, вырезанные из отливок, обрабатывают до шероховатости Ra не более 1,6 мкм. Макрошлиф готовят из темплетов последовательным шлифованием на шлифовальных шкурках различной зернистости: 80−100 мкм, 40−50 мкм, 10−14 мкм, промывают проточной водой и просушивают фильтровальной бумагой.

Для определения газовой пористости макрошлиф травят 10−15%-м водным раствором едкого натра (NaOH) при температуре 60−80 °С. Макрошлиф погружают в реактив и выдерживают в течение 10−50 с (не выявляя макроструктуры), затем промывают проточной водой и просушивают фильтровальной бумагой.

При необходимости осветления поверхности макрошлиф опускают в 20%-й раствор азотной кислоты на 2−5 с, промывают проточной водой и просушивают фильтровальной бумагой.

Газовая пористость темплетов определяется на трех квадратах площадью 1 см² каждый (рис. 1). Количество пор и размер пор определяют как среднее арифметическое трех измерений.

Рис. 1 Схема определения балла пористости.

Контроль пористости проводят визуально, невооруженным глазом. Для определения диаметра пор можно пользоваться оптическими приборами с увеличением до 10 раз. Шкала пористости по М. В. Альтману состоит из пяти эталонов (табл.1): балл 1 — мелкая пористость; балл 2 — пониженная пористость; балл 3 — средняя пористость; балл 4 — повышенная пористость; балл 5 — высокая пористость.

Таблица 1. Баллы пористости по М. В. Альтману.

Практическая часть.

• 1. Необходимо зарисовать и охарактеризовать основные виды изломов
• 2. Выявить, зарисовать и описать виды и возможные причины образования дефектов на предложенных деталях и отливках.
• 3. Определить балл пористости слитков из алюминиевого сплава.

Контрольные вопросы.

• 1. Что такое макроструктурный анализ?
• 2. Назначение макроструктурного анализа.
• 3. Методика подготовки макрошлифа.
• 4. Определение ликвации серы (метод Баумана).
• 5. Назовите и охарактеризуйте основные виды изломов.
• 6. Что представляет собой усталостный излом?
• 7. Что представляет собой хрупкий излом?
• 8. Что представляет собой вязкий излом?
• 9. Виды дефектов отливок.
• 10. Методика определения балла пористости.

Лабораторная работа № 4. Микроструктурный анализ металлов и сплавов Цель работы: ознакомиться с методикой проведения микроструктурного анализа, изучить технологию приготовления микрошлифов, ознакомится с устройством металлографического микроскопа МИМ-7, посмотреть, как выглядят различные структурные составляющие сплавов: твердый раствор, механическая смесь, химическое соединение.

Теоретическая часть Микроструктура — структура материала, наблюдаемая с помощью оптического (2000;3000 раз) или электронного микроскопа (до 100 000 раз).

Оптическая микроскопия позволяет наблюдать микроструктуру материала при общем увеличении до 2000;3000 раз, что дает возможность обнаружить элементы микростуктуры размером 0,2 мкм и более.

Изучаемые элементы — включения, размеры и форма зерен, их внутренние и внешние границы, объемные и поверхностные дефекты кристаллической решетки.

При микроанализе однофазных сплавов (обычно твердых растворов) и чистых металлов можно определять величину зерен и отметить существование дендритного строения.

Определение размеров зерен проводится либо методами количественной металлографии, либо путем сопоставления структуры с заранее составленными шкалами.

В многофазных сплавах с помощью микроанализа можно определить не только количество, форму и размеры включений отдельных фаз, но и их взаимное распределение.

Микроскопический анализ состоит из приготовления микрошлифов и исследования их под микроскопом. Приготовление микрошлифов складывается из:

• 1) выбора места на детали для вырезки образца;
• 2) отрезки и заторцовки шлифа;
• 3) шлифования;
• 4) полирования;
• 5) травления.

Изучение микроструктуры Изучение микроструктуры начинают с рассмотрения шлифа в нетравленном виде, т. е. после полирования и промывки. В этом случае в поле зрения микроскопа можно заметить отдельные, обычно небольшие, темные участки. Они могут представлять: а) неметаллические включения; б) мелкие поры; в) структурные составляющие, характерные для некоторых сплавов (например, графит в сером чугуне).

