Вивчення зміни властивостей алюмінієвих сплавів у процесі природного старіння

63

ЗМІСТ

ВСТУП.………………………………………………………………………………..4

РOЗДІЛ 1

Методи  вивчення металів ...………………………………………………………6

1.1 Металографічний аналіз.....…………………………………......……………..8

1.2 Фізика міцності й пластичності...……………………………........................11

РOЗДІЛ 2             

Теорія термообробки...…………………………………………………...............14

2.1 Відпал ...…………………………………………………….............................14

        2.1.1 Гомогенізація……………………………………………………………...14

        2.1.2 Рекристалізаційний відпал…………………………………………..…...15

       2.1.3  Відпал для зняття внутрішніх напружень………………………………17

        2.1.4  Відпал другого роду………………………………………….…………..18

     2.2  Загартування………………..………………………………………….….….18

     2.3  Відпустка………………………..……………………………………….……20

2.4 Термічна обробка алюмінієвих сплавів...……………………………….......22

РOЗДІЛ 3

Старіння...…………………………………………………………………………24

3.1 Старіння металів...……………………………………………………………24

3.2 Структурні перетворення при старінні алюмінієвих сплавів……….…......27

РOЗДІЛ 4

Твердість як характеристика властивостей матеріалу. Методи

     вимірів...……………………………………………………………………………29

    4.1 Метод виміру твердості вдавленням алмазної піраміди

    (твердість по Віккерсу)...…………………………………………………………34

    4.2 Метод виміру мікротвердості...……………………………………………….37

    4.3 Метод виміру твердості вдавленням кульки (твердість по

    Брінелю)...…………………………………………………………..........................40

   4.4 Метод виміру твердості вдавленням конуса або кульки (твердість  

      по Роквеллу) ...…………………………………………………………………44

РOЗДІЛ 5

           Методи вимірювання   електричного опору...………………………..….......46

    5.1  Вимір питомого електричного опору………………………………………...46

    5.2  Метод вольтметра-амперметра...…………………………………………......50

    5.3  Мостові методи виміру електроопору.………………………………………54

РOЗДІЛ 6

       Вивчення зміни  властивостей  алюмінієвих сплавів  у  процесі  

   природного   старіння... ...........……………… ……………………………………59

   6.1  Дослідження  мікротвердості  дюралюмінію  у  процесі  природного

   старіння…………………………………..……………………………………..59

    6.2 Дослідження  питомого  опору  дюралюмінію  в  процесі

   природного старіння……………………………….………………………….68      

    6.3 Дослідження модуля  Юнга   дюралюмінію  в  процесі природного 

    старіння………………………………………………………………………..71

  Висновки……………………………………………………………………………74

  Література………....………………………………..……….……….……………..75 

   ВСТУП

В  наш час, при широкому використанні алюмінієвих  сплавів відкриваються  й нові сфери пізнання  в  даній  області.

Актуальність  магістерської   роботи  полягає  в необхідності дослідження  сплаву  який  широко  використовується  в  таких  сферах  діяльності  як  автомобілебудування, будівництво  й  авіація.

Сукупне   вивчення   й   динаміка  змін  властивостей  алюмінієвих  сплавів  у  процесі  старіння  дотепер  не  були  предметом  спеціального  вивчення,  що  представляє  новизну даної   роботи.

Метою магістерської роботи є виявлення й  аналіз змін властивостей  алюмінієвих  сплавів  у  процесі  природного  старіння. Для реалізації мети були поставлені наступні завдання:

1)  дати огляд теоретичної  літератури по темі дослідження;

               2) вивчити   зміни  властивостей  алюмінієвих сплавів  у  процесі         природного   старіння  на   практиці;

Об'єктом роботи   є  структура   та  властивості  металів.

Предметом   вивчення  є  старіючий  сплав  дюралюмінію   марки  Д16.

Практичне значення  магістерської  роботи складається в можливості використання її матеріалів у навчальному процесі вищих навчальних закладів на заняттях по фізиці  твердого  тіла. А також при написанні курсових і дипломних робіт студентами фізичних  факультетів.

Теоретичне значення полягає в тому, що  дані  дослідження й отримані висновки покладуть початок  більшому  вивченню алюмінієвих  сплавів  у  рамках   нашого  університету.

Структура роботи. Робота складається з наступних пунктів:

1) Введення, у якому обґрунтовується актуальність дослідження, його мета й завдання, дається визначення предмета й об'єкта, а також  вказується практична й теоретична значимість роботи;

2) РОЗДІЛ 1. Методи  вивчення металів, у якій подається короткий огляд про вивчення процесів, що відбуваються в металах на атомному й структурному рівнях;

3) РОЗДІЛ 2. Теорія термообробки, у якій розкривається поняття всіх  видів  термообробки, та  змін фізичних властивостей, що викликаються термічною обробкою,  які   відбуваються у твердому матеріалі;

4) РОЗДІЛ 3. Старіння, де описуються структурні перетворення при старінні алюмінієвих сплавів;

5) РОЗДІЛ 4. Твердість як характеристика властивостей матеріалу. Методи вимірів, що містить докладний  аналіз  методів  виміру   мікротвердості  по  Віккерсу,  Брінелю,  Роквеллу;

6) РОЗДІЛ 5. Методи  вимірювання   електричного опору, що містить докладний  аналіз  деяких  методів  виміру  електричного опору;

7) РОЗДІЛ 6.  Вивчення зміни  властивостей  алюмінієвих сплавів  у  процесі    природного   старіння, в  якому   вивчаються  зміни  мікротвердості,  питомого  опору,  модуля  Юнга  та  розмір  зерна   в  процесі  природного  старіння;

8) Висновок, у якому коротко викладені результати проведених досліджень;

  9)  Література;

РОЗДІЛ 1             

Методи  вивчення металів

Металознавство фізичне – розділ фізики, що вивчає процеси, котрі відбуваються в металах на атомному й структурному рівнях. Розуміння механізмів цих процесів дає можливість розробки нових технологій. Відомості про структуру й властивості металів на атомному й структурному рівнях одержують за допомогою фізичних методів дослідження. Люди довідалися про існування металів ще на зорі цивілізації. Вони виявили, що деякі камені, які потім назвали рудою, при нагріванні перетворюються в блискучу речовину – метал, що при високій температурі є рідиною, а при кімнатній – твердим тілом. Вони зробили ще цілий ряд разючих відкриттів. Виявилося, що м'яка мідь і м'яке олово, перемішуючись у рідкому стані, перетворюються у тверду бронзу. Для одержання заліза з руди довелося сконструювати печі, що дають температуру нагрівання в кілька разів вище температури полум'я багаття. При цьому додавання вугілля в залізо перетворювало м'яке залізо у тверду сталь.  Для практичного застосування металів і виготовлення металевих виробів (зброї, сільськогосподарських знарядь) треба було навчитися обробляти метал. Виявилося, що якщо нагрівати твердий метал, то при підвищеній температурі він стає м'яким, коваль може його обробити, а при охолодженні метал знову стає твердим. При цьому дуже великий вплив на властивості металів роблять умови нагрівання й охолодження. При швидкому охолодженні (загартуванні), наприклад, у воді, властивості металу різко поліпшуються. Так, у вигляді рецептів, добутих працями багатьох поколінь, виникла технологія обробки металів. Деякі із цих рецептів не розгадані дотепер, наприклад, не вдається повністю розкрити рецепт виготовлення клинків з дамаської сталі (на Русі її називали булатом). Ці клинки перерубували мечі зі звичайної сталі й розрізали падаючі на них шовкові хустки. Така технологія, заснована не на науковому знанні, а на життєвому досвіді багатьох поколінь, існувала до порівняно недавнього часу, наприклад, перші паровози були побудовані на основі цієї технології). У той же час промислова революція вимагала розробки нових матеріалів і способів їхньої обробки. Для цього необхідно було створення науки про фізичну природу властивостей металів - фізичного металознавства [6]. Ця наука створювалася на стику декількох наук: хіміки навчилися визначати сполуку металів, фізики створили прилади, що дозволяють досліджувати їхню структуру, механіки створили установки для виміру механічних властивостей. Хіміки з'ясували, що технічні метали завжди містять домішки, які або були в руді, або потрапили в метал у процесі його виплавки. Від природи й кількості цих домішок залежать властивості металу. Отже, для зміни властивостей можна вводити домішки. Металеві матеріали, в які вводиться задана кількість інших речовин, називаються сплавами. Введені речовини (хімічні елементи) називаються компонентами (наприклад, компонентами стали звичайно є залізо й вуглець).

1.1. Металографічний аналіз

Фізики створили прилади для вивчення структури металів. До таких приладів, насамперед, ставиться металографічний мікроскоп. Звичайний мікроскоп не вдається застосувати для дослідження металів, тому що в його оптичній схемі світло від джерела проходить через досліджуваний зразок, попадає в об'єктив мікроскопа й через систему лінз й окуляр попадає в око спостерігача. Метал не пропускає світлові промені, тому для дослідження металів довелося розробляти зовсім іншу схему відбивного мікроскопа. У цьому типі мікроскопа світло попадає на поверхню досліджуваного зразка, і після відбиття попадає в об'єктив і надалі в окуляр мікроскопа. Щоб поверхня зразка добре відбивала світло, вона повинна бути відполірована до дзеркального стану, зображення можна сфотографувати через окуляр мікроскопа. Якщо зрівняти один з одним фотографії відполірованих зразків з різних металів, виявляється, що вони не відрізняються нічим, крім кольорів (мідь червона, залізо біле), і не дають інформації про структуру матеріалу [2]. У такій ситуації придалися дослідження хіміків, що вивчали процеси розчинення металів хімічними реактивами. Виявилося, що для кожного металу й сплаву існують реактиви (травники), які дозволяють розчинити поверхню металу на глибину в частки мікрона. При цьому на поверхні зразка виявляються мікроскопічні ділянки, що мають різну конфігурацію, рельєф і кольори   (Рис. 1.1).

Рис 1.1. Дюралюміній після травлення.  Використовуваний реактив: азотна, плавикова, соляна  кислоти,  вода.

Ця мікроструктура дає надзвичайно коштовну інформацію, вона змінюється після нагрівання й охолодження сплаву по різних режимах (термічної обробки). Вивченням мікроструктури займається ціла галузь фізичного металознавства - металографія, створені металографічні атласи з фотографіями мікроструктур різних сплавів після різних обробок зі збільшеннями від 100 до 1000   разів.  Отже, для проведення металографічного дослідження потрібно розрізати зразок, відшліфувати й пополірувати поверхню розрізу (приготувати металографічний шліф), обробити спеціальним реактивом для даного класу матеріалів (протравити), сфотографувати різні ділянки шліфа з різними збільшеннями й зрівняти з еталонними фотографіями в металографічному атласі. На підставі цих даних можна зробити висновок про хімічний склад сплаву, різних структурних складових і режимах попередньої термічної обробки.  Наприклад, структура заліза складається з багатокутних  зерен  діаметром у  кілька десятків мікронів. Структура металевих сплавів. Якщо в метал у розплавленому стані додати домішки, то після охолодження виникає металевий сплав, властивості якого сильно відрізняються від властивостей вихідного металу. Після повільного охолодження сплаву (для виконання умови термодинамічної рівноваги) виготовляються шліфи, і проводиться металофізичне дослідження. Фазовий рентгеноструктурний аналіз дозволяє встановити наявність у сплаві однієї або декількох фаз, які ідентифікуються по наборі міжплоскосних відстаней. Фазові перетворення, тобто перехід з однієї фази в іншу, можуть відбуватися при зміні температури. Визначивши фазову сполуку великої кількості (звичайно сотень) зразків, можна довідатися яка фазова сполука була у кожного сплаву при всіх температурах, і нанести відповідні дані на діаграму в координатах сполука - температура. Відокремивши лініями області різної фазової сполуки, одержують діаграму стану. По осі абсцис на діаграмі відкладена концентрація від 0 до 100%, по осі ординат температура від кімнатної температури до температури плавлення. Для типової діаграми стану уздовж осі абсцис (при кімнатній температурі) характерна відсутність змін фазової сполуки аж до певної концентрації домішки, потім поява іншої фази й змішаної структури (цей процес може повторюватися кілька разів) і, нарешті, існування однофазної області біля другої осі ординат, що відповідає 100% другій складовій. При підвищенні температури границі між фазовими областями переміщаються  стосовно осі абсцис й у такий спосіб виникає діаграма стану з областями існування різних фаз, розділеними границями. Області, що прилягають до осі ординат, називаються областями твердого розчину, інші області звичайно пов'язані з утворенням хімічних сполук між складовими.  Твердий розчин - це кристалічна структура, у якій є атоми домішок. При цьому атоми домішок можуть заміщати атоми основи в елементарному осередку (твердий розчин заміщення) або впроваджуватися між атомами основи усередину елементарного осередку (твердий розчин впровадження). Тверді розчини заміщення виникають у сплавах, де обидві складові є металами [4]. У деяких випадках взаємна розчинність становить 100% (наприклад, ювелірні сплави Au-Ag). При розчиненні одного металу в іншому міняються відстані між атомними площинами, отже, відбувається кутовий зсув дифракційних кривих при збереженні їхнього взаємного розташування. Для аналізу твердих розчинів зручно порівнювати не відстані між атомними площинами, що відбивають, а довжини ребер у кубічному елементарному осередку, у яких можна перерахувати величини міжплоскосних відстаней. Довжина ребра елементарного осередку зветься періодом кристалічної решітки. Якщо побудувати еталонну криву залежності періоду решітки від концентрації домішки, то визначення невідомої сполуки сплаву може бути проведене за кілька хвилин. У техніку сполуки твердих розчинів доводиться найчастіше визначати при дослідженні легованих сталей, у які додаються металеві складові (Сr, W, Ni і т.д.). Якщо в якості домішки в сплаві на основі заліза додають неметал, то атом домішки не заміщає атом основи, а впроваджується усередину елементарного осередку, тому що розміри атомів неметалів істотно менші розмірів металевих атомів. При цьому виникає твердий розчин впровадження. Прикладом твердого розчину впровадження є розчин вуглецю в залізі, що є основою всіх застосовуваних у технології сталей.

1.2. Фізика міцності й пластичності

Металофізичні методи дослідження й подання про атомну структуру кристалів дозволяють пояснити фізичні механізми процесів при пластичній деформації й руйнуванні металів. Якщо досліджувати металографічним методом структуру деформованого металу, то можна спостерігати ряд характерних рис. Так, у типовому металі – залізі, деформація викликає появу системи паралельних ліній у зерні. Напрямки ліній, які називають лініями ковзання, паралельні в межах одного зерна, але різні в різних зернах. При збільшенні деформації лінії зливаються в більш  широкі смуги ковзання, всередині зерен або по їхніх границях з'являються тріщини. Розташовані близько друг до друга тріщини зливаються в магістральну тріщину й, нарешті, метал руйнується. Іноді смуги ковзання мають структуру двійників, так називають смуги, що складаються з похилих ліній ковзання, розташованих симетрично осі смуги. Виміру напруги, необхідного для утворення лінії ковзання, були проведені на спеціально вирощених більших монокристалах. Лінія ковзання є перетином площини ковзання, площиною шліфа. Якщо відома структуру кристала, то можна визначити кількість атомів у площині ковзання й обчислити напругу, необхідне для зрушення в цій площині. Результат розрахунку дає величину на 3-4 порядки перевищуючу отриману експериментально.  Щоб пояснити ця розбіжність, теоретики висловили припущення, що зрушення в площині ковзання поширюється поступово, від атома до атома, тобто для елементарного зрушення потрібно перебороти невелику напругу. Елементарні носії пластичності були названі дислокаціями. Дислокації являють собою порушення послідовності атомів - дефекти в кристалічній решітці. Ці дефекти є лінійними, тобто в одному напрямку вони мають більші розміри, аж до макроскопічних (лінія дислокації), а у двох інші становлять трохи міжатомних відстаней. Розрахунки, проведені за допомогою дислокаційних моделей, дають величини механічних властивостей, що добре збігаються з експериментальними даними. Звичайні методи металофізичного аналізу дозволяють одержати тільки непрямі дані про механізм дислокаційної пластичності й руйнування. Прямі експериментальні докази існування дислокацій вдалося одержати тільки через кілька десятиліть після появи теоретичної моделі, коли з'явилися електронні мікроскопи, що дозволяють спостерігати об'єкти атомних розмірів. При цьому виявилося, що атомна структура дислокацій, передвіщена теоретиками, повністю збігається з експериментально спостережуваної. При експериментальному дослідженні деформації кристалів установлено, що ковзання йде в певних площинах (перетинах елементарного осередку) і в певних напрямках. При цьому площиною ковзання є площина з найбільш щільним розташуванням атомів, а напрямком ковзання - напрямок, у якому атоми ближче всього друг до друга. Це порозумівається тим, що при додатку напруги до кристала, переміщення дислокації на міжатомну відстань визначається мінімумом необхідної енергії.  Так, металографія показує, що на стадії зміцнення відбувається дроблення зерен і підвищення мікротвердості. При рентгеноструктурному дослідженні деформованих металів виявляється розширення дифракційних кривих інтенсивності, що інтерпретується, як ефекти дроблення кристалів і деформації атомних площин. Оптичною аналогією тут є відбиття від дзеркала із тріщинами або вигнутим дзеркалом. Ефекти дроблення зерен і перекручування кристалічної решітки (мікронапруг) можна розділити внаслідок розходжень кутової залежності розширення дифракційних максимумів. Справедливість теоретичних механізмів деформаційного зміцнення можна довести й за допомогою дослідження ефектів, викликуваних рухом окремих дислокацій. Дислокації є дефектами кристалічної решітки, порушують правильність розташування атомів і впливають на властивості кристалів, у тому числі на хімічну активність. Можна підібрати реактив, що буде розчиняти кристал в області з перекрученою кристалічною решіткою навколо дислокації, і при розчиненні кристала на поверхні утворяться ямки в місці виходу лінії дислокації на поверхню. Таким чином, у кристалі, що містить невелику кількість дислокацій, можна під мікроскопом спостерігати окремі дислокації [3]. Якщо нанести на поверхню кристала відбиток індентора, приладу для виміру мікротвердості, і протравити поверхню, то на ній виникнуть ряди ямок травлення, розташовані у вигляді променів, що йдуть від поверхні відбитка. Напрямки цих променів збігаються з напрямками ковзання в кристалі. Реальний кристал складається з окремих блоків, розділених границями. Якщо поставити відбиток поблизу границі, то можна переконатися, що дислокаційні промені впираються в границі, тобто підтвердити теоретичний висновок про те, що механізм зміцнення в кристалах складається в утрудненні подолання дислокаціями перешкод.