Материаловедение_лабы

проводов электрических машин и других деталей из магнитномягких сплавов, отличаются крупнозернистым строением, так как это способствует уменьшению коэрцитивной силы.

Методы выявления и определения величины зерна сталей и сплавов устанавливает ГОСТ 5639–82. Для выявления границ зерен могут быть использованы следующие основные приемы: травление поверхности шлифов реактивами; цементация (науглероживание) низкоуглеродистых сталей (содержащих до 0,23%С) при 930±10°С с последующим выявлением сетки цементита по границам зерен; окисление границ зерен на полированных шлифах при заданных температурах нагрева.

После выявления границ зерен определяют их величину и, если необходимо, разноосность. Величина зерна – средняя величина случайных сечений зерен в плоскости металлографического шлифа. Она может быть определена следующими металлографическими методами:

1)визуальным сравнением видимых под микроскопом зерен с эталонами шкал, прилагаемых к стандарту;

2)подсчетом количества зерен, приходящихся на единицу поверхности шлифа;

3)подсчетом пересечений границ зерен отрезками прямых;

4)измерением длин хорд с определением относительной доли зерен определенного размера.

При первом методе при увеличении 100 (допускается 95…105) наблюдаемую в окуляре или на фотоснимке микроструктуру сравнивают с эталонами. Эталон представляет собой схематизирован-

ное изображение зерен в круге диаметром 79,8 мм, что соответствует площади на шлифе 0,5 мм2. Каждое изображение имеет номер (от 3 до 14), с увеличением которого размер зерна уменьшается. В приложениях 1…3 приведены основные параметры, использующиеся для оценки величины зерна.

Вцелях повышения качества оценки микроструктуры разрабатываются и внедряются новые методы. Примером является анализатор изображений «ВидеоТесТ-Металл», разработанный для оценки микроструктуры в соответствии с большим набором отечественных и иностранных стандартов. Он состоит из системы ввода (металлографического микроскопа и монохромной камеры высокого разрешения), компьютера с программным обеспечением и принтера. Программное обеспечение содержит набор встроенных методик, т.е. последовательностей для оценки той или иной структурной составляющей и получения результатов измерений в тре-

10

буемой форме (рис. 1.3 и 1.4). Методики выполняются автоматически, с минимальным вмешательством специалиста.

Рис. 1.3. Определение балла зерна стали ХН35ВТ методом сравнения изображения микроструктуры с эталонами данного стандарта. Подбор эталона производится автоматически

Рис. 1.4. Определение балла зерна методом автоматического измерения всех зерен. Результаты анализа представлены в виде гистограммы

11

Основные преимущества использования АИ для характеристики микроструктурного состояния материала – превосходящая точность оценки (исключается «человеческий фактор»), значительная экономия времени (обработка производится автоматически), возможность хранения необходимого объема информации и изображений в электронной базе данных, а также их поиска и сортировки.

1.3.Порядок выполнения работы

1.Научиться работать на металлографическом микроскопе и изучить методику проведения микроанализа.

2.Изучить шлифы при увеличении 200…400:

-крупнозернистую микроструктуру технического железа;

-мелкозернистую микроструктуру технического железа.

3.Определить величину зерна технического железа по эталонам методом сравнения. Пользуясь таблицей приложения 2, определить номер зерна при стандартном увеличении 100, средний ус-

ловный диаметр зерна d (мм), среднюю площадь сечения зерна, (мм2). Результаты занести в табл. 1.1.

4.Определить влияние размера зерна технического железа на предел текучести (предел текучести крупнозернистого технического железа ~ 120 МПа).

Влияние величины зерна на предел текучести может быть описан уравнением Холла–Петча:

σт = σ0 + R d	−	1
		2 ,	(*)

где σ0 – напряжение трения решётки; R – коэффициент, величина

которого численно определяет сопротивление границ зёрен данного металла движению дислокаций; d – средний размер зёрен.

Для начала движения дислокации необходимо приложить напряжение, учитывающее сопротивление решётки, называемое напряжением Пайерлса–Набарро, величина которого для металлов с решеткой ОЦК равна:

τ0 ~ 3,6 МПа (τ0 – касательное напряжение в дислокации);

σ0 = 3т,6 , (m = 0,35 для металлов с решеткой ОЦК (фактор Шмида));

12

σ0 = 03,,356 =10,6 МПа.

Выражение (*) для исходного состояния может быть записано

как

								−	1
	σт	=10,6 МПа + Rd							2	=120 МПа ,
		−	1
	Rd	2		=120		МПа -10,6 МПа 109 МПа ,
	тогда R = 109 МПа						,
				d	−	1
						2

σт технического железа с размером зерна d1, будет равен:

1

−

1

109

МПа

−

d

2

σт =10,6 МПа +

1

d1

2 =10,6 МПа +109 МПа

1

=

d

−

d

−

1

2

2

.

=10,6 МПа

d

d1

Т а б л и ц а 1.1

Средний

Средняя

Образец

№ зерна

условный

площадь

σТ, МПа

диаметр зерна

сечения зерна,

d, мм

мм2

1

2

1.4.Содержание отчета

1.Наименование и цель работы.

2.Схема хода лучей в микроскопе.

3.Зарисовки структур сплавов в соответствии с заданием.

4.Методика определения балла зерна, среднего условного диаметра и средней площади сечения зерна (мм²), предела текучести.

5.Выводы по работе.

13

1.5.Вопросы для самопроверки

1.Что такое микроанализ и с какой целью он проводится?

2.В чем отличие методов изучения микро- и макрострукту-

ры?

3.Как называется и как готовится образец для изучения микроструктуры?

4.В чем сущность выявления рельефных поверхностей и структурных составляющих микроструктуры сплавов при микроанализе?

5.Как зависят механические свойства материалов от размера

зерна?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ

ВМАЛЫХ ОБЪЕМАХ

2.1.Цель работы

1.Изучить методы измерения твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу. Научиться работать на приборах Бринелля и Роквелла.

2.Ознакомиться с оценкой механических свойств металла, определяемых разрушающими методами испытания, по значениям твердости.

3.Измерить твердость и определить временное сопротивление металла образцов, указанных в задании.

2.2.Теоретическое обоснование работы

Одним из распространенных методов механических испытаний материалов является испытание на твердость. Он широко применяется как в заводской практике, так и при исследовательских работах благодаря простоте и быстроте проведения, отсутствию разрушения материала, возможности применения непосредственно на изделиях, а также в случаях, когда неприменимы другие способы испытаний. По результатам испытания на твердость пу-

14

тем расчетов можно установить связь с данными других испытаний, проведенных с разрушением материала. По значениям твердости можно, например, оценить временное сопротивление (пре-

дел прочности при растяжении σв ), условный предел текучести

( σ0,2 ), модуль упругости (Е) и др.

Под твердостью материала понимается его сопротивление деформации на поверхности, в небольшом объеме, при заранее установленном механическом воздействии другого, более твердого тела.

Существуют различные методы измерения твердости материалов. Для измерения макротвердости наиболее часто применяются:

•метод Бринелля – вдавливание стального шарика;

•метод Роквелла – вдавливание алмазного конуса или стального шарика;

•метод Виккерса – вдавливание алмазной квадратной пира-

миды.

Под микротвердостью подразумеваются характеристики твердости, определяемые методом вдавливания алмазной пирамиды при малых нагрузках (2…200 г) и малых микроскопических отпечатках (7…50 мк).

Общим обозначением численного результата измерения твердости служит латинская буква Н. Буквы, следующие после Н, указывают на метод измерения твердости. Например: В – метод Бринелля; R – метод Роквелла; V – метод Виккерса.

Метод измерения твердости по Бринеллю. Твердость по

Бринеллю (ГОСТ 9012–59) определяется вдавливанием в испытуемый материал стандартного стального закаленного шарика под действием заданной нагрузки, не изменяемой во время испытания (рис. 2.1, а). При этом на поверхности материала образуется отпечаток. По величине диаметра отпечатка можно судить о твердости испытуемого материала. Чем тверже материал, тем меньше диаметр отпечатка и тем больше число твердости по Бринеллю.

Твердость по Бринеллю (НВ) вычисляется делением нагрузки (Р) на площадь поверхности получаемого отпечатка (F):

HB =	1,102P		0,102 2P
	F	=	πD(D2 −d 2 ).

15

Здесь НВ – число твердости по Бринеллю, МПа (кгс/мм2); Р – нагрузка, Н (кгс); F – площадь поверхности отпечатка, м2 (мм2); D – диаметр шарика, м (мм); d – диаметр отпечатка, м (мм).

а

б

в

Рис. 2.1. Схемы определения твердости образца: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу; D – диаметр вдавливаемого шарика; d – диаметр отпечатка; P0, P – предварительная и основная нагрузки; h0, h – глубина отпечатка после действия предварительной и основной нагрузки

На практике твердость по формуле не вычисляют, а определяют по таблицам 1…20 обязательного приложения3 в ГОСТе 9012–59, в зависимости от диаметра отпечатка. Диаметр отпечатка измеряется с помощью отсчетного микроскопа (лупы с микрометрической линейкой).

Условия получения правильного отпечатка и его использования для определения твердости:

1) толщина испытуемого образца или изделия должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка (минимальная толщина образца или изделия определяется по таблице, приведенной в приложении 2 ГОСТа 9012–59);

16

2) расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 2,5d , а расстояние между центрами двух соседних

отпечатков не менее 4,0d ;

3) поверхность испытуемого образца должна быть плоской (параллельной опорной стороне образца), сухой и чистой.

Для исключения ошибок, связанных с возможной деформацией шарика, методом Бринелля испытывают материалы с твердостью, не превышающей 450 ед. Твердость по Бринеллю определяется как среднее значение двух или более измерений отпечатков на одном образце.

Испытания проводят с применением нагрузок, приведенных в табл. 2.1, где К – отношение нагрузки Р к квадрату диаметра шарика D. Для выбора К рекомендуется пользоваться табл. 2.2.

Т а б л и ц а 2.1

Применяемые нагрузки в зависимости от соотношения К и D

Диаметр	Нагрузка Р, Н (кгс) для					0,102 P			P		2
шарика					K =		D2	МПа,		кгс/мм
									D2
D, мм
	30		10			5		2,5			1
1	294	(30)	98	(10)	49		(5)	24,5	(2,5)		9,8 (1)
2	1176	(120)	392	(40)	196		(20)	98 (10)			39,2 (4)
2,5	1840 (187,5)		613 (62,5)		306,5		(31,5)	153,2	(15,5)		61,5	(6,2)
5	7355	(750)	2450	(250)	1225		(125)	613 (62,5)			245	(25)
10	29430	(3000)	9800	(1000)	4900		(500)	2450	(250)		980 (100)

Т а б л и ц а 2.2

Рекомендуемые значения К для разных металлов и сплавов

	Металлы и сплавы	К, МПа (кгс/мм2)		Число твердости, НВ
	Железо, сталь, чугун и
	другие высокопрочные	294	(30)	От	96	до	450
	сплавы
	Медь, никель и их сплавы	98 (10)		„	32	„	200
	Алюминий, магний и их	49	(5)	„	16	„	100
	сплавы
	Подшипниковые сплавы	24,5	(2,5)	„	8	„	50
	Олово, свинец	9,8 (1)		„	3,2	„	20

17

Диаметр шарика D и соответствующую нагрузку Р следует выбирать так, чтобы диаметр отпечатка d находился в пределах от 0,25 до 0,61D. В противном случае (диаметр шарика и нагрузку) следует изменить.

Твердость по Бринеллю при условиях, когда D = 10 мм, Р = 29430 Н (3000 кгс) и продолжительность выдержки под нагрузкой от 10 до 15 с, обозначается цифрами, характеризующими величину твердости, и буквами НВ.

П р и м е р: 175 НВ.

175	НВ
Число	Твердость
Твердости (кгс/мм2)	по Бринеллю

При других режимах испытания после букв НВ указываются условия испытания в следующем порядке: диаметр шарика, нагрузка и продолжительность выдержки под нагрузкой, разделенные наклонной чертой.

П р и м е р: 175 НВ 5/750/20

175	НВ	5	750	20
Число	Твердость	Диаметр	Нагрузка	Выдержка
твердости	по Бринел-		шарика,	под
(кгс/мм2)	лю		мм	нагрузкой, с

Для измерения твердости по Бринеллю применяют прессы с механическим, гидравлическим приводами и рычажные прессы ручного действия. Наибольшее распространение получили прессы с механическим приводом.

Испытание твердости на прессе Бринелля производят в сл е- дующей последовательности. Испытуемый образец устанавливают на предметный столик. При помощи маховичка поднимают столик и поджимают образец к шарику до тех пор, пока находящийся в головке прибора указатель не встанет против риски. Затем нажатием кнопки включают электродвигатель. После его автоматического выключения вращением маховичка в обратную сторону опускают столик с испытуемым образцом и снимают образец со столи-

18

ка. Диаметр отпечатка измеряют с помощью отсчетного микроскопа с погрешностью измерения ± 0,25% от диаметра шарика.

Метод измерения твердости по Роквеллу. Твердость по Ро-

квеллу (ГОСТ 9013–59 изменен и дополнен ГОСТами 23677–79, 9377–81 и 3722–81) определяется путем внедрения в исследуемый металл алмазного конуса или стального шарика под действием

двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной P0 и основной P1 . Общая нагрузка равна сумме P0 и P1 (см. рис. 2.1, б): P = P0 + P1 . После общего нагружения основная нагрузка на образец снимается и усилие доводится до величины P0 .

Число твердости отсчитывается по круговой шкале специального прибора, который по устройству и действию представляет собой автоматический индикатор глубины отпечатка под нагрузкой.

Угловое перемещение стрелки этого индикатора на одно деление соответствует изменению глубины вдавливания конуса (шарика) на 0,002 мм или 2 мкм. Шкала индикатора разделена на 100 делений. Порядок цифр на шкале имеет направление, обратное движению стрелки при вдавливании. Чем тверже материал, тем меньше глубина отпечатка и поворот стрелки на предварительно установленной шкале индикатора.

На индикаторе имеются две стрелки: большая, показывающая глубину проникновения конуса (шарика) в испытуемый образец, и малая, указывающая на приложение предварительной нагрузки

P0 = 98 Н (10 кгс).

При приложении предварительной нагрузки P0 малая стрелка

прибора устанавливается против красной точки, а большая – против нулевого деления черной шкалы. Это положение стрелки отвечает начальному давлению.

После вдавливания конуса (шарика) под нагрузкой Р, на что указывает положение большой стрелки, и обратного разгружения до

P0 отсчет по большой стрелке укажет на число твердости НR.

Этот измеряемый параметр h является разностью глубин проникновения конуса (шарика) под действием основной и предварительной нагрузок. Толщина образца или глубина поверхностного слоя, подвергаемых испытанию, должна быть не менее восьмикратной величины h.

19