Неметаллические включения в стали и чугуне, вследствие их большой хрупкости, могут частично или полностью выкрошиться при шлифовании и полировании. Кроме того, неметаллические включения обладают меньшей отражающей способностью, чем металлы. По этим причинам участки оксидов, сульфидов и силикатов кажутся в поле зрения микроскопа темными.

Количество и характер распределения неметаллических включений определяются сравнением вида наблюдаемой поверхности микрошлифа (обычно при увеличении в 100 раз) со специально разработанными шкалами включений.

Природа включений при микроанализе может быть установлена: 1) специальным травлением, вызывающим растворение или окрашивание включений; 2) наблюдением шлифа в поляризованном или ультрафиолетовом свете.

После просмотра шлиф подвергают травлению.

Зерна чистых металлов или твердых растворов имеют неодинаковую кристаллографическую ориентировку. Поэтому на приготовленную плоскость микрошлифа приходятся зерна, срезанные по разным кристаллографическим направлениям и имеющие в этих направлениях неодинаковые свойства. Если микрошлиф подвергнуть действию химически активной среды (растворов кислот, солей, щелочей и т. д.), то степень травимости отдельных зерен окажется различной. Световой поток, направленный через объектив на микрошлиф, отражается различно от разных зерен; на участках стыков зерен возникает значительное рассеяние, и отраженные лучи не попадают в поле зрения, поэтому по границам зерен возникают темные линии, которые и воспроизводят картину действительных стыков между зернами. Этот эффект в значительной степени возрастает также и потому, что по границам зерен сосредоточиваются многие примеси, имеющиеся в металле или сплаве; травимость по границам зерен вследствие образования гальванических пар увеличивается, и темные линии, указывающие на границы зерен, выступают весьма отчетливо.

В сплаве, имеющем две или несколько фаз, эти фазы могут различаться по величине электрохимического потенциала; поэтому зерна каждой фазы по-разному ведут себя при травлении. Вследствие наличия некоторого количества косых световых лучей выступающие фазы отбрасывают тень на более сильно протравленные и расположенные ниже фазы, в результате чего образуются теневые картины. Этот эффект усиливается из-за рассеяния лучей, отраженных более глубоко расположенными и более сильно протравленными фазами.

Анализ осуществляется при помощи микроскопа — принцип работы — отражение света от поверхности образца. На рис. 1 представлена оптическая схема микроскопа МИМ-7.

Рис. 1. Оптическая схема микроскопа МИМ-7: 1 — осветитель (лампа); 2 — коллектор; 3 — зеркало; 4 — линза; 5 — апертурная диафрагма; 6 — линза; 7 — призма; 8 — линза; 9 — отражательная пластинка; 10 — объектив; 11 — объект; 12 — ахроматическая линза; 13 — окуляр; 14 — зеркало; 15 — фотоокуляр; 16 — зеркало; 17 — фотопластинка; 18 — полевая диафрагма; 19 — затвор; 20 — линза для работы в темном поле; 21 — кольцевое зеркало; 22 — параболическое зеркало; 23 — заслонка (включается при работе в темном поле); 24 — поляризатор; 25 — анализатор.

Практическая часть.

• 1. Провести микроструктурный анализ черных металлов и сплавов, выделить различные структурные составляющие сплавов: твердый раствор, механическую смесь, химическое соединение.
• 2. Зарисовать схемы микроструктур и обозначить основные структурные составляющие следующих образцов: армко-железо, эвтектоидная сталь, легированная сталь, серый, ковкий и высокопрочный чугун, латунь, бронза.

Контрольные вопросы.

• 1. Что такое микроструктурный анализ?
• 2. Назначение микроструктурного анализа.
• 3. Методика подготовки микрошлифа.
• 4. Устройство и принцип работы металлографического микроскопа.
• 5. Что представляют собой основные структурные составляющие металлических сплавов: твердый раствор, механическая смесь, химическое соединение.
• 6. Что такое сталь? Виды сталей.
• 7. Что такое чугун? Виды чугунов.
• 8. Что такое латунь? Виды латуней.
• 9. Что такое бронза? Виды бронз.
• 10. Примеры маркировок черных и цветных металлов и сплавов.

