Богодухов С.И., Бондаренко Е.В., Проскурин А.Д. и др. Материаловедение и технологические процессы машиностроительного производства. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

2.4.3.4 Провести испытания на твердость образцов отожженной стали

шариком (шкала В) при нагрузке 981 H (100 кгс) и закаленной стали алмаз-

ным конусом (шкала С) при нагрузке 1475 H (150 кгс). Допускается приме-

нение конусных инденторов из твердого сплава при твердости до 50 HRC

Установите испытуемый образец на стол и вращением маховика плавно,

ОСТОРОЖНО поднимите его до соприкосновения образца с индентором.

При быстром подъеме образца можно сломать кончик азмазного индентора.

Продолжая подъем стола, установите стрелки индикатора так, чтобы малая

стрелка заняла положение у красной точки, а большая - положение, близкое к

вертикальному (допустимо отклонение от вертикали не более, чем на 15 гра-

дусов).

2.4.3.5 Установочным диском совместите нулевую отметку черной

шкалы индикатора с большой стрелкой. Нажатием клавиши приведите при-

бор в действие.

После того, как стрелки индентора установятся, произведите отчет по

соответствующей шкале.

2.4.3.6 Вращением маховика отведите образец от индентора.

2.4.3.7 Твердость следует измерять не менее, чем в трех точках. Рас-

стояние между центрами двух соседних отпечатков или от центра отпечатка

до края образца должно быть не менее 3 мм. Определите среднее значение

твердости.

2.4.3.8 Данные испытаний твердости занесите в таблицу 2.2.

2.5 Содержание отчета

В отчете должны быть изложены:

1) цель работы;

2) характеристика испытаний на твердость, как способа исследования

металлов; краткое описание методов определения твердости по Бринеллю,

Виккерсу, Роквеллу;

3) схемы испытания на твердость методами Бринелля, Виккерса и Рок-

велла;

4) заполненные таблицы с результатами измерения твердости по мето-

дам Бринелля и Роквелла; расчет предела прочности материалов, испытан-

ных по методу Бринелля.

2.6 Контрольные вопросы

2.6.1 Что понимается под твердостью?

2.6.2 Назовите приборы для определения твердости.

2.6.3 Опишите принцип действия приборов для испытания на твер-

дость.

2.6.4 Чем объясняется широкое применение способа измерения твердо-

сти?

2.6.5 Какова размерность твердости для различных способов испыта-

ния?

2.6.6 Когда применяются методы Роквелла, Виккерса, Бринелля?

2.6.7 Твердость каких металлов испытывают по методу Бринелля?

Приложение А

(справочное)

Таблица ориентировочного перевода значений твердости,

определяемых различными методами

Твердость НВ

Твердость HR

по шкале

Твердость НВ

Твердость HR

по шкале

Твердость HV

диаметр

отпечатка,

мм

НВ при

испытании

стандарт-

ным

стальным

шариком

НВ при

испытании

шариком

из карбида

вольфрама

С А В

Твердость HV

диаметр

отпечатка,

мм

НВ при

испыта-

нии стан-

дартным

стальным

шариком

С А В

1234

2,20 780 872 72 84 — 228 4,00 229 20 61 100

1116

2,25 745 840 70 83 — 222 4,05 223 19 60 99

1022

2,30 712 812 68 82 — 217 4,10 17 60 98

941 2,35 682 794 66 81 — 213 4,15 212 15 59 97

868 2,40 673 760 64 80 — 208 4,20 207 14 59 95

804 2,45 627 724 62 79 — 201 4,25 201 13 58 94

746 2,50 601 682 60 78 — 197 4,30 197 12 58 93

694 2,55 578 646 58 78 — 192 4,35 192 11 57 92

650 2,60 555 614 56 77 — 186 4,40 187 9 57 92

606 2,65 534 578 54 76 — 183 4,45 183 8 56 90

587 2,70 514 555 52 75 — 178 4,50 179 7 56 90

551 2,75 495 525 50 74 — 174 4,55 174 6 55 89

534 2,80 477 514 49 74 171 4,60 170 4 55 88

502 2,85 461 477 48 73 — 166 4,65 167 3 54 87

474 2,90 444 460 46 73 — 162 4,70 163 2 53 86

460 2,95 429 432 45 72 — 159 4,75 159 1 53 85

435 3,00 415 418 43 72 — 155 4,80 156 — — 84

423 3,05 401 401 42 71 — 152 4,85 152 — — 83

401 3.10 388 388 41 71 — 149 4,90 149 — — 82

390 3,15 375 375 40 70 — 148 4,95 146 — — 81

386 3,20 363 364 39 70 — 143 5,00 143 — — 80

361 3,25 352 352 38 69 — 140 5,05 140 — — 79-

344 3,30 341 341 36 68 — 138 5,10 137 — — 78

334 3,35 331 330 35 67 — 134 5,15 134 — — 77

320 3,40 321 321 33 67 — 131 5,20 131 — — 76

311 3,45 311 311 32 66 — 129 5,25 128 — — 75

303 3,50 302 302 31 66 — 127 5,30 126 — — 74

292 3,55 293 — 30 65 — 123 5,35 123 — — 73

285 3,60 285 — 29 65 — 121 5,40 121 — — 72

278 3,65 277 — 28 64 — 118 5,45 118 — — 71

270 3,70 269 — 27 64 — 116 5,50 116 — 70

261 3,75 262 — 26 63 — 115 5,55 114 — — 68

255 3,80 255 — 25 63 — 113 5,60 111 — — 67

249 3,85 248 — 24 62 — 110 5,65 110 — — 66

240 3,90 241 — 23 62 102 109 5,70 109 — — 65

235 3,95 235 — 21 61 101 108 5,75 107 — — 64

3 Лабораторная работа № 3

Влияние пластической деформации на структуру и свойства ме-

таллов

3.I Цель работы

3.1.1 Изучить влияние пластической деформации на строение и свой-

ства металлов.

3.1.2 Рассмотреть влияние температуры нагрева на структуру и свой-

ства холоднодеформированных металлов и сплавов.

3.2 Основные сведения

Наличие металлической связи придает металлу способность к пласти-

ческой деформации и к самоупрочнению в результате пластической дефор-

мации. Приложение к материалу напряжения (нагрузки) вызывает деформа-

цию.

Деформацией называется изменение размеров или формы тела под дей-

ствием внешних сил либо физико-механических процессов, протекающих в

самом теле (перепад температур, фазовые превращения и т.п.). Деформация

тела сопровождается относительным смещением атомов из положения рав-

новесия. Свойства недеформированного и пластически деформированного

металла различны.

Различают упругую и пластическую деформацию (рисунок 3.I).

Рисунок 3.1 – Диаграмма Рисунок 3.2 – Плоскости и

деформации направления скольжения

в объёмно-центрированной

кубической решётке

Упругой деформацией называют деформацию, влияние которой на фо-

рму, структуру и свойства тела исчезают после снятия нагрузки; и она не вы-

зывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла.

Степень деформации

%100

⋅=

−

где

l - начальная длина;

l - длина после деформации.

Способность металлов к остаточной деформации называется

пластичностью.

При возрастании касательных напряжений выше определенной вели-

чины деформация становится необратимой. При снятии нагрузки исчезают

лишь упругая составляющая деформации, часть же деформации, которую

называют пластической, остается. При пластической деформации необрати-

мо изменяется структура металла, а следовательно, и его свойства.

В поликристаллических телах пластическая деформация может осуще-

ствляться как путем перемещений внутри зерна (внутризёренная), так и

смещения зёрен относительно друг друга (межзёренная).

В основе протекания пластической деформации лежит явление за-

рождения и движения дислокаций под действием касательных напряжений

путем сдвига (скольжения) отдельных частей кристалла относительно друг

друга по плоскостям с наиболее плотным расположением атомов (рису-

нок 3.3). В металлах с ОЦК решеткой сдвиг происходит по диагональным

плоскостям (110) в направлении пространственных диагоналей (111) (могут

быть и другие плоскости скольжения).

