В зависимости от способа приложения нагрузки методы испытаний механических свойств металлов делят на три группы:

статические , когда нагрузка возрастает медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез, твердость);

динамические , когда нагрузка возрастает с большой скоростью, ударно (испытание на удар);

испытания при повторно-переменных нагрузках , когда нагрузка в про­цессе испытания многократно изменяется по величине или по величине и знаку (испытание на усталость).

Необходимость проведения испытания в различных условиях определяется различием в условиях работы деталей машин, инстру­ментов и других металлических изделий.

Испытание на растяжение . Для испытания на растяжение при­меняют цилиндрические или плоские образцы определенной формы и размеров по стандарту. Испытание образцов на растяжение про­водится на разрывных машинах с механическим или гидравличе­ским приводом. Эти машины снабжены специальным приспособле­нием, на котором при испытании (растяжении) автоматически записывается диаграмма растяжения.

Учитывая, что на характер диаграммы растяжения влияет размер образца, диаграмму строят (рис.1) в координатах напряжение σ (в Н/м 2 или кгс/мм 2) - относительное удлинение δ (в % ). При испытании на растяжение определяют следующие характе­ристики механических свойств: пределы пропорциональности, упру­гости, текучести, прочности, истинного сопротивления разрыву, относительное удлинение и сужение.

Испытание на твердость. Твердостью называется способность металла сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела. Определение твердости является наиболее часто применяе­мым методом испытания металлов. Для определения твердости не требуется изготовления специальных образцов, т. е. испытание проводится без разрушения детали.

Существуют различные методы определения твердости - вдав­ливанием, царапанием, упругой отдачей, а также магнитный метод. Наиболее распространенным является метод вдавливания в металл стального шарика, алмазного конуса или алмазной пирамиды. Для испытания на твердость применяют специальные приборы, несложные по устройству и простые в обращении.

Твердость по Бринеллю. В поверхность испытываемого металла с определенной силой вдавливают стальной закаленный шарик диаметром 10, 5 или 2,5 мм. В результате на поверхности металла получается отпе­чаток (лунка). Диаметр отпечатка изме­ряют специальной лупой с делениями. Число твердости по Бринеллю записывается латинскими буквами НВ, после которых записывается числовой показатель твердости. Например, твердость по НВ 220. Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов твердостью более НВ 450, так как шарик может деформироваться и результат получится неправильным. Нельзя также испытывать тонкие материалы, которые при вдавливании шарика продавли­ваются.

Твердость по Роквеллу — испытание на твердость вдавливанием конуса или шарика в поверхность испытываемого металла. Вдавливают алмазный конус с углом 120° или стальной закаленный шарик диаметром 1,59 мм Испытания шариком применяют при определении твердости мягких материалов, а алмазным конусом – при испытании твердых материалов. Число твердости по Роквеллу записывается латинскими буквами HRC (шкала С), после которых записывается числовое значение твердости. Например, твердость по HRC 230.

Твердость по Виккерсу — испытание на твердость вдавливанием пирамиды. В поверх­ность металла вдавливают четырехгранную алмазную пирамиду. По нагрузке, приходящейся на единицу поверхности отпечатка, определяют число твердости, обозначаемое HV 140.

Испытание на микротвердость . Это испыта­ние применяют при определении твердости микроскопически малых объемов металла, например твердости отдельных структурных составляющих сплавов. Микротвердость определяют на специаль­ном приборе, состоящем из механизма нагружения с алмазным наконечником и металлографического микроскопа. Поверхность образца подготавливают так же, как и для микроисследования (шлифование, полирование, травление). Четырехгранная алмазная пирамида (с углом при вершине 136°, таким же, как и у пирамиды при испытании по Виккерсу) вдавливается в испытываемый материал под очень малой нагрузкой. Твердость определяется величиной Н/м 2 или кгс/мм 2 .

Химические испытания обычно состоят в том, что стандартными методами качественного и количественного химического анализа определяется состав материала и устанавливается наличие или отсутствие нежелательных и легирующих примесей. Они нередко дополняются оценкой стойкости материалов, в частности с покрытиями, к коррозии под действием химических реагентов. При макротравлении поверхность металлических материалов, особенно легированных сталей, подвергают селективному воздействию химических растворов для выявления пористости, сегрегации, линий скольжения, включений, а также гросс-структуры. Присутствие серы и фосфора во многих сплавах удается обнаружить методом контактных отпечатков, при котором поверхность металла прижимается к сенсибилизированной фотобумаге. С помощью специальных химических растворов оценивается подверженность материалов сезонному растрескиванию. Проба на искру позволяет быстро определить тип исследуемой стали.

Методы спектроскопического анализа особенно ценны тем, что позволяют оперативно проводить качественное определение малых количеств примесей, которые невозможно обнаружить другими химическими методами. Такие многоканальные приборы с фотоэлектрической регистрацией, как квантометры, полихроматоры и квантоваки, автоматически анализируют спектр металлического образца, после чего индикаторное устройство указывает содержание каждого присутствующего металла.

Механические методы.

Механические испытания обычно проводят для выяснения поведения материала в определенном напряженном состоянии. Такие испытания дают важную информацию о прочности и пластичности металла. В дополнение к стандартным видам испытаний может применяться специально разработанное оборудование, воспроизводящее те или иные специфические условия эксплуатации изделия. Механические испытания могут проводиться в условиях либо постепенного приложения напряжений (статической нагрузки), либо ударного нагружения (динамической нагрузки).

Виды напряжений.

