МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ И ПРОЦЕССОВ. Методы исследования материалов и процессов
 Скачать 1.95 Mb.
|
|
1.3.2. Практическая работа. Расчет характеристик прочности и пластичности при испытаниях на растяжение Первичная кривая растяжения, полученная непосредственно при испытаниях, строится в координатах нагрузка Р (МН)– удлинение образца Δℓ, после обработки результатов ее строят в координатах напряжение σ – деформация ε. Напряжение определяется как σ = Р ⁄ F 0 (МПа), где F 0 – площадь поперечного сечения образца. Деформация (в данном случае относительное удлинение) ε = Δℓ ⁄ ℓ 0 (%). Относительное удлинение обозначается ε в ходе испытаний, после разрушения образца величина Δℓ ⁄ ℓ 0 обозначается как δ (%). Непосредственно на образце измеряют величину Рис. 1.18. Характерные точки на первичной диаграмме растяжения (в координатах нагрузка Р – удлинение образца Δℓ), по которым рассчитываются прочностные характеристики 32 относительного сужения ψ = ΔF ⁄ F 0 (%) в месте разрушения образца. Величины δ и ψ характеризуют пластичность образца. Прочностные характеристики. На кривой растяжения (рис. 1.18) выделяются ряд характерных точек: Предел пропорциональности Р пц – напряжение, которое материал образца выдерживает без отклонения от закона Гука. При достаточно большом масштабе записи диаграммы (не менее 1:20) растяжения эту точку определяют следующим образом: - продолжают линейный участок до пересечения с осью деформаций (точка О) и получают начало координат, исключая искаженный из-за недостаточной жесткости испытательной машины участок диаграммы; - на произвольной высоте в пределах упругой области проводят перпендикуляр АВ к оси нагрузок (рис. 1.19), откладывают вдоль него отрезок ВС=1/2 АВ и проводят линию ОС. Если теперь провести касательную к кривой растяжения параллельно ОС, то точка касания р определит искомую нагрузку Р пц Рис. 1.19. Графический способ определения предела пропорциональности 33 Более точное определение предела пропорциональности возможно при использовании специальных приборов – тензометров для измерения малых деформаций. Предел упругости. Следующая характерная точка на первичной диаграмме растяжения (см. рис. 1.18) – точка е. Ей отвечает нагрузка, по которой рассчитывают условный предел упругости–напряжение, при котором остаточное удлинение достигает заданной величины, обычно 0,05%, иногда меньше – вплоть до 0,005%. Использованный при расчете допуск указывается в обозначении условного предела упругости: σ 0,005 , σ 0,05 и т. д. Предел упругости характеризует напряжение, при котором появляются первые признаки пластической деформации образца. Для определения σ 0,05 от начала координат откладывают отрезок ОК=0,05 ⋅ℓ 0 /100 и через точку К проводят прямую, параллельную прямолинейному участку диаграммы (рис. 1.20). Ордината точки е будет Рис. 1.20. Определение условного предела упругости (или текучести) по диаграмме растяжения соответствовать величине нагрузки Р 0,05 , определяющей условный предел упругости: σ 0,05 = Р 0,05 / F 0 . Если значение предела упругости предполагается проводить графически, то запись диаграммы должна проводиться в масштабе не менее 1:50. 34 Условный предел текучести — напряжение, при котором остаточное удлинение достигает заданной величины, обычно 0,2 %. Соответственно условный предел текучести обозначается σ 0,2 . Как видно, эта характеристика отличается от условного предела упругости только величиной допуска на остаточную деформацию. Предел текучести характеризует напряжение, при котором происходит более полный переход к пластической деформации. Методика здесь полностью аналогична применяемой для определения σ 0,05 Поскольку допуск по удлинению для расчета условного предела текучести относительно велик, его часто определяют графически по диаграмме растяжения, если последняя записана в масштабе 1:20. Тогда σ 0,2 = Р 0,2 ⁄ F 0 Техническое значение пределов σ 0,005 и σ 0,2 сводится к оценке уровня напряжений, под действием которых та или иная деталь может работать, не подвергаясь остаточной деформации. Физически – это граница между упругим участком, в пределах которого под действием внешнего напряжения движутся дислокации, находившиеся в образце в его исходном состоянии, и между областью пластической деформации, в которой начинают работать источники новых дислокаций и плотность дислокаций в образце резко возрастает. Плавный переход от упругой к пластической деформации (без зуба и площадки текучести) наблюдается при растяжении таких металлов и сплавов, в которых имеется достаточно большое количество подвижных, незакрепленных дислокаций в исходном состоянии (до начала испытания). Напряжение, необходимое для начала пластической деформации поликристаллов этих материалов, оцениваемое через условный предел текучести, определяется силами сопротивления движению дислокаций внутри зерен, легкостью передачи деформации через их границы и размером зерен. Явление резкой текучести (так называемый зуб текучести и площадка текучести) наблюдается у многих технически важных металлических материалов и связано с различными механизмами закрепления дислокаций, имеющихся в материале перед его деформацией, например при эффективной 35 блокировке дислокаций примесями (атмосферы Котрелла). Тогда для начала движения дислокаций требуется приложить напряжение большее, чем это требуется для перемещения дислокаций, свободных от примесных атмосфер. Временное сопротивление σ в . После прохождения точки s на диаграмме растяжения (см. рис. 1.13) в образце развивается интенсивная пластическая деформация. До точки b рабочая часть образца подвергается равномерному удлинению. В точке b в какой-то части образца, обычно вблизи концентратора напряжений, который был уже в исходном состоянии или образовался при растяжении (чаще всего в середине расчетной длины), начинается локализация деформации. Ей соответствует местное сужение поперечного сечения образца – образование шейки. Временное сопротивление определяется как σ в = Р в ⁄ F 0 Возможность значительной равномерной деформации и «оттягивание» момента начала образования шейки в пластичных материалах обусловлены деформационным упрочнением. Если бы его не было, то шейка начала бы формироваться сразу же по достижении предела текучести. Возможность значительной равномерной деформации и «оттягивание» момента начала образования шейки в пластичных материалах обусловлены деформационным упрочнением. Если бы его не было, то шейка начала бы формироваться сразу же по достижении предела текучести. 1.3.3. Динамические испытания на изгиб образцов с надрезом При эксплуатации различные детали и конструкции часто подвергаются ударным нагрузкам. В качестве примера можно привести переезд автомобиля через выбоину на дороге, взлет и посадку самолетов, высокоскоростную обработку металла давлением (при ковке и штамповке) и др. Для оценки способности металлических материалов переносить ударные нагрузки используют динамические испытания, которые широко применяются также для выявления склонности металлов к хрупкому разрушению. Наиболее распространены ударные испытания на изгиб 36 образцов с надрезом. Помимо них используются методы динамического растяжения, сжатия и кручения. Скорости деформации при динамических испытаниях (10 2 с -1 ) на несколько порядков больше, чем при статических (10 -4 – 10 -1 с -1 ). При динамических испытаниях закон подобия не действует. Поэтому здесь необходима жесткая унификация размеров образцов и условий Рис. 1.21. Образец с U-образным надрезом для испытаний на ударный изгиб ГОСТ9484 – 78 (образец Шарпи) проведения испытания. Основным образцом по ГОСТ 9454 – 78 служит стержень с квадратным сечением 10х10 мм и длиной 55 мм (рис. 1.21). Если такой образец не разрушается при испытаниях, то на него в центральной части наносят надрез. В образцах Шарпи U-образный надрез наносится посередине длины (см. рис. 1.21). Он имеет ширину и глубину 2 и радиус закругления 1 мм. Образцы с V-образным концентратором имеют те же габариты и отличаются только геометрией надреза. Третий тип образцов, предусмотренный ГОСТ 9454-78, имеет Т-образный концентратор напряжений (надрез с усталостной трещиной). Длина L этих образцов тоже 55 мм, а высота сечения Н=11 мм при В=10; 7,5 или 5 мм. Допускается применение образцов с В=2 мм и Н=9 мм, В=Н=10 мм и B=H =25 мм. В последнем случае L=140 мм. Образцы с V-образным концентратором (образцы Менаже) используются при контроле металлических материалов для ответственных конструкций (летательных аппаратов, транспортных средств и т.д.). Образцы Шарпи с U-образным надрезом рекомендуется применять при выборе и 37 приемочном контроле металлов и сплавов до установления норм на образцы с V-образным концентратором. Образцы с трещиной предназначены для испытания материалов, работающих в особо ответственных конструкциях, где сопротивление развитию трещины имеет первостепенное значение. Испытания на ударный изгиб проводят на маятниковых копрах с предельной энергией, не превышающей 300 Дж. При испытании образцов с L=55 мм расстояние между опорами должно быть 40 мм. Изгибающий нож имеет сечение в виде треугольника с углом при вершине 30 ° и радиусом закругления 2 мм. Схема испытания приведена на рис. 1.22. Образец кладут горизонтально в специальный шаблон, обеспечивающий установку надреза строго в середине пролета между опорами. Удар наносят со стороны, противоположной надрезу, в плоскости, перпендикулярной продольной оси образца. Маятник копра закрепляется в исходном верхнем положении. По шкале Рис. 1.22. Схема ударного испытания на маятниковом копре фиксируется угол подъема маятника α . Затем крепящую защелку вынимают, маятник свободно падает под собственной тяжестью, ударяет по образцу, изгибает и разрушает его, поднимаясь относительно вертикальной оси копра 38 на угол β. Этот угол тем меньше, чем большая работа К затрачена маятником на деформацию и разрушение образца. Скорость копра v к (м/с) в момент удара по образцу зависит от высоты подъема Н (см. рис. 1.22): v к = (2gH) 1 ⁄2 , где g – ускорение свободного падения. Величина работы деформации и разрушения определяется разностью потенциальных энергий маятника в начальный (после подъема на угол α ) и конечный (после взлета на угол β) моменты испытания: К=Р(Н — h), где Р – масса маятника; H и h – высоты подъема и взлета маятника (см. рис. 1.22). Если длина маятника L, то h=L(1 —cos β), H=L(1—cos α ) и, следовательно, K=PL(cos β — cos α ). Эта формула служит для расчета работы К по измеренным углам α и β (P и L постоянны для данного копра). Шкала копра может быть проградуирована в единицах работы, если угол подъема маятника α фиксирован. Часть энергии удара затрачивается на преодоление сопротивления воздуха, на трение в подшипниках и в измерительном устройстве, на смятие образца на опорах и под ножом, на сообщение энергии обломкам образца и на упругую деформацию штанги маятника. На копрах, применяемых при обычных испытаниях металлов, большинство этих потерь не поддается учету, в результате получаемые значения К оказываются завышенными на несколько процентов. Особенно велики потери энергии при несовпадении оси удара и середины надреза на образце. Поэтому величины ударной вязкости, определенные на различных копрах, могут отличаться друг от друга на 10 – 30 %. Точность определения работы излома тем выше, чем меньше превышение запаса работы маятника над работой деформации и разрушения образца; нужно стремиться, чтобы угол β после разрушения образца был небольшим. Зная полную работу деформации и разрушения К, можно рассчитать основную характеристику, получаемую в результате рассматриваемых испытаний – ударную вязкость КС: КС = K/F 0 ,где F 0 –площадь 39 поперечного сечения образца в месте надреза до испытания. Ударную вязкость часто обозначают как а (размерность Дж/м 2 или Дж/см 2 ). В зависимости от вида концентратора в образце в обозначение ударной вязкости вводится третий индекс (U, V или Т). Например, КСV — ударная вязкость, определенная на образце с V-образным концентратором при комнатной температуре. Динамические испытания на изгиб надрезанных образцов являются самыми жесткими среди стандартных испытаний. Ударные испытания, как и статические, можно проводить при отрицательных и повышенных температурах. Для обозначения ударной вязкости при пониженной или повышенной температурах используется цифровой индекс, соответствующий температуре испытания. Например, КСТ -60 — ударная вязкость, определенная на образце с Т-образным концентратором при - 60 °С. В массовых динамических испытаниях на изгиб образцов с надрезом ударная вязкость — единственная выходная характеристика испытания. Диаграмма деформации обычно не записывается, так как это сопряжено со значительными экспериментальными трудностями. Общее время испытания измеряется долями секунды, поэтому для фиксации зависимости нагрузки от деформации требуются малоинерционные чувствительные датчики и быстродействующий прибор для записи диаграмм. Рис. 1.23. Различные варианты температурной зависимости ударной вязкости а: 1 – вязкие материалы; 2 – хрупкие материалы; 3 – кривая хрупковязкого перехода а 40 Одной из важнейших задач ударных испытаний является оценка склонности кхрупкому, разрушению. Эта задача решается построением температурной зависимости ударной вязкости и определением температуры хрупко-вязкого перехода. Возможны три типа кривых ударная вязкость – температура (рис. 1.23). Кривая 1 характерна для вязких даже при отрицательных температурах материалов, например металлов (медь, алюминий) и сплавов с ГЦК-решеткой (аустенитные стали). Кривая 2 получается при испытании хрупких в широком диапазоне температур материалов, например закаленных на мартенсит сталей. Наконец, кривая 3 характеризуется температурным интервалом хрупковязкого перехода, по ней можно оценить Т хр .Такой тип кривых КС(Т) типичен для металлов с ОЦК-и ГПУ-решетками, многих сталей с ферритно-перлитной структурой. Зная Т хр и рабочую температуру Т р испытуемого материала, можно оценить его температурный запас вязкости: χ = (Т р – Т хр. ) / Т р . Чем больше χ, тем меньше опасность хрупкого разрушения. 1.3.4. Измерение твердости Под твердостью понимают способности поверхностного слоя материала сопротивляться упругой и пластической деформации или разрушению при местных контактных воздействиях со стороны другого, более твердого и не получающего остаточной деформации тела (индентора). Существуют различные методы измерения твердости. Ниже в практической работе 1.3.6 использованы данные измерения твердости по Виккерсу (ГОСТ 2999-75). В этом случае в поверхность образца вдавливают алмазный индентор в форме четырехгранной пирамиды с углом при вершине α = 136°. После удаления нагрузки Р (в зависимости от условий опыта может меняться от 10 до 1000 Н, длительность воздействия 10-15 с) измеряют диагональ отпечатка d, оставшегося на поверхности. Число твердости HV определяют делением нагрузки на площадь боковой поверхности полученного пирамидального отпечатка: HV = (2 Р sin α⁄ 2) d 2 . 41 Значение твердости по Виккерсу является усредненным условным напряжением в месте контакта индентор-образец и характеризует сопротивление материала значительной пластической деформации. 1.3.5. Первичная рекристаллизация Неравновесная структура, созданная пластической деформацией, как правило, устойчива при комнатной температуре. При нагреве создаются условия для перехода в более стабильное состояние. Процесс уменьшения свободной энергии системы, происходящий путем зарождения новых зерен в участках с наибольшей плотностью дислокаций, называется рекристаллизацией. Для начала рекристаллизации требуется достижение определенной критическойстепени деформации. Новые зерна представляют собой области с минимальным количеством точечных и линейных дефектов и возникают путем перераспределения и частичного уничтожения дислокаций. Между деформированной матрицей и новым зерном образуется высокоугловая граница, которая служит стоком дислокаций. Первичная рекристаллизация полностью снимает наклеп, созданный при пластической деформации. Свойства металла после рекристаллизации близки к свойствам отожженного металла. После завершения первичной рекристаллизации увеличение времени выдержки при повышенной температуре приводит к росту образовавшихся зерен (собирательная рекристаллизация). Между температурой плавления Т пл и температурой рекристаллизации Т рекр существует связь: Т рекр = аТ пл , где а – коэффициент, зависящий от чистоты металла и степени пластической деформации. Для металлов технической чистоты а = 0,3 – 0,4 и понижается с увеличением степени деформации. Уменьшение количества примесей также может понижать значение а до 0,1 – 0,2. 42 1.3.6. Практическая работа. Определение температуры рекристаллизации иридия, рафинированного различными методами Иридий в настоящее время является единственным контейнерным материалом, который можно использовать при выращивании крупногабаритных оксидных монокристаллов. Срок службы контейнеров составляет от нескольких сотен часов до 5 – 6 тыс. ч. Технологией производства контейнеров обладает ограниченный круг производителей, в числе которых Екатеринбургский завод по обработке цветных металлов (ЕзОЦМ). Иридий применяется также в сплавах для термопар IrRu10, IrRd40 (до 2000 °С в окислительной атмосфере). Диски из иридия используются в качестве источников гамма-излучения для дефектоскопии. Способы рафинирования благородных металлов от примесей (аффинаж) можно отнести к двум основным классам – пирометаллургическим и гидрометаллургическим (включая электролиз). Пирометаллургические способы можно разделить на три группы. |