2.3.2. Метод Роквелла (гост 90гз-59)

Принципиальное отличие измерения твердости этим методом от изме­рения по методу Бринелля состоит в том, что твердость определяют по глубине отпечатка, получаемого вдавливанием алмазного конуса с углом при вершине 120° или стального шарика диаметром 1,59мм, а не по площади отпечатка. На рисунке 2.5 приведен прибор Роквелла. Схема замера твёрдости по методу Роквела приведена на рисунке 2.3,б

а — внешний вид прибора типа ТР;

б - шкала прибо­ра,

в - наконечник с ал­мазным конусом,

г - на­конечник со стальным ша­риком

Рисунок 2.5 Прибор для определения твёрдости по Роквеллу

Образец для измерений должен иметь тщательно зашлифованную плоскую поверхность, в которую вдавливаются конус или шарик, а противоположная параллельная сторона также должна быть ровной, зачищенной.

Твердость измеряют на приборе под действием двух нагрузок. Сначала дается предварительная (начальная - Fо) нагрузка, равная 10кг, а затем основная нагрузка F. Предварительное нагружение проводят для того, что­бы исключить влияние упругой деформации и различной степени шероховатости поверхности образца, на результаты измерений. Контрольная стрелка устанавливается на красную точку (рис. 2.3,б и рис. 2.5)

Твердость на приборе Роквелла можно измерять алмазным конусом с общей нагрузкой 150кг. В этом случае значения твердости характеризуют­ся цифрой и обозначаются HRC. Например, 65 HRC означает, что твердость материала составляет 65 единиц по Роквеллу по шкале C с нагрузкой 150кг, если же замер осуществляется алмазным конусом с общей нагрузкой 60кг, то в этом случае значе­ния твердости также характеризуются цифрой и обозначаются HRA. В обоих случаях отсчет значений твердости осуществляется по черной шкале С. Числа НRА можно перевести на числа НRС по следующей формуле: HRC = 2 HRA - 104

Если же замер осуществляется стальным шариком с общей нагрузкой 100кг, то в этом случае значения твердости характеризуются цифрой и обозначают HRB,если же замер осуществляется стальным шариком с общей нагрузкой 60кг, то в этом случае значения твердости характеризуются цифрой и обозначают HRF. Замер идет по красной шкале B.

Прибором Роквелла измеряют разность между глубиной отпечатков алмазного конуса (стального шарика), полученного при вдавливании наконеч­ника под действием основной нагрузки и действием предварительной нагрузки (рис. 2.3,б). Но, прибор отмечает не указанную глубину вдавливания h , а величину 100 - h - при измерении алмазом и величину 130 - h при измерении шариком, поэтому, чем тверже материал и, следовательно, меньше h, тем больше должно быть число твердости (таблица 2.5).

Каждое деление шкалы Роквелла соответствует глубине проникновения шарика (или алмаза) на 0,002мм в испытываемый образец. Число твердости по Роквеллу получается путем вычитания числа единиц углубления из 100 для шкалы С и из 130- для шкалы В.

Таблица 2.5. Условия для испытания по Роквеллу.

Обозначение шкалы Роквелла	Тип наконечника	Нагрузка, кг	Допускаемые измерения
B	Стальной шарик	100	20 – 100
F	Стальной шарик	60
C	Алмазный конус	150	20 – 67
A	Алмазный конус	60	70 – 85

Измерения алмазным конусом с нагрузкой 150кг (НRС) проводят для закаленной или низкоотпущенной стали; для тонких поверхностных слоев толщиной более 0,5мм.

Измерения алмазным конусом с нагрузкой 60кг (HRA) проводят для очень твердых материалов, для твердых поверхностных слоев толщиной 0,3 - 0,5мм или тонких пластинок. (таблица 2.5.)

Измерения стальных шариков с нагрузкой 100кг (HRB) проводят для отожженной стали или отожженных цветных сплавов, с нагрузкой 60кг – (HRF) для свинца, меди.

Расстояния от центра отпечатка до края образца или до центра дру­гого отпечатка должны быть не менее 1,5мм при вдавливании конуса и не менее 4мм при вдавливании шарика. Измерение твердости по Роквеллу требует меньше времени, чем по Бринеллю, результат измерений виден на шкале, кроме того, на поверхности детали остается меньший отпечаток.

Преимуществами метода Роквелла являются простота, высокая производительность, высокая твердость, возможность полной автоматизации и прямой отсчет по шкале; недостатки- необходимость тщательной подготовки измеряемой поверхности, размеры образцов- небольшие.

2.4. Выполнение и оформление результатов работы.

2.4.1. Измерить твердость образцов методом Бринелля и методом Роквелла трижды.

2.4.2. Рассчитать твердость по Бринеллю по формуле.

2.4.3. Методом математической статистики рассчитать ошибку опыта.

2.4.4. Перевести единицы твердости по Роквеллу в единицы твердости по Бринеллю по таблице 2.6.

Таблица 2.6 Таблица перевода чисел твёрдости

2.4.5. Определить приблизительно по значениям твердости пределы прочности.

2.4.6. Свести все данные в таблице 2.7.

Таблица 2.7. Результаты замера твердости

Метод замера твердости		Диаметр отпечатка, мм	Нагрузка, кг	Шкала	Твердость по Роквеллу	Твердость по Бринеллю
По Бринеллю	1			3000
	2			3000
	3			3000
По Роквеллу	1			150
	2			150
	3			150
По Роквеллу	1			100
	2			100
	3			100

В таблице 2.7 приведены соотношения чисел твердости по Бринеллю с числами твердости по Роквеллу.

2.5. Методика обработки данных измерения

Оценка погрешности измерения в лабораторных условиях производится многократным измерением одной и той же величины. Обычный порядок мате­матической обработки ряда значений измеренной величины сводится к вы­числению параметров распределения случайных погрешностей и оценки этих параметров в следующей последовательности.

1. Определяется среднее арифметическое значение X из полученных результатов ряда измерений Х₁, Х₂, X₃,..., Х_П,

, (2.5.)

где n- общее число измерения.

2.5.2. Определяются остаточные погрешности V₁, V₂, V₃… V_n, как разности между средним арифметическим значением X и отдельными значениями измеряемой величины X_i:

(2.6.)

2.5.3. Определяется средняя квадратичная погрешность измерения G.

(2.7.)

2.5.4. Определяется предельная погрешность измерения

∆ lim = ± 3G (2.8.)

Если после определения предельной погрешности измерения окажется, что какое-то значение V_i > ∆ lim ,то это значение относится к катего­рии "промахов" и должно быть отброшено, после чего производится повтор­ная обработка результатов измерения.

2.5.5. Определяется средняя квадратичная погрешность среднего арифме­тического значения измеряемой величины

(2.9.)

2.5.6. Определяется предельное значение погрешности среднего арифме­тического

(2.10.)

2.6. Контрольные вопросы

1. В чем заключается метод Бринелля для испытания твердости?

2. Что такое число твердости по Бринелю?

3. Какого диаметра шарики применяются для испытания твердости по Бринелю?

4. Какую нагрузку применяют для испытания твердости 10-мм шариком для стали и чугуна?

5. Какую нагрузку применяют при определении твердости для меди, латуни и бронзы?

6. Как расшифровать следующее обозначение: HB _3000/10/30 = 136 ? HB = 136 ?

7. Какое время под окончательной нагрузкой следует выдерживать мягкие материалы? Твердые?

8. Можно ли пользоваться прессом Гагарина или другим персом для испытания твердости?

9. Расскажите, как ведется испытание на прессе Бринеля.

10. Почему диаметр лунки следуем измерять по двум взаимно – перпендикулярным направлениям?

11. Какое приближенное соотношение существует между числом твердости по Бринелю и пределом прочности для различных материалов?

12. Чем вызвано создание прибора Роквелла при наличии пресса Бринелля?

13. Какого диаметра шарик применяется в приборе Роквелла?

14. Какую форму имеет алмазный индентор Роквелла?

15. В каких случаях пользуются шариком, а в каких алмазом?

16. Какая нагрузка применяется в приборе Роквелла при пользовании стальным шариком? Алмазным?

17. В каких целях употребляется предварительное надавливание на образец при испытании по Роквеллу?

18. Как производиться испытание на приборе Роквелла?

19. В какое положение устанавливается вращающаяся шкала индикатора после приложения предварительной нагрузки?

20. Как различаются между собой шкалы C и B индикатора?

21. Почему нельзя пользоваться обеими противоположными плоскостями эталонной пластины при проверке прибора Роквелла?

Лабораторная работа 3

Испытание материалов на растяжение

3.1. Цель работы: изучить типы образцов, применяемых для испытания на растяжение; изучить устройство испытательной машины; изучить методику построения и обработки диаграммы растяжения; изучить методику определения показателей прочности и пластичности.

3.2. Теоретическая часть

Самым распространённым способом испытания металлов (после измерения на твердость) является измерение металлов на растяжение. Для этой цели из металла, прочность которого надо установить, изготавливают цилиндрические или плоские образцы, форма и размеры которых указаны в ГОСТе 1497-73 (рис. 3.1)

а – круглый;

б – плоский

Рисунок 3.1. Образцы для испы­тания на растяжение:

При помощи разрывной машины подвергают эти образцы растяжению медленно возрастающей нагрузкой вплоть до разрыва. Испытания выполняют на машинах механического или гидравлического действия. Машины снабжены устройством, позволяющим автоматически фиксировать на диаграмме растяжения величины приложенной нагрузки и изменение длины образца в увеличенном масштабе. Типичный вид такой диаграммы приведен на рис. 3.2.

Рисунок 3.2. Исходная машинная диаграмма. Характеристики, определяемые по диаграмме растяжения.

Из этой диаграммы видно, что в начале растяжения зависимость между удлинением и нагрузкой выражается прямой линией (участок ОА). Это значит, что увеличение нагрузки вызывает пропорциональное увеличение удлинения, т.е. увеличивая нагрузку, например, в два раза, мы получаем увеличение удлинения в два раза. Увеличив нагрузку в три раза, получаем увеличение удлинения также в три раза и т.д. Эта зависимость была впервые установлена ученым Гуком и носит название закона Гука. Закон этот гласит: до некоторого предела изменение нагрузки на образец вызывает пропорциональное изменение длины образца.

Диаграммы растяжения представлены на рис. 3.2. По оси абсцисс от­кладывают абсолютное удлинение образца ∆ℓ, а по оси ординат – силу сопротивления материала Р.

Часто диаграмму растяжения строят в других координатах: по оси абсцисс откладывают относительную деформацию а по оси ординат- напряжение (см. рис. 3.3), где ℓ ₀ - начальная длина образца; F₀ - начальная площадь поперечного сечения образца. Диаграммы, построенные в системе координат P-∆ℓ , называ­ют исходными, а диаграммы, построенные в координатах G- - условными диаграммами растяжения.

Диаграмму растяжения можно построить в координатах: по оси абсцисс откладывают истинную деформацию , а по оси ординат- истинное напряжение S = (см. рис. 3.4), где _i - удлинение образца в данный момент, F_i - площадь поперечного сечения в данный момент. Такие диаграммы называются истинными диаграммами.

Форма диаграмм растяжения зависит от свойств испытуемого материала.

Рисунок 3.3 Условная диаграмма растяжения

Рисунок 3.4. Истинная диаграмма растяжения

Рисунок 3.5. Диаграмма растяжения для низкоуглеродистых отожженных легированных сталей и цветных металлов (с площадкой текучести)

На рис. 3.5 представлена диаграмма, на которой имеется горизонтальная площадка, соответствующая текучести материала, т.е. продолжению деформации при неизменном сопротивлении материала. Это характерно для низкоуглеродистых, отожженных легированных сталей и цветных металлов. Большинство металлов, в частности, средне- и высокоуглеродистые стали, не обнаруживают такого горизонтального участка на диаграмме растяжения (см. рис. 3.6).

Хрупкие сплавы имеют диаграмму растяжения, представленную на рис. 3.7.

Чаще встречаются диаграммы для сплавов имеющие вид, обозначенный на рис. 3.6.

Для конструкционных материалов важно знать не нагрузку, вызывающую тот или иной характер деформации, а напряжение, определяемое по услов­ной диаграмме растяжения (σ - ε) или рассчитанное по исходной диаграм­ме по формуле

(3.1.)

Рассчитываются по формуле (3.2) либо фиксируются по условной ди­аграмме следующие характеристики прочности материала:

- предел пропорциональности металла - напряжение, соответствующее на­чалу отклонения от линейной пропорциональной зависимости между напря­жением и деформацией. Принято считать за предел пропорциональности такое напряжение, при котором отклонение от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением достигает такого значения, при котором тангенс угла наклона, образованного касательной к точке P_пц на кривой, увеличивается на 50 % своего значения на линейном упругом участке.

В качестве характеристики прочности конструкционного материала предел пропорциональности используют редко. На этом участке проходит упругая деформация и действует закон Гука:

 =  · , (3.2.)

где Е - модуль нормальной упругости, модуль Юнга;

ε - относи­тельная деформация, МПа.

Предел упругости, это условное напряжение, при котором остаточная деформация достигает некоторой малой величины 0,01; 0,05 и т.д., т.е. появляются первые признаки макропластической деформации.

Для материалов, имеющих на диаграмме растяжения площадку текучести (см. рис. 3.5) , определяют физический предел текучести, как наименьшее напряжение при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки, физический предел текучести обозначается σ_T.

Для большинства конструкционных материалов, не имеющих на диаграмме растяжения площадки текучести, определяется условный предел текучести как напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % первоначальной длины образца ( ₀). Условный предел текучести обозначается σ_0.2, МПа;

σ_0.2 = (3.3.)

Временное сопротивление (предел прочности) материала - напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке P_max , предшествующей разрушению образца. Физический смысл σ_в - сопротивление максимальной равномерной деформации.

При диаграмме растяжения, приведенной на рис. 3.2, 3.4 мы можем определить истинный предел прочности, МПа:

S_в­ = , (3.4.)

где P_В - физический смысл; S_b- сопротивленние максимальной равномерной деформации.

Истинное сопротивление отрыву, МПа:

, (3.5.)

где F_к - конечная площадь поперечного сечения образца в месте шейки.

В случае разрыва хрупких сплавов вид диаграмм растяжения приведен на рис. 3.7 (кривые 1 или 2). В случае диаграммы, отвечающей 1-й кри­вой, мы можем определить четыре характеристики прочности: σ_пц ; σ_0.05 ; σ_0.2; ; σ_в.

Истинный предел прочности в этом случае - более строгая характеристика.

Физический смысл σ_в в данном случае - это характеристика предельной прочности.

При ходе диаграммы по 2-й кривой мы не можем определить ни σ_пц ни σ_0.05 , ни σ_0.2. Определяем только предел прочности:

Рисунок 3.6. Диаграмма растяжения для средне- и высоко-углеродистой стали (без площадки текучести)

Рисунок 3.7. Диаграммы растяжения для хрупкого сплава

Физический смысл его - это хрупкая прочность, это сопротивление хрупкому разрушению.

Пластические свойства материала оцениваются двумя характеристиками:

1) - относительное удлинение после разрыва - отношение, выраженное в процентах, приращения расчетной длины образца ∆ , остающееся после разрыва, к его начальной расчетной длине о;

2) - относительное сужение - отношение, выраженное в процентах наибольшего уменьшения площади поперечного сечения, образующегося в месте разрыва ( ∆F ) к начальной площади поперечного речения образца (F₀ ).

Расчет облегчен, если разрыв образца произошел посередине расчет­ной длины образца. Если же разрыв осуществился вблизи головки, расчет относительного удлинения иной.

Как известно, распределение удлинения по расчетной длине образца в процесса растяжения неравномерно. До максимальной нагрузки удлинение развивается равномерно по всей длине образца, а затем начинается мест­ная деформация на участках, где образуется шейка, а также на участках, прилегающих к шейке. Как показано на рисунке 3.8 в случае разрыва образца вблизи головки суммарное удлинение будет меньшим (площади 1+2+3) , чем при разрыве образца в середине длины (площади 2+3+4).

Во 2-м образце участок I, расположенный далеко от шейки образца, не участвует в развитии местной деформации, площадь его меньше площади участка 4 в первом образце. Таким образом, величина относительного удлинения будет больше в образце, где разрыв произошел посередине рас­четной длины, и чем дальше от середины расположено место разрыва, том меньше будет относительное удлинение.

В практике для устранения влияния места разрушения на величину относительного удлинения, место разрыва всегда относят к середине рас­четной длины образца и распределяют измеряемое удлинение симметрично по обе стороны от шейки.

На рисунке 3.8. приведен метод подсчета удлинений в случае разрыва образца вблизи головки.

Рис.3.8. Распределение деформации в образце при растяжении

Допустим, что расчетная длина образца равна II участкам по 10мм каждый, ℓ₀ = 110мм, разрыв произошел на 3-м участке. Половинки образца плотно складывают по месту разрыва и измеряют длину шейки 3 и прилегающей к ней участков 1,2 и 4,5, получивших наибольшее удлинение. Обозначим длину этих пяти участков ℓ' , число составляющих участков (II -5 = 6) распределяют равномерно относительно места разрыва.

Для этого измеряют длину трех участков 6, 7, 8 - ℓ" , не испы­тавших тормозящего действия головок, и полученную длину ℓ" удваивают, перенося, таким образом, участки 9, 10, 11 в левую часть образца и считая их удлинение равным удлинению участков 6, 7 и 8. Тогда длина участков II образца после разрыва:

ℓ_к = ℓ' + 2ℓ" (3.6.)

Таким образом, относительное удлинение в значительной степени яв­ляется величиной условной.

Менее условной характеристикой, которая определяет способность металла деформироваться, является относительное сужение ψ .

3.3. Порядок проведения испытания

Группа делится на восемь бригад, каждая бригада получает I образец

3.1. Измерить начальную длину ℓ₀ и начальный диаметр образца D₀.

3.2. Привести испытание на растяжение и зафиксировать максимальную нагрузку Pb, выдержанную образцом без разрушения. Получить исходную машинную диаграмму растяжения образца в координатах Р-∆ℓ

3.3. Измерить длину образца ℓ-∆ℓ _K после растяжения и диаметр образца в месте формирования шейки D_K.

3.4. По диаграмме определить масштаб записи по оcи абсцисс –

М1 = ∆ℓ - число делений по оси абсцисс.

Рисунок 3.9.Определение масштабов записи по осям диаграммы.

М2 = Pв - число делений по ординате

3.5. Определить по диаграмме P_0,.2или Pm (если есть площадка текучести) и умножить на масштаб

P_0,.2 · М2 (3.7.)

3.6. рассчитать предел текучести, МПа:

σ_0.2 = (3.8.)

3.7. Рассчитать условный предел прочности, МПа:

σ_в = (3.9.)

3.8. Рассчитать относительное удлинение с переносом места разрыва к середине образца и относительное сужение:

; (3.9.)

3.9. Все замеры и полученные данные занести в таблицы. 3.1 и 3.2.

Таблица 3.1. Результаты замера образцов

Размеры образцов	ℓ0, мм	ℓк, мм	Fо, мм	Fк, мм

Таблица 3.2. Результаты расчета исходной диаграммы растяжения

∆ℓ, мм	ε, %	Ψ, %	P0.2, кгс	Pb, кгс	σ0.2, МПа	σв, МПа

3. 4. Требования к отчету

В отчете должны быть представлены исходные диаграммы растяжения (схемы), приведены результаты расчетов, сведены в таблицы. Каждая бригада сохраняет диаграмму растяжения.

Диаграммы растяжения и результаты должны быть сопоставлены. Проанализировать влияние места разрыва образца на величину относительного удлинения.

3.5. Контрольные вопросы:

1. Какие виды диаграмм растяжения вы знаете?

2. Что такое предел пропорциональности и как он определяется?

3. Что такое предел упругости сплава и как он определяется?

4. Что такое предел текучести сплава и как он определяется?

5. Чем отличается физический «предел текучести от условного?

6. Что такое предел прочности условный, истинный, как они определяются?

7. Что такое сопротивление отрыву?

8. Каковы единицы измерения напряжения?

9. Что такое исходная, условная и истинная диаграмма растяжения?

I0.Что такое относительные сужение и удлинение, единицы их измерения?

11.Что такое истинное удлинение, как оно подсчитывается?

12.Физические смысл пределов прочности в случае растяжения хрупкого об разца сплава, и абсолютно хрупкого?

13.Какую зависимость выражает кривая на отдельных первичных диаграмм?

14.В чем смысл закона Гука?

15.Какая точка кривой растяжения соответствует началу образования шейки в образце?

16.Какая из двух нагрузок больше - нагрузка текучести или нагрузка, при которой начинает образовываться шейка в образце?

17.Допустима ли остановка в нагружении образца или разгрузка машины после того, как был превзойден предел текучести?

Лабораторная работа 4.

Связь прочностных и пластических свойств металлов при растяжении с размером зерна и плотности дислокаций

4.1. Цель работы: исследовать влияния размера зерна и плотности дислокаций на прочностные и пластические свойства при растяжении.

4.2. Теоретическая часть

Размер зерна, плотность дислокаций оказывают существенное влияние на механические свойства металлов и сплавов.

Предел текучести связан с диаметром зерна (D) известным уравнением Холла-Петча:

, (4.1)

где (σ₀ - напряжение, необходимое для перемещения дислокаций внутри зерна; K_y - коэффициент, определяющий трудность передачи деформации от зерна к зерну. Физический смысл произведения K_y d^-1/2 заключается в том, что оно характеризует напряжение, необходимое для инициирования работы дислокационных источников в соседних зернах. Урав­нение (4.1) выполняется и для условного предела прочности многих сплавов с различной структурой.

Если сплав подвергался холодной пластической деформации, в нем возрастает плотность дислокаций и напряжения в металле возрастают, т.е. возрастает предел упругости, предел текучести и предел прочности. Зависимость при этом определяется выражением:

(4.2)

где G - предел упругости;

β - коэффициент, зависящий от природы металла;

ρ - плотность дислокаций;

b – вектор Бюргерса.

Особенно чувствительными к плотности дислокаций являются прочностные характеристики (предел упругости и предел текучести). В то же время временное сопротивление разрушению (условный предел прочности σ_b ) мало зависит от исходной плотности дислокаций, так как к моменту достижения σ_b плотность дислокаций за счет деформационного упрочнения становиться вне зависимости от исходной, очень большой.

4.3. Порядок выполнения работы

4.3.1. Провести испытание двух образцов одной и той же марки стали с разным размером зерна, в отожженном состоянии, третий образец из той же стали продеформировать на 5 %. четвертый- на 10 %, снять нагрузку и испытать повторно на растяжение.

4.3.2. По исходным машинным диаграммам определить

σ_0,2 и σ_b, δ и ψ .

4.3.3. Приготовить шлифы для металлографического анализа (в головке образца) и определить средний линейный размер зерна:

S = , (4.3.)

где S - площадь зерна, мм² ;

D - диаметр зерна, подсчитанный с помощью окуляр-микрометра по формуле:

D = , (4.4.)

где L - интервал линейки.

4.3.4. По своим экспериментальным и выданным преподавателем данным δ , σ_0.2 , σ_b и D построить зависимости механических свойств от размера зерна и определить коэффициенты уравнения Холла-Петча.

4.3.5. Измерить плотность дислокаций ρ в образцах после предваритель­ного растяжения на 5 и 10 % по выданным электронным снимкам.

4.3.6. Проанализировать влияние D и ρ на σ_0.2 и σ_в.

4.4. Требования к отчету

В отчете по работе должны быть представлены:

- построенные кривые формации образцов с различным размером зерна и плотностью дислокаций;

- графическая зависимость σ_0.2 и σ_в от среднего значения размера зерна и от плотности дислокаций в предварительно растянутых образцах;

- график изменения механических свойств сплава в зависимости от плотности дислокаций;

- выводы по полученным зависимо­стям.

4.5. Контрольные вопросы

1. Как зависит предел текучести σ_0.2 от размера зерна?

2. Почему измельчение зерна приводит к упрочнению?

3. Каков физический смысл напряжения σ_i в уравнении Холла-Петча?

4. Что характеризует K_y в уравнении Холла-Петча?

5. Как влияет плотность дислокаций на σ_0.2 ?

6. Как влияет плотность дислокаций на σ_0.2?

7. Почему с увеличением плотности дислокаций растут некоторые прочностные свойства?

6. Какое свойство σ_0,05 или σ_0.2 увеличится больше при повыше­нии исходной плотности дислокаций на 50 %?

9. Как влияет размер зерна и плотность дислокаций на пластические свойства?

Лабораторная работа №5

Влияние легирования на деформационное упрочнение (3 часа)

5.1. Цель работы: научить студентов анализировать причины различий кривых деформации сплавов разного состава.

2. Теоретическое введение

При низких температурах основные эффекты влияния растворенных атомов примесей или регулирующего элемента и частиц избыточных фаз на кривые деформации монокристаллов иллюстрирует рисунок 5.1.

1- чистый металл;

2- твердый раствор;

3- твердый раствор с избыточной фазой

Рис.5.1. Влияние легирования на кривые деформационного упрочнения:

При образовании твердого раствора наблюдается повышение критического скалывающего напряжения и в целом уровни напряжений течения, удлинение стадии легкого скольжения, увеличение коэффициента деформационного упрочнения на второй и особенно на третей стадиях. Рост критического скалывающего напряжения связан с увеличением сил трения при скольжении дислокаций в решетке с наличием инородных атомов. Величина этого прироста определяется концентрацией твердого раствора и параметрами несоответствующих размеров атомов и модулей упругости основы и добавки.

Увеличение протяженности стадии легкого скольжения есть результат затруднения начала скольжения в новых плоскостях из-за роста в твердом растворе критического напряжения сдвига во всех системах. Особенно важным являются повышение напряжения перехода к III стадии и увеличение здесь коэффициента упрочнения. Этот эффект объясняется затруднением поперечного скольжения дислокаций в результате легирования из-за уменьшения энергии дефектов упаковки, увеличения сил трения, а иногда, упо­рядочения. В результате коэффициент упрочнения и уровень напряжений течения поликристаллических твердых растворов оказываются более высо­кими, чем у чистого металла.

Количественно разница уровней напряжения течения и коэффициентов деформационного упрочнения поликристаллов чистого металла и твердого раствора определяется типом кристаллической решетки и степенью различия таких параметров, как гомологическая температура, энергия дефектов упа­ковки, размерное и электрохимическое несоответствие атомов растворите­ля и добавки, степень упорядочения и др.

Чем выше температура испытания, тем менее значительны эти различия твердых растворов и чистых металлов. При горячей деформации основным фактором становится энергия дефектов упаковки. При легировании она уменьшается и, следовательно, растет вероятность динамической рекри­сталлизации с соответствующим изменением характера кривых деформации.

Легирование, вызывающее образование частиц избыточных фаз, сущест­венно влияет на деформационное упрочнение во всем диапазоне гомологических температур. Легирующие элементы, вызывающие образование таких частиц, усиливает деформационное упрочнение с самого начала пластической деформации. При наличии большого числа дисперсных частиц стадия легкого скольжения может быть полностью подавлена и тогда кривые деформации моно- и поликристаллов становятся качественно аналогичными.

Частицы второй фазы затрудняют как. консервативное скольжение дисло­каций, так и переход их в новые плоскости путем поперечного скольжения и переползания. Поэтому они вызывают увеличение коэффициентов упрочне­ния и напряжений течения на всех стадиях деформации и при любых темпе­ратурах.

2. Порядок проведения работы

5.3.1. Провести испытание на растяжение с записью диаграммы деформации выданных преподавателем образцов из стали 0XI8HI0T в отожженном и закаленном состояниях.

5.3.2. Построить диаграмму растяжения в координатах S - в (см. лабора­торную работу 5).

5 3.З. Дать анализ причин различия построенных кривых деформации раз­личных сплавов.

5.4. Требования к отчету

В отчете по работе должны быть представлены построенные кривые деформации и результаты их анализа.

5.5. Контрольные вопросы.

I. Чем отличаются кривые деформации чистого металла и твердого раствора на его основе.

2. Какие факторы определяют степень влияния растворимых добавок на диаграммы деформации?

3. Почему растворимые добавки повышают напряжение перехода к Ш ста­дии деформации и коэффициент упрочнения на этой стадии?

