Материаловедение
 Скачать 0.54 Mb.
|
|
1. Определение твердости способом Бринелля Твердость по способу Бринелля определяют путем вдавливания в испытуемый образец стального закаленного шарика диаметром D под действием заданной нагрузки Р в течение определенного време- ни (рис. 4.1). D h d P Рис. 4.1. Схема определения твердости по способу Бринелля В результате вдавливания шарика на поверхности образца обра- зуется отпечаток (лунка). Отношение Р к поверхности полученного отпечатка (шарового сегмента) дает число твердости, обозначаемое НВ, кг/мм 2 . НВ = Р / F. Поверхность шарового сегмента, мм 2 , 36 37 , 2 2 2 d D D D F (4.1) а число твердости по Бринеллю будет выражаться формулой 2 HB 2 2 d D D D P (4.2) Диаметр отпечатка измеряют специальной лупой, имеющей шка- лу с ценой деления 0,1 мм. Диаметр шарика может быть различным и выбирается в зависи- мости от толщины испытуемого материала, твердость измеряют при постоянном соотношении между величиной нагрузки Р и квадратом диаметра шарика d (табл. 4.1). Важные факторы, влияющие на полученный результат, – скорость приложения нагрузки и время выдержки образца под нагрузкой. Они должны быть строго определенными. Диаметр шарика, нагруз- ку, продолжительность ее приложения и время выдержки определя- ют по ГОСТу. Условия испытания записывают следующим образом: НВ 10/30 000/30 означает, что испытание проводили шариком D = 10 мм под нагруз- кой 30 000 Н и с выдержкой t = 30 с. Как уже указывалось, между твердостью по Бринеллю НВ и пределом прочности σ в (МПа) суще- ствует количественная зависимость: σ в = 3,5 НВдля углеродистых сталей в нормализованном состоянии; σ в = 3,6 НВ для низколегированных конструкционных сталей в улучшенном состоянии; σ в = 5,5 НВ для меди, латуни и бронзы в отожженном состоянии; σ в = 4,0 НВ для тех же сплавов в наклепанном состоянии. Для алюминия и его сплавов с твердостью 20…45 НВ σ в = 3,5 НВ, для дуралюмина отожженного σ в = 3,6 НВ, а после закалки и старе- ния σ в = 3,5 НВ. Для выражения σ в в МПа НВнеобходимо прини- мать в кгс/мм 2 Чтобы избежать длительных вычислений, на практике пользуются готовыми таблицами с заранее подсчитанными значениями твердо- сти для отпечатков разных диаметров, полученных при разных на- грузках. Перед испытанием поверхность образца обрабатывают, что- бы она была гладкой, без окалины и других дефектов. Таблица 4.1 Ма териа л Интерв ал тв ер до сти в числах Бринелля , МПа Миним альная то лщина испытыв а- емог о образца , мм Соо тношение меж - ду нагр узк ой и диа - мет ро м шарик а Диамет р шарик а D , мм Нагр узк а Р , Н Выдержк а по д нагр узк ой , с Черные металлы 1400…1500 От 6 до 3 От 4 до 2 Менее 2 Р = 300 D 2 10,0 5,0 2,5 30 000 7 500 1 875 10 То же 1400 Более 6 От 6 до 3 Менее 3 Р = 100 D 2 10,0 5,0 2,5 10 000 2 500 625 10 Цветные металлы 1300 От 6 до 3 От 4 до 2 Менее 2 Р = 300 D 2 10,0 5,0 2,5 30 000 7 500 1 875 30 То же 350…1300 От 9 до 3 От 6 до 3 Менее 6 Р = 100 D 2 10,0 5,0 2,5 10 000 2 500 625 30 Цветные металлы и сплавы 80…350 Более 6 От 6 до 3 Менее 1 Р = 25 D 2 10,0 5,0 2,5 2 500 625 156 60 К недостаткам способа Бринелля следует отнести невозможность испытаний: • металлов, имеющих твердость свыше 4500 МПа. При этом бу- дет деформироваться сам стальной закаленный шарик и результаты испытаний будут неточны; • твердости мелких деталей и тонкого поверхностного слоя (ме- нее 1…2 мм), так как шарик будет продавливать тонкий слой металла. Практическую часть раздела рекомендуется выполнять в такой последовательности: 1) изучить работу твердомера; 2) очистить поверхность образцов от загрязнения и окалины с по- мощью напильника или на шлифовальном круге; 38 39 3) выбрать в зависимости от заданных условий испытаний диа- метр шарика, нагрузку и время выдержки под нагрузкой; 4) закрепить наконечник с шариком в шпинделе пресса устано- вочным винтом; 5) установить на подвеску твердомера требуемое для испытания количество сменных грузов; 6) установить упор на нужную продолжительность выдержки и закрепить стопорным винтом; 7) установить на столик испытуемый образец и вращением ма- ховика поднять его до упора в наконечник с шариком, прикладывая этим предварительную нагрузку, равную 1000 Н. При этом центр бу- дущего отпечатка должен находиться на расстоянии не менее диаме- тра шарика от края образца, а от центра соседнего отпечатка – не ме- нее двух диаметров шарика; 8) нажать на спусковую кнопку и привести в действие электро- двигатель, передавая нагрузку на образец; 9) после автоматического выключения электродвигателя опустить столик. Снять образец и измерить диаметр отпечатка при помощи лупы в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Диаметр от- печатка измеряют с точностью до 0,5 мм при испытании шариком диаметром 10,5 мм и с точностью до 0,01 мм при испытании шари- ком диаметром 2,5 мм; 10) по величине диаметра отпечатка найти число твердости НВ (табл. 4.2); 11) результаты испытания занести в протокол испытаний (см. табл. 4.2). Таблица 4.2 Ма териа л образца Диамет р шарик а D , мм Нагр узк а Р , Н Диамет р отпе - ча тк а d, мм Твердость по Бринеллю, МПа Пре дел про чно сти σ в , МПа d 1 d 2 НВ 1 НВ 2 НВ ср НВ расч 2. Определение твердости способом Роквелла Измерение твердости по способу Роквелла производят путем вдавливания алмазного конуса с углом при вершине 120° или сталь- ного закаленного шарика диаметром 1,588 мм в испытуемый обра- зец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной Р 0 и основной Р 1 . Общая нагрузка Р равна сумме предварительной и основной: Р = Р 0 + Р 1 (рис. 4.2). Рис. 4.2. Схема определения твердости по способу Роквелла Предварительная нагрузка Р 0 во всех случаях равна 100 Н, а основ- ная Р 1 и общая Р при вдавливании: • стального шарика (шкала В) Р 1 = 900 Н; Р = 100 + 900 = 1000 Н; • алмазного конуса (шкала С) Р 1 = 1400 Н; Р = 100 + 1400 = 1500 Н; • алмазного конуса (шкала А) Р 1 = 500 Н; Р = 100 + 500 = 600 Н. Предварительная нагрузка дается для того, чтобы исключить вли- яние различной степени частоты измеряемой поверхности на резуль- таты измерений. Величина окончательной нагрузки выбирается в за- висимости от применяемого наконечника и твердости испытуемого материала (табл. 4.3). 40 41 Таблица 4.3 Примерная твердость (по Бринел- лю), МПа Обозначение шкалы Роквелла Форма нако- нечника Общая нагрузка, Н Обозначение твердости Пределы измерения, усл. ед. Свыше 7000 А Алмазный конус 600 НRA 70…65 2300…7000 С То же 1500 НRC 20…67 600…2300 В Стальной шарик d = 1,588 1000 НRB 25…100 За меру твердости по Роквеллу принята разность между глуби- ной отпечатков, полученных от вдавливания шарика или конуса под действием предварительной и общей нагрузок. Для численной характеристики твердости введена условная шкала с цифрами, нане- сенными в порядке, обратном движению стрелки в момент приложе- ния нагрузки. За единицу твердости принята величина, соответству- ющая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм (цена одного деления). Таким образом, твердость по Роквеллу при вдавливании алмазно- го конуса выражается числом делений условной шкалы по формуле , 100 HRC 0 c h h (4.3) а при вдавливании шарика число твердости определяется по формуле , 130 HRB 0 c h h (4.4) где h – глубина внедрения шарика или конуса в испытуемый металл под действием общей нагрузки Р; h 0 – глубина внедрения шарика или конуса в испытуемый металл под действием предварительной нагрузки P 0 ; c – постоянная, равная 0,002 мм. Индикатор прибора имеет две шкалы: черную – для испытаний алмазным конусом при различных основных нагрузках и красную – для испытаний шариковым наконечником. Красная шкала смеще- на относительно нулевого деления черной шкалы на 30 делений в направлении, противоположном движению стрелки индикатора при внедрении наконечника. Это смещение сделано по той причи- не, что глубина вдавливания шарика часто превышает 0,2 мм, т. е. стрелка при вдавливании делает поворот более чем на 100 делений (при очень мягком материале). Определение твердости на приборе Роквелла имеет широкое применение, поскольку на нем можно ис- пытать как мягкие, так и твердые, а также тонкие материалы. Шкала С используется при испытаниях сталей твердостью HRC = 20…70 и тонких поверхностных слоев толщиной свыше 0,5 мм, шкала А – при испытании твердых сплавов твердостью свыше HRC = 70, тонкого листового материала и для измерения твердости тонких поверхностных слоев (0,3…0,5 мм). Число HRA можно пере- вести в число HRC по формуле HRC = 2HRA – 104. (4.5) Шкала В применяется при испытании металлов средней твердо- сти и изделий толщиной от 0,8 до 2 мм. Числа твердости по Роквеллу можно приближенно пересчитать в числа твердости по Бринеллю. На основании экспериментальных данных установлена зависимость HB= 100 HRC(4.6) в интервале твердости 2000…4500 МПа по Бринеллю, где HB – твер- дость по Бринеллю; HRC – твердость по Роквеллу (шкала С). Для перевода числа твердости по Роквеллу с одной шкалы на другую пользуются специальными справочными таблицами. Поверхности образцов (как испытуемая, так и опорная) должны быть плоскими, параллельными друг другу, отшлифованными, без окалины, забоин и т. п. К достоинствам способа Роквелла следует отнести высокую про- изводительность (время испытания 30…60 с, результат испытания считается прямо на шкале прибора), простоту обслуживания, точ- ность измерения и сохранение качественной поверхности после ис- пытания. Этот способ не рекомендуется применять для определе- ния твердости неоднородных по структуре сплавов, криволинейных 42 43 поверхностей и для испытания деталей, которые под действием на- грузки могут деформироваться. Практическую часть раздела рекомендуется выполнять в такой последовательности: 1) изучить работу твердомера; 2) подготовить образцы к испытанию так же, как и при испытани- ях на приборе Бринелля; 3) подобрать наконечник и закрепить его в шпинделе при помо- щи установочного винта; 4) подобрать и подвесить грузы соответственно выбранному на- конечнику и шкале, по которой предполагается вести испытание (см. табл. 4.3); 5) установить испытуемый образец на столик прибора; 6) вращением маховика постепенно подвести испытуемую по- верхность образца до соприкосновения с наконечником, а затем дальнейшим его вращением произвести предварительное нагруже- ние Р 0 до тех пор, пока малая стрелка индикатора не совпадет с крас- ной точкой на шкале. Если она значительно перейдет за красную точку (влево), то необходимо загрузить прибор, выбрать на испыту- емой поверхности другое место и начать испытание заново. Затем необходимо повернуть ободок индикатора до совпадения нулевой отметки черной шкалы с большой стрелкой; 7) слегка нажать на платформу и тем самым произвести нагруже- ние образца через наконечник общей нагрузкой (предварительная Р 0 плюс основная Р 1 ). В это время большая стрелка поворачивается про- тив часовой стрелки после секундной выдержки в полностью нагру- женном состоянии, происходит автоматическое снятие нагрузки Р 1 , во время которого большая стрелка движется по часовой стрелке; 8) после полной остановки стрелки произвести отсчет числа твер- дости по соответствующей шкале индикатора: в случае применения алмазного наконечника – по черной шкале С или А, при шариковом наконечнике – по красной шкале В; 9) результаты испытаний внести в протокол испытаний (табл. 4.4). 10) вращением маховика против часовой стрелки опустить сто- лик и снять образец. Таблица 4.4 Наимено- вание материала Нагрузка Р, Н Шкала Измерение твердости по Роквеллу HR Твердость по Бри- неллюНВ, МПа 1 2 3 Среднее значение Содержание отчета 1. Цель и задачи работы. 2. Краткое описание способов измерения твердости. 3. Схемы, иллюстрирующие способы проведения испытаний. 4. Таблицы значений твердости по результатам измерений. 5. Определение предела прочности металла по значениям твер- дости. 6. Выводы по работе. 44 45 Лабораторная работа № 5 ЗАКАЛКА СТАЛИ Цель лабораторной работы – изучение влияния термической об- работки на механические свойства стали. В процессе выполнения лабораторной работы необходимо: 1) изучить превращения переохлажденного аустенита углероди- стой стали; 2) освоить методику проведения термической обработки; 3) экспериментально определить оптимальную температуру за- калки углеродистой стали. Оборудование участка лабораторной работы: • оборудование – нагревательные печи, приборы для испытания образцов на твердость (по методу Роквелла и ультразвуковой твердо- мер), бак с водой, щипцы, рукавицы, штангенциркуль; • материалы – образцы из углеродистой стали, наждачная бумага; • плакаты – диаграмма состояния железо – цементит, диаграмма изотермического распада аустенита, схема прибора Роквелла; • справочная литература – справочники, ГОСТы. Термической обработкой называют процессы теплового воздей- ствия на материалы для изменения их структуры и свойств в задан- ном направлении. Структура сплавов, в основном, определяется термической обра- боткой, заключающейся в нагреве сплавов до различных температур и охлаждении их с различными скоростями. При этом свойства спла- вов изменяются в широких пределах. 1. Превращения в стали при охлаждении Если сталь со структурой аустенита, приобретенной в результате нагрева до температур выше линии GS (доэвтектоидная сталь) или выше линии SE (заэвтектоидная сталь), переохладить до температур ниже критической точки А 1 , то аустенит претерпевает превращения. Ниже температуры 727 °С аустенит неустойчив, так как его сво- бодная энергия выше свободной энергии продуктов его превраще- ния. Наиболее полное представление о превращениях аустенита при различных степенях его переохлаждения дает диаграмма изотерми- ческого распада аустенита (С-диаграмма). Для изучения изотерми- ческого превращения аустенита небольшие образцы стали нагрева- ют до температур, соответствующих существованию стабильного аустенита (т. е. выше критической точки), а затем быстро охлаждают до температуры 700, 600, 500 °С и выдерживают при каждой из пе- речисленных температур до полного или частичного распада аусте- нита, после чего охлаждают в воде. По результатам строят кривую, показывающую количество распавшегося аустенита в зависимости от времени, прошедшего с момента начала распада (рис. 5.1). Рис. 5.1. Построение диаграммы изотермического превращения переохлажденного аустенита для стали с 0,8 % С: а – кинетические кривые; б – диаграмма изотермического превращения аустенита 46 47 Как видим, по истечении определенного промежутка времени (инкубационный период), различного для каждой из температур, ау- стенит начинает распадаться с образованием ферритно-цементитной смеси – перлита. Твердость и прочность ферритно-цементитной смеси прямо пропорциональны площади поверхности раздела между ферритом и наиболее твердой фазой – цементитом. Поэтому с увеличением степени дисперсности ферритно-цементитной смеси твердость, пре- дел прочности, текучести и выносливости стали возрастают. Образующаяся при небольшом переохлаждении аустенита круп- нопластинчатая ферритно-цементитная смесь называется перли- том. При большем переохлаждении среднепластинчатую смесь называют сорбитом, а тонкопластинчатую смесь – трооститом. Однако указать границы перехода от одной структуры к другой не- возможно, так как толщина пластинок меняется непрерывно. При переохлаждении эвтектоидной стали до 240 °С диффузи- онные процессы настолько затруднены, что аустенит не распада- ется, а лишь испытывает аллотропическое превращение без изме- нения состава. Образующая структура называется мартенситом. Следовательно, мартенсит – это пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Мартенсит закалки имеет не кубическую, а тетрагональную ре- шетку. Степень тетрагональности зависит от содержания углеро- да в стали. Мартенситное превращение возможно только в случае, если сталь охлаждается со скоростью, обеспечивающей переохлаж- дение аустенита до низких температур, при которых не протекают диффузионные процессы. Мартенситное превращение начинается при определенной температуре, называемой температурой начала мартенситного превращения (М н ), и протекает в широком интерва- ле температур. По достижении определенной для каждой стали температу- ры дальнейшее превращение аустенита в мартенсит прекращается. Эта температура называется концом мартенситного превращения и обозначается М к . Положение точек М н и М к не зависит от скорости охлаждения и определяется только химическим составом аустенита. Вследствие сильного искажения кристаллической решетки α-железа внедренными в нее атомами углерода мартенсит обладает высокой твердостью и низкой пластичностью. Мартенситное превращение сопровождается увеличением объе- ма стали, что при закалке является основной причиной возникнове- ния больших напряжений, вызывающих деформацию или даже по- явление трещин. Минимальнаяскорость, при которой аустенит не распадается, а испытывает только мартенситное превращение, называется крити- ческой скоростью закалки V кр |