Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение (методы анализа, лабораторные работы и задачи)

Подождите немного. Документ загружается.

устойчиво сохраняется после длительного нагрева

600—700° С,

вследствие чего такие сплавы превосходят

теплостойкости быстро-

режущую

сталь.

Однако сплавы имеют значительную хрупкость, причем

она

больше

сплавов, соответствующих

(по

составу) областям

а- или

•у-твердого

растворов диаграммы,

но не

испытывающих превращения

при

нагреве

охлаждении,

несколько меньше

сплавов, имеющих

при

закалке

у ->

а-превращение.

На

рис. 160

приведены горизонтальные (изотермические) сечения

при

20 и при 1300° С

диаграммы Fe—Co—W.

На

основании диаграммы:

1) привести

(в

виде примера) химический состав

трех

сплавов

с одинаковым содержанием вольфрама,

но

соответственно находя-

Со 90

60*70

60 50 ЬО JO 20 W fe Co 90 SO 70 60 50 ЬО 30 20 10 Fe

Содер/лание

Co,

Содержание

Со,

Рис.

160.

Изотермические сечения диаграммы сплавов Fe—Co—W:

— 20; б — 1300° С

щихся

при

нагреве

охлаждении

области

а-твердого

раствора;

области

утвердого

раствора

и не

имеющих превращения; сплава,

имеющего

^а-превращение;

2) учитывая влияние нагрева

до

высоких температур

на

струк-

туру

роль превращений, протекающих

при

переходе через крити-

ческие точки, объяснить,

в чем

различие

структуре

этих сплавов

после закалки

почему сплав, испытывающий

^«-превращение,

имеет меньшую хрупкость после закалки;

3) указать, способны

ли к

дисперсионному твердению сплавы,

лежащие

области, ограниченной стороной Fe—Со

линией

aayg;

эта линия указывает предельную растворимость Ф-фазы.

№

125. На рис. 161

приведены горизонтальные (изотермические)

сечения

при 20 и 1300° С

диаграммы Fe—Со—Мо, показывающие,

что

зависимости

от

концентрации многие сплавы этой системы

при

нагреве (охлаждении) обнаруживают следующие особенности:

а) испытывают

-*•

у (и у

—>-а)-превращение,

тогда

как

другие

сплавы

не

изменяют структуры;

241

б) растворяют Ф-фазу, причем ее растворимость различна

зави-

симости

от

температуры (0-фаза представляет собой твердый раствор

соединений СоМо

Описать

структуру

сплавов

одинаковым содержанием железа

(50%)

и с

содержанием кобальта соответственно

48,

10% при

Со

80К10

60 50 tO 30 20 10 Fe Co 90 80 W 60 50 40 30 20 Ю Fe

Содержание

Со,

Содержание

Со,

Рис.

161.

Изотермические сечения диаграммы сплавов

Fe—Co—Mo:

—•

20;

—

1300'

л.

I I I I

/1JS

/ /

п„

АЛ/"-ЛЛЛЛАТГЛ/

<**•»

РЛУ

й 6 8

4 6 в

16 18

СодермаяиеА!,°/о

Рис.

162.

Изотермические сечения («медный

угол»)

диаграммы сплавов Си —Ni —AI;

—

1000;

—

400°

1300

20°

С. Указать, какие превращения происходят

каждом

из

сплавов при нагреве

до

1300°

последующем охлаждении.

Объяснить, почему многие сплавы этой системы, например сплавы:

а) 15% Мо +30%

Со

+55%

Fe;

б)

20%

Мо +50% Со +30%

Fe,

закаленные

1300°

С, значительно повышают твердость после

от-

пуска

при

600—700°

(она возрастает

HRC 35

закаленном

со-

стоянии

до

HRC

60—70

отпущенном).

242

Описать

структуру

этих

двух

сплавов после закалки и после от-

пуска и указать, какой из них имеет после закалки более крупное

зерно

(а следовательно, и

большую

хрупкость).

№

126. В промышленности применяют высокопрочные сплавы

на

медной основе (сплавы куниаль) с 2—6% А1 и 5—15% Ni. Терми-

ческой обработкой можно повысить предел прочности сплавов с 25—

35 кгс/мм

до

80—90

кгс/мм

(при относительном удлинении 5—

15%).

На

рис. 162 приведены горизонтальные (изотермические) сечения

части диаграммы Си—Ni—A1 («медный

угол»)

при 1000 и

400°

$•

SO 45 U0 35

50 45 40 35 50 45 40 35 50 45 40 35

Содерта/tue

Zn, %

Рис. 163. Изотермические сечения («медный

угол»)

диаграммы сплавов Си—Zn—А1:

а — 800; б — 600; а — 475; г — 410° С

Определить фазовый состав сплавов: а) 2% А1 + 12% Ni;

б) 4% A1 + 12% Ni при 1000 и

400°

С.

