Определение твердости по Роквеллу. По глубине отпечатка при вдавливании алмазного конуса или стального шарика на приборе типа Роквелла
Определение твердости по Виккерсу. по величине поверхности отпечатка от вдавливания алмазной пирамиды при испытании на приборах типа Виккерса, ПМТ-3.
Динамические испытания материалов
Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться деформации и разрушению под действием приложенных нагрузок.
По характеру изменения во времени действующей нагрузки механические испытания могут быть статическими (на растяжение, сжатие, изгиб, кручение), динамическими (на ударный изгиб) и циклическими (на усталость).
По воздействию температуры на процесс их делят на испытания при комнатной температуре, низкотемпературные и высокотемпературные (на длительную прочность, ползучесть).
Статические испытания проводятся при воздействии на образец с определенной скоростью постоянно действующей нагрузки. Скорость деформации составляет от 10-4 до 10-1 с-1. Статические испытания на растяжение относятся к наиболее распространенным. Свойства, определяемые при этих испытаниях, приведены в многочисленных стандартах по техническим условиям на материалы. К статическим относятся испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение.
Динамические испытания характеризуются приложением к образцу ударной нагрузки и значительной скоростью деформации. Длительность испытания не превышает сотен долей секунды. Скорость деформации составляет около 102 с-1. Динамические испытания чаще всего проводят по схеме ударного изгиба образцов с надрезом.
Циклические испытания характеризуются многократными изменениями нагрузки по величине и по направлению. Примером испытаний являются испытания на усталость, они длительны и по их результату определяют число циклов до разрушения при разных значениях напряжения. В конечном итоге находят предельные напряжения, который образец выдерживает без разрушения в течение определенного числа циклов нагружения.
Испытания на твердость.
Простейшим механическим свойством является твердость. Методы определения твердости в зависимости от скорости приложения нагрузки делятся на статические и динамические, а по способу ее приложения - на методы вдавливания и царапания. Методы определения твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу относятся к статическим методам испытания.
Твердость - это способность материала сопротивляться вдавливанию в него более твердого тела (индентора) под действием внешних сил.
Первичная кристаллизация. Схема.
|
Кристаллизацией называется образование кристаллов в металлах при переходе их из жидкого состояния в твердое. Это первичная кристаллизация. Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей. Эти первичные группы кристаллов получили название центров кристаллизации. Они возникают самопроизвольно. Далее к этим центрам присоединяются вновь образовавшиеся из жидкого металла кристаллы; одновременно с этим растут новые центры кристаллизации.
Пока образовавшиеся кристаллы растут свободно, они имеют правильную геометрическую форму. При столкновении растущих кристаллов их форма нарушается, т.е. в месте соприкосновения рост отдельных граней прекращается, но сохраняется правильность строения внутри каждого кристалла. Кристалл, с правильным внутренним строением, после затвердевания не имеет правильной геометрической формы и называется зерном.
Таким образом, кристаллизация состоит из двух стадий:
1) образования центров кристаллизации;
2) роста кристаллов вокруг этих центров.
Вторичная кристаллизация.
Получение мелкого зерна из крупного термическим способом, т. е. путем нагрева и охлаждения в твердом состоянии, возможно только в металлах, склонных к аллотропическому превращению (переход от одного типа кристаллической решетки к другому). Каждый вид решетки представляет аллотропическое видоизменение (фазу). Каждая модификация имеет свой интервал температур, при котором она устойчива. Переход из одной фазы в другую наблюдается при определенной температуре. Эта точка перехода аналогична точке затвердевания (плавления), т. к. отвечает определенной температуре, сопровождается тепловым эффектом и является моментом перехода в новое состояние, т. е. образование новых кристаллов из кристаллов прежней модификации. Этот процесс называется вторичной кристаллизацией.
Диаграммы состояния, схемы.
В системе железо — углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит, графит.
1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.
2. Феррит — Твёрдый раствор внедрения углерода в α-железе с ОЦК (объёмно-центрированной кубической) решёткой.
Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную — 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную — 0,02 % при температуре 700 °C (точка P). Атомы углерода располагаются в центре грани или (что кристаллогеометрически эквивалентно) на середине рёбер куба, а также в дефектах решетки.
При температуре выше 1392 °C существует высокотемпературный феррит, с предельной растворимостью углерода около 0,1 % при температуре около 1500 °C (точка I)
Свойства феррита близки к свойствам чистого железа. Он мягок (твердость — 130 НВ) и пластичен, магнитен (при отсутствии углерода) до 770 °C.
3. Аустенит (γ) — твёрдый раствор внедрения углерода в γ-железе с ГЦК (гране-центрированной кубической) решёткой.
Атомы углерода занимают место в центре гранецентрированной кубической ячейки.
Предельная растворимость углерода в аустените — 2,14 % при температуре 1147 °C (точка Е).
Аустенит имеет твёрдость 200—250 НВ, пластичен, парамагнитен.
При растворении других элементов в аустените или в феррите изменяются свойства и температурные границы их существования.
4. Цементит (Fe3C) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), со сложной ромбической решёткой, содержит 6,67 % углерода. Он твёрдый (свыше 1000 HВ), и очень хрупкий. Цементит фаза метастабильная и при длительным нагреве самопроизвольно разлагается с выделением графита.
В железоуглеродистых сплавах цементит как фаза может выделяться при различных условиях:
— цементит первичный (выделяется из жидкости),
— цементит вторичный (выделяется из аустенита),
— цементит третичный (из феррита),
— цементит эвтектический и
— эвтектоидный цементит.
Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зёрен аустенита (после эвтектоидного превращения они станут зёрнами перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зёрен.
Эвтектический цементит наблюдается лишь в белых чугунах. Эвтектоидный цементит имеет пластинчатую форму и является составной частью перлита.
Цементит может при специальном сфероидизируюшем отжиге или закалке с высоким отпуском выделяться в виде мелких сфероидов.
Влияние на механические свойства сплавов оказывает форма, размер, количество и расположение включений цементита, что позволяет на практике для каждого конкретного применения сплава добиваться оптимального сочетания твёрдости, прочности, стойкости к хрупкому разрушению и т. п.
5. Графит — фаза состоящая только из углерода со слоистой гексагональной решёткой. Плотность графита (2,3) много меньше плотности всех остальных фаз (около 7,5 — 7,8) и это затрудняет и замедляет его образование, что и приводит к выделению цементита при более быстром охлаждении. Образование графита уменьшает усадку при кристаллизации, графит выполняет роль смазки при трении, уменьшая износ, способствует рассеянию энергии вибраций.
Графит имеет форму крупных крабовидных (изогнутых пластинчатых) включений (обычный серый чугун) или сфероидов (высокопрочный чугун).
Графит обязательно присутствует в серых чугунах и их разновидности — высокопрочных чугунах. Графит присутствует также и в некоторых марках стали — в графитизированных сталях.