Материаловедение. Ч.1. Лабораторный практикум

l = X∑∑NTок 103.

Для получения надежных данных необходимо измерить не менее 100–300 зерен в различных участках шлифа. В случае вытянутых зерен необходимо, чтобы секущая была проведена с учетом особенностей структуры: описание размера зерна должно иметь две характеристики – продольный и поперечный размеры, которые определяются отдельно.

Определение объемного соотношения структурных составляющих

Объемное соотношение структурных составляющих или объемную долю одной из структурных составляющих можно определять линейным методом Розиваля. Использование этого метода основано на принципе Кавальери–Акера, в соответствии с которым доля объема сплава, занятая данной структурной составляющей, равна доле площади, занятой этой составляющей в случайном сечении, или равна приходящейся на эту составляющую доле длины случайной секущей. Если провести прямую на шлифе, подсчитать суммарную длину отрезков, приходящихся на интересующую исследователя составляющую Σli, и отнести эту суммарную длину отрезков к общей длине секущей L, то получим объемную долю структурной составляющей в сплаве:

V = ∑Lli .

Секущие должны быть распределены равномерно по площади шлифа. Они могут быть произвольно ориентированы или параллельны одна другой. Секущие можно прочертить на микрофотографии, «нанести» на матовое стекло микроскопа, прикладывая к нему масштабную линейку, или мысленно провести в поле зрения, используя масштабную линейку окуляр-микрометра.

21

Линейка окуляр-микрометра разделена на 100 равных частей. При рассмотрении структуры через окуляр-микро- метр подсчитывают число целых делений его шкалы, приходящихся на участки данной структурной составляющей. Это число характеризует искомую долю объема сплава, приходящуюся на данную структурную составляющую. Так как берется отношение Σli / L, то увеличение микроскопа в расчете не учитывается.

Точность метода тем выше, чем больше число измеренных отрезков, приходящихся на изучаемую структурную составляющую. Увеличивать число отрезков следует путем просмотра большего числа полей зрения, а не путем уменьшения увеличения микроскопа, так как в последнем случае видимые размеры участков структурной составляющей становятся меньше и точность измерения длины каждого отрезка снижается. Длины отрезков линейки окуляр-микро- метра, приходящихся на отдельные участки измеряемой структурной составляющей, могут быть не равны числу целых делений. Поскольку подсчитывают число целых делений шкалы, то погрешность измерения будет тем больше, чем короче измеряемые отрезки. Поэтому рекомендуется выбирать такое увеличение микроскопа, чтобы длина каждого измеряемого отрезка, приходящегося на участки данной структурной составляющей, была не меньше 5–10 делений шкалы окуляр-микрометра.

1.2.Порядок проведения работы

иуказания по охране труда

1.Приготовить механической полировкой шлиф из техни-

ческого железа. Травитель – 5%-ный раствор HNO3 в спирте. При полировке во избежание травм от быстро летящего

шлифа, случайно выпущенного из руки, должны соблюдаться следующие правила:

–– необходимо убедиться в наличии фаски и отсутствии острых углов шлифа, чтобы шлиф не прорвал и не зацепил полировальное сукно;

22

––проверить натяг полировального сукна;

––расположение руки со шлифом должно совпадать с направлением вращения круга;

––при вращении полировального круга по часовой стрелке шлиф разрешается полировать только в левой части круга, чтобы в случае выброса шлиф ударился в стенку.

2. Разобраться в устройстве микроскопа ЕС МЕТАМ РВ.

3. Просмотреть шлиф из технического железа при различных увеличениях и, используя разные методы освещения шлифа, схематично зарисовать его микроструктуру при одном увеличении.

4. Определить цену деления окуляр-микрометра при заданном объективе.

5. Определить методом случайных секущих среднюю хорду зерна технического железа l .

6. Определить линейным методом Розиваля в двух полях зрения объемную долю избыточного феррита в среднеуглеродистой стали.

1.3.Требования к отчету

1.Начертить схему микроскопа ЕС МЕТАМ РВ с указанием основных частей.

2.Представить схему электролитического приготовления шлифов.

3.Зарисовать схематично микроструктуру образцов, выданных руководителем на занятии. Указать увеличение, способ приготовления шлифа, травитель.

4.Представить расчет цены деления окуляр-микрометра при определенном объективе. Результаты измерений необходимо оформить в виде табл. 1.1.

5.Представить результаты определения объемной доли избыточного феррита в среднеуглеродистой стали. Результаты измерений необходимо оформить в виде табл. 1.2.

6.Представить расчеты l и V для образца технического железа с указанием результатов всех исходных измерений и зарисовкой микроструктуры.

23

Таблица 1.1

Результаты измерений для определения средней хорды зерна

1

Таблица 1.2

Результаты измерений для определения объемной доли фазы в сплаве

Литература

1.Металловедение: учебник / И.И. Новиков, В.С. Золоторевский и др. Т.1. М.: Изд. Дом МИСиС, 2014. С. 13–16, 26–35.

2.Материаловедение. Атлас микроструктур. Ч. 2: лаб. практикум. М.: Изд. Дом НИТУ МИСиС, 2022. № 4361.

Контрольные вопросы

1. Что такое разрешающая способность микроскопа, от чего она зависит?

2.Каково минимальное разрешаемое расстояние в световом микроскопе?

3.Чем отличается сухой объектив от иммерсионного? Что используют в качестве иммерсии?

4.Какова роль объектива и окуляра в создании увеличенного изображения объекта?

5.Какие существуют способы увеличения контрастности изображения?

6.Что такое металлографический шлиф и какие требования предъявляются к нему?

7.Какие известны способы приготовления шлифов?

8.Какие преимущества и недостатки имеют механический и электролитический способы приготовления шлифов?

24

9.Как приготовить шлиф механическим и электролитическим методами?

10.Почему видны границы зерен после травления шлифа?

11.Какие задачи решает количественная металлография?

12.Как определить цену деления окуляр-микрометра?

13.Как зависит цена деления окуляр-микрометра от увеличения объектива?

14.Как определить объемную долю фазы в сплаве?

15.Влияет ли увеличение на объемную долю фазы в сплаве? Ответ пояснить.

16.Какие существуют методы оценки размера зерен в однофазных сплавах?

Примеры тестов для проверки знаний

идопуска к лабораторной работе

1.Минимальное разрешаемое расстояние в световом микроскопе равно:

а) 0,2 мкм; б) 0,2 м; в) 0,2 дм; г) 0,2 мм.

2.В качестве иммерсии используют:

а) воду дистиллированную; б) масло растительное; в) спирт технический; г) масло кедровое.

3.Роль объектива в создании увеличенного изображения объекта – это:

а) увеличение изображения; б) основное увеличение;

в) уменьшение параметров структуры; г) умножение увеличения объектива.

4.К металлографическому шлифу предъявляются следующие требования:

а) иметь плоскую поверхность;

25

б) иметь отполированную поверхность; в) иметь фаску;

г) иметь зеркальную, обработанную травителем поверхность.

5.Способы приготовления шлифов известны следующие: а) механический; б) электролитический; в) магнитный; г) ручной.

6.Количественная металлография решает такие задачи,

как:

а) определение размера зерна; б) определение объемного соотношения структурных со-

ставляющих; в) определение средней хорды зерна;

г) определение количества структуры.

7.Удельная поверхность раздела при изменении размера зерна:

а) не меняется; б) увеличивается; в) уменьшается;

г) меняется автоматически.

8. При изменении увеличения объемная доля фазы в сплаве:

а) не меняется; б) увеличивается; в) уменьшается;

г) меняется автоматически.

9. К методам оценки размера зерен в однофазных сплавах относятся:

а) метод случайных секущих; б) метод Розиваля; в) метод Кавальери–Акера;

г) метод наименьших квадратов.

26

10. Минимальное расстояние между двумя соседними частицами, при котором они еще видны раздельно, – это:

а) хорда; б) секущая;

в) разрешаемое расстояние; г) иммерсия.

27

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ СПЛАВОВ

(2 часа)

Цель работы – ознакомление с методиками проведения различных видов механических испытаний, приобретение навыков определения твердости и расчета механических свойств по диаграммам деформации.

2.1. Теоретическое введение

Измерение твердости

Метод измерения твердости является неразрушающим методом механических испытаний, прост и быстр в своем проведении, значения твердости коррелируют с другими свойствами (прочность, износостойкость и др.).

Под твердостью понимают свойство материала оказы­ вать сопротивление внедрению (при местном контактном воздействии) в его поверхность другого, более твердого и не получающего остаточной деформации тела (индентора) определенной формы и размера.

Существующие методы определения твердости отличаются один от другого формой индентора, условиями приложения нагрузки и способом расчета чисел твердости. Выбор метода зависит от твердости материала образца, его размеров, толщины слоя, твердость которого надо измерить и т.п.

Во всех методах испытания на твердость очень важно правильно подготовить поверхность образца. Она должна быть ровной, гладкой, свободной от окалины, без выбоин, вмятин, грубых рисок. Требования к качеству испытуемой поверхности зависят от применяемого индентора и прилагаемой нагрузки. Чем меньше глубина вдавливания индентора, тем выше должна быть чистота поверхности и тем более

28

строго нужно следить за тем, чтобы свойства поверхностного слоя не исказились за счет наклепа или нагрева при шлифовке и полировке.

Нагрузка должна прикладываться по оси вдавливаемого индентора перпендикулярно к испытуемой поверхности. Для соблюдения этого условия плоскость испытуемой поверхности образца должна быть строго параллельна опорной поверхности.

Результаты испытаний на твердость зависят от времени приложения нагрузки к вдавливаемому индентору и времени выдержки под нагрузкой t при постоянной нагрузке Р.

В зависимости от t различают кратковременную и длительную твердость. В стандартных методах определяют кратковременную твердость при комнатной температуре. Обычно t = 30 с для цветных металлов и сплавов и t = 10 с для сталей и чугунов. Длительная твердость, как правило, оценивается при повышенных температурах.

При определении твердости измеряется суммарное сопротивление металла внедрению в него индентора, усредняющее твердость всех имеющихся структурных составляющих. Поэтому получающийся после снятия нагрузки отпечаток должен быть по размеру значительно больше размеров зерен отдельных структурных составляющих. Диаметр (или длина диагонали) отпечатков при измерении твердости колеблется от десятых долей до нескольких миллиметров. Числа твердости, полученные разными методами, связаны между собой. Зная, например, значение твердости по Бринеллю, можно перевести его с некоторым приближением в число твердости по Роквеллу.

Определение твердости по Бринеллю (ГОСТ 9012–59)

Метод основан на том, что в плоскую поверхность металла вдавливается под постоянной нагрузкой Р шарик из закаленной стали диаметром D (рис. 2.1). Используют обычно шарики одного из трех диаметров: 2,5; 5; 10 мм. После

29

снятия нагрузки в испытуемом металле остается отпечаток (лунка), диаметр которого d измеряют (см. рис. 2.1).

P

D

d

Рис. 2.1. Схема измерения твердости методом Бринелля

Число твердости по Бринеллю (HB), кгс/мм2, равно отно­ шению нагрузки Р, кгс (1 кгс = 9,81 Н), к площади шаровой поверхности отпечатка, мм2, и оценивается по формуле

Размерность кгс/мм2 после значения твердости не пишется. Например, при измерении твердости шариком диаметром D = 10 мм под нагрузкой Р = 3000 кгс с выдержкой t = 10 с число твердости по Бринеллю записывается так: 400 НВ, 250 НВ и т.п. При других условиях испытаний индекс НВ дополняется цифрами, поясняющими эти условия, например 200 НВ 5/250/30 означает число твердости по Бринеллю 200 в кгс/мм2 при испытании шариком D = 5 мм под нагрузкой Р = 250 кгс, приложенной в течение 30 с. Допускается использование размерности МПа, которая должна указываться после числа твердости (например, НВ = = 2300 МПа).

Для измерения твердости по Бринеллю используют приборы с механическим приводом. На рис. 2.2 приведена схема прибора ТШ-2, широко используемого в лабораторной практике.

30