Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Иванова_Основы металловедения.pdf
Скачиваний:
139
Добавлен:
26.03.2015
Размер:
8.38 Mб
Скачать

4. СПОСОБЫ ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

1.Основные характеристики металлических материалов.

2.Виды термической обработки материалов.

3.Легирование.

4.Поверхностное упрочнение (поверхностная закалка).

5.Химико-термическая обработка.

Основные характеристики металлических материалов

Прочность – способность материалов сопротивляться разрушению. Характеризуется пределом прочности при растяжении или разрыве (временным сопротивлением) – σ (МПа или Н/мм2).

Между пределом прочности при растяжении и твердостью пластичных материалов, определяемой способом вдавливания, существует количественная зависимость. Для большинства материалов σ = k НВ, где k – коэффициент пропорциональности k ≈ 0,3; НВ – твердость материала, определенная методом Бринелля, кгс/мм2.

Прочность металлических кристаллов зависит от количества дефектов (рис. 35).

Теоретическая прочность

Прочность усов

Прочность

Реальная прочность металлов

Металлы

упрочненные Чистые металлы

Искажения Рис. 35. Прочность кристаллов в зависимости от искажений решетки

42

Усы – нитевидные монокристаллы, иглообразные, высокопрочные материалы с большим соотношением длины к диаметру (100– 2500 / 1–10 мкм). Прочность монокристаллов приближается к теоретической прочности. Производство монокристаллов очень сложное и требует больших материальных затрат.

С увеличением плотности дислокаций прочность металлов вначале падает, а затем увеличивается, так как дислокации начинают мешать перемещаться друг другу.

Способы упрочнения металлов (ведут к увеличению полезной плотности дислокаций):

механический наклеп;

термическая обработка;

измельчение зерна;

легирование с образованием твердых растворов внедрения. Наклеп – искажение кристаллической решетки в результате пла-

стической деформации.

При пластической деформации зерна могут приобрести определенную структуру – текстуру. Беспорядочно ориентированные кристаллы под действием деформации поворачиваются осями наибольшей прочности вдоль направления деформации, с увеличением которой степень текстурированности возрастает. Текстура металла может возникнуть при литье, пластической деформации, отжиге, электроосаждении. Поликристаллические изделия с текстурой металла обладают анизотропией механических и физических свойств. В некоторых случаях текстуру получают намеренно – сплавы для постоянных магнитов, трансформаторная сталь.

Твердость – сопротивление металлов вдавливанию. При определении твердости производят вдавливание в испытуемый материал индентора, изготовленного из значительно более твердого материала, чем испытуемый.

Твердость характеризуется числом твердости в следующих единицах:

НВ – по методу Бринелля. Испытания проводят вдавливанием стального шарика определенного диаметра под нагрузкой в течение определенного времени (кгс/мм2);

HR – по методу Роквелла. Испытания на твердость проводят с помощью алмазного конуса с углом при вершине 120° (шкала А или С в зависимости от нагрузки) или стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм (шкала В). В зависимости от способа испытания число твердости обозначают соответственно НRA, HRC, НRВ (табл. 3).

43

 

Выбор нагрузки и наконечника

Таблица 3

 

 

 

для испытаний на твердость по Роквеллу

 

 

 

 

 

Обозна-

Вид наконечника

Нагрузка,

Обозначение

Пределы измерения

чение

Н

твердости

в единицах твердости

шкалы

 

по Роквеллу

по Роквеллу

 

 

 

 

 

 

 

А

Алмазный конус

600

HRA

7085

 

 

 

 

 

С

Алмазный конус

1500

НRC

2067

 

 

 

 

 

В

Стальной шарик

1000

НRВ

25100

 

 

 

 

 

Число твердости по Роквеллу – отвлеченное, выражается в условных единицах. За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. Число твердости по Роквеллу – HR рассчитывается по формулам:

– при измерениях по шкалам A и С

HR = 100 – е.

– при измерении по шкале В

HR = 130 – е,

Величина е определяется из выражения:

е = (h h0 )

,

0,002

 

где h – глубина внедрения наконечника в испытуемый материал под действием общей нагрузки Р, измеренная после снятия основной нагрузки Р1, с оставлением предварительной нагрузки Р0; h0 – глубина внедрения наконечника в испытуемый материал под действием предварительной нагрузки P0;

HV – по методу Виккерса, в котором испытания проводят алмазной четырехгранной пирамидкой с квадратным основанием. Это измерение микротвердости, кг/мм2, Мн/м2.

Метод микротвердости является единственным методом, который позволяет определить твердость фаз и структурных составляющих многокомпонентных сплавов. Этим методом можно установить, как влияет термообработка, и какие легирующие компоненты играют главную роль в упрочнении исследуемого сплава. При измерении микротвердости чаще всего используют методы Виккерса (индентор с четырехгранной пирамидой и квадратным основанием) и Кнуупа (индентор с четырехгранной пирамидой и ромбическим основанием).

Между различными методами измерения твердости существует корреляция, хотя и не очень точная. Зная значение твердости, полученное одним способом, по соответствующим таблицам можно опре-

44

делить, какому числу твердости (и прочности) другого метода оно соответствует (табл. 4). Например, твердость в единицах HB приблизительно в 10 раз больше твердости, измеренной в единицах НRC.

Погрешность перевода чисел твердости по Виккерсу в единицы Бринелля составляет ±20 НВ, в единицы Роквелла – ±3 НRC (HRВ), в значения σ – ±10%.