Объяснить, какая возможна термическая обработка этих сплавов.

№

127. На рис. 163 приведены горизонтальные (изотермические)

сечения

части диаграммы Си—Zn—А1 (медный

угол)

при 800, 600,

475 и 410° G, а на рис. 164 — вертикальные разрезы этой диаграммы

при

2 и 4% А1.

Определить фазовый состав высокопрочной латуни с 25% Zn и

4% А1 при

температурах,

указанных на рис. 163.

Объяснить на основании правила фаз, почему эвтектоидное пре-

вращение р^а + V происходит в этих сплавах (в отличие от эвтек-

тоидного превращения в двойных

сплавах)

в интервале температур,

а не при постоянной температуре.

Указать, как влияет алюминий на область существования а- и

Р-фаз

системы

Си—Zn

(см. рис. 127).

№

128. На рис. 165 приведены горизонтальные (изотермические)

сечения

диаграммы Си—Sn—Zn при 800, 600 и

400°

С.

Образование в сплавах

Си—Zn

второй фазы р" вызывает снижение

пластичности. Указать по приведенным разрезам, как влияет до-

243

900

воо

700

600

500

400

1000

****

воо

700

600

500

400

80 75 70 65 60 55 50 45 SO 75 70 65 60 55 50

Содержание

Си,%

/п*

ОС

*/J /п

; ;

а '

«у

ii ii i

Рис.

164.

Вертикаль-

ные

разрезы диаграм-

мы сплавов Си —Zn

—

А1:

-2% А1;

б-4%А1

Содержание

Zn,

5в

Содержание

Си,%

Содержание

//7,%

Л Л Д Л7ЧА

/Л

Л ЛЛ

Л?

60 53

Содержание

Си,У

Содержание

//?,%

Рис.

165.

Изотерми-

^ J

(

ческие сечения («мед-

й> ;>

ный

угол»)

диаграм-

ч> /

мы сплавов

Си

—Zn—

*•

Sn:

а — 400;

6-600;

в-

800°

\ллл

)^>Л/\ЛЛЛЛ,ЛЛ/УУ

/улЛллллА

ЭЛЛАДА

ДЛЛЛЛЛЛЛЛЛА^

S4 62 60 5в 56 54 52 50

Содержание

Си,%

244

бавление олова в количестве 1 и 5% на область существования а- и

а + р" (а + Р)-фаз в латуни.

Определить максимальный процент олова, который можно ввести

латунь с 70% Си для повышения коррозионной стойкости, если

необходимо сохранить высокую пластичность сплава при деформиро-

вании

в холодном состоянии и, следовательно, получить однофазную

латунь.

Объяснить, какие отклонения (по сравнению с диаграммой равно-

весия)

могут

быть в

структуре

латуни с 5% Sn и 32% Zn в условиях

ускоренного охлаждения с

800°

С.

Л* 129. Введение марганца в латунь повышает прочность и сопро-

тивление коррозии.

На

рис. 166 приведены горизонтальные (изотермические) сечения

части («медный

угол»)

диаграммы Си—Zn—Мп при 800, 400 и

360°

С.

Образующаяся g-фаза является хрупкой.

Указать на основании этих диаграмм, как влияет введение мар-

ганца на область существования а-фазы, и объяснить, почему содер-

Содержание

Zn,

6 6

Рис. 166. Изотермические сечения («алюминиевый

угол»)

диаграммы сплавов

Си

— 2т—Мп:

а — 800; б — 400; в —

360°

жание марганца в специальной латуни с 55% Си не должно пре-

вышать примерно 2—3%.

№

130. В группе легких сплавов большой прочностью обладают

сплавы на основе алюминия, содержащие около 2% Mg и 6% Zn.

На

рис. 167 приведены горизонтальные (изотермические) сечения

части диаграммы А1—Mg—Zn при 400 и

200°

С.

Определить фазовый состав заданного сплава при 400 и

200°

С.

Указать, в каком направлении изменяется растворимость избыточ-

ных фаз в алюминии с понижением температуры, какой термической

обработке можно подвергнуть этот сплав и в чем может выражаться

ее эффект.

Указать область концентраций сплавов этой системы, способных

термической обработке, и определить соответствующие этим обла-

стям фазы-упрочнители, т. е. фазы, вызывающие упрочнение при

термической обработке.

245

№

131. Алюминиевые сплавы высокой прочности (дуралюмины)

построены на основе сплавов с 3—5% Си, дающих значительное

повышение

механических свойств после термической обработки.

