Metaloznawstwo: przekrojowe opracowanie , Laboratoria z Materials Physics

Pobierz Metaloznawstwo: przekrojowe opracowanie i więcej Laboratoria w PDF z Materials Physics tylko na Docsity!

P O L I T E C H N I K A G D A Ń S K A

PRACA ZBIOROWA

METALOZNAWSTWO

MATERIAŁY DO ĆWICZEŃ

LABORATORYJNYCH

pod redakcją JOANNY HUCIŃSKIEJ

Skrypt jest przeznaczony dla studentów Wydziałów Mechanicznego, Oceanotechniki i Okrętownictwa oraz Zarządzania i Ekonomii

GDAŃSK 1995

P R Z E W O D N I C Z Ą C Y K O M I T E T U REDAKCYJNEGO WYDAWNICTW POLITECHNIKI GDAŃSKIEJ Zbigniew Cywiński

REDAKTOR SKRYPTÓW Zdzisław Puhaczewski

RECENZENT Zbigniew Zaczek

Wydano za zgodą Rektora Politechniki Gdańskiej

Do nabycia w księgarni Politechniki Gdańskiej Gmach Główny PG, ul. G. Narutowicza 11/12, 80-952 Gdańsk tel. 47 16 18

679/

WYDAWNICTWO POLITECHNIKI GDAŃSKIEJ

Wydanie I. Nakład 2000 + 25 + 30 + 30 egz. Ark. wyd. 18,8. Ark. druku 18,25. Przyjęto do druku 1.12.1994 r. Druk ukończono w listopadzie 1995 r. Zamówienie nr S/357/94 Cena zł 6,-

Wykonano w Zakładzie Graficznym Politechniki Poznańskiej 61-821 Poznań, ul. Ogrodowa 11, tel. 52-54-

PRZEDMOWA

Skrypt „Metaloznawstwo. Materiały do ćwiczeń laboratoryjnych" jest przeznaczony dla studentów Wydziałów: Mechanicznego, Oceanotechniki i Okrętownictwa oraz Zarządzania i Ekonomii - studiów dziennych i zaocz- nych. Mogą z niego korzystać również studenci Wydziału Chemii - studiów dziennych, zaocznych i podyplomowych na kierunku Technologia Zabez- pieczeń Przeciwkorozyjnych. Zgodnie z programem studiów studenci przystępujący do ćwiczeń labora- toryjnych mają już ogólne przygotowanie z metaloznawstwa i obróbki cieplnej poprzez wysłuchanie wcześniejszych wykładów. Niniejszy skrypt nie zawiera więc szeregu informacji dotyczących zagadnień podstawowych, a wyłącznie materiał objęty programem nauczania w laboratorium. Poszczególne jego rozdziały - to tematy ćwiczeń, które wykonywane są w różnym czasie: od 2 do 4 godzin. Skrypt zawiera 15 rozdziałów. Stwarza to możliwość wyboru tematów ćwiczeń na różnych kierunkach z uwzględnieniem ich specyfiki. Podręcznik został opracowany przez zespół pracowników Katedry Meta- loznawstwa i Obróbki Cieplnej Politechniki Gdańskiej, prowadzących ćwicze- nia laboratoryjne z metaloznawstwa. Znane więc były zagadnienia stwarzające studentom szczególne trudności, które starano się przedstawić w jak najbar- dziej przystępny sposób. Autorzy skryptu składają podziękowania recenzentowi Panu profesorowi Zbigniewowi Zaczkowi oraz redaktorowi skryptów Politechniki Gdańskiej Panu docentowi Zdzisławowi Puhaczewskiemu za wnikliwe i życzliwe uwagi oraz Panu Jerzemu Szparadze - za trud kreślenia rysunków.

Joanna Hucińska

1. DWUSKŁADNIKOWE UKŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ

W rozważaniach dotyczących przemian fazowych i strukturalnych stopów metalicznych bardzo często korzysta się z wykresów równowagi, będących graficznym odpowiednikiem ich układów równowagi fazowej. Wykresy układów równowagi fazowej wyznacza się doświadczalnie. Do tego celu służy analiza cieplna polegająca na pomiarze temperatur wy- stępujących w czasie nagrzewania lub chłodzenia poszczególnych stopów rozważanego układu równowagi. Mierząc temperaturę podczas chłodzenia wybranego stopu w określonych odcinkach czasu, można wyznaczyć dla niego krzywą chłodzenia i otrzymać charakterystyczne punkty (potocznie zwane krytycznymi), które mogą odpowiadać temperaturom: krzepnięcia, przemian alotropowych lub innych przemian fazowych w stanie stałym. Punkty krytyczne mogą być wyznaczane metodą różnicową Ro- berts-Austena, za pomocą analizy dilatometrycznej lub automatycznego zapisu zmian temperatury w czasie za pośrednictwem systemów komputerowych. Najprostszym jednak urządzeniem służącym do tego celu jest stanowisko z wykorzystaniem termopary.

1.1. Budowa stanowiska do analizy cieplnej stopów z zastosowa-

niem termopary

Stanowisko z zastosowaniem termopary przedstawiono na rysunku 1.1. Składa się ono z pieca (1), termopary o zimnych końcach (3), zanurzonych w naczyniu z lodem, gorących końcach (2), umieszczonych w tyglu z badanym stopem (4), miliwoltomierza (5) oraz miernika czasu. Mierząc temperaturę chłodzonego stopu po roztopieniu co pewien okres czasu (np. co 15 s), można wyznaczyć krzywe chłodzenia i uzyskać tą drogą punkty krytyczne. Łącząc punkty krytyczne dla stopów o różnych udziałach składników uzyskuje się wykres równowagi fazowej danego układu.

Jeżeli następnie włączy się w miejscu spoi- ny zimniejszej miliwoltomierz, to będzie można mierzyć nim siłę termoelektryczną. Otrzymuje się w ten sposób termometr termoelektryczny (rys. 1.3), w którym wychylenia miernika są proporcjonalne do mierzonej temperatury. Termopara (termoogniwo) jako część składo- wa termometru nosi nazwę termoelementu, a poszczególne jego druty nazywane są ter- moelektrodami. Połączenie termoelektrod S (rys. 1.3) nazywa się spoiną mierniczą (spoina gorąca), a połączenia termoelekt- rod z miernikiem lub z przewodami łączeniowymi Z - spoinami odniesienia (zimne końce). Spośród wielu metali i stopów używanych na termoelementy tylko nieliczne stosuje się do celów termometrycznych. Najczęściej używane termo- elementy wraz z ich zakresem zastosowania podano w tablicy 1.1.

Najczęściej stosowane termoelementy

Skład termoelementu Termoelektroda

+ -

miedź - konstantan żelazo - konstantan nikielchrom - kopel nikielchrom - nikiel

platynarod - platyna

Granice zastosowania [°C]

dolna

• 2 0 0
• 2 0 0 0 0

0

górna trwała

400 700 600 1000

1300

chwilowa

600 900 800 1300

1600

Uwagi

wrażliwy na utlenianie wrażliwy na utlenianie wrażliwy na utlenianie wrażliwy na gazy zawie- rające siarkę wrażliwy na związki siar- ki, krzemu i pary metali

Do analizy cieplnej stopów niskotopliwych zaleca się wykorzystywać termopary (termoelementy) żelazo-konstantan.

Zmiany temperatury w czasie chłodzenia i nagrzewania stopu zależą od rodzaju powstających faz.

Rys. 1.3. Schemat termometru ter- moelektrycznego

Tablica 1.

1.3. Pojęcie fazy, składnika stopu i układu równowagi

Fazą nazywa się jednorodną pod względem składu i budowy część układu równowagi, oddzieloną od pozostałej części powierzchnią rozdziału, zwaną granicą faz. Na granicy faz skład i właściwości zmieniają się w sposób nieciągły (skokowy). Rozróżnia się fazy ciekłe i stałe. Wśród faz stałych wyróżnia się czyste pierwiastki, roztwory stałe i fazy międzymetaliczne. Składnikami układu mogą być zarówno pierwiastki, jak i fazy między- metaliczne. Układem równowagi nazywa się zbiór faz znajdujących się w stanie równowagi. Przebieg krystalizacji stopów zależy od rodzaju składników w nich występujących: ich stężenia, tworzących się faz, a także warunków fizycznych- temperatury i ciśnienia. Związek między liczbą składników i faz oraz liczbą stopni swobody układu ujmuje reguła faz Gibbsa.

l.4. Reguła faz Gibbsa

Liczba stopni swobody układu jest to liczba czynników niezależnych, jak temperatura, ciśnienie oraz stężenie składników w stopie, wywołujących zmianę liczby faz w tym układzie. Przyjmując, że w stopach metali nie zachodzą reakcje chemiczne oraz że w rozpatrywanym zakresie temperatur ciśnienie jest stałe, reguła faz Gibbsa przyjmuje postać:

S = m - f + l (1.2)

gdzie: S - liczba stopni swobody układu, m - liczba składników niezależnych (pierwiastki lub fazy międzymetaliczne), f - liczba faz. Z zależności tej wynika, że powstanie nowe] fazy powoduje zmniejszenie liczby stopni swobody o jeden (w układach dwuskładnikowych S może przyjąć trzy wartości S = 0, S = 1 i S = 2). Wyjaśnia to przykład. Metal znajdujący się w stanie ciekłym jest jednofazowy f = 1 (faza ciekła) i liczba stopni swobody S = l - l + l = l. Natomiast podczas krystalizacji układ jest dwufazowy f = 2 (faza ciekła i stała) i posiada liczbę stopni swobody S = 1- 2 + 1 = 0 , co oznacza, że fazy te mogą być w równowadze tylko w stałej temperaturze. Podczas krystalizacji wydziela się utajone ciepło krzepnięcia i temperatura nie zmieni się do momentu, aż faza ciekła nie ulegnie całkowi- cie przemianie w stałą i układ nie stanie się ponownie jednozmiennym (S = 1).

roztwory: ciekły L i stały α. Linia tA1tB (początku krystalizacji) nazywa się linią likwidus, tA2tB (końca krystalizacji) linią solidus. Proces krystalizacji roztworu stałego z cieczy przebiega podobnie dla wszystkich stopów układu. Dlatego też omówiony zostanie przykładowo dla stopu I, chłodzonego z ob- szaru roztworu ciekłego L. Tworzące się w punkcie 1 zarodki krystalizacji (ilość stopni swobody S = 2 — 2 + 1 = 1) stanowią zarazem zarodki osi dend- rytów1}^ fazy α, posiadają skład chemiczny odpowiadający punktowi s i są bogate w składnik A o wyższej temperaturze krzepnięcia. W miarę obniżania temperatury między likwidusem i solidusem następuje stopniowe zapełnianie przestrzeni międzydendrytycznych, przy czym skład roztworu a zmienia się wzdłuż linii solidusu, odcinek s —2, natomiast skład cieczy wzdłuż likwidusu, odcinek 1 — e. W stopie I ilość fazy stałej i ciekłej L w obszarze między likwidusem i solidusem (punkt a) można wyznaczyć z reguły dźwigni (rys. 1.4b).

%α = ·100%, % L = ·100% (1.3)

Wszystkie stopy w omawianym układzie w temperaturze otoczenia zbudowa- ane są wyłącznie z fazy a (rys. 1.4).

1.5.2. Układ bez rozpuszczalności składników w stanie stałym z eutektyką

Układ ten tworzą składniki A i B wykazujące całkowitą rozpuszczalność w stanie ciekłym i brak rozpuszczalności w stanie stałym. Przykładem mogą być stopy: Cd-Bi, As-Pb, Cr-Mo, Zn-Sn lub Pb-Sn. Podobnie jak poprzedni, wykres ten można skonstruować w oparciu o krzywe chłodzenia badając temperatury przemian fazowych czystego skład- nika A i kolejnych stopów składnika A z rosnącą zawartością składnika B, aż w końcu czystego składnika B (rys. 1.5). Krzepnięcie roztworu ciekłego L w stopie I odbywa się w temperaturach od t 1 do tE. W temperaturze t 1 rozpoczyna się krystalizacja pierwszych kryształów metalu A, których ilość wzrasta wraz ze spadkiem temperatury. Występujący obok kryształów metalu A roztwór ciekły ubożeje w ten metal, a jego skład chemiczny samoczynnie zmienia się od punktu 1 w tem- peraturze t 1 do E w temperaturze tE. Zatem tuż po osiągnięciu tempera-

1. (^) Dendryt - kryształ o rozgałęzionej budowie choinkowej, wykazujący zróżnicowanie składu chemicznego między jego wnętrzem i powierzchnią.

Rys. 1.5. Budowa wykresu układu dwuskładnikowego bez rozpuszczalności składników w stanie stałym z eutektyką: a) - krzywe chłodzenia, b) - wykres równowagi fazowej, c) - wykres Sauveura. Opis fazowy wykresu podano w nawiasach

tury tE w stopie I występują kryształy metalu A oraz roztwór ciekły (L) o składzie chemicznym punktu E. W tym momencie rozpoczyna się przemiana zwana eutektyczną. Polega ona na tym, iż z roztworu ciekłego o składzie punktu E krystalizują jednocześnie oba metale A i B. Przemianę tę można zapisać w formie:

LE (A + B) = Et

Drobnoziarnistą mieszaninę (A + B), tworzącą się zawsze w stałej temperaturze tE, nazywa się mieszaniną eutektyczną lub krótko eutektyką Et, zaś tem- peraturę tE - temperaturą eutektyczną.

a ) b ) A I III^ II^ B^ I III II L L L L L

B A (^) t 2 (L) 2 tB tA A B (^) t (^1) L+A 1 L Et Et (^) Et (^) tE L+A (^) L+B

(L+B)

3 E 4 (A B) A+Et Et+B A (^) A+Et Et Et+B B

Et

Temperatura Temperatura

Czas A^ 10 20^30 40 50 60 70^80 90 B % wagowy B MIKROSTRUKTURA STOPÓW Et I^ III^ II^ B

A (^) Et (^) Et

c) I Udział % faz 100% %A

A B %B (^) 0% A (^) I % wagowy B^ B Udział % składników struktury (^) 100% A % A^ B Et %Et 0% A (^) % wagowy B B

1.5.3. Układ z ogranicznoną rozpuszczalnością składników w stanie stałym z eutektyką

Układ taki tworzą: Al z Ge, Zn z Mg, Ag z Cu, Cu z Sn, które wykazują całkowitą rozpuszczalność w stanie ciekłym oraz ograniczoną w stanie stałym. Ograniczona rozpuszczalność metalu B w metalu A w stanie stałym polega na tym, iż tylko pewna ilość atomów metalu B może być rozmieszczona w sieci przestrzennej metalu A. Podobnie jak w poprzednich układach, wykres ten można skonstruować badając temperatury przemian fazowych czystego metalu A i kolejnych stopów metalu A z rosnącą zawartością metalu B, aż w końcu czystego metalu B (rys. 1.6). Stop I krzepnie w temperaturach między punktami 1 — 2, czego produk- tem są kryształy roztworu stałego α. Od punktu 2 do 3 skład chemiczny roztworu stałego α nie ulega zmianie. W temperaturach niższych od punktu 3 rozpuszczalność składnika B w roztworze α zmniejsza się wraz ze spadkiem

Rys. 1.6. Budowa wykresu układu dwuskładnikowego z ograniczoną rozpuszczalnością skład- ników w stanie stałym zeutektyką: a) - krzywe chłodzenia, b) - wykres równowagi fazowej. Opis fazowy wykresu podano w nawiasach

temperatury wzdłuż linii DH. Nadmiar składnika B wydziela się w obrębie granic ziarn roztworu a w postaci fazy wtórnej βII. Przebieg krzepnięcia stopu II w temperaturach między likwidusem i soli- dusem jest podobny jak w stopie I W tych warunkach krystalizuje roztwór α, którego skład chemiczny wraz ze spadkiem temperatury samoczynnie zmienia się od punktu 5 do punktu D w temperaturze tE. Natomiast skład chemiczny roztworu ciekłego L w podobny sposób zmienia swój skład od punktu 3 do E. Po osiągnięciu przez roztwór ciekły składu punktu E i temperatury tE zachodzi przemiana eutektyczna (analogicznie przebiega w stopie III), w wyni- ku której krystalizują jednocześnie roztwory graniczne α (skład punktu D) i β (skład punktu C). Przemianę eutektyczna w tym układzie można zapisać w formie:

Poniżej temperatury przemiany eutektycznej z roztworów stałych granicz- nych a i b , zarówno pierwotnych (wydzielonych przed przemianą eutektyczna), jak i wchodzących w skład eutektyki Et = (α+β), na skutek zmniejszania się rozpuszczalności wzajemnej składników A i B wydzielają się kryształy αII i β b II. Fazy te dokrystalizowują do ziarn roztworów α i β w eutektyce i najczęściej nie można ich odróżnić w badaniach metalograficznych mikroskopowych. Przebieg krzepnięcia stopów IV i V jest podobny jak stopów I i II. Opis fazowy omawianego wykresu układu równowagi (rys. 1.6b) podano w nawiasach: (L), (L + α), (α), (β) i (α+β). Opis strukturalny uwzględnia obecność produktów przemiany eutektycz- nej Et = (α+β) oraz wydzieleń wtórnych αII i βII_._ W stanie stałym dokonuje podziału na stopy eutektyczne o strukturze Et = (α+β), podeutektyczne α + E (^) t oraz nadeutektyczne o strukturze Et +β. W opisie strukturalnym wykresu należy również wyróżnić pola pod liniami zmiennej rozpuszczalności DH i CN, które opisano odpowiednio α+βII i β+αII. Na podstawie opracowanych wykresów równowagi faz można odczytać zakresy stabilności faz ciekłych i stałych występujących w danym układzie w zależności od temperatury i składu chemicznego poszczególnych jego stopów, jak również dokonać opisu mikrostruktury, prognozować niektóre właściwości oraz zaprojektować procesy obróbki cieplnej wybranych stopów.

Tablica 2. Klasyfikacja prób twardości

Brinella PN-91/H- Vickersa PN-91/H- Rockwella PN-91/H- Knoopa Grodzińskiego

statyczne

PRÓBY TWARDOŚCI

dynamicznie Poldi Shore'a zarysowania

W grupie statycznych sposobów pomiaru twardości, w zależności od obciążenia wgłębnika, wyróżnia się pomiary makrotwardości (obciążenie od 10 do 29420 N) oraz pomiary mikrotwardości (obciążenie poniżej 10 N). Makro- twardość jest wypadkową twardości wszystkich składników struktury materia- łu. Wynika to ze stosunkowo dużego obszaru objętego pomiarem. Pomiary mikrotwardości stosowane są natomiast dla wyznaczenia twardości poszczegó- lnych składników strukturalnych stopu (wymiary odcisku rzędu mikrometrów). Najbardziej rozpowszechnione są statyczne metody pomiaru twardości: Brinella, Vickersa, Rockwella oraz metoda dynamiczna - Poldi.

2.1. Pomiar twardości metali sposobem Brinella

2.1.1. Zasada pomiaru

Pomiar twardości sposobem Brinella polega na wciskaniu w badaną próbkę, z siłą F prostopadłą do badanej powierzchni, twardej kulki stalowej lub z węglików spiekanych o średnicy D równej 10, 5, 2,5, 2 lub 1 mm. Twardość wyraża się stosunkiem obciążenia siły F do powierzchni kulistej czaszy trwałego odcisku S. Pole powierzchni odcisku oblicza się na podstawie

• statyczne , podczas których opór materiału spowodowany działaniem ob- ciążenia statycznego jest związany z odkształceniem plastycznym,
• dynamiczne, podczas których opór materiału wywołany działaniem ob- ciążenia udarowego jest związany z odkształceniem plastycznym lub spręży- stym,
• zarysowania, w których opór materiału jest związany z jego zarysowa- niem.

