Материал: 2146

С учетом значимости коэффициентов регрессии построены следующие математические модели сплавов в литом состоянии.

Математическая модель сплава АК5М2 в литом состоянии:

Математическая модель сплава АК5М7:

где – временное сопротивление разрыву при растяжении, МПа;

– относительное удлинение, %;

– твердость по Бринеллю, МПа.

Результаты анализа модели сплава АК5М2 показали, что увеличение содержания любого компонента в сплаве дает упрочняющий эффект только при определенных концентрациях других элементов. Особенно важным является содержание магния и марганца, варьируя которым возможно изменить механические свойства сплава в широком диапазоне их значений. Наилучшие результаты могут быть получены либо путем легирования сплава АК5М2 медью и марганцем на верхнем пределе его марочного состава при содержании магния не более 0,38% по массе, либо путем увеличения концентрации магния и меди при содержании марганца не более 0,3%.

Выбор рациональных составов сплава АК5М2 осуществляется из расчета эффективного использования всех элементов, содержащихся в шихте, как это наблюдается в условиях пластичности сплава более 1%. В случае повышенной концентрации магния в шихте сплава при плавке оптимальным следует считать составы с содержанием легирующих элементов (% по массе): 0,6-0,8% Mg; 0,2-0,4% Mn; 1,5-2,6% Cu; 5-6% Si, при концентрации примесей, не более: 1,1% Fe; 0,44% Zn; 0,4% Ni; 0,12% Pb.

Анализ математической модели сплава АК5М7 показывает, что наиболее низкие свойства имеют составы с 0,39% магния, уменьшение или увеличение которого способствует возрастанию прочности сплава. Временное сопротивление разрыву достигает максимальной величины при концентрации магния на верхнем пределе марочного состава сплава и следующем соотношении меди и марганца:

Mn = 1,8 – 0,214∙Cu,

где Mn, Cu – концентрация соответствующих элементов, масс.%.

Дальнейшее увеличение содержания меди приводит к дополнительному росту уровня прочности сплава при концентрации марганца менее 0,3% и к падению – при большем его количестве в сплаве.

Характер изменения пластичности сплава с увеличением концентрации магния или меди соответственно в пределах от 0,4 до 0,54% и 6,6-7,4% зависит от содержания марганца и определяется отношениями магния к марганцу и меди к марганцу. Рост концентраций от 0,4% магния или более 7,4% меди во всем диапазоне изменений содержания марганца приводит к снижению пластичности сплава и к ее увеличению при изменениях содержания меди от 6 до 6,6% или магния более 0,54%. Локальный максимум пластичности соответствует следующим соотношениям Х₃/Х₂=0,375; Х₁/Х₂=-0,969, т.е. достигается при концентрациях меди и марганца, магния и марганца на разных уровнях значений. Таким образом, следует считать оптимальным для сплава АК5М7 в литом состоянии составы с содержанием легирующих элементов (% по массе): 0,54-1,1% Mg; 7-8% Cu; 4,5-6% Si при концентрации примесей, не более: 0,1-0,3% Mn; 1,15% Fe; 0,41% Ni; 0,5% Zn; 0,18% Pb; 0,05% Sn; 0,05% Sb.

Порядок выполнения работы

1. Произвести выбор уровней и интервалов варьирования легирующих элементов.

2. Произвести кодирование факторов эксперимента.

3. Составить матрицу планирования полного факторного эксперимента.

4. Провести анализ результатов и сделать выводы по работе.

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Теоретическая часть.

3. Кодирование факторов эксперимента.

4. Матрица планирования эксперимента.

5. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Что такое параметр оптимизации?

2. Как производится выбор уровней факторов?

3. Что такое интервал варьирования факторов?

4. Как производится кодирование факторов?

5. Что такое эффект взаимодействия?

6. Как составляется матрица планирования эксперимента?

Работа № 6

МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

СТРОЕНИЯ СПЛАВОВ

Цель работы – ознакомиться с приготовлением образцов для металлографического исследования и с методами изучения микроструктуры сплавов.