Пластическая деформация поликристаллических тел происходит

весьма неоднородно. Это объясняется двумя обстоятельствами:

1) различной ориентацией кристаллов относительно приложенной си-

лы, что приводит к неодновременности деформации разных зёрен;

2) наличием границ зёрен и неметаллических включений, препятст-

вующих перемещению дислокаций и вызывающих их локальное скопление.

Пластическая деформация в основном характеризуется скольжением и

двойникованием.

Рисунок 3.3 - Схема сдвига в кристаллах

В процессе скольжения возникают новые дислокации, и плотность

дислокаций увеличивается. В недеформированном кристалле плотность дис-

локаций достигает 10

см

-2

., а в сильнодеформированном металле порядка

см

-2

Пластическая деформация некоторых металлов, имеющих плотноупа-

кованные решетки К12 и Г12, кроме скольжения, может осуществляться

двойникованием, которое заключается в переориентации части кристалла в

положение, симметричное по отношению к первой части, относительно

плоскости, называемой плоскостью двойникования.

При деформации поликристалла отдельные зёрна меняют свою

форму (вытягиваются), стремятся принять отдельную кристаллографичес-

кую ориентировку вдоль направления действия внешних сил. Изменение

ориентировки происходит постепенно по мере увеличения степени деформа-

ции. При большой деформации металл приобретает определенную кристал-

лографическую ориентировку зёрен, называемую текстурой.

а - структура металла до деформации

;

б - волокнистая

структура деформированного металла; в - структура

металла после большой степени деформации

Рисунок 3.4 - Характер изменения микроструктуры

при пластической деформации

При пластической деформации зёрна металла вытягиваются в направ-

лении прокатки, волочения и принимают форму листочков или волокон (ри-

сунок 3.4 б). При больших степенях деформации зёрна разбиваются на боль-

шее число фрагментов и блоков, увеличивается травимость металла, и мик-

роструктура выявляется нечетко (рисунок 3.4 в).

Образование текстуры деформации способствует тому, что поликри-

сталлический металл становится анизотропным (свойства его изменяются в

зависимости от направления испытания). Изменение механических свойств

технического железа зависит от степени холодной пластической деформации.

Упрочнение металла в процессе пластической деформации - наклёп -

объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дис-

локаций, вакансий, межузельных атомов). Пластическая деформация приво-

дит к изменению физических свойств металла: увеличиваются искажения

решетки и, следовательно, его внутренняя энергия, растут твердость и проч-

ность, увеличивается электрическое сопротивление, уменьшается пластич-

ность. Деформация происходит не только в результате приложения внешних

сил, но и в результате фазовых превращений. Все они приводят к наклёпу.

Наклёпанные металлы более склонны к коррозионному разрушению при экс-

плуатации.

С увеличением степени холодной деформации характеристики прочно-

сти (предел прочности, предел текучести, твёрдость) возрастают, а характе-

ристики пластичности падают. После деформирования у металла со степенью

деформации до 70 % предел прочности и твёрдость возрастают до 3 раз, а

предел текучести - до 8 раз, при этом относительное удлинение снижается до

40 раз.

Структурное состояние пластически деформированного металла тер-

модинамически неустойчивое. При нагреве пластически деформированный

металл постепенно восстанавливает свою структуру и снова переходит в

устойчивое состояние.

Степень и характер деформации, температура, скорость и продолжи-

тельность нагрева влияют на устранение наклёпа и изменения в структуре и

свойствах металла. Различают две стадии процесса при нагреве: возврат (от-

дых и полигонизация) и рекристаллизация (первичная, собирательная и вто-

ричная), (рисунок 3.5).

Рисунок 3.5 - Влияние нагрева на механические свойства и структуру де-

формированного металла

Возврат - начальная стадия разупрочнения, связанная с изменениями в

тонкой кристаллической структуре.

Возврат I-го рода (или отдых) происходит при нагреве до относительно

невысоких температур и приводит к частичному снятию упругих искажений

в решётке. При отдыхе в металле протекает ряд элементарных процессов, ос-

новным из которых следует считать диффузию точечных дефектов и их сме-

щение к дислокациям.

Возврат II-го рода или полигонизация заметно меняет структуру де-

формированного металла при нагреве. Под полигонизацией понимают пере-

распределение дислокаций, приводящее к образованию областей кристалла,

свободных от дислокаций и отделенных друг от друга поверхностями разде-

ла.

Первичная рекристаллизация. Является следующей стадией изменения

структуры деформированных металлов после полигонизации (рисунок 3.5).

Рекристаллизация, т. е. образование новых зёрен, протекает при более

высоких температурах, чем возврат и полигонизация, может начаться с за-

метной скоростью после нагрева выше определенной температуры. Сопос-

тавление температур рекристаллизаций различных металлов показывает, что

между минимальной температурой рекристаллизации и температурой плав-

ления существует простая зависимость

плр

ТаТ

⋅

где

- абсолютная температура рекристаллизации;

пл

- абсолютная температура плавления;

а - коэффициент, зависящий от чистоты металла.

Чем выше чистота металла, тем ниже температура рекристаллизации.

У металлов обычной технической чистоты а = 0,3 - 0,4. Температура рекри-

сталлизации сплавов, как правило, выше температуры рекристаллизации

чистых металлов и в некоторых случаях достигает 0,8 Т

пл

. Наоборот, очень

чистые металлы имеют низкую температуру рекристаллизации: 0,2 Т

пл

даже 0,1 Т

пл

В деформированном металле формируются и растут центры рекри-

сталлизации - участки с неискажённой решеткой, отделенные от матрицы

границами с большими углами разориентировки. При критической дефор-

мации имеется неоднородность наклёпа разных зерен; и она настолько

большая, что из-за разности в накопленной объёмной энергии соседних зё-

рен при нагреве идёт быстрая миграция отдельных границ на расстояния,

соизмеримые с размерами зёрен, т.е. исходные зёрна растут за счёт сосе-

дей. Кроме того, плотность дислокаций и избыток дислокаций одного знака

недостаточны, чтобы вызвать образование новых высокоугловых границ и

центров первичной рекристаллизации.

Собирательная рекристаллизация возникает после первичной, точнее

после того, как выросшие центры рекристаллизации приходят во взаимное

соприкосновение. Она заключается в равномерном укрупнении структуры

путём роста одних зёрен за счёт других, новых и происходит в результате

перемещения границ.

Вторичная рекристаллизация протекает в материале при высокой

температуре и очень большом увеличении продолжительности отжига. Она

заключается в резком избирательном росте отдельных рекристаллизованных

зёрен и сопровождается появлением разнозернистости. Этой стадии способ-

ствуют следующие факторы:

1) разная величина объёмной энергии у зёрен, менее искажённые зёрна

растут за счёт более искажённых;

2) высокая подвижность границ одних зёрен по сравнению с другими,

что может быть вызвано разными причинами. Одна из них – неравномерное

распределение дисперсных включений по границам зёрен. Границы, кото-

рые высвобождаются, в первую очередь, интенсивно мигрируют в направле-

нии уменьшения поверхностной энергии, что создаёт благоприятные условия

для ускоренного роста отдельных зёрен.

Если температура деформации ниже температуры рекристаллизации,

то деформация считается холодной. Процесс холодной деформации сопро-

вождается наклепом металла, так как малые температуры не обеспечивают

разупрочнения металла, механические свойства металлов при холодной де-

формации изменяются значительно: возрастает прочность и уменьшается

пластичность.

Если температура деформации выше температуры рекристаллизации,

то деформацию называют горячей. Получаемое в процессе горячей деформа-

ции упрочнение тут же полностью или частично снижается за счет рекри-

сталлизации, что снижает сопротивление деформации и повышает пластич-

ность металлов.

Размер зерна рекристаллизованного металла зависит от следующих

факторов: размера исходного зерна; степени деформации; температуры и

скорости нагрева; длительности выдержки; наличия растворимых и нерас-

творимых примесей (химического состава сплава).

Процесс рекристаллизации подтверждается рентгенографическим ана-

лизом. Линии на рентгенограммах, снятых с неподвижного деформированно-

го образца получаются сплошными и размытыми. По мере снятия напряже-

ний при повышенных температурах на стадии возврата линии становятся

чётче и тоньше. Как только начинается процесс рекристаллизации, и в струк-

туре появляются рекристаллизованные зерна, на сплошной линии рентгено-

граммы возникают отдельные рефлексы. По мере уменьшения поля нерекри-

сталлизованных участков металла число рефлексов на рентгенограмме уве-

личивается, а сплошной фон линии постепенно исчезает.

Сверхпластичностью называют способность металлов и сплавов к

значительной равномерной деформации, при которой относительное удлине-

ние достигает сотен и тысяч процентов. Это явление впервые было обнару-

жено А.А. Бочваром и З.А. Свилерским на сплавах, содержащих 22 % цинка.

Для того, чтобы сплавы приобрели сверхпластичность, необходимо получить

ультрамелкозернистую структуру. Такое структурное состояние достигается

путем соответствующей термической обработки. В последние годы сверх-

пластичность используется в производстве различных деталей и заготовок

весьма сложной формы при помощи пневматического формования листов

или объёмного прессования.

Различают несколько видов сверхпластичности:

1) мелкозернистая сверхпластичность проявляется при повышенных

температурах не ниже, чем 0,4 Т

пл

(при очень мелком зерне размером в диа-

метре от 3 до 5 мкм и при малой скорости деформирования до 10

-4

-1

);

2) субкритическая сверхпластичность. Имеет место при температурах

вблизи (ниже) температуры фазовых превращений и при определённой ис-

ходной структуре;

3) мартенситная сверхпластичность при так называемом мартенситном

(сдвиговом, бездиффузионном) превращении наблюдается повышенная пла-

стичность;

4) рекристаллизационная сверхпластичность.

Обычно сопротивление деформации объединяют в общее понятие

прочность, а сопротивление разрушению - надёжность. Если разрушение

происходит не за один, а за многие циклы нагружения, причем за каждый

цикл происходит микроразрушение (сюда относятся такие процессы посте-

пенного разрушения, как износ, усталость, коррозия, ползучесть), то это ха-

рактеризует долговечность материала.

3.3 Порядок выполнения работы

Описать механизм упругой и пластической деформации. Дать опреде-

ление теоретической и реальной прочности металлов и сплавов, указать от

чего зависит реальная прочность (выполняется студентом в порядке подго-

товки к лабораторной работе).

1) Произвести холодную пластическую деформацию на приборе Бри-

нелля ТШ-2 путем вдавливания стального закаленного шарика диаметром

10 мм с нагрузкой 1839, 2452, 4903, 9807, 19614 Н на одном образце и с на-

грузкой 19614 Н на 4 образцах из стали 10.

2) Измерить твердость образцов в исходном состоянии и пластически

деформированных с различной степенью. Замеры твердости НRВ произво-

дить на недеформированной поверхности и в центре каждого сферического

отпечатка. Результаты записать в таблицу 3.I.

Таблица 3.1 – Результаты замеров твердости образцов после деформа-

ции

Марка стали Степень пластической дефор-

мации (пропорциональная на-

грузка по Бринеллю), Н (кгс)

Твёрдость

HRB

Примечание

Сталь 10

В исходном состоянии

1839(187)

2452 (250)

4903 (500)

9807 (1000)

19614 (2000)

3) Произвести отжиг образцов после пластической деформации с на-

грузкой 19614 Н. Для этого поместите по одному образцу в электропечи,

предварительно нагретые до 400, 550, 650, 750 ºС, выдержать 30 минут.