Rys. 2.1. Schemat pomiaru twardości sposobem Brinella: a) podczas obciążenia, b) po odciążeniu: 1 - kulka, 2 - element obciążający, 3 - badany materiał, 4 - odcisk

pomiaru średnicy trwałego odcisku d (rys. 2.1). Twardość Brinella wyraża się wzorem:

siła F w [N].

Dla uniknięcia pracochłonnych obliczeń zostały ułożone tablice, z których na podstawie wymiaru średnicy odcisku, średnicy kulki i obciążenia odczytuje się twardość.

2.1.2. Próbka

Przed przystąpieniem do pomiaru twardości należy odpowiednio przygo- tować próbkę, przestrzegając następujących zasad:

• kształt próbki może być dowolny, pod warunkiem zastosowania do pomia- rów odpowiedniego stolika przedmiotowego, zapewniającego prostopadłość powierzchni pomiarowej do kierunku działania obciążenia oraz stabilne położenie próbki bez odkształceń sprężystych i przesunięć pod wpływem obciążenia;
• powierzchnia danego przedmiotu powinna być płaska, równa oraz oczysz- czona ze zgorzeliny, smaru itp. Dopuszcza się ślady obróbki mechanicznej, jeżeli możliwy jest pomiar średnicy odcisku z wymaganą dokładnością;
• grubość próbki powinna być co najmniej 8 razy większa niż głębokość odcisku h. Należy tak dobrać średnicę kulki i obciążenie, aby po drugiej stronie próbki nie występowały ślady odkształceń.

Tablica 2.

Wielkość siły obciążającej F w zależności od średnicy kulki D i stałej obciążenia K

Średnica kulki D [mm]

10

5

2,

2

1

Stała obciążenia K (HBS.. lub HBW..)

30 15 10 5 2, 1, 1 30 10 5 2, 1, 1

30 10 5 2, 1, 1

30 10 5 2, 1, 1 30 10 5 2, 1, 1

Siła obciążająca F [N]

29 420 14 710 9 807 4 903 2 452 1 226 980,

7 355 2 452 1 226 612, 306, 245,

1 839 612, 306, 153, 76, 61, 1 177 392, 196, 98, 49, 39,

294, 98, 49, 24, 12, 9,

Tablica 2.

Stała obciążenia K w zależności od rodzaju materiału badanej próbki i jego twardości

Zalecana wartość K

30

15

10

5

2,

1, 1

Twardość Brinella

(HBS.. lub HBW..)

96÷

50÷

32÷

16÷

8÷

4÷ 3,2÷

Rodzaj badanego materiału

• stal
  • żeliwo i stopy niklu, tytanu, kobaltu itd. o twar- dości powyżej 140 jednostek Brinella
  • miedź i stopy miedzi o twardości powyżej 200 jed- nostek Brinella
  • miedź i stopy miedzi o twardości 50÷300 jedno- stek Brinella
  • metale lekkie i ich stopy oraz stopy łożyskowe o twardości powyżej 50 jednostek Brinella
  • żeliwo i stopy niklu, tytanu, kobaltu itd. o twar- dości poniżej 140 jednostek Brinella
  • miedź i stopy miedzi o twardości 35 lub 200 jed- nostek Brinella
  • metale lekkie i ich stopy o twardości powyżej 80 jednostek Brinella
  • miedź i stopy miedzi o twardości poniżej 35 jed- nostek Brinella
  • metale lekkie i ich stopy oraz stopy łożyskowe o twardości 35 do 80 jednostek Brinella
  • metale lekkie i ich stopy oraz stopy łożyskowe o twardości poniżej 35 jednostek Brinella
  • ołów, cyna, stopy łożyskowe oraz inne metale o twardości poniżej 20 jednostek Brinella