Металловедение. Лекции.

Поделиться ссылкой:

Лекция 1. Механические свойства металлов. Характеристики прочности, пластичности, упругости, твёрдости и ударной вязкости.

Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться деформации и разрушению под действием приложенных нагрузок.

К основным механическим свойствам металлов относят: прочность, упругость, пластичность, твердость, ударную вязкость.

Прочность, упругость и пластичность изучаются при испытаниях на растяжение.

Прочность – способность материалов выдерживать нагрузки без разрушения, т.е сопротивление материала деформации и разрушению.

Упругость – способность материалов изменять форму под действием нагрузки, и возвращаться в исходное состояние после снятия нагрузки.

Пластичность – способность материала под действием нагрузки изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять остаточные деформации после устранения этих сил.

Пластичность, т.е. способность деформироваться без разрушения, характеризуется изменениями размеров образца. При испытании на разрыв определяют следующие характеристики пластичности:

относительное удлинение

 δ=(lk-l0)/ l0*100%

 относительное сужение

 где lк, Fк — соответственно, длина рабочей части и площадь поперечного сечения образца после разрыва.

Рассчитанные характеристики механических свойств после испытания на растяжение заносятся в протокол.

Твердость — сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твёрдого тела, например наконечника (индентора)

Ударная вязкость – способность материала сопротивляться действию ударных нагрузок.

 Первое требование, предъявляемое к большинству изделий – достаточная прочность.

Многие изделия, кроме общей прочности, должны обладать ещё особыми свойствами в зависимости от назначения, условий обработки или эксплуатации. Например режущие инструменты должны обладать высокой твёрдостью, для изготовления рессор и пружин применяют специальные стали, обладающие высокой упругостью. Вязкие материалы идут на изготовление деталей, которые при работе подвергаются ударной нагрузке,  пластичные материалы можно обрабатывать давлением.

Механические свойства определяются по результатам механических испытаний.

Механические испытания – это определение механических  свойств материалов и изделий различными способами.

По характеру изменения во времени действующей нагрузки механические испытания могут быть статическими (на растяжение, сжатие, изгиб, кручение), динамическими (на ударный изгиб) и циклическими (на усталость).

По воздействию температуры на процесс их делят на испытания при комнатной температуре, низкотемпературные и высокотемпературные (на длительную прочность, ползучесть) при наличии надрезов и исходных трещин.

Статические испытания  проводятся при воздействии на образец с определенной скоростью постоянно действующей нагрузки, возрастающей весьма медленно. Статические испытания на растяжение относятся к наиболее распространенным. Свойства, определяемые при этих испытаниях, приведены в многочисленных стандартах по техническим условиям на материалы. К статическим относятся испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение.

Динамические испытания  характеризуются приложением к образцу ударной нагрузки и значительной скоростью деформации. Длительность испытания не превышает сотен долей секунды. Динамические испытания чаще всего проводят по схеме ударного изгиба образцов с надрезом.

Циклические испытания  характеризуются многократными изменениями нагрузки по величине и по направлению. Примером испытаний являются испытания на усталость, они длительны и по их результату определяют число циклов до разрушения при разных значениях напряжения. В конечном итоге находят предельные напряжения, которые образец выдерживает без разрушения в течение определенного числа циклов нагружения.

Лекция 2. Метод испытания на растяжение. Диаграмма на растяжение.

Испытание на растяжение  материалов проводят в соответствии с ГОСТ 1497-84 «Методы испытаний на растяжение».

       Стандарт устанавливает методы статических испытаний на растяжение черных и цветных металлов для определения при температуре 20+15 °С  (от10 до 35) °С пределов пропорциональности, упругости,                                      -10

 текучести, временного сопротивления разрыву, относительного удлинения и относительного сужения, модуля упругости.

       Для испытаний применяют плоские и цилиндрические образцы, вырезанные из детали или специально изготовленные, для того чтобы исключить влияние размеров и форм испытываемых деталей на результат испытания.

       Размеры образцов регламентированы указанным стандартом, они подчиняются геометрическому подобию и могут быть короткими и длинными.

      Для цилиндрического образца берется соотношение начальной рабочей (расчётной) длины l0 и исходного диаметра d0 :

 l0= 5d0— короткий образец, l0= 10d0 — длинный образец.

     Цилиндрические образцы с d0=10мм и l0=100мм или 50мм считаются основными Образцы всех остальных диаметров называются пропорциональными. На практике чаще всего используют так называемые «гагаринские» цилиндрические короткие образцы с  d0=6мм и l0=30мм Из

      Для плоского образца берется соотношение рабочей (расчётной)  длины l0 и площади поперечного сечения F0:

l0= 5,65√F0 — короткий образец, l0= 11,3√F0  — длинный образец.

