Теория и методические указания

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ
(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

«МАИ»

Факультет № Б1 : «ИЛА»

Кафедра № Б13: «ОТД»

Утверждено на заседании

Ред. Совета филиала

Протокол №

от «___»___________20 г.

Варианты заданий и методические указания по выполнению

лабораторных работ по дисциплине:

«Материаловедение»

Для основной образовательной программы

«Испытание летательных аппаратов»

По направлению (специальности) подготовки

«162110»

Разработано:ст.преподаватель Авдошина Н.Н.

Утверждено

на заседании кафедры

«___»____________ 20г

Москва - 2011г.

Лабораторная работа №3

1. Название: «Термическая обработка дуралюмина марки Д-16»

Заполняется только для дисциплин в соответствии с ФГОС ВПО

Целью выполнения рубежного контроля является проверка достижения следующих результатов образования (РО):

знания:

на уровне представлений: методологией познания политической реальности

на уровне воспроизведения: … (перечислить)

на уровне понимания: владеть иностранным языком в объеме, необходимом для получения информации из зарубежных источников

умения:

теоретические: основными методами анализа состояния рынка, экономики отрасли, положения предприятия на рынке

практические: навыками использования и составления нормативных и правовых документов, относящихся к будущей профессиональной деятельности.

навыки: навыками аргументированного изложения собственной точки зрения в устной и письменной форме; навыками публичной речи, ведения дискуссий и полемики; критического восприятия информации

Перечисленные РО являются основой для формирования следующих компетенций: (в соответствии с ФГОС ВПО и требованиями к результатам освоения основной образовательной программы (ООП))

общекультурных

ОК-… (наименование)

ОК-… (наименование)

профессиональных

ПК-14 Способность решения проблем эффективного использования материалов, оборудования, соответствующих алгоритмов и программ расчета параметров процессов испытания

Теория и методические указания

Дуралюмин Д16 – это сложнолегированный сплав на основе алюминия. Химический состав Д16: СИ – 4,3%; Si – 0,38%; Mg – 1,8%; Mn – 0,48%; Fe – 0,6%. Основным легирующим элементам, дающим наибольшее упрочнение является медь. Поэтому для выяснения процессов, происходящих в дуралюмине при нагреве и охлаждении можно использовать диаграмму состояния Al-Cu (смотри рисунок 1).

Линия аб – линия ограниченной растворимости, показывает, как меняется растворимость меди в решетке алюминия при изменении температуры. При комнатной температуре (20ºС) растворимость Cu в алюминии составляет 0,5%.

Сu

Рисунок 1– Диаграмма состояния Al-Cu

С повышением температуры растворимость меди возрастает и достигает максимального значения 5,7% при эвтектической температуре 548ºС.

Сплавы, содержащие до 0,5 Cu (сплав 1) имеет однородную структуру раствора. При нагреве (до температуры ниже температуры начала плавления) и охлаждении никаких структурных изменений в них не происходит. Эти сплавы не упрочняются термической обработкой. Единственным способом их упрочнения является холодная деформация.

Сплавы, содержащие от 0,5 до 5,7% Cu (сплав II), в равновесном (отожженном) состоянии, имеет двухфазную структуру, состоящую из α – раствора с концентрацией Cu 0,5% и частичек соединения CuAl₂.

При нагреве сплава II концентрация Cu в твердом растворе возрастает (по линии аб) за счет растворения кристаллов соединения CuAl₂. Нагревом до температуры T°_кр или выше нее сплав II переходит в однофазное состояние со структурой α, с концентрацией Cu, соответствующей концентрации ее в сплаве. При медленном охлаждении (с печью или на воздухе) будет происходить обратный процесс выделения из α – твердого раствора частичек CuAl₂. Если же охлаждение сплава происходит быстро (закалка в воде), то выделение частичек CuAl₂ произойти не успеет, а вся медь будет зафиксирована в твердом растворе α. Полученный таким образом твердый раствор, содержащий при комнатной температуре столько же меди, сколько было переведено в него при нагреве, является пересыщенным, а следовательно метастабильным, неустойчивым. Неустойчивый пересыщенный твердый раствор будет стремиться перейти в устойчивое равновесное состояние. Поэтому после закалки самопроизвольно протекает процесс распада пересыщенного твердого раствора (или подготовительные к распаду процессы), сопровождающиеся упрочнением сплава. этот процесс упрочнения называется старением.