Лабораторная работа № 5. Термическая обработка Цель работы: изучить основные виды термической обработки, ознакомиться с их методикой проведения на примере стали 45.

Теоретическая часть Цель любого процесса термической обработки состоит в том, чтобы нагревом до определенной температуры и последующим охлаждением вызвать желаемое изменение строения металла, в результате которого изменятся и свойства. Проведение термической обработки (ТО) можно свести к трем этапам: нагрев, выдержка и охлаждение. Определяющими являются температура нагрева и скорость охлаждения.

Основные виды ТО — отжиг, нормализация, закалка, отпуск и старение. Каждый из указанных видов имеет несколько разновидностей.

Отжиг — нагрев металла до определенной температуры (в зависимости от вида) с последующим медленным охлаждением (вместе с печью или на воздухе). Различают 4 вида отжига:

• 1. Гомогенизирующий (диффузионный) отжиг. Состоит в нагреве изделия до высокой температуры (1100−1200 0С), выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. Применяется для устранения крупнозернистой структуры и дендритной ликвации.
• 2. Полный отжиг. Заключается в нагреве стального изделия выше линии А3 или Аст на 30−50 0С, выдержке, медленном охлаждении (вместе с печью). Применяется для изменения неблагоприятной структуры — структуру получаем мелкозернистую, вязкую и мягкую, внутренние напряжения снимаются полностью.
• 3. Неполный отжиг. Заключается в нагреве стали выше А1 (727 0С) на 30−50 0С, выдержке, медленном охлаждении. Применяется для получения мелкого зерна перлита, зерно феррита не изменяется. Способ более экономичный, чем полный отжиг, но возможен лишь в случае не очень крупного зерна исходной структуры. Внутренние напряжения также снимаются полностью.
• 4. Низкий отжиг. Заключается в нагреве ниже температуры А1 (727 0С), выдержке и медленном охлаждении. Фазовой перекристаллизации не происходит. Этот вид отжига служит для рекристаллизации наклепанного металла (рекристаллизационный отжиг). Внутренние напряжения также снимаются.

Нормализация — вид ТО, заключающийся в нагреве изделия выше линии А3 или Аст на, 30−50 0С, выдержке и последующем охлаждении на воздухе.

Цель нормализации — получение более высокой твердости, чем при отжиге и снятие внутренних напряжений. Для низкоуглеродистых сталей особой разницы в свойствах при проведении полного отжига и нормализации не наблюдается — поэтому экономически выгоднее применять нормализацию. Для среднеуглеродистых нормализация дает большую твердость и заменить отжиг не может. Однако может применятся для неответственных деталей.

Закалка — заключается в нагреве стального изделия до аустенитного или аустенитно-карбидного состояния, выдержке и последующем быстром охлаждении в закалочных средах (вода, масло).

В зависимости от марки стали применяют полную (ПЗ) и неполную закалку (НПЗ). При ПЗ изделия нагревают выше линии А3 или Аст на 30−50 0С, выдерживают из расчета 1 минута = 1 мм² сечения, быстро охлаждают в закалочных средах (вода или масло). При НПЗ изделие нагревают выше линии А1 на 30−50 0С, выдерживают из расчета 1 минута = 1 мм² сечения, быстро охлаждают в закалочных средах (вода или масло). Для доэвтектоидных сталей (до 0,8% С) применяют полную закалку. Для заэвтектоидных (0,8−2,14% С) — неполную закалку.

Рис. 1.

При полной закалке доэвтектоидных сталей образуется мартенсит. Мартенсит — неравновесная фаза — многократно пересыщенный твердый раствор углерода в б — железе, образующийся при резком переохлаждении аустенита (охлаждение со скоростями выше критических). Возникают сильнейшие искажения кристаллической решетки, дислокации блокируются почти полностью, атомы углерода «заклинены» внутри пересыщенного раствора, что превращает кристаллическую решетку из кубической в вытянутую тетрагональную, образуется игольчатая структура — мартенсит.

При неполной закалке заэвтектоидной стали нагрев осуществляется до аустенито-кабидной области, в результате термической обработки образуется мартенсито-цементитная структура. С целью выделения зерен цементита округлой формы сталь предварительно подвергают отжигу.