Для получения более высоких свойств в эти сплавы дополнительно

вводят магний, кремний и марганец в количестве 0,5—1% каждого.

Указать на основании диаграммы состояния А1—Си (см. рис. 135)

возможную термическую обработку сплава с 4% Си для получения

высокой

прочности.

Рассмотреть приведенные на рис. 168 горизонтальные (изотерми-

ческие) сечения части («алюминиевый

угол»)

диаграммы А1—Си—Mg

в W 12

Рис. 167. Изотермические сечения («алюминиевый

угол»)

диаграммы сплавов AI—Mg—Zn:

а — 400; б —

200°

определить фазовый состав сплавов: а) 4% Си +0.5% Mg;

б) 4% Си -f 2,2% Mg при 450 и

200°

С. Определить изменение фазо-

вого состояния и фаз-упрочнителей при введении магния в пределах

до 2,2%.

Указать, в каком направлении изменяется растворимость избы-

точных фаз (выполняющих роль фаз-упрочнителей) в алюминии с по-

нижением

температуры, и объяснить, почему эти сплавы можно под-

вергать термической обработке для повышения механических свойств.

№

132. В качестве сплавов с малой плотностью и хорошими ли-

тейными

качествами применяют сплавы алюминия с кремнием (си-

лумины).

Обычно в этих сплавах присутствует нежелательная при-

месь—железо.

Механические свойства силумина понижаются, если железо на-

ходится в количестве, при котором в процессе кристаллизации сплава

выделяются первичные кристаллы хрупкой (i-фазы, имеющие иголь-

чатую

форму и представляющие тройное химическое соединение.

Если

кристаллы р*-фазы присутствуют только в тройной эвтектике,

то они в меньшей степени снижают механические свойства силумина.

На

рис. 169 дана проекция поверхностей ликвидуса на часть кон-

центрационного

треугольника сплавов

Al—Si—Fe

(«алюминиевый

у юл»).

246

На

этой диаграмме фаза, обозначенная А1, представляет твердый

раствор кремния и железа в алюминии, а а- и (З-фазы — тройные

химические соединения переменного состава. Точки С a D указы-

а 1 2 3 U 5 6 7 в 9 10 11 12 13 1Ь 15 16

12 3 4 5 6 7 8 9 10 II 12 13 Л 15 16

Содержание

/fg,

Рис. 168. Изотермические сечения («алюминиевый

угол»)

диаграммы сплавов

Al—Cu—Mgf:

а — 450; б —

200*

/А\

О / г 3 U 5 6 7 в 9 10 11 J2

Со

дер/па

ft ие

Si,'/,

Рис. 169. Проекция поверхностей ликвидуса на часть («алю*

миниевый

угол»)

диаграммы сплавов

AI—Si—

Fej

вают концентрацию перитектических точек, а точке Е — концен-

трацию тройной эвтектики.

Указать процесс кристаллизации сплавов: а) с 7% Si при 0,5 и

1,0% Fe; б) с 11% Si при 0,5 и 1,5% Fe.

Кроме того, указать, при каком содержании кремния (7 или 11 %)

сплав имеет более низкие температуры плавления и какое содержание

железа должно быть максимальным для такого сплава.

247

Определить фазы, находящиеся в равновесии в точках диаграммы

D и Е.

При

решении задачи можно условно не учитывать, что введение

силумин четвертого компонента (Mn, G или Со) уменьшает вредное

Рь

•V

180°//

S2'/Jf£

/lfi1

AM-

,252°

\230°°

600

U00

200

/77 П

Рис.

170.

Диаграмма состояния

сплавов РЬ—Sb—Sn; проекция

фа-

зовых областей

при

кристаллиза-

ции:

—

первичной;

б —

вторичной

(20°

С)

WOXSb

влияние

железа; при таком усложнении состава игольчатая форма

хрупких кристаллов Р-фазы изменяется на сферическую.

№

133. На рис. 170 приведена диаграмма состояния сплава

Sb—Sn. К этой системе относятся подшипниковые сплавы (баббиты).

зоо

Хгоо

О 10 20 30 ЬО 50 60 70 80 90 100

Содертание

РЬ'/.

Рис.

171.

Диаграмма сплавов Bi —РЬ

Сплавы на оловянистой основе (8,3% Sn*) обладают хорошими

антифрикционными

свойствами.

271'

—-*.

' т*

~-—

' О

аС*

43,5

\ ч

* В сплавы вводят также около 8% Си (взамен

соответствующего

количества

сурьмы)

для уменьшения ликвации по плотности

248

Подшипники

скольжения в процессе работы нагреваются, поэтому

сплавы не должны иметь низких температур плавления.

Для подшипниковых сплавов на оловянистой основе ГОСТ огра-

ничивает содержание свинца.

Показать на примере сплава, указанного на диаграмме точкой Л

(83%

Sn), почему примесь свинца неблагоприятно влияет на его

свойства.

Описать и сравнить процесс кристаллизации указанного сплава

двойного сплава с 83% Sn и 17% Sb.

№

134. Наряду с подшипниковыми сплавами на оловянистой

основе (—$3% Sn) применяют также более дешевые подшипниковые

сплавы на свинцовистой основе (~70% РЬ), содержащие, кроме

того,

сурьму

и олово и обладающие хорошими антифрикционными

свойствами.

Подшипники

разогреваются в процессе работы, вследствие чего

подшипниковые сплавы не должны обладать слишком низкими тем-

пературами плавления. Поэтому в сплавах на свинцовистой основе

ГОСТ ограничивает содержание олова в определенном соотношении

с содержанием сурьмы.

На

основе диаграммы состояния сплава Sn—Sb—РЬ (см. рис. 170)

сопоставить процесс кристаллизации

двух

сплавов с содержанием

70% РЬ, но разным отношением содержаний олова и сурьмы:

a) Sn/Sb = 1; б) Sn/Sb = 4.

Обосновать, какое отношение Sn/Sb из числа указанных более

целесообразно для подшипниковых сплавов на свинцовистой основе,

учитывая приведенные требования к подшипникам.

№

135. На рис. 147 приведены проекции поверхностей ликви-

дуса

на концентрационный треугольник системы РЬ—Bi—Sn.

Описать процесс кристаллизации сплава 45% Sn +30% РЬ +

25% Bi, указав примерную температуру начала кристаллизации

из

жидкости, интервал температур выделения двойной эвтектики и

температуру окончания затвердевания.

Дать характеристику фазовому и структурному состоянию сплава.

Учесть, что компоненты рассматриваемой тройной системы образуют

друг

другом

в двойных сплавах (рис. 171) двойные эвтектики из

фаз—твердых растворов.

Привести химический состав тройного сплава, обладающего мини-

мальной температурой плавления, и указать его структурный состав.

ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ

ПЛАСТИЧЕСКАЯ

ДЕФОРМАЦИЯ

РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

ГЛАВА XI

ПЛАСТИЧЕСКАЯ

ДЕФОРМАЦИЯ И

РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

МЕТАЛЛОВ

СПЛАВОВ

Цель лабораторных работ показать влияние пластической дефор-

мации

и рекристаллизации на

структуру,

главным образом на вели-

чину зерна, и на механические свойства (твердость). Для большей

наглядности лучше выбрать для испытаний пластичные металлы

(медь, латунь, низкоуглеродистая сталь).

Рекомендуется использовать образцы диаметром 10 мм и высотой

15 мм. Деформацию этих образцов осадкой можно проводить под

прессом, а образцов из меди или латуни также вручную; для этого

образец помещают в стальную матрицу и ударяют молотком по пуан-

сону. При обжатии на прессе степень деформации можно увеличить

по

сравнению с указанной в задачах примерно до

50—60%;

высоту

образца до и после деформации можно измерить штангенциркулем

с точностью до 0,1 мм. Твердость образцов стали рекомендуется

измерять стальным шариком по Роквеллу (шкала В), а образцов меди

латуни — по Бринеллю (шариком диаметром 2,5 мм при нагрузке

62,5 кгс). Микроструктуру надо изучать на образцах до деформации,

после деформации (с малой и большой степенью обжатия) и после

рекристаллизации.

Слои

металла у торцовой поверхности образца испытывают мень-

шую деформацию, чем слои на цилиндрической поверхности. Поэтому

микроанализ

(при увеличении

200—300

раз) и измерение твердости

следует

проводить на боковой поверхности деформированных образ-

цов.

Для измерения твердости площадку можно зачищать на глу-

бину 1—2 мм.

Для студентов, которые курс материаловедения изучают по сокра-

щенной

программе, а также для студентов заочных вузов выполне-

ние

приведенных ниже лабораторных работ может быть заменено:

1) просмотром, зарисовкой и описанием микроструктур

низко-

углеродистой стали: а) в отожженном состоянии; б) после холодной

пластической деформации (осадки цилиндрического образца на 30—

50% высоты); в) после рекристаллизации деформированного образца.

В этом

случае

студенты изучают готовые микрошлифы;

2) решением задач №

145—163*.

* Задачи №

145—157

и 162 составлены Д. М. Нахимовым.

250