1.Влияние отпуска на магнитные свойства.

Билет 21.

1 .Влияние отпуска на магнитные свойства.

Влияние отпуска на магнитные свойства противоположно влиянию закалки. Так, коэрцитивная сила падает, а остаточная индукция возрастает. Увеличиваются также проницаемость и на­магниченность насыщения. Последняя резко возрастает при от­пуске на 210—250° С в связи с превращением остаточного аусте­нита в мартенсит. При более высоких температурах отпуска она несколько уменьшается вследствие образования Fе₃С.

Падение намагниченности насыщения при увеличении концен­трации углерода в отожженной стали объясняется тем, что появ­ляется новая фаза, Fе₃С (цементит), в которой содержится 93,3% Ре и 6,7% С. Таким образом, значительное количество железа связывается химически и обладает пониженной намагниченностью. Fе₃С имеет = 1,25—1,3 Тл. Если бы в атоме железа в це­ментите число магнетонов Бо­ра не уменьшилось, то на­магниченность насыщения цементита равнялась бы 1,98 Тл.

Коэрцитивная сила зави­сит не только от количества цементита, но и от его формы.

Установлено, что в стали ШХ15 при наличии только зернистого цементита Н_с = = 795,8, при наличии зерни­стого цементита и карбидной сетки 993,7, а при структуре пластинчатого перлита 1512 А/м.

Из экспериментальных данных следует, что в отож­женной стали ШХ15 со струк­турой зернистого цементита коэрцитивная сила в Э возрастает прямо пропорционально числу зерен карбида в 1 мм³ —п и линейно связана с твердостью по Бринеллю.. Показано также, что Н_с и НВ повышаются вследствие измельчения зерен ферритной фазы при одной и той же дисперсности карбидов.

Отжиг очень сильно понижает коэрцитивную силу и повышает проницаемость (х_пвх. При этом кривые,характеризующие величину Н_с отожженной и закаленной стали, расходятся по мере увеличения концентрации углерода.

3.Использование измерения теплоемкости металловедении для исследования структурных превращений.

Энтальпия, или теплосодержание, и теплоемкость являют­ся важнейшими характеристиками сплавов при изучении их фазовых и структурных изменений и превращений. Определение температурной зависимости энтальпии позво­ляет вычислить теплоемкость, скрытую теплоту превра­щения, а также температурные интервалы превращений.

Известно, что "теплоемкостью вещества называется отно­шение количества тепла, полученного телом, к получа­ющемуся при этом повышению температуры системы. По­скольку теплоемкость зависит от температуры, то она рав­на пределу отношения приращения теплосодержания к приращению температуры, если последнее стремится к нулю;

Теплоемкость также зависит и от массы вещества, по­этому обычно рассматривают молярную (атомную) теплоем­кость грамм-моля или грамм-атома, или удельную тепло­емкость. Теплоемкость будет задана точно, если указаны условия, при которых происходит изменение температуры, например постоянство объема.

Из термодинамики известно, что каждое вещество имеет две характерные величины теплоемкости: теплоемкость при постоянном объеме Су и теплоемкость при постоянном давле­нии Ср (Ср > Су). Теплоемкость Су не может быть измере­на в металлах, и поэтому в последующих разделах под экс­периментальными величинами теплоемкости всегда под­разумевается (Ср^) Теплоемкость при постоянном объеме можно вычислить из формулы

Следовательно, теплоемкость можно определить из извест­ной зависимости теплосодержания от температуры путем графического или численного дифференцирования и, наобо­рот, теплосодержание можно вычислить путем графиче­ского или численного интегрирования экспериментально определенной зависимости теплоемкости от температуры.

Теплоемкость при температурах ниже нуля резко снижается. В соответствии с теорией Эйн­штейна и Дебая:

Как видно с уравнений, показанных выше атомная теплоемкость стремится к нулю при уменьшении абсолютной температуры, а при возрастании Т до © стремится к величине 3R. Температурная зависимость теплоемкости Су от Т / © одинакова для всех металлов. Характеристическая температура ©мо­жет быть определена на основании измерений атомной теп­лоемкости и является параметром металлов и сплавов, свя­занным с силами межатомного взаимодействия. Данные о характеристической температуре представляют интерес при изучении влияния легирующих элементов на прочность ме­таллов, особенно работающих при высоких температурах.

Теплосодержание и теплоем­кость резко изменяются при фа­зовых превращениях.

В точке плавления Тs теплосодержание скачкообразно увеличивается. Это приращение теплосодержа­ния равно скрытой теплоте плав­ления gs. Как правило, тепло­емкость жидкого металла выше, чем твердого. Если бы удалось достаточно переохладить металл с тем, чтобы получить его в аморфном состоянии при комнат­ной температуре, то теплоемкость такого металла была бы всегда выше, чем кристаллического.

