Оборудование, приборы, материалы. 1. Печь для закалки, печь для искусственного старения, твердомер

1. Печь для закалки, печь для искусственного старения, твердомер, металлографический микроскоп.

2. Образцы дисперсионно-твердеющих сплавов: дюралюмина или бериллиевой бронзы.

Содержание работы

1. Экспериментально определить временную зависимость твердости при старении дисперсионно-твердеющего сплава. Для этого необходимо измерить твердость двух образцов в исходном состоянии (измерение проводить не менее 5 раз на каждом образце; закалить их с нужной температурой (сплав с 500⁰С, сплав с 800⁰С) и замерить твердость. Затем поместить эти образцы в печь, нагретую для сплава до 150⁰С, а для сплава до 350⁰С. Вынимать образцы через каждые 15 мин и проводить измерение твердости. Результаты для каждого образца занести в таблицу.

2. Изучить и зарисовать микроструктуру закаленного и состаренного образцов из набора шлифов, имеющихся в лаборатории. Изучение микроструктуры проводить на металлографическом микроскопе с увеличением 1000.

Оформление результатов

В отчете следует привести: краткую теорию, результаты измерения, сведенные в таблицы и графики, схематические рисунки изученных микроструктур.

6. Контрольные вопросы

1. Механизм дисперсионного твердения на примере сплава .

2. Факторы, влияющие на кинетику дисперсионного твердения.

3. Взаимодействие дислокаций с частицами фазовых выделений.

4. Физические основы деформационного старения.

Литература

1. Соловьев С.П., Хмелевская В.С. Механические, коррозионные и радиационные свойства материалов для ядерных энергетических установок. – Обнинск. ИАТЭ. 1991. 174с.

2. Гуляев А.П. Металловедение. – М.: Металлургия. 1986. 544с.

Р а б о т а № 9

ГАЗОВАЯ КОРРОЗИЯ

Цель работы

Изучение законов газовой коррозии при окислении технически важных материалов.

Краткая теория

Коррозия металлов в газах обычно имеет место при высоких температурах и определяет одну из важнейших характеристик материала – его жаростойкость. Особенностью этого вида коррозии является прямое химическое взаимодействие металла с окислительными компонентами среды с образованием на границе раздела металл-среза химического соединения, являющегося продуктом коррозии. В большинстве случаев продукты газовой коррозии остаются на поверхности металла в виде пленки, свойства которой, в конечном счете, и определяют способность материала сопротивляться коррозионному воздействию газов.

В частности, если пленка обладает защитными свойствами, т.е. способностью затруднять непосредственный контакт реагентов друг с другом, то имеет место самоторможение коррозионного процесса.

Очевидно, что защитными свойствами могут обладать только сплошные пленки. Возможность образования такой пленки (условие сплошности) состоит в том, что молекулярный объем продуктов коррозии (например, окисла металла) был больше объема металла, израсходованного на образование окисла, т.е. V_OK / V_ME >1, то пленка сплошная. Отношение объемов окисла и металла может быть рассчитано по формуле

где - молекулярный вес окисла, - атомный вес металла, - плотность окисла (металла), - число атомов металла в молекуле окисла.

Вместе с тем в пленках с V_OK / V_ME >1 в процессе роста возникает значительное внутреннее напряжение, приводящее к нарушению сплошности (вспучиванию или отслаиванию с образованием надрывов) и, следовательно, к потере их защитных свойств.

Как показывает опыт, для сохранения защитных свойств пленки оптимальным является соотношение

Это условие сплошности применимо к другим пленкам – продуктам газовой коррозии. Однако для оценок реального поведения металла в условиях газовой коррозионной среды приведенных выше, простых термодинамических данных недостаточно. На скорость газовой коррозии металлов существенное влияние оказывает внешние (состав и давление газовой среды, скорость ее движения и режим нагрева) и внутренние (механические напряжения и деформация состояния поверхности и пр.) факторы. Поэтому конкретные данные о скорости процесса применительно к реальным условиям получают в ходе коррозионных испытаний. Эту скорость принято выражать через скорость роста пленки во время (или изменение массы материала которое пропорционально ), т.е. . На установившейся стадии коррозии, информация о которой наиболее важна, т.к. позволяет оценить ресурс работоспособности материала или готового изделия в конкретных условиях, скорость коррозии постоянна и определяется протеканием наиболее медленных процессов.

