Материаловедение_лабы

На циферблате индикатора прибора имеются две шкалы: наружная (черная) и внутренняя (красная). Наружная служит для отсчета показаний прибора при испытании алмазным конусом по

шкалам CЭ при Р = 1470 Н (150 кгс) и А при Р = 588 Н (60 кгс), а

внутренняя красная шкала В – при испытании стальным шариком при нагрузке Р = 9800 Н (100 кгс).

Прибор для измерения твердости должен обеспечивать приложение нагрузок, приведенных в приложении 5. В приложении 6 приведены виды инденторов, величины нагрузок и области их применения для твердомера ТР 5014.

Устанавливаются следующие пределы измерения твердости по шкалам А, В и CЭ : шкала А – 70…85 ед. (твердые сплавы – из-

делия с высокой поверхностной твердостью), шкала CЭ – 20…67 ед. (окончательно термически обработанная сталь),

В – 25…100 ед. (мягкие металлы и сплавы).

При измерениях твердости расстояние между центрами двух соседних отпечатков или от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 3 мм.

При определении твердости на цилиндрических выпуклых поверхностях изделий диаметром менее 38 мм по шкале А или CЭ и

диаметром менее 25 мм по шкале В применяют поправки, приведенные в прил. 5,6, которые прибавляются к полученным значениям твердости.

Твердость по Роквеллу обозначается цифрами, характеризующими величину твердости, и буквами НR с указанием шкалы твердости.

П р и м е р: 60 HR CЭ .

На практике применяют приборы Роквелла с ручным приводом (РВ) и электрическим (ТК-2).

Испытания на приборе типа ТК-2 производятся в следующей последовательности. На столик устанавливают испытуемое изделие, вращением маховика поджимают его к наконечнику до тех

20

пор, пока малая стрелка индикатора не встанет против красной точки. Вращением барабана устанавливают ноль шкалы CЭ про-

тив большой стрелки индикатора. Плавным нажатием на клавишу включают в работу привод механизма нагружения.

По окончании цикла нагружения производят отсчет по шкале индикатора, затем вращением маховичка против часовой стрелки опускают столик и снимают с него испытуемое изделие. Продолжительность цикла испытания 4 ± 1 с.

Метод измерения твердости по Виккерсу. Твердость по Виккерсу (ГОСТ 2999–75) определяется вдавливанием в испытуемый материал правильной четырехгранной алмазной пирамиды с углом 136° между противоположными гранями.

Вычисляется твердость по Виккерсу путем деления нагрузки Р на площадь поверхности полученного пирамидального отпечатка:

где НV – твердость по Виккерсу, МПа (кгс/мм2); α – угол между противоположными гранями пирамиды при вершине, равный 136°; d – среднее арифметическое значение длин обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм; Р – нагрузка, Н (кгс).

При испытании нагрузка выбирается в зависимости от толщины испытуемого материала.

Твердость по Виккерсу во всех случаях обозначается буквами НV без указания размерности – МПа (кгс/мм2). Основными параметрами в измерении твердости по Виккерсу являются нагрузка Р = 294 Н (30 кгс) и время выдержки 10…15 с. В других случаях после символа НV указываются индексы, разделенные наклонной чертой и обозначающие нагрузку и время выдержки, и через тире – число твердости.

П р и м е р: НV30/20 – 420

21

Твердость по Виккерсу, вычисленная по приведенной выше формуле, в зависимости от длины диагонали отпечатка при стандартных значениях нагрузки Р приведена в приложении к ГОСТу 2999–75. Данный метод испытания позволяет определять твердость азотированных, цементированных поверхностей, а также тонких листовых материалов. Наблюдается хорошее совпадение значений твердости по Виккерсу и Бринеллю в пределах от 100 до 450ед.

Соотношение чисел твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу. На основании экспериментальных данных установлены приближенные соотношения между твердостью, определенной различными способами (приложение 4). Эти соотношения позволяют сопоставлять твердость материала, измеренную исследователями с использованием разных методов и выраженную в неодинаковых числах твердости.

Оценка по твердости других характеристик механических свойств металлов. По твердости материалов можно оценить их механические свойства, для определения которых требуются стандартные испытания с разрушением образцов, вырезаемых из испытуемого материала.

Существуют приблизительные количественные зависимости, например, между твердостью по Бринеллю и механическими свойствами, определяемыми при испытаниях на растяжение.

Так, для конструкционных углеродистых и легированных сталей перлитного класса зависимость условного предела текучести

( σ0,2 ) от твердости описывается уравнением σ0,2 = 0,367 НВ - 240

(для стали с НВ > 150). Для стали с НВ < 150 эта зависимость имеет вид σ0,2 ≈ 0,2 НВ.

Экспериментальная зависимость между НВ и временным сопротивлением σв для конструкционных углеродистых и низколе-

гированных сталей имеет почти прямолинейный характер, т.е. с некоторым приближением можно считать σв ~ 0,345 НВ (для ста-

ли с НВ > 150). При твердости НВ < 150 отношение σв к НВ становится большим, чем 0,345. Устойчивая связь между НВ и σв позволяет пользоваться таблицей для пересчета НВ на σв , реко-

мендованной ГОСТом 22761–77.

Для алюминиевых сплавов принята зависимость σв ~ 0,26 НВ.

22

2.3.Порядок выполнения работы

1.Получить три образца: малоуглеродистой (мягкой), высокопрочной стали и алюминиевого сплава.

2.Измерить твердость всех образцов на приборе Роквелла.

3.Измерить твердость образца из алюминиевого сплава на приборе Бринелля.

4.Определить твердость по Бринеллю образцов из стали по приложению 4.

5.Вычислить временное сопротивление и условный предел текучести по значениям твердости.

6.Результаты измерений и расчетов свести в табл. 2.3.

Т а б л и ц а 2.3

Результат измерений твердости и расчета прочностных характеристик

2.4.Содержание отчета

1.Наименование и цель работы.

2.Формулы для приближенного расчета временного сопротивления и условного предела текучести.

3.Таблица результатов измерений твердости и расчета харак-

теристик прочности (σв и σ0,2 ).

4.Выводы по работе.

2.5.Вопросы для самопроверки

23

1.В чем основное различие между методами измерения твердости по Бринеллю и по Роквеллу?

2.Какую размерность имеют величины твердости, определенные по Бринеллю и по Роквеллу?

3.Какой метод измерения твердости удобнее всего применить для исследования твердости поверхностных слоев металла?

4.Можно ли испытанием на твердость заменить другие методы механических испытаний материалов?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ПОСТРОЕНИЕ АНАЛИЗ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ

3.1.Цель работы

1.Ознакомиться с методикой построения диаграмм состояния сплавов с помощью термического анализа.

2.Исследовать структуру и свойства сплавов в связи с диаграммами различного типа.

3.2.Теоретическое обоснование работы

В технике гораздо чаще применяются сплавы, а не чистые металлы. Под сплавом понимается система, состоящая из двух или нескольких компонентов, полученная сплавлением или методом порошковой металлургии. Строение и свойства сплавов зависят от того, в какие взаимодействия вступают его компоненты. Компонентами могут быть химический элемент или химическое соединение элементов. Компоненты металлического сплава в жидком состоянии, как правило, способны к неограниченному взаимному растворению. Фазой называется часть сплава, ограниченная поверхностью раздела, при переходе через которую скачкообразно меняются свойства сплава. Примерами фаз могут быть расплавленный металл – жидкая фаза, закристаллизовавшийся металл – твердая фаза.

Основными составляющими различных типов структур сплавов являются химические элементы (механическая смесь), твердый раствор и химическое соединение.

Твердый раствор – это такая структура сплава, в котором компоненты способны к взаимному растворению в твердом состоянии (ограниченно или неограниченно растворимые). Твердый раствор

24

отличается единой кристаллической решеткой на основе одного из компонентов (по типу замещения или внедрения). Например, медь и никель образуют сплавы со структурой твердого раствора замещения.

Химическое соединение имеет новый тип кристаллической решетки, отличной от строения решеток элементов, образующих соединение. При образовании химического соединения свойства сплава резко изменяются.

Диаграмма состояния сплавов представляет собой графическое изображение фазового состава и структур в координатах "температура–концентрация" компонентов.

Для сплава – системы из двух компонентов А и В – диаграмма состояния строится в плоскости (в двух измерениях), ограниченной справа и слева двумя вертикальными осями, в виде температурных шкал для компонента А (слева) и В (справа) и осью абсцисс – осью концентраций, каждая точка которой соответствует составу двойного сплава, выраженному относительной массовой долей компонентов в процентах. При этом под осью указывается значение концентрации одного из компонентов (как правило, компонента В), а концентрация второго (А) подсчитывается по форму-

ле А% =100% − В% .

На плоскости диаграммы состояний структурно-фазовое состояние сплава отмечается точкой, проекция которой на ось концентраций определяет содержание компонентов А и В в сплаве, а проекция на ось температур – температуру существования данного состояния. Линии, соединяющие точки фазовых превращений всех возможных сплавов, будут разграничивать области стабильности фаз (структур) как по температурам превращений, так и по концентрациям компонентов. Таким образом, линии на диаграммах представляют собой геометрическое место точек: или критических температур всех возможных сплавов, или предельные (минимальные и максимальные) концентрации (растворимости) компонентов для всех возможных температур существования фаз.

Для сплава – системы из трех компонентов А, В и С – строят объемные (три измерения) диаграммы. При этом в изотермических сечениях получаются не отрезки, а треугольники концентрации.

Построение диаграмм состояния на основе метода терми-

ческого анализа. Любая диаграмма состояния сплавов строится по экспериментальным данным, полученным в большинстве случаев

25

методом термического анализа. Сущность его состоит в том, что записываются кривые охлаждения ряда сплавов и по остановкам и перегибам на этих кривых определяют температуры фазовых превращений в них. Для построения диаграммы состояния выбирается такой ряд сплавов данной системы, который гарантирует требуемую точность диаграммы, поскольку критические температуры всех сплавов вне ряда будут определены графическим построением, а не экспериментом.

Шихтой для каждого сплава являются чистые компоненты веществ А и В. Компоненты взвешивают и засыпают в огнеупорные сосуды (тигли). Массовая доля компонента в тигле определяет состав сплава. Каждый из тиглей нагревают на 50…100° выше температуры полного расплавления компонентов, извлекают из печи и охлаждают на спокойном воздухе. В процессе охлаждения фиксируют изменения температуры сплава во времени. Температуру измеряют при помощи термоизмерительного прибора (термометра, термопары), помещенного в центре объема сплава. По результатам наблюдений строят кривую (график) охлаждения от температуры выше температуры плавления сплава до комнатной. Если термопару подключить к электронному потенциометру, то запись кривых охлаждения сплавов будет производиться автоматически (рис. 3.1). Термический анализ можно вести также в процессе нагрева.

26

сочетании с жидкостью. Эта линия носит название солидус. Точка А – температура плавления свинца, В – сурьмы.

При охлаждении расплава, в момент достижения температуры tн (температура начала кристаллизации) образуются центры кристаллизации, из которых растут кристаллы свинца (II) или сурьмы (III). При дальнейшем охлаждении состав жидкой фазы меняется по линии ликвидус, линии АС (II) или ВС (III), а состав твердой фазы – кристаллы Рb или Sb.

Выделение свинца из высокосвинцовистых (II) или сурьмы из высокосурьмянистых (III) сплавов происходит при охлаждении до тех пор, пока химический состав оставшегося расплава не станет строго определенным, зависящим от химической природы атомов компонентов. Для расплава свинца с сурьмой, как только оставшаяся жидкая фаза будет иметь состав из 87% свинца и 13% сурьмы, кристаллизация произойдет во всем о бъеме. При постоянной температуре (на линии DCE) одновременно выделяются кристаллы и свинца и сурьмы. Такая часть сплава или сплав целиком называется эвтектикой.

Эвтектика – это механическая смесь двух или более видов кристалла, имеющая определенный химический состав и кристаллизующаяся при постоянной температуре. Температура кристаллизации эвтектики всегда ниже температуры плавления самого легкоплавкого компонента.

Область II диаграммы, ограниченная линией АСD, содержит жидкость и твердые кристаллы свинца, область ВСЕ (III) – жидкость и твердые кристаллы сурьмы. Области, расположенные ниже линии солидуса, содержат только твердые кристаллы свинца и эвтектики (IV) или твердые кристаллы сурьмы и эвтектики (V).

По структуре в твердом состоянии сплавы, содержащие менее 13% сурьмы, называются доэвтектическими, 13% сурьмы – эвтектическими, более 13% сурьмы, – заэвтектическими. При кристаллизации доэвтектического сплава сначала образуются кристаллы свинца, а при кристаллизации заэвтектического сплава – кристаллы сурьмы, характерная форма и размеры которых представлены на рис. 3.2. Пользуясь диаграммами состояния, можно определить для любого сплава количество и состав фаз при любой температуре.

28

Математический ответ на этот вопрос дает «первое правило отрезков»: «В двухфазной области III (или II) количество твердой

закристаллизовавшейся фазы при температуре t (tн < t < tк ) пропорционально относительной длине отрезка (C0 −C1 ): (C2 −C1 ),

прилегающего к линии ликвидус, а количество незатвердевшей жидкой фазы – относительной длине отрезка (C2 −C0 ): (C2 −C1 ),

прилегающего к линии солидус»

в

Рис. 3.2. Микроструктура сплавов свинец-сурьма: а – доэвтектический

сплав (менее 100% эвтектики в структуре); б – эвтектический (100%); в – заэвтектический (менее 100%)

29