Изучение методов и средств определения качества металлопродукции

 

Министерство  сельского хозяйства и продовольствия Республики Беларусь

Учреждение  образования

«Белорусский  государственный аграрный технический  университет»

 

 

 

Кафедра технологий металлов

 

 

 

УСРС-2

 

Тема «Изучение методов и средств определения качества металлопродукции»

 

Выполнил: студент 3 курса

9 мо группы, ФТС

Кравченко С.И.

Проверил: преподаватель

Корнеева  В.К.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Минск,2013

 

Методы и средства определения качества материалов

В целях обеспечения  требуемого качества конечного продукта (за конченного производством изделия) необходимо вести контроль качества применяемых материалов, соблюдения режимов технологических процессов, а также контролировать геометрические параметры, качество обработки поверхности деталей и др. Технические измерения, оценка качества обработанной поверхности (овальность, конусность, цилиндричность, шероховатость и др.) несут информацию о внешних параметрах изделия.

Для оценки качества не менее важно также знать физико-механические свойства и структуру материала, его химический состав, качество и глубину термической обработки, распределение внутренних напряжений, характер и распределение возможных внутренних и поверхностных металлургических дефектов и т. п.

Существующие  методы контроля можно разделить на две большие группы: контроль качества с разрушением и без разрушения материала (заготовки, детали).

Разрушающие методы контроля

Разрушающие методы дают наиболее полную и объективную  характеристику свойств материала. По этой причине именно они заложены в технические требования (стандарты) на материалы. Контроль качества с разрушением проводится методами механического, физического, химического, рентгеноструктурного, металлографического анализа и позволяет обнаружить отклонения от заданных параметров состава и структуры материала, но требует, как правило, взятия проб или изготовления специальных образцов. Это трудоемкие и дорогостоящие операции. Нередко на них уходит столько же или больше металла, чем на изготовление самой детали. В особо ответственных производствах, например, при изготовлении летательных аппаратов, помимо образцов изготовляют «свидетели» процесса. Этот технический термин означает, что для изучения контролируемой детали специально изготовляется ее дубликат. Например, чтобы проверить глубину цементированного слоя в шестерне, вытачивают одну шестерню сверх предусмотренного заданием количества или взамен ее вытачивают дополнительную деталь упрощенной формы, скажем, кольцо, которое вместе с партией шестерен загружают в термическую печь. Затем проводят металлографические исследования «свидетеля», по результатам которых судят о качестве цементирования всей партии этих деталей. Большая трудоемкость, затраты материалов и топливно-энергетических ресурсов обусловили использование названных разрушающих методов контроля в основном только при выборочном контроле качества. Имеются, правда, исключения. Так, при изготовлении, например, турбинных лопаток производится 100% контроль твердости и химического состава (спектральный анализ), так как оба этих метода испытаний относятся к разряду малоразрушающих, а сопровождающие их незначительные повреждения поверхности деталей устраняются при последующей механической обработке.

При входном  контроле материалов на машиностроительных предприятиях, как правило, производится анализ химического состава, структуры и физико-механических свойств.'

Металлографические  методы исследования металлов и сварных  соединений позволяют определить размеры, форму и взаимное расположение кристаллов, неметаллические включения, трещины, раковины и т. п. Различают макроскопический и микроскопический методы изучения строения металлов. Макроскопический метод — исследование строения металлов, сплавов или сварных соединений невооруженным глазом, а также с помощью лупы, дающей увеличение до 25 раз. Микроскопический метод — исследование строения металлов, сплавов или сварных соединений с помощью микроскопа. Ввиду того, что все металлы непрозрачны, их строение можно исследовать только на изломах или специально подготовленных шлифах. В этом случае деталь или изделие разрезают. Поверхность излома или разреза тщательно обрабатывают под плоскость на металлорежущих станках. Затем обработанную поверхность шлифуют на плоскошлифовальном станке, наждачной бумагой вручную и протравливают в химических реактивах. В процессе травления кристаллы растворяются с различной скоростью, так как они по-разному ориентированы относительно исследуемой поверхности. Границы между кристаллами содержат повышенный процент примесей и дефектов, поэтому они растворяются быстрее. Химический реактив сильнее разъедает трещины, закатанные плены, пористые участки и слабее — основной металл. В результате травления получают четкую картину кристаллического строения металла и более ярко проявляются названные дефекты.

Для металлографического исследования сварного соединения образец вырезают поперек оси шва. Он должен включать в себя как шов, так и зону термического влияния. Если металлографическое исследование дало неудовлетворительные результаты, то испытание повторяют на двойном количестве образцов из того же контрольного стыка. При повторном получении неудовлетворительных результатов сварщик, варивший стыки (в особо ответственных соединениях), отстраняется от работы и проходит переаттестацию.

К механическим свойствам относятся твердость, прочность, упругость, пластичность, вязкость, выносливость, тепло- и жаропрочность, хладостойкость, износостойкость и многие др. (всего более 40 характеристик).

Рассмотрим  более подробно основные виды механических испытаний. Твердость — это свойство сопротивления материала внедрению и его поверхность более твердого тела. Наиболее распространенными методами испытания на твердость металлов являются:

Метод вдавливания  стального закаленного шарика — способ Бринелля.

Метод вдавливания  алмазного конуса — способ Роквелла.

Метод вдавливания  алмазной пирамиды — способ Виккерса.

Испытуемый  образец должен иметь подготовленную (гладкую) по

верхность.

Определение твердости способом Бринелля

Способ Бринелля заключается во вдавливании стального закаленного шарика диаметром 10,0; 5,0 или 2,5 мм в испытуемый образец или деталь под действием заданной нагрузки Р (3000, 1000, 750 кгс и менее) в течение непродолжительного времени (10—30 с). Схема испытания на твердость по способу Бринелля приведена на рис.1.

Численно твердость определяют как среднее давление сферической поверхности отпечатка шарика по следующей формуле:

где D — диаметр  шарика, мм;

Р — нагрузка на шарик, кгс; d — диаметр отпечатка, мм;

F — площадь поверхности  отпечатка после снятия нагрузки, мм-1.

Рис.1 Схема испытания на твердость методом Бринелля

Чтобы не делать вычислений при определении НВ, на практике пользуются готовыми таблицами с заранее подсчитанными значениями твердости для отпечатков различных диаметров, полученных при разных нагрузках.

Практически при испытаниях на твердость нагрузка задается в килограмм-силе и поэтому единицы твердости НВ имеют единицу килограмм-сила на миллиметр квадратный. Однако в литературе и даже в справочниках часто единицу твердости не указывают. Интервал значений твердости по Бринеллю от 10 до 450 кгс/мм². Черные металлы имеют 140—450; цветные металлы и сплавы 32—130; в том числе алюминий, свинец и мягкие сплавы 8—35 единиц.

Способом Бринелля определяют макротвердость, т. е. усредненную  твердость на значительной площади испытываемого образца или детали. Погрешность измерений не велика, если материал не очень тверд, а диаметр отпечатка в пределах от 1,25 до 5,5 мм. Этим обусловлена область применения данного способа для определения относительно небольшой твердости.

Соотношение чисел твердости по Бринеллю НВ и предела прочности выражается экспериментальной зависимостью σ_в= (0,33—0,36) НВ, где коэффициент 0,36 следует применять для углеродистых сталей в отожженном или нормализованном состоянии, а 0,33 — для низколегированных конструкционных сталей в улучшенном состоянии.

Определение твердости способом Роквелла

Определение твердости  этим методом производят вдавливанием в материал специального наконечника под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок — предварительной и окончательной (рис. 2).

В качестве вдавливаемого  тела (индентора) используют алмазный конус с углом при вершине 120°  или стальной закаленный шарик диаметром 1,588 мм. Алмазный конус применяют для испытания твердых материалов, а шарик — более мягких.

Рис.2 Схема испытания на твердость методом вдавливания алмазного конуса (способ Роквелла): а — предварительная нагрузка; б — окончательная нагрузка

За единицу  твердости принята разность между  глубиной отпечатков h-h₁, полученной от вдавливания индентора при предварительной нагрузке в 10 кгс и окончательной нагрузке Р, назначаемой в зависимости от используемого индентора и от твердости испытуемого материала.

Численно величина твердости по Роквеллу оценивается делениями условной шкалы.

Твердость по Роквеллу при вдавливании алмазного конуса выражается числом делений условной шкалы по формуле

где h — глубина внедрения индентора (наконечника) в испытуемый металл под действием общей нагрузки;

h₁ — глубина внедрения идентора в испытуемый металл под действием предварительной нагрузки;

С — постоянная, равная 0,002 мм.

При вдавливании  шарика число твердости находится  по формуле:

где значения , , и С те же, что и при вдавливании алмазного конуса.

Индикатор твердомера Роквелла имеет две шкалы: черную — для испытания с алмазным конусом и красную — для испытания с шариковым наконечником при различных нагрузках.

Наконечник  и нагрузки выбирают по табл. 1.

Шкала А применяется  для испытания металлов с твердостью свыше HRC 70 (например, сверхтвердых сплавов, карбидов вольфрама и т п.), для испытания тонкого твердого листового материала, а также при испытаниях, когда требуется определить твердость лишь тонкого поверхностного слоя.

Шкала С является основной и применяется главным  образом для испытания термически обработанных сталей с твердостью HRC 20...70 (наиболее распространенный способ).

Шкала В служит для испытания более мягких металлов и сплавов.

Число твердости  по Роквеллу можно приближенно пересчитать  и число твердости по Бринеллю. На основании экспериментальных данных установлена следующая зависимость: НВ = 100 HRC.

При переводе чисел  твердости по Роквеллу с одной шкалы на другую пользуются таблицей, которая обычно приводится в справочной литературе.

Преимуществом способа Роквелла перед способом Бринелля является быстрота испытаний. Результат измерения считывается непосредственно со шкалы прибора. Кроме того, отпечаток от измерения мал по размеру.

Условия измерения  твердости по Роквеллу

Примерная твердость  по Бринеллю	Обозначение шкалы Роквелла	Вид наконечника	Общая нагрузка, кгс	Обозначение твердости
Св. 7000	А	Алмазный конус	60	HRA
2300-7000	С		150	HRC
600-2300	В	Стальной шарик D= 1,588 мм	100	HRB

 

Определение твердости способом Виккерса

В этом случае твердость  металлов определяют вдавливанием в образец правильной четырехгранной алмазной пирамиды с углом между гранями, равным 136°. Нагрузка Р может составлять от 5 до 120 кгс.

Поверхность отпечатка, имеющего форму пирамиды, рассчитывают по его диагонали.

Число твердости HV, получаемое при испытании, является частным от деления величины нагрузки на поверхность отпечатка:

где Р — нагрузка на пирамиду, кгс;

d — диагональ  отпечатка, мм.

Полученное  число твердости HV сопровождается индексом величины нагрузки. Если число твердости образца, равное 300, получено при нагрузке в 50 кгс, то это записывают так: HV50 300.

Твердость по Виккерсу определяют на твердых образцах, на образцах, имеющих малые размеры  и толщины, а также на деталях, прошедших поверхностное упрочнение химико-термической обработкой, и  т. п.

Точность определения  твердости этим способом относительно велика. Получаемые при испытаниях числа твердости соответствуют числам твердости по Бринеллю, т. е. НВ = HV при значениях твердости до НВ 450.

Испытание на растяжение

Прочность —  это свойство твердых материалов сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних нагрузок.

Прочность, оцениваемую  при кратковременном воздействии  внешних сил на образцы материала, называют кратковременной прочностью, а при продолжительном воздействии — длительной прочностью.

Характеристики  кратковременной прочности и  пластичности материалов на разрыв находят по диаграмме растяжения, получаемой в координатах нагрузка — деформация при разрыве цилиндрических образцов растяжением на специальных испытательных машинах.

Типичные кривые (диаграммы) растяжения до разрыва образцов приведены на рис. 3.

Механическое напряжение характеризуется силой, действующей  на единичную площадь сечения, перпендикулярного  направлению приложенной силы, т. е.

Рис. 3. Кривые растяжения до разрыва: O'- с площадкой текучести; б — без площадки текучести

где σ — напряжение, МПа;

Р — сила (нагрузка), кге;

F — площадь  сечения воспринимаемого нагрузку, м²- Единица напряжений в Международной системе единиц (СИ): мегапаскаль (МПа).

При испытаниях кратковременным растяжением образца до разрыва определяют следующие характеристики прочности и пластичности. Характеристики прочности: