Файл: Materialoznavstvo_2013_pravl_1.doc

Розділ 5. Механічні та експлуатаційні властивості металів

5.1. Механічні властивості і способи визначення їх кількісних характеристик: твердість, в'язкість, втомна міцність

Твердість – це властивість матеріалу чинити опір проникненню в його поверхню стандартного тіла (індентора), що не деформується при випробуванні.

Широке розповсюдження пояснюється тим, що не потрібні спеціальні зразки.

Це неруйнівний метод контролю. Основний метод оцінки якості термічної обробки виробу. Твердість визначають або за глибиною проникнення індентора (метод Роквелла), або за величиною відбитку від втискання (методи Брінелля, Віккерса, мікротвердості).

Відбувається пластична деформація матеріалу. Чим більше опір матеріалу пластичній деформації, тим вища твердість.

Найбільшого поширення набули методи Брінелля, Роквелла, Віккерса і мікротвердості.

Схеми випробувань представлені на рис. 5.1.

Р

D

d

a) б) в)

Рис. 5.1. Схеми визначення твердості:
а – за Брінеллем; б – за Роквеллом; в – за Віккерсом

Твердість за Брінеллем ( ГОСТ 9012)

 Випробування проводять на твердомірі Брінелля (рис. 5.1 а).

Як індентор використовується сталева загартована кулька діаметром D 2,5; 5; 10 мм, залежно від товщини виробу.

Навантаження Р, залежно від діаметру кульки і вимірюваної твердості: для термічно обробленої сталі і чавуну – , литої бронзи і латуні – , алюмінію й інших дуже м'яких металів – .

Тривалість витримки τ: для сталі і чавуну – 10 с, для латуні і бронзи – 30 с.

Отриманий відбиток вимірюється в двох напрямах за допомогою лупи Брінелля.

Твердість визначається як відношення прикладеного навантаження Р до сферичної поверхні відбитку F:

.

Стандартними умовами є: D = 10 мм; Р = 3000 кгс; τ = 10 с.
У цьому випадку твердість за Брінеллем позначається НВ 250, в інших випадках вказуються умови: НВ D / P /τ /, НВ 5/ 250 /30 – 80.

Метод Роквелла (ГОСТ 9013) 

Заснований на втисканні в поверхню наконечника під певним навантаженням (рис. 5.1 б).

Індентор для м'яких матеріалів (до НВ 230) – сталева кулька діаметром 1/16” (Ø1,6 мм), для твердіших матеріалів – алмазний конус.

Навантаження здійснюється в два етапи.

Спочатку прикладається попереднє навантаження P_o (10 кгс) для щільного контакту наконечника зі зразком.

Потім прикладається основне навантаження Р₁, потягом деякого часу діє загальне робоче навантаження Р.

Після зняття основного навантаження визначають значення твердості за глибиною залишкового втискання наконечника h під навантаженням P_o.

Залежно від природи матеріалу використовують три шкали твердості (табл. 5.1).

Таблиця 5.1. Шкали для визначення твердості за Роквеллом

Метод Віккерса

Твердість визначається за величиною відбитку (рис. 5.1 в).

Як індентор використовується алмазна чотиригранна піраміда з кутом при вершині 136^o.

Твердість розраховується як відношення прикладеного навантаження P до площі поверхні відбитку F:

Навантаження Р складає 5–100 кгс. Діагональ відбитку d вимірюється за допомогою мікроскопу, встановленого на приладі.

Перевага даного способу в тому, що можна вимірювати твердість будь-яких матеріалів (тонкі вироби, поверхні кульок), висока точність і чутливість методу.

Спосіб мікротвердості застосовується для визначення твердості окремих структурних складових і фаз сплаву, дуже тонких поверхневих шарів (соті долі міліметра).

Аналогічний способу Віккерса. Індентор – піраміда менших розмірів, навантаження під час втискання Р становить 5–500 гс.

.

Динамічний метод (за Шором)

Кульку кидають на поверхню із заданої висоти, вона відскакує на певну величину. Чим більше величина відскоку, тим твердіше матеріал.

У результаті проведення динамічних випробувань на ударний вигин спеціальних зразків із надрізом (ГОСТ 9454) оцінюється в'язкість матеріалів і встановлюється їх схильність до переходу з в'язкого стану в крихкий.

В'язкість – здатність матеріалу поглинати механічну енерґію зовнішніх сил за рахунок пластичної деформації.

Є енерґетичною характеристикою матеріалу, виражається в одиницях роботи. В'язкість металів і сплавів визначається їх хімічним складом, термічною обробкою й іншими внутрішніми чинниками.

Також в'язкість залежить від умов, у яких працює метал (температури, швидкості навантаження, наявність концентраторів напруги).

Вплив температури

Із підвищенням температури в'язкість збільшується (рис. 5.2).

Межа текучості S_т істотно змінюється зі зміною температури, а опір відриву S_от не залежить від температури. За температури вище Т_в межа текучості менша опору відриву. Якщо за навантаження спочатку має місце пластична деформація, а потім – руйнування, метал знаходиться у в'язкому стані.

За температури нижче Т_н опір відриву менший межі текучості. В цьому випадку метал руйнується без попередньої деформації, тобто знаходиться в крихкому стані. Перехід із в'язкого стану в крихкий відбувається в інтервалі температур Т_н –Т_в.

Холодокрихкістю називається схильність металу до переходу в крихкий стан зі зниженням температури.

Холодокрихкими є залізо, вольфрам, цинк й інші метали, об’ємноцентровані, що мають, кубічну і гексагональну щільноупаковану кристалічну решітку.

Рис. 5.2. Вплив температури на пластичний і крихкий стан 

5.2. Експлуатаційні властивості

Експлуатаційні властивості характеризують здатність матеріалу працювати в конкретних умовах.

1. Зносостійкість – здатність матеріалу чинити опір поверхневому руйнуванню під дією зовнішнього тертя.

2. Корозійна стійкість – здатність матеріалу чинити опір дії агресивних кислотних і лужних середовищ.

3. Жаростійкість – здатність матеріалу чинити опір окисленню в газовому середовищі за високої температури.

4. Жароміцність – здатність матеріалу зберігати свої властивості за високих температур.

5. Холодостійкість – здатність матеріалу зберігати пластичні властивості за негативних температур.

6. Антифрикційність – здатність матеріалу припрацьовуватися до іншого матеріалу.

Ці властивості визначаються спеціальними випробуваннями залежно від умов роботи виробів.

Вибираючи матеріал для створення конструкції, необхідно повністю враховувати механічні, технологічні й експлуатаційні властивості.

Розділ 6. Залізовуглецеві сплави.
Діаграма стану «залізо – вуглець»

6.1. Залізовуглецеві сплави

Залізовуглецеві сплави – сталі і чавуни – найважливіші металеві сплави сучасної техніки. Виробництво чавуну і сталі за об'ємом перевищує виробництво всіх інших металів, разом узятих, більш ніж вдесятеро.

Діаграма стану «залізо – вуглець» дає основне уявлення про будову залізовуглецевих сплавів – сталей і чавунів. Початок вивченню діаграми «залізо – вуглець» поклав Д. К. Чернов у 1868 році, який вперше вказав на існування в сталі критичних точок і на залежність їх положення від вмісту вуглецю.

Діаграма «залізо – вуглець» повинна розповсюджуватися від заліза до вуглецю. Залізо утворює з вуглецем хімічну сполуку: цементит – Fe₃C. Кожну стійку хімічну сполуку можна розглядати як компонент, а діаграму – по частинах. Оскільки на практиці застосовують металеві сплави із вмістом вуглецю до 6,67 %, то розглядаємо частину діаграми стану від заліза до хімічної сполуки цементиту, що містить вуглецю 6,67 %.

Діаграма стану «залізо – цементит» представлена на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Діаграма стану «залізо – цементит»

6.2. Компоненти і фази залізовуглецевих сплавів

Компонентами залізовуглецевих сплавів є залізо, вуглець і цементит.

1. Залізо – перехідний метал сріблясто-світлого кольору. Має високу температуру плавлення – 1539 ^oС.

У твердому стані залізо може знаходитися в двох модифікаціях. Поліморфні перетворення відбуваються за температур 911 ^oС і 1392 ^oС. За температури нижче 911 ^oС існує Fe_α з об'ємно-центрованими кубічними ґратами. У інтервалі температур 911–1392 ^oС стійким є Fe_γ з гранецентрованими кубічними ґратами. Вище 1392 ^oС залізо має об'ємно-центровані кубічні ґрати. Високотемпературна модифікація Fe_α не є новою алотропічною формою. Критичну температуру 911 ^oС перетворення Fe_α в Fe_γ позначають крапкою, а температуру 1392 ^oС – перетворення А.

За температури нижче 768 ^oС залізо феромагнітне, а вище – парамагнітне. Точка Кюрі заліза 768 ^oС позначається G.

Залізо технічної чистоти має невисоку твердість (80 НВ) і міцність (межа міцності – σ_В = 250 МПа, межа текучості – σ_Т  = 120 МПа) і високу характеристику пластичності (відносне видовження δ = 50 %, а відносне звуження ψ = 80 %). Властивості можуть змінюватися в деяких межах залежно від величини зерна.

Залізо характеризується високим модулем пружності, наявність якого виявляється і в сплавах на його основі, забезпечуючи високу жорсткість деталей із цих сплавів.

Залізо з багатьма елементами утворює розчини: з металами – розчини заміщення, з вуглецем, азотом і воднем – розчини впровадження.

2. Вуглець належить до неметалів. Здатний до поліморфного перетворення, залежно від умов утворення існує у формі графіту з гексагональною кристалічною решіткою (температура плавлення – 3500 ^oС, щільність – 2,5 г/см³) або у формі алмазу зі складними кубічними ґратами з координаційним числом рівним чотирьом (температура плавлення – 5000 ^oС).

У сплавах заліза з вуглецем вуглець знаходиться в стані твердого розчину із залізом і у вигляді хімічної сполуки – цементита (Fe₃C), а також у вільному стані у вигляді графіту (у чавунах).

3. Цементит (Fe₃C) – хімічна сполука заліза з вуглецем (карбід заліза), містить 6,67 % вуглецю.

Алотропічних перетворень не спостерігається. Кристалічна решітка цементита складається з ряду октаедрів, вісі яких нахилені одна до одної.

Температура плавлення цементиту точно не встановлена (1250–1550 ^oС). За низьких температур цементит слабо феромагнітний, магнітні властивості втрачає за температури близько 217 ^oС.

Цементит має високу твердість (більше 800 НВ, легко дряпає скло), але надзвичайно низьку, практично нульову, пластичність. Такі властивості є наслідком складної будови кристалічної решітки.

Цементит здатний утворювати тверді розчини заміщення. Атоми вуглецю можуть заміщатися атомами неметалів: азотом, киснем; атоми заліза – металами: марганцем, хромом, вольфрамом та ін. Такий твердий розчин на базі ґрат цементиту називається легованим цементитом.

Цементит – сполука нестійка і за певних умов розпадається з утворенням вільного вуглецю у вигляді графіту. Цей процес має важливе практичне значення у ході структуроутворення чавунів.

У системі «залізо – цементит» існують наступні фази: рідка фаза, ферит, аустеніт, цементит.

1. Рідка фаза. У рідкому стані залізо добре розчиняє вуглець у будь-яких пропорціях з утворенням однорідної рідкої фази.

2. Ферит (Ф) (C) – твердий розчин впровадження вуглецю в залізо.

Ферит має змінну граничну розчинність вуглецю: мінімальну – 0,006 % (за кімнатної температур), максимальну – 0,02 % (за температури 727 ^oС). Вуглець розташовується в дефектах ґрат.

За температури вище 1392 ^oС існує високотемпературний ферит (Fe_σ (C)), із граничною розчинністю вуглецю 0,1 % за температури 1499 ^oC (точка J).

Властивості фериту близькі до властивостей заліза. Він м'який (твердість – 130 НВ, межа міцності σ_В = 300 МПа) і пластичний (відносне видовження – σ = 30 %), магнітний до 768 ^oС.

3. Аустеніт (А) (С) – твердий розчин включення вуглецю в залізо.

Вуглець займає місце в центрі гранецентрованого кубічного осередку.

Аустеніт має змінну граничну розчинність вуглецю: мінімальну – 0,8 % (за температури 727 ^oС (точка S)), максимальну – 2,14 % (за температури 1147 ^oС (точка Е)).

Аустеніт має твердість 200–250 НВ, пластичний (відносне видовження σ = 40–50 %), парамагнітний.

У разі розчинення в аустеніті інших елементів, можуть змінюватися властивості і температурні межі існування.

6.3. Структури залізовуглецевих сплавів

Усі сплави системи «залізо – цементит» за структурною ознакою ділять на дві великі групи: сталі і чавуни.

Особливу групу складають сплави із вмістом вуглецю менше 0,02 % (точка Р), їх називають технічне залізо. Мікроструктури сплавів представлені на рис. 6.2. Структура таких сплавів після закінчення кристалізації складається або із зерен фериту (рис. 6.2 а), за вмісту вуглецю менше 0,006 %, або із зерен фериту і кристалів цементиту третинного, розташованих по межах зерен фериту (рис. 6.2 б), якщо вміст вуглецю становить від 0,006 до 0,02 %.