       Цилиндрические образцы изготавливаются диаметром 3 мм и более. Образцы состоят из рабочей части длиной l0  и головок, форма и размер которых соответствуют захватам машины (рис. 3).

 Рис. 3. Цилиндрические и плоские образцы до (а) и после (б) испытания на растяжение.

   Плоские образцы должны сохранять поверхностные слои проката. Образцы, имеющие трещины, расслоения, поверхностные дефекты в виде инородных включений, плен, механических повреждений испытаниям не подвергаются. 

Начальную расчетную длину  с погрешностью до 1% ограничивают на рабочей длине образца кернами, рисками или иными метками и измеряют штангенциркулем или другими измерительными средствами с погрешностью измерения до 0,1 мм.
       Для пересчета относительного удлинения после разрыва  с отнесением места разрыва к середине и для определения относительного равномерного удлинения  по всей рабочей длине образца рекомендуется наносить метки через каждые 5 или 10 мм.
        Нанесение меток проводят с помощью делительных машин или вручную.

        Образцы перед испытанием разметить по всей рабочей длине через 5±0,1мм с помощью делительной машинки типа ДМ.

         Замерить линейные размеры образцов не менее, чем в трех точках (в средней части и на границах рабочей длины) штангенциркулем с ценой деления ,01мм.

     Размеры плоских образцов и отклонения по ширине образца должны соответствовать ГОСТ 1497 (таблица 1).

Т а б л и ц а 1 — Размеры плоских образцов.                                                                                 

Толщина плоскихобразцов(мм)Ширина плоскихобразцов (мм)Предельные отклонения по ширине рабочей части образца, (мм)Допускаемая разность наибольшей и наименьшей ширины по длине рабочей части образца, (мм)
До 7,0 вкл20±0,50,15
Свыше 7,030±0,50,20

       При вычислении начальной площади поперечного сечения образца за начальную площадь образца в его рабочей части F0 принимают наименьшее из полученных значений.

      Растяжение образца проводят на специальных машинах, позволяющих фиксировать величину прилагаемой нагрузки и изменение длины образца при растяжении. Эти же машины дают возможность записывать изменение длины образца при увеличении нагрузки (рис.1), т.е. первичную диаграмму испытания на растяжение в координатах: нагрузка Р, Н, кН; и абсолютное удлинение образца А (L), мм.

     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.

       Характер деформации при растяжении вязких и хрупких материалов существенно различается.

        Хрупкие материалы после достижения максимальной нагрузки быстро разрушаются без значительной пластической деформации, поэтому σв для хрупких материалов является характеристикой сопротивления разрушению, а для пластичных — характеристикой сопротивления деформации.

           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 Fо и рабочей (расчетной) длиной lо строят диаграмму растяжения в координатах: нагрузка Р – удлинение ∆l образца (рис. 1).

          Диаграмма растяжения характеризует поведение металла при деформировании от момента начала нагружения до разрушения образца. На диаграмме выделяют три участка:

1. упругой деформации – до нагрузки Рупр;

2. равномерной пластической деформации от Рупр до  Рmax ;

3. сосредоточенной пластической деформации от Рmax до Рк .

         Если образец нагрузить в пределах Рупр , а затем полностью разгрузить и замерить его длину, то никаких последствий нагружения не обнаружится. Такой характер деформирования образца называется упругим.

        При нагружении образца более Рупр 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. Рост деформации без заметного увеличения нагрузки соответствует площадке текучести. Диаграмма со скачкообразным переходом в пластическую область в виде чётко обозначенной «площадки» текучести свойственна некоторым металлам. К таким металлам можно отнести мягкую углеродистую сталь.

       После достижения максимального значения нагрузки  Рmax 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 Рmax до Рк , и при нагрузке Рк происходит разрушение образца. При этом упругая деформация образца (∆lупр) исчезает, а пластическая (∆lост) 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(Н/мм2)
(1кгс/мм2=10 Мпа(10 Н/мм2).
         Отмеченные выше нагрузки на кривой растяжения (Рупр , Рт, Рmax , Рк) служат для определения основных характеристик прочности (напряжений): предела упругости, физического предела текучести, временного сопротивления (предела прочности) и истинного сопротивления разрушению.

             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.   

Предел текучести (физический) – напряжение отвечающее нижнему положению площадки текучести в диаграмме растяжения, для материалов имеющих площадку.

                                                                        Рт

                                                             σт= F0

         В технических расчетах вместо предела прочности обычно используется условный предел текучести, которому соответствует нагрузка Р0,2 (рис. 2). 

Условный предел текучести (σ0,2) – это напряжение, при котором образец получает остаточное (пластическое) удлинение, равное 0,2 % своей расчетной длины:

где Р0,2 – нагрузка, вызывающая остаточное (пластическое) удлинение 0,2%, кгс (Н);
Fо – начальная площадь поперечного сечения образца, мм2..

Рис. 2. Участок диаграммы растяжения металла

        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 Р0,2, 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 lо – 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, Рmах, Рк , после чего рассчитать соответствующее напряжения: σ0,2 , σв , Sк.

       Временное сопротивление (предел прочности) σв – это условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца.

где Рmax – максимальная нагрузка, предшествующая разрушению, кгс (H).
            Временное сопротивление (предел прочности) характеризует несущую способность материала, его прочность, предшествующую разрушению.


        Истинное сопротивление разрушению (Sk) – истинное напряжение, предшествующее моменту разрушения образца

,

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

       Несмотря на то, что Рmах больше Рк , истинное сопротивление разрушению Sк > σb , поскольку площадь поперечного сечения образца в месте разрушения Fк значительно меньше начальной площади поперечного сечения Fо.

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

где lк – рабочая длина образца после испытания, мм;
lо – рабочая длина до испытания, мм.

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

,

где Fо – начальная площадь поперечного сечения образца, мм2;
Fк – площадь сечения образца вместе разрушения, мм2.

       Испытание различных видов проката и изделий из него на растяжение в ЛМ проводятся на испытательных машинах типа ZWICK/ROELL Z600, ZWICKSP-1000 и FPZ-100 согласно правилам эксплуатации испытательных машин.

       При определении физического предела текучести скорость относительной деформации рабочей части образца  на стадии текучести должна быть в пределах от 0,00025 до 0,0025 с-1, что достигается программным  обеспечением испытательных машин.

      Предел текучести условный определяется автоматически по диаграмме растяжения, полученной с применением тензометра.

Лекция 3.  Метод определения твердости (Бринелль, Роквелл, Виккерс).

        Простейшим механическим свойством является твердость. Методы определения твердости в зависимости от скорости приложения нагрузки делятся на статические и динамические, а по способу ее приложения — на методы вдавливания и царапания. Методы определения твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу относятся к статическим методам испытания.

        Твердость — это способность материала сопротивляться вдавливанию в него более твердого тела (индентора) под действием  внешних сил.

        При испытании на твердость в поверхность материалов вдавливают пирамиду, конус или шарик (индентор), в связи с чем различают методы испытаний, соответственно, по Виккерсу, Роквеллу и Бринеллю. Кроме того, существуют менее распространенные методы испытания твердости: метод упругого отскока (по Шору), метод сравнительной твердости (Польди) и некоторые другие.

       При испытании материалов на твердость не изготавливают стандартных специальных образцов, однако к размерам и поверхности образцов и изделий предъявляются определенные требования.

      О твердости судят либо по площади полученного отпечатка, либо по глубине вдавливания индентора. В результате вдавливания с достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, получают пластическую деформацию. После снятия нагрузки на образце (детали) остаётся отпечаток. Малый объём деформируемого металла, возможость проведения испытаний на поверхностях тел различной формы и размеров на деталях небольшой толщины и в очень тонких слоях металла, не пользуясь специально изготовленными образцами, быстрота и простота испытания, а также возможность без разрушения изделия судить о его свойствах вследствие существования количественной зависимости между твёрдостью пластичных металлов и другими механическими свойствами (пределом прочности) делают испытания на твёрдость незаменимым производственным методом массового контроля металла.

         Поверхность образца или испытуемого изделия для измерения твёрдости должна быть ровной, гладкой, свободной отокисной плёнки и представлять горизонтальную шлифованную площадку. Образцы должны быть устойчивыми, при испытании образцов неправильной формы необходимо использовать подставки клинообразной формы.



 Измерение твердости методом Бринелля.

         Измерение твёрдости по Бринеллю регаментируется ГОСТ 9012-59 « Металлы. Метод измерения твёрдости по Бринеллю»                     

          Испытания проводят на специальных прессах – твердомерах, развивающих строго определенное усилие вдавливания, являющееся стандартным с нагрузкой 3000, 1000, 750 и 250 кгс      

          В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметра 2,5; 5 или 10 мм. На поверхности шарика не должно быть царапин, коррозии, вмятин.

          Испытания проводят при комнатной температуре. При  измерении твёрдости прибор должен быть защищён от ударов и вибраций.

          Диаметр отпечатка d измеряют с помощью отсчётного микроскопа (лупа Бринелля)  МПБ-2 и переводят в единицы твёрдости по переводным таблицам.

         Диаметры отпечатка  d1 и  d2 измеряются в двух взаимно перпендикулярных направлениях. За диаметр отпечатка принимается среднее арифметическое значение результатов измерений.         

          Расстояние между центром отпечатка и краем образца должен быть не менее 2,5 диаметров отпечатка, расстояние между центрами двух смежных отпечатков должно быть не менее 4 диаметров отпечатка.   

         Число твёрдости по Бринеллю определяется делением нагрузки Р кгс (Н) на площадь поверхности сферического отпечатка Fмм2 (м2) и может быть вычислена по формуле:

 P – усилие вдавливания, D – диаметр шарика, d – диаметр полученного отпечатка, измеряемый после удаления индентора.

     Получаемое число твёрдости НВ зависит от  диаметра отпечатка d.

     При измерении твёрдости шариком диаметром D =10мм, под нагрузкой Р=3000кгс с выдержкой t=10с число твёрдости по Бринеллю обозначается символом НВ, например НВ 398. Если испытание проводилось шариком диаметром D =5мм, под нагрузкой Р=750кгс с выдержкой t=30с, то число твёрдости по Бринеллю 200будет обозначено НВ 5/750/30-200.

       Достоинства метода: высокая универсальность, то есть способность к измерению материалов с разной структурой. За счет изменения диаметра индентора, можно измерять твердость материалов в широком диапазоне.
        Недостатки метода: можно измерять твердость только относительно мягких материалов, не высокая оперативность.

  Измерение твердости методом Роквелла.
       Измерение твёрдости по Роквеллу регаментируется ГОСТ 9013-59 « Металлы. Метод измрения твёрдости по Роквеллу»

      В методе Роквелла твердость определяется по глубине вдавливания индентора. В качестве индентора используется алмазный конус с углом при вершине 1200. Метод предназначен для определения твердости:

— закаленной и отпущенной стали (HRC);

— очень твердых материалов (HRА);

— твердость мягких материалов (HRВ).
       Нагружение в три этапа: а) предварительное малое усилие P0 для обеспечения контакта с образцом; б) основное нагружение усилием P = P0 + Pраб; в) снятие рабочего усилия Pраб. Остается P0 для обеспечения контакта с образцом.

О твердости материала судят по глубине вдавливания h, измеряемого на 3-м этапе нагружения. Для метода Роквелла характерна высокая оперативность.
Для повышения универсальности существуют три шкалы:


шкала

обозначение

Нагрузка, кг

А

HRA

150

В

HRB

100

С

HRC

60

       Разным шкалам соответствуют разные рабочие усилия, что позволяет измерять материалы с разными характеристиками твердости.

 Измерение твердости методом Виккерса.
       Методы Бринеля и Роквелла малопроигодны для измерения твердости тонких образцов из-за высоких усилий 9,8 Н< Pраб < 1200 Н.
      Твердость по Виккерсу измеряют в соответствии с ГОСТ 2999-75 « Металлы и сплавы. Метод измерения твёрдости по Викерсу.»
       При измерении твердости по Виккерсу в качестве индентора используется четырехгранная пирамида с углом при вершине 1360. Нагрузка составляет : 1; 2; 2,5; 3;  5, 10, 20, 30, 50, 100 кг.
       Для определения твердости черных металлов и сплавов используют нагрузки от 5 до 100 кгс, медных сплавов — от 2,5 до 50 кгс, алюминиевых сплавов — от 1 до 100 кгс. После снятия нагрузки с помощью микроскопа прибора находят длину диагонали отпечатка, а твердость HVрассчитывают по формуле:

 , где

 D – диагональ отпечатка, k – размерный коэффициент.

        Имеется таблица зависимости твердости от величины нагрузки и длины диагонали. Поэтому на практике вычислений не производят, а пользуются готовой расчетной таблицей. Твердость по Виккерсу HVизмеряется в кгс/мм2, Н/мм2 или МПа. Значение твердости по Виккерсу может изменяться от HV2060 до HV5 при нагрузке 1 кгс.
Достоинства метода: возможность измерять тонкие образцы.
Недостатки метода: дополнительные измерения и расчеты.

Лекция 4. Метод испытания на ударный изгиб при комнатной и пониженной температурах и после механического старения.

      Вязкость – способность материалов поглощать энергию развиваемых в нем трещин.

      Ударная вязкость – способность металлов оказывать сопротивление действию ударных нагрузок. 

