Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехническое и конструкционное материаловедение. Учебное пособие по курсу «Электротехническое и конструкционное материаловедение» для студентов
.pdf
9
механической энергии вплоть до разрушения.
Масштабный фактор заключается в следующем. Чем крупнее изделие,
тем больше вероятность нахождения в нём дефектов металлургического,
технологического или эксплуатационного происхождения. А дефекты – это
концентраторы напряжений.
Усталостный излом образуется в результате длительного воздействия
на металл циклически изменяющихся во времени напряжений и
деформаций. Излом состоит из трёх зон: зарождения трещины, собственно
усталостного распространения трещины и долома. Механизм усталостного
разрушения следующий. Усталостная трещина возникает в местах, где
имеются концентраторы напряжений или дефекты. Первая зона плоская и
гладкая. Увеличиваясь при работе детали, трещина образует зону
собственного усталостного распространения с характерными
концентрическими бороздками или дугами и мелкозернистым,
фарфоровидным изломом. Зачастую она имеет отдельные участки гладкой
притертой поверхности. Долом происходит внезапно, когда ослабленное
трещиной сечение детали не способно выдержать прикладываемой
механической нагрузки. Долом бывает вязким или хрупким.
Макроанализ при помощи макрошлифов.
Более часто макроанализ проводится не на изломах, а на макрошлифах.
При этом исследуются химическая и структурная неоднородность металла,
волокнистое строение деформированного металла, дендритное строение
литого металла, качество сварного соединения, а также выявляются
дефекты, нарушающие сплошность строения металла.
Рассмотрим различные методы макроанализа, применяемые при
исследовании макрошлифов.
Необходимость определения общей химической неоднородности
(ликвации) вызвана тем, что химический состав стали дает представление
лишь о среднем количественном соотношении элементов, входящих в
металл, но не вскрывает характер их распределения по сечению детали.
Распределение в стали углерода, фосфора и серы зависит как от
количества этих элементов, так и от процессов кристаллизации и обработки
давлением. Оно оказывает существенное влияние на строение металла, а
следовательно, и на его свойства.
Сера вызывает красноломкость стали, т.е. охрупчивание при высоких
температурах, а фосфор – хладноломкость, т.е. охрупчиваемость при
низких температурах.
Для определения общей ликвации углерода, фосфора и серы
одновременно применяют травление исследуемой поверхности в 10 – 15%-
10
ном водном растворе двойной медно-аммиачной соли соляной кислоты
(CuNH4Cl2).
При травлении стального макрошлифа железо переходит с поверхности
в раствор, а на его место осаждается медь, которая предохраняет
поверхность металла от дальнейшего воздействия хлористых солей
реактива. В результате места, обогащенные углеродом, фосфором и серой,
окажутся менее защищенными медью и будут сильно протравлены. После
снятия слоя меди они будут выглядеть темнее участков с меньшим
содержанием этих элементов.
Сера является наиболее вредной примесью в стали, её количество
строго ограничивается ГОСТами.
Для выявления характера распределения серы по сечению детали
применяют метод снятия отпечатка по Бауману.
В стали сера присутствует в виде сульфидов FeS и MnS, распределение
которых по сечению макрошлифа можно установить по отпечатку,
получающемуся на бромосеребряной фотобумаге, если её наложить на
поверхность макрошлифа, предварительно смочив 10%-ным водным
раствором серной кислоты. Тогда между сульфидами, серной кислотой и
бромистым серебром, которое входит в состав фотоэмульсии, произойдут
следующие химические реакции:
FeS+H2SO4=H2S +FeSO4;
MnS+ H2SO4= H2S+ MnSO4;
2AgBr+H2S=Ag2S+2HBr
При этом в местах с повышенным содержанием серы будет выделяться
больше H2S, следовательно, и больше Ag2S. Наличие на фотобумаге
тёмных включений Ag2S укажет форму и характер распределения
сульфидов (серы) по сечению макрошлифа. При равномерной окраске
можно говорить о равномерном распределении серы.
В случае повышенного содержания в стали фосфора и его ликвации
возможно выпадение фосфида серебра, также темного цвета.
Ликвация химических элементов тесно связана как с волокнистым
строением деформированных металлов, так и с дендритным строением
литых сплавов.
Для выявления волокнистого строения металла применяют метод
глубокого травления, которое обычно проводится в 50%-ных водных
растворах концентрированных кислот – соляной для углеродистых сталей и
азотной для легированных сталей – при температуре 60-70ºС в течение
15-40мин. Применяют и многие другие реактивы в зависимости от природы
металла.
Дендритами называют кристаллы (зерна) литого металла, имеющие
древовидную форму. Вредные примеси в виде неметаллических включений
11
(сульфидов, фосфидов, оксидов) и некоторые легирующие
скапливаются чаще всего в междендритных пространствах
металлургических предприятий, как правило, является
ковку или прокатку
деформировании дендриты, вначале дезориентированные
поворачиваются и вытягиваются вдоль направления
гиваются и неметаллические включения. В результате
формируется типичная для прокатного металла полосчатая
о строения в результате вытяжки
Так как выявленные волокна представляют собой вытянутые
кристаллы (дендриты) металла, направление которых зависит
металла при горячей обработке давлением, то, следовательно
делий
Волокнистое строение металла обусловливает резко
анизотропию его свойств (различие их показателей вдоль
Пластичность, ударная вязкость и прочность образцов
окон, выше. Поэтому ответственные детали
работающие при высоких динамических нагрузках (коленчатые
шестерни, шатуны, молотовые штампы, клапаны, крюки), изготовляют
чтобы волокна в них не перерезались, а соответствовали конфигурации
елия. При обработке резанием детали из деформированной
волокна перерезаются, что резко снижает прочность детали.
Различные методы макроанализа используются и при
качества сварных соединений. Визуальный осмотр сварных швов
скрыть отклонения в размерах и форме сварного шва, наличие
претерпевший горячую обработку давлением -
Вытя
структура (рис. 4).
Рис. 4. Образование волокнистог
травлением можно установить и способ изготовления из
давлением, резание (рис. 5).
волокна).
вдоль вол
изд
в
подрезов, газовых пор, непроваров, трещин (рис. 6).
- обработка
12
а б а б
направление «волокна
Дендритное строение сварного шва, трещины, непровары
ледуемых поверхностей
называют отсутствие соединения между
наплавленным металлом. Причиной непровара может быть
поверхности свариваемых деталей или недостаточная
болт кольца
шестерни
а б
Рис. 5. Правильное (а) и неправильное (б)
четко выявляются после травления исс
шва в 10-25%-ном водном растворе азотной кислоты.
Рис. 6. Некоторые дефекты сварного шва:
а – непровар, б - прожог, в – подрезы (трещины)
Непроварами
13
разогрева основного металла.
Прожог образуется при нарушении сварки сопровождается окислением
основного и наплавленного металла. Как правило, по границам зёрен. При
этом прочность сварного шва понижается.
Пористость характеризуется наличием газовых пузырей в сварном
шве.
Трещинами называются большими внутренними растягивающими
напряжениями, которые возникают при охлаждении наплавленного
металла.
Строение слитка.
Форма зёрен, образующихся при кристаллизации, зависит от условий их
роста, главным образом от скорости и направления отвода теплоты и
температуры жидкого металла, а также от примесей.
Рост зерна происходит по дендритной (древовидной) схеме (рис. 7).
Установлено, что наибольшая скорость роста кристаллов наблюдается по
таким плоскостям и направлениям решётки, которые имеют наибольшую
плотность упаковки атомов. В результате вырастают длинные ветви,
которые называются осями первого порядка 1 (рис.7). Затем на этих осях
появляются и начинают расти ветви второго порядка 2 (рис.7) и т. д.
Одновременно идет кристаллизация в участках между осями дендритов.
Рис.7. Схема дендритного роста кристалла
Дендриты растут до тех пор, пока не соприкоснутся друг с другом.
14
После этого окончательно заполняются межосные пространства и
дендриты превращаются в полновесные кристаллы с неправильной
внешней огранкой. Такие кристаллы называются зернами или
кристаллитами. На границах между зёрнами в участках между осями
дендритов накапливаются примеси, появляются поры из-за усадки и
трудностей подхода жидкого металла к фронту кристаллизации.
Условия отвода теплоты при кристаллизации значительно влияют на
форму зёрен. Это видно на примере кристаллизации стального слитка (рис.
8).
1-наружная зона мелкозернистого строения; 2-зона столбчатых зёрен; 3-зона равновесных (крупных) зёрен
Рис. 8. Схема строения стального слитка:
Кристаллизация стального слитка идет в три стадии. Сначала на
поверхности слитка образуется зона 1 (рис. 8) мелких кристаллов – это
результат влияния холодной металлической формы, которая обеспечивает в
первые моменты затвердевания слитка большую скорость охлаждения
металла. Затем растут большие кристаллы зона 2 (рис. 8), вытянутые по
направлению отвода теплоты. Их называют столбчатыми кристаллами.
Наконец, в середине слитка, где наблюдается наименьшая степень
переохлаждения, образуются равновесные кристаллы больших размеров
зона 3 (рис. 8).
Жидкий металл имеет большой объем, чем закристаллизовавшийся,
поэтому залитый в форму металл в процессе кристаллизации сокращается в
объёме, что приводит к образованию пустот, называемых усадочными
раковинами. Усадочная раковина находится в верхней части слитка, т. к.
15
она затвердевает в последнюю очередь. Под усадочной раковиной металл
получается рыхлым. Часть слитка усадочной раковиной и рыхлым
металлом отрезают.
Если изделия литые, т.е. получены методом литья, то на их поверхности
наиболее часто встречаются следующие дефекты:
1. пригар, представляющий собой трудноотделимую корку,
состоящую из смеси металла, формовочного песка и шлака;
2. усадочные пустоты (раковины, рыхлости, пористость),
образующиеся в результате усадки металла (уменьшение объема)
при его затвердевании;
3. газовые раковины (пузыри), возникающие в кристаллизующемся
металле чаще всего из-за его большой газонасыщенности;
4. ужимины, создающиеся вследствие частичного отслоения
внутренних поверхностных слоев песчаной формы, что приводит к
образованию в твердом металле полостей, заполненных
формовочным материалом;
5. трещины, появляющиеся как результат высоких напряжений в
отливках из-за сопротивления формы их усадке, а также
неодинаковых скоростей охлаждения различных частей литой
заготовки;
6. неметаллические включения, которые по происхождению
разделяются на эндогенные и экзогенные. Эндогенные образуются
в результате взаимодействия компонентов сплава, например
железа, с растворенными в нём кислородом, серой, азотом;
экзогенные – шлаковые включения и засоры от разрушающихся
стенок формы.
В пластически деформированных изделиях остаётся часть дефектов
литого металла. Оставшиеся дефекты при пластическом деформировании
металла видоизменяются. Усадочные пустоты превращаются в расслоения.
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с методикой приготовления макрошлифов.
2. Изучить коллекцию макрошлифов. Зарисовать их.
3. Изучить и зарисовать основные виды изломов (вязкий, хрупкий,
усталостный).
Контрольные вопросы.
1. Что такое макроанализ?
2. Что такое макрошлиф? Подготовка образцов.
16
3. Перечислите признаки хрупкого и вязкого разрушения на примере
изломов.
4. Опишите механизм усталостного разрушения и назовите зоны
этого разрушения.
5. Охарактеризуйте факторы, влияющие на переход металлов из
вязкого состояния в хрупкое.
6. Объясните сущность ликвации.
7. Что такое красноломкость и хладноломкость?
8. Объясните сущность образования волокнистого строения металла
в процессе пластического деформирования.
9. Приведите примеры рационального расположения волокон
металла в зависимости от способа изготовления детали.
10. Перечислите дефекты сварных швов.
11. Назовите основные зоны стального слитка и дайте их
характеристику.
12. Охарактеризуйте возможные дефекты отливок.
17
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2
Измерение твердости металлов
Цель работы: изучить устройство приборов для определения твердости
металлов, научиться пользоваться приборами по измерению твердости
металлов.
Приборы и оборудование: пресс Бринелля, пресс Роквелла, отсчетный
микроскоп для определения диаметра отпечатка, образцы сталей, чугунов и
цветных металлов.
Краткие сведения из теории
Определение твердости является широко распространенным способом
испытаний для характеристики механических свойств металлов. В
настоящее время существует несколько методов измерения твердости,
различающихся по характеру воздействия наконечника: метод
вдавливания, метод отскакивания, метод царапания. Наибольшее
применение получил метод вдавливания.
Под твердостью металла при вдавливании понимается его
сопротивление местной пластической деформации при контактном
приложении нагрузки.
Наиболее широкое распространение в машиностроительной
промышленности
получили методы Бринелля, Роквелла и Викерса,
благодаря их простоте и возможности производить испытания деталей без
разрушения.
Определение твердости по Бринеллю
Определение твердости по Бринеллю (ГОСТ 9012-59, 22761-77) состоит
в том, что при использовании специального пресса (пресса Бринелля) в
испытуемый материал в течение определенного времени вдавливается
нагрузкой Р стальной закаленный шарик диаметра D.
Схема испытания на твердость по Бринеллю дана на рис. 9.
В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается
отпечаток (лунка).
Диаметр отпечатка измеряют специальным отсчетным микроскопом
МПБ-2, на окуляре которого нанесена шкала с делениями,
соответствующими десятым долям миллиметра (рис. 10).
Отношение давления Р к поверхности полученного отпечатка
(шарового сегмента) дает число твердости обозначаемое НВ(2):
F
2
где F=πDh.
HB =
18
P
, кгс/мм2 (н/м2), (2)
Рис. 9. Схема определения твердости методом Бринелля
Рис. 10. Измерение диаметра отпечатка
Так как удобнее измерять не глубину отпечатка, а его диаметр, то,
выражая глубину отпечатка через его диаметр d и диаметр шарика,
получаем (3):
22
)(
dDDπD
F−−=
(3)
Подставив значение F получим (4):
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]