Физика металлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ И ФИЗИКИ МЕТАЛЛОВ

Расчетно-графическая работа по материаловедению

Уфа 2012

1. Дайте определение твердости. Какими методами измеряют твердость металлов и сплавов? Опишите их

Твердостью называют свойство материала оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии в поверхностном слое. Измерение твердости вследствие быстроты и простоты осуществления, а также возможности без разрушения изделия судить о его свойствах, получило широкое применение для контроля качества металла в металлических изделиях и деталях.

Определение твердости по Бринеллю. Метод основан на том, что в плоскую поверхность металла вдавливается под постоянной нагрузкой Р твердый стальной шарик (рис. 1). После снятия нагрузки в испытуемом металле образуется отпечаток (лунка).

Рисунок 1 - Определение твердости по Бринеллю

Если поверхность отпечатка выразить через диаметры шарика D и отпечатка d(в мм), то твердость определяется по формуле:

При испытании стали и чугуна устанавливают D = 10 мм и Р = 3000 кгc, при испытании меди и ее сплавов D = 10 мм и Р = 1000 кгс, при испытании очень мягких металлов (алюминий, баббиты и др.) D = 10 мм и Р = 250 кгс.

Для определения твердости измеряют диаметр лунки d и находят но нему твердость в прилагаемых к прибору таблицах. Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов твердостью более НВ 450, так как шарик может деформироваться, что исказит результаты испытания.

Определение твердости по Роквеллу. В этом методе твердость определяют по глубине отпечатка. Наконечником служит алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной закаленный шарик с d = 1,588 мм. Алмазный конус применяют для испытания твердых металлов, а шарик -- для мягких металлов.

Конус и шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками (рис. 2); предварительной Р0 = 10 кгс и обшей Р = Р0 + Р1 (где Р1 - основная нагрузка). Основная нагрузка составляет 90 кгс для шарика (шкала В), 140 кгс для алмазного конуса (шкала С) и 50 кгс для алмазного конуса при испытании очень твердых и более тонких материалов (шкала А).

Рисунок 2 - Определение твердости по Роквеллу.

Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах. За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. Твердость по Роквеллу (НR) определяют по формулам:

При измерении по шкалам А и С :

При измерении по шкале В:

Величину с определяют по следующей формуле:

где h - глубина внедрения наконечника в испытуемый материал под действием общей нагрузки Р, измеренная после снятия основной нагрузки Р₁ с оставлением предварительной нагрузки Р₀; h₀ -- глубина внедрения наконечника в испытуемый материал под действием нагрузки Р₀.

Твердость по Роквеллу обозначается НRА (испытание алмазным конусом при нагрузке 60 кгс), НRС (тоже при нагрузке 150 кгс) и HRB (испытание стальным шариком при нагрузке 100 кгс) и сразу указывается но шкале прибора.

Метод Роквелла широко применяется в промышленности.

Определение твердости по Виккерсу. Метод используют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев. Твердость определяют вдавливанием в испытуемую поверхность (шлифованную или даже полированную) четырехгранной алмазной пирамиды (рис. 3).

Рисунок 3 - Определение твердости по Виккерсу

Твердость по Виккерсу (НV) определяют но формуле:

где Р -- нагрузка на пирамиду; -- угол между противоположными гранями пирамиды при вершине, равный 136°; d -- среднее арифметическое значение длин обеих диагоналей отпечатка, измеряемых после снятия нагрузки, мм.

При измерении твердости применяют следующие нагрузки: 1,0; 2,0; 5,0; 10,0; 20,0; 30,0; 50,0; 100,0 кгс. Чем тоньше материал, тем меньше должна быть нагрузка. Твердость по Виккерсу определяется по специальным таблицам по измеренной величине d (диагональ отпечатка).

Микротвердость. Определение микротвердости необходимо для изделий мелких размеров и отдельных структурных составляющих сплавов. Прибор для определения микротвердости состоит из механизма для вдавливания алмазной пирамиды под небольшой нагрузкой и металлографического микроскопа. В испытуемую поверхность вдавливают алмазную пирамиду под нагрузкой 5 -- 500 гс. Твердость Н* определяют по той же формуле, что и твердость по Виккерсу. Образцы для измерений должны быть подготовлены так же, как микрошлифы.

2. Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы. Опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 0,5%С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется

На диаграмме состояния железо -- карбид железа (цементит) даны фазовый состав и структура сплавов с концентрацией чистого железа до цементита (6,67 % С).

Линия ABCD называется линией ликвидус, ниже которой начинается процесс кристаллизации из жидкого сплава. Линия АECF - линия солидус, на которой исчезают последние капли расплава, ниже этой линии существуют только твердые фазы.

Система Fe-Fe₃C метастабильная. Образование цементита вместо графита дает меньший выигрыш энергии Гиббса, однако кинетическое образование карбида железа более вероятно.

На диаграмме Fe-Fe₃C точка А (1539 °C) отвечает температуре плавления железа. Линия FKL соответствует цементиту, на базе которого возможно образование твердого раствора (предполагается, что растворимость компонентов в цементите невелика). Точки N (1392 °С) и G (910 °С) соответствуют полиморфному превращению б-г

Рисунок 4 - Диаграмма состояния железо -- карбид железа

Концентрация углерода (по массе) для характерных точек диаграммы состояния Fe-Fe₃C следующая: В -- 0,51 % С в жидкой фазе, находящейся в равновесии с д-ферритом и аустенитом при перитектической температуре 1499 °С; N -- 0,1 %С (предельное содержание в д-феррите при 1490 °С); J -- 0,16 % С в аустените при перитектической температуре 1490 °С; Е -- 2,14 % С ( предельное содержание в аустените при эвтектической температуре 1147°С); S -- 0,8 %С в аустените при эвтектоидной температуре 727 °С; Р - 0,02 % С (предельное содержание в феррите при эвтектоидной температуре 727 °С).

Правило фаз применяется при анализе процессов, совершающихся в сплавах при нагреве и охлаждении для расчета числа фаз в конкретных термодинамических условиях.

Правило фаз:

С=К+2-Ф,

где С - число степеней свободы системы (или вариантность);

К - число компонентов, образующих систему, т.е. минимальное количество химических элементов, необходимых для образования любой фазы системы;

2 - число внешних факторов;

Ф - число фаз, находящихся в равновесии.

Рисунок 5 - Кривая охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 0,5%С

твердость металл доэвтектоидный сплав

Сплавы с содержанием углерода от 0,025 до 0,8 % называются доэвтектоидными сталями. В интервале температур до 727 °C идет полиморфное превращение А в Ф. Состав аустенита меняется по линии GS, а феррита - по линии GP. При 727 °С концентрация углерода в аустените равна 0,8 % (точка S) и в феррите - 0,025 % (точка Р).

Ниже этой температуры происходит эвтектоидное превращение. В равновесии находятся три фазы: феррит состава точки Р, аустенит состава точки S, цементит. Так как число степеней свободы равно нулю, т.е. имеется нонвариантное равновесие, то процесс протекает при постоянном составе фаз. На кривых охлаждения или нагрева наблюдается температурная остановка. Таким образом, структура доэвтектоидной стали характеризуется избыточными кристаллами феррита и эвтектоидной смесью феррита с цементитом, называемой перлитом.

3. Назначьте температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска деталей машин из стали 40Х, которые должны иметь твердость 28...35HRC. Опишите сущность происходящих превращений при термической обработке, микроструктуру и свойства.

Сталь 40Х является хромистой улучшаемой конструкционной сталью, используемой после закалки и высокого отпуска (улучшения).

Марочный химический состав стали 40Х, в %:

Механические свойства стали 40Х:

где - предел кратковременной прочности;

- предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации;

- относительное удлинение при разрыве;

- Относительное сужение.

Сплав 40Х применяется для средненагруженных деталей небольших размеров. Прокаливаемость хромистых сталей невелика. Хромистые стали склонны к отпускной хрупкости, поэтому после высокого отпуска охлаждение должно быть быстрым: для мелких деталей в масле и для крупных в воде.

Закалка - термическая обработка, заключается в нагревании стали до температуры выше критической (Ас₃ для доэвтектоидной и Ас₁ -- для заэвтектоидной сталей) или температуры растворения избыточных фаз, выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую. Закалка не является окончательной операцией термической, обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.

Рисунок - Схема закалки стали

Конструкционную сталь подвергают закалке и отпуску -- для повышения прочности, твердости, получения достаточно высокой пластичности и вязкости, а для ряда деталей также и высокой износостойкости.

Доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30 --50°С выше точки Ас₁. Б этом случае сталь с исходной структурой перлит -- феррит при нагреве приобретает аустенитную структуру, которая при последующем охлаждении со скоростью выше критической превращается в мартенсит.

Сталь 40Х содержат 0,3-0,5% С, и ее подвергают закалке при 820 - 880°С в масле (крупные детали охлаждают в воде) и высокому отпуску при 550 - 680°С в масле. После такой обработки структура стали сорбит. Стали имеют высокий предел текучести, малую чувствительность к концентраторам напряжений, а в изделиях, работающих при многократно прилагаемых нагрузках,-- высокий предел выносливости и достаточный запас вязкости. Кроме того, сталь обладает хорошей прокаливаемостыо и малой чувствительностью к отпускной хрупкости.

Охлаждение при закалке должно обеспечить получение структуры мартенсита в пределах заданного сечения изделия и не должно вызывать закалочных дефектов: трещин, деформаций, коробления и высоких растягивающих остаточных напряжений в поверхностных слоях.

Обычно для закалки используют кипящие жидкости -- воду, водные растворы солей и щелочей, масла. При закалке в этих средах различают три периода:

- пленочное кипение, когда на поверхности стали образуется "паровая рубашка"; в этот период скорость охлаждения сравнительно невелика;

- пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении паровой пленки, наблюдаемое при охлаждении поверхности до температуры ниже критической; в этот период происходит быстрый отвод теплоты;

- конвективный теплообмен, который отвечает температурам ниже температуры кипения охлаждающей жидкости; теплоотвод в этот период происходит с наименьшей скоростью.

Рисунок - Температура закалки

Для легированных сталей, обладающих высокой устойчивостью переохлажденного аусгенита при закалке, применяют минеральное масло (чаше нефтяное).

Масло как закалочная среда имеет следующие преимущества: небольшую скорость охлаждения в мартенситном интервале температур, что уменьшает возникновение закалочных дефектов и постоянство закаливающей способности в широком интервале температур среды (20--150° С).

К недостаткам следует отнести повышенную воспламеняемость (температуры вспышки 165-300 С), недостаточную стабильность и низкую охлаждающую способность в области температур перлитного превращения, а также повышенную стоимость.

Температуру масла при закалке поддерживают в пределах 60-90°С, когда его вязкость оказывается минимальной.

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температур ниже Ас_{1 ,} выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска

Наиболее интенсивно напряжения снижаются в результате выдержки при 550°С в течение 15 -- 30 мин. После выдержки в течение 1,5 ч напряжения снижаются до минимальной величины, которая может быть достигнута отпуском при данной температуре.

Скорость охлаждения после отпуска также оказывает большое влияние на величину остаточных напряжений. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения. Быстрое охлаждение от 600°С создает новые тепловые напряжения. По этой причине изделия сложной формы во избежание их коробления после отпуска при высоких температурах следует охлаждать медленно, а изделия из легированных сталей, склонных к обратимой отпускной хрупкости, после отпуска при 500 -- 650°С во всех случаях следует охлаждать быстро.

Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при 500 -- 680^е С. Структура стали после высокого отпуска - сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали.

Закалка с высоким отпуском по сравнению с нормализованным или отожженным состоянием одновременно повышает пределы прочности и текучести, относительное сужение, и особенно ударную вязкость. Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением.

Улучшение значительно повышает конструктивную прочность стали, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений, увеличивая работу пластической деформации при движении трещины (работу развития трещины) и снижая температуру верхнего и нижнего порога хладноломкости.

Отпуск при 550 -- 600°С в течение 1--2 ч почти полностью снимает остаточные напряжения, возникшие при закалке. Чаще длительность высокого отпуска составляет 1,0 -- 6 ч -- в зависимости от габаритных размеров изделия.

Список литературы

1. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.:ил.

2. Материаловедение: учебник для высших технических учебных заведений / Под общ. Ред. Б.Н. Арзамасова. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. - 384 с., ил.

3. Материаловедение. Учебник для вузов. Травин О. В., Травина Н. Т. М.: Металлургия, 1989. - 384 с.

4. Физика металлов. Учебное пособие./И.З. Шарипов - Уфа: УГАТУ, 2004.

Размещено на Allbest.ru