Температурные режимы обработки металлов (°С)
Металл
Плавлени е
Рекристаллизаци я
Рекристаллизационны й отжиг ,°С
Горячая обработка давление м
Молибден 2620 900 1400–1600 2000–
1400
Титан 1672 500 650–750 1150–800
Железо 1536 450 650–750 1300–800
Медь 1083 270 500–600 900–650
Алюмини й
660 100 350-400 500–400
Свинец 327
–30
–
–
Олово 232
–70
–
–
Деформация может быть холодной и горячей. Холодная деформа- ция проводится при температурах ниже температуры рекристаллизации и сопровождается наклепом металла. Горячая деформация осуществля- ется при температурах выше температуры рекристаллизации. Для горя- чей деформации характерно полное или частичное снятие упрочнения.
Таким образом, при обработке давлением имеют место два процесса: упрочнение за счет пластической деформации и последующее разупрочнение при рекристаллизации.
Есть металлы, которые при комнатной температуре не подверга- ются наклепу и испытывают горячую деформацию. Примером явля- ется свинец с температурой рекристаллизации ниже комнатной. Для молибдена, имеющего температуру рекристаллизации около 900
С, деформация при нагреве до 800 °С еще является холодной. На прак-
37 тике горячую деформацию обычно проводят при температурах
(0,7…0,75) T
пл
4. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
И ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ
4.1. Металлографические методы исследования
Качество металла – это его способность выполнять функции, не- обходимые потребителю. Гарантии качества даются по результатам механических испытаний, неразрушающему контролю, контролю макро- и микроструктуры. Часть требований входит в сдаточные нормы, другая часть устанавливается испытаниями для данной марки металла (усталостная прочность, трещиностойкость и др.). Перечень сдаточных норм определяется соглашением между производителем и потребителем.
Методы исследования строения и свойств металлов интенсивно развиваются в связи с необходимостью иметь информацию о надеж- ности металлов в процессе эксплуатации, причинах поломок и аварий изделий, об изменениях строения в процессе разработки новых спла- вов или технологий их обработки.
Существует взаимосвязь между строением (структурой) и свой- ствами металлов. Под структурой понимают форму, размеры и вза- имное расположение фаз в металлах и сплавах. Структурными со- ставляющими сплава называют обособленные его части, имеющие одинаковое строение и характерные особенности. Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую скачкообразно меняется состав или стро- ение. При изучении строения металла различают макроструктуру – строение, видимое невооруженным глазом или при небольшом уве- личении (30…40 раз), и микроструктуру – строение, определяемое металлографическими методами, т.е. с использованием различных типов микроскопов (оптических, электронных и ионных).
Изучение макро- и микроструктуры металла. Макроструктуру металла изучают путем просмотра поверхности специально подготов- ленных образцов – продольных или поперечных макрошлифов (тем- плетов) или изломов. Это позволяет контролировать большую по- верхность и получать общее представление о качестве металла и о наличии в нем определенных пороков после различных видов техно- логического процесса изготовления деталей: литья, обработки давле- нием, сварки, термической и химико-термической обработки.
38
Макроанализ, как правило, является предварительным этапом ис- следования структуры металла. Путем исследования макроструктуры на темплетах можно определить:
1) нарушение сплошности металла: усадочную рыхлость, пори- стость,
газовые пузыри и раковины, подкорковые пузыри, межкри- сталлитные трещины; трещины и пустоты в литом металле; трещины, возникшие при обработке давлением и термической обработке, фло- кены; пороки сварки (в виде непровара, газовых пузырей, пустот);
2) дендритное строение и зону транскристаллизации в литом ме- талле, размер зерна;
3) химическую неоднородность сплава (ликвацию), вызванную процессом кристаллизации (поэтому макроанализ является обяза- тельным видом металлургического контроля каждой плавки стали), или химико-термической (цементация, азотирование) обработки;
4) технологию изготовления заготовки (литье или обработка дав- лением).
Исследование макроструктуры по излому специальных образцов или им подобных (фрактографическое исследование) позволяет су- дить о размере зерна, особенностях выплавки и литья, термической обработки (наличие нафталинистого, камневидного излома), а следо- вательно, и о некоторых свойствах металла. Вид излома используют в качестве критерия склонности стали к хрупкому разрушению. Он мо- жет выявить такие дефекты, как расслоение (шиферность и слои- стость), свидетельствующие о плохом металлургическом качестве сплава.
Микроструктура показывает взаимное расположение фаз, их форму и размеры; для её изучения используется приготовленный об- разец – микрошлиф, одну из плоскостей которого шлифуют, полиру- ют и протравливают в специальном реактиве.
Оптические микроскопы, в которых изображение формируется в отраженном свете, имеют полезное увеличение до 2000 раз и позво- ляют различать в строении металла структурные элементы размером не менее 200 нм.
Электронные микроскопы бывают двух разновидностей: просве- чивающие (ПЭМ) и растровые (РЭМ). Принцип работы ПЭМ основан на прохождении через фольгу из исследуемого металла потока элек- тронов. Из-за неодинакового их рассеивания объектом его изображе- ние проецируется на экране. Большая разрешающая способность и увеличение дают возможность изучать субмикроструктуру материа- лов, в том числе элементы дислокационной структуры. В РЭМ изоб- ражение исследуемого объекта формируется при сканировании по-
39 верхности излома с помощью потока первичных электронов. При этом возникают электронные эффекты, которые регистрируются дат- чиками. Такие микроскопы дают представление о микрорельефе, кри- сталлографических характеристиках материала исследуемых образ- цов. Увеличение и разрешающая способность микроскопов представ- лены в табл. 4.1.
Т а б л и ц а 4.1
Увеличение и разрешающая способность микроскопов
Вид микроскопа
Технические характеристики микроскопа
Объект исследования
Примечание
Увеличение
(раз)
Разрешение, нм
Оптические:
МЕТАМ ЛВ
ЕС МЕТАМ РВ
50–1500 (ви- зуальное наблюдение);
50–1000 (фо- тографии);
50–1000 (ви- зуальное наблюдение)
2000
Микрошлиф
Максимальная нагрузка на предметный столик
3 кг
Электронные: просвечиваю- щие
(ПЭМ)
До 10 6
0,2–0,5
Фольга или реплика (от- печаток с ме- таллической поверхности)
Размер образ- цов: до 100–150 мм в диаметре и до 10 мм в высоту растровые (РЭМ) 10–100 000 25–30
Поверхность излома образца
Возможность элементного микроанализа
РЭМ с автоэмиссионным катодом
10–500 000 1,5–5
Рентгено-структурный анализ (РСА) основан на дифракции рент- геновских лучей рядами атомов в кристаллической решетке, что определяет его применение для изучения кристаллической структуры материала (исследование блочного строения кристаллитов, дислока- ций), текстуры металла. Рентгено-спектральный микроанализ (РСМА) используется для определения химического состава микрообластей на специально приготовленных микрошлифах, для оценки особенностей распределения примесей и компонентов в сплавах. Разрешающая спо- собность порядка нескольких микрометров позволяет изучать ликва- ционные процессы (дендритную ликвацию). С помощью дилатомет-
40 рического метода, основанного на изменении объёма (размеров) об- разца при фазовых превращениях, можно установить начало и конец этих превращений (например, аустенита в перлит).
4.2. Определение механических свойств
Механическими называются свойства, которые определяются при испытаниях материалов под действием внешних нагрузок. Механиче- ские свойства позволяют установить пределы этих нагрузок, что необходимо для выбора материалов и технологических режимов их обработки, ранжирования свойства различных материалов, контроля и диагностики их прочности в процессе эксплуатации.
В связи с многообразием схем эксплуатации и обработки матери- алов температурно-силовые условия проведения механических испы- таний должны быть по возможности приближены к реальным. Вместе с тем методы испытаний должны быть достаточно простыми и при- годными для массового контроля качества металлургической продук- ции. Поскольку необходимо иметь возможность сопоставлять каче- ство разных конструкционных материалов, методы испытаний меха- нических свойств строго регламентированы стандартами.
Основные признаки, позволяющие классифицировать виды меха- нических испытаний:
способ нагружения (растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез, циклическое нагружение);
скорость нагружения (статическая, динамическая);
продолжительность процесса испытания (кратковременное, длительное);
внешние условия при проведении испытания (температура сре- ды, агрессивность среды).
Другими признаками классификации могут быть виды напряжен- но-деформированного состояния, размер и типы образцов и т.п.
4.2.1. Статические испытания
Испытания на растяжение. Наиболее часто проводят испыта- ния на растяжение (ГОСТ 1497–84), позволяющие получать достаточ- но полную информацию о механических свойствах материалов. Для этого используют цилиндрические или плоские образцы. Обычно применяют малый пятикратный образец круглого сечения (диаметр
5 мм, расчетная длина 25 мм). Для цилиндрического образца отноше- ние расчетной начальной длины l к начальному диаметру d
0
называ- ется кратностью. Перед испытанием образец закрепляется в верти-
41 кальном положении в захватах разрывной машины, обеспечивающей плавное нагружение образца вплоть до момента его разрыва. В про- цессе испытания непрерывно записывается первичная машинная диа- грамма в координатах «нагрузка Р – удлинение ∆l», перестроенная машинная диаграмма в координатах «напряжение–деформация» име- ет аналогичный вид.
Для поликристаллических металлов и сплавов наиболее харак- терны следующие виды диаграмм растяжения. Диаграмма первого типа характерна для образцов, разрушающихся после образования шейки в результате сосредоточенной деформации (рис. 4.1, а). Воз- растание нагрузки до момента разрушения может быть плавным
(рис. 4.1, б) либо прерывистым. В последнем случае на диаграмме могут появиться зуб и площадка текучести (рис. 4.1, а). Тип диаграм- мы определяет характеристики, которые по ней можно рассчитать.
Многие механические свойства выражаются через величину напря- жений. В механике напряжения рассматривают как удельные харак- теристики сил, возникающих в теле под действием внешних нагрузок.
Диаграмма преобразуется в диаграмму в координатах «напряжение
–относительная деформация
». При этом = P/F
0
;
= (∆l/l
0
) ×
× 100%, где F
0
, l
0
– начальная площадь сечения и длина образца до испытания.
Рис. 4.1. Диаграммы растяжений: а – с площадкой текучести,
б – без площадки текучести, в – диаграмма истинных напряжений
Диаграмма растяжения (рис. 4.1, а, б) состоит из трех участков: упругой деформации ОA, равномерной пластической деформации АB и сосредоточенной деформации шейки ВС. Участок ОА имеет прямо- линейный вид и характеризует жесткость материала. Чем меньшую
42 упругую деформацию претерпевает материал под действием нагруз- ки, тем выше его жесткость, которая характеризуется модулем упру- гости
Е =
– структурно нечувствительной характеристикой, определяемой силами межатомного взаимодействия. Модуль упруго- сти является константой материала.
Упругие свойства зависят от температуры металла. При пониже- нии
температуры межатомные расстояния уменьшаются, кристаллы сжимаются, что приводит к увеличению модуля упругости. Основной рост модуля упругости происходит в области температур до 77 К, ниже температур жидкого азота замедляется, а вблизи абсолютного нуля модуль упругости становится температурно независимым.
Наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки («течет»), называется физическим пределом текучести
т и измеряется в мегапаскалях (МПа). Если нет площадки текучести, то определяют условный предел текучести
0.2
, при котором образец получает остаточное удлинение, равное 0,2% первоначальной расчетной длины:
/
,
/
0 2
,
0 2
,
0 0
т
FРFРТ
Пре- дел текучести – основной показатель прочности при расчете допусти- мых напряжений, характеризующих сопротивление малым пластиче- ским деформациям.
Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предше- ствующей разрушению, называется временным сопротивлением (
в
) и измеряется в МПа:
/
0
в в
FР
Величина пластической деформации к моменту разрушения ха- рактеризует пластичность материала. Различают две характеристики пластичности: относительное удлинение
и относительное сужение
(в процентах):
100 0
0
lFF, где
l – длина образца после раз- рыва;
l0
– первоначальная длина образца;
,
100
/
0 0
lFF где
F – площадь сечения разрушившегося образца в месте разрыва;
F0
– пер- воначальная площадь сечения образца.
Условно принято считать металл надежным при
> 15%,
> 45%. Более точно зависимость между деформацией образца и напряжением отражают диаграммы истинных напряжений (рис. 4.1,
в).
Истинное напряжение определяют делением текущей нагрузки
Р на текущее значение площади
F поперечного сечения образца, которое уменьшается в процессе испытания.
Испытания на твердость. Наиболее простым методом испыта- ния свойств является измерение твердости. Твердостью называют свойство материала оказывать сопротивление деформации или хруп-
43 кому разрушению в поверхностном слое при местных контактных воздействиях (при внедрении индентора). Различают следующие ме- тоды определения твердости: по Бринеллю (по диаметру отпечатка шарика), по Роквеллу (по глубине вдавливания алмазного конуса или закаленного шарика), по Виккерсу (для деталей малой толщины или тонких поверхностных слоев – по диагонали отпечатка алмазной пи- рамиды). Число твердости по Бринеллю (НВ) определяется чис- лом нагрузки Р, деленной на сферическую поверхность отпечатка
(рис. 4.2, а). На практике твердость определяют с помощью специаль- ных таблиц по величине диаметра отпечатка. Метод Бринелля не ре- комендуется применять для материала с твердостью более 450 НВ, если используется стальной шарик; при больших значениях твердости
– твердосплавный шарик. Временное сопротивление и число твердо- сти по Бринеллю связаны между собой: для стали σ
в
= 0,34 НВ, для сплавов на основе меди σ
в
= 0,45 НВ, для алюминиевых сплавов σ
в
=
= 0,35 НВ.
Рис. 4.2. Схемы определения твердости: а – по Бринеллю;
б – по Роквеллу; в – по Виккерсу
При испытании по методу Роквелла (рис. 4.2, б) алмазный конус или стальной шарик диаметром 1,588 мм (для более мягких материа- лов) вдавливаются в металл двумя последовательными нагружения- ми: предварительным Р
0
= 100 H, под действием которого индентор вдавливается на глубину h
0
, и основным Р, при этом индентор вдав- ливается на глубину h. После этого снимают нагрузку Р, но оставляют
Р
0
. Разность h – h
0
зависит от твердости материала: чем выше твер- дость, тем меньше эта разность. В приборе имеются три шкалы. При испытании алмазным конусом и нагрузке P = 1400 Н шкала С твер- дость обозначается HRC, при P = 500 H шкала А – HRA, при испыта- нии стальным шариком и Р = 900 H шкала В – HRB. Единица твердо- сти по Роквеллу – безразмерная величина, соответствующая осевому
44 перемещению индикатора на 0,002 мм. По шкале С определяют зна- чения твердости более твердых материалов, чем методом Бринелля
(более 450 НВ).
Твердость по Виккерсу (рис. 4.2, в) определяют путем вдавлива- ния правильной четырехгранной пирамиды под действием нагрузки
Р и измерения диагонали отпечатка d. Нагрузка меняется от 10 до
1000 Н. Чем тоньше материал, тем меньше она должна быть. Число твердости по Виккерсу (HV) определяют с помощью специальных таблиц по величине диагонали отпечатка.
В некоторых случаях определяют микротвердость отдельных участков металла (ГОСТ 9450–76). Этот метод используют для изме- рения твердости отдельных зерен или очень тонких слоев при вели- чине нагрузки Р = 0,98 или 0,49 Н, реже при меньшей нагрузке, так как это снижает точность измерения. Твердость при этом обозначает- ся HV
100
или HV
50
4.2.2. Динамические испытания
Основным динамическим испытанием является испытание на ударный изгиб (ГОСТ 9454–78) с определением ударной вязкости металла. Метод основан на разрушении образца с надрезом одним ударом маятникового копра (рис. 4.3).
Образец устанавливают на опорах копра и наносят удар по сто- роне образца, противоположной надрезу. Работа, затраченная на раз- рушение образца, определяется так: К = Pg (Н – h), где Р – масса ма- ятника; g – ускорение силы тяжести; Н, h – высота подъема маятника до удара и после разрушения образца. Указатель на шкале копра фик- сирует величину работы К и проградуирован с учетом потерь.
45
Рис. 4.3. Схема испытаний на ударную вязкость
Ударная вязкость обозначается символом КС, кДж/см
2
, определя- ется как отношение работы разрушения К, затраченной на деформа- цию и разрушение ударным изгибом надрезанного образца, к началь- ной площади поперечного сечения образца в месте надреза S по фор- муле КС = K/S.
В зависимости от вида концентратора напряжений различают об- разцы трех типов: с радиусом дна надреза 1,0 мм (тип U), 0,25 мм (тип
V) и инициированной трещиной (Т).
Ударные испытания образцов с трещинами введены потому, что работоспособность материала определяется сопротивлением не столько зарождению трещины, сколько ее распространению. Обыч- ные образцы имеют сечение 10×10 мм, но в особо ответственных слу- чаях и для оценки работоспособности крупных деталей применяют образцы сечением 25×25 мм с инициированной трещиной. Чем острее надрез, тем более жестким испытаниям подвергается металл. Вид надреза входит в обозначение работы удара и ударной вязкости. Ра- боту удара обозначают двумя буквами: KU, KV, KT, а ударную вяз- кость – тремя: KCU, KCV, КСТ. Последние буквы являются символа- ми концентраторов напряжений.
Испытания ударной вязкости широко применяют для оценки склонности металла к хрупкому разрушению при низких температу- рах. Преимущества этого метода – простота эксперимента, учет влия- ния скорости нагружения и концентраций. Для оценки хладноломко- сти обычно проводят испытания серии образцов при понижающихся температурах. Кривые зависимости ударной вязкости от температуры называют сериальными кривыми хладноломкости (рис. 4.4). С их по-
46 мощью определяют температурный порог хладноломкости. При тем- пературе эксплуатации ниже этого порога металл применять не сле- дует.
В технических условиях на поставку металлопродукции ответ- ственного назначения обычно оговаривается минимально допустимое значение ударной вязкости при заданной температуре. Хладнолом- кость можно оценивать также по виду излома разрушившегося образ- ца. Метод основан на определении соотношения площадей вязких и хрупких участков излома ударных образцов.
Вязкий излом имеет характерное волокнистое строение с мато- вым оттенком. С понижением температуры количество волокнистой составляющей в изломе уменьшается, появляются кристаллические блестящие участки. Обычно за критическую температуру принимают такую, при которой доля волокнистой составляющей структуры равна
50%.
Рис. 4.4. Влияние величины зерна на ударную вязкость железа и порог хладно- ломкости: 1 – крупнозернистая сталь; 2 – мелкозернистая сталь. При достаточно широком интервале температур перехода от вязкого к хрупкому разрушению различают верхний t
xв и нижний t
нв порог хладноломкости (соответствует уровню ударной вязкости 20 КДж/см
2
)
47
В ряде случаев целесообразно определять не только общую рабо- ту разрушения при ударном изгибе КС, но и ее составляющие: работу зарождения (КС3) и работу развития трещины (КСР), при этом КС =
КС3 + КСР. Работа зарождения трещины зависит от радиуса надреза: чем острее надрез, тем она меньше. Работа развития трещины мало зависит от геометрии надреза и лучше характеризует склонность ме- талла к хрупкому разрушению. Для ее определения обычно исполь- зуют образцы с заранее инициированной трещиной. Однако следует иметь в виду, что при испытании пластичных материалов работа раз- рушения образца с трещиной превышает истинную работу развития трещины на величину работы пластической деформации, расходуе- мой на изгибную и поперечную макродеформации.
Работу зарождения и работу развития трещины удобно опреде- лять при испытаниях на ударный изгиб с помощью диаграмм
«нагрузка–прогиб», полученных фотографированием с экрана осцил- лографа.
Известен приближенный метод определения составляющих удар- ной вязкости, основанный на предположении о ее линейной зависи- мости от радиуса надреза и равенстве нулю КСЗ трещины для образ- цов с радиусом надреза, равным нулю, или с трещиной. Тогда экстра- поляция данных испытаний образцов всего двух типов с радиусом 1 и
0,25 мм на нулевое значение радиуса надреза дает значение КСР тре- щины. Определение составляющих ударной вязкости позволяет вы- явить влияние различных факторов на обе стадии разрушения.
Скачать 3.27 Mb.