По характеру действия напряжения разделяются на растягивающие, сжимающие и сдвиговые. Скручивающие моменты вызывают особый вид сдвиговых напряжений, а изгибающие моменты – сочетание растягивающих и сжимающих напряжений (обычно при наличии сдвиговых). Все эти различные виды напряжений могут быть созданы в образце с помощью стандартного оборудования, позволяющего определять предельно допустимые и разрушающие напряжения.

Испытания на растяжение.

Это – один из самых распространенных видов механических испытаний. Тщательно подготовленный образец помещают в захваты мощной машины, которая прикладывает к нему растягивающие усилия. Регистрируется удлинение, соответствующее каждому значению растягивающего напряжения. По этим данным может быть построена диаграмма напряжение – деформация. При малых напряжениях заданное увеличение напряжения вызывает лишь небольшое увеличение деформации, соответствующее упругому поведению металла. Наклон линии напряжение – деформация служит мерой модуля упругости, пока не будет достигнут предел упругости. Выше предела упругости начинается пластическое течение металла; удлинение быстро увеличивается до разрушения материала. Предел прочности при растяжении – это максимальное напряжение, которое металл выдерживает в ходе испытания.

Испытания на ударную вязкость.

Один из самых важных видов динамических испытаний – испытания на ударную вязкость, которые проводятся на маятниковых копрах с образцами, имеющими надрез, или без надреза. По весу маятника, его начальной высоте и высоте подъема после разрушения образца вычисляют соответствующую работу удара (методы Шарпи и Изода).

Испытания на усталость.

Такие испытания имеют целью исследование поведения металла при циклическом приложении нагрузок и определение предела выносливости материала, т.е. напряжения, ниже которого материал не разрушается после заданного числа циклов нагружения. Чаще всего применяется машина для испытания на усталость при изгибе. При этом наружные волокна цилиндрического образца подвергаются действию циклически меняющихся напряжений – то растягивающих, то сжимающих.

Испытания на глубокую вытяжку.

Образец листового металла зажимается между двумя кольцами, и в него вдавливается шаровой пуансон. Глубина вдавливания и время до разрушения являются показателями пластичности материала.

Испытания на ползучесть.

В таких испытаниях оценивается совместное влияние длительного приложения нагрузки и повышенной температуры на пластическое поведение материалов при напряжениях, не превышающих предела текучести, определяемого в испытаниях малой длительности. Надежные результаты могут быть получены лишь на оборудовании, обеспечивающем точный контроль за температурой образца и точное измерение очень малых изменений размеров. Длительность испытаний на ползучесть обычно составляет несколько тысяч часов.

Определение твердости.

Твердость чаще всего измеряют методами Роквелла и Бринелля, при которых мерой твердости служит глубина вдавливания «индентора» (наконечника) определенной формы под действием известной нагрузки. На склероскопе Шора твердость определяется по отскоку бойка с алмазным наконечником, падающего с определенной высоты на поверхность образца. Твердость – очень хороший показатель физического состояния металла. По твердости данного металла зачастую можно с уверенностью судить о его внутренней структуре. Испытания на твердость часто берут на вооружение отделы технического контроля на производствах. В тех случаях, когда одной из операций является термообработка, нередко предусматривается сплошной контроль на твердость всей продукции, выходящей с автоматической линии. Такой контроль качества невозможно осуществить другими описанными выше методами механических испытаний.

Испытания на излом.

В таких испытаниях образец с шейкой разрушают резким ударом, а затем излом исследуют под микроскопом, выявляя поры, включения, волосовины, флокены и сегрегацию. Подобные испытания позволяют приблизительно оценить размер зерна, толщину закаленного слоя, глубину цементации или разуглероживания и другие элементы гросс-структуры в сталях.

Оптические и физические методы.

Микроскопическое исследование.

Металлургический и (в меньшей степени) поляризационный микроскопы часто позволяют надежно судить о качестве материала и его пригодности для рассматриваемого вида применения. При этом удается определить структурные характеристики, в частности размеры и форму зерен, фазовые соотношения, наличие и распределение диспергированных инородных материалов.

Радиографический контроль.

Жесткое рентгеновское или гамма-излучение направляется на испытуемую деталь с одной стороны и регистрируется на фотопленке, расположенной по другую сторону. На полученной теневой рентгено- или гаммаграмме выявляются такие несовершенства, как поры, сегрегация и трещины. Произведя облучение в двух разных направлениях, можно определить точное расположение дефекта. Такой метод часто применяется для контроля качества сварных швов.

Магнитно-порошковый контроль.

Этот метод контроля пригоден лишь для ферромагнитных металлов – железа, никеля, кобальта – и их сплавов. Чаще всего он применяется для сталей: некоторые виды поверхностных и внутренних дефектов удается выявить нанесением магнитного порошка на предварительно намагниченный образец.

Ультразвуковой контроль.

Если в металл послать короткий импульс ультразвука, то он частично отразится от внутреннего дефекта – трещины или включения. Отраженные ультразвуковые сигналы регистрируются приемным преобразователем, усиливаются и представляются на экране электронного осциллографа. По измеренному времени их прихода к поверхности можно вычислить глубину дефекта, от которого отразился сигнал, если известна скорость звука в данном металле. Контроль проводится весьма быстро и зачастую не требует выведения детали из эксплуатации.

Специальные методы.

Существует ряд специализированных методов контроля, имеющих ограниченную применимость. К ним относится, например, метод прослушивания со стетоскопом, основанный на изменении вибрационных характеристик материала при наличии внутренних дефектов. Иногда проводят испытания на циклическую вязкость для определения демпфирующей способности материала, т.е. его способности поглощать вибрации. Она оценивается по работе, превращающейся в теплоту в единице объема материала за один полный цикл обращения напряжения. Инженеру, занимающемуся проектированием строений и машин, подверженных вибрациям, важно знать демпфирующую способность конструкционных материалов.

Для установления комплекса механических свойств металлов образцы из исследуемого материала подвергают статическим и динамическим испытаниям.

Статическими называются испытания, при которых прилагаемая к образцу нагрузка возрастает медленно и плавно.

4.2.1. К статическим испытаниям относят испытание на растяжение, сжатие, кручение, изгиб, а также определение твердости. В результате испытаний на статическое растяжение, которое проводят на разрывных машинах, получают диаграмму растяжения (рис.4.6 а) и диаграмму условных напряжений (рис. 4.6 б) пластичного металла.

Рис. 4.6. Изменение деформации в зависимости от напряжения: а – диаграмма растяжения пластичного материала; б – диаграмма условных напряжений пластичного материала

Из графика видно, что сколь бы ни было мало приложенное напряжение, оно вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и величина их находится в прямой зависимости от напряжения. На кривой, приведенной на диаграмме(рис. 4.6), упругая деформация характеризуется линией ОА и ее продолжением.

Выше точки А нарушается пропорциональность между напряжением и деформацией. Напряжение вызывает уже не только упругую, но и пластическую деформацию.

Представленная на рис. 4.6 зависимость между приложенным извне напряжением и вызванной им относительной деформацией характеризует механические свойства металлов:

Наклон прямой ОА (рис. 4.6а) показывает жесткость металла или характеристику того, как нагрузка, приложенная извне, изменяет межатомные расстояния, что в первом приближении характеризует силы межатомного притяжения; тангенс угла наклона прямой ОА пропорционален модулю упругости (Е), который численно равен частному от деления напряжения на относительную упругую деформацию (Е= s / e);

Напряжение s пц (рис. 4.6б), которое называется пределом пропорциональности, соответствует моменту появления пластической деформации. Чем точнее метод измерения деформации, тем ниже лежит точка А;

Напряжение s упр (рис. 4.1б), которое называется пределом упругости, и при котором пластическая деформация достигает заданной малой величины, установленной условиями. Часто используют значения остаточной деформации 0,001; 0,005; 0,02 и 0,05%. Соответствующие пределы упругости обозначают s 0,005, s 0,02 и т.д. Предел упругости – важная характеристика пружинных материалов, которые используют для упругих элементов приборов и машин;

Напряжение s 0,2 , которое называется условным пределомтекучести и которому соответствует пластическая деформация 0,2 %. Физический предел текучести s т определяется по диаграмме растяжения, когда на ней имеется площадка текучести. Однако при испытаниях на растяжение большинства сплавов площадки текучести на диаграммах нет Выбранная пластическая деформация 0,2 % достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим, а напряжение s 0,2 несложно определяется при испытаниях независимо от того, имеется или нет площадка текучести на диаграмме растяжения. Допустимое напряжение, которое используют в расчетах, выбирают обычно меньше s 0,2 в 1,5 раза;



Максимальное напряжение s в, которое называется временным сопротивлением, характеризует максимальную несущую способность материала, его прочность, предшествующую разрушению, и определяется по формуле

s в = Р max / F o

Допустимое напряжение, которое используют в расчетах, выбирают меньше s в в 2,4 раза.

Пластичность материала характеризуется относительным удлинением d и относительным сужением y:

d = [(l к – l о) / l о ] * 100,

y = [(F о – F к) / F о ] * 100,

где l о и F о – начальные длина и площадь поперечного сечения образца;

l к - конечная длина образца;

F к – площадь поперечного сечения в месте разрыва.

4.2.2. Твердость – способность материалов сопротивляться пластической или упругой деформации при внедрении в него более твердого тела, которое называется индентором.

Существует разные методы определения твердости.

Твердость по Бринеллю определяется как отношение нагрузки при вдавливании стального шарика в испытуемый материал к площади поверхности полученного сферического отпечатка (рис. 4.7а).

HB = 2P / pD ,

D – диаметр шарика, мм;

d – диаметр лунки, мм

Рис. 4.7. Схемы испытания на твердость: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

Твердость по Роквеллу определяется глубиной проникновения в испытуемый материал алмазного конуса с углом при вершине 120 о или закаленного шарика диаметром 1,588 мм (рис. 4.7.б).

Конус или шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками:

Предварительной Р о = 10 н;

Общей Р = Р о + Р 1 , где Р 1 – основная нагрузка.

Твердость обозначается в условных единицах:

Для шкал А и С HR = 100 – (h – h o) / 0,002

Для шкалы В HR = 130 – (h – h о) / 0,002

Для определения твердости используется алмазный конус при нагрузке 60 Н (HRA), алмазный конус при нагрузке 150 Н (HRC) или стальной шарик диаметром 1,588 мм (HRB).

Твердость по Виккерсу измеряют для деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, полученных химико-термической обработкой.

Эта твердость определяется как отношение нагрузки при вдавливании в испытуемый материал алмазной четырехгранной пирамиды с углом между гранями 136 о к площади поверхности полученного пирамидального отпечатка (рис. 4.7.в):

HV = 2P * sin a/2 / d 2 = 1,854 P/d 2 ,

a = 136 о – угол между гранями;

d – среднее арифметическое длин обеих диагоналей, мм.

Величину HV находят по известному d согласно формуле или по расчетным таблицам согласно ГОСТ 2999-75.

Микротвердость, учитывая структурную неоднородность металла, применяют для измерения малых площадей образца. При этом вдавливают пирамиду как при определении твердости по Виккерсу, при нагрузке Р = 5-500 Н, а среднее арифметическое длин обеих диагоналей (d) измеряется в мкм. Для измерения микротвердости используется металлографический микроскоп.

4.2.3. Сопротивление материала разрушению при динамических нагрузках характеризует ударная вязкость. Её определяют (ГОСТ 9454-78) как удельную работу разрушения призматического образца с концентратором (надрезом) посередине одним ударом маятникового копра (рис. 4.8): КС = К / S o (К – работа разрушения; S o – площадь поперечного сечения образца в месте концентратора).

Рис. 4.8. Схема испытаний на ударную вязкость

Ударную вязкость (МДж/м 2) обозначают KCU, KCV и KCT. Буквы КС означают символ ударной вязкости, буквы U, V, T – вид концентратора: U-образный с радиусом надреза r н = 1 мм, V-образный с r н = 0,25 мм; T – трещина усталости, созданная в основании надреза; KCU – основной критерий ударной вязкости; KCV и KCT используют в специальных случаях.

Работа, затраченная на разрушение образца, определяется по формуле

А н = Р * l 1 (cos b - cos a),

где Р - масса маятника, кг;

l 1 – расстояние от оси маятника до его центра тяжести;

b - угол после удара;

a - угол до удара

4.2.4. Циклическая долговечность характеризует работоспособность материала в условиях многократно повторяющихся циклов напряжений. Цикл напряжений – совокупность изменения напряжения между двумя его предельными значениями s max и s min в течение периода Т (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Синусоидальный цикл изменения напряжений

Различают симметричные циклы (R = -1) и асимметричные (R изменяется в широких пределах). Различные виды циклов характеризуют различные режимы работы деталей машин.

Процессы постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью, а свойство противостоять усталости – выносливостью (ГОСТ 23207 – 78).

На усталость деталей машин влияют ряд факторов (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Факторы, влияющие на усталостную прочность

Разрушение от усталости по сравнению с разрушением от статической нагрузки имеет ряд особенностей:

Оно происходит при напряжениях, меньших, чем при статической нагрузке, меньших пределах текучести или временного сопротивления;

Разрушение начинается на поверхности (или вблизи от нее) локально, в местах концентрации напряжений (деформации). Локальную концентрацию напряжений создают повреждения поверхности в результате циклического нагружения либо надрезы в виде следов обработки, воздействия среды;

Разрушение протекает в несколько стадий, характеризующих процессы накопления повреждений в материале, образования трещин усталости, постепенное развитие и слияние некоторых из них в одну магистральную трещину и быстрое окончательное разрушение;

Разрушение имеет характерное строение излома, отражающее последовательность процессов усталости. Излом состоит из очага разрушения (места образования микротрещин) и двух зон – усталости и долома (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Схема излома усталостного разрушения: 1 – очаг зарождения трещины; 2 – зона усталости; 3 – зона долома

4.3. Конструкционная прочность металлов и сплавов

Конструкционная прочность металлов и сплавов – это комплекс прочностных свойств, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия.

Сопротивление материала хрупкому разрушению является важнейшей характеристикой, определяющей надежность работы конструкции.

Переход к хрупкому разрушению обусловлен рядом факторов:

Природой сплава (типом решетки, химическим составом, величиной зерна, загрязнением сплава);

Особенностью конструкции (наличием концентраторов напряжений);

Условиями эксплуатации (температурным режимом, наличием нагрузки на металл).

Существует несколько критериев оценки конструкционной прочности металлов и сплавов:

Критерии, определяющие надежность металлов против внезапных разрушений (критическая температура хрупкости; вязкость разрушения; работа, поглощаемая при распространении трещины; живучесть при циклическом нагружении);

Критерии, определяющие долговечность материала (усталостная прочность; контактная выносливость; износостойкость; коррозионная стойкость).

Для оценки надежности материала используют также параметры: 1) ударную вязкость KCV и КCT; 2) температурный порог хладноломкости t 50 . Однако эти параметры только качественные, непригодные для расчета на прочность.

Параметром KCV оценивают пригодность материала для сосудов давления, трубопроводов и других конструкций повышенной надежности.

Параметр KCT, определяемый на образцах с трещиной усталости у основания надреза, более показателен. Он характеризует работу развития трещины при ударном изгибе и оценивает способность материала тормозить начавшееся разрушение. Если материал имеет KCT = 0, то это означает, что процесс его разрушения идет без затраты работы. Такой материал хрупок, эксплуатационно ненадежен. И, наоборот, чем больше параметр KCT, определенный при рабочей температуре, тем выше надежность материала в условиях эксплуатации. KCT учитывают при выборе материала для конструкций особо ответственного назначения (летательных аппаратов, роторов турбин и т. п.).

Порог хладноломкости характеризует влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. Его определяют по результатам ударных испытаний образцов с надрезом при понижающейся температуре.

На переход от вязкого разрушения к хрупкому указывают изменения строения излома и резкое снижение ударной вязкости (рис.4.12), наблюдаемое в интервале температур (t в – t х) (граничные значения температур вязкого и хрупкого разрушения).

Рис. 4.12. Влияние температуры испытания на процент вязкой составляющей в изломе (В) и ударную вязкость материала KCV, KCT

Строение излома изменяется от волокнистого матового при вязком разрушении (t > t в) до кристаллического блестящего при хрупком разрушении (t < t х). Порог хладноломкости обозначают интервалом температур (t в – t н) либо одной температурой t 50 , при которой в изломе образца имеется 50 % волокнистой составляющей, и величина КСТ снижается наполовину.

О пригодности материала для работы при заданной температуре судят по температурному запасу вязкости, равному разности температуры эксплуатации и t 50 . При этом, чем ниже температура перехода в хрупкое состояние по отношению к рабочей температуре, тем больше температурный запас вязкости и выше гарантия от хрупкого разрушения.

4.4. Пути повышения прочности металлов

Принято различать техническую и теоретическую прочность. Техническую прочность определяют значением свойств: предела упругости (s 0,05); предела текучести (s 0,2); предела прочности (s в); модуля упругости (Е); предела выносливости (s R).

Под теоретической прочностью понимают сопротивление деформации и разрушению, которое должны были бы иметь материалы согласно физическим расчетам с учетом сил межатомного взаимодействия и предположения, что два ряда атомов одновременно смещаются относительно друг друга под действием напряжения сдвига.

Исходя из кристаллического строения и межатомных сил можно ориентировочно определить теоретическую прочность металла по следующей формуле:

t теор » G / 2p,

где G – модуль сдвига.

Теоретическое значение прочности, рассчитываемое по указанной формуле, в 100 – 1000 раз больше технической прочности. Это связано с дефектами в кристаллическом строении, и прежде всего с существованием дислокаций. Прочность металлов не является линейной функцией плотности дислокаций (рис. 4.13).

Рис. 4.13. Схема зависимости сопротивления деформации от плотности и других дефектов в металлах:1 – теоретическая прочность; 2-4 – техническая прочность (2 – усы; 3 – чистые неупрочненные металлы; 4 –сплавы, упрочненные легированием, наклепом, термической или термомеханической обработкой)

Как видно из рисунка 4.13, минимальная прочность определяется некоторой критической плотностью дислокаций а , приближенно составляющей 10 6 – 10 8 см -2 . Эта величина относится к отожженным металлам. Величина s 0,2 отожженных металлов составляет 10 -5 – 10 -4 G . Если а > 10 12 – 10 13 см -2 , то в этом случае могут образоваться трещины.

Если плотность дислокаций (количество дефектов) меньше величины а (рис.4.13), то сопротивление деформации резко увеличивается и прочность быстро приближается к теоретической.

Повышение прочности достигается:

Созданием металлов и сплавов с бездефектной структурой, т.е. получение нитевидных кристаллов («усов»);

Повышение плотности дефектов, в том числе дислокаций, а также структурных препятствий, затрудняющих движение дислокаций;

Создание композиционных материалов.

4.5. Влияние нагрева на строение и свойства деформированного металла (рекристаллизация)

Пластическая деформация (рис. 4.14) приводит к созданию неустойчивого состояния материала из-за возросшей внутренней энергии (внутренних напряжений). Деформирование металла сопровождается его упрочнением или так называемым наклепом . Самопроизвольно должны происходить явления, возвращающие металл в более устойчивое структурное состояние.

Рис. 4.14. Влияние нагрева на механические свойства и структуру нагартованного металла

К самопроизвольным процессам, которые приводят пластически деформированный металл к более устойчивому состоянию, относятся снятие искажения кристаллической решетки, другие внутризеренные процессы и образование новых зерен. Для снятия напряжений кристаллической решетки не требуется высокой температуры, так как при этом происходит незначительное перемещение атомов. Уже небольшой нагрев (для железа 300 –400 о С) снимает искажения решетки, а именно уменьшает плотность дислокаций в результате их взаимного уничтожения, слияния блоков, уменьшения внутренних напряжений, уменьшения количества вакансий и т.д.

Исправление искаженной решетки в процессе нагрева деформированного металла называется возвратом или отдыхом. При этом твердость металла снижается на 20-30 % по сравнению с исходным, а пластичность возрастает.

Параллельно с возвратом при температуре 0,25 – 0,3 Т пл происходит полигонизация (сбор дислокаций в стенки) и образуется ячеистая структура.

Одним из способов снятия внутренних напряжений при деформации материалов является рекристаллизация. Рекристаллизация , т.е. образование новых зерен, протекает при более высоких температурах, чем возврат, может начаться с заметной скоростью после нагрева выше определенной температуры. Чем выше чистота металла, тем ниже температура рекристаллизации. Между температурами рекристаллизации и плавления существует связь:

Т рек = а * Т пл,

где а – коэффициент, зависящий от чистоты металла.

Для технически чистых металлов а = 0,3 – 0,4, для сплавов а = 0,8.

Температура рекристаллизации имеет важное практическое значение. Чтобы восстановить структуру и свойства наклепанного металла (например, при необходимости продолжить обработку давлением путем прокатки, протяжки, волочения и т.п.), его надо нагреть выше температуры рекристаллизации. Такая обработка называется рекристаллизационным отжигом.

Процесс рекристаллизации можно разделить на два этапа:

Первичную рекристаллизацию или рекристаллизацию обработки, когда вытянутые вследствие пластической деформации зерна превращаются в мелкие округлой формы беспорядочно ориентированные зерна;

Вторичную или собирательную рекристаллизацию, заключающуюся в росте зерен и протекающую при более высокой температуре.

Первичная кристаллизация заключается в образовании новых зерен. Это обычно мелкие зерна, возникающие на поверхностях раздела крупных деформированных зерен. Хотя в процессе нагрева и происходят внутризеренные процессы устранения дефектов (возврат, отдых), все же они, как правило, полностью не заканчиваются, с другой стороны, вновь образовавшееся зерно уже свободно от дефектов.

К концу первой стадии рекристаллизации можно получить структуру, состоящую только из очень мелких зерен, в поперечнике имеющих размер в несколько микрон. Но в этот момент наступает процесс вторичной кристаллизации, заключающийся в росте зерна.

Возможны три существенно различных механизма роста зерна:

- зародышевый, состоящий в том, что после первичной кристаллизации вновь возникают зародышевые центры новых кристаллов, их рост приводит к образованию новых зерен, но их меньше, чем зерен в исходном состоянии, и поэтому после завершения процесса рекристаллизации зерна в среднем станут крупнее;

- миграционный , состоящий в перемещении границы зерна и увеличении его размеров. Крупные зерна растут за счет «поедания» мелких;

- слияние зерен , состоящее в постепенном «растворении» границ зерен и объединении многих мелких зерен в одно крупное. При этом образуется разнозернистая структура с низкими механическими свойствами.

Реализация одного из основных механизмов роста зависит:

От температуры. При низких температурах рост идет за счет слияния зерен, при высоких – за счет миграции границ зерен;

От исходного состояния (от степени деформации). При малой степени деформации (3-8%) первичная рекристаллизация затруднена, и рост зерна идет за счет слияния зерен. В конце процесса образуются гигантские зерна. При большой степени деформации (более 10 %) слияние зерен затрудняется, и рост идет за счет миграции границ зерен. Образуются более мелкие зерна. Таким образом, после отжига получается равновесная структура, изменяются механические свойства, снимается наклеп металла, повышается пластичность.

Лабораторная работа № 5

ИСПЫТАНИЕ МЕТАЛЛОВ НА ТВЕРДОСТЬ

Цель лабораторной работы - освоить методику и получить навыки испытания металлов на твердость.

При выполнении лабораторной работы необходимо:

1)усвоить сущность метода испытания металлов на твердость, его преимущества перед другими методами определения механических

2)изучить устройство приборов для измерения твердости;

3) определить твердость стали, чугуна, цветных металлов (алюми­ния, меди и других), по значениям твердости НВ определить предел проч­ности металлов.

Оснащение участка лабораторной работы:

оборудование - пресс Бринелля, твердомер Роквелла, наконечники со стальными закаленными шариками выбранного диаметра, наконеч­ник с алмазным конусом, лупа с градуированной шкалой, настольные тиски, напильники и шлифовальный круг;

материалы - образцы углеродистой стали, чугуна и цветных сплавов;

плакаты - таблицы значений твердости.

Твердость - это свойство металла сопротивляться проникновению в него другого, более твердого, тела определенной формы и размеров. Определение твердости является наиболее широко распространенным методом испытания металлов, позволяющим без разрушения изделия и изготовления специальных образцов судить о качестве изделий. При­боры для испытания на твердость обладают высокой производительно­стью (до 100 испытаний в час), значительно превышающей производи­тельность других испытательных машин.

Твердость характеризует сопротивление пластической деформации и представляет собой механическое свойство металла, отличающееся от других его

Преимущества метода измерения твердости:

1. Между твердостью пластичных металлов, определяемой спосо­бом вдавливания,(и другими механическими свойствами (главным обра­зом, пределом прочности) существует количественная зависимость.

Величина твердости характеризует предел прочности металлов, получа­ющих в испытаниях на растяжение сосредоточенную пластическую де­формацию (образование шейки). Такая пластическая деформация анало­гична деформации, создаваемой в поверхностных слоях металла при из­мерении твердости вдавливанием наконечника. В ряде случаев и у хруп­ких металлов (например, серых чугунов) наблюдается качественная за­висимость между пределом прочности и твердостью.

      По значениям твердости можно определять и некоторые плас­тические свойства металлов. Твердость, определенная вдавливанием, характеризует также предел выносливости некоторых металлов, в част­ности меди, дуралюмина и сталей в отожженном состоянии.

      Измерение твердости по технике выполнения значительно про­ще, чем определение прочности, пластичности и вязкости. Испытания твердости не требуют изготовления специальных образцов и могут вы­полняться непосредственно на проверяемых деталях.

      Измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения контролируемой детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению, в то время как для определения прочности, пластич­ности и вязкости необходимо изготовление специальных образцов из детали.

      Твердость можно измерять на деталях небольшой толщины, а также в очень тонких слоях, не превышающих (для некоторых спосо­бов измерения твердости) десятых долей миллиметра, или в микрообъе­мах металла (метод измерения микротвердости). В последнем случае можно измерять твердость отдельных структурных составляющих в спла­вах.

Поскольку при измерении твердости в большинстве случаев дета­ли не разрушаются, то эти измерения можно применять для сплошного контроля деталей, в то время как определение характеристик прочности и пластичности проводят в качестве выборочного контроля.

Методы испытания на твердость - вдавливание, царапание, кача­ние, упругая отдача, магнитный.

Наиболее распространенным является метод вдавливания, при ко­тором твердость определяют:

        по величине поверхности отпечатка от вдавливания стального

шарика при испытании на прессе Бринелля;

        по глубине отпечатка при вдавливании алмазного конуса или стального шарика при испытании на приборе Роквелла.

Испытуемый образец или деталь должны иметь подготовленную гладкую плоскую площадку. Толщину испытуемого образца или изделия выбирают такой, чтобы на обратной стороне образца (изделия) не было заметных следов деформаций. Нагрузку следует прилагать по оси вдав­ливания наконечника перпендикулярно к испытуемой поверхности. При вдавливании наконечника с малыми нагрузками требуется более совер­шенная обработка поверхности.

    Определение твердости способом Бринелля

1вердость по способу Ьринелля определяют путем вдавливания в испытуемый образец стального закаленного шарика диаметром D под действием заданной нагрузки Р в течение определенного времени

Диаметр отпечатка измеряют специальной лупой, имеющей шкалу с ценой деления 0,1 мм.

Диаметр шарика может быть различным и выбирается в зависимо­сти от толщины испытуемого материала; твердость измеряют при посто­янном соотношении между величиной нагрузки Р и сР (табл. 5.1).


6 B - 3,5 HB (МПа) для углеродистых сталей в нормализованном состоянии;

6в=3,6 НВ дня низколегированных конструкционных сталей в улуч­шенном состоянии;

6в= 5,5 НВ для меди, латуни и бронзы в отожженном состоянии;

6в = 4,0 НВ для тех же сплавов в наклепанном состоянии.

Для алюминия и его сплавов с твердостью 20...45 НВ а в = 3,5 НВ, для дуралюмина отожженного о в = 3,6 НВ, а после закалки и старения о в = 3,5 НВ. НВ принимается в кгс/мм 2 , тогда а в выражается в МПа.

Чтобы избежать длительных вычислений, на практике пользуются готовыми таблицами с заранее подсчитанными значениями твердости для отпечатков разных диаметров, полученных при разных нагрузках. Перед испытанием поверхность образца обрабатывают, чтобы она была глад­кой, без окалины и других дефектов.

К недостаткам способа Бринелля следует отнести невозможность испытаний:

    металлов, имеющих твердость свыше 4500 МПа, при этом будет деформироваться сам стальной закаленный шарик и результаты испыта­ний будут неточны;

    твердости мелких деталей и тонкого поверхностного слоя (менее 1 ...2 мм), так как шарик будет продавливать тонкий слой металла.

1.изучить работу твердомера;

2.очистить поверхность образцов от загрязнения и окалины с по­мощью напильника или на шлифовальном круге;

3.выбрать в зависимости от заданных условий испытаний диаметр шарика, нагрузку и время выдержки под нагрузкой;

4.закрепить наконечник с шариком в шпинделе пресса установоч­ным винтом;

5.установить на подвеску твердомера требуемое для испытания

количество сменных грузов;

6.установить упор на нужную продолжительность выдержки и зак­репить стопорным винтом;

7.установить на столик испытуемый образец и вращением маховика

поднять его до упора в наконечник с шариком, прикладывая этим предва­рительную нагрузку, равную 1 ООО Н, при этом центр будущего отпечатка дол­жен находиться на расстоянии не менее диаметра шарика от края образца, а от центра соседнего отпечатка - не менее двух диаметров шарика;

8.нажать на спусковую кнопку и привести в действие электродви­гатель, передавая нагрузку на образец;

9.после автоматического выключения электродвигателя опустить столик, снять образец и измерить диаметр отпечатка при помощи лупы в двух взаимно перпендикулярных направления. Диаметр отпечатка из­меряют с точностью до 0,5 мм при испытании шариком диаметром 10,5 мм и с точностью до 0,01 мм при испытании шариком диаметром 2,5 мм;

10.по величине диаметра отпечатка в таблице найти число твердо­сти НВ;

11.результаты испытания занести в протокол испытаний (табл. 5.2)..

Таблица 5.2.

2 Определение твердости способом Роквелла

Измерение твердости по способу Роквелла производят путем вдавливания алмазного конуса с углом при вершине 120° или стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм в испытуемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной Р 0 и основной Р. Общая нагрузка Р равна сумме предварительной и

основной: Р = Р 0 + Р^ (рис. 5.2).

0 во всех случаях равна 100 Н, а основ­ная Р и общая Р при вдавливании:

стального шарика (шкала В) Р х = 900 Н; Р = 100 + 900 = 1000 Н;

алмазного конуса (шкала С) Р { = 1400 Н; Р = 100 + 1400 = 1500 Н;

алмазного конуса (шкала А) Р у = 500 Н; Р = 100 + 500 = 600 Н.

Рис. 5.2. Схема определения твердости по способу Роквелла


I

    где h - глубина внедрения шарика или конуса в испытуемый металл под действием общей нагрузки Р; h Q - глубина внедрения шарика или конуса в испытуемый металл под действием предварительной нагрузки Р 0 ; с - постоянная, равная 0,002 мм.

    Индикатор прибора имеет две шкалы: черную - для испытаний алмазным конусом при различных основных нагрузках и красную - для испытаний шариковым наконечником. Красная шкала смещена относи­тельно нулевого деления черной шкалы на 30 делений в направлении, противоположном движению стрелки индикатора при внедрении нако­нечника. Это смещение сделано по той причине, что глубина вдавлива­ния шарика часто превышает 0,2 мм, т. е. стрелка при вдавливании дела­ет поворот более чем на 100 делений (при очень мягком материале). Определение твердости на приборе Роквелла имеет широкое примене­ние, поскольку на нем можно испытать как мягкие, так и твердые, а так­же тонкие материалы.

    Шкала С используется при испытаниях сталей твердостью HRC = 20...70 и тонких поверхностных слоев толщиной свыше 0,5 мм, шкала А - при испытании твердых сплавов твердостью свыше HRC = 70, тонкого листового материала и для измерения твердости тонких поверх­ностных слоев (0,3...0,5 мм). Число HRA можно перевести в число HRC

    по формуле:

    HRC = 2HRA - 104. (5-5)

Шкала В применяется при испытании металлов средней твердости и изделий толщиной от 0,8 до 2 мм. Числа твердости по Роквеллу можно приближенно пересчитать в числа твердости по Бринеллю. На основа­нии экспериментальных данных установлена следующая зависимость:

НВ = 100 HRC (5.6)

в интервале твердости 2000...4500 МПа по Бринеллю, где НВ -твердость по Бринеллю; HRC - твердость по Роквеллу (шкала С).

Для перевода числа твердости по Роквеллу с одной шкалы на дру­гую пользуются специальными справочными таблицами. Поверхности образцов (как испытуемая, так и опорная) должны быть плоскими, па­раллельными друг другу, отшлифованными, без окалины, забоин и т. п.

К достоинствам способа Роквелла следует отнести высокую произ­водительность (время испытания 30...60 с, результат испытания считает­ся прямо на шкале прибора), простоту обслуживания, точность измере­ния и сохранение качественной поверхности после испытания. Этот спо­соб не рекомендуется применять для определения твердости неоднород­ных по структуре сплавов, криволинейных поверхностей и для испыта­ния деталей, которые под действием нагрузки могут деформироваться.

    изучить работу твердомера;

    подготовить образцы к испытанию так же, как и при испытаниях

на приборе Бринелля;

    подобрать наконечник и закрепить его в шпинделе при помощи

установочного винта;

    подобрать и подвесить грузы соответственно выбранному наконеч­нику и шкале, по которой предполагается вести испытание (см. табл. 5.3);

    установить испытуемый образец на столик прибора;

    вращением маховика постепенно подвести испытуемую поверх­ность образца до соприкосновения с наконечником, а затем дальнейшим его вращением произвести предварительное нагружение Р 0 до тех пор, пока малая стрелка индикатора не совпадет с красной точкой на шкале. Если она значительно перейдет за красную точку (влево), то необходимо загрузить прибор, выбрать на испытуемой поверхности другое место и начать испытание заново. Затем необходимо повернуть ободок индика­тора до совпадения нулевой отметки черной шкалы с большой стрелкой;

    слегка нажать на платформу и тем самым произвести нагруже- ние образца через наконечник общей нагрузкой (предварительная Р плюс основная Р { ). В это время большая стрелка поворачивается против часо­вой стрелки после секундной выдержки в полностью нагруженном со­стоянии, происходит автоматическое снятие нагрузки />, во время кото­рого большая стрелка движется по часовой стрелке;

    после полной остановки стрелки произвести отсчет числа твер­дости по соответствующей шкале индикатора: в случае применения ал­мазного наконечника - по черной шкале С или А, при шариковом нако­нечнике - по красной шкале В;

    результаты испытаний внести в протокол испытаний (табл. 5.4);

10) вращением маховика против часовой стрелки опустить столик и снять образец.

1.Цель и задачи работы.

2.Краткое описание способов измерения твердости.

3. Схемы иллюстрирующие способы проведения испытаний.

4.Таблицы значений твердости по результатам измерений.

5.Определение предела прочности металла по значениям твердости

-;- , . lurja-jAfe^

6.Выводы по работе.

1.Испытания на растяжение

Этими испытаниями определяют такие характеристики, как пределы пропорциональности, упругости, прочности и пластичность металлов. При испытании на растяжение образец растягивается под действием плавно возрастающей нагрузки и доводится до разрушения.

Диаграмма растяжения в координатах «нагрузка Р - удлинение?l» отражает характерные участки и точки. На участке 0 - Р пц удлинение образца увеличивается прямо пропорционально возрастанию нагрузки. При повышении нагрузки свыше Р пц, на участке Р пц - P упр прямая пропорциональность нарушается, но деформация остается обратимой. На участке выше точки P vпр возникают заметные остаточные деформации, и кривая растяжения значительно отклоняется от прямой. При нагрузке Р т появляется горизонтальный участок диаграммы -- площадка текучести Т-Т 1 .На кривых растяжения хрупких металлов площадка текучести отсутствует. Выше точки Р т нагрузка возрастает до точки А, соответствующей максимальной нагрузке Р в, после которой начинается ее падение, связанное с образованием местного утонения образца. Затем нагрузка падает до точки В, где и происходит разрушение образца.

Диаграмма растяжения образца из пластичного материала

Предел упругости у упр - напряжение, при котором пластические деформации впервые достигают некоторой малой величины, характеризуемой определенным допуском:

где P упр - напряжение, соответствующее пределу упругости, Н.

Предел прочности у в -- напряжение, равное отношению наибольшей нагрузки, предшествующей разрушению образца, к первоначальной площади его сечения:

где P в - напряжение, соответствующее пределу прочности, Н.

Относительное удлинение д находится как отношение увеличения длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине, выраженное в процентах:

где l k - длина образца после разрыва, мм;

l 0 - расчетная (начальная) длина образца, мм.

2. Методы определения твердости

Наиболее распространенным методом определения твердости металлических материалов является метод вдавливания, при котором в испытуемую поверхность под действием постоянной статической нагрузки вдавливается другое, более твердое тело. На поверхности материала остается отпечаток, по величине которого судят о твердости материала. Показатель твердости характеризует сопротивление материала пластической деформации, как правило, большой, при местном контактном приложении нагрузки.

Измерение твердости по Бринеллю . Сущность этого способа заключается в том, что в поверхность испытуемого металла вдавливается стальной закаленный шарик диаметром 10, 5 или 2,5 мм в зависимости от толщины образца под действием нагрузки, которая выбирается в зависимости от предполагаемой твердости испытуемого материала и диаметра наконечника по формулам: Р = 30D 2 ; Р = 10D 2 ; Р = 2,5D 2 .

На поверхности образца остается отпечаток, по диаметру которого определяют твердость. Диаметр отпечатка измеряют специальной лупой с делениями.

Твердость рассчитывают по формуле

где НВ - твердость по Бринеллю, кгс/мм 2 ;

F - площадь полученного отпечатка, мм 2 ;

D - диаметр наконечника, мм;

d - диаметр отпечатка, мм.

Измерение твердости методами Бринелля (а), Роквелла (б), Виккерса (в)

Измерение твердости по Роквеллу. Измерение осуществляют путем вдавливания в испытуемый металл стального шарика диаметром 1,588 мм или алмазного конуса с углом при вершине 120°. Твердость по Роквеллу определяют по глубине вдавливания наконечника.

Вдавливание производится под действием двух последовательно приложенных нагрузок -- предварительной, равной? 100 Н, и окончательной (общей) нагрузки, равной 1400, 500 и 900 Н. Твердость определяют по разности глубин вдавливания отпечатков.