Таблица 4

Сравнительная таблица значений твердости, полученных на различных приборах, и перевода в значения прочности

Предел проч-

 

Твердость

 

ности при рас-

Виккерс

Бринелль

Роквелл

Роквелл

тяжении σ,

HV

НВ3000

HRB

HRC

МПа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

340

100

100

52,4

510

150

150

79,9

680

200

200

92,8

780

230

230

98,4

810

240

240

100,0

20,3

850

250

250

22,1

1020

300

300

30,2

1170

350

344

36,3

1310

400

384

40,5

1440

450

425

44,5

1540

480

452

46,8

Микротвердость некоторых фаз и структурных составляющих железо-углеродистых сплавов приведена в табл. 5, 6.

Микротвердость некоторых фаз

Таблица 5

 

и структурных составляющих сплавов Fe – C

 

 

 

 

 

Наименование фазы или

Марка стали

Микротвердость

структурной составляющей

Мн/м2

кг/мм2

Феррит

08

1 226

125

 

20

2 354–2 698

240–275

 

30

2 698–3 089

275–315

 

45

2 501

255

Сорбит (феррит с зернистыми

20ХН

2 698–3 197

275–325

карбидами)

ШХ15

2 108–2 795

215–285

 

Х12

2 893–3 334

295–340

 

Х12М

2 698–3 040

275–310

 

ЭИ229

2 942–3 060

300–312

45

 

 

 

Окончание табл. 5

 

 

 

 

 

Наименование фазы или

Марка стали

 

Микротвердость

структурной составляющей

 

Мн/м2

кг/мм2

 

 

2

698–3 138

 

Пластинчатый перлит

20

275–320

 

30

3

197–3 383

325–345

 

У7

2

698–3 236

275–330

 

Чугун

2

942–3 579

300–365

Карбидная фаза

Чугун

10

738–11 278

1 095–1 150

 

Х12М

11

336–12 258

1 156–1 250

 

Х12

11

336–13 435

1 156–1 370

 

РК18

 

12 759

1 300

Аустенит

Типа 18-8

 

1 716

175

 

Х12М

 

5 099

520

 

Чугун

4

168–4 854

425–495

Ледебуритная эвтектика

Х12

7

355–8 336

750–850

 

Чугун

9 807–11 032

1 000–1 125

Троостит

 

5 590

570

Бейнит

 

4 707

480

Стедит*

2

942–7 600

300–775

Графит

 

20–107

2–11

*Стедит – тройная фосфидная эвтектика – фосфид + цементит + феррит, образующаяся в структуре чугунов.

Оттоженный алюминий имеет твердость 200 Мн/м2 (20 кг/мм2). В отожженном состоянии твердость никеля составляет около 1000 Мн/м2 (100 кг/мм2). С увеличением температуры твердость

сплавов уменьшается.

 

 

Микротвердость мартенсита

 

Таблица 6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Максимальная

 

Mикротвердость мартенсита

Сплав

микротвердость

закалка

закалка с температуры

 

мартенсита

с температуры Ac1

оплавления

 

Мн/мм2

кг/мм2

Мн/мм2

 

кг/мм2

Мн/мм2

кг/мм2

20

10 297,0

1 050

7 109, 8

 

725

4 167,8

425

30

9 169,2

935

7 109,8

 

725

5 982,0

610

У7

9 904,7

1 010

6 962,7

 

710

8 924,0

910

20ХН

6 227,2

635

5 050,4

 

515

4 413,0

450

ШХ15

10 198,9

1 040

5 785,9

 

590

7 845,3

800

Х12М

8 727,9

890

3 922,7

 

400

5 001,4

510

ЭИ229

8 070,5–9 463,4

825–965

4 363,9

 

445

3 432,3

350

Чугун

10 444,0

1 065

6 619,5–

 

675–800

6 276,2

640

7 845,3

 

 

 

 

 

 

 

 

46

Микротвердость химических соединений приведена в табл. 7.

 

 

 

 

Таблица 7

Микротвердость некоторых карбидов, боридов, силицидов

(по данным Мотта, Ковальского и др.)

 

 

 

 

 

 

Фаза

Состав

Нагрузка,

Микротвердость

Мн/мм2

кг/мм2

 

 

г

Карбид бора

ВС

36 285

3 700

Карбид ниобия

NbС

50

20 153–23 536

2 055–2 400

Карбид тантала

ТаС

50

15 171–17 652

1 547–1 800

Карбид титана

TiС

100

27 949–33 245

2 850–3 390

 

 

 

 

 

Карбид хрома

Сr3С2

25

9 807–13 729

1 000–1 400

 

 

50

12 749

1 300

Карбид вольфрама

WC

100

15 544–16 956

1 585–1 730

 

 

50

23 536

2 400

 

W2C

50

29 420–33 343

3 000–3 400

Карбид титана – вольфрама

12 209–28 493

1 245–2 900

Карбид хрома – вольфрама

14 710–23 536

1 500–2 400

Карбид железа – ванадия

25

17 770

1 812

Борид титана

TiB2

50

33 343

3 400

Борид хрома

СrВ2

50

17 652

1 800

Силицид титана

Ti5Si3

100

9 669

986

Силицид хрома

CrSi2

100

11 278

1 150

Относительное удлинение (δ) или относительное сужение (ψ) характеризуют пластичность материала. Пластичность – свойство твердых тел необратимо деформироваться под действием механических нагрузок. Пластичность определяет возможность обработки материалов давлением (ковка, прокатка).

Как правило, если прочность увеличивается, то пластичность уменьшается. Исключение – сталь, легированная никелем, который увеличивает пластичность и прочность.

Вязкость (внутреннее трение) – способность твердых и жидких тел оказывать сопротивление их течению (перемещению одного слоя тела относительно другого) под действием внешних сил.

Предел текучести – наименьшее напряжение σ0,2, после снятия которого обнаруживается пластическая деформация (0,2% от расчетной длины образца).

47