Получение и исследование физико-химических, химических и механических свойств сплава СЧ 15

 

 

         6.14. Испытания на усталость металла

        Усталостное разрушение металлов происходит в условиях повторяющихся знакопеременных напряжений, значения которых меньше предела прочности. Этот процесс постепенного разрушения — усталость — заключается в том, что под действием большого числа циклов переменных нагрузок в наиболее нагруженном или ослабленном месте металла зарождается, а затем растет трещина, следовательно, площадь сплошного металла постепенно уменьшается, а напряжения возрастают, поскольку а = P/F, при постоянной нагрузке Р уменьшение площади F приводит к росту напряжений а. Наступает момент, когда оставшаяся неповрежденной часть сечения уже не может выдержать приложенной нагрузки, так как действующие напряжения превысили предел прочности (т.е. а > ав), поэтому происходит быстрое разрушение металла.

 

      

 

 

 

      Свойство материала противостоять усталости называется выносливостью. Наибольшее напряжение, которое выдерживает металл без разрушения при повторении заранее заданного числа циклов, называют пределом выносливости. Испытание на усталость чаще всего проводят на вращающемся образце с приложением постоянной изгибающей нагрузки. Напряжения в каждой точке образца за один оборот изменяются от положительных(растяжение) до отрицательных (сжатие), т.е. меняются по закону синусоиды (рис.6.21). При таком нагружении отношение максимальной и минимальной величин напряжений равно -1. Испытания выполняются следующим образом. При заданном напряжении определяется количество циклов до разрушения, полученное значение наносится на график п — а, где п — число циклов. В результате получают кривую усталости (рис.6.22.). Как видно на этой кривой, существует напряжение, которое вообще не вызывает разрушения, это и есть предел выносливости, т. е. при напряжениях ниже, чем а деталь может работать сколь угодно долго.

 

 

   

6.15. Определение твёрдости  методами Роквелла, Виккерса и Шора

    Метод Роквелла. Принципиальное отличие этого метода от рассмотренного ранее заключается в том, что твердость определяется не площадью поверхности отпечатка индентора, а глубиной его проникновения в исследуемый образец. В качестве индентора используют алмазный конус при испытаниях твердых материалов и стальной закаленный шарик при испытаниях мягких материалов. Нагрузка при использовании алмазного конуса устанавливается 60 кгс (500 Н) или 150 кгс(1400 Н) в зависимости от твердости материала — большая для менее твердых материалов(например, закаленных сталей), меньшая для материалов с очень высокой твердостью(твердых сплавов, режущей керамики), с тем, чтобы избежать скола алмаза. Стальной шарик вдавливают с нагрузкой 100 кгс (900 Н).

      Испытания выполняются на специальном приборе, имеющем черную (С) и красную (В) шкалы. Шкала С используется при испытаниях с помощью алмазного конуса при нагрузке 60 и 150 кгс, шкала В — для шарика с нагрузкой 60 кгс. Числа твердости обозначаются: HRC — алмазный конус, нагрузка 150 кгс; HRA — алмазный конус, нагрузка 60 кгс; HRB ~ стальной шарик, нагрузка 100 кгс. Число твердости в единицах HRC примерно в 10 раз меньше, чем в единицах НВ, т.е. твердость 30 HRC примерно соответствует 300 НВ. Между значениями твердости по шкалам С и А имеется следующая зависимость: HRC = 2HRA — 104.

Рис.6.23.Измерение твёрдости  по Шору

 

Метод Виккерса. Метод основан на вдавливании четырехгранной алмазной пирамидки с углом между противоположными гранями, равным 136°. Число твердости обозначается HV(кгс/мм²) и определяется отношением нагрузки к площади поверхности отпечатка. Нагрузка может изменяться в пределах от 1 до 100 кгс (от 10 до 1000 Н). Величина диагоналей определяется с помощью специального микроскопа, встроенного в прибор. Для измерения очень тонких слоев или отдельных фаз сплава используют метод измерения микротвердостипри нагрузке от 1 до 500 г (от 0,01 до 5 Н), которая также определяется в единицах HV. Значения твердости (до 450 НВ) по Бринеллю и Виккерсу практически равны. 

 

Метод Шора. При измерении твердости по Шору используется принцип, отличный от рассмотренных ранее. Твердость оценивают по величине упругой, а не пластической деформации. На поверхность объекта с высоты Нп падает специальный боек. При ударе часть энергии расходуется на пластическую деформацию исследуемого материала. Оставшаяся упругая деформация возвращается бойку в виде упругого отскока на величину Щ(рис.6.23.). При этом сам боек не деформируется, так как оснащен алмазным наконечником. Высота отскока бойка, определяемая величиной упругой деформации, тем больше, чем выше твердость материала. 

Твердость определяется по высоте отскока бойка Щ (см. рис.6.23.). Шкала твердости на приборе Шора разделена на 130 единиц. Она рассчитана таким образом, чтобы твердость закаленной эвтектоидной стали оказалась равной 100 единицам. Эти приборы часто используют для определения твердости непосредственно на деталях, особенно крупногабаритных. В некоторых случаях, когда применение перечисленных методов невозможно, твердость металла определяют с помощью тарированных напильников из материала с известной максимальной твердостью, пока еще возможно снятие стружки(при большей твердости напильник скользит по поверхности). Этот метод менее точен, но прост и легко применим в цеховых условиях.

 

 

     6.16. Определение твердости методом Бринелля

 

     Твердость характеризует сопротивление материала большим пластическим деформациям. Наиболее распространенные методы определения твердости связаны с внедрением в испытуемый материал специального тела, называемогоиндентором, с таким усилием, чтобы произошла пластическая деформация. В материале при этом остается отпечаток индентора, по которому судят о величине твердости. Определение твердости — наиболее распространенный метод исследования свойств материала. Это объясняется рядом причин: определение твердости является неразрушающим методом, так как деталь после такого измерения может быть использована по назначению; испытания на твердость не требуют высокой квалификации; зная твердость, можно судить и о других механических свойствах.

Рис.6.24.Схема пресса Бриннеля:

1-груз; 2-электродвигатель;3-маховик  вращения винта для создания  предварительной нагрузки;4-установочный  стол;5-держатель индентора

 

   

Метод Бринелля. В качестве индентора используется стальной закаленный шарик, который вдавливают в испытуемый образец на специальном прессе (рис.6.24.). В результате на поверхности образца образуется отпечаток в виде сферической лунки (рис.6.25.). Диаметр отпечатка измеряют в двух взаимно-перпендикулярных направлениях с помощью микроскопа Бринелля — лупы со шкалой. Число твердости НВ, кгс/м м², — это отношение приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка, его вычисляют по формуле НВ = 2P/D[D —(D2 — d2)]V, где Р — прилагаемая нагрузка; D и d — соответственно диаметр шарика и отпечатка. 

 

    

На практике пользуются таблицей, в которой указаны значения твердости в зависимости от диаметра отпечатка. Диаметр шарика и нагрузку выбирают так, чтобы соблюдалось соотношение d= (0,25…0,5)D, т.е. для разных материалов эти параметры различны. При диаметре индентора 10 мм, нагрузке 3000 кгс (29430 Н) и времени выдержки под нагрузкой 10 с твердость обозначается только цифрами и латинскими буквами, например 200 НВ. Эти условия приняты для определения твердости сталей и чугунов. При изменении условий испытаний помимо значений твердости указываются диаметр шарика, усилие и время выдержки под нагрузкой. Например, 185 НВ/5/750/20, здесь 5 — диаметр шарика в мм, 750 — нагрузка в кгс (7 350 Н), 20 — время выдержки под нагрузкой в с.

 

 

 

 

     Метод Бринелля не является универсальным. Он не позволяет испытывать материалы с твердостью более 450 НВ (может деформироваться шарик), а также образцы толщиной менее десятикратной глубины отпечатка.

        Между твердостью по Бринеллю и пределами прочности и текучести соблюдаются следующие примерные соотношения: для стали НВ/3, НВ/6; для алюминиевых сплавов 0,362 НВ; для медных сплавов 0,26 НВ.

 

 

 

6.17. Механические свойства  материалов и методы их определения

 

      Механические свойства материалов определяют на специальных образцах. В зависимости от условий приложения нагрузки различают статические и динамические испытания.

При статических испытаниях нагрузка прилагается медленно и плавно возрастает. При динамических испытаниях ее приложение идет с высокой скоростью. Испытания могут выполняться при нормальной (комнатной) или повышенной температуре.

Наиболее часто определяемыми  механическими характеристиками материалов являются: твердость, пределы прочности  и упругости, ударная вязкость. Определяют также пределы выносливости и ползучести. Предел прочности устанавливают в процессе испытаний на растяжение, сжатие, кручение и изгиб. 

 

     Предел прочности, предел текучести, относительное удлинение и сужениеопределяют при испытаниях на растяжение специальных образцов, которые выполняют на разрывных машинах (рис.6.27.). Образцы помещают в зажимы разрывной машины, затем растягивают до разрушения. В процессе приложения нагрузки в образце возникает напряжение а, МПа, равное отношению приложенного усилия Р к площади образца F: а = P/F. Под действием приложенной нагрузки возникает деформация — изменение размеров образца. Деформация может быть упругой или пластической.

Рис.6.27.Образец для испытаний  на растяжение

 

      Упругая деформация полностью исчезает после снятия нагрузки и не приводит к заметным изменениям в структуре и свойствах материала. Различают абсолютную и относительную деформацию. Абсолютная деформация А — изменение размера (длины при испытаниях на растяжение), относительная г — отношение абсолютной деформации к первоначальной длине. Пластическая деформация не исчезает после снятия нагрузки (согните алюминиевую проволоку, после того как нагрузка снята, проволока не разогнется — она пластически деформирована).

     При испытаниях на растяжение строится диаграмма в координатах относительная деформация Ј — напряжение а . При этом определяются предел прочности ав — напряжение, при котором происходит разрушение образца (максимальная точка на кривой г— а; предел пропорциональности — максимальное напряжение, при котором отсутствует пластическая деформация. Поскольку точное определение предела пропорциональности затруднено, на практике определяется предел текучести ат — напряжение, вызывающее остаточную деформацию определенной величины, например — напряжение, при котором остаточная деформация равна 0,2% от первоначальной длины образца. Перед разрушением образец претерпевает пластическую деформацию — он удлиняется, происходит образование шейки с уменьшенным диаметром . Характеристиками пластичности металла являются относительное удлинение и относительное сужение. Чем больше величины этих характеристик, тем пластичнее материал.

 

 

     6.18.Микроскопический  анализ металла

 

     Микроскопический анализ (микроанализ) выполняется при больших увеличениях на металлографическом микроскопе (металломикроскопе). Макрошлиф сварного соединения. Металлы непрозрачны, поэтому изучение структуры производится в отраженном свете. Исследования выполняют на специальном объекте — микрошлифе. Исследуемая поверхность микрошлифа должна иметь очень малую шероховатость поверхности — быть зеркальной, чтобы получалось правильное отражение. 

    Для изготовления микрошлифа на объекте исследования следует обработать плоскую поверхность. Ее подготавливают непосредственно на деталях малых размеров, а из больших деталей вырезают специальный образец. Зеркальной поверхности добиваются путем обработки абразивной шкуркой нескольких номеров, переходя от более грубой к более тонкой, и последующим полированием абразивными или алмазными пастами.

 

 

 

Рис.6.28.Схема отражения  лучей от проставленного микрошлифа

 

 

Рис.6.29.Микроструктура заэвтектического сплава Pb-Sb(светлые зёрна-кристалы сурьмы;тёмный фон-эвтектика)

 

      Для выявления структуры применяют травление шлифа растворами кислот или щелочей. При этом выявляется зерно стали. Это объясняется тем, что на поверхность шлифа зерна выходят разными кристаллографическими направлениями и вследствие анизотропии протравляются на разную глубину (рис.6.28.) и по-разному отражают свет. Таким образом можно определить разные фазы сплава, так как их свойства также неодинаковы и травление происходит на разную глубину (рис.6.29.). 

 

      В поле зрения микроскопа наиболее темными выглядят границы зерен, потому что они протравляются наиболее сильно из-за скопления дефектов, поэтому отражение от границ рассеивается, а не попадает в окуляр микроскопа и глаз наблюдателя. Оптические микроскопы позволяют получить увеличение до 1500 раз и изучать структурные составляющие размерами 2 мкм и более, что связано с длиной волны света. Увеличение микроскопа равно произведению увеличений объектива и окуляра (они выгравированы на них). Увеличение обозначают следующим образом: 200х. Значительно большее увеличение имеют электронные микроскопы — свыше 100 тыс. раз, при их использовании возможно разрешение объектов размером до 10-7 см (например, структурных составляющих).

 

 

    

6.19.Методы изучения структуры металла