Твердость металлов. 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Усвоить понятие  твердости, изучить сущность ее определения  различными методами. Научиться самостоятельно измерять твердость наиболее распространенными  методами.

ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ

Приборы Бринелля и Роквелла, образцы из горячекатаной и термически упрочненной углеродистой стали и цветных сплавов, эталонные бруски известной твердости.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Под твердостью материала понимают его способность  сопротивляться пластической или упругой  деформации при внедрении в него более твердого тела (индентора).

Этот вид механических испытаний не связан с разрушением  металла и, кроме того, в большинстве  случаев не требует приготовления  специальных образцов.

Все методы измерения твердости  можно разделить на две группы в зависимости от вида движения индентора: статические методы и динамические. Наибольшее распространение получили статические методы определения твердости.

Статическим методом измерения  твердости называется такой, при  котором индентор медленно и непрерывно вдавливается в испытуемый металл с определенным усилием. К статическим методам относят следующие: измерение твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу (рис. 1).

Рис. 1. Схема определения  твердости: 
а) по Бринеллю; б) по Роквеллу; в) по Виккерсу

При динамическом испытании контролируется величина отскока испытательного инструмента от поверхности испытываемого образца. К динамическим методам относят следующие: твердость по Шору, по Польди.

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ  ПО БРИНЕЛЛЮ

Сущность метода заключается в том, что шарик (стальной или из твердого сплава) определенного диаметра под действием усилия, приложенного перпендикулярно поверхности образца, в течение определенного времени вдавливается в испытуемый металл (рис. 1а). Величину твердости по Бринеллю определяют исходя из измерений диаметра отпечатка после снятия усилия.

При измерении твердости  по Бринеллю применяются шарики (стальные или из твердого сплава) диаметром 1,0; 2,0; 2,5; 5,0; 10,0 мм.

При твердости металлов менее 450 единиц для измерения твердости  применяют стальные шарики или шарики из твердого сплава. При твердости металлов более 450 единиц - шарики из твердого сплава.

Величину твердости  по Бринеллю рассчитывают как отношение  усилия F, действующего на шарик, к площади  поверхности сферического отпечатка  А:

    (1)

где НВ – твердость  по Бринеллю при применении стального  шарика; 
(HBW твердость но Бринеллю при применении шарика из твердого сплава), МПа (кгс); 
F – усилие, действующее на шарик, Н (кгс); 
А – площадь поверхности сферического отпечатка, мм²; 
D – диаметр шарика, мм; 
d – диаметр отпечатка, мм.

Одинаковые  результаты измерения твердости  при различных размерах шариков  получаются только в том случае, если отношения усилия к квадратам  диаметров шариков остаются постоянными. Исходя из этого, усилие на шарик необходимо подбирать по следующей формуле:

     (2)

Диаметр шарика D и соответствующее усилие F выбирают таким образом, чтобы диаметр  отпечатка находился в пределах:

       (3)

Если отпечаток  на образце получается меньше или  больше допустимого значения d, то нужно увеличить или уменьшить усилие F и произвести испытание снова. 
Коэффициент К имеет различное значение для металлов разных групп по твердости. Численное, же значение его должно быть таким, чтобы обеспечивалось выполнение требования, предъявляемого к размеру отпечатка (3). 
Толщина образца должна не менее, чем в 8 раз превышать глубину отпечатка. 

 

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ  ИЗМЕРЕНИЯ  
ТВЕРДОСТИ ПО БРИНЕЛЛЮ

Подготовка  образца, выбор условий испытания, получение отпечатка, измерение  отпечатка и определение числа твердости производится в строгом соответствии ГОСТ 9012-59 (в редакции 1990 г.). Необходимые для замера твердости значения выбираются из таблиц этого ГОСТа.  
Значение К выбирают в зависимости от металла и его твердости в соответствии с табл. 1.

Таблица 1

Испытание твердости  по Бринеллю 

 

Диаметр шарика  D, мм	Прикладываемое  усилие F, Н
	K=F/D2
	30	10	5	2,5	1
10	29420	9807	4903	2452	980,7
5	7355	2452	1226	612,9	245,2
2,5	1839	612,9	306,5	153,2	61,3
1	294,2	98,1	49,0	24,5	9,81
Диапазон твердости HB	55 – 650	35 – 200	<55	8 – 55	3 – 20
Измеряются	Сталь, чугун, медь и ее сплавы, легкие сплавы	Чугун, сплавы меди, легкие сплавы	Медь и ее сплавы, легкие сплавы	Легкие сплавы	Свинец, олово

 

 

Усилие, F в зависимости  от значения К и диаметра шарика D устанавливают в соответствии с табл. 1. 
Рекомендуемое время выдержки образца под нагрузкой для сталей составляет 10 с, для цветных сплавов 30 с (при K=10 и 30) или 60 с (при K=2.5).  
Данные замеров занести в протокол.

ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЙ

Марка металла	D  шарика, мм	F,  H (кгс)	Продол. выдержки, с	Диаметр  отпечатка ,  мм		Среднее  арифм.,  dср  мм	HB (HBW
				d1	d2

 

 

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ  ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ 
ПО РОКВЕЛЛУ

Шкалу испытания (А, В или С) и соответствующие  ей условия испытания (вид наконечника, общее усилие) выбирают в зависимости от предполагаемого интервала твердости испытуемого материала по табл. 2.

Таблица 2

Выбор нагрузки и наконечника для испытания  твердости по Роквеллу

Примерная твердость  по Виккерсу	Обозначение шкалы	Вид наконечника	Общее усилие, кгс	Обозначение твердости  по Роквеллу	Допускаемые пределы  шкалы
60 – 240 240 – 900 390 – 900	В С А	Стальной шарик Алмазный конус То же	100 150 60	HRB HRC HRA	25 – 100 20 – 67 70 – 85

 

 

Измерение твердости  по Роквеллу осуществляется в строгом соответствии ГОСТ 9013-59. Данные замеров занести в протокол.

ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЙ

Марка  металла	Обозначение  шкалы	Вид  наконечника	Общее  усилие, кгс	Результаты  измерения	Примечание

 

 

СОДЕРЖАНИЕ  ОТЧЕТА

1. Название работы.
2. Цель работы.
3. Протокол испытаний твердости по методу Бринелля.
4. Протокол испытаний твердости по методу Роквелла.
5. Выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ  ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Что такое  твердость?  
2. Классификация методов измерения твердости. 
3. Сущность измерения твердости по Бринеллю. 
4. До какого значения твердости при испытании по Бринеллю используются стальные шарики? 
5. Какого диаметра шарики используются при испытании на твердость по Бринеллю? 
6. Из каких условии выбирается диаметр шарика при испытании на твердость по Бринеллю? 
7. Пример записи твердости по Бринеллю? 
8. Сущность измерения твердости по Роквеллу? 
9. При замере какой твердости снимается отсчет показании по шкалам A, С, В? 
10. Пример формы записи твердости по Роквеллу?

ИСПЫТАНИЕ МЕТАЛЛОВ НА РАСТЯЖЕНИЕ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомиться с проведением испытания на растяжение и определением показателей прочности и пластичности.

ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ:

Разрывная машина Р 0,5, штангенциркуль, мерительная линейка, набор проволочных образцов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Металлы и сплавы, используемые в качестве конструкционных материалов, должны обладать определенными механическими свойствами – прочностью, упругостью, пластичностью, твердостью.

Прочность – это способность  металла сопротивляться деформации и разрушению.

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних сил. Деформации подразделяются на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают, а пластические остаются после окончания действия сил. В основе пластических деформаций – необратимые перемещения атомов от исходных положений на расстояния, большие межатомных, изменение формы отдельных зерен металла, их расположения в пространстве.

Способность металлов пластически  деформироваться называется пластичностью. Пластичность обеспечивает конструктивную прочность деталей под нагрузкой и нейтрализует влияние концентратов напряжений – отверстий, вырезов и т.п. При пластическом деформировании металла одновременно с изменением формы меняется ряд свойств, в частности при холодном деформировании повышается прочность, но снижается пластичность.

Большинство механических характеристик  металла определяют в результате испытания образцов на растяжение (ГОСТ 1497-84).

При растяжении образцов с  площадью поперечного сечения F_о и рабочей (расчетной) длиной l_о строят диаграмму растяжения в координатах: нагрузка Р – удлинение Dl образца (рис. 1).

Диаграмма растяжения характеризует поведение металла  при деформировании от момента начала нагружения до разрушения образца. На диаграмме выделяют три участка: упругой деформации – до нагрузки Р_упр; равномерной пластической деформации от Р_упр до  Р_max и сосредоточенной пластической деформации от Р_max до Р_к . Если образец нагрузить в пределах Р_упр , а затем полностью разгрузить и замерить его длину, то никаких последствий нагружения не обнаружится. Такой характер деформирования образца называется упругим. При нагружении образца более Р_упр появляется остаточная (пластическая) деформация. Пластическое деформирование идет при возрастающей нагрузке, так как металл упрочняется в процессе деформирования. Упрочнение металла при деформировании называется наклепом. При дальнейшем нагружении пластическая деформация, а вместе с ней и наклеп все более увеличиваются, равномерно распределяясь по всему объему образца. После достижения максимального значения нагрузки  Р_max в наиболее слабом месте появляется местное утонение образца – шейка, в которой в основном и протекает дальнейшее пластическое деформирование. В это время между деформированными зернами, а иногда и внутри самих зерен могут зарождаться трещины. В связи с развитием шейки, несмотря на продолжающееся упрочнение металла, нагрузка уменьшается от Р_max до Р_к , и при нагрузке Р_к происходит разрушение образца. При этом упругая деформация образца (Dl_упр) исчезает, а пластическая (Dl_ост) остается (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма  растяжения металла

При деформировании твердого тела внутри него возникают  внутренние силы. Величину сил, приходящуюся на единицу площади поперечного  сечения образца, называют напряжением. Размерность напряжения кгс/мм², или МПа 
(1кгс/мм²=10 МПа). 
Отмеченные выше нагрузки на кривой растяжения (Р_упр , Р_т, Р_max , Р_к) служат для определения основных характеристик прочности (напряжений): предела упругости, физического предела текучести, временного сопротивления (предела прочности) и истинного сопротивления разрушению. В технических расчетах вместо предела прочности обычно используется условный предел текучести, которому соответствует нагрузка Р_0,2 (рис. 2).

Рис. 2. Участок  диаграммы растяжения металла

При растяжении образец удлиняется, а его поперечное сечение непрерывно уменьшается. Но поскольку площадь поперечного сечения образца в каждый данный момент определить сложно, то при расчете предела упругости, предела текучести и временного сопротивления пользуются условными напряжениями, считая, что поперечное сечение образца остается неизменным. Истинное напряжение рассчитывается только при определении сопротивления разрушению. 
Условный предел текучести (s_0,2) – это напряжение, при котором образец получает остаточное (пластическое) удлинение, равное 0,2 % своей расчетной длины:

где Р_0,2 – нагрузка, вызывающая остаточное (пластическое) удлинение; равное 0,2 %, кгс (Н); 
F_о – начальная площадь поперечного сечения образца, мм². 
Временное сопротивление (предел прочности) s_b – это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца.

;

где Р_max – максимальная нагрузка, предшествующая разрушению, кгс (H).  
Временное сопротивление (предел прочности) характеризует несущую способность материала, его прочность, предшествующую разрушению. 
Истинное сопротивление разрушению (S_k) – истинное напряжение, предшествующее моменту разрушения образца

,

где Р_к – нагрузка, непосредственно предшествующая моменту разрушения, кгс (Н). 
F_к – площадь поперечного сечения образца в месте разрушения, мм².

Несмотря на то, что Р_mах больше Р_к , истинное сопротивление разрушению S_к > s_b , поскольку площадь поперечного сечения образца в месте разрушения F_к значительно меньше начальной площади поперечного сечения F_о.

Для оценки пластичности металла служат относительное остаточное удлинение образца при растяжении (d_р, %) и относительное остаточное сужение площади поперечного сечения образца (y_р, %). 
Относительное остаточное удлинение (d_р, %) определяется по формуле:

где l_к – рабочая длина образца после испытания, мм; 
l_о – рабочая длина до испытания, мм.

Относительное остаточное сужение (y_р, %) определяется из выражения:

,

где F_о – начальная площадь поперечного сечения образца, мм²; 
F_к – площадь сечения образца вместе разрушения, мм².

Практически для определения нагрузки, которая вызывает деформацию, соответствующую условному пределу текучести, следует выполнить следующие действия. 
На диаграмме растяжения провести прямую ОА (рис. 2), совпадающую с прямолинейным участком диаграммы растяжения. 
Определить положение точки О. Через точку О провести ось ординат ОР. Масштаб записи диаграммы по нагрузке: одному миллиметру ординаты соответствует 2 кгс нагрузки. Численная величина искомой нагрузки Р (кгс) равна соответствующей ординате диаграммы (мм), умноженной на масштаб диаграммы (2 кгс/мм). 
Для определения нагрузки, соответствующей условному пределу текучести Р_0,2, необходимо от начала координат по оси абсцисс отложить отрезок ОВ, величина которого равна заданному остаточному удлинению 0,2 %. Длина отрезка ОВ (мм) рассчитывается исходя

,

где l_о – рабочая длина образца, мм; 
М – масштаб записи диаграммы по деформации.

