Металловедение

21

В последнее время под электронным микроскопом более часто изучают тонкие пленки исследуемых металлов и сплавов, прозрачных для электронов.

Такие пленки приготовляют химическими и электрохимическими способами растворения образцов.

На электронной микрофотографии видны такие детали структуры, кото-

рые не выявляются при наблюдении в оптическом микроскопе (рис. 17).

в) Метод радиоактивных изотопов Метод радиоактивных изотопов основан на том, что атомы введенных в

металл радиоактивных изотопов претерпевают радиоактивное превращение,

сопровождающееся излучением, которое лег-

ко обнаружить. Таким образом, атомы радио-

активных изотопов выделяются из множества других атомов, т. е. они как бы помечены, и

потому этот метод называют иногда методом меченых атомов.

Радиоактивные (меченые) атомы во всех процессах, протекающих в металле, ведут себя так же, как и нерадиоактивные,

Поэтому они позволяют проследить за процессами, происходящими в металлах при их изготовлении и обработке. Например, для изучения характера распреде-

ления элементов при кристаллизации в металле в него при выплавке вводят не-

которое количество радиоактивного изотопа того элемента, распределение ко-

торого изучают. Изготовленный из этого металла микрошлиф приводят в кон-

такт с эмульсией фотопленки.

Излучение радиоактивных изотопов дей-

ствует на фотопленку, как и свет. После фото-

графической обработки получается негатив, ко-

торый с помощью микроскопа увеличивают и получают микрорадиограмму (рис. 18).

22

Широкое распространение с помощью меченых атомов получили методы изучения процессов диффузии в сплавах.

г) Рентгеноструктурный анализ Рентгеноструктурный анализ применяют для исследования внутреннего

строения кристаллов, т. е. расположения атомов в кристаллической решетке.

Для этого используют рентгеновские лучи, образующиеся в рентгеновской трубке при торможении быстродвижущихся электронов на ее аноде.

Рентгеновские лучи представляют собой электромагнитные колебания с очень малой длиной волны - от 0,2 до 0,0005 Нм (от 2 до 0,005 Å).

Направляя рентгеновские лучи на исследуемый объект (кристалл) и фик-

сируя на фотопленке возникающие от-

ражения от кристаллографических плоско-

стей, получают рентгенограммы (рис. 19), по которым рассчитывают порядок расположе-

ния атомов в металле и определяют тип кристаллической решетки.

23

Г л а в а II

ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ И МЕХАНИЧЕСКИЕ

СВОЙСТВА

§ 1. Упругая и пластическая деформация

Деформацией называется изменение размеров и формы металла под дей-

ствием приложенных сил. Деформация металла бывает упругой, устраняющей-

ся после прекращения действия внешних сил, и пластической, остающейся по-

сле прекращения действия внешних сил.

При упругой деформации под действием приложенной нагрузки расстоя-

ние между атомами в кристаллической решетке изменяется. При растяжении

атомы удаляются, а при сжатии сближаются. Изменение межатомного расстоя-

ния очень мало и после снятия нагрузки смещенные атомы под действием сил притяжения (после растяжения) и отталкивания (после сжатия) становятся на свои места.

При пластической деформации происходит скольжение (сдвиг) одной части кристалла относительно другой как результат перемещения атомов по определенным плоскостям кристаллической решетки.

Для того чтобы сдвиг произошел путем одновременного смещения одной части кристалла относительно другой, как это показано на рис. 20, а, потребо-

валось бы усилие, в сотни раз превышающее затрачиваемое при деформации

24

реального металла. Рассмотрим, как происходит процесс скольжения в реаль-

ном металле и почему реальная прочность металла значительно ниже теорети-

ческой.

Как было указано выше, кристалл реального металла имеет ряд несовер-

шенств - дислокаций; пластический сдвиг в реальном кристалле есть процесс перемещения дислокаций.

На рис. 20, б показана схема сдвиговой деформации, из которой видно,

что перемещение одной дислокации через весь кристалл приводит к смещению

(сдвигу) соответствующей части кристалла на одно межатомное расстояние.

В реальном металле число дислокаций очень велико. Образование дисло-

каций требует значительной энергии, но они легко перемещаются. Таким обра-

зом, процесс скольжения в кристалле реального металла происходит не путем одновременного сдвига всей атомной плоскости, а путем перемещения дисло-

каций вдоль плоскости скольжения.

Следовательно, если в кристалле нет дислокаций, то он обладает весьма высокой прочностью, равной теоретической. Это доказано созданием и иссле-

дованием бездислокационных кристаллов в виде очень тонких нитей, называе-

мых нитевидными кристаллами или усами. Например, нитевидный кристалл железа диаметром 1 мкм обнаруживает очень высокий предел прочности - 13

000 МН/м2 (1300 кгс/мм2). Обычное железо имеет предел прочности 300 МН/м2

(30 кгс/мм2). Незначительные размеры нитевидных кристаллов (толщина до 2

мкм и длина до 10 мм) являются препятствием к их практическому примене-

нию. С увеличением толщины и длины таких кристаллов в них появляются дислокации и прочность их резко снижается.

25

Как показано на рис. 21, с увеличением в металле количества дислокаций прочность сначала понижается, а затем повышается. Упрочнение металла при избытке дислокаций объясняется тем, что они препятствуют перемещению друг друга и поэтому затрудняют пластическую деформацию.

Способами упрочнения, увеличивающими количество дислокаций, явля-

ются: термическая и термомеханическая обработка, а также и пластическая де-

формация, проводимая при комнатной температуре (холодная деформация), на-

пример прокатка, волочение. Упрочнение металла в результате холодной де-

формации называется наклепом, при котором повышаются прочность и твер-

дость, но понижается пластичность. Большая степень деформации приводит к изменению формы и соотношения размеров зерен (рис. 22).

§2. Методы испытания механических свойств металлов

Взависимости от способа приложения нагрузки методы испытания меха-

нических свойств металлов делят на три группы:

статические, когда нагрузка возрастает медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез, твердость);

динамические, когда нагрузка возрастает с большой скоростью, ударно

(испытание на удар);

26

испытания при повторно-переменных нагрузках, когда она в процессе ис-

пытания многократно изменяется по величине или по величине и знаку (испы-

тание на усталость).

Необходимость проведения испытания в различных условиях определя-

ется различием в условиях работы деталей машин, инструментов и других ме-

таллических изделий.

Испытание на растяжение. Для испытания на растяжение применяют ци-

линдрические или плоские образцы определенной формы и размеров по стан-

дарту. Испытание образцов на растяжение	про-
водится на разрывных машинах с механи-	чес-
ким или гидравлическим приводом. Эти	ма-
шины снабжены специальным приспосо-	со-
блением, на котором при испытании (рас-	тяже-
нии) автоматически записывается диа-	грам-

ма растяжения (рис. 23).

По вертикальной оси отложены величины нагрузок Р (Н, кгс), по гори-

зонтальной оси - величины абсолютных удлинений l (мм). На характер этой диаграммы растяжения влияет размер образца. Чтобы исключить влияние этого фактора, диаграмму строят в координатах напряжение а (в Н/м2 или кгс/мм2)

(нагрузка на единицу площади поперечного сечения рабочей части, образца) -

относительное удлинение (в %) (отношение абсолютного удлинения к на-

чальной длине расчетной части образца).

При испытании на растяжение определяют следующие характеристики механических свойств: пределы пропорциональности, упругости, текучести,

прочности, истинного сопротивления разрыву, относительное удлинение и су-

жение.

Пределом пропорциональности (условным) пц называется такое напря-

жение, когда отступление от линейной зависимости между нагрузкой и удлине-

27

нием достигает такой величины, при которой тангенс угла, образуемого каса-

тельной к кривой нагрузка - деформация с осью нагрузок, увеличивается, на-

пример, на 25 или 50% по сравнению с первоначальным значением:

пц = Pпц/F0

где Pпц - нагрузка, соответствующая пределу пропорциональности (ус-

ловному).

Пределом упругости (условным) уп называется напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05% от расчетной величины образца и опре-

деляется по формуле

0,05 = Р0,05/F0

где Р0,05 - нагрузка, соответствующая пределу упругости (условному).

Принимают и меньшие допуски (до 0,005%) на величину остаточной де-

формации (удлинения). Величину используемого допуска указывают в обозначениях, например 0,01, 0,02 и т. д.

Пределом текучести (физическим) называется наименьшее напряжение,

при котором образец деформируется (течет) без заметного увеличения нагруз-

ки:

т = Pт/F0

где Pт - нагрузка, соответствующая пределу текучести (физическому).

Пределом текучести (условным) 0,2 называется напряжение, при кото-

ром остаточное удлинение достигает 0,2% от расчетной длины образца:

0,2 = P0,2/F0

где P0,2 - нагрузка, соответствующая пределу текучести (условному).

Пределом прочности (временным сопротивлением) В называется напря-

жение, отвечающее наибольшей нагрузке РВ предшествующей разрушению об-

разца:

В = PВ/F0

28

Истинным сопротивлением разрушению Sk называется напряжение, опре-

деляемое отношением нагрузки Pk в момент разрыва образца к площади попе-

речного сечения Fk образца в шейке после разрыва:

Sk = Pk/ Fk

Относительным удлинением называется отношение абсолютного удли-

нения, т. е. приращения расчетной длины образца после разрыва( lk-l0), к его первоначальной расчетной длине l, выраженное в процентах:

k	0	100%
	0

где lk - длина образца после разрыва.

Относительным сужением называется отношение абсолютного суже-

ния, т. е. уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва (F0- Fk), к первоначальной площади его поперечного сечения, выраженное в про-

центах:

F0 Fk 100%

F0

где Fk - площадь поперечного сечения образца после разрыва.

Относительным удлинением и сужением характеризуется пластичность металла.

Испытание на твердость. Твердостью называется способность металла сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела. Определение твердости является наиболее часто применяемым методом испытания металлов.

Для определения твердости не требуется изготовления специальных образцов,

т. е. испытание проводится без разрушения детали.

Существуют различные методы определения твердости - вдавливанием,

царапанием, упругой отдачей, а также магнитный метод. Наиболее распростра-

ненным является метод вдавливания в металл стального шарика, алмазного ко-

29

нуса или алмазной пирамиды. Для испытания на твердость применяют специ-

альные приборы, несложные по устройству и простые в обращении.

Испытание на твердость вдавливанием шарика (твердость по Бринеллю).

В поверхность испытываемого металла с определенной силой вдавливают стальной закаленный шарик диа-

метром 10, 5 или 2,5 мм (рис. 24). В результате на по-

верхности металла получается отпечаток (лунка). Диа-

метр отпечатка измеряют специальной лупой с деле-

ниями.

Число твердости по Бринеллю НВ характеризуется отношением нагрузки,

действующей на шарик, к поверхности отпечатка:

HB	P		P
	F
			D / 2(D D2 d2 )

где Р - нагрузка на шарик, Н (кгс); F - поверхность отпечатка, мм2; D -

диаметр вдавливаемого шарика, мм; d - диаметр отпечатка, мм.

Для того чтобы не вычислять твердость по приведенной выше формуле,

на практике пользуются специальной таблицей, в которой диаметру отпечатка соответствует определенное число твердости НВ.

Для характеристики твердости часто пользуются диаметром отпечатка dHB (мм) без перевода в число твердости. Диаметр шарика и нагрузку устанав-

ливают в зависимости от испытываемого металла, твердости и его толщины.

Например, при испытании стали и чугуна Р = 30D2 меди и ее сплавов Р = 10D2

баббитов Р = 2,5D2.

Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов твердостью более НВ450, так как шарик может деформироваться и результат получится не-

правильным. Нельзя также испытывать тонкие материалы, которые при вдавли-

вании шарика продавливаются.

30

Испытание на твердость вдавливанием конуса или шарика (твердость по Роквеллу).

В поверхность испытываемого металла вдавливают алмазный конус с уг-

лом 120° или стальной закаленный шарик диаметром 1,59 мм. Испытание ша-

риком применяют при определении твердости мягких материалов, а алмазным конусом - при испытании твердых материалов.

.Шарик и конус вдавливают в испытываемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок - предварительной P0 и основной P1.

Общая нагрузка Р равна их сумме (рис. 25)

P = P0 + P1.

Предварительная нагрузка Р0 во всех случаях равна 100 H (10 кгс), а ос-

новная P1 и общая Р нагрузки составляют: при вдавливании стального шарика

(шкала В):

P1 = 900 И (90 кгс); Р=1000 И (100 кгс);

при вдавливании алмазного конуса (шкала С):

P1 = 1400 Н (140 кгс); Р=1500 Н (150 кгс);

при вдавливании алмазного конуса (шкала А)

P1 = 500 Н (50 кгс); Р = 600 И (60 кгс).

При нагрузке 600 Н (60 кгс) испытывают очень твердые, а также тонкие материалы (шкала А).

Твердость по Роквеллу - число отвлеченное и выражается в условных единицах; ее обозначают в зависимости от условий испытания HRA, HRB, HRC.

За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому пере-

мещению наконечника на 0,002 мм. Число твердости по Роквеллу HR определя-

ется по формулам:

при измерении по шкале В:

HR = 130-е;