Методичка по Материаловедению Теперь и в ПДФ

13

разогрева основного металла.

Прожог образуется при нарушении сварки и 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.

Трещины вызываются 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. После этого окончательно заполняются межосные пространства и дендриты превращаются в полновесные кристаллы с неправильной внешней огранкой. Такие кристаллы называются зернами или кристаллита-

14

ми. 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).

Рис. 8. Схема строения стального слитка:

1-наружная зона мелкозернистого строения; 2-зона столбчатых зёрен; 3-зона равновесных (крупных) зёрен

Кристаллизация стального слитка идет в три стадии. Сначала на поверхности слитка образуется зона 1 (см.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 (см.рис. 8).

Жидкий металл имеет больший 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. она затвердевает в последнюю очередь. Под усадоч-

15

ной раковиной металл получается рыхлым. Часть слитка с 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.

Впластически 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 и задания.

1.Что такое макроанализ?

2.Что такое макрошлиф? Как производится подготовка образцов?

3.Перечислите признаки хрупкого и вязкого разрушения на примере изломов.

16

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

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 Виккерса, 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):

18

где F= Dh.

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):

Подставив значение F получим (4):

Таким образом, зная диаметр шарика и нагрузку, замерив диаметр отпечатка, легко определить твердость.

Для получения одинаковых значений твердости металла при разных диаметрах шариков и различных нагрузках необходимо соблюдать закон подобия P/D2 = const. В этом случае угол

= const, где – угол вдавливания. Поэтому при испытании по Бринеллю, учитывая закон подобия, а также то обстоятельство, что диаметр шарика подбирается в зависимости от толщины испытуемого образца металла, и что для металлов разных твердостей нужно прилагать разные нагрузки, применяют соотношения по ГОСТ 9012-59. Кроме того, продолжительность выдержки образца под нагрузкой должна быть строго определенной, чтобы деформация образца шариком полностью завершилась.

Перед испытанием поверхность образца, в которую будет вдавливаться шарик, обрабатывают наждачным камнем или напильником, чтобы она была ровной, гладкой и не было окалины и других дефектов. При обработке поверхности образец не должен нагреваться выше 100–150°С. Подготовка поверхности образца необходима для получения правильного отпечатка и отчетливой видимости его краев для измерения.

При выборе диаметра шарика D, нагрузки P, продолжительности выдержки под нагрузкой и минимальной толщины испытуемого образца следует руководствоваться нормами ГОСТа для испытаний по Бринеллю (табл. 2).

При указании твердости НВ иногда отмечают, при каких условиях измерялась твердость, например: НВ 140 (10/3000/10) означает, что испытание производилось шариком диаметром 10 мм под нагрузкой 3000 кгс (30000 Н) в течение 10 секунд.

При измерении твердости шариком определенного диаметра и с установленными нагрузками расчет числа твердости по формуле НВ=Р/F почти не выполняют, а пользуются заранее составленными таблицами, указывающими число НВ, в зависимости от диаметра отпечатка d и соотношения между нагрузкой Р и D2 (согласно табл. 3).

20

Таблица 2

Соотношение диаметров шарика и нагрузки при испытании металлов по методу Бринелля

Существует примерная количественная зависимость между числами твердости и пределом прочности:

для стали с твердостью НВ 120–175...…………………… в=0,34 НВ; для стали с твердостью НВ 175–450..……………………. в=0,35 НВ;

для меди, латуни и бронзы отожженной..……………….. в=0,55 НВ; для меди, латуни и бронзы наклепанной..……….……… в=0,40 НВ; для алюминия и алюминиевых сплавов с твердостью НВ 20–45............................................ в=(0,33÷0,36) НВ;

для дуралюминия отожженного...…………….................. в=0,36 НВ;

для дуралюминия после закалки и старения……………. в=0,35 НВ. Измерение твердости вдавливанием стального шарика не является универсальным способом. Этот способ не позволяет: а) испытывать материал с твердостью более НВ 450; б) измерять твердость тонкого поверхностного слоя (толщиной менее 1–2 мм), так как стальной ша-

рик продавливает этот слой.

22

под нагрузкой.

5. Установить испытуемый образец на столик 14 так чтобы центр отпечатка располагался от края образца и от центра соседнего отпечатка на расстоянии не менее двух диаметров шарика.

Рис. 11. Схема пресса Бринелля:

1 – станина; 2 – рычаг большой; 3 – микропереключатель; 4 – подвеска; 5 – грузы; 6 – шатун; 7 – кривошип; 8 – чашка; 9 – червячная пара;

10 – электродвигатель; 11 – кнопка пусковая; 12 – маховик; 13 – контактная группа; 14 – стол сменный; 15 – держатель шариковой оправки; 16 – ограничитель;

17 – втулка шпинделя; 18 – шпиндель; 19 – лампа сигнальная.

6.Подвести образец к шарику, вращая маховик 12 до упора в ограничитель 16.

7.Нажатием кнопки 11 включить электродвигатель 10, который через червячный редуктор 9, кривошип 7, шатун 6 отведет вниз рычаг 2 и соединенную с ним подвеску 4 с грузами 5. Тогда нагрузка через систему рычагов, шпиндель 18 и втулку сообщается шариковому наконечнику. Этот момент фиксируется загоранием лампочки. После соответствующей выдержки груза вращение электродвигателя автоматически переключается на обратное и нагрузка с образца снимается. Когда подвеска с грузами достигнет, исходного положения, автоматически выключается электродвигатель.

8.Отвести столик прибора с образцом от шарика вращением маховика 12 против часовой стрелки.

9.Снять образец и с помощью микроскопа измерить диаметр отпе-