Таким образом термическая обработка сплава II состоит из 2-х операций: закалки и последующего старения.

Дуралюмин Д16 – многокомпонентный сплав в котором кроме Al и Cu присутствуют Mg, Si, Fe, Mn, поэтому использование двойной диаграммы состояния Al-Cu является условным, позволяющим выяснить лишь принципиальную сторону явления. Присутствующие в сплаве легирующие элементы взаимодействуют с алюминием, входя как твердый раствор так и образуя химические соединения CuAl₂, MnAl₆, FeAl₃, а также взаимодействуют между собой, образуя соединения Mg₂MnAl₆FeAl₃ (S фаза), Cu₂FeAl и др.

Нагрев Д16 приводит к растворению указанных соединений (кроме железистых) и обогащению твердого раствора α легирующими элементами. Чем выше температура нагрева, тем выше концентрация легирующих элементов в твердом растворе. Однако нагрев выше 500-520°С приводит к интенсивному росту зерен α – твердого раствора. Кроме того ускоряется процесс окисления сплава по границам зерен. Поэтому при термической обработке дуралюмина температура закалки строго контролируется и составляет для Д16 – 500С±3%.

Нагрев дуралюмина под закалку обычно производится в селитровых ваннах (состав селитровой ванны: 55% NaNO₃ и 45% KNO₃). Селитровая ванна обеспечивает быстроту равномерность нагрева деталей, отсутствие окисления, дает возможность более точно регулировать температуру закалки. Закалка дуралюмина производится в холодной воде, после закалки структура сплава состоит из однородного пересыщенного твердого раствора с наличием нерастворимых соединений (в основном железистых). В результате закалки σ_в Д16 повышается до 30 кг/мм² (в отожженном состоянии σ_в 20 кг/мм²).

Как уже был указано выше, пересыщенный твердый раствор, полученный после закалки является неустойчивой метастабильной фазой и самопроизвольно стремится перейти в термически устойчивое состояние с меньшим запасом свободной энергии. При этом происходит процесс упрочнения (смотри рисунок 2).

Процесс упрочнения, протекающий при комнатной температуре в течении 5-7 суток, называется естественным старением. Упрочнение протекающее при повышенной температуре называется искусственным старением.

Рисунок 2–Кривые старения Д16

Сущность процесса старения дуралюмина составляет, как уже было указано выше, распад пересыщенного твердого раствора или подготовительные к распаду процессы.

При естественном старении распада пересыщенного твердого раствора не происходит, а происходит лишь подготовка к распаду. Сущность этих подготовительных процессов заключается в том, что в результате диффузии атомов Cu в решетке α – раствора образуются частички, обогащенные атомами Cu (до 50-55%), называемые зонами Гинье-Престона. Эти зоны, образовавшиеся при комнатной температуре, имеют форму "дисков" толщиной в несколько атомных слоев и диаметром порядка 50A. Образование зон Гинье-Престона приводит к искажению решетка α – раствора, возникновению больших внутренних напряжений, что и является причиной упрочнения. Процесс естественного старения заканчивается образованием зон Гинье-Престана.

Процесс искусственного старения также начинается с образования зон Гинье-Престона. С повышением температуры старения возникают зоны большего размера, каждой температуре старения соответствует свой устойчивый размер этих зон. Так, если для комнатной температуры устойчивыми зонами являются зоны с диаметром 50А, то при 100ºС устойчивыми зонами будут зоны с диметром 200А, при 150ºС – 600А, при 200ºС – 800А. Однако, процесс искусственного старения не останавливается на образовании зон Гинье-Престона, а идет дальше. На базе зон Гинье-Престона возникает неустойчивая фаза так называемая Ǿ - фаза с тетрагональной кристаллической решеткой, по составу близкая к химическому соединению CuAl₂. С течением времени Ǿ - фаза превращается в Ø – фазу (соединение CuAl₂), имеющую кубическую решетку.