Прокаливаемость стали — способность закаливаться на определенную глубину. Прокаливаемость определяется глубиной проникновения мартенситной зоны. Для среднеуглеродистых сталей критический диаметр, который прокаливается насквозь составляет 12−15 мм. Чтобы повысить покаливаемость стали нужно повысить температуру нагрева под закалку и вводить легирующие элементы.

Закалка стали сопровождается увеличением объема, что вызывает появление значительных внутренних напряжений, которые могут вызывать коробление изделий и появление трещин. Поэтому закаленные изделия всегда подвергают отпуску. Двойная операция (закалка с высоким отпуском) называется улучшением, так как после такой термической обработки сталь приобретает наиболее благоприятное сочетание механических свойств: высокую вязкость и пластичность.

Различают 3 вида отпуска: низкий, средний, высокий.

Низкий отпуск производится путем нагрева закаленного изделия до температуры 150−200 0С. Этот вид отпуска служит для частичного снятия внутренних напряжений без заметного снижения твердости. Иглы мартенсита сглаживаются. Применяется для режущего инструмента.

Средний отпуск — при 250−500 0С. Происходит образование трооститной структуры (высокодисперсная смесь феррита и цементита, которая обладает высокой прочностью и пластичностью. Применяется для изготовления рессор и пружин.

Высокий отпуск — при 500−600 0С (вблизи линии А1). Происходит образование сорбита (смесь феррита и цементита, но грубого строения), который характеризуется высокой вязкостью. Применяют для деталей, работающих в условиях ударного нагружения. Снимаются внутренние напряжения, твердость частично понижается.

Практическая часть.

• 1. Выполнить следующие виды термической обработки стали 45: полный отжиг, нормализацию, полную закалку.
• 2. Определить твердость и микроструктуру стали до и после термической обработки (табл.1).

Таблица 1. Термическая обработка стали 45.

Контрольные вопросы.

• 1. Что такое термическая обработка?
• 2. Виды термической обработки сталей.
• 3. Методика проведения, виды и назначение отжига.
• 4. Методика проведения и назначение нормализации.
• 5. Методика проведения, виды и назначение закалки.
• 6. Методика проведения, виды и назначение отпуска.
• 7. Что представляют собой мартенсит, троостит, сорбит?
• 8. Как определить температуры нагрева стали при проведении отжига, нормализации, закалки и отпуска?
• 9. Виды химико-термической обработки.
• 10. Виды термо-механической обработки.
• 11. Что представляет собой операция улучшение?

Лабораторная работа № 6. Композиционные сплавы Цель работы: изучить состав, структуру, основные свойства металлических и полимерных композиционных материалов и ознакомится с технологией их получения.

Теоретическая часть Композиционные материалы (КМ) — сложные материалы, состоящие из двух или более компонентов, сильно отличающихся по свойствам нерастворимые или малорастворимые один в другом компоненты, разделенные в материале ярко выраженной границей.

Комбинирование различных веществ — основной способ создания новых материалов, свойства которых и количественно и качественно отличаются от свойств каждого из составляющих его веществ. Таким образом, КМ позволяет иметь заданное сочетание разнородных свойств: высокой удельной прочности и жесткости, жаропрочности, износостойкости, теплозащитных свойств и др.

КМ состоят из сравнительно пластичного материала — основы (матрицы) и более твердых, прочных компонентов — наполнителей. Основа (матрица) — компонент, обладающий непрерывностью по всему объему материала. Наполнители (упрочнители) — усиливающий (армирующий) компонент, прерывный, распределенный особым образом в объеме композиции.

Свойства КМ зависят от свойств основы, наполнителей и прочности связей между ними. В зависимости от материала основы различают КМ:

с металлической матрицей (МКМ);

с полимерной матрицей (ПКМ);

с керамической матрицей (ККМ).

В зависимости от формы наполнителя композиты делят на:

• — дисперсно-упрочненные (вводят мелкие, частицы карбидов, оксидов, нитридов и др.),
• — волокнистые (вводят разные волокна: нити, ленты, сетки и др.),
• — слоистые (набираются из чередующихся слоев наполнителя и матричного материала (типа «сэндвич»)).

