Металлы и сплавы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского

«Харьковский авиационный институт»

АВИАЦИОННОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Часть 1

Металлы и сплавы

Авиационное материаловедение. Часть 1. Металлы и сплавы /Я.С. Карпов, П.П. Лепихин, В.В. Остапчук, Н.Д. Сазоненко, Н.И. Семишов. – Учеб. пособие по лаб. практикуму. – Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т», 2004. – 127 с.

Учебное пособие содержит описания и методические рекомендации, необходимые для практического выполнения десяти лабораторных работ по курсу «Авиационное материаловедение».

Рассмотрены механические испытания и методы исследования металлов и сплавов, механизм пластической деформации и влияние деформации на свойства сплавов, зависимость этих свойств от состава и структуры сплавов. Изложены вопросы термической обработки углеродистых и легированных сталей, алюминиевых и титановых сплавов.

Для студентов при изучении курса «Авиационное материаловедение».

Ил. 55. Табл. 16. Библиогр.: 9 назв.

Рецензенты: доц. Г.К. Крыжный, доц. Н.Ф. Савченко

ã Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского

«Харьковский авиационный институт», 2004 г.

Содержание

Введение и методические рекомендации

Лабораторная работа № 1. Определение механических свойств конструкционных материалов путем испытания их на растяжение

Лабораторная работа № 2. Определение твердости металлов и сплавов

Лабораторная работа № 3. Методы исследования качества, структуры и свойств металлов и сплавов

Лабораторная работа № 4. Пластическая деформация и рекристаллизация металлов

Лабораторная работа № 5. Диаграммы состояния двойных систем, структура и свойства сплавов

Лабораторная работа № 6. Диаграмма состояния «железо-цементит». Структура, свойства и применение железоуглеродистых сплавов

Лабораторная работа № 7. Термическая обработка углеродистых сталей

Лабораторная работа № 8. Особенности упрочняющей термической обработки легированных сталей

Лабораторная работа № 9. Упрочнение титановых сплавов легированием и термической обработкой

Лабораторная работа № 10. Термическая обработка деформируемых алюминиевых сплавов

Библиографический список

Введение и методические рекомендации

Лабораторные работы по курсу «Авиационное материаловедение» проводятся в целях более глубокого изучения основных тем курса, приобретения навыков в области термической обработки сталей, алюминиевых, титановых сплавов, ознакомления с механическими испытаниями и методами макро- и микроструктурного анализа металлов и сплавов, а также практической отработки ряда вопросов, связанных с использованием лабораторного оборудования: микроскопов, нагревательных печей, закалочных ванн, твердомеров, заточных, шлифовальных и полировальных станков и др.

Выполнению лабораторных работ должно предшествовать изучение соответствующих тем по материалам лекций и учебникам, знакомство с содержанием каждой работы по данному пособию. Для единообразного оформления лабораторных работ до выполнения каждой их них студенту необходимо в отдельной тетради или в специально выделенном месте конспекта по курсу лекций подготовить форму отчета, разработанную на кафедре. На все вопросы вводного раздела отчета (до практической части) должны быть даны необходимые ответы.

Для оценки характера изменения механических свойств в процессе деформации и различных видов термообработки проводится измерение твердости на приборе Роквелла. Если учесть, что твердость и предел прочности являются хорошо коррелирующимися свойствами материала, то по характеру изменения твердости можно судить о характере изменения прочности.

При изучении микроструктур сплавов и их зарисовке желательно пользоваться карандашом. На рисунках микроструктур в каждом случае необходимо делать выносные линии и указывать фазы и структурные составляющие.

По каждому пункту практических работ необходимо делать выводы или указывать значение определяемого параметра и давать его оценку.

Для сдачи лабораторных работ теоретического материала, приведенного в данном учебном пособии, недостаточно. Необходимо обращаться к курсу лекций и учебной литературе.

Лабораторная работа № 1

Определение механических свойств конструкционных материалов путем испытания их на растяжение

Цель работы

1.  Изучить методику испытаний металлов и сплавов на растяжение.

2.  Ознакомиться с конструкцией и работой разрывной машины.

3.  Провести испытания на растяжение двух образцов из разных материалов, получить диаграммы растяжения.

4.  Определить положение характерных точек, рассчитать параметры в характерных и промежуточных точках.

5.  На основании выполненных расчетов построить диаграмму зависимости условных напряжений от степени деформации.

6.  Определить основные механические характеристики материалов и дать заключение о свойствах испытанных материалов.

Содержание работы

Испытания на растяжение (ГОСТ 1497-84) широко применяют для определения механических свойств конструкционных сталей, цветных металлов и сплавов.

Стандарт устанавливает методы статических испытаний на растяжение для определения при температуре 20±15°С пределов пропорциональности, упругости, текучести (условного и физического), временного сопротивления, относительного удлинения и относительного сужения после разрыва.

При испытаниях на растяжение принимают следующие обозначения и определения:

- рабочая длина образца l (м, мм) - часть образца с постоянной площадью поперечного сечения между его головками или участками для захвата;

- начальная расчетная длина образца l₀ (м, мм) - участок рабочей длины образца между нанесенными метками до испытания, на котором определяется удлинение;

- конечная расчетная длина образца l_к (м, мм) - длина расчетной части образца после разрыва;

- начальный диаметр образца d₀ (м, мм) - диаметр рабочей части цилиндрического образца до испытаний;

- диаметр образца после разрыва d_к (м, мм) - минимальный диаметр рабочей части цилиндрического образца после разрыва;

- начальная площадь поперечного сечения образца F₀ (м², мм²) - площадь поперечного сечения рабочей части образца до испытаний;

- площадь поперечного сечения образца после разрыва F_к (м², мм²) - минимальная площадь поперечного сечения рабочей части образца после разрыва;

- осевая растягивающая нагрузка P (Н, кгс) - нагрузка, действующая на образец в данный момент испытания;

- условное напряжение s (МПа, кгс/мм²) - напряжение, определяемое отношением нагрузки P к начальной площади поперечного сечения F₀ образца;

- истинное нормальное напряжение S (МПа, кгс/мм²) - напряжение, определяемое отношением нагрузки P к действительной в данный момент испытания площади поперечного сечения F образца;

- абсолютное удлинение образца Dl (м, мм) - приращение начальной расчетной длины образца в любой момент испытания;

- предел пропорциональности s_пц (МПа, кгс/мм²) - напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой «нагрузка-удлинение» в точке P_пц с осью нагрузки, увеличивается на 50% от своего значения на упругом (линейном) участке;

- условный предел упругости s_0,05 (МПа, кгс/мм²) - напряжение, после снятия которого остаточное удлинение достигает 0,05% длины участка рабочей части образца, равного базе измерения;

- модуль упругости E (МПа, кгс/мм²) - отношение приращения напряжения к соответствующему приращению деформации в пределах упругой деформации;

- предел текучести физический:

- нижний предел текучести s_т (МПа, кгс/мм²) - наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки;

- верхний предел текучести s_тв (МПа, кгс/мм²) - напряжение, соответствующее первому пику нагрузки, зарегистрированному до начала текучести рабочей части образца;

- предел текучести условный s_0,2 (МПа, кгс/мм²) - напряжение, после снятия которого остаточное удлинение достигает 0,2% длины рабочего участка образца;

- временное сопротивление (предел прочности) s_в (МПа, кгс/мм²) - максимальное напряжение, которое выдерживает образец до разрушения;

- относительное равномерное удлинение d_р (%) - отношение приращения длины участка в рабочей части образца до момента начала образования шейки (в т. в) для пластичных материалов или до разрыва в материалах, у которых шейка не образуется, к длине образца до испытания;

- относительное удлинение после разрыва d (%) - отношение приращения расчетной длины образца Dl_к = (l_к -l₀) после разрушения к начальной расчетной длине l₀;

- относительное сужение после разрыва y (%) - отношение разности начальной F₀ и минимальной конечной F_к площадей поперечного сечения образца после разрушения к начальной площади поперечного сечения образца F₀;

Для испытаний на растяжение применяют пропорциональные цилиндрические или плоские образцы (рис. 1.1) диаметром или толщиной в рабочей части 3 мм и более. Начальная расчетная длина цилиндрических образцов l₀ =5d₀, l₀ =10d₀, а образцов квадратного или прямоугольного сечения - l₀ = 5,65 (короткие) илиl₀ = 11,3 (длинные). Применение коротких образцов предпочтительнее.

Образцы из тонких листов и лент толщиной от 0,5 до 3 мм изготавливают в соответствии с ГОСТ 11701-84.

Испытания проводят обычно на двух образцах.

Допускается применение непропорциональных образцов, для которых начальная расчетная длина l₀ устанавливается независимо от начальной площади поперечного сечения образца F₀.

Типы и размеры пропорциональных цилиндрических и плоских образцов приведены в приложениях к ГОСТ 1497-84.

Рис. 1.1. Образцы для испытаний на растяжение:

1 - плоский; 2 - цилиндрический

Форма и размеры головок и переходных частей образцов определяются способом крепления образцов в захватах разрывной машины.

По ГОСТ 1497-84 определяют место вырезки, способ изготовления, качество поверхности, предельные отклонения по размерам образцов.

В качестве испытательных применяют разрывные и универсальные машины различных систем. Машина должна обеспечивать: надежное центрирование образца в захватах, плавность нагрузки, скорость перемещения подвижного захвата не боле 0,1 мм/мин до предела текучести и не более 0,4 мм/мин за пределом текучести. Принципиальная схема разрывной машины Р-5 с рычажно-маятниковым силоизмерителем показана на рис. 1.2 (стрелками на схеме указаны движения элементов машины в процессе нагружения образца).

Испытываемый образец 1 помещают в захваты, один из которых (2) называется активным, а другой (3) - пассивным. Активный захват располагается на подвижной траверсе 4, в которой имеются застопоренные (не вращающиеся) гайки 5. Привод активного захвата (создание силы Р ) осуществляется электромеханическим путем: вращательное движение вала электродвигателя 6 через червячный редуктор 7 и шестерни 8 и 9 передается винтам 10; вращаясь в застопоренных гайках, винты заставляют траверсу перемещаться поступательно.

На опоре 11 верхней неподвижной траверсы установлен рычаг 12 маятникового силоизмерителя, связанный с тягой 13 пассивного захвата 3. Через систему рычагов и тяг силоизмерителя 12 - 16 нагрузка Р, действующая на образец, уравновешивается силой G маятникового груза 17. Отклонение маятника от начального положения (когда Р = 0) фиксируется по отсчетному устройству 18 со шкалами, проградуированными по силе Р .

При отклонении маятника поводок 19, жестко соединенный с рычагами 15 и 16 маятника, перемещает зубчатую рейку 20, которая вращает шестерню 21, сидящую на одной оси с рабочей стрелкой 22 отсчетного устройства силоизмерителя. При перемещении рабочая стрелка ведет за собой контрольную стрелку, которая фиксирует максимальное усилие. На циферблате отсчетного устройства нанесены три шкалы (А, Б и В), соответствующие различным диапазонам нагрузок (машина может быть настроена на создание предельных нагрузок: 1000, 2500 и 5000 кгс соответственно).

На одной оси с шестерней и рабочей стрелкой указателя нагрузок установлен шкив 23, который с помощью гибкого тросика 24 перемещает перо 25 самописца.

Для записи диаграммы Р = f(Dl) используют специальную бумажную ленту 26 (ЛПГ 320, ГОСТ 7836-75) с величиной наименьших делений 1,6 мм.

Одно такое деление по оси ординат (сила Р) при наладке машины на предельную нагрузку 1000 кгс соответствует 5 кгс, на 2500 кгс - 12,5 кгс, на 5000 кгс - 25 кгс.

При растяжении образца перемещению активного захвата в 1 мм будет соответствовать перемещение ленты по оси абсцисс (абсолютная деформация Dl ) на 10, 50 или 100 мм.

Желаемый масштаб Dl (10:1, 50:1 или 100:1) обеспечивается настройкой масштабного преобразователя 27, который является настраиваемым редуктором, передающим вращение на барабан 28 лентопротяжного механизма от шестерни 29 через валик 30 и пару конических шестерен 31.

Одновременно деформация может контролироваться специальным счетчиком 32, одна единица показаний которого соответствует 0,2 мм перемещения подвижной траверсы 4.

Движение активного захвата без нагрузки может происходить с различной скоростью (от 1 до 100 мм/мин), которая контролируется прибором 33.

Рис. 1.2. Принципиальная схема разрывной машины

Показанный на схеме груз 34 служит для возврата в исходное положение (к нулю) рабочей стрелки 22 и пера 25 при снятии нагрузки.

На этой же машине, применяя специальное приспособление, можно испытывать металлы на сжатие и изгиб.

Диаграмма деформации при растяжении

Записывающее устройство разрывной машины графически изображает зависимость между действующей осевой нагрузкой и абсолютной деформацией образца.

На рис. 1.3 даны типичные диаграммы растяжения различных металлов. Диаграмма на рис. 1.3, а свойственна большинству металлов и плавов. Для малоуглеродистой отожженной стали и некоторых отоженных бронз характерна диаграмма с площадкой текучести, которая приведена на рис. 1.3, б. Хрупкие металлы (чугун и др.) разрушаются при малых пластических деформациях (рис. 1.3, в).

А б  в

Рис. 1.3. Диаграммы растяжения различных металлов

Характерные участки и точки диаграммы растяжения показаны на рис. 1.4.

Первый участок диаграммы 0P представляет собой прямую линию, т.е. между Р и Dl соблюдается закон Гука. Напряжение в точке Р есть предел пропорциональности

.

При дальнейшем увеличении силы прямолинейная зависимость нарушается.

Несколько выше точки Р находится точка «е». Напряжение в точке «е» есть предел упругости s_0,05, который вычисляют по формуле:

. (1.1)

Предел упругости s_0,05 , как и предел пропорциональности, определяется расчетным или графическим способом.

Точно так же определяется и модуль упругости Е, МПа (кгс/мм²):

. (1.2)

Рис. 1.4. Характерные участки и точки диаграммы растяжения

За точкой «е» возникают заметные остаточные деформации, в точке S наблюдается переход к горизонтальной площадке S-S¢ (площадка текучести). Для участка S-S¢ характерен рост деформации без заметного увеличения нагрузки. Если обозначить величину нагрузки, соответствующую площадке текучести, через Р_т, то напряжение в этой точке можно вычислить по формуле, что и является физическим пределом текучести.

 , (1.3)

Следует отметить, что иногда (особенно это характерно для малоуглеродистой стали) на площадке текучести появляется «зуб» или низкочастотные колебания нагрузки. Это объясняется особенностями строения испытываемых материалов.

В этом случае предел текучести определяется по верхней точке амплитуды «зуба» («зубьев») и называется верхним пределом текучести (рис. 1.5). Для материалов, не имеющих на диаграмме площадки текучести, определяют условный предел текучести

 . (1.4)

Рис. 1.5. Определение верхнего предела текучести

Для нахождения величины Р_0,2 в масштабе диаграммы по оси абсцисс вправо от точки 0 (рис. 1.6) откладывают отрезок ОЕ, равный 0,002l₀, что составляет 0,2% от l₀,и из точки Е проводят прямую, параллельную прямой ОР, до пересечения с кривой растяжения в точке S. Ордината этой точки определяет нагрузку Р_0,2.

За площадкой текучести происходит упрочнение материала, и сопротивление деформации увеличивается, поэтому наблюдается увеличение нагрузки на кривой растяжения. До точки «в» образец деформируется равномерно.

Наибольшая нагрузка, предшествующая разрушению образца, обозначается Р_в = Р_max. Напряжение в точке «в» называется временным сопротивлением, или пределом прочности:

 . (1.5)

После точки «в», соответствующей максимальной силе Р_в, происходит заметное местное сужение образца (образуется шейка). Если до этого образец имел цилиндрическую форму, то теперь растяжение образца сосредотачивается в области шейки. На участке в-к сечение образца быстро уменьшается, вследствие чего уменьшается растягивающая нагрузка. В точке «к» образец разрывается по наименьшему сечению шейки F_к.

Показателем пластичности материала является его абсолютное остаточное удлинение l_ост при разрыве (см. рис. 1.4, отрезок 0А₁), так как упругая деформация (отрезок А₁А₂) исчезает после разрыва:

Dl_ост =l_к - l₀ . (1.6)

Рис. 1.6. Определение местоположения точки S, соответствующей условному пределу текучести

Размеры испытуемых образцов могут быть различными, поэтому характеристикой пластичности образца является не его абсолютное, а относительное остаточное удлинение после разрыва

. (1.7)

Другой характеристикой пластичности металла является относительное сужение Y после разрыва, выраженное в процентах:

. (1.8)

При определении s_пц, s_0,05, s_т и s_в соответствующую им нагрузку Р делим на начальную площадь поперечного сечения образца F₀. Напряжения эти называются условными. Однако при растяжении образца площадь поперечного сечения уменьшается. Напряжения, определенные по отношению при­ложенной нагрузки к действительной площади поперечного сечения образца в момент приложения этой нагрузки, называются истинными напряжениями:

. (1.9)

Диаграмма растяжения Р–Dl характеризует поведение образца из испытываемого материала с определенными геометрическими размерами. Чтобы исключить влияние размеров, диаграмму Р–Dl перестраивают в диаграмму s–e , где  - напряжение,  – относительная деформация. Диаграмма s–e – это та же диаграмма Р–Dl, построенная в масштабе 1/F₀ по оси ординат и в масштабе 1/l₀ – по оси абсцисс.

Как уже было сказано, для точного определения s_пц, s_0,05 и s_0,2 используются специальные тензометры и электрические силоизмерители. С меньшей точностью эти характеристики можно определить, воспользовавшись машинными диаграммами и простейшим мерительным инструментом (линейка, штангенциркуль, микрометр).

Произвольной горизонтальной прямой пересекают кривую растяжения на линейном участке. Полученный отрезок ас делят на две равные части. Откладывают отрезок сd, который равен половине отрезка ас: ав=вс=сd. Из начала координат 0 проводят луч через точку d. Точку Р, соответствующую пределу пропорциональности, находят построением касательной к кривой растяжения, параллельной лучу 0d.

Значение предела упругости s_0,05 принимается равным значению полученного предела пропорциональности s_пц из-за незначительного различия между ними.

Численные значения механических характеристик позволяют оценить прочностные и пластические свойстве испытанного материала (табл. 1.1).

Таблица 1.1 - Оценка прочности и пластичности

Материал	sв		Уровень прочности	d ,%	Уровень пластичности
	кгс/мм2	МПа			пластичности
Стали	140-200 и более	1400-2000 и более	высокопрочные	>40	высоко- пластичные
	80-140	800-1400	прочные	20-40	пластичные
	20-80	200-800	средней прочности	10-20	средней пластичности
	<20	<200	малопрочные	<10	малопластичные
Алюминиевые сплавы	>50	>500	высокопрочные	25-35	повышенной пластичности
	35-40	350-400	нормальной прочности	20-25	пластичные
	<35	<350	малопрочные	<20	малопластичные

Порядок выполнения работы

1. Измерить диаметр испытуемых образцов; вычислить площадь F₀ образцов; полученные результаты занести в табл. 1.2.

2. Занести в табл. 1.3 параметры машины.

3. Разорвать образцы (выполняет учебный мастер). При испытаниях по контрольной стрелке отсчетного устройства снять максимальное значение нагрузки Р_max и внести в протокол испытаний.

4. Измерить значения l_к, d_к, вычислить F_к и занести в табл. 1.2.

5. Выполнить на миллиметровке копии машинных диаграмм, приняв следующие масштабы (сетка):

- по оси ординат - в 16 мм 125 кгс;

- по оси абсцисс - в 10 мм 1 мм.

6. Определить положение характерных точек Р, S, в, к и четырех произвольных точек, а также их координаты Р и l ; ре­зультаты занести в табл. 1.4.

7. Вычислить значения напряжений s и относительных удлинений e в характерных и произвольных точках; результаты свести в табл. 1.4.

8. По вычисленным значениям s и e построить на миллиметровке диаграммы условных напряжений s– e, выбрав удобный масштаб.

9. Занести в протокол испытаний значения прочностных характеристик испытанных материалов.

10. Вычислить и занести в протокол испытаний значения d и y (табл. 1.5).

11. Пользуясь таблицей для оценки прочности и пластичности (табл. 1.1.), дать заключение о свойствах испытанных материалов.

 

Таблица 1.2 - Параметры испытуемых образцов

Геометрические параметры	Материал
Длина образца, мм :
- начальная l0
- конечная lк
Диаметр образца, мм :
- начальный d0
- конечный dk
Площадь поперечного сечения образца, мм2:
- начальная F0
- конечная Fк

Таблица 1.3 - Параметры машины

Параметры	Значения
Выбранный диапазон нагрузок, кгс
Цена деления бумажной ленты по ординате, кгс/дел или кгс/мм
Масштаб записи деформации, мм деф/дел или мм деф/мм

Таблица 1.4 - Результаты обработки диаграммы

Параметр	Материал образца	Значения параметров в характерных и произвольных точках
		Р	S	1	2	3	в	4	к
Нагрузка Р, кгс
Абсолютное удлинение Dl, мм
Напряжение s, кгс/мм2
Относительное удлинение e, %

Таблица 1.5 - Протокол испытания на растяжение

Параметры	Материал
Значение максимальной силы Рmax по отсчетному устройству, кгс
Предел прочности sв, вычисленный по этому значению силы, кгс/мм2
Результаты испытаний:
- предел пропорциональности  sпц, кгс/мм2
- физический предел текучести  sт, кгс/мм2
- условный предел текучести s0,2, кгс/мм2
- предел прочности sв, кгс/мм2
Относительное удлинение после разрыва d, % :
- по образцу
- по диаграмме
Относительное сужение y, %
Заключение о свойствах испытанного материала:
- прочностные
- пластические

Лабораторная работа № 2

Определение твердости металлов и сплавов

Цель работы

1.  Ознакомиться с устройством приборов.

2.  Изучить методику определения твердости металлов по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу (подготовка образцов, выбор наконечников и нагрузки, порядок определения твердости, области применения).

3.  Определить твердость образцов из различных материалов по Бринеллю и Роквеллу.

4.  Вычислить приближенное значение предела прочности по полученному значению НВ.

5.  Перевести числа твердости по Роквеллу в числа твердости по Бринеллю.

Содержание работы

Твердость – это способность материала сопротивляться внедрению в него других тел определенной формы и размеров под действием определенных сил. Измерение твердости можно осуществлять по методам Бринелля, Роквелла и Виккерса. В данной работе рассматриваются первые два метода.

Метод Бринелля

Метод измерения твердости металлов и сплавов по Бринеллю регламентируется ГОСТ 9012-59 (СТ СЭВ 468-77).

Сущность метода заключается во вдавливании стального закаленного шарика диаметром 2,5; 5,0 или 10 мм в испытываемый образец (изделие) под действием нагрузки, приложенной перпендикулярно к поверхности образца в течение определенного времени, и измерении диаметра отпечатка после снятия нагрузки (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема получения отпечатка

Твердость по Бринеллю определяется отношением приложенной нагрузки Р (кгс) к площади поверхности отпечатка F (мм²):

. (2.1)

Площадь поверхности в виде шарового сегмента определяется выражением

, (2.2)

где D – диаметр шарика, мм;

 d – диаметр отпечатка, мм.

Твердость выражается в МПа или кгс/мм². При определении твердости по Бринеллю нагрузка и диаметр шарика должны соответствовать закону подобия

Р=кD², (2.3)

где к – постоянная для данного материала величина, равная 30, 10 или 2,5, которая выбирается в зависимости от вида материала, его предполагаемой твердости и толщины испытываемого образца.

Диаметр шарика D, нагрузку Р и длительность выдержки t выбирают в соответствии с ГОСТом в зависимости от вида материала, его ориентировочной твердости НВ и толщины образца d (табл. 2.1). В табл. 2.1 приведены также значения коэффициента к.

Таблица 2.1 - Выбор диаметра шарика, нагрузки и длительности выдержки

Материал	Твердость по Бринеллю	Толщина образца d, мм	Коэффициент К	Диаметр шарика D, мм	Нагрузка Р, кгс	Выдержка под нагрузкой t, с
Черные металлы	>140-150	6-3 3-2 < 2	30	10,0 5,0 2,5	3000 750 187,5	10
-«-	< 140	> 6 6-3 < 2	10	10,0 5,0 2,5	1000 250 62,5	10
Цветные металлы	> 130	6-3 4-2 < 2	30	10,0 5,0 2,5	3000 750 187,5	30
-«-	35-130	9-5 6-3 < 2	10	10,0 5,0 2,5	1000 250 62,5	30
-«-	8-35	> 6 6-3 < 3	2,5	10,0 5,0 2,5	250 62,5 15,6	30

Диаметр отпечатка измеряют специальным отсчетным микроскопом МПБ-2, на окуляре которого нанесена шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра, с точностью до 0,05 мм в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Принимают среднюю из полученных величин.

На рис. 2.2 показан способ измерения отпечатка по шкале отсчетного микроскопа. В рассматриваемом случае диаметр отпечатка равен 4,3 мм.

Измерив диаметр отпечатка, площадь поверхности отпечатка F определяют по формуле (2.2) и, зная величину приложенной силы Р, твердость определяют по формуле (2.1) или находят по табл. 2.2.

Рис. 2.2. Измерение отпечатка с помощью отсчетного микроскопа

При измерении твердости шариком D=10 мм под нагрузкой Р=29430 Н (3000 кгс) с выдержкой t=10 с твердость по Бринеллю обозначают цифрами, характеризующими число твердости, и буквами НВ, например 175НВ (здесь175 – число твердости, кгс/мм², НВ – твердость по Бринеллю). При других условиях испытания после букв НВ указывают условия испытания в следующем порядке: диаметр шарика, нагрузка и продолжительность выдержки под нагрузкой, разделенные наклонной чертой, например 200НВ5/250/30. Между числом твердости по Бринеллю НВ и пределом прочности s_в существует примерная количественная зависимость s_в = K НВ, где K – коэффициент, определенный опытным путем (табл. 2.3).

Таблица 2.2 – Твердость по Бринеллю в зависимости от диаметра отпечатка

Диаметр отпечатка d, 2d* или 4d**, мм	Число твердости при нагрузке Р, кгс			Диаметр отпечатка d, 2d* или 4d**, мм	Число твердости при нагрузке Р, кгс
	30D2	10D2	2,5D2		30D2	10D2	2,5D2
3,00	415		34,6	4,55	174	58,1	14,5
3,05	401		33,4	4,60	170	56,8	14,2
3,10	388	129	32,3	4,65	167	55,5	13,9
3,15	375	125	31,3	4,70	163	54,3	13,6
3,20	363	121	30,3	4,75	159	53,0	13,3
3,25	352	117	29,3	4,80	156	51,9	13,0
3,30	341	114	28,4	4,85	152	50,7	12,7
3,35	331	110	27,6	4,90	149	49,6	12,4
3,40	321	107	26,7	4,95	146	48,6	12,2
3,45	311	104	25,9	5,00	143	47,5	11,9
3,50	302	101	25,2	5,05	140	46,5	11,6
3,55	293	97,7	24,5	5,10	137	45,5	11,4
3,60	285	95,0	23,7	5,15	134	44,6	11,2
3,65	277	92,3	23,1	5,20	131	43,7	10,9
3,70	269	89,7	22,4	5,25	128	42,8	10,7
3,75	262	87,2	21,8	5,30	126	41,9	10,5
3,80	255	84,9	21,2	5,35	123	41,0	10,3
3,85	248	82,6	20,7	5,40	121	40,2	10,1
3,90	241	80,4	20,1	5,45	118	39,4	9,86
3,95	235	78,3	19,6	5,50	116	38,6	9,66
4,00	299	76,3	19,1	5,55	114	37,9	9,46
4,05	223	74,3	18,6	5,60	111	37,1	9,27
4,10	217	72,4	18,1	5,65	109	36,4	9,10
4,15	212	70,6	17,6	5,70	107	35,7	8,93
4,20	207	68,8	17,2	5,75	105	35,0	8,76
4,25	201	67,1	16,8	5,80	103	34,3	8,59
4,30	197	65,5	16,4	5,85	101	33,7	8,43
4,35	192	63,9	16,0	5,90	99,2	33,1	8,26
4,40	187	62,4	15,6	5,95	97,3	32,4	8.11
4,45	183	60,9	15,2	6,00	95,5	31,8	7,96
4,50	179	59,5	14,0

 

^* 2d берется при использовании шарика диаметром 5 мм.

^** 4d берется при использовании шарика диаметром 2,5 мм.

Таблица 2.3 - Значения коэффициента K для некоторых материалов

Материал	Состояние материала	Условия испытаний (D=10 мм)
Латунь	Отожженая наклепанная	Р = 10D2	0,50 0,41
Алюминий	Холоднокатаный при обжатии 5% при обжатии 10% при обжатии 90% отожженный	Р – 2,5D2	0,37 0,35 0,40 0,40
Дюралюминий	Отожженный закаленный и состаренный	Р=10D2 Р=30D2	0,36-0,37 0,34-0,36
Сталь легированная 220-400 НВ	-	Р=30D2	0,33
Сталь углеродистая и легированная НВ<250	-	Р=30D2	0,34

При измерении твердости по Бринеллю необходимо соблюдать следующие условия:

1) действующее усилие перпендикулярно поверхности испытуемого образца;

2) поверхность образца должна быть плоской, чистой и гладкой;

3) образец должен лежать на подставке устойчиво;

4) минимальная толщина образца должна быть не менее 10-кратной глубины отпечатка;

5) расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 2,5d, между центрами двух соседних отпечатков – не менее 4d, а для металлов с НВ < 350 – 3 d и 6 d;

6) диаметры отпечатков должны находиться в пределах 0,25D<d< 0,6D.

Преимущества метода Бринелля – простота и надежность в работе приборов, применяемых для определения твердости, высокая точность определения твердости, так как при достаточно большом диаметре отпечатка исключается влияние локальных факторов.

Недостатки метода:

- метод не может быть применен для испытания металлов с НВ > 450;

- метод неприменим для определения твердости листовых образцов

толщиной менее 0,5…1 мм и изделий малой жесткости;

- на поверхности испытуемого изделия остаются заметные отпечатки.

Для определения твердости по Бринеллю пользуются твердомером ТШ-2М (рис. 2.3). Прибор состоит из станины, в нижней части которой помещен винт 20 со сменными столиками 19 для испытуемых образцов. Перемещают винт вручную маховиком 21. В верхней части находится шпиндель 16 со сменными наконечниками 17. Основная нагрузка прикладывается к образцу посредством рычажной системы. На длинном плече основного рычага 6 имеется подвеска со сменными грузами 4. При нажатии пусковой кнопки освобождается рычаг и на шарик воздействует нагрузка. Время действия нагрузки устанавливается с помощью устройства, расположенного с правой стороны прибора.

Рис. 2.3. Твердомер ТШ-2М

Порядок выполнения работы

1.  Проверить соответствие образцов требованиям.

2. По табл. 2.1 выбрать диаметр шарика, нагрузку и время выдержки под нагрузкой.

2.  Закрепить шариковый наконечник в шпинделе.

4. Установить на подвеску требуемое для испытания количество грузов.

5. Установить нужную выдержку.

6. Установить на столик испытуемый образец и вращением маховика поднять его до касания с шариком и дальше до упора.

7. Нажать на пусковую кнопку.

8. После выключения двигателя снять образец и замерить диаметр отпечатка.

9. По величине диаметра отпечатка d (см. табл. 2.2) найти число твердости НВ. Для каждого образца провести не менее трех испытаний.

10. Результаты испытаний занести в протокол № 1 (см. приложение).

11. Вычислить предел прочности s_в испытанных материалов, результат занести в протокол № 1.

Метод Роквелла

Измерение твердости металлов и сплавов по методу Роквелла осуществляется вдавливанием алмазного конуса или стального шарика с последующим определением твердости по глубине получаемого отпечатка (ГОСТ 9013-59).

Алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной шарик диаметром 1,588 мм (1/16¢¢) вдавливается в испытуемый образец (изделие) под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок – предварительной Р₀=10 кгс и общей Р, равной сумме предварительной и основной Р₁ нагрузок. Общая нагрузка Р составляет 100 кгс при вдавливании шарика и 150 или 60 кгс при вдавливании конуса.

Схема определения твердости по Роквеллу приведена на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Схема определения твердости по Роквеллу

Твердость по Роквеллу НR вычисляют так:

, (2.4)

где h₀ – глубина внедрения наконечника под действием предварительной нагрузки, мм; h – глубина внедрения наконечника под действием общей нагрузки, мм; k – постоянная величина, равная 0,26 мм для шарика и 0,2 мм для алмазного конуса; с – цена деления шкалы индикаторного прибора, соответствующая внедрению наконечника на 0,002 мм.

Твердость по Роквеллу выражается в условных единицах и отсчитывается по шкале индикатора непосредственно в процессе испытания.

Шкала, вид наконечника и нагрузка выбираются в зависимости от примерной твердости НВ испытуемого материала по табл. 2.4.

Твердость по Роквеллу обозначается цифрами, характеризующими число твердости, и буквами НR с указанием шкалы твердости, например 60 НRС.

В целях обеспечения единства измерений в СССР с 01.07.88 г. введены государственный специальный эталон и единая шкала твердости С_э по Роквеллу (ГОСТ 8.064-79).

Таблица 2.4 - Выбор шкалы твердости, нагрузки и вида наконечника

Примерная твердость металла НВ, кгс/мм2	Обозначение шкалы	Вид наконечника	Нагрузка, кгс	Допустимые границы измерения твердости
60 – 240	В	Стальной шарик	100	25 – 100
240 – 495	С	Конус из твердого сплава	150	20  – 67
240 – 900	С	Алмазный конус	150	20 – 67
390 – 900	А	Алмазный конус	60	70 – 90

Твердость, измеренную по шкале С_э, воспроизводимой этим эталоном, обозначают НRС_э в отличие от обозначения НRС, ранее применявшегося в промышленности СССР. Для перевода чисел твердости НRС в числа твердости НRС_э существует специальная таблица.

По сравнению с методом Бринелля метод Роквелла является более универсальным, так как позволяет испытывать металлы и сплавы любой твердости, включая твердые сплавы. По методу Роквелла можно также определять твердости сравнительно тонких образцов (толщиной до 0,4 мм). Наличие индикаторного прибора позволяет определить число твердости непосредственно отсчетом по шкале и тем самым делает этот метод более производительным, однако точность определения числа твердости ниже, поэтому надо проводить несколько замеров и определять среднюю величину.

Для сравнения твердости металлов, испытанных различными методами, в табл. 2.5 приведены приближенные соотношения между числами твердости.

Таблица 2.5 - Соотношение между числами твердости

Твердость по Бринеллю НВ (D=10 мм, Р=3000 кгс)	Твердость по Роквеллу						Твердость по Виккерсу НV (Р=5-100 кгс)
	НRС (конус, Р=150 кгс)		НRА (конус, Р=60 кгс)		НRВ (шарик, Р=100 кгс)
780	72		89		-		1220
745	70		87		-		1116
712	68		86		-		1022
682	66		85		-		941
653	64		84		-		868
627	62		83		-		804
601	60		82		-		746
578	58		81		-		694
555	56		79		-		649
534	54		78		-		606
514	52		77		-		587
495	50		76		-		551
477	49		76		-		534
461	48		75		-		502
444	46		74		-		473
429	45		73		-		460
415	44		72		-		435
409	43		72		-		423
401	42		71		-		412
388	41		71		-		401
375	40		70		-		390
363	39		70		-		380
352	38		69		-		361
341	37		68		-		344
331	36		68		-		335
321	35		67		-		320
311	34		67		-		312
302	33		67		-		305
293	31		66		-		291
286	30		66		-		285
277	29		65		-		278
269	28		65		-		272
262	27		64		-		261
255	26		64		-		255
248		25		63		-		250
241		24		63		100		240
235		23		62		99		235
228		22		62		98		226
223		21		61		97		221
217		20		61		97		217
212		19		60		96		213
207		18		60		95		209
202		16		59		93		201
196		15		58		94		197
192		-		58		93		190
187		-		57		92		186
183		-		56		91		183
179		-		56		89		177
174		-		55		87		174
170		-		-		86		171
166		-		-		85		165
163		-		-		84		162
159		-		-		83		159
156		-		-		82		154
153		-		-		81		152
149		-		-		80		149
146		-		-		79		146
143		-		-		78		143
140		-		-		77		-
137		-		-		76		-
134		-		-		74		-
131		-		-		72		-
128		-		-		71		-
125		-		-		70		-

Общий вид прибора ТК-2М для определения твердости по Роквеллу приведен на рис. 2.5.

Нагрузка на наконечник 1 создается с помощью грузов 6, подвешенных к системе рычагов. Весь процесс испытания осуществляется приводом, работающим от электродвигателя, с помощью которого прикладывают и снимают нагрузку на наконечник.

Индикаторный прибор 9 служит для отсчета числа твердости. На его циферблате (рис. 2.6) нанесены две шкалы: красная В и черная С, имеющие по 100 делений каждая.

Шкала В смещена относительно шкалы С на 30 делений в направлении, противоположном движению стрелки индикатора при внедрении наконечника.

Рис. 2.5. Общий вид твердомера ТК-2М

Рис. 2.6. Индикаторный прибор твердомера ТК-2М

Порядок выполнения работы

1.  Проверить соответствие образцов требованиям.

2.  По табл. 2.4 выбрать шкалу, нагрузку и вид наконечника.

3. Включить прибор тумблером 8 (см. рис. 2.5), при этом должна загореться сигнальная лампочка 7.

4. Проверить соответствие груза выбранному наконечнику и шкале, по которой предполагается проводить измерение.

5. Установить испытуемый образец на столик 2 прибора.

6. Вращением рукояток маховика 3 плавно подвести испытуемый образец до соприкосновения с наконечником, а затем дальнейшим вращением произвести предварительное нагружение. При этом малая стрелка должна совпасть с красной точкой на циферблате, а большая – принять вертикальное положение. Если малая стрелка индикатора перейдет за красную точку, необходимо повторить испытание. Вращением барабана 4 совместить нуль черной шкалы с большой стрелкой индикатора (при любом наконечнике).

7. Плавным нажатием руки на клавишу 5 включить привод механизма нагружения.

8. После окончания цикла нагружения отсчитать твердость по выбранной шкале индикатора.

9. Опустить предметный столик вращением маховика 3 против часовой стрелки и снять образец.

10.   Результаты испытаний занести в протокол № 2 (см. приложение).

 Для каждого образца провести не менее трех испытаний.

 Определить среднее число твердости.

11. Перевести числа твердости по Роквеллу в числа твердости по Бринеллю, полученные значения НВ занести в протокол № 2.

Приложение

Протокол № 1. Определение твердости по Бринеллю Марка прибора

Результаты испытаний

Материал и толщина образца d, мм	Диаметр шарика D, мм	Нагрузка Р, кгс	Время  выдержки t, с	Первое определение		Второе определение		Третье определение		Среднее число твердости НВ, кгс/мм2	Предел прочности sв, кгс/мм2
				Диаметр отпечатка d, мм	Число твердости НВ, кгс/мм2	Диаметр отпечатка d, мм	Число твердости  НВ, кгс/мм2	Диаметр отпечатка d, мм	Число твердости НВ, кгс/мм2

Протокол № 2. Определение твердости по Роквеллу Марка прибора

Результаты испытаний

Материал и толщина образца d, мм	Наконечник	Нагрузка  Р, кгс	Шкала	Число твердости по Роквеллу НR			Среднее число твердости по  Роквеллу  НR	Число твердости по Бринеллю НВ, кгс/мм2

Лабораторная работа № 3

Методы исследования качества, структуры и свойств металлов и сплавов

Цель работы

1.  Изучить сущность, возможности и методику выполнения основных видов макроструктурного и микроструктурного анализа металлов и сплавов.

2.  Приобрести знания и навыки в приготовлении макрошлифов и проведении макроструктурного анализа.

3.  Изучить схему, устройство и возможности оптического металлографического микроскопа, а также применяемых вспомогательных устройств.

4.  Приобрести знания и навыки в приготовлении микрошлифов и выполнении микроструктурного анализа.

Макроструктурный анализ металлов и сплавов

Макроструктурный анализ - это исследование полуфабрикатов илиготовых изделий в целях выявления дефектов структуры или особенностей строения невооруженным глазом, с помощью лупы или инструментального микроскопа (при небольших увеличениях - до 30-кратного). Существует два вида исследований: а) без применения травителей и б) с применением травителей для создания рельефа или окрашивания поверхности образцов, деталей или их сечений.

Образец детали или ее элемент, специально вырезанный и приготовленный для анализа (опиливанием и шлифованием), называют макрошлифом.

Без предварительного травления могут быть выявлены дефекты или особенности структуры: поверхностные - трещины, шлаковые раковины, плены; внутренние - газовые пузыри, усадочные раковины, крупные непровары в сварных соединениях, а также определены вид, характер и предварительные причины изломов.

Для анализа изломов необходимо знать их типы и характеристику.

Вязкое разрушение имеет матовый оттенок без ярко выраженного металлического блеска (рис. 3.1). Образец или деталь перед разрушением приобретает значительную местную пластическую деформацию, сопровождающуюся образованием шейки.

При больших увеличениях в электронном микроскопе в изломе видны сферические ячейки, представляющие собой локальные очаги разрушения с удлинением перемычек вокруг них. Микроструктура такого разрушения называется чашечной.

Рис. 3.1. Вязкое разрушение

Чисто вязкие разрушения встречаются довольно редко (в свинце, тантале). Цилиндрические образцы в месте образования шейки имеют, как правило, зону отрыва в центральной части и зону скольжения в виде чаши в периферийной части. Материал с вязким разрушением обеспечивает большую надежность конструкции. При разрушении вязкого материала требуется затрата значительной работы. В местах концентрации напряжений в результате локальной микродеформации материал упрочняется и разрушение предотвращается или оно происходит при более высоких напряжениях.

Хрупкое разрушение характеризуется малой работой разрушения, затрачиваемой только на упругую деформацию (рис. 3.2). Теоретически такого рода разрушения могут происходить при напряжениях, значительно больших пределов текучести (для идеальных кристаллов, не содержащих концентраторов напряжений). В реальных условиях при наличии в металлах дефектов кристаллического строения, концентраторов напряжений, неблагоприятного сочетания температурно-скоростных факторов нагружения хрупкие разрушения могут наблюдаться при напряжениях, равных 0,7 s_s (предела текучести), а иногда и при 0,4…0,5 s_s . Хрупкие разрушения происходят без заметной пластической деформации путем отрыва или скола.

Поверхность излома ориентирована перпендикулярно максимальным растягивающим напряжениям. Излом имеет кристаллический характер и металлический блеск. Разрушение может происходить по телу зерен (транскристаллический излом) или по границам зерен (межкристаллический излом). При больших увеличениях в электронном микроскопе хрупкие разрушения имеют «ручьистое» строение поверхности излома. Они часто являются причиной аварий крупных судов, мостов и других конструкций и сооружений.

Рис. 3.2. Хрупкое разрушение

Квазихрупкие разрушения характеризуются отсутствием шейки и наличием равномерной деформации. Они наблюдаются во всех литейных алюминиевых и магниевых сплавах, в деформированных сталях и других сплавах.

Усталостное разрушение является причиной около 30…90% всех авиационных аварий (рис. 3.3). Оно развивается под действием растягивающих напряжений при знакопеременных нагрузках.

Рис. 3.3. Усталостное разрушение

Излом имеет две зоны. Первая зона – зарождение и постепенное распространение трещины с гладкими притертыми стенками, причем разрушение начинается от ярко выраженного фокуса. Вторая зона – окончательное хрупкое разрушение. Поверхность излома имеет кристаллическую шероховатую структуру. Так как усталостные разрушения наблюдаются в плоскости, нормальной к приложенным нагрузкам, то все причины, способствующие образованию или увеличению дефектов на поверхности (низкая чистота поверхности, наличие концентраторов напряжений, трение, монотонный или циклический нагрев), вызывают снижение усталостной прочности.

Усталостную прочность повышают:

а) термическая обработка сплавов, создающая более однородную дисперсную структуру с благоприятным распределением микронапряжений;

б) обдувка дробью или обкатка роликом, создающие напряжения сжатия в поверхностном слое;

в) азотирование, также создающее в поверхностном слое остаточные напряжения сжатия;

г) другие факторы.

Исследование макроструктуры сплавов с применением травления

Для исследования применяют поверхностное и глубокое травление. Поверхностное травление не создает рельефа и сопровождается окрашиванием отдельных зон с различной интенсивностью. Его применяют для исследования макрошлифов, в которых наблюдается резкая разнородность в химическом составе или структуре (сварка, химико-термическая обработка и др.). Температура травления – комнатная, время – 10–100 с, реактивы –относительно слабые (для сталей – 5%-ный раствор HNO₃, CuCl₂, для алюминиевых сплавов – 10%-ный раствор NaOH).

Глубокое травление, создающее на поверхности микрорельеф, применяется для деталей и макрошлифов с однородной структурой (литье, кованые детали). Время травления – до двух часов, температура травления – 80…100°С, реактивы – концентрированные.

Поверхностным травлением макрошлифов выявляют:

– химическую неоднородность на сечениях сварных швов; на сечениях деталей, поверхностный слой которых подвергнут диффузионному насыщению различными элементами: углеродом (цементация), азотом (азотирование), кремнием (силицирование), алюминием (алитирование), бором (борирование) и др.;

– структурную неоднородность (на макрошлифах, имеющих сварные швы, поверхностную закалку и др.);

– величину зерна макроструктуры (в тех случаях, когда зерно очень крупное и может быть рассмотрено невооруженным глазом, например, при неоднородной пластической деформации и последующей рекристаллизации алюминиевых и некоторых других сплавов);

–  газовую пористость слитков или литых деталей.

Глубоким травлением макрошлифов выявляют:

– структуру слитков и кованых деталей (размер и направление дендритных (древовидных) первичных кристаллов и др.);

– волокнистость в строении металлов и сплавов, которая чаще всего появляется в результате вытяжки (раскатки) примесей и неметаллических включений. По характеру волокнистости можно определить способ производства детали.

Выполняя отпечаток на фотобумаге по методу Баумана, можно установить распределение серы в сталях. С помощью этого метода можно сделать качественный анализ распределения серы и определить, где располагается место скопления серы и каково относительное количество серы (много, мало). Его применяют для контроля технологического процесса производства полуфабрикатов и выборочного контроля качества готовых деталей.

Задание и методические рекомендации

1. Ознакомиться с описанием лабораторной работы и согласно разработанной форме записать в журнал-отчет основные положения.

2. Изучить виды изломов. Пользуясь комплектом изломов, плакатами и фотографиями, ознакомиться с различными изломами, дать их характеристику и зарисовать.

3. Определить структурную или химическую неоднородность в цементированных деталях или в деталях с поверхностной закалкой.

Макрошлиф зачищают на наждачной шкурке, протирают сухой ветошью и опускают в реактив или протравливают ваткой с помощью пинцета в течение 10-20 с. Чаще всего применяют такие реактивы: 5%-ный раствор HNO₃ или 10%-ный раствор персульфата аммония (NH₄)₂S₂O₈. После травления, пока шлифы мокрые, запомнить и сразу же зарисовать структуру. Указать в отчете название детали, марку стали, толщину и природу слоя, режим травления и реактив. Дать заключение о качестве детали.

Если необходимо сохранить результаты анализа детали, ее промывают, быстро просушивают и покрывают лаком.