Наиболее высокая степень упрочнения закаленного сплава при старении наблюдается при образовании в его структуре неоднородного твердого раствора зон Гинье-Престона, то есть зон с повышенной концентрацией меди. Несколько меньшее упрочнение достигается при структуре состоящей из твердого раствора и Ǿ - фазы. Еще меньшее упрочнение сплава будет при структуре, состоящей из твердого раствора и дисперсных частиц CuAl₂, а при коагуляции этих частиц эффект упрочнения будет снижаться. При температурах старения порядка 250ºС коагуляция частиц CuAl₂ сплава происходит почти одновременно с их образованием, что приводит к разупрочнению сплава.

3. Задание на выполнение

1. Кратко изложить основные теоретические положения (химический состав Д-16, часть диаграммы состояния Al-Cu, сущность превращения при закалке и старении дюралюминия, режим термической обработки).

2. Образцы из дуралюмина состава подвергаются закалке по следующему режиму: нагрев в селитровой ванне состава: 45% NaNO₃ + 55% KNO₃ до температуры 500±3% в течение 10 минут с последующим охлаждением в воде.

3. Для установления влияния температуры старения на твердость сплава образцы после закалки подвергаются старению при температурах 40ºС, 175ºС, 275ºС в течение 15 минут.

4. Для установления влияния времени искусственного старения на твердость сплава образцы подвергаются старению при температуре 175ºС в течение 5, 15 и 30 минут. Старение при температурах 40ºС, 175ºС, 275ºС осуществляются в воде.

5. Как до термической обработки, так и после каждой термической операции определяется твердость сплава. Определение твердости производится на приборе Роквелла по шкале В (наконечник – стальной шарик, нагрузка = 100 кг).

6. На основании полученных данных построить графики:

–Влияние температуры старения на твердость дуралюмина, где по вертикальной оси откладываются твердость, по горизонтальной – температуры старения.

– Влияние времени старения на твердость дуралюмина, где по вертикальной оси откладываются твердость, по горизонтальной – время старения.

7. Результаты выполнения работы, сведенные в таблицу 1.

Таблица 1– Результаты эксперимента

4. Варианты задания

1. Набор образцов дуралюмина марки Д16.

5. Контрольные вопросы

1. Каков химический состав Д16?

2. Дать определение термообработки. В чем заключается термообработка Д16?

3. Возможна ли упрочняющая термообработка Al сплавов, содержащих 0,25 Cu?

4. Дать определение закалки. Как производится определение температуры закалки дюралюмина и какие структурные изменения происходят в процессе нагрева и охлаждения? В чем заключается причина необходимости строгого контроля температуры закалки Д16?

5. Дать определение старения. Какова физическая сущность процесса естественного старения и как при этом изменяются его свойства?

6. Какие структурные изменения происходят в свежезакаленном дуралюмине при искусственном старении? Оптимальная температура и время старения Д16.

7. Объяснить по диаграмме состояние Al-Cu процессы, протекающие при нагреве и охлаждении сплавов.

8. По какому методу определяли твердость Д16?

6. Список учебно-методической и дополнительной

Литературы

1 Белов А.Ф., Бенедиктова Г.П., Висков А.С. Строение и свойства авиационных материалов - М.: Металлургия, 1989.

2 Материаловедение и технология металлов: Учеб. для студентов машиностроит. спец. вузов / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюхин и др.; Под ред. Г.П. Фетисова.-М.: Высш.шк., 2002.-638 с.: ил.

3 Материаловедение: Учебник для вузов/ Б.Н.Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; под общ. ред. Б.Н. Арзамасова и Г.Г. Мухина – 3 изд., стереотип-М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002-648 с.: ил.

4 Арзамасов В.Н. Справочник по конструкционным материалам – М.: Машиностроение, 1990.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: