Как изменяются в процессе возврата отдыха плотность дислокаций p и твердость hb чистого железа

Обновлено: 04.10.2024

1. Провести замеры рентгенограммы и расчет в соответствии с пунктами (1-10) раздела 3.1.

2. Найти значения для каждой линии рентгенограммы и занести эти значения в столбец 3 таблицы 2.7.

3. Найти ряд отношений и занести значения в столбец 4.

4. Сопоставив полученный ряд чисел с аналогичным рядом, приведенным в таблице 2.4, определить тип кристаллической решетки, период которой следует определить.

Расчет периодов решетки

Номер линии по табл. 2.5	Значение сум-мы H 2 +K 2 +L 2	HKL	a
при-бли-женно	точно

5. После установления типа кристаллической решетки по таблице 2.3 определить индексы интерференции .

Определение периода кристаллической решетки

1. По нескольким (3-5) линиям рентгенограммы (по возможности с большими углами ) определить период кристаллической решетки, используя выражение (3).

2. Построить график и проэкстраполировать величину до .

3. Провести проверку правильности определения типа кристаллической решетки, вычислив число атомов , приходящихся на одну элементарную ячейку по формуле

, где - атомный вес исследуемого вещества; - объем элементарной ячейки (V=а 3 ); - плотность исследуемого вещества; г – масса 1/16 части массы атома кислорода.

Оборудование, приборы, материалы

1. Отснятые рентгенограммы поликристаллических чистых металлов.

2. Негатоскопы, линейки.

3. Таблицы для расчета.

Содержание работы

1. Определить вещество по данным о межплоскостных расстояниях, полученным при расчете рентгенограммы.

2. Определить период кристаллической решетки идентифицированного металла (выполняется по указанию преподавателя).

3.Вычислением количества атомов, приходящихся на элементарную ячейку, подтвердить правильность предыдущих расчетов.

Оформление результатов

Отчет, предъявляемый при сдаче лабораторной работы, должен содержать:

2. схему формирования рентгеновской дифракционной картины поликристаллов в камере Дебая;

3.экспериментальные результаты, сведенные в виде таблиц 2.5 и 2.7.

7. Контрольные вопросы

1. Что такое качественный рентгеноструктурный анализ?

2. Какое излучение можно использовать для подобных исследований и почему?

3. Съемка порошковых материалов в камере Дебая. Методы зарядки пленки в камере Дебая, их преимущества и недостатки.

4. Что такое период решетки и межплоскостное расстояние? Ошибки, возникающие при их определении. Методы их устранения.

5. Что такое индицирование?

6. Физический смысл закона Вульфа-Брэгга.

Р а б о т а №3

ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

Цель работы

Изучение закономерностей влияния пластической деформации и рекристаллизации на структуру и твердость металлов.

Краткая теория

Пластической деформациейназывается деформация, остающаяся после снятия нагрузки, вызывающей эту деформацию. По современным представлениям деформация является следствием перемещения линейных дефектов кристаллической структуры – дислокаций в плоскостях скольжения – плоскостях с простейшей упаковкой (более подробно см.. [1]).

В результате протекания сдвиговых процессов зерна поликристалла постепенно вытягиваются в направлении течения металла и образуют характерную волокнистую структуру. Типичный пример изменения металлографической картины при деформировании представлен на рис.4.1.

Рис.4.1 . Изменение формы зерна в результате скольжения :

а- схема и микроструктура металла до деформации;

б- схема и микроструктура металла после деформации

Деформирование металла сопровождается повышением его прочностных характеристик (предела прочности, предела текучести и твердости) при понижении пластичности (способности к дальнейшему деформированию) (рис.4.2).

Рис.4.2. Схема изменения свойств металла в зависимости от степени пластической деформации

Такое изменение механических свойств называется наклепом (или нагартовкой) и вызывается увеличением плотности дислокаций, затруднением их свободного перемещения вследствие взаимодействия между собой и с такими барьерами как границы зерен или блоки мозаики. В частности, экспериментально установлено, что плотность дислокаций в поликристаллических отожженных материалах составляет 10 6 ¸10 8 см -2 , а в сильно деформированных – 10 11 ¸10 12 см -2 . При этом около 15% всей энергии деформации поглощается металлом и накапливается в виде повышенной потенциальной энергии смещенных атомов и локальных внутренних напряжений.

Несмотря на то, что состояние наклепа не является термодинамически равновесным, оно может при обычных температурах сохраняться довольно долго, т.к. подвижность атомов мала. Однако, если нагартованный материал нагреть (отжечь), то он переходит в термодинамически более устойчивое состояние. При этом происходит два основных процесса: возврат и рекристаллизация.

Возврат имеет место при невысоких температурах отжига и сопровождается снижением прочностных характеристик на 20-30% по сравнению с постдеформированным состоянием. Этим изменениям прочностных характеристик сопутствуют небольшие структурные изменения, главным образом, связанные с частичным снятием внутренних напряжений, с некоторым снижением плотности дислокаций (стадия отдыха) и их перегруппировкой. В частности, первоначально беспорядочно ориентированные дислокации могут выстраиваться в стенки, перпендикулярные плоскостям скольжения, образуя субзерна, незначительно разориентированные между собой (рис.4.3).

Рис.4.3. Схема процесса полигонизации:

а- хаотическое размещение дислокаций;

б- стенки из дислокаций (образование субзерен).

В результате образования этих дислокационных стенок зерно дробится на отдельные блоки, но в целом волокнистая структура зерен не меняется. Эта стадия возврата получила название полигонизация.

При нагреве до более высоких температур идет процесс рекристаллизации – процесс образования на месте деформированных зерен новых зерен с неискаженной (бездефектной) структурой кристаллической решетки (первичная рекристаллизация) и их дальнейший рост (собирательная рекристаллизация).

Движущей силой первичной рекристаллизации является энергия, аккумулированная в наклепанном металле. Деформированный металл стремится перейти в новое, более устойчивое, состояние с наименьшим запасом свободной энергии – состоянию с наименьшим термодинамически возможным количеством дефектов, т.е. уже в процессе первичной рекристаллизации плотность дислокаций существенно уменьшается.

Движущей силой собирательной рекристаллизации является поверхностная энергия зерен. При укрупнении зерен общая протяженность их границ становится меньше, что соответствует переходу металла в более, равновесное состояние.

Температура начала рекристаллизации металлов и сплавов, по А.А.Бовару, связана с температурой плавления простым соотношением

где Т_теор – абсолютная температура рекристаллизации, Т_пл – абсолютная температура плавления, a - коэффициент, зависящий от чистоты металла.

Для технически чистых металлов a = 0,4, для металлов высокой частоты a = 0,1 – 0,2, для сплавов a = 0,5 – 0,8.

Кроме чистоты металла, минимальная температура рекристаллизации зависит также и от степени предшествующей деформации. Чем больше степень деформации, тем больше избыточной энергией обладает деформированный материал и тем менее он устойчив. Следовательно, большая степень деформации облегчает процесс рекристаллизации и снижает минимальную температуру рекристаллизации.

Описанные выше процессы структурных изменений деформированного металла при нагреве коррелируют с изменениями механических свойств и укрупнением зерна. Типичная схема таких изменений приведена на рис.4.4 и 4.5.

Знание температуры рекристаллизации имеет важное практическое значение. С одной стороны, именно этой температурой определяется верхний температурный предел применения изделий, в которых требуемый комплекс механических свойств создан нагартовкой и, с другой стороны, чтобы восстановить структуру и свойства наклепанного металла, его нужно нагреть выше температуры рекристаллизации.

Очевидно, что о начале процесса рекристаллизации можно судить по изменению механических свойств. При этом широкое применение как в заводских условиях, так и в исследовательских лабораториях получил метод измерения твердости, являющийся методически наиболее простым и не приводящим к разрушению изделия.

Рис.4.4. Схема изменения структуры и свойств наклепанного металла при отжиге.

Рис.4.5. Влияние температуры отжига и предшествующей деформации на величину зерна железа (время отжига 1 час)

Методы измерения твердости

Под твердостью понимается способность испытываемого материала сопротивляться пластическому деформированию в процессе вдавливания в него индентора – стандартного наконечника, не деформирующегося при испытаниях.

От других механических испытаний метод испытания твердости вдавливанием отличается тем, что пластическая деформация протекает здесь в небольшом объеме, окруженном недеформированным металлом. При этом между твердостью и другими свойствами (например, пределом прочности) существует количественная зависимость.

Применяется несколько методов измерения твердости вдавливанием (рис.4.5).

Рис.4.5. Схемы определения твердости:

а- по Бринелю; б- по Роквеллу; в- по Викерсу

Метод Бринеля. В испытываемый материал вдавливается стальной шарик. Характеристикой твердости по Бринелю является число в Мпа или кГс/мм 2 , определяемое соотношением

где - нагрузка на шарик, или кГс, - площадь поверхности отпечатка, мм 2 , - диаметр вдавливаемого шарика, мм, - диаметр отпечатка, мм.

ГОСТом установлены нормы для испытаний по Бринелю (табл.4.1).

Зависимость диаметра шарика и нагрузки при изменении твердости по Бринеллю от материала и толщины образцов

Метод Роквелла. В исследуемый материал вдавливается алмазный конус или стальной шарик.

Твердость по Роквеллу (HRB, HRC, HRA) характеризуется числом, определяемым по глубине получаемого отпечатка. ГОСТом установлены нормы для испытаний по Роквеллу (табл.4.2).

Зависимость нагрузки и типа индентора (вида наконечника) при измерении твердости по Роквеллу от твердости металла

Твердость по Ви-керсу	Обоз-наче-ние шка-лы	Вид наконеч-ника	Нагрузка, Р	Обоз-наче-ние шкалы	Допускае-мые пределы шкалы	Обозначе-ние твер-дости
кГс	Н
60-240	В	Стальной шарик диам. 1,588 мм	В	25-100	HRB
В	Стальной шарик диам. 1,588 мм	В	47-105	HRF
240-900	С	Алмазный конус	С	20-67	HRC
390-900	А	Алмазный конус	С	70-85	HRA

Метод Виккерса. В испытываемый материал вдавливается четырехгранная алмазная пирамида. Число твердости по Виккерсу Мпа или кГс/мм 2 определяется как удельное давление, приходящее на единицу поверхности отпечатка

где Р – нагрузка на пирамиду, Н или кГс, - среднеарифметическая длина обеих диагоналей отпечатка, мм; - угол между противоположными гранями пирамиды, равный 136 0 .

Зависимость нагрузки при изменении твердости по Виккерсу от толщины образца и предполагаемого значения твердости

Толщина изделия (поверх-ностного слоя), мм	Рекомендуемая нагрузка при твердости
20-50 МПа	50-100МПа	100-300 МПа	300-900 МПа
Н	кГс	Н	кГс	Н	кГс	Н	кГс
0,3 – 0,5	-	-	-	-	-	-	49 и 98	5 и 10
0,5 – 1,0	-	-	-	-	49 и 98	5 и 10	98 и 196	10 и 20
1 - 2	49 и 98	5 и 10	49 и 98	5 и 10	98 и 196	10 и 20	98 и 196	10 и 20
2 - 4	98 и 196	10 и 20	196 и 490	20 и 50	196 и 490	20 и 50	196 и 490	20 и 50
196 и 490	20 и 50	294 и 490	30 и 50	490, 980, 1176	50, 100, 120

Методы HB и HRB применяют преимущественно для мягких материалов, HRC – для твердых, а методы HRA и HV – для тонких листов.

Мы уже начинали рассматривать диаграммы состояния в этой публикации и там разобрали основные понятия, которые важно осмыслить, прежде, чем вникать в тему более глубоко. Но тут меня попросили разобрать диаграмму состояния железо-углерод (её ещё частенько называют железо-цементит). Ну что же, запасаемся попкорном и пытаемся вместе разобраться в этом крокодиле.

Диаграмма состояния железо-углерод , в том или ином количестве, встречается всем инженерам. Изучают её на курсе материаловедения, а прослушивают этот курс все технари. В большинстве случаев, изучение этой темы превращается в кошмар. Особенно, когда тебя просят нарисовать этот кошмар по памяти на листочке. Но главный вопрос - почему именно эта диаграмма? Ответ простой. На диаграмме железо-углерод есть большая часть сложных моментов, которые вообще встречаются на диаграммах состояния. От того, поняв её мы разберемся и со всеми основами чтения диаграмм. Кроме всего этого, сплавы железа всё ещё продолжают заниматься лидирующее положение среди конструкционных материалов. Поэтому, вперёд друзья.

Как мы помним, диаграмма состояния - это график фазовых состояний в зависимости от концентрации каждого химического элемента и температуры.

Значит, диаграмма железо-углерод - это отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химсостава и температуры.

Это нужно для того, чтобы мы, зная химический состав стали и температуру системы, могли понять, какой фазовый состав будем иметь. Знания эти необходимы для того, чтобы выбрать правильный режим термической обработки или подобрать вариант механической обработки (ведь зная фазовый состав мы уже примерно представляем свойства).

Вот, собственно, и всё, что нужно знать про диаграмму :). Теперь остается научиться её читать. И с этим есть масса сложностей.

Вот диаграмма железо-углерод на рисунке ниже. И что это? А мы не понимаем, что это :)! Давайте разбираться, ибо сейчас оно выглядит скорее как клетчатый листочек с нарисованным динозавром.

По оси ординат у нас обозначены температуры системы . По оси абцисс - химические составы .

Максимальная температура системы ограничивается температурами плавления компонентов. Выше идёт только жидкость. Но про фазы чуть позднее.

Слева у нас феррит . Справа - углерод . Количество углерода растёт слева направо.

Обратите внимание и на нижнюю шкалу, где отложен Fe3C.

Это цементит . Его количество также увеличивается слева направо. Цементит - это карбид железа или химическое соединение железа с углеродом . Но есть подлянка, куда же без неё :). Максимальное количество углерода в этой системе у нас 6,67% . А вот цементита будет 100%. Процентное содержание цементита не соответствует проценту углерода.

Это появилось из-за того, что в системе железо-углерод в целом возможно максимальное содержание углерода 6,67% на физическом уровне .

И вот тут внимание! Чистое железо (альфа-железо) у нас на диаграмме есть только в крайней левой точке . Этот вопрос любят задавать на защитах. Всё что дальше вправо - это феррит. А феррит, как мы помним, это твёрдый раствор углерода в альфа железе . Или, сплав железа с углеродом.

На диаграмме мы видим и сталь, и чугун . Их отличие в том, что сталь - это содержание углерода в сплаве с железом от 0,02 до 2,14%. Чугун - тот же сплав железа с углеродом, но с содержанием от 2,14% углерода.

Фазы на диаграмме

Само собой, из диаграммы состояния можно узнать фазовый состав . Или на кой чёрт она бы ещё сдалась :) Тут мы видим следующие фазы .

Жидкая фаза - это коктейль, который получается, если всё расплавить. Обращаем внимание, что при разных химических составах мы имеем разные температуры плавления.
Феррит - уже обсудили, что это твердый раствор внедрения углерода в альфа железо.
Аустенит - это твёрдый раствор внедрения углерода в гамма железо.
Цементит - тоже уже обсудили. Химическое соединение железа с углеродом. Максимальная концентрация углерода в цементите 6,67% по массе и это предельная для железоуглеродистых сплавов концентрация.
Графит - это фаза состоящая только из углерода со слоистой гексагональной решёткой. Он выделяется в системе железо-углерод при определенных условиях.

Сразу отмечу, что на этом фазы заканчиваются. Преподы любят заваливать на подобных вопросах. Фаз на диаграмме у нас больше нет, зато есть кое-что ещё. Об этом далее.

Наверняка возникает вопрос что это за альфа-железо и за гамма-железо . Это так называемый полиморфизм. Химический состав один, а вид кристаллической решетки разный.

На самой же диаграмме есть ещё всякие буковки . И если буквы А (аустенит), Ж (жидкость), Ц (цементит), то всё ясно. Но ещё есть буквы Л и П. Что это такое?

Структуры на диаграмме

Л - это ледебурит . Так называется особенная структура, характерная преимущественно для чугунов. Представляет собой эвтектическую смесь аустенита и цементита. Её же можно назвать механической смесью.

П - это перлит . Ещё одна структура, которая представлена эвтектоидной смесью из тонких пластинок феррита и цементита.

Новые слова для нас эвтектическая и эветктоидная. Эвтектическая в данном случае означает образование гетерогенной структуры сплава. Эвтектоидная - по сути тоже самое, только образуется изначально не из жидких фаз, а из твердых.

Эветктика же, это точка, в которой находятся в термодинамическом равновесии n - твёрдых фаз и жидкая фаза. Жидкая эвтектика кристаллизуется при температуре более низкой, чем температура кристаллизации каждого из веществ, входящих в состав смеси. Температура плавления твёрдой эвтектики — самая низкая для данной смеси компонентов.

Что происходит на диаграмме железо-углерод

Теперь самое веселое. Вроде бы всё, что вокруг на диаграмме есть, мы проанализировали. Остается понять что во что и когда превращается :)

Ну, мы уже поняли, что отправная точка - это температура. Греем систему из железа и углерода и видим изменения.

На диаграмме мы видим многочисленные линии ликвидуса и солидуса . Это линии, по которым идёт плавление и кристаллизация соответственно.

Удобно пользоваться следующей картинкой. Здесь расставлены все фазы и структуры.

Если путешествовать по линиям, то видим протекающие процессы.

Всё, что выше линий ABCD - жидкая фаза. Значит это линия ликвидус . Выше неё только жидкая фаза. Дальше работаем по правилу фаз Гиббса. Линию солидус найти сложнее. Ниже неё только твердая фаза. Тут солидусов несколько.

Не знаю, стоит ли досконально разбирать каждую линию. Если у вас есть вопросы, задавайте их в комментариях и я дополню материалы.

Сейчас же попробую обобщить всё одной фразой . Читаем внимательно. Диаграмма состояния железо-углерод, с размеченными областями, как показано на рисунке выше, указывает нам фазовые и структурные состояния, которые мы имеем в системе при данных параметрах (температура и химсостав) . Линии указывают начало или конец процесса кристаллизации или плавления. Всё! Другого секрета тут нет.

Как пользоваться диаграммой железо-углерод

Часто преподы гасят студентов вопросами про использование диаграммы состояния. Ученик не понимает, как диаграммой пользоваться и зачем её вообще нужно изучать. Рассмотрим типичную задачу.

Нужно нам изучить состояния сплава, содержащего 0,4% углерода в своем составе . Имеем дело с обычной сталью.

Поднимаем перпендикуляр из точки, соответствующей количеству углерода в 0,4%.

Видим, что система, в диапазоне от 0 до 700 градусов, представляет собой твердую смесь перлита и цементита. В точке 4 происходит переход и в диапазоне от 700 до 800 градусов и мы попадаем в зону аустенита и феррита.

В диапазоне от 800 до 1450 градусов сплав имеет состав аустенита, а переход состоялся в точке 3.

В диапазоне от 1450 до 1520 градусов рассматриваемый сплав начинает постепенно плавиться и представлен аустенитом и жидким раствором. Переход происходил в точке 2.

Ну и всё что выше - это уже жидкость, где произошла гомогенизация. Вот такие данные можно выцепить.

Часто возникают вопросы, что именно происходит в точках перехода (которые у нас отмечены 1,2,3 и 4). Там мы имеем адский коктейль. Нестабильную смесь. Например, в точке 4 будет месиво из феррита, перлита и аустенита. Пропорции тут можно определить только лабораторным испытанием.

Ещё может появиться вопрос, а что у нас, например, на отрезке 2 - 3. Тут ответ очевиден - там 100% аустенита. Т.е. 0,4% углерода внедрились в структуру гамма железа и застыли .

Сложнее ситуация на отрезках, типа 0 - 4. Там у нас феррит + перлит. Но чего сколько? Ответ кроется в понимании характерных точек. Перлит у нас в точке S. Значит, просто смотрим насколько далеко точка 4 от точки S.

Характерные точки на диаграмме железо-углерод

В системе железо-углерод происходит невероятное количество превращений. Несколько мы уже обсудили. Но систематизируем все знания.

Машиностроительные детали и механизмы, а также инструменты, предназначенные для их обработки, обладают набором механических характеристик. Немалую роль среди характеристик играет твердость. Твердость металлов наглядно показывает:

износостойкость металла;
возможность обработки резанием, шлифованием;
сопротивляемость местному давлению;
способность резать другой материал и прочие.

На практике доказано, что большинство механических свойств металлов напрямую зависят от их твердости.

Понятие твердости

Твердость материала – это стойкость к разрушению при внедрении во внешний слой более твердого материала. Другими словами, способность к сопротивлению деформирующим усилиям (упругой или пластической деформации).

Определение твердости металлов производится посредством внедрения в образец твердого тела, именуемого индентором. Роль индентора выполняет: металлически шарик высокой твердости; алмазный конус или пирамида.

После воздействия индентора на поверхности испытуемого образца или детали остается отпечаток, по размеру которого определяется твердость. На практике используются кинематические, динамические, статические способы измерения твердости.

В основе кинематического метода лежит составление диаграммы на основе постоянно регистрирующихся показаний, которые изменяются по мере вдавливания инструмента в образец. Здесь прослеживается кинематика всего процесса, а не только конечного результата.

Динамический метод заключается в следующем. Измерительный инструмент воздействует на деталь. Обратная реакция позволяет рассчитать затраченную кинетическую энергию. Данный метод позволяет проводить испытание на твердость не только поверхности, но и некоторого объема металла.

Статические методы – это неразрушающие способы, позволяющие определить свойства металлов. Методы основаны на плавном вдавливании и последующей выдержке в течение некоторого времени. Параметры регламентируются методиками и стандартами.

Прилагаемая нагрузка может прилагаться:

вдавливанием;
царапанием;
резанием;
отскоком.

Машиностроительные предприятия на данный момент для определения твердости материалов используют методы Бринелля, Роквелла, Виккерса, а также метод микротвердости.

На основе проводимых испытаний составляется таблица, в которой указываются материалы, прилагаемые нагрузки и полученные результаты.

Единицы измерения твердости

Каждый способов измерения сопротивления металла к пластической деформации имеет свою методику его проведения, а также единицы измерения.

Измерение твердости мягких металлов производится методом Бринелля. Данному способу подвергаются цветные металлы (медь, алюминий, магний, свинец, олово) и сплавы на их основе, чугуны (за исключением белого) и отожженные стали.

Твердость по Бринеллю определяется вдавливанием закаленного, отполированного шарика из шарикоподшипниковой стали ШХ15. Окружность шарика зависит от испытуемого материала. Для твердых материалов – все виды сталей и чугунов – 10 мм, для более мягких – 1 – 2 — 2,5 — 5 мм. Необходимая нагрузка, прилагаемая к шарику:

сплавы железа – 30 кгс/мм2;
медь и никель – 10 кгс/мм2;
алюминий и магний – 5 кгс/мм2.

Единица измерения твердости – это числовое значение и следующий за ними числовой индекс HB. Например, 200 НВ.

Твердость по Роквеллу определяется посредством разницы приложенных нагрузок к детали. Вначале прикладывается предварительная нагрузка, а затем общая, при которой происходит внедрение индентора в образец и выдержка.

В испытуемый образец внедряется пирамида (конус) из алмаза или шарик из карбида вольфрама (каленой стали). После снятия нагрузки производится замер глубины отпечатка.

Единица измерения твердости – это условные единицы. Принято считать, что единица — это величина осевого перемещения конуса, равная 2 мкм. Обозначение твердости маркируется тремя буквами HR (А, В, С) и числовым значением. Третья буква в маркировке обозначает шкалу.

Методика отображает тип индентора и прилагаемую к нему нагрузку.

Тип шкалы	Инструмент	Прилагаемая нагрузка, кгс
А	Конус из алмаза, угол вершины которого 120°	50-60
В	Шарик 1/16 дюйма	90-100
С	Конус из алмаза, угол вершины которого 120°	140-150

В основном, используются шкалы измерения А и С. Например, твердость стали HRC 26…32, HRB 25…29, HRA 70…75.

Измерению твердости по Виккерсу подвергаются изделия небольшой толщины или детали, имеющие тонкий, твердый поверхностный слой. В качестве клинка используется правильная четырехгранная пирамида угол при вершине, которой составляет 136°. Отображение значений твердости выглядит следующим образом: 220 HV.

Измерение твердости по методу Шора производится путем замера высоты отскока упавшего бойка. Обозначается цифрами и буквами, например, 90 HSD.

К определению микротвердости прибегают, когда необходимо получить значения мелких деталей, тонкого покрытия или отдельной структуры сплава. Измерение производят путем измерения отпечатка наконечника определенной формы. Обозначение значения выглядит следующим образом:

_0,196 — нагрузка на наконечник, Н;

2800 – численное значение твердости, Н/мм 2 .

Твердость основных металлов и сплавов

Измерение значения твердости проводится на готовых деталях, отправляющихся на сборку. Контроль производится на соответствие чертежу и технологическому процессу. На все основные материалы уже составлены таблицы значений твердости как в исходном состоянии, так и после термической обработки.

Цветные металлы

Твердость меди по Бринеллю составляет 35 НВ, значения латуни равны 42-60 НВ единиц в зависимости от ее марки. У алюминия твердость находится в диапазоне 15-20 НВ, а у дюралюминия уже 70НВ.

Черные металлы

Твердость по Роквеллу чугуна СЧ20 HRC 22, что соответствует 220 НВ. Сталь: инструментальная – 640-700 НВ, нержавеющая – 250НВ.

Для перевода из одной системы измерения в другую пользуются таблицами. Значения в них не являются истинными, потому что выведены империческим путем. Не полный объем представлен в таблице.

HB	HV	HRC	HRA	HSD
228	240	20	60.7	36
260	275	24	62.5	40
280	295	29	65	44
320	340	34.5	67.5	49
360	380	39	70	54
415	440	44.5	73	61
450	480	47	74.5	64
480	520	50	76	68
500	540	52	77	73
535	580	54	78	78

Значения твердости, даже если они производятся одним и тем же методом, зависят от прилагаемой нагрузки. Чем меньше нагрузка, тем выше показания.

Методы измерения твердости

Все методы определения твердости металлов используют механическое воздействие на испытуемый образец – вдавливание индентора. Но при этом не происходит разрушение образца.

Метод определения твердости по Бринеллю был первым, стандартизованным в материаловедении. Принцип испытания образцов описан выше. На него действует ГОСТ 9012. Но можно вычислить значение по формуле, если точно измерить отпечаток на образце:

HB=2P/(πD*√(D 2 -d 2 ),

где
Р – прикладываемая нагрузка, кгс;
D – окружность шарика, мм;
d – окружность отпечатка, мм.
Шарик подбирается относительно толщины образца. Нагрузку высчитывают предварительно из принятых норм для соответствующих материалов:
сплавы из железа — 30D 2 ;
медь и ее сплавы — 10D 2 ;
баббиты, свинцовые бронзы — 2,5D 2 .

Условное изображение принципа испытания

Схематически метод исследования по Роквеллу изображается следующим образом согласно ГОСТ 9013.

Метод измерения твердости по Роквеллу

Итоговая приложенная нагрузка равна сумме первоначальной и необходимой для испытания. Индикатор прибора показывает разницу глубины проникновения между первоначальной нагрузкой и испытуемой h –h_0.

Метод Виккерса регламентирован ГОСТом 2999. Схематически он изображается следующим образом.

Математическая формула для расчета:
HV=0.189*P/d 2 МПа
HV=1,854*P/d 2 кгс/мм 2
Прикладываемая нагрузка варьируется от 9,8 Н (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Значения определяются по таблицам относительно измеренного отпечатка d.

Метод считается эмпирическим и имеет большой разброс показаний. Но прибор имеет простую конструкцию и его можно использовать при измерении крупногабаритных и криволинейных деталей.

Измерить твердость по Моосу металлов и сплавов можно царапанием. Моос в свое время предложил делать царапины более твердым минералом по поверхности предмета. Он разложил известные минералы по твердости на 10 позиций. Первую занимает тальк, а последнюю алмаз.

После измерения по одной методике перевод в другую систему весьма условен. Четкие значения существуют только в соотношении твердости по Бринеллю и Роквеллу, так как машиностроительные предприятия их широко применяют. Зависимость можно проследить при изменении диаметра шарика.

d, мм	HB	HRA	HRC	HRB
2,3	712	85,1	66,4	—
2,5	601	81,1	59,3	—
3,0	415	72,6	43,8	—
3,5	302	66,7	32,5	—
4,0	229	61,8	22	98,2
5,0	143	—	—	77,4
5,2	131	—	—	72,4

Как видно из таблицы, увеличение диаметра шарика значительно снижает показания прибора. Поэтому на машиностроительных предприятиях предпочитают пользоваться измерительными приборами с однотипным размером индентора.

В металлопрокатной промышленности нагартовкой или деформационным упрочнением называется управляемый технологический процесс, который применяют для увеличения твердости металлов, повышения его прочностных характеристик. Эта технология применяется к тем материалам, которые не могут быть уточнены термообработкой. Закалку не применяют для изменения механических свойств проката из медных, алюминиевых сплавов, низкоуглеродистых сталей, сплавов хрома с никелем. Для таких материалов деформационное упрочнение является единственным способом для увеличения прочностных характеристик.

Чем отличается нагартовка от наклепа

Определения нагартовка и наклеп используются для обозначения процесса изменения структуры металла, а также повышение его твердости в результате внешнего воздействия. При этом в понятие наклепа входят как естественные процессы, происходящие в структуре металла, так и управляемые специальными методами обработки.

По своему происхождению наклеп бывает:

Фазовым. В этом случае структурные изменения вызваны фазовыми, происходящими в результате термообработки металла.

Деформационным. Упрочнение и повышение твердости происходит в результате воздействия внешних сил.

В частности, фазовый наклеп (нежелательный) возникает при резке сплавов, обладающих пластичностью и мягкостью. Слишком глубокий рез при большой толщине заготовки, выполненный с большой скоростью, становится причиной интенсивного наклепа, снижения пластичности металла, повышения хрупкости.

В отличие от наклепа нагартовка — это управляемый процесс. Наклеп не всегда приносит пользу. При наклепе снижаются пластические свойства материалов. Например, пластичность низкоуглеродистых сплавов стали снижается более чем в 5 раз. Параллельно происходит снижение устойчивости металла к механическим воздействиям — нагрузкам на разрыв, растяжение, сжатие и изгиб.

Для снятия наклепа применяют термообработку — рекристаллизационный отжиг. Одновременно с повышением пластичности снижается хрупкость металла. Необходимость снятия наклепа возникает при изготовлении металлоизделий, от которых требуется гибкость, пластичность, податливость механической обработке вытяжкой.

Как выполняется деформационное упрочнение

Контролируемый наклеп или нагартовка металла позволяет изменять механические свойства металла, получать изделия с заданными характеристиками.

Обработку заготовок и готовых металлоизделий проводят при помощи дробеметов. Это оборудование, которое создает направленный поток абразивных частиц в процессе дробеметной обработки поверхности. По принципу действия оборудование бывает пневматическим и механическим. Установки первого типа используют для работы силу сжатого воздуха. В механических установках скорость потоку абразива придает центробежное колесо.

Применение дробеметного оборудования позволяет обрабатывать как плоские заготовки простой формы, так и изделия со сложной конфигурацией. Эта технология относится к самым эффективным средствам увеличения срока эксплуатации деталей. Например, после наклепа количество циклов нагружения пружин и рессор до излома увеличивается в 2,5-4 раза.

Принцип нагартовки (наклепа)

В процессе дробеструйного наклепа турбина выбрасывает стальную или чугунную дробь на обрабатываемую поверхность. При ударах дроби о поверхность происходят изменения в структуре поверхностных слоев металла. В результате механической обработке на поверхности, которая подвергается обработке, создаются остаточные напряжения сжатия, которые повышают сопротивляемость к износу, усталости металла, коррозионным процессам под нагрузкой.

Возникновения сжимающих напряжений объясняется следующим образом. Направленные ударные воздействия, производимые дробью, должны вызывать увеличение поверхности. Однако изменению формы препятствуют нижележащие слои металла. Результатом становится уплотнение поверхности, увеличение прочности и твердости металла.

Нагартовка дробью, как правило, является заключительным этапом изготовления изделий, который проводится после механической и термической обработки.

Оборудование, предназначенное для деформационного упрочнения, полностью автоматизировано и контролируется электроникой. Скорость потока абразива и количество дробинок регулируется автоматически.

Наклеп и рекристаллизация металлов

Главная Избранные Случайная статья Познавательные Новые добавления Обратная связь FAQ

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 12Следующая ⇒

Наиболее впечатляющим свойством металлов при пластической деформации является деформационное упрочнение, или способность металлов становиться прочнее при деформации. Из дислокационной теории следует, что для упрочнения металлов необходимо каким-либо образом затруднить движение дислокаций.

Существует несколько способов упрочнения или закрепления дислокаций, одним из них является упрочнение кристалла пластической деформацией. Ранее рассмотренный простейший способ введения дислокаций в кристалл при сдвиге показывает, что рост пластической деформации увеличивает количество дислокаций в кристалле. Чем сильнее воздействие на металл, тем больше в нем образуется дислокаций. На начальной стадии деформация происходит за счет скольжения относительно небольшого количества дислокаций. В процессе деформирования количество движущихся в кристалле дислокаций постоянно увеличивается, что затрудняют их скольжение. Возникают скопления дислокаций, которые уже неспособны перемещаться по кристаллу. Такие закрепленные дислокации затрудняют движение вновь возникающих дислокаций, т. е. упрочнение металла создается самими дислокациями. В этом случае говорят об упрочнении пластической деформацией или просто о наклепеметалла.

Пластическая деформация оказывает существенное влияние на механические свойства металла и его структуру (см. рис. 6).

Рис. 6. Изменение структуры и свойств деформированного металла

в зависимости от степени деформации

На рис. 6 показано, как под действием приложенной нагрузки зерна, из которых состоят все технические металлы, начинают деформироваться и вытягиваться; объем зерен и их количество при этом не изменяется. Внутри каждого зерна, особенно по его границам, сосредотачивается большое количество дислокаций, плотность которых возрастает от 106–107 см-2 (для недеформированного металла) и до 1010–1012 см-2 (для деформированного). Кристаллическая решетка зерен становится искаженной (несовершенной), это состояние является структурно неустойчивым. С увеличением степени деформации прочность металла увеличивается, а пластичность уменьшается, что может привести к возникновению трещин и разрушению (при большой степени деформации).

Для снятия наклепа деформированный металл нагревают, в результате сначала происходят процессы возврата

и
полигонизации
, приводящие к перераспределению и уменьшению концентрации структурных несовершенств (точечных и линейных дефектов) в кристаллической решетке. При дальнейшем повышении температуры начинается основной процесс, возвращающий наклепанный металл в устойчивое состояние –
рекристаллизация. Это полная или частичная замена деформированных зерен данной фазы новыми, более совершенными зернами той же фазы (см. рис. 7). Новые зерна, зарождающиеся при рекристаллизации, отличаются меньшей плотностью дефектов (дислокаций) и растут за счет деформированных зерен. Рекристаллизация – диффузионный процесс, протекающий в течение какого-то времени (чем выше температура, тем быстрей).

Рис. 7. Изменение структуры и свойств деформированного металла

При нагреве

Наименьшую температуру, при которой начинается процесс рекристаллизации и происходит разупрочнение, называют температурой рекристаллизации. Между температурой рекристаллизации (Т

р) и температурой плавления (
Т
пл) металлов существует простая зависимость, определенная металловедом А.А. Бочваром:

Тр = a×Т

пл (К).

Ниже приведена температура рекристаллизации металлов и сплавов:

р = (0,1 ¸ 0,2)
×Т
пл – для чистых металлов,

р = 0,4
×Т
пл – для технически чистых металлов,

р = (0,5 ¸ 0,6)
×Т
пл – для сплавов (твердых растворов).

Температуру начала рекристаллизации определяют металлографическим и рентгеноструктурным методами, а также по изменению свойств. Если Т

р определяют по изменению твердости, то за
Т
р принимают температуру, при которой прирост твердости, созданный деформацией, уменьшается вдвое (рис. 8).

Рис. 8. Определение температуры рекристаллизации
⇐ Предыдущая4Следующая ⇒

Наклеп и рекристаллизация

Как следует из диаграмм растяжения, при деформации сталей при комнатной температуре предел текучести увеличивается с ростом деформации, то есть материал в этих условиях упрочняется.

– изменение структуры и свойств металлического материала, вызванное пластической деформацией.

Наибольшую сопротивляемость пластическому деформированию должен оказывать металл с очень малой плотностью дислокаций r. По мере увеличения плотности дислокаций r сопротивление пластическому деформированию уменьшается (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Зависимость сопротивления деформированию от плотности дислокаций

Это происходит до достижения некоторого критического значения плотности дислокаций rкр, когда начинается взаимодействие силовых полей, окружающих дислокации, что и вызывает увеличение сопротивления пластическому деформированию.

Следовательно, увеличение сопротивления пластическому деформированию можно получить двумя путями: наклепом металла, т. е. прямым повышением плотности дислокаций или доведением плотности дислокаций до очень малого значения.

называется упрочнение металла при холодной пластической деформации. В результате наклепа прочность (σВ, σ0,2, твердость и др.) повышается, а пластичность и ударная вязкость (δ, ψ, КСU) уменьшаются. Упрочнение возникает вследствие увеличения числа дефектов кристаллической структуры, которые затрудняют движение дислокаций, а следовательно, повышают сопротивление деформации и уменьшают пластичность.

Наклеп является одним из важнейших способов изменения свойств, особенно для сплавов, не упрочняющихся термической обработкой, и для металлов, обладающих пластичностью. Методы упрочняющего воздействия можно разделить на поверхностные (обкатка роликами, дробеструйная обработка) и сквозные (прокатка листов, волочение проволоки). Обработка металлов резанием также приводит к наклепу и изменению структуры в тонком поверхностном слое, что необходимо учитывать при последующей эксплуатации изделий.

Таким образом, пластические деформации вызывают повышение плотности дислокаций, искажение кристаллической решетки и приводят к увеличению напряжения, при котором возможны дальнейшие деформации.

Рис. 3.9. Текстура, возникающая при пластической деформации: а) исходная структура, б) текстура при растяжении, в) текстура при сжатии, г) текстура при сдвиге

При деформировании округлые зерна заменяются вытянутыми в направлении деформации, образуется так называемая текстура

(textura – ткань, связь, строение) – анизотропная поликристаллическая или аморфная среда, состоящая из кристаллов или молекул с преимущественной ориентировкой. Текстуры могут быть осевыми – с предпочтительной ориентировкой элементов текстуры относительно одного особого направления, плоскими – с ориентировкой относительно особой плоскости и полными – при наличии особой плоскости и особого в ней направления (рис. 3.9). Текстура создает анизотропию свойств.

Упрочненный металл обладает повышенным запасом внутренней энергии, т. е. находится в неравновесном состоянии. Для приведения металла в равновесное состояние его необходимо нагреть. При нагреве наклепанного металла в нем протекают следующие процессы:

· частичное восстановление структурного совершенства в результате уменьшения точечных дефектов за счет увеличения подвижности атомов (избыточные вакансии и межузельные атомы взаимодействуют между собой, а также поглощаются дислокациями при перераспределении последних при нагреве) и снижение внутренних напряжений (процесс возврата

· уменьшение плотности дислокаций за счет аннигиляция противоположных по знаку дислокаций и образование субзерен (полигонов), свободных от линейных несовершенств за счет выстраивания дислокационных стенок (процесс полигонизации

· зарождение и рост новых равноосных зерен вместо ориентированной волокнистой структуры деформированного металла (процесс рекристаллизации

Процесс рекристаллизации начинается с образования зародышей новых зерен и заканчивается полным замещением деформированного зерна мелкими равноосными зернами (первичная рекристаллизация),

в результате чего полностью снимается наклеп, созданный при пластическом деформировании (снижаются прочность и твердость металла и увеличивается его пластичность), металл приобретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического строения (рис. 3.10). Плотность дислокаций после рекристаллизации снижается с 1010–1012 до 106–108 см-2.

Температура

Прочность

Пластичность

собирательная рекристаллизация

первичная рекристаллизация

возврат

Рис. 3.10. Изменение прочности, пластичности и зернистого строения в процессе нагрева деформированного металла

При дальнейшем повышении температуры происходит увеличение размеров наиболее крупных зерен за счет присоединения мелких. С повышением температуры число крупных зерен постепенно растет, пока все мелкие зерна не окажутся присоединенными к крупным – процесс вторичной (собирательной) рекристаллизации

Температуру начала рекристаллизации, при которой протекает рекристаллизация, происходит разупрочнение холоднодеформированного металла и восстановление его пластичности, называют температурным порогом рекристаллизации ТПР.

Эта температура не является постоянной физической величиной, как, например, температура плавления. Для данного металла (сплава) она зависит от длительности нагрева, степени предварительной деформации, величины зерна до деформации и т. д. Температурный порог рекристаллизации снижается с повышением степени деформации, увеличением длительности нагрева или уменьшением величины зерна до деформации.

Температура начала рекристаллизации ТПР

для технически чистых металлов составляет примерно 0,4ТПЛ, для чистых металлов снижается до (0,1–0,2)ТПЛ, а для сплавов возрастает до (0,5–0,6)ТПЛ.

ПРАВИЛА ПРИЕМКИ

3.1. Правила приемки должны соответствовать требованиям ГОСТ 14955-77 и дополнительным требованиям, указанным ниже.

3.2. Для проверки качества стали от партии отбирают:

а) для определения твердости — 5%, но не менее пяти прутков;

б) для определения механических свойств (испытания на растяжение и на перегиб) — два прутка.

(Измененная редакция, Изм. N 3).

3.3. По требованию потребителя проверяют химический состав готовой продукции. Отбор проб для химического анализа производят по ГОСТ 7565-81.

3.4. Макроструктуру проверяют при плавочном контроле на предприятии-изготовителе и результаты проверки вносят в документ о качестве.

Читайте также: