Материаловедение. Ч.1. Лабораторный практикум

Испытываемый образец 6 устанавливается в захват 5, и захват подвижной траверсы 4 и фиксируется в этом положении. На блоке управления и регистрации 11 выставляется нулевое значение нагрузки. На кнопочной станции 10 нажатием соответствующих кнопок включается рабочий ход активного захвата. В процессе испытания на растяжение образца в блоке управления и регистрации 11 соответствующими приборами производится регистрация силы, действующей на образец.

При необходимости значения изменения длины образца и приложенной нагрузки фиксируется на компьютере, расположенном в блоке управления и регистрации 11.

9

8

7

6 11 156

3

2

1

Рис. 2.8. Машина разрывная ИР 5057-50: 1 – станина; 2 – направляющая; 3 – винт; 4 – траверса подвижная; 5 – захват; 6 – образец; 7 – датчик силоизмерительный; 8 – ограждения для винтов; 9 – траверса неподвижная;

10 – станция кнопочная; 11 – блок управления и регистрации

41

Испытания на ударную вязкость

Для оценки способности материала выдерживать ударные нагрузки проводят испытания на ударный изгиб (ГОСТ 9454–78).

Наиболее распространенные образцы для этих испытаний имеют форму стержня длиной 55 мм с квадратным сечением 10×10 мм. В соответствии с формой нанесенного посередине надреза – концентратора напряжений – образцы подразделяют на три типа: U, V и Т (рис. 2.9). Концентратор типа Т (трещина) получают в вершине начального надреза при циклическом изгибе образца.

а

б

в

Рис. 2.9. Образцы для испытаний на ударную вязкость

сразным типом концентраторов напряжений:

а– U; б – V; в – T

Образцы с концентратором типа V используют при испытаниях материалов для конструкций повышенной степени надежности (летательные аппараты, трубопроводы), а с концентраторами типа Т – при испытании материалов особо ответственных конструкций, для которых первостепенное значение имеет сопротивление развитию трещины.

Испытания на ударную вязкость проводят на маятниковом копре (рис. 2.10) при ударе маятника по образцу со стороны, противоположной концентратору напряжения. Запасенная потенциальная энергия W0 = PH маятника, поднятого на высоту Н, расходуется на работу деформирования

42

и разрушения образца K и на энергию взлета маятника W1 = = Ph после разрушения образца:

W0 = K + W1.

Работа деформирования и разрушения образца K называется работой удара:

K = W0 – W1 = PH – Ph = Pl(cosb – cosa),

где l – длина маятника; a и b – углы подъема маятника соответственно до и после разрушения образца (см. рис. 2.10).

Если угол подъема постоянен, то шкала копра может быть проградуирована в единицах работы удара.

Копер маятниковый КМ-30 характеризуется максимальной запасенной потенциальной энергией W0 = 300 Дж.

Образец

H h

Рис. 2.10. Схема испытаний на ударную вязкость с помощью маятникового копра КМ-30

Ударная вязкость, Дж/см2, обозначается символом

KС – это работа удара, отнесенная к начальной площади поперечного сечения в месте расположения концентратора:

KС = K / F0.

43

Ударная вязкость характеризует сочетание прочностных свойств и пластичности материала. Недостаток характеристики KС – невозможность использования ее в расчетах конструкций.

2.2.Порядок проведения работы

иуказания по охране труда

1.Ознакомиться с устройством твердомеров для измерения твердости по Бринеллю и Роквеллу.

2.Измерить твердость стальных и алюминиевых образцов на этих приборах.

3.Ознакомиться с устройством разрывной машины типа

ИР 5057-50. Произвести испытание на растяжение образца из алюминиевого сплава. Определить d, s0,2, sпц и sв.

4.Ознакомиться с устройством маятникового копра КМ-30. Произвести испытание на ударную вязкость. Рассчитать K и KС.

5.При работе на твердомерах и разрывной машине необходимо помнить, что они могут явиться источником поражения электрическим током. Запрещается начинать работу на твердомерах и разрывной машине без разрешения преподавателя или учебного лаборанта. При работе с твердомером Бринелля шариковый индентор нельзя располагать у края образца во избежание вылета образца при нагружении.

Перед тем как включить ход разрывной машины, во избежание удара быстровращающейся рукояткой, необходимо убедиться, что ручки ручного привода сняты или выведены из зацепления. По окончании работы твердомеры и разрывная машина должны быть отключены от электросети.

2.3.Требования к отчету

1.В отчете должны быть представлены схемы измерения твердости по Бринеллю и Роквеллу.

2.Построить график зависимости НВ от содержания магния в алюминиевых сплавах системы Al–Mg.

44

3. Получить значения HRC закаленных сталей с разным содержанием углерода.

В отчете должны быть представлены первичные данные замеров твердости всеми методами в виде таблиц, полученные результаты расчета первичной диаграммы растяжения, а также ударная вязкость образца.

Литература

Металловедение: учебник / И.И. Новиков, В.С. Золоторевский и др. М.: Изд. Дом МИСиС, 2014. Т.1. С. 292–298, 327–329, 334–339.

Контрольные вопросы

1.Какую форму имеет индентор при испытаниях на твердость по Бринеллю?

2.Что такое число твердости по Бринеллю?

3.Какие диаметры шаровых инденторов используют при измерении твердости по Бринеллю?

4.Как следует выбирать нагрузку при измерении твердости по Бринеллю?

5.Какую форму имеет индентор при определении твердости по Роквеллу?

6.Чему равна и как задается предварительная нагрузка на приборе Роквелла?

7.Какова размерность чисел твердости по Роквеллу?

8.По какой формуле определяют относительное удлине-

ние?

9.Чему равен предел текучести при растяжении цилиндрического образца с d0 = 5 мм и Р0,2 = 1500 Н?

10.Какие образцы используют при испытании на ударную вязкость?

11.Как определить ударную вязкость? Какова ее размер-

ность?

45

Примеры тестов для проверки знаний

идопуска к лабораторной работе

1.Индентор при испытаниях на твердость по Бринеллю имеет форму:

а) конуса; б) пирамидки; в) шарика; г) кубика.

2.Индентор при испытаниях на твердость по Роквеллу имеет форму:

а) конуса; б) пирамидки; в) шарика; г) кубика.

3.При испытании на твердость по Бринеллю используют диаметры шаровых инденторов:

а) 2,5 мм; б) 1 мм; в) 5 мм; г) 10 мм.

4.Характеристики пластичности, которые получают при испытании на растяжение:

а) относительное удлинение; б) ударная вязкость; в) предел пропорциональности;

г) условный предел прочности.

5.Характеристики прочности, которые получают при испытании на растяжение:

а) относительное удлинение; б) ударная вязкость; в) предел пропорциональности;

г) условный предел прочности.

46

6.При испытаниях материалов для конструкций повышенной степени надежности (летательные аппараты, трубопроводы) используют образцы:

а) с концентратором типа V; б) с концентратором типа Т; в) с концентратором типа U; г) с концентратором типа M.

7.Относительное удлинение рассчитывают по формуле:

а) d = lk − l0 100; l0

б) KС = K / F0; в) sb = Рb / F0;

г) s0,2 = Р0,2 / F0.

47

Лабораторная работа 3 ТИПИЧНЫЕ МИКРОСТРУКТУРЫ СПЛАВОВ ДВОЙНЫХ СИСТЕМ, ОТОЖЖЕННЫХ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ

(4 часа)

Цель работы – получение навыков металлографического анализа сплавов – твердых растворов и систем эвтектического типа, промышленных углеродистых сталей и чугунов в отожженном состоянии.

3.1. Теоретическое введение

Микроструктура сплава формируется в процессах кристаллизации расплава, фазовых превращений и структурных изменений в твердом состоянии, происходящих при литье, обработке давлением и термической обработке.

Несмотря на многообразие факторов, влияющих на формирование микроструктуры сплава, важнейшие ее особенности можно предсказать, используя диаграмму состояния, так как именно диаграмма состояния дает сведения о характере фазовых превращений и их последовательности при нагревании и охлаждении сплава. Вместе с тем следует твердо помнить, что диаграмма состояния описывает фазовое состояние в равновесных условиях, а реальная структура сплава складывается в неравновесных условиях. Поэтому с помощью диаграмм состояния можно анализировать формирование структуры только в медленно охлажденных или отожженных сплавах, в которых отклонения от фазовых равновесий невелики.

Сплавы – твердые растворы

Используя диаграмму состояния двойной системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком

48

и твердом состояниях, на рис. 3.1 продемонстрированы закономерности изменения фазового состава и формирования микроструктуры однофазного сплава – твердого раствора в условиях равновесной кристаллизации. Процесс кристаллизации сплавов (изменение фазового состава и формирование микроструктуры) необходимо начинать из области жидких растворов.

Рис. 3.1. Диаграмма состояния системы с неограниченной растворимостью: а – фазовая диаграмма; б – кривые охлаждения

Сплав n1 на кривой охлаждения имеет две критические точки. Выше температуры Т1 сплав представляет собой ненасыщенный жидкий раствор.

До температуры Т1 происходит охлаждение жидкости состава сплава n1 и насыщение жидкости относительно a-кристаллов, поэтому складываются все условия для начала кристаллизации a-фазы. Иными словами, процесс кристаллизации сплава состава n1 начинается при охлаждении ниже температуры Т1 после пересечения ликвидуса. При

49

переохлаждении ниже Т1 из жидкости состава 1 выделяются a-кристаллы состава 2. По своему химическому составу первые a-кристаллы (состав 2) отличаются от исходной жидкости и обогащены атомами компонента А, повышающего температуру солидуса. Следовательно, началу кристаллизации предшествует разделительная диффузия в жидкой фазе, т.е. перераспределение атомов компонентов на фронте кристаллизации, и эта разница в составах жидкости и a-кристаллов существует во всем интервале кристаллизации.

Поскольку из жидкости выделяются кристаллы, обогащенные компонентом А, то она при охлаждении должна обогащаться вторым компонентом В. По мере понижения температуры в интервале кристаллизации состав жидкости будет все больше отличаться от состава исходного сплава, а состав a-кристаллов, существенно отличаясь от состава исходной жидкости в первые моменты кристаллизации, наоборот, будет все больше приближаться к составу исходного сплава.

В сплаве n1 в интервале кристаллизации Т1–Т3 из жидкого раствора, состав которого изменяется по линии ликвидуса от точки 1 до точки 5, выделяются кристаллы a-раствора, состав которых изменяется по линии солидуса от точки 2 до точки 6:

T −T

L1−5 1 3→α2−6.

Такое изменение составов жидкости и a-кристаллов (одновременное обогащение компонентом В) в интервале кристаллизации возможно только за счет изменения их количеств – уменьшения доли жидкости и, наоборот, увеличения доли a-кристаллов, что подчиняется правилу рычага.

При охлаждении от температуры солидуса Т3 до комнатной в сплаве не происходит никаких фазовых превращений и идет физическое охлаждение твердого раствора a.

Возвращаясь к сплаву n1, отметим, что на его кривой охлаждения (в координатах T–t) видны две критические

50