Michał Rogalewicz ZP 4
Budowa Maszyn i Zarządzanie
Zarządzanie i Inżynieria Produkcji
Rok 2, semestr 4
Data oddania sprawozdania: 10.4.2003
Ocena:
Podpis prowadzącego:
SPRAWOZDANIE
„Obróbka cieplna stopów nieżelaznych.”
Skład chemiczny próbek:
Próbki wykonano z duraluminium PA6N, jednego z najpopularniejszych rodzajów duraluminium. Oto jego skład chemiczny:
Nazwa pierwiastka |
Al.(%). |
Si (%). |
Cu (%). |
Mg (%). |
Mn (%). |
Zawartość Procentowa |
Reszta |
0,20 - 0,70 |
3,80 - 4,80 |
0,40 - 1,10 |
0,40 - 1,0 |
Przebieg ćwiczenia:
Otrzymaliśmy od prowadzącego trzy próbki wykonane ze wspomnianego duraluminium PA6N. Zbadaliśmy ich twardość przy pomocy metody Brinella (dla średnicy kulki maszyny pomiarowej równej 2,5 mm stała obciążenia wynosi 10). Następnie rozpoczęliśmy proces przesycania próbek wkładając je do pieca (temperatura 520°C). Po 15 minutach wyjęliśmy je, dokonaliśmy szybkiego chłodzenia w wodzie i zbadaliśmy twardość jednej z próbek. Pozostałe dwie umieściliśmy w piecu celem starzenia (temperatura 150°C).
Pierwszą z nich wyciągnęliśmy po 5, drugą po 15 minutach, poczekaliśmy aż ostygną i mierzyliśmy ich twardość. Zapisaliśmy wyniki, uporządkowaliśmy je i na tym skończyła się nasza praca.
Parametry obróbki cieplnej - procesu utwardzania dyspersyjnego:
PRZESYCANIE:
temperatura przesycania = 520°C
czas przesycania = 15 min
CHŁODZENIE:
Dokonano szybkiego chłodzenia w wodzie.
STARZENIE:
temperatura starzenia = 150°C
czas starzenia = 5 - 15 min
CHŁODZENIE:
Dokonano chłodzenia w powietrzu.
Uzyskane wyniki:
Pomiar twardości próbek przed zabiegiem utwardzania dyspersyjnego:
średnica odcisku = 0,811 mm
twardość początkowa = 118 HB
Pomiar twardości próbek po przesyceniu i chłodzeniu w wodzie:
średnica odcisku = 0,965 mm
twardość = 82,1 HB
Pomiar twardości próbek po przesyceniu, chłodzeniu w wodzie i pięciominutowym starzeniu w piecu:
średnica odcisku = 0,879 mm
twardość = 102 HB
Pomiar twardości próbek po przesyceniu, chłodzeniu w wodzie i piętnastominutowym starzeniu w piecu:
średnica odcisku = 0,830 mm
twardość = 112 HB
Wnioski i uwagi własne:
Utwardzanie dyspersyjne inaczej wydzieleniowe polega na umocnieniu roztworu stałego przez dyspersyjne (bardzo drobne) wydzielenia faz międzymetalicznych. Im drobniejsze wydzielenia, a tym samym mniejsze odległości między nimi, tym bardziej utrudniony jest ruch dyslokacji i dzięki temu rośnie poziom właściwości wytrzymałościowych.
Utwardzanie wydzieleniowe składa się z 2 procesów: przesycania i starzenia.
Dzięki podgrzaniu duraluminium do temperatury 520°C uzyskaliśmy jednorodną strukturę roztworu stałego α (miedź całkowicie rozpuściła się w aluminium). Następne szybkie chłodzenie w wodzie nie pozwoliło na wydzielenie się fazy międzymetalicznej θ (CuAl2), w związku z czym cała miedź pozostała w roztworze stałym α. Taki stop nazywamy właśnie przesyconym, czyli takim, który zawiera więcej pierwiastka rozpuszczonego niż jest to możliwe w warunkach równowagi. Stabilność takiego roztworu zależy od temperatury, tzn. w niskiej temperaturze (np. -50°C) mocno ograniczona dyfuzja powoduje, iż jest on stabilny.
Przesycony roztwór stały ma właściwości wytrzymałościowe gorsze niż roztwór równowagowy z wydzieleniem fazy θ, co zauważyliśmy dokonując pomiaru twardości przed, wyniosła ona 118 HB, i bezpośrednio po przesycaniu, gdzie otrzymaliśmy zdecydowanie mniej - tylko 82,1 HB. Nasze wyniki są więc zgodne z teorią i praktyką, albowiem wiemy, iż duraluminium bezpośrednio po przesycaniu jest miękkie i plastyczne i można dokonywać na nim obróbki plastycznej na zimno.
Przesycony roztwór α nie jest stabilny w temperaturze powyżej 20°C i dąży do stanu równowagi poprzez wydzielenie się nadmiaru miedzi. Ten proces nazywamy starzeniem i powoduje on umocnienie stopu. Podwyższenie temperatury starzenia ma duży wpływ na zwiększenie rozmiarów wydzieleń i
odległości między nimi. Wynika z tego, że im wyższa jest temperatura starzenia tym mniejsze otrzymujemy utwardzenie stopu.
Kiedy starzenie przebiega w temperaturze pokojowej mamy do czynienia z tak zwanym starzeniem samorzutnym, po zastosowaniu którego dostajemy najlepsze właściwości wytrzymałościowe. Takie starzenie wymaga jednak dużej ilości czasu, co jest raczej niemożliwe do zrealizowania na trwających półtora godziny zajęciach. Dlatego w pracowni zastosowaliśmy starzenie przyspieszone tzw. sztuczne, które polega na wygrzewaniu próbek w temperaturze 150 - 160°C. Jednak powinno ono przebiegać i tak około kilku godzin, a u nas trwało 5 minut dla jednej i 15 minut dla drugiej próbki. Zgodnie z teorią przy zastosowaniu starzenia sztucznego otrzymuje się twardość mniejszą niż w przypadku starzenia naturalnego (w naturalnym twardość w najlepszym przypadku dochodzi do 115 HB - zgodnie ze skryptem A. Barbackiego) - nie dość, że jest ono krótsze, to jeszcze wysoka temperatura powoduje wydzielenie się zamiast stref G-P faz przejściowych θ” i θ', które w mniejszym stopniu umacniają stop. Tak więc nasze wyniki niezbyt zgadzają się z teorią, kiedy już po 5 - minutowym starzeniu otrzymujemy twardość 102 HB, a po 15 minutach 112 HB (taki wzrost twardości w czasie wskazuje, iż mogłaby ona jeszcze wzrosnąć o kilka jednostek przy dłuższym trzymaniu w piecu), podczas gdy przy starzeniu naturalnym najlepsze własności wytrzymałościowe (czyli wspomniane ok. 115 HB) osiągamy po 5-7 dniach…
Zastanawiająca jest również twardość stopu przed przesycaniem, która wynosiła aż 118 HB. Może to wynikać z uprzednich zabiegów na nim dokonanych, błędu maszyny pomiarowej lub po prostu złego odczytu wartości w próbie Brinella.
Ogólnie rzecz biorąc ćwiczenie umożliwiło mi poznanie procesu utwardzania dyspersyjnego w praktyce, a nie tylko w teorii. Nasze badania nie okazały się zbyt reprezentatywne, ale zaznajomiły nas z istotą procesu obróbki cieplnej dokonywanej na duraluminium.
Literatura:
„Materiały w budowie maszyn. Przewodnik do ćwiczeń laboratoryjnych pod redakcją Andrzeja Barbackiego.”
„Metaloznawstwo” Stanisław Rudnik
Obróbka cieplna i spawalnictwo
1