Из точки  В провести прямую ВД, параллельную прямолинейному участку диаграммы  растяжения (рис. 2), до пересечения с диаграммой. 
Используя известный масштаб записи диаграммы по нагрузке, определить численные значения нагрузок Р₀₂, Р_mах, Р_к , после чего рассчитать соответствующее напряжения: s_0,2 , s_b , S_к. Полученные данные занести в протокол испытания.

ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЯ

Марка материала _______________

 

 

СОДЕРЖАНИЕ  ОТЧЕТА

1. Название работы.
2. Цель работы.
3. Диаграмма растяжения (рис. 1).
4. Определения основных характеристик прочности и пластичности.
5. Протокол испытаний.
6. Выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ  ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Какими механическими свойствами характеризуются конструкционные материалы?
2. Что такое прочность?
3. Что называется деформацией?
4. Что называется упругой деформацией?
5. Что называется пластической деформацией?
6. Как влияет холодная пластическая деформация на прочность и пластичность?
7. Какие характерные участкиможно выделить на диаграмме растяжения?
8. Почему пластическая деформация идет при возрастающей нагрузке?
9. Что такое наклеп?

10. Что такое напряжение?

11. Почему различают истинные и условные напряжения?

12. Что такое условный предел текучести, временное сопротивление и истинное сопротивление разрушению?

13.  Какие вы знаете характеристики пластичности?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МАКРО – И МИКРОСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СПЛАВОВ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомиться  с методами исследования металлических  сплавов, приготовлением образцов для металлографического исследования.

ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ

Коллекции макро- и микрошлифов, изломов. Металлографические микроскопы, лупы.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Макроскопический  анализ

При макроскопическом анализе строение металлического сплава исследуют невооруженным глазом или с помощью лупы. Обычно он является предварительным видом исследования.

Макростроение сплава изучают на образцах или деталях, в изломе или на предварительно подготовленной поверхности, заключающейся в шлифовании и травлении. Такой образец называют макрошлифом. Если макрошлиф изготовлен в поперечном сечении детали, то его называют темплетом. Макроанализ находит широкое применение в промышленности, так как дает возможность выявлять раковины, шлаковые включения, трещины и другие дефекты строения сплава, химическую и структурную неоднородность.

Непосредственно по виду излома можно провести макроскопический анализ и установить многие особенности  строения материалов, а в ряде случаев  и причины их разрушения. Излом  может быть хрупким и вязким.

По форме  различают излом ровный или блестящий  и с выступами, или чашечный. Первый вид излома характерен для хрупкого состояния, когда разрушение в условиях растяжения или ударного изгиба произошло  без видимой пластической деформации, а второй – для вязкого излома. Хрупкий излом имеет кристаллическое строение, происходит практически без предварительной пластической деформации, в нем можно различить форму и размер зерен металла. Хрупкий излом может проходить по границам зерен (межкристаллический) и по зернам металла (транскристаллический). В сталях хрупкий излом иногда называют нафталинистым, если он транскристаллический и имеет избирательный блеск. 
При крупнозернистом строении сплава хрупкий межкристаллический излом называют камневидным.

Вязкий излом имеет волокнистое строение, форма и размер зерен сильно искажены. Ему предшествует, как правило, значительная пластическая деформация. 
Под действием знакопеременных нагрузок возможно возникновение усталостного излома (рис. 1). Он состоит из очага разрушения 1 (места образования микротрещин) и двух зон – усталости 2 и долома 3. Очаг разрушения примыкает к поверхности и имеет небольшие размеры. Зону усталости формирует последовательное развитие трещины усталости. В этой зоне видны характерные бороздки, которые имеют конфигурацию колец, что свидетельствует о скачкообразном продвижении трещины усталости. Последнюю стадию разрушения характеризует зона долома.

Рис.1. Схематическое  строение усталостного излома

Макроструктурный  анализ проводится на макрошлифах. Макрошлифы подвергают: глубокому травлению в концентрированных горячих кислотах для выявления волокнистого строения сплава, что важно для определения анизотропии свойств, различных внутренних дефектов металла; поверхностному травлению для определения химической неоднородности сплава (ликвации). 
Чаще всего определяют общую химическую неоднородность сплава по сечению детали.

Конкретно для  сталей распределение C, P, S зависит  от количества этих элементов, процесса кристаллизации и обработки давлением. Для определения общей ликвации свежеприготовленный макрошлиф погружают на 2 мин. в 10 % раствор двойной медно-аммиачной соли соляной кислоты (CuNH₄Cl₂).

При травлении  медь замещает железо и оседает на участках поверхности, обедненных S, P, C, защищает их от дальнейшего растравления. Места, обогащенные примесями, оказываются сильно протравленными. Затем макрошлиф промывают под струей проточной воды и осторожно снимают медь с поверхности ватным тампоном. Полученную картину зарисовывают или фотографируют.

Микроструктурный анализ

Микроструктурный  анализ проводится с целью исследования структуры металлов и сплавов  под микроскопом на специально подготовленных образцах. Методами микроанализа определяют форму и размеры кристаллических  зерен, обнаруживают изменения внутреннего строения сплава под влиянием термической обработки или механического воздействия на сплав, микротрещины и многое другое.

Микроструктурный  анализ проводится на микрошлифах при  приготовлении которых необходимо учитывать что: 
– шлиф должен иметь минимальный деформированный слой; 
– на поверхности шлифа не должно быть царапин и ямок; 
– шлиф должен быть плоским (без “завалов”), чтобы его можно было рассматривать при больших увеличениях.

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 образец разворачивают на 90? 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 окись алюминия (белого цвета), окись хрома (зеленого цвета) или другие окислы. Для полировки твердых материалов применяют пасту с алмазным порошком или алмазные круги. Полировку производят до получения зеркальной поверхности. После полировки шлиф промывают в воде или спирте, сушат полированную поверхность фильтровальной бумагой. Ее следует прикладывать к зеркалу шлифа, а не водить по нему.

После полировки  микроструктура, как правило, не бывает видна. Исключением являются сплавы, структурные составляющие которых сильно различаются по составу и твердости, в результате чего одни участки шлифа сполировываются больше, другие меньше, и на поверхности образуется рельеф.

Для выявления  микроструктуры шлиф подвергают травлению  –кратковременному действию реактива. Травитель и время травления подбирают опытным путем.

Механизм выявления  структуры сплава довольно сложен. Те участки шлифа, которые сильно растравлены, кажутся под микроскопом  более темными т.к., чем сильнее  растравлена поверхность, тем больше она рассеивает свет и меньше света отражает в объектив.

В образце с  однофазной структурой границы между  зернами растравливаются сильнее, чем тело зерна, и под микроскопом  видны канавки в виде темной сетки (рис. 2). Разные зерна одной фазы попадают в сечение шлифа различными кристаллографическими плоскостями, которые травятся по-разному. Поэтому зерна одной фазы могут иметь различные оттенки.

Рис. 2. Выявление  микроструктуры сплава

В многофазном  сплаве различные фазы и структурные  составляющие травятся по-разному. Смесь фаз подвергается не только простому химическому действию реактивов, но и электрохимическому травлению, т.к. смесь фаз является совокупностью микрогальванических элементов. Растворяются частички, являющиеся микроанодами по отношению к другим частицам – микрокатодам.  
В результате такого сложного действия травителя выявляется микростроение образца. После травления шлиф промывают водой, сушат фильтровальной бумагой и ставят на столик микроскопа.

Устройство  и работа микроскопа

Разрешающая способность глаза ограничена и составляет 0,2 мм. Разрешающая способность характеризуется разрешающим расстоянием, т.е. тем минимальным расстоянием между двумя соседними частицами, при котором они еще видны раздельно. Чтобы увеличить разрешающую способность, используется микроскоп. Разрешаемое расстояние определяется соотношением:

,

где l – длина волны света; 
n – показатель преломления среды, находящейся между объективом и объектом; 
a –угловая апертура, равная половине угла раскрытия входящая в объектив пучка лучей, дающих изображение.

Произведение n sina =A называют числовой апертурой объектива. Эта важнейшая характеристика объектива выгравирована на его оправе. В большинстве исследований применяют сухие объективы, работающие в воздушной среде (n = 1). Объектив дает увеличенное промежуточное изображение объектива, которое рассматривают в окуляр, как в лупу. Окуляр увеличивает промежуточное изображение объектива и не может повысить разрешающей способности микроскопа.