книги / Физические методы исследования металлов и сплавов

Контрольные вопросы

1.Что такое плотность вещества и каким образом ее можно вычислить?

2.Какие методы применяют для экспериментального определения плотности разных материалов?

3.В чем заключается метод гидростатического взвешивания?

4.В чем заключается флотационный метод?

5.В чем заключается пикнометрический метод?

6.Как рассчитать теоретическую плотность металла?

7.Как влияют на плотность металлов и сплавов температура, тип кристаллической решетки, холодная пластическая деформация, плавление?

Список рекомендуемой литературы

1.Лившиц Б.Г., Крапошин В.С., Линецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов. – М.: Металлургия, 1980. – 320 с.

2.Металловедение и термическая обработка стали и чугуна: справочник: в 3 т.; Т. 1: Методы испытаний и исследования / Б.С. Бокштейн [и др.]. – М.: Интермет Инжиниринг, 2004. – 687 с.

19

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Дилатометрический анализ процесса непрерывного нагрева и охлаждения стали

Цели работы:

–освоить методику определения критических точек стали при нагреве и охлаждении дилатометрическим методом;

–вычислить температурный коэффициент линейного расширения аустенита и феррита;

–изучить кинетику образования аустенита при нагреве и его распада при охлаждении.

Краткие теоретические сведения

Металлы и сплавы в состоянии твердого тела обладают способностью расширяться при нагреве и уменьшать свои размеры при охлаждении, т.е. имеют склонность к тепловому расширению. Под тепловым расширением понимают эффект изменения размеров тела при изменении его температуры.

Изменение размеров материалов при нагреве, при охлаждении или при изотермических выдержках исследуют методами дилатометрического анализа, который заключается в измерении изменения длины (∆l) исследуемых образцов, имеющих, как правило, форму стержня. Приборами для дилатометрического анализа являются ^ b-e Z l h f ._Ониl j обычноu оснащены устройствами для регистрации температуры, времени и изменения размеров исследуемых материалов. По результатам дилатометрических измерений получают ^ b e Z-l h ] j Z–fзависимостиf u изменения длины исследуемого материала от температуры или времени.

Природа теплового расширения

W n n_d l l _ i e h j\ Zh ]k rh b вj кристаллическихg b y телах, в том числе в металлах и сплавах, обусловлен тем, что подводимая к телу

20

теплота поглощается и переходит в энергию колебаний атомов. При этом увеличивается частота и амплитуда тепловых колебаний атомов.

Следует отметить, что силы межатомного взаимодействия в зависимости от межатомного расстояния изменяются неодинаково: при увеличении межатомного расстояния сила отталкивания (Fот) изменяется более интенсивно, чем сила притяжения (Fпр) (рис. 3.1, Z). В итоге зависимость результирующей силы F от межатомного расстояния r имеет вид кривой с минимумом.

Z

[

Рис. 3.1. Зависимости сил межатомного взаимодействия ( Z) и потенциальной энергии взаимодействия ( [) между атомами от межатомного расстояния

21

Потенциальная энергия взаимодействия атомов или ионов тела ?п зависит от силы межатомного взаимодействия F. Зависимость потенциальной энергии от межатомного расстояния также описывается кривой с минимумом, так как обладает несимметричностью относительно межатомного расстояния в кристаллической решетке (рис. 3.1, [). Именно несимметричный характер этой зависимости и является причиной теплового расширения.

При абсолютном нуле температур (L0 = 0 К) атомы или ионы обладают минимумом потенциальной энергии взаимодействия ?0 и межатомное расстояние при этом равно r0. При увеличении температуры до L1 возрастает уровень потенциальной энергии до ?1 и появляются тепловые колебания атомов. При этом среднее межатомное расстояние r1 определяется средним значением между двумя крайними уровнями потенциальной энергии взаимодействия – притяжения и отталкивания. Дальнейшее повышение температуры тела до L2 приводит к увеличению амплитуды и частоты тепловых колебаний, уровня потенциальной энергии взаимодействия до ?2 и дальнейшему увеличению среднего межатомного расстояния до r2.

Данное явление называется Z g ] Z j f h g b a f h fтепловых колебаний, т.е. несимметричностью отклонения атомов при тепловых колебаниях из-за несимметричного характера зависимостей силы и потенциальной энергии взаимодействия атомов или ионов от межатомного расстояния.

Определение температурного коэффициента линейного расширения

Изменение линейных размеров образца из заданного материала при нагреве или охлаждении характеризуется температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР). Знание абсолютных значений ТКЛР металлов и сплавов необходимо для конструирования и изготовления деталей высокоточных приборов, а также элементов конструкций, работающих в условиях температурных колебаний.

22

к кривой проводится касательная, угол наклона которой к оси тем-

ператур и есть величина dTdl . При делении полученной величины на

lL, в соответствии с формулой (3.2), получается истинный коэффициент линейного расширения.

Исследование превращений в металлах и сплавах

Все превращения в металлах и сплавах обладают объемным эффектом. С использованием дилатометрического анализа можно исследовать следующие явления: фазовые превращения первого (α↔γ-превращения в железе, α↔β-превращение в титане) и второго (упорядочение твердых растворов в точке Курнакова, магнитное превращение в точке Кюри) рода, распад пересыщенных твердых растворов, рекристаллизацию, перераспределение примесей внедрения между различными фазами.

Превращения, происходящие в процессе изменения температуры, сопровождаются уменьшением или увеличением объема, что приводит к возникновению перегибов различного характера на дилатограмме. Так, α→γ-превращение при нагреве сопровождается сменой типа кристаллической решетки с ОЦК на ГЦК, в результате чего увеличивается компактность укладки атомов и происходит уменьшение измеряемой длины образца (рис. 3.3, Z). Охлаждение ниже температур существования аустенита (рис. 3.3, [) приводит к развитию γ→α- превращения со сменой типа кристаллической решетки с ГЦК на ОЦК, что вызывает увеличение измеряемой длины образца.

Температуры начала или окончания фазовых превращений в металле называют d j b l b q_l h q d Z f bk d b f b. Критические точки на дилатограммах можно определять несколькими способами. Наиболее часто критические точки определяют по точке отрыва касательной, проведенной к участку практически линейного теплового расширения до или после фазового превращения (см. рис. 3.3). Этот способ считается наиболее точным, так как позволяет улавливать начальные стадии превращения.

24

Z

[

Рис. 3.3. Дилатограммы нагрева ( Z) и охлаждения ( [) низкоуглеродистой стали

В случае если в исследуемом материале при изменении температуры не происходит никаких изменений, кроме явлений, связанных с термическим расширением, то размеры (длина или объем) образца практически линейно увеличиваются или уменьшаются (см. рис. 3.3).

Методами дилатометрического анализа возможно также изучать кинетику фазовых превращений. Например, кинетику α→γ-пре- вращения в сталях при нагреве можно исследовать таким образом. Долю фазового превращения γ(%) по правилу рычага (рис. 3.4) можно вычислить с использованием выражения:

25

где : <и : K– длины отрезков, приведенных на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Схема определения доли фазового превращения при конкретной температуре по правилу рычага

Процентное содержание образовавшегося аустенита определяется при каждой конкретной температуре, что позволяет получить кинетическую кривую образования аустенита в координатах: «доля аустенита, % – время, с» или «доля аустенита, % – температу-

ра, °С».

Оборудование для дилатометрического анализа

В лабораторных условиях дилатометрические исследования, как правило, проводят на дилатометрах двух типов: дилатометре с датчиком продольного перемещения и дифференциальном дилатометре Шевенара. На практике встречается большое разнообразие конструкций дилатометров и оснастки к ним.

Дилатометр марки Linseis L78 R.I.T.A. (рис. 3.5) с датчиком продольного перемещения снабжен контрольно-измерительными устройствами температуры, времени и длины образца.

26

Рис. 3.5. Дилатометр марки Linseis L78 R.I.T.A.

В качестве исследуемых образцов используют металлические цилиндры длиной (10±1) мм и диаметром (3,5±0,5) мм. Сбор и обработку данных осуществляют с помощью пакета программ WIN-DIL, поставляемых с прибором. Температуру при проведении опытов фиксируют с помощью термопары К-типа (хромель-алюмель) или S-типа (платина-платинородий), которую приваривают к боковой поверхности исследуемых образцов методом электроконтактной сварки.

Образцы нагревают путем индукционного нагрева в среде гелия высокой чистоты марки Б (по ТУ-51-940–80, чистота 99,9999 %), что значительно снижает образование окалины и, следовательно, искажение показаний дилатометра.

27

Размеры образца фиксируются индукционным датчиком перемещения. Время отслеживается с помощью таймера в рамках компьютерной программы. В качестве охлаждающей среды используется гелий, который подается на образцы под различным давлением.

Порядок проведения лабораторной работы

1.Ознакомиться с устройством прибора и методиками исследования.

2.Получить дилатограмму нагрева и охлаждения стали для анализа.

3.Определить средний температурный коэффициент линейного расширения для всех дилатометрических кривых для интервала

температур 500–600 °С при нагреве (для α-фазы) и 800–700 °С при охлаждении (для γ-фазы) по формуле (3.1). Занести результаты в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Температурные коэффициенты линейного расширения α- и γ-фазы

4.Определить критические точки при нагреве и при охлаждении и занести результаты в табл. 3.2.

5.Определить долю γ образовавшейся новой фазы при нагреве

взависимости от температуры и времени с использованием правила рычага. Занести результаты в табл. 3.3.

28