Это уравнение показывает зависимость скрытой теплоты от температуры. Чем больше переохлаждение, тем ниже gs.

Методы термического анализа, применяемые в металло­ведении, основаны на использовании всех этих общих зако­номерностей для изучения металлических систем. Различают два вида методов: 1) измерение температурной зависимости теплосодержания, служащее для определения теплоемкос­ти и теплоты превращений (калориметрический анализ); 2) измерение температуры в зависимости от времени "при нагреве или охлаждении, позволяющее индицировать фа­зовые превращения по характерным точкам и участкам по­лучаемых кривых (термический анализ фазовых превра­щений).

Я не знаю, надо ли это, что ниже, поэтому кидаю просто картинки!

2.Исспользование внутреннего трения при исследовании старения и «визначення» концентрации твердых растворов. (этот вопрос можно заменить).

Определение концентрации твердых растворов

Сноэк и Дийкстра [1371 впервые показали, что в твер­дых растворах углерода и азота в а-железе высота пика релаксации зависит от концентрации соответствующих эле­ментов и таким образом может служить для точного опре­деления растворимости в твердом состоянии. Высота этих пиков может быть легко измерена, поскольку при частоте 1 гц они отмечаются при 40° С для углерода и при 20° С для азота. Метод является неразрушающим, т. е. один и тот же объем образца можно подвергнуть многократному химическому анализу без какого-либо повреждения.

Было установлено количественное соотношение между высотой углеродного пика и концентрацией углерода в твердом растворе:

Однако впоследствии было отмечено снижение углерод­ного и азотного пиков при уменьшении размера зерна исследуемых образцов. Этот эффект, вероятнее всего, объяс­няется притяжением атомов внедрения к границам зерен, за счет чего количество атомов, участвующих в процессе релаксации, уменьшается и соответственно снижается вы­сота пика. Так, например, в экспериментах с чистым же­лезом (0,02% С), имеющим мелкозернистую (15—20 мк) и крупнозернистую (70—200 мк) структуры, при изучении кинетики старения при 90°С было обнаружено, что время, необходимое для получения определенного количества вто­рой фазы в виде дисперсных выделений, на 20% больше в крупнозернистых образцах, что также подтверждает предположение о существенном влиянии границ между зернами. В связи с этим ясно, что коэффициент пропорциональности К в формуле (295) не является постоянной величиной, а зависит от размера зерна.

Влияние типа микроструктуры на величину углеродно­го пика изучали многие исследователи. Согласно получен­ным данным, при мартенситной структуре пик внутрен­него трения не наблюдается, вероятно, потому что неболь­шие напряжения, создаваемые в образце при измерении внутреннего трения, недостаточны для обеспечения ощу­тимой миграции атомов углерода в кристаллической решет­ке, сильно напряженной за счет межфазового наклепа. Углеродный пик появляется лишь после отпуска при тем­пературе не менее 480°С, хотя известно, что феррит в структуре появляется при значительно более низких тем­пературах.

Высота пика, соответствующая равновесной концентра­ции, не может быть получена даже при отпуске при 650° С в течение 12 ч. Это явление можно объяснить, если учесть возможность влияния карбидной фазы и границ раздела фер­рит — карбид на поведение углерода в ферритной матрице.

­При изучении углеродного пика в очень чистых спла­вах железо — углерод при различных размерах зерна и I расстояниях между карбидными частицами установлено, что | высота пика не соответствует равновесной концентрации углерода, если оба указанных параметра малы (мелкое зерно, много частиц). Вероятно, что при закалке из суб­критической области температур происходит весьма быст­рое выделение атомов углерода, причем атомы занимают места на границах зерен и на границах раздела феррит — карбид. При крупном зерне и малом числе частиц рас­стояние между центрами притяжения велико; при этих условиях удается сохранить равновесную концентрацию углерода путем закалки в воде. Указанные соображения и экспериментальные наблюдения следует учитывать в слу­чае применения метода внутреннего трения для количественной оценки растворимости углерода или азота в фер­рите стали.

К- М. Розин и Б. Н. Финкельштейн [83] показали возможность использования метода внутреннего трения для исследования сплавов железо — углерод с г. ц. к. решет­кой. Они открыли пик внутреннего трения при температуре 300° С и частоте 1 гц в карбидообразующей стали типа 25-20 с 0,3% С. Этот пик аналогичен наблюдаемому в феррите. При изучении влияния температуры отпуска на поведение этого пика установлено, что по мере повыше­ния температуры высота пика уменьшается, достигая ми­нимума при отпуске при 800° С. При дальнейшем повы­шении температуры высота пика снова увеличивается и достигает первоначальной высоты при нагреве образца до 1200° С. Такое уменьшение величины пика на первой стадии обусловлено образованием карбидной фазы, что уменьшает концентрацию углерода в твердом растворе. Растворение карбидов при более высоких температурах воз­вращает атомы углерода в твердый раствор и приводит к восстановлению высоты пика.

Подобное явление наблюдали и другие исследователи, которые изучали образцы из аустенитной стали типа 18-8 и стали, содержащей 12% Мп и 4% №. Пик внутрен­него трения был обнаружен при температуре 180°С и ча­стоте 1 гц в аустенитных сплавах железа, содержащих азот [18]. Этот пик обусловлен присутствием азота в твер­дом растворе. Энергия активации релаксационного про­цесса, ответственного за появление этого пика, состав­ляет 33 ккал/г-атом, что совпадает с величиной энергии активации диффузии азота в аустените, полученной обыч­ными методами. Значительный интерес представляет определение температурной зависимости коэффициента диф­фузии углерода для нелегированного и малолегированного аустенита [54].

К. Ф. Стародубов и С. Н. Поляков [87] применили метод внутреннего трения для изучения влияния леги­рующих элементов на растворимость углерода в а-же- лезе. Они исследовали влияние марганца и молибдена на растворимость углерода и кинетику его выделения в связи с отпускной хрупкостью рельсовой стали. Было установ­лено, что марганец задерживает распад пресыщенного твер­дого раствора.

Значительная работа была выполнена исследователями по изучению поведения газов, растворенных в металлах и сплавах. Так, например, было определено содержание кислорода в тантале и показано, что высота пика пропор­циональна концентрации кислорода в твердом растворе [181]. Величину энергии активации в этом случае опреде­ляли по формуле

Кроме рассмотренных задач, метод внутреннего трения дает возможность изучать целый ряд особенностей по­ведения границ зерен в поликристаллических металлах. Впервые такие возможности были использованы Т. Ке [163], который обнаружил, что в монокристальном образ­це алюминия отсутствует пик, отмечаемый в поликристаллическом образце из того же материала при температуре 285°С и частоте 0,8 гц. Этот результат привел Т. Ке к выводу о том, что пик обусловлен вязким поведением гра­ниц зерна. Определение энергии активации для этого зер- нограничного пика показало, что она равна энергии ак­тивации объемной самодиффузии.

Однако в более поздних исследованиях при изучении зернограничного пика в меди и двойных твердых раство­рах на ее основе было установлено, что энергия активации, связанная со скольжением границ зерна, значительно ни­же, чем для самодиффузии меди. Кроме того, большие добавки легирующих элементов приводят к подавлению обычного зернограничного пика, а вместо него появляется новый при более высокой температуре. В низколегированных твердых растворах наблюдаются оба пика.

Метод внутреннего трения может также использоваться для изучения рекристаллизации. Этим методом изучались рекристаллизационные явления в 'вольфрамовой проволо­ке в весьма широком диапазоне температур (до 1900⁰ С). В результате было показано, что торирование вольфрама значительно изменяет ход рекристаллизации. Оказалось также, что включения окиси тория в вольфраме подав­ляют вторичную рекристаллизацию и крупнозернистая струк­тура не образуется даже при весьма высоких температурах.

Другим типичным примером применения метода является изучение межкристаллитной коррозии [17]. При иссле­довании межкристаллитной коррозии аустенитной нержа­веющей стали типа 18-9 метод внутреннего трения имеет преимущества перед методом электросопротивления. По­следний метод чувствителен как к общей, так и межкри­сталлитной коррозии, в то время как изучение зерногра­ничного пика позволяет весьма четко проследить за ха­рактером явлений на границах зерен. Кроме того, метод внутреннего трения оказывается в несколько раз более чувствительным. В последующих работах [63, 67] удалось изучить глубину межкристаллитной коррозии в целом ря­де металлов и сплавов.

Влияние поверхностно-активных сред и добавок на внутреннее трение изучали Н. В. Декартова и В. Н. Ро- жанский [36] с применением низкочастотного крутильно­го маятника. Они показали, что амальгамирование моно­кристаллов цинка, кадмия и свинца в два раза снижает их внутреннее трение. Этот эффект тем сильнее, чем выше амплитуда колебаний. Таким образом, внутреннее трение зависит от адсорбционных свойств покрытия, т. е. измере­ние затухания может быть использовано для качественной оценки относительной адсорбционной активности легкоплав­ких покрытий.

Интересное применение метода внутреннего трения для определения плотности дислокаций в наклепанных метал­лах предложено в работе [166]. Ряд исследователей ука­зывали, что в наклепанном технически чистом железе сущест­вует пик при температуре 200° С. Предполагалось, что этот пик связан со взаимодействием дислокаций с атомами внедрения.

Энергия активации этого процесса составляла 36 ккал/г- атом. Исследователи [166] обнаружили, что высота пика при температуре 200° С для данной степени деформации возрастает пропорционально числу первоначально раство­ренных атомов до тех пор, пока не достигнута некоторая предельная величина. Дальнейшее увеличение концентра­ции атомов примесей не меняет высоту пика. Таким об­разом, внутреннее трение определяется в данном случае числом дислокаций, насыщенных атомами углерода, т. е. плотность дислокаций может быть рассчитана по высо­те пика.

Таким образом, метод внутреннего трения может быть полезен при решении разнообразных задач физического металловедения, в частности с помощью его можно изу­чать растворимость в твердом состоянии и влияние ле­гирующих добавок на растворимость, кинетику старения, определять энергии активации различных процессов и ре­шать другие задачи. Приведенные в книге примеры не исчерпывают возможности применения метода. При поста­новке экспериментов по измерению внутреннего трения следует учитывать, что этот метод рекомендуется при­менять в комплексе с рентгеновскими, магнитными, элек­трическими, металлографическими и другими методами, и только комплексный подход позволяет получить надеж­ные результаты и однозначно истолковать полученный экс­периментальный материал.

Билет 22.

1.Фазовый магнитный анализ гетерогенных сплавов.

2.Термический анализ и его виды. Кривые обратных скоростей.

Методы термического анализа, применяемые в металло­ведении, основаны на использовании всех этих общих зако­номерностей для изучения металлических систем. Различают два вида методов: 1) измерение температурной зависимости теплосодержания, служащее для определения теплоемкос­ти и теплоты превращений (калориметрический анализ); 2) измерение температуры в зависимости от времени "при нагреве или охлаждении, позволяющее индицировать фа­зовые превращения по характерным точкам и участкам по­лучаемых кривых (термический анализ фазовых превра­щений).

Кривые обратных скоростей

Остановки или изменение наклона на кривых нагрева или охлаждения могут быть усилены, а отсюда более лег­ко определены, если вместо температуры и времени на гра­фиках отложить производные от этих параметров. Скорость нагрева или охлаждения при постоянном тепловом потоке определяется теплоемкостью образца, поэтому измерение указанной скорости как функции температуры позволяет получить весьма выразительную термическую кривую.

На практике, однако, на графиках откладывают вели­чину, приблизительно равную обратной величине скорости. Такие кривые называются кривыми обратных скоростей. Чтобы построить такую кривую, измеряют время, необхо­димое для изменения температуры образца на одну и ту же небольшую величину, например на 2 или 5° С. Скорость на­грева образца при этом должна быть постоянной, что прак­тически может быть достигнуто путем стабилизации тока, проходящего через нагревательный элемент печи. Кривые различных типов показаны на рис. 2.

Метод обратных скоростей может обеспечить более высокую чувствительность при выявлении фазовых превраще­ний. Кроме того, кривые, построенные в координатах «время нагрева— температура», занимают меньше места и дают более выразительные результаты. Однако следует отме­тить, что кривые обратных скоростей не дают никакой до­полнительной информации о превращениях, кроме той, что может быть получена простейшим методом. Более того, точ­ность определения температуры превращения может быть даже ниже, особенно в случае изучения изотермических пре­вращений, происходящих с переохлаждением. Тем не менее этот метод часто применяется для анализа сложных неизо­термических превращений, особенно при наложении не скольких параллельных процессов, как, например, при на­греве или охлаждении углеродистой стали (рис. 3).

В сложных случаях для облегчения анализа может быть рекомендовано предварительное построение ожидаемых иде­альных кривых на основе имеющихся данных. Для этой це­ли используют известные табличные данные о теплоемкости фаз, участвующих в данном превращении, а также получен­ные ранее экспериментальные кривые для объектов, подоб­ных изучаемому. Например, данные о критических точках и термических кривых бинарных сплавов полезны при изу­чении тройных и более сложных композиций.

Идеальные кривые нагрева или охлаждения, полученные из кривых теплоемкости как функции температуры, неско­лько отличаются от экспериментальных графиков. Для превращений, происходящих в интервале температур, верх­ний перегиб или остановка на экспериментальных кривых ох­лаждения обычно более четкие, чем на идеальных, поскольку всегда имеет место более или менее значительное переохлаж­дение. На кривых нагрева тот же интервал едва заметен, так как теплоемкость изменяется плавно, а не скачком, и дополнительно сказывается маскирующий эффект перегре­ва (рис. 3). Требуется известный опыт, чтобы отличить слу­чайные небольшие изменения в кривизне термической кри­вой, связанные с неравномерностью нагрева, от закономер­ных перегибов, обусловленных фазовыми превращениями.

3.Исспользование внутреннего трения при «дослыдженны» диффузионных явлений аллотропии и пластической деформации. (этого вопроса нет и его можно заменить, поэтому кидаю что есть).

Дата добавления: 2015-08-28