      Ударная вязкость  характеризует удельную работу, затрачиваемую на разрушение при ударе образца с надрезом.
        Ударная вязкость испытывается на маятниковом копре с постоянным запасом работы маятника по ГОСТ 9454-78 «Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенной температурах».

        Стандарт распространяется на черные и цветные металлы и сплавы и устанавливает метод испытания при температурах от -100 до +1000 °С.

        Метод основан на разрушении ударом маятникового копра образца с концентратором напряжений. В результате испытания определяют полную работу, затраченную при ударе К, или ударную вязкость КС.

        Используют образцы прямоугольной формы с концентратором типа U, V, Т (усталостная трещина). Наиболее распространенными образцами являются образцы размерами 55x10x10 мм с U-концентратом 2×2 мм (рис. 6).Образец должен быть строго прямоугольным. Не допускаются к испытаниям образцы со следами обработки на поверхности надреза, с искревлениями, с трещинами и с заусенцами

Рис. 6. Стандартный образец с U-образным надрезом для испытаний на ударный изгиб

       Испытания проводят на образцах разного типа с разными надрезами.  КС при испытаниях на разных образцах различно. Это необходимо для определения значения КС материала. Используются три вида образца, чтобы зафиксировать место разрушения.

      На разрушение ударом образца затрачивается только часть энергии маятника, в связи с чем маятник после разрушения образца продолжает двигаться, отклоняясь на определенный угол. Чем больше величина работы, затрачиваемой на разрушение образца, тем на меньший угол он отклоняется от вертикали после разрушения.

        По величине этого угла и определяют работу удара К или работу, затраченную на разрушение образца. Работу разрушения К относят к площади поперечного сечения образца So  в месте излома и тем самым находят КС — ударную вязкость:

 KC = K/S0,

 где Kизмеряется в Дж (кгс*м), S0— в м2 (см2).

       В зависимости от вида концентратора ударная вязкость обозначается

KCU, KCV, КСТ и имеет размерность МДж/м2 (МДж/см2) или кгс*м/см2.

 
      Значение КС сильно зависит от температуры. Для большинства конструкционных материалов существует пороговое значение температуры, при которой характер разрушения скачкообразно меняется: ниже – хрупкое разрушение, малая энергия поглощения; выше – вязкое разрушение, трещины распространяются с трудом.


      Tхл – порог хладноломкости. Рабочие температуры выбирают выше значения Tхл

       Склонность к механическому старению проводят по ГОСТ 7268-82 «Сталь. Метод определения склонности к механическому старению по испытанию на ударный изгиб.»

     Старением называют изменение свойств металлов с течением времени. В результате старения изменяются физико-механические свойства. Прочность и твёрдость повышается, а пластичность и вязкость понижаются. Старение бывает естественное и искуственное.

       Процесс изменения свойств, происходящие во времени при комнатной температуре или при атмосферной называется естественным старением.

       Процесс изменения свойств с течением времени при нагреве до невысоких температур называется искуственным старением.

       Вырезанную из пробы заготовку, с нанесённой на ней длиной 120мм подвергают дефомации растяжения из расчёта получения 10±0,5% остаточного удлинения -12мм.

       Из деформированной заготовки вырезают образцы для испытаний на ударный изгиб и подвергают нагреву (искусственное старение) при температуре 250±100С с выдержкой 1час с последующим охлаждением на воздухе и проводят испытание на ударный изгиб на маятниковом копре при необходимой температуре.

       Факторы влияющие на ударную вязкость:

1. Структура металла (крупнозернистый и мелкозернистый излом)

2. Размах маятника.

Лекция 5. Метод испытания на изгиб

      Изгиб – это вид деформации, характеризующийся искривлением оси или серединной поверхности деформируемого объекта под действием внешних сил или температуры.

         При деформации изгиба нижние слои металла до нейтрального слоя испытывают растяжение, а верхние сжатие. Между зонами растяжения и сжатия располагается нейтральный недеформированный слой металла.

        Испытание на изгиб проводят по двум схемам и различают :

— изгиб(сосредоточенный) с сосредоточенной нагрузкой, приложенной в середине пролёта (3точечный) Рис.1;

Рис.1

— изгиб чистый,  с двумя равными симметрично приложенными (на равных расстояниях от опор) сосредоточенными нагрузками (4 точечный) Рис.2.

Рис.2

      ГОСТ 14019-2003 «Металлы. Методы испытания на изгиб.»

Настоящий стандарт устанавливает методы испытаний металлов на изгиб при температуре (20)°C  (от 10 до 350С).

Испытание состоит в изгибе образца вокруг оправки под действием статического усилия и служит для определения способности металла выдерживать заданную пластическую деформацию, характеризуемую углом изгиба, или для оценки предельной пластичности металла, характеризуемой углом изгиба до появления первой трещины.

      Испытания проводят на образцах круглого, квадратного, прямоугольного или многоугольного сечения.

Если в нормативных документах на металлопродукцию не оговорено иное, ширина образца должна быть следующей:
— при ширине изделия не более 20 мм ширина образца равна ширине изделия;
— при ширине изделия более 20 мм ширина образца составляет (20±5) мм для изделий толщиной менее 3 мм и от 20 до 50 мм — для изделий толщиной 3 мм и более.

Толщина образцов, отбираемых от листов, полос и фасонных профилей, должна быть равна толщине испытуемого изделия. Если толщина изделия более 25 мм, она может быть уменьшена путем механической обработки одной стороны для получения толщины не менее 25 мм.

При изгибе необработанная поверхность должна быть на растягиваемой стороне образца, лежать на опорах.

Металлопродукция круглого или многоугольного сечения подвергается испытанию на изгиб в состоянии поставки (в сечении, равном сечению металлопродукции), если номинальный диаметр (при круглом сечении) или диаметр вписанной окружности (при многоугольном сечении) не превышает 50 мм.

    Длину образца устанавливают в зависимости от толщины металла и толщины (диаметра закругления) оправки. Ориентировочную длину образца (L, мм) вычисляют по формуле

L=2(a+D)+K,

где а — толщина или диаметр (диаметр вписанной окружности для многоугольного сечения образца, мм;

D  диаметр закругления (толщина) оправки, мм;

К = 100 … 150.

Испытание на изгиб проводят на универсальных испытательных машинах или прессах. Для проведения испытания применяют приспособления:

— в виде двух опор с оправкой (Рис.1)

— в виде матрицы с V-образным углублением и оправкой (Рис.3).

                                                                            Рис.3

    При изготовлении плоского образца на его гранях после механической обработки не должно быть поперечных рисок от режущего инструмента. Шероховатость поверхности образца после механической обработки Rz по ГОСТ 2789-73 должна быть меньше или равна 40 мкм.

    Острые кромки образца должны быть притуплены. Механическую обработку кромок производят вдоль образца. Допускается проводить испытания па образцах с непритупленными кромками, если при этом получаются удовлетворительные результаты.

         На средней трети длины образца не допускаются пороки металлургического производства и механические повреждения. Маркировка должна быть на концах образца.

Расстояние между опорами (l) определяется с округлением до 1,0 мм и вычисляется (мм) по формуле

где D — диаметр закругления, мм

а — толщина или диаметр (диаметр вписанной окружности для многоугольного сечения образца), мм.

   Ширина оправки и опор должна быть больше ширины образца.

   Диаметр закругления (толщина) оправки и радиус закругления опор (R, мм) устанавливают в соответствии с требованиями нормативно-технической документации на металлопродукцию.

      При отсутствии таких указаний диаметр закругления (толщину) оправки принимают равным двум толщинам (диаметрам) образца, а радиус закругления опор – не менее толщины (диаметра) образца.

При испытании не должно наблюдаться смятия рабочих поверхностей оправки и опор

Испытание на изгиб проводят:

— до заданного угла изгиба  Рис.4;

— до появления первой трещины в растянутой зоне образца с определением угла изгиба Рис.4;

— до параллельности сторон Рис.5;

— до соприкосновения сторон Рис.6.

  

                           Рис.4                                                           Рис.5                                     Рис.6

      Вид изгиба должен быть оговорен в нормативно-технической документации на металлопродукцию

       После проведения испытания осматривают кромки и наружную поверхность изогнутой части образца

     Момент появления трещины фиксируют невооруженным глазом. Угол изгиба измеряют без снятия усилия угломером типа УМ-0-180º. Допускается измерять угол изгиба после снятия усилия.

Лекция 6. Метод определения величины обезуглероженного слоя.

       При высокой температуре происходит взаимодействие поверхности металла с окружающей средой, причём особое значение имеют два процесса:

 — обезуглероживание стали, связанное с выгоранием углерода в поверхностных слоях (С+О2→СО2);

— окисление стали, ведущее к образованию на поверхности окалины, окислов железа (2Fe+O2→FeO2).

     Процессы окисления и обезуглероживания  — диффузионные, с повышением температуры они ускоряются.

     Диффу́зия— процесс взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму.

     Глубину обезуглероженного слоя определяют в основном методами микроструктурного анализа.

                                     Обезуглероженный слой.

Рис.1  шлиф из стали 60С2 после термообработки 100:1

Рис.2  шлиф из стали 60С2  100:1

Рис.3  шлиф из стали 50ХГФА  100:1

ГОСТ 1763-68 «Сталь. Методы определения величины обезуглероженного слоя».

Глубину обезуглероженного слоя определяют:

металлографическими методами — М, М1, М2,

методом замера термоэлектродвижущей силы — т.э.д.с.,

методом замера твердости — Т,

химическим методом — X,

методом замера микротвердости — МТ.

 Глубину обезуглероженного слоя в ЛМ определяют металлографическим методом  —

Метод М.

 Настоящий стандарт распространяется на деформируемые стали: конструкционные — углеродистые и легированные с содержанием углерода не менее 0,3%; инструментальные — углеродистые, легированные и быстрорежущие; рессорно-пружинные; подшипниковые, поставляемые в виде горячекатаных и кованых прутков и заготовок диаметром или стороной квадрата до 150 мм, горячекатаных полос, труб, листов, лент и катанки, холоднокатаных листов и лент, а также холоднотянутых прутков, проволоки, труб и устанавливает методы определения глубины обезуглероженного слоя.

Сущность металлографического метода заключается в определении глубины обезуглероженного слоя по структуре под микроскопом. Образцы для изготовления шлифов отбирают от произвольных прутков, труб, листов, лент и полос.

Образцы следует отрезать холодным механическим способом, не вызывающим изменений в структуре металла (фрезой, резцом, пилой, камнем и т.д.), и вырезать поперек направления волокна. 

Образцы для изготовления шлифов вырезают из полосы станочники холодным механическим способом:

шириной до 60 мм — из всего сечения полосы ;

шириной свыше 60 до 120 мм — из половины сечения полосы;

                                                   Черт 4.

по ГОСТ 1763-68 , по соглашению сторон допускается вырезка образцов по другим схемам, согласованным с заказчиком.

Образцы для металлографического исследования не должны иметь заусенцев, острых углов и кромок.

       Дальнейшую подготовку шлифов к испытанию производит лаборант.

       Образцы шлифов,  неудобные в захвате (высотой менее 4см) для фиксации положения приготавливают в сплаве Вуда, либо в специальном приспособлении (струбцине).

     Шлифование осуществлять на наждачной бумаге от крупной зернистости к мелкой.

      Во время операции шлифования для удаления металлической и наждачной пыли образец периодически промывать проточной водой, а затем обдувать сжатым воздухом.

     Полирование образцов осуществлять  на тонкошерстном сукне с равномерно нанесенным слоем алмазной пасты или пасты ГОИ.

     Шлифы должны отвечать следующим требованиям:

־ поверхность шлифов не должна иметь рисок, царапин. Микрошлиф должен быть чистым и сухим;

־ плоскость шлифа должна быть перпендикулярна исследуемой поверхности;

־ рекомендуемая площадь шлифа до 10 см 2.

      На шлифах с заваленными краями глубину обезуглероженного слоя не определяют.

      Травление шлифа,  производится в 4%-ном растворе азотной или пикриновой кислоты  в этиловом спирте и должно гарантировать четкое выявление структурных составляющих.

     Для образцов, вырезанных из полосы по схемам, приведенным на черт. 4а, б, просмотр производится по широкой стороне на расстоянии не менее 2 мм от кромки.

     Для пружинной рессорной полосы, определение обезуглероживания производят по всей широкой стороне образца.

     Полосы трапецеидального и Т-образного профиля контролировать в месте наибольшей толщины, которое определяется визуально.

     Определение производить визуально под микроскопом при увеличении (100±10)×, с точностью до

 ± 0,02мм , допускается увеличение от 200 до 500× или с  использованием системы анализа изображений  Thixomet Pro.

     Глубину обезуглероженного слоя определять в миллиметрах. Результат выдавать в процентах, округляя до десятых, и вычислять по формуле:

                   а

        Х = ——-   х 100

                   в

     а – глубина обезуглероживания при одностороннем измерении, мм;

     в – толщина проката или полуфабриката, мм;

Различают две зоны обезуглероживания: зону полного обезуглероживания и зону частичного обезуглероживания.

Зона полного обезуглероживания характеризуется структурой чистого феррита.

Зона частичного обезуглероживания характеризуется структурой, отличной от структуры основного металла. Зона частичного обезуглероживания характеризуется: для доэвтектоидной стали феррито-перлитной структурой, содержание феррита в которой больше, чем в основной структуре

Общая глубина обезуглероживания включает зону полного обезуглероживания и зону частичного обезуглероживания и измеряется от края шлифа до основной структуры металла.