В большинстве случаев эта скорость в зависимости от свойств пленки может быть сведена к одному из следующих законов: линейному, параболическому и логарифмическому.

Линейный закон реализуется для пленок не сплошных, пористых с надрывами. Окисляющий газ взаимодействует с ними, свободно проникая к поверхности металла. В этом случае скорость коррозии (скорость роста пленки) не зависит от толщины пленки и в соответствии с действием масс пропорциональна концентрации кислорода С, т.е.

, (1) где - константа скорости химической реакции кислорода с металлом. После разделения переменных и интегрирования, получаем

где физический смысл постоянной интегрирования состоит в том, что окисление начинается на металле, уже покрытым тонким слоем пленки, который для большинства случаев можно считать равным.

Если пленка обладает защитными свойствами, т.е. препятствует непосредственному контакту реагентов, то реакция окисления возможна только при реализации процесса диффузии одного из компонентов через пленку. Если доминирующим диффузионным процессом является диффузия газа через пленку, что часто реализуется на практике, то скорость роста пленки на установившейся стадии будет определяться выражением

(2) где - коэффициент диффузии газа в пленке, и - концентрации газа на внешней и внутренней поверхности пленки соответственно.

Если весь газ успевает прореагировать и не накапливается на внутренней поверхности пленки, то . В этом случае уравнение (2) принимает вид

После разделения переменных и интегрирования, получаем уравнение параболического закона роста пленки

(3) Аналогичное уравнение параболы получается, если исходить из диффузии через пленку металла (зоной роста пленки в этом случае является внешняя поверхность пленки) или из диффузии и газа, и металла.

Логарифмический закон роста пленки реализуется для коррозионных процессов, протекающих при низких температурах и описывается выражением

(4) К настоящему времени механизм торможения процессов коррозии, приводящий к такому медленному росту пленки, однозначно не установлен. Однако имеется ряд моделей, качественно описывающих природу торможения. В частности, в одной из них считают, что перенос электронов через окисный слой с помощью туннельного эффекта приводит к накоплению на границах окисной пленки отрицательных (граница металл-газ) и положительных (граница металл-окисл) зарядов. Образовавшееся электрическое поле способствует переносу ионов через пленку, что и является контролирующим процессом. Однако логарифмический закон роста наблюдался и для толстых пленок при повышенных температурах (например, в случае окисления Fe при 400⁰С), когда туннельный эффект не может иметь места. Затухание процесса в этих случаях объясняют появлением дефектов пленки в виде пузырей и расслоений, которые тормозят диффузию. Следует отметить, что закономерности роста пленки для многих металлов могут меняться в зависимости от времени и температуры. При этом повышение температуры всегда ускоряет коррозию, поскольку ускоряются как скорость химических реакций, так и диффузионные свойства процесса.

3.1. Методы изучения пленок в металлах

Измерить таблицу образовавшейся пленки в металле можно:

а) под металлографическим микроскопом при помощи окулярмикрометра на поперечном шлифе пленки;

б) гравитометрическими меитодами, основанными на определении увеличения массы образца или ее убыли. Оценивают либо увеличение массы (когда пленка прочно держится на поверхности металла), либо убыль массы (когда пленка отшелушивается от поверхности металла); если известна или может быть определена плотность вещества пленки, то такие измерения позволяют рассчитать толщину пленки. Для определения структуры и типов соединений, образующих пленку, используют электронографический или рентгенографический метод.

3.2. Методика испытаний на газовую коррозию (жаростойкость)

Наиболее простой способ такого испытания состоит в помещении образцов в муфельную печь в открытых фарфоровых или кварцевых тиглях, выдержку их в течение определенного времени при заданной температуре, извлечения их по окончании испытания и определении изменения массы на аналитических весах.

Жаростойкость стали определяют по стабилизированной скорости процесса окисления, для чего берут разность в потере или увеличении массы образцов между двумя последними интервалами времени, по которым рассчитывают скорость коррозии.