Файл: материалы.doc

Рис. 4. Ориентировка кристаллических решеток: а) в зернах литого металла;  б) после обработки давлением

31. Дефекты в металлах и влияние их на свойства.

32. Механические свойства металлов, прочность, пластичность, метолы определения. Твердость, ударная вязкость, методы определения.

Каждая деталь машины или инструмент должны обладать определёнными механическими свойствами (прочностью, пластичностью, упругостью и др.) От этих свойств зависит качество дета­лей, а также обрабатываемость металла. Чтобы убедиться, что деталь удовлетворяет тем требованиям, которые к ней предъявляются, производят механические испытания. Наиболее распространенными являются испытания металла на растяжение, испытание на удар, определение твёрдости, выносливости и жаропрочности.

Прочность и пластичность.

Чтобы определить упругость, прочность и пластичность металла, изготовляют образец, определённой длинны и сечения, устанавливают его в зажимы 2 разрывной машины. Для этих целей чаще всего ис­пользуют машины с гидравлической системой передачи усилия или с вин­товой системой.

Растягивающая сила F создает напряжение в испытываемом об­разце и вызывает его удлинение. Когда напряжение превысит прочность об­разца, он разорвется.

Рис. 6 Определение механических свойств (источник: И.С. Стернин: Машиностроительные материалы)

В результате испытания получают диаграмму растяжения. Из диаграммы видно, что вначале образец удлиняется пропорционально нагрузке.

Прямолинейный участок OA соответствует обратимым, упругим деформациям. При разгрузке образец принимает исходные размеры (этот процесс описывается все тем же прямолинейным участком кривой). Искривленный участок АС соответствует необратимым, пластическим деформациям. При разгрузке (штриховая прямая СВ) образец не возвращается к начальным размерам и сохраняет некоторую остаточную деформацию.

От точки С образец удлиняется без увеличения нагрузки. Горизонтальный участок СМ диаграммы называется площадкой текучести. Напряжение, при котором происходит рост деформаций без увеличения нагрузки, называется пределом текучести.

Твердость определяют сопротивлением материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании.

Это неразрушающий метод контроля. Основной метод оценки качества термической обработке изделия. О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля, Виккерса, микротвердости).

Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость.

Рис. 7 Схемы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквелла; в – по Виккерса (источник: http://tm.msun.ru/)

Твердость по Бринеллю

Испытание проводят на твердомере Бринелля (рис. 7 а)

В качестве индентора (наконечника) используется стальной закаленный шарик диаметром D 2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщины изделия.

Нагрузка Р, в зависимости от диаметра шарика и измеряемой твердости: для термически обработанной стали и чугуна – P= 30D², литой бронзы и латуни – P= 10D² , алюминия и других очень мягких металлов – P= 2,5D². Продолжительность выдержки : для стали и чугуна – 10 с, для латуни и бронзы – 30 с.

Полученный отпечаток измеряется в двух направлениях при помощи лупы Бринелля.

Твердость определяется как отношение приложенной нагрузки Р к сферической поверхности отпечатка F:

Стандартными условиями являются D = 10 мм; Р = 3000 кгс; = 10 с. В этом случае твердость по Бринеллю обозначается НВ 250, в других случаях указываются условия: НВ D / P /, НВ 5/ 250 /30 – 80.

Твердость по Роквеллу

Этот метод основан на вдавливании в поверхность наконечника под определенной нагрузкой. (рис. 7 б)

Индентор для мягких материалов (до НВ 230) – стальной шарик диаметром 1/16” ( 1,6 мм), для более твердых материалов – конус алмазный.

Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузкаP₀(10 кгс) для плотного соприкосновения наконечника с образцом. Затем прикладывается основная нагрузка Р1, в течении некоторого времени действует общая рабочая нагрузка Р. После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой P₀.

В зависимости от природы материала используют три шкалы твердости:

Таблица.1 Шкалы для определения твердости по Роквеллу

Твердость по Виккерсу

В качестве индентора используется алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине 136º.

Твердость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки P к площади поверхности отпечатка F:

Нагрузка Р составляет 5…100 кгс. Диагональ отпечатка d измеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе.

Преимущество данного способа в том, что можно измерять твердость любых материалов, тонкие изделия, поверхностные слои. Высокая точность и чувствительность метода.

Способ микротвердости – для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра). Аналогичен способу Виккерса. Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливании Р составляют 5…500 гс.

Испытание металлов на износ проводят на образцах в лабораторных условиях, а деталей - в условиях реальной эксплуатации. При испытаниях образцов моделируются условия трения, близкие к реальным. Величину износа образцов или деталей определяют различными способами: измерением размеров, взвешиванием образцов и другими методами.

Механические свойства и методы их определения

Механические свойства материалов определяют на специальных образцах.

Наиболее распространенными механическими характеристиками являются: твердость , пределы прочности и упругости , ударная вязкость

Испытания выполняются на раз­рывных машинах с использованием специальных образцов. Деформация может быть упругой или пластической . Упругая деформация полностью снимается (исчезает) после снятия нагрузки. Пластическая деформация не исчезает после снятия нагрузки (согните алюминиевую проволоку, после того как нагрузка снята, проволока не разгибается — она пластически деформирована).

При этом определяются: предел прочности (sв) — напряжение, при котором происходит разрушение образца

Определение твердости

Твердость характеризует сопротивление материала большим пластическим деформациям.

Наиболее распространенные методы определения твердости связаны с внедрением специального тела, называемого индентором, в испытуемый материал с таким усилием, чтобы в материале остался отпечаток индентора.

Метод Бринелля (НВ )

Вдавливание шарика происходит при постоянной нагрузке, в результате на поверхно­сти образца образуется отпечаток в виде сферической лунки.

Диаметр отпечатка измеряется в двух взаимно перпендикулярных направлениях с помощью микроскопа Бринелля — это лупа со шкалой.

Метод Роквелла

Принципиальное отличие этого метода от рассмотренного ранее заключается в том, что твердость определяется не площадью поверхности отпечатка индентора, а глубиной его проникновения в исследуемый образец.

В качестве индентора используют алмазный конус при испытаниях твердых материалов и стальной закаленный шарик при испытаниях мягких материалов. Значения твердости обозначаются:HRC — алмазный конус, нагрузка 150 кгс; HRA — алмазный конус, нагрузка 60 кгс; HRB — шарик (например, 90 HRA). Шкала по измерению твердости HRC изменена в связи с изменением эталона, поэтому в измеряемые значения следует вносить поправку.

Значения твердости в единицах HRC примерно в 10 раз меньше, чем в единицах НВ, т.е. твердость 30 HRC примерно соответ­ствует 300НВ.

Метод Виккерса

Метод основан на вдавливании четырехгранной алмазной пирамидки с углом между противоположными гранями, равным 136°. Твердость (она обозначается HV ) определяется отношением нагрузки к площади поверхности отпечатка.

Значения твердости по Бринеллю и Виккерсу практически равны.

Метод Шора .

При измерении твердости по Шору груз вместе с укрепленным на нем индентором (обычно это стальной шарик) падает с высоты на образец перпендикулярно его поверхности. Твердость по Шору определяется по высоте отскока шарика(груз с инден­тором).

Определение ударной вязкости и вязкости разрушения

Для определения ударной вязкости используют образцы с надрезом, который служит концентратором напряжений. Образец устанавливают на маятниковом копре так, чтобы удар маятника происходил против надреза, раскрывая его. Маятник поднимают на высоту, при падении он разрушает образец, поднимаясь на высоту(так как часть запасенной при подъеме работы тратится на разрушение образца).

Ударная вязкость — это относительная работа разрушения, т.е. работа, отнесенная к площади образца до разрушения. Вязкость разрушения. Более полную информацию о вязкости металлов дают испытания на вязкости разрушения.

33. Сплавы, структурные составляющие, кривые охлаждения. Диаграмма состояния сплава, метод построения.

Многие считают, что для оценки свойств сплавов достаточно знать их химический состав. Но это не совсем так. Например, многие сплавы после термообработки становятся намного прочнее, хотя химсостав при этом не меняется. И, наоборот, небольшое изменение химического состава сплава может вызвать непропорционально большое изменение его механических или технологических свойств.

На самом деле важно знать, каким образом составляющие компоненты присутствуют в сплаве, а для этого надо знать его фазовый состав. Можно считать, что химический состав определяет возможные свойства, а фактические свойства определяются фазовым сос3.