При отсутствии зоны полного обезуглероживания зону частичного обезуглероживания измеряют от края шлифа до основной структуры металла.

По распределению обезуглероживания различают равномерное — по всему периметру образца и местное обезуглероживание на отдельных участках периметра образца.

Глубину обезуглероженного слоя определяют как максимальную глубину для данного образца.

Обезуглероживание не измеряют в месте обнаружения поверхностного дефекта на шлифе. В протоколе испытаний указывают наличие поверхностного дефекта (ГОСТ 21014-88).

Лекция 7. Метод определения величины зерна.

         Зерна металлов — это отдельные кристаллы поликристаллического конгломерата, разделенные между собой смежными поверхностями, называемыми границами зерен. Зерна могут быть равноосными и неравноосными.

Величина зерна — средняя величина случайных сечений зерен в плоскости металлографи-ческого шлифа — определяется методами:
 1.  визуального сравнения видимых под микроскопом зерен с эталонами шкал, приведенных в обязательном приложении 2, с определением номера зерна;

2. подсчета количества зерен, приходящихся на единицу поверхности шлифа, с определением среднего диаметра и средней площади зерна;

3. подсчета пересечений границ зерен отрезками прямых с определением среднего условного диаметра в случае равноосных зерен, количества зерен в 1 мм в случае неравноосных зерен;

4. измерения длин хорд под микроскопом или с использованием микрофотографий с определе-нием относительной доли зерен определенного размера;

5. ультразвуковым.

         В ЛМ используют метод определения величины зерна сравнением с эталонными шкалами по ГОСТ 5639-82. 

ГОСТ 5639-82 Стали и сплавы. Методы выявления и определеня величины зерна.

        Настоящий стандарт устанавливает металлографические методы выявления и определения величины зерна сталей и сплавов.
    Металлографическими методами определяют:
величину действительного зерна (после горячей деформации или любой термической обработки);
склонность зерна к росту — определением величины зерна аустенита после нагрева при температуре и времени выдержки, установленных нормативно-технической документацией на стали и сплавы;
кинетику роста зерен — определением величины зерна после нагрева в интервале температур и времени выдержки, установленных нормативно-технической документацией на стали и сплавы.

     Площадь сечения шлифа на образце должна быть не менее 1 см.
          Для металлопродукции толщиной менее 8 мм допускается изготовление шлифов площадью менее 1 см.

 Границы зерен выявляются методами:
          травления,
          цементации,
          окисления,
          сетки феррита или цементита,
          сетки перлита (троостита),
          вакуумного термического травления.
          Метод выбирают в зависимости от химического состава стали и цели испытания.

 Метод травления.
           Метод травления применяют для выявления границ действительного зерна, а также границ зерен аустенита в углеродистых и легированных сталях, закаливающихся на мартенсит или бейнит, и сталях, в которых затруднено получение ферритной или цементитной сетки.
          Выявление границ действительного зерна проводят на образцах без дополнительной термической обработки.
          Для выявления границ зерен аустенита температуру нагрева, время выдержки и скорость охлаждения устанавливают нормативно-технической документацией на стали и сплавы.
          На образцах, предназначенных для выявления зерна методом травления, готовят микрошлифы. Микрошлиф с шлифованной поверхностью помещают в электропечь.

      Температура нагрева должна быть равна или  на 20-300С  выше температуры закалки:

      — 8700С + (20-30) 0С для кремнистой стали время выдержки 3 часа;

      — 8500С + (20-30) 0С для хромистой стали  время выдержки 3 часа.

      Образцы охлаждают в воде. После охлаждения образцы шлифуют, полируют, затем производят травление образцов  раствором соляной кислоты в этиловом спирте в течение  4-5 мин  согласно ГОСТ 5639-82.

          Величину зерна определяют методом визуального сравнения видимых под микроскопом зерен с эталонами шкал, приведенными в обязательном приложении 2 ГОСТ 5639 с определением номера зерна при увеличении 100х.

      После просмотра всей площади шлифа выбирают 3-5 полей зрения сравнивают с приведенными шкалами приложения 2  ГОСТ 5639. Шкалы 1 и 2 используют для оценки величины зерна всех сталей и сплавов. Шкалу 3 – для аустенитной стали.

       Определение величины зерна  с помощью системы анализа изображения Thixomet Pro ведется по заданной прикладной программе.

Смотрите также: https://infa777.ru — хобби: достопримечательности, сплавы, немного фитнеса и прочее; https://quizbaza.ru — все квизы и вопросы.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *