Материаловедение_лабы

стойкостью, дегазацией т.д.) с помощью их структурных и фазовых изменений, которые происходят в металлах под воздействием мощных акустических полей.

Для создания акустических полей необходимы технологические установки, способные с малыми энергозатратами обеспечить требуемые амплитудно-частотные и мощностные характеристики. Накопленный опыт и имеющиеся результаты по газоструйным генераторам звука позволяют проводить не только исследования аэроакустического воздействия, но и обработку материалов в промышленных масштабах. Новые технологические процессы упрочнения металлов и сплавов не требуют дорогого и сложного оборудования для практического использования.

При аэротермоакустической обработке (АТАО) осуществляется воздействие температурных и акустических полей с целью формирования свойств материалов в желаемом направлении как во всём объёме (глубина упрочнённого слоя определяется прокаливаемостью стали), так и в поверхностном слое благодаря образованию поверхностных оксидных структур.

АТАО как упрочняющая обработка представляют собой организованную определенным образом термообработку в мощном акустическом поле звукового диапазона частот, при одновременном воздействии потока газа в диапазоне скоростей от десятка до сотен метров в секунду. При этом металл может охлаждаться до отрицательных температур в расширяющемся потоке газа, т.е. дополнительно происходит криогенная обработка.

Специальное технологическое оборудование для АТАО включает газоструйный генератор звука (ГГЗ), в резонаторе которого происходит охлаждение деталей.

Основными операциями в технологии АТАО являются нагрев деталей (заготовок) до определённых температур и последующее охлаждение, включая криогенное воздействие, в мощном акустическом поле звукового диапазона дискретных частот с уровнем звукового давления 150…170 дБ в потоке газа.

Управление параметрами аэротермоакустического воздействия (температура, скорости охлаждения, скорости потока газа, ам- плитудно-частотные характеристики) осуществляется за счёт варьирования геометрических характеристик установок, параметров рабочего газа (воздух, азот и др.), времени термоакустического воздействия, введения дополнительных охлаждающих сред

110

(впрыск жидкости) и т.д. Экспериментальные оценки эффективности охлаждения сред, используемых при АТАО, показали, что они могут варьировать в пределах от скорости, аналогичной скорости охлаждения в техническом масле (температура маслаºС20) , до скорости охлаждения в потоке воздуха. Эффективность охлаждения возрастает при использовании водовоздушных смесей.

Одна из важнейших задач металлографии – определение размера зерна металлических сплавов, от которого во многом зависят их механические и физические свойства. Металл с крупнозернистой структурой (или структурой, содержащей одновременно крупные и мелкие зерна) отличается пониженными значениями пластичности и ударной вязкости по сравнению с металлом, имеющим мелкозернистое строение. Поэтому для большинства конструкционных металлов и сплавов крупнозернистая структура является недопустимой. Методы выявления и определения величины зерна устанавливает ГОСТ 5639–82, в соответствии с которым для выявления границ зерен могут быть использованы различные приемы, в том числе травление поверхности шлифа реактивами.

После выявления границ зерен определяют их величину. Под величиной зерна понимают среднюю величину случайных сечений зерен в плоскости металлографического шлифа. Она может быть определена следующими металлографическими методами:

–визуальным сравнением видимых под микроскопом зерен с эталонами шкал, прилагаемых к стандарту;

–подсчетом количества зерен, приходящихся на единицу поверхности шлифа;

–подсчетом пересечений границ зерен отрезками прямых;

–измерением длин хорд с определением относительной доли зерен определенного размера.

Вданной работе используется метод подсчета пересечений границ зерен отрезками прямых, который предусматривает определение среднего условного диаметра в случае равноосных зерен шлифа. Подсчет осуществляется на фотографии микроструктуры, где проводят несколько отрезков произвольной длины в любом направлении. Длину отрезка выбирают с таким расчетом, чтобы каждый из них пересекал не менее 10 зерен, а увеличение микроскопа – чтобы на исследуемой поверхности было не менее 50 зерен. Подсчитывают точки пересечения отрезков с границами зе-

111

рен, причем зерна на концах прямой, не пересеченные им целиком, принимаются за одно зерно. Затем определяют суммарную длину этих отрезков L, мм, и суммарное число пересеченных зерен N. Средний условный диаметр зерна d, мм, определяют по формуле

d = LN .

Метод измерения длин хорд основан на замере линейных размеров отрезков хорд, отсекаемых в зернах прямыми линиями, и применяется для определения зерна в разнозернистой структуре. Этот метод используется с применением компьютерных технологий, что позволяет построить диаграмму, характеризующую распределение зерен по размерам.

14.3.Порядок выполнения работы

1.Получить два образца из технического железа, термообработанных по следующим двум режимам:

а) закалка в воде с температуры 880°С; б) закалка в воде с температуры 880°С и последующий нагрев

при температуре ниже температуры рекристаллизации и охлаждение в резонаторе ГГЗ-АТАО.

2.Измерить твердость полученных образцов на приборе Роквелла по шкале HRB не менее трех раз. Средние значения твердости измеренных образцов занести в табл. 14.1.

Получить два образца (шлифа) из технического железа, термообработанные по двум указанным режимам (или две фотографии микроструктуры), и определить размер условного диаметра зерен технического железа образцов 1 и 2.

Та б л и ц а 14.1

Твердость технического железа после термической и АТАО

	№	Термообработка	Среда	Твердость	Размер зерна,
	образца		охлаждения	HRB	мкм
	1	Закалка, 880°С	Вода
		(СТО)
	2	Закалка, 880°С	Акустич. возд.;-
		(СТО) + АТАО	воздух

112

14.4.Содержание отчета

1.Наименование и цель работы.

2.Марка материала.

3.Краткое описание методики АТАО.

4.Таблица с результатами определения значений показателей твердости и размеров зерна после стандартной термической и АТАО.

5.Определить изменение предела текучести материала в результате измельчения зерна, пользуясь методикой изложенной в л.р. №1.

6.Выводы по работе.

14.5.Вопросы для самопроверки

1.Что такое аэротермоакустическая обработка?

2.За счет чего изменяются свойства изделий в результате

АТАО?

3.Каким образом регулируют скорость охлаждения в процессе АТАО?

4.Как влияет АТАО на структуру технического железа и механические свойства материала?

5.Почему уменьшение размера зерна повышает прочность материала?

113

П Р И Л О Ж Е Н И Е 1

ПЕРЕСЧЕТ НОМЕРА ЗЕРНА НА СТАНДАРТНОЕ УВЕЛИЧЕНИЕ (100) ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ УВЕЛИЧЕНИЙ от 25 до 800

Увеличе-										Номер зерна
	ние
	100	-3	-2	-1	0	1	2	3	4	5	6	7		8	9	10	11	12	13	14
25		1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
50				1	2	3	4	5	6	7	8	9		10
200								1	2	3	4	5		6	7	8	9	10
400										1	2	3		4	5	6	7	8	9	10
800												1		2	3	4	5	6	7	8

П Р И Л О Ж Е Н И Е 2

ХАРАКТЕРИСТИКИ (ПАРАМЕТРЫ) СТРУКТУРЫ СТАЛИ С РАЗНОЙ ВЕЛИЧИНОЙ БАЛЛОВ

			Количество	Среднее	Средний	Средний
		Площадь	зерен на		диаметр
	Номер			количест-		условный
		зерна, мм2 ,	площади		зерна по
	зерна		2	во зерен в		диаметр
		средняя	1 мм шлифа,	1 мм2	расчету,	зерна, мм
			среднее		мм
	-3	1,024	1	1	1,000	0,875
	-2	0,512	2	2,7	0,694	0,650
	-1	0,256	4	8	0,500	0,444
	0	0,128	8	21	0,352	0,313
	1	0,064	16	64	0,250	0,222
	2	0,032	32	179	0,177	0,167
	3	0,016	64	512	0,125	0,111
			114

Окончание прил.. 2

	Площадь	Количество	Среднее	Средний	Средний
		зерен на		диаметр
Номер	зерна,		количество		условный
зерна	2	площади	зерен в	зерна по	диаметр
	мм ,	2
	средняя	1 мм шлифа,	1 мм2	расчету,	зерна, мм
		среднее		мм
4	0,008	128	1 446	0,088	0,0788
5	0,004	256	4 096	0,060	0,0553
6	0,002	512	11 417	0,041	0,0391
7	0,001	1 024	32 768	0,031	0,0267
8	0,0005	2 048	92 160	0,022	0,0196
9	0,00025	4 096	262 122	0,015	0,0138
10	0,000125	8 192	737 280	0,012	0,0099
11	0,000062	16 384	2 097 152	0,0079	0,0069
12	0,000031	32 768	5 930 808	0,0056	0,0049
13	0,000016	65 536	16 777 216	0,0039	0,0032
14	0,000008	131 072	47 488 064	0,0027	0,0023

115

П Р И Л О Ж Е Н И Е 3

ШКАЛА РАЗМЕРОВ ЗЕРЕН КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ (ЦИФРЫ ПОД РИСУНКОМ – НОМЕР ЗЕРНА) х 100

1

2

3

4

116

5

6

7

8

9

10

117

П Р И Л О Ж Е Н И Е 4

ПРИБЛИЖЕННОЕ СООТНОШЕНИЕ ЧИСЕЛ ТВЕРДОСТИ ПО БРИНЕЛЛЮ, РОКВЕЛЛУ И ВИККЕРСУ

	Диаметр	Бринелль			Роквелл
			При нагрузке, Н×10-1				Виккерс
	отпечатка,	3000	1000	алмазный конус		шарик
	мм			150	60	100
		НВ	НВ	НRСЭ	НRA	HRB	HV
	2,20	780	260	72	84	-	1224
	2,25	745	248	70	83	-	1116
	2,30	712	237	68	82	-	1022
	2,35	682	227	66	83	-	941
	2,40	653	218	64	80	-	868
	2,45	627	209	62	79	-	804
	2,50	601	200	60	78	-	746
	2,55	578	193	58	78	-	694
	2,60	555	185	56	77	-	630
	2,65	534	178	54	76	-	606
	2,70	514	171	52	75	-	587
	2,75	495	165	50	74	-	551
	2,80	477	159	49	74	-	534
	2,85	461	154	48	73	-	502
	2,90	444	148	46	73	-	474
	2,95	429	113	45	72	-	460
	3,00	415	138	43	72	-	435
	3,05	401	134	42	71	-	423
	3,10	388	129	41	71	-	401
	3,15	375	325	40	70	-	390
	3,20	363	121	39	70	-	380
	3,25	352	117	38	69	-	361
	3,30	341	114	36	68	-	344
	3,35	331	110	35	67	-	334
	3,40	321	107	33	67	-	320
	3,45	311	104	32	66	-	311
	3,50	302	101	31	66	-	303
	3,55	293	97,7	30	65	-	292
	3,60	288	94,9	29	65	-	285
	3,65	277	92,3	28	64	-	278
	3,70	269	89,7	27	64	-	270
	3,75	262	87,2	26	63	-	261
				118

						Окончание прил. 4
		Бринелль			Роквелл
	Диаметр		При нагрузке, Н×10-1				Виккерс
	отпечатка,	3000	1000	алмазный конус		шарик
	мм
				150	60	100
		НВ	НВ	НRСЭ	НRA	HRB	HV
	5,40	118	39,4	-	-	71	118
	5,50	116	38,6	-	-	70	116
	5,55	114	37,9	-	-	68	115
	5,60	111	37,1	-	-	67	113
	5,65	110	36,4	-	-	66	110
	5,70	109	35,7	-	-	65	109
	5,75	107	35,0	-	-	64	108
	5,80	103	34,3	-	-	57	-
	5,85	101	33,7	-	-	56	-
	5,90	99,2	33,1	-	-	55	-
	5,95	97,3	32,4	-	-	54	-
	6,00	95,5	31,8	-	-	53	-
	6,05	93,7	31,2	-	-	52	-
	6,10	92,0	30,7	-	-	50	-
	6,15	90,3	30,1	-	-	48	-
	6,20	88,7	29,6	-	-	48	-
	6,25	87,1	29,0	-	-	46	-
	6,30	85,5	28,5	-	-	45	-
	6,35	84,0	28,0	-	-	44	-
	6,40	82,5	27,5	-	-	43	-
	6,45	81,0	27,0	-	-	41	-
	6,50	79,6	26,5	-	-	40	-
	6,55	78,2	26,1	-	-	39	-
	6,60	76,8	25,6	-	-	37	-
	6,65	75,4	25,1	-	-	36	-
	6,70	74,1	24,7	-	-	34	-
	6,75	72,8	24,3	-	-	32	-
	6,80	71,6	23,9	-	-	30	-
	6,85	70,4	23,5	-	-	29	-
	6,90	69,1	23,1	-	-	28	-
	6,95	68,0	22,7	-	-	28	-
	7,00	68,8	22,3	-	-	24	-

119