4. Как меняется вид кривых горячей деформации при образовании силь­но легированного твердого раствора?

5. Как меняемся диаграмма деформации при наличии частиц избыточных фаз? Чем обусловлены эти изменения?

Лабораторная работа № 6

Влияние деформационного старения на механические свойства малоуглеродистой стали

6.1. Цель работы: познакомиться с методикой испытания механических свойств при растяжении. Изучить влияние деформационного старения на механические свойства малоуглеродистой стали.

6.2. Теоретическая часть

Деформационным старением называют упрочнение пластически деформи­рованного сплава при низкотемпературном отжиге, обусловленное осажде­нием сегрегации на дислокациях или образованием новой фазы.

Если время старения сравнимо со временем испытания, имеет место динамическое деформационное старение. Оно тем сильнее, чем медленнее деформация. После деформационного старения плотность дислокаций не из­меняется, меняется лишь количество дислокаций, способных к движению. Как правило, количество подвижных дислокаций уменьшается за счет их блокирования примесными атомами. Пока плотность подвижных дислокаций мала, нет независимого зарождения скольжения во всех зернах, а происхо­дит эстафетная передача сдвига от зерна к зерну. При этом в каждом зерне работает в основном одна система скольжения - ближайшая к действую­щей плоскости скольжения в соседнем зерне. Направления скольжения на площадке текучести оказываются во всех зернах, близкими к сечению поли­кристаллического образца. В малоуглеродистой стали деформационное ста­рение идет уже при 20 °С, но наиболее интенсивно при 150 + 200 °С. В процессе старения участвуют в основном примеси внедрения - углерод и азот. Атомы углерода и азота, взаимодействуя с дислокациями, вначале образуют насыщенные атмосферы Коттрелла, потом конденсированные атмосферы, а позже - выделения карбидов и нитридов на дислокациях. В зависи­мости от того, на какой стадии, прервать деформационное старение, эффект упрочнения будет различным. Если уже начался процесс коагуляции карби­дов, то прочность начинает падать вследствие перестаривания. Деформаци­онное старение, проведенное даже после малой пластической деформации по оптимальному режиму, может сильно повысить предел текучести при сох­ранении пластичности. Упрочнение сталей при деформационном старении положен в основу механико-термической обработки. Многократная деформация с последующим старением позволяет повысить предел текучести в 2 - 3 раза. Для малоуглеродистой стали деформационное упрочнение может быть самопроизвольным процессом. Самопроизвольное деформационное старение существенно влияет на пластичность листа при холодной штамповке. В связи о этим, необходимо принимать меры по его предупреждэнию. Его можно избежать либо уменьшением концентрации углерода и азота, либо путем уменьшения их подвижности. Этого достигают путем изменения технологии выплавки и уменьшения содержания углерода и азота. Для уменьшения влияния деформационного старения на прочность и пластичность стали в нее вводят элементы, связывающие углерод и азот в прочные соединения.

6.3. Порядок проведения работы

6.3.1. Для выполнения необходимо использовать три разрывных образца из стали Ст.3. Один образец испытать до полного разрушения, записать диаграм­му растяжения и по ней рассчитать характеристики механических свойств (σ_T , σ_в , δ₅ , ψ ).

Второй образец нагрузить на машине до величины > Рт, но меньшей Рв, разгрузить и подвергнуть старению при t = 150 °С в течение I ча­са. После старения образец испытать до разрушения и определить характе­ристики механических свойств (σ_T , σ_в , δ₅ , ψ ).

Третий образец трижды нагрузить до величины > Рт. После каждого нагружения провести старение, а затем испытать до разрушения.

Результаты испытания занести в табл. 6.1.

Таблица 6.1. Механические свойства испытуемых образцов

Номер образца	Обработка	Механические свойства
		σT, МПа	σв, МПа	δ5, %	ψ, %
1	Без обработки
2	Деформация + старение
3	Деформация + старение + деформация + старение + деформация+старение

6.3.2. Обсуждение результатов испытания и выводы

6.4. Требования к отчету

6.4.1. Цель работы.

6.4.2. Природа деформационного старения.

6.4.3. Результаты испытания.

6.4.4. Обсуждение результатов.

6.4.5. Выводы.

6.5. Вопросы для подготовки

1. На какие характеристики механических свойств оказывает влияние деформационное старение?

2. При каких температурах наиболее интенсивно протекает, деформационное старение?

3. От чего зависит эффект деформационного старения?

4. Как влияет деформационное старение на штампуемость стали?

5. Какие существуют меры предупреждения деформационного старения?

6. Зависит ли эффект деформационного старения от степени дёформации?

7. Изменяется ли плотность дислокаций при деформационном старении?

8. Чем обусловлено упрочнение стали при деформационном старении?

9. Какие элементы блокируют дислокации при деформационном старении?

Лабораторная работа № 7

Влияние надреза на механические свойства стали

7.1. Цель работы: ознакомиться с влиянием остроты надреза на механические свойства, стали.

7.2. Теоретическая часть

Выявление механических свойств при статических испытаниях обычно осуществляется на гладких (постоянного сечения) образцах. Однако в критических условиях детали конструкций имеют переходы в сечениях, отверстия, резьбу и неровности, что очень сильно отражается на реальной прочности и особенно пластичности материала деталей. Перенесение для таких деталей характеристик механических свойств, полученных при испытании стандартных гладких образцов, в ряде случаев является не­правомерным. Это объясняется тем, что неровности в деталях приводят к концентрации напряжений и изменению напряженного состояния металла в части детали, где имеет место изменение сечения, которое называется концентратором напряжений. На рис.7.1 показаны схемы эпюр напряжений, возникающих по сечению в гладком образце и в надрезанной части образ­ца с концентратором напряжений.

Рисунок.7.1. Эпюры напряжений при растяжении гладкого (а), остро надрезанного (б) и образца (в) с "мягким" надрезом

Концентрация напряжений (К) тем больше, чем острее дефект и больше его длина, что выражается следующей формулой:

где - длина надреза (иного дефекта); r - радиус закругления в вершине дефекта.

Величина r может быть очень малой, т.е. трещина очень острая, но она не может быть меньше 0,1Нм (10 мм), т.е. меньше, чем диа­метр атома, и надо полагать, что минимальный радиус трещин составляет примерно 10^-5 мм. Отсюда для такой предельно острой трещины величина К составляет (в зависимости от длины):

К	600	200	60
, мм	1	0,1	0,01

Это значит, что если такая предельно острая трещина доросла до ℓ мм, то в ее вершинах напряжение в 600 раз больше среднего. В деталях с надрезом (рисунок 7.2) возникает трехосное напряженное состояние, увеличивающее склонность к хрупкому разрушению (рисунок 7.2). Чем острее и глубже надрез, тем выше неоднородность напряжения в сечении. Для пластичных металлов при нагружении происходит местная пластическая дефор­мация, в результате чего происходит изменение напряженного состояния: максимум осевых напряжений перемещается вглубь образца и опасность хрупкого разрушения таких материалов меньше, чем высокопрочных.

σ - распределение по сечению осевых нормальных напряжений;

σ_r - распределение по сечению радиальных напряжений;

σ_τ - распределение тангенциальных касательных напряжений.

Рисунок 7.2. Схема распределения напряжений в образце с надрезом.

У весьма пластичных материалов выравнивание может произойти лож­ью, разрыв образца в этом случае произойдет тогда, когда осевое напряжение по всему сечению достигнет истинного предела прочности.

Для хрупких и мало пластичных материалов, обладающих высоким сопротивлением пластической деформации, пластическая деформация не получает должного развития и выравнивание напряжений по сечению не про­исходит. Поэтому у дна надреза достигается напряжение, соответствующее истинному сопротивлению отрыва.

7.3. Порядок проведения работы

7.3.1. Подготовить к испытанию 3 образца из стали 45 (один гладкий, второй с надрезом 150 °, третий с надрезом 60˚).

С помощью лупы с точностью до +- 0,1мм измерить диаметр у дна надреза и рабочую длину p = 5d , отметить кернами на поверхности образцов. Зарисовать эскизы образцов (рисунок 7.3).

Рисунок 7.3. Эскизы образцов для испытаний на растяжение

7.3.2. Испытать образцы с записью диаграммы растяжения.

7.3.3.На разрушенных образцах измерить диаметры в месте разрушения с помощью лупы и измерить конечную длину ℓ_к между кернами.

7.3.4. Результаты замеров до и после испытания занести в таблице 7.1.

7.3.5. По диаграмме растяжения определить Р _0,2 (или P_m, если есть площадка текучести), Р_в, Р_к и ∆ℓ с учетом масштаба диаграммы, как показано на рисунок 7.4. Для определения Р_0,2 на оси ∆ℓ откладываем отрезок ∆ℓ_0,2 = ℓ_p∙ 0.002 M ( ℓ_p - расстояние между корнами по длине образца, М - масштаб удлинения).

Из конца отрезка проводим прямую параллельно участку пропорциональности до пересечения с диаграммой. Точка пересечения m дает P _0,2, точка к – P_к. Значения нагрузок заносим в табл.7.1.

Таблица 7.1. Значения размеров образцов и нагрузок при испытании на растяжение

Тип образцов

d, мм

dк, мм

ℓo, мм

ℓк, мм

Fo, мм2

Fк, мм2

∆ℓ, мм

M∆ℓ

Pв, Н

Mp

P0.2, Н

Pк, Н

1.Гладкий

2.Надрез 150º

3.Надрез 60º

Рисунок 7.4. Диаграмма растяжения