Общие сведения

Под металлографическими исследованиями понимается комплекс испытаний и аналитических мероприятий, направленный на изучение макроструктуры и микроструктуры металлов, исследование закономерностей образования структуры и зависимостей влияния структуры на механические, электрические и другие свойства металла или сплава [22-24].

Микроструктурный анализ заключается в исследовании структуры материала с помощью микроскопа. Микроанализ позволяет характеризовать размеры и расположение различных фаз, присутствующих в сплавах. При микроанализе однофазных сплавов (обычно твердых растворов) и чистых металлов можно определять величину зерен и отметить существование дендритного строения. Определение размеров зерен проводится либо методами количественной металлографии, либо путем сопоставления структуры с заранее составленными шкалами.

В многофазных сплавах с помощью микроанализа можно определить не только количество, форму и размеры включений отдельных фаз, но и их взаимное распределение. Кроме того, если известен состав каждой из фаз, можно приблизительно определить и состав изучаемого сплава. Такие расчеты только в том случае будут достаточно точными, если присутствующие фазы не слишком дисперсны и находятся в значительном количестве.

Шлифы из исследуемых образцов готовят с применением станка для шлифования и полировки металлографических образцов Полилаб П22М. Шлиф, т.е. образец с плоской отполированной поверхностью, механическим методом готовят следующим образом. Вначале производят обработку образца на плоскость (заторцовку) с помощью круга. По краям следует снять фаску, чтобы при последующих операциях не порвать полировальное сукно. Затем производят шлифовку на специальной бумаге с разной величиной зерна абразива, уложенной на стекло. При переходе к следующему номеру бумаги меняют направление шлифования на перпендикулярное и шлифуют до тех пор, пока не исчезнут риски от предыдущей обработки. После шлифования на последней бумаге шлиф промывают в воде, чтобы частички абразива не попали на полировальный круг. После шлифовки производят полировку. Шлиф слегка прижимают к вращающемуся кругу, на который натянуто сукно. Полировальный круг все время смачивается суспензией – взвесью тонкого абразива в воде. Абразивами для полировки служат оксид алюминия, оксид хрома или другие оксиды. Для полировки твердых материалов применяют пасту с алмазным порошком или алмазные круги. Полировку производят до получения зеркальной поверхности.

Режимы приготовления шлифов для сплавов на основе алюминия следующие: шлифование с помощью бумаги на основе SiC крупности #320 и #1200 при скорости вращения 300 об/мин в течение 3-5 мин, затем полировка на сукне алмазной суспензией (зерно 15 мкм) при скорости 150 об/мин в течение 5 мин.

Исследования микроструктуры образцов проводят с помощью инвертированного металлографического микроскопа Nikon Epiphot 200 (рис.5.1). Инвертированные микроскопы в сравнении с прямыми (образец под объективом) имеют следующие преимущества:

- чтобы поменять образец, не нужно двигать предметный столик;

- на таких приборах можно изучать образцы любых размеров.

Микроскоп Nikon Epiphot 200 предназначен для исследования поверхностей образцов различными методами наблюдения с использованием современной оптической системы CFI. Микроскоп подходит для наблюдения и вывода изображения на ТВ-монитор.

Микроскоп комплектуется или бинокуляром или тринокуляром; низкий предметный столик с большой величиной хода; револьверный держатель объективов с вертикальным перемещением; рычаг смены обзора светлое поле/темное поле; встроенная блокировка апертурной диафрагмы автоматически открывается, когда проводится смена темного и светлого поля; переключатель оптического пути; универсальная ручка управления движением предметного столика; внешний стабилизированный источник питания псевдосенсорное управление интенсивностью освещения; сменный порт для подключения фото или видеокамеры; объективы CF. В системе могут использоваться различные шаблоны для измерения размеров включений с помощью объективов с увеличением от 5х до 100х, для каждого увеличения вставляется соответствующие шаблоны.

Изучение микроструктуры начинают с рассмотрения шлифа в нетравленом виде, т.е. после полирования и промывки. В этом случае в поле зрения микроскопа можно заметить отдельные, обычно небольшие, темные участки. Они могут представлять: а) неметаллические включения; б) мелкие поры; в) структурные составляющие, характерные для некоторых сплавов (например, графит в сером чугуне).

Природа включений при микроскопическом анализе может быть установлена: 1) специальным травлением, вызывающим растворение или окрашивание включений; 2) наблюдением шлифа в поляризованном или ультрафиолетовом свете.

Микропоры, представляющие собой углубления в микрошлифе, также обнаруживаются в виде темных участков. Чтобы отличить микропоры от включений, шлиф слегка выводят из фокуса, поворачивая микрометрический винт микроскопа, и снова наводят на фокус; при этом края микропор, в отличие от неметаллических включений, то сходятся, то расходятся.

После просмотра шлиф подвергают травлению.

Зерна чистых металлов или твердых растворов имеют неодинаковую кристаллографическую ориентировку. Поэтому на приготовленную плоскость микрошлифа приходятся зерна, срезанные по разным кристаллографическим направлениям и имеющие в этих направлениях неодинаковые свойства. Если микрошлиф подвергнуть действию химически активной среды (растворов кислот, солей, щелочей и т.д.), то степень травимости отдельных зерен окажется различной. Световой поток, направленный через объектив на микрошлиф, отражается различно от разных зерен; на участках стыков зерен возникает значительное рассеяние, и отраженные лучи не попадают в поле зрения, поэтому по границам зерен возникают темные линии, которые и воспроизводят картину действительных стыков между зернами. Этот эффект в значительной степени возрастает также и потому, что по границам зерен сосредоточиваются многие примеси, имеющиеся в металле или сплаве; травимость по границам зерен вследствие образования гальванических пар увеличивается, и темные линии, указывающие на границы зерен, выступают весьма отчетливо.

Микрошлиф погружают полированной поверхностью в реактив и через некоторое время (продолжительность травления зависит от состава изучаемого сплава и состава раствора) вынимают; если полированная поверхность шлифа становится при этом слегка матовой, травление считают законченным, и шлиф промывают водой; после этого высушивают шлиф спиртом, аккуратно прикладывая к нему лист фильтровальной бумаги.

Если же за время выдержки поверхность шлифа сохраняет блестящий вид или структура сплава не выявляется отчетливо, микрошлиф вновь погружают и выдерживают в реактиве.

Порядок выполнения работы

1. Подготовить шлифы из сплава.

2. Провести анализ структуры сплава под микроскопом.

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Теоретическая часть.

3. Рисунок выявленной микроструктуры и ее описание.

4. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. С какой целью применяют микроскопический анализ?

2. Каковы основные преимущества инвертированных микроскопов?

3. Как приготовить микрошлиф?

4. Для чего производят травление?

5. Как выявляется природа включений при микроскопическом анализе?

Библиографический список

1. Гуляев, Б.Б. Синтез сплавов / Б.Б. Гуляев. – М.: Металлургия, 1986. – 264 с.

2. Воздвиженский, В.М. Литейные сплавы и технология их плавки в машиностроении : учеб. пособие / В. М. Воздвиженский, В.А. Грачев, В.В. Спасский. – М. : Машиностроение, 1984. – 432 с.

3. Захаров, М.В. Жаропрочные сплавы / М.В. Захаров, A.M. Захаров. – М.: Металлургия, 1972. – 384 с.

4. Основы металлургии: в 4 т. Т.1. Общие вопросы металлургии / ред.: Н.С. Грейвер, Д.Н. Клушин, И.А. Стригин, А.В. Троицкий. – М.: Металлургиздат, 1961. – 662 с.

5. Владимиров, Л.П. Термодинамические расчеты равновесия металлургических реакций / Л.П. Владимиров. – М.: Металлургия, 1970. – 528 с.

6. Крестовников, А.Н. Справочник по расчетам равновесий металлургических реакций / А.Н. Крестовников, Л.П. Владимиров, Б.С. Гуляницкий, А.Я. Фишер. – М.: Металлургиздат, 1963. – 416 с.

7. Синярев, Г.Б. Применение ЭВМ для термодинамических расчетов металлургических процессов / Г.Б. Синярев, Н.А. Ватолин, Б. Г. Трусов, Г.К. Моисеев. – М.: Наука, 1982.

8. Прусов, Е.С. Термодинамический анализ и модель взаимодействия компонентов при синтезе композиционных материалов на основе систем Al-TiO₂-B-SiC и Al-TiO₂-C-SiC / Е.С. Прусов, А.В. Панфилов, А.А. Панфилов // Литейщик России. – №9. – 2009. – с. 30-33.

9. Курдюмов, А.В. Производство отливок из сплавов цветных металлов. Учебник для вузов / А.В. Курдюмов, М.В. Пикунов, В.М. Чурсин, В.Л. Бибиков. – М.: Металлургия, 1986. – 416 с.

10. Воскобойников, В.Г. Общая металлургия / В.Г. Воскобойников, Ф.П. Еднерал, В.А. Кудрин, А.М. Якушев; под ред. В. Г. Воскобойникова. – М.: Металлургия, 1973. – 464 с.

11. Падерин, С.Н. Физико-химия металлов и неметаллических материалов: учеб.-метод. пособие / С.Н. Падерин, Г.В. Серов. – М.: МИСиС, 2007. – 94 с.

12. Погорелый, А.Д. Теория металлургических процессов / А.Д. Погорелый. – М.: Металлургия, 1971. – 504 с.

13. Кечин, В.А. Ликвационное рафинирование металлических расплавов / В.А. Кечин // Известия МАН ВШ. – 2007. – № 2 (40). – с. 169-175.

14. Итин, В.И. Высокотемпературный синтез интерметаллических соединений / В.И. Итин, Ю.С. Найбороденко. – Томск: изд-во Том. ун-та, 1989. – 214 с.

15. Мержанов, А.Г. Концепция развития СВС как области научно-технического прогресса / А.Г. Мержанов [и др.]; под ред. А.Г. Мержанова. – Черноголовка: «Территория», 2003. – 368 с.

16. Кандалова, Е.Г. Физико-химические основы литейного производства: метод. указ. к лаб. работам / сост. Е.Г. Кандалова, А.Г. Макаренко, В.И. Никитин ; Самар. гос. техн. ун-т. – Самара, 2002. – 19 с.

17. Кечин, В.А. Теория и технология литых протекторных материалов : монография / В.А. Кечин ; Владим. гос. ун-т. – Владимир : Редакционно-издательский комплекс ВлГУ, 2004. – 181 с.

18. Соложенко, В.Л. Методические указания для практических занятий по курсу «Организация эксперимента» / В.Л. Соложенко. – Владикавказ: СКГТУ, 1994. – 60 с.

19. Джонсон, Н. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы обработки данных / Джонсон Н., Лион Ф.; перев. с англ. под ред. Э.К. Лецкого. – М.: Мир, 1980. – 610 с.

20. Спиридонов, А.А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов / А.А. Спиридонов. – М.: Машиностроение, 1981. – 184 с.

21. Петров, С.М. Повышение качества вторичных литейных алюминиевых сплавов / С.М. Петров, С.Г. Петрова, Ю.Н. Степанов, Г.Ф. Шеметев. – Л.: ЛДНТП, 1988. – 28 с.

22. Тарасов, В.В. Лабораторный практикум по материаловедению: учеб. пособие / В.В. Тарасов, С.Б. Малышко. – Владивосток: МГУ им. адм. Г.И. Невельского, 2003. – 117 с.

23. Богомолова, Н.А. Практическая металлография: учебник для техн. училищ / Н.А. Богомолова. – 2-е изд., испр. – М.: Высш. школа, 1982. – 272 с.

24. Металлы и сплавы. Справочник. – С.-Пб.: АНО НПО «Профессионал», АНО НПО «Мир и Семья», 2003. – 1090 с.