Теоретические сведения. ФГОУ ВПО “Санкт-Петербургский государственный

ФГОУ ВПО “Санкт-Петербургский государственный

университет гражданской авиации”

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Методические указания по выполнению лабораторных работ

Для студентов всех специальностей

Санкт - Петербург

Одобрено и рекомендовано к изданию

Учебно - методическим советом Университета

Ш87(03)

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ: Методические указания по выполнению лабораторных работ/ Университет ГА.C.- Петербург, 2009.

Издаются в соответствии с программами дисциплин “Материаловедение. Технология конструкционных материалов”; “Материаловедение и технология материалов”; “Материаловедение”.

Содержат необходимые сведения для выполнения лабораторных работ: теоретический материал, описание оборудования, порядок выполнения работ и оформления отчета.

Предназначены для студентов всех специальностей.

Ил. 10, табл. 4, библ. 5 назв., прилож.2

Составители:

В. М. Нечаев, канд. техн. наук проф.

Ф. И. Ткачев, канд. техн. наук доц.

Рецензент

В. А. Королев, канд. техн. наук доц.

© Университет гражданской авиации, 2009

Общие методические указания

При изучении дисциплин “Материаловедение. Технология конструкционных материалов”; “Материаловедение и технология материалов”; “Материаловедение” программами предусмотрено выполнение лабораторных работ. Методические указания включают краткие теоретические сведения, описание лабораторных установок, методику выполнения работ.

Весь изложенный материал можно отнести к нескольким темам. Первый раздел включает лабораторные работы №1…№4 по строению и свойствам металлов и сплавов, а также по методам испытаний механических свойств. Второй – лабораторные работы №5…№8 по методам неразрушающего контроля материалов. Лабораторные работы помогают усвоению теоретического материала, излагаемого на лекциях. Это неотъемлемая часть дисциплины.

Студенты заочного факультета в период сессии выполняют лабораторные работы №2 и №4.

Лабораторная работа №1

Изучение кристаллизации металлов и строения стального слитка

Задание

1. Изучить теоретический материал.

2. Используя пересыщенные растворы солей, наблюдать в микроскоп за ростом кристаллов.

3. Составить отчет по работе, поместив в него рисунки, выполненные в процессе наблюдения.

Оборудование и материалы

Микроскоп стереоскопический МБС 1 или МБС 2; стеклянные пластинки; капельницы (пипетки); стеклянные палочки; бензин Б-70; раствор K₂Cr₂O₇ (пересыщенный); раствор NH₄Cl (пересыщенный); схемы процессов кристаллизации, схема строения слитка.

Теоретические сведения

Металлы и сплавы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. Это значит, что атомы в занимаемом ими пространстве расположены строго упорядочено, находятся на вполне определенных местах, на определенных расстояниях друг от друга. При кристаллизации образуется большое число кристаллитов или зерен (кристаллов с искаженными внешними очертаниями). Их случайная или закономерная ориентация придает материалу анизотропные или изотропные в заданном направлении свойства.

Установлено, что процесс кристаллизации состоит из двух одновременно протекающих элементарных процессов: зарождения центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров. Кристаллы, образующиеся при затвердевании, могут приобретать различную форму в зависимости от условий их роста (многогранники, дендриты, игольчатые, пластинчатые и т. д.).

В условиях обычных методов охлаждения скорость роста кристаллов (ЛСР) и скорость зарождения центров кристаллизации (СЦЗ) зависят от степени переохлаждения ΔT (рис.1).

Рис. 1. Зависимость скорости роста кристаллов (ЛСР) и скорости зарождения центров кристаллизации (СЦЗ) от степени переохлаждения ΔT

Если скорость охлаждения велика, скорость зарождения центров кристаллизации максимальна (рис.1). При этих условиях вновь возникающие кристаллы мешают расти друг другу, и получается мелкозернистая структура. Такое строение свойственно поверхностной зоне 1 металлического слитка, которая находится в контакте со стенками чугунной изложницы (рис.2). При уменьшении ΔT скорость зарождения центров кристаллизации уменьшается, а скорость роста остается значительной, что способствует возникновению и росту крупных однонаправленных “столбчатых ” кристаллов (зона 2). В слитке замедление скорости охлаждения перпендикулярно к стенке изложницы. При минимальных значениях ΔT в центре слитка возникают равноосные крупные кристаллы (зона 3).

Объем большинства металлов при затвердевании уменьшается, поэтому в верхней части слитка образуются типичные дефекты – усадочные раковины, газовые пузыри, пустоты и рыхлости (рис.2).

Рис. 2. Схема строения слитка

Последние порции затвердевающего металла содержат легкоплавкие составляющие, что способствует образованию ликвации (неравномерного распределения составляющих сплава в верхней части слитка). Верхняя часть слитка с дефектами и ликвацией отрезается. Может удаляться и нижняя часть слитка, в которой концентрируются кристаллы с неметаллическими и тугоплавкими включениями.

Правые ветви кривых (рис.1) могут быть реализованы только при очень больших степенях переохлаждения. При скоростях охлаждения 10⁷…10⁹ ºC/с ЛСР и СЦЗ достигают нуля, и тогда получается аморфный или стеклообразный металл.

Под микроскопом можно увидеть зарождение и развитие кристаллов при затвердевании солей. Форму правильных многогранников имеют кристаллы двухромовокислого калия (K₂Cr₂O₇). Древовидную форму имеют кристаллы хлористого аммония (NH₄Cl).