Одним из направлений в области создания композиционных материалов является армирование матричных сплавов дисперсной фазой в виде частиц оксидов, нитридов, карбидов, боридов и тугоплавких металлов. Из всех жидкофазных способов получения таких материалов наибольшее распространение в настоящее время получил метод механического замешивания, основанный на введении указанных тугоплавких дисперсных частиц (1−400 мкм) в жидкометаллическую ванну с одновременным интенсивным перемешиванием с помощью специальных устройств. Свойства литых композиций, армированных тугоплавкими частицами, определяются не только природой, объемной долей и формой частиц и их взаимодействием с матрицей, но и такими технологическими факторами, как режимы замешивания, соотношение объемов твердой и жидкой фаз в процессе замешивания, вид подготовки частиц перед введением в расплав и т. д. Одним из основных условий получения КМ является обеспечение смачивания матричным расплавом вводимой дисперсной фазы. Для улучшения смачиваемости повышают температуру расплава и частиц, легируют матрицу поверхностно-активными добавками, проводят предварительную обработку частиц.

В последние годы активно ведутся исследования по разработке таких жидкофазных технологий получения КМ, в которых армирование матрицы осуществляется не вводом упрочнителей извне, а за счет синтеза эндогенных фаз в объеме матричного сплава при протекании контролируемых химических реакций между предварительно введенными компонентами (in-situ-процесс). Композиты, полученные в таких процессах, обладают максимальным уровнем связей на поверхности раздела «наполнитель-матрица» благодаря близкому решеточному соответствию контактирующих фаз, термической стабильностью, лучшим распределением и дисперсностью наполнителя, что в итоге обеспечивает более высокие механические и эксплуатационные свойства. Размеры новых фаз можно регулировать путем выбора режимов совмещения компонентов, участвующих в реакциях in-situ, их формы и объемного содержания. Кроме того, процесс in-situ позволяет вводить в матрицу высокодисперсные (в том числе наноразмерные) экзогенные армирующие компоненты, которые невозможно ввести механическим замешиванием. Отпадает необходимость применения специального оборудования, что значительно упрощает и удешевляет технологию изготовления композиционного материала.

В настоящее время получил развитие новый класс композиционных материалов, известный как функционально-армированный или градиентный композиционный материал (ГКМ). В ГКМ такие специальные свойства, как высокая твердость, износостойкость, повышенная ударная вязкость, уменьшенная склонность к трещинообразованию, низкий коэффициент термического расширения, могут быть получены в заданных локальных зонах изделия. Создание ГКМ может осуществляться методами порошковой металлургии, пропитки матрицы с градиентной пористостью жидким металлом, термической и термохимической обработкой поверхности, нанесением пленок и покрытий. Одним из уникальных способов создания литых заготовок с градиентной структурой, у которых за счет регулируемого осаждения частиц в жидкометаллической суспензии могут быть организованы поверхностные зоны с повышенной концентрацией армирующих частиц, является центробежное литье. Использование методов центробежного литья для получения анизотропных слоистых и градиентных КМ является решением многих проблем литья композиций и получения отливок с заданной структурой и свойствами.

Практическая часть.

• 1. Изучить микроструктуру металлических композиционных материалов на базе алюминиевого сплава АК12 с различными наполнителями. Зарисовать схемы микроструктур с обозначением основных структурных составляющих.
• 2. Изучить состав и свойства полимерных композиционных материалов на базе полиуретанового компаунда АДВ 13−2. Определить твердость образцов методом Бринелля, установить взаимосвязь твердости с видом и количеством наполнителя (табл.1.).

термический металл сплав Таблица 1. Изучение свойств полимерных композиционных материалов с различными наполнителями.

Контрольные вопросы.

• 1. Что такое композиционный материал?
• 2. Что представляют собой основа (матрица) и наполнители в композиционных материалах?
• 3. Классификация композиционных материалов в зависимости от вида основ и наполнителей.
• 4. Металлические композиционные материалы. Виды основ и наполнителей. Область применения.
• 5. Керамические композиционные материалы. Виды основ и наполнителей. Область применения.
• 6. Полимерные композиционные материалы. Виды основ и наполнителей. Область применения.
• 7. Слоистые металло-полимерные композиционные материалы. Область применения.
• 8. Методика определения твердости полимерных композиционных материалов.
• 9. Градиентные композиционные материалы. Область применения.
• 10. Методика получения композиционных материалов.