Методология применения физических и химических свойств контроля на примере углеродистой стали

Форма надреза стандартных образцов может быть в виде U, V, T.

Согласно ГОСТ 9454-78 в качестве основного используется образец с U-образным надрезом, но в отдельных случаях применяются также образцы и с другой формой надрезов.V-образный выполняется с углом при вершине 45⁰ и радиусом закругления 0,25 мм, а роль T-образного надреза играет созданная на специальном приборе усталостная трещина. В соответствии с этим при записи ударной вязкости (КС) в ее обозначение вводится третья буква, указывающая вид надреза - KCU, KCV, KCT. Параметром KCV оценивается пригодность материалов для сосудов давления, трубопроводов и других конструкций повышенной надежности. Параметр KCT характеризует работу развития трещины при ударном изгибе и оценивает способность материала тормозить начавшееся разрушение. Он учитывается при выборе металлов и сплавов для конструкций особо ответственного назначения (летательные аппараты, роторы турбин и т. п.).

Желательно, чтобы образцы имели шлифованную поверхность, на них не должно быть трещин, заусенцев. Поверхность надреза не должна иметь рисунок, царапин и других дефектов, так как они могут, существенно исказить результаты испытаний, поскольку именно дно надреза обычно является местом начала образования трещины, развитие которой приводит к разрушению образца. Если нужно произвести испытания термически обработанных образцов, то надрез на них делается после термической обработки.

Для испытаний на ударную вязкость наибольшее распространение получили маятниковые копры. В данной работе испытания проводятся на маятниковом копре

МК-30.

Основной частью копра является массивный маятник, который может качаться на оси. В поднятом положении маятник обладает определенным запасом энергии (в зависимости от высоты подъема). При падении маятник, проходя через вертикальное положение ударяет по образцу и разрушает его, на что затрачивается часть энергии маятника. Оставшаяся часть энергии затрачивается на подъем маятника после удара. Скорость движения маятника в момент удара по образцу должна быть в пределах 4-7 м/сек, что соответствует скорости деформации стандартных образцов порядка 10² 1/сек. Зная высоту подъема маятника до и после удара и его вес, можно подсчитать работу, затраченную на разрушение образца. На копре МК-30 эта работа определяется автоматически. Для этого к маятнику прикреплен поводок, который при подъеме маятника в исходное положение устанавливает подвижную рамку со шкалой в определенном положении в соответствии с высотой подъема маятника, т.е. с запасенной маятником энергией. После удара маятник, поднимаясь, тем же поводком перемещает вдоль шкалы стрелку до уровня, соответствующего высоте подъема маятника, т.е. его энергии после удара. Таким образом, мы автоматически определяем разницу энергий маятника до и после удара, т.е. работу, затраченную на пластическую деформацию и разрушение образца. Для вычисления ударной вязкости нужно затраченную при испытании работу разделить на площадь поперечного сечения образца.

KC= K/ S₀, где S_0-

где К - работа удара, Дж (кгс?м);

S_o - начальная площадь поперечного сечения образца в месте концентратора, см², вычисляемая по формуле

S_о = HхB,

где Н₁ - начальная высота рабочей части образца, см;

В - начальная ширина образца, см.

Испытания твердости

Твердостью называется свойство материала оказывать сопротивление проникновению в него другого более твердого тела (индентора), не испытующего остаточной деформации. Измерение твердости является одним из самых распространенных и доступных методов механических испытаний, который широко используется в исследовательских целях и как средство (способ) контроля качества свойств материалов в производстве. В отличие от других испытания на твердость очень разнообразны и отличаются друг от друга по форме используемого индентора, условиям приложения нагрузки, способам расчета величины твердости, временем нагружения и т. д. В зависимости от этих факторов твердость может характеризовать упругие и упруго-пластические свойства, сопротивление малым или большим деформациям, а также разрушению. Общим моментом для них является приложение нагрузки при контакте индентора и испытуемого материала.

Оценивается твердость так называемыми числами твердости, размерность которых определяется принципом измерения.

В качестве механической характеристики величина твердости служит основой для выбора допустимых напряжений в расчетах на контактную прочность. Существует три основных метода определения твердости.

Метод Бринелля. Метод измерения твердости металлов по Бринеллю регламентирует ГОСТ 9012-59 (ИСО 6506-81, ИСО 410-82) (в редакции 1990г.).

Сущность метода заключается во вдавливании шарика (стального или из твердого сплава) в образец (изделие) под действием силы, приложенной перпендикулярно поверхности образца в течение 10... 15с, и измерении диаметра отпечатка после снятия силы.

Число твердости Бринелля получается при делении величины прикладываемой силы F на площадь отпечатка S. Эта площадь может быть вычислена или взята из таблиц, в которых она дана в зависимости от диаметра шара и диаметра отпечатка: HB=F/S

Твердость по Бринеллю обозначают символом НВ или HBW:
Символу НВ (HBW) предшествует числовое значение твердости из трех значащих цифр, а после символа указывают диаметр шарика, значение приложенной силы (в кгс), продолжительность выдержки, если она отличается от 10 до 15с.

Размерность площади дается в мм², а силы -- в кгс (1кгс=9,8Н). Диаметр D применяемого шара и величина прикладываемой силы F, связанные соотношением F/D², дают значения 1,5,10 или 30; диаметры шаров бывают 1,2,5 или 10мм. В принципе равным значениям F/D² будут соответствовать равные значения твердости независимо от диаметра применяемого шара. Испытание Бринелля не может применяться к очень мягким или очень твердым материалам. В первом случае размер отпечатка будет равен диаметру шара, а во втором -- отпечатка либо не будет, либо он будет настолько малым, что невозможно будет провести на нем измерения.

Метод Виккерса. Метод измерения твердости черных и цветных металлов и сплавов при нагрузках от 9,807 Н (1 кгс) до 980,7 Н (100 кгс) по Виккерсу регламентирует ГОСТ 2999-75 (в редакции 1987г.).

Измерение твердости основано на вдавливании алмазного наконечника в форме правильной четырехгранной пирамиды в образец (изделие) под действием силы, приложенной в течение 10 до 15с, и измерении диагоналей отпечатка, оставшихся на поверхности образца после снятия нагрузки, для определения площади поверхности отпечатка.

Твердость по Виккерсу при условиях испытания - силовое воздействие 294,2Н (30кгс) и время выдержки под нагрузкой 10... 15с, обозначают цифрами, характеризующими величину твердости, и буквами HV.

Число твердости по Виккерсу получается при делении величины прикладываемой силы F на площадь поверхности отпечатка S: HV=F/S Площадь поверхности может быть рассчитана из условия, что углубление имеет форму правильной пирамиды с квадратным основанием и углом при вершине 136°. Это угол вершины алмазного резца. При желании можно пользоваться таблицами отношения размеров диагоналей к площади.

Испытание Виккерса более точно по сравнению с испытанием Бринелля, так как диагонали квадрата измеряются с меньшей ошибкой, чем диаметр круга. Применяется для измерения твёрдости очень твёрдых материалов. С другой стороны, его применение имеет некоторые ограничения по сравнению с испытанием Бринелля.

Метод Роквелла. Метод измерения твердости металлов и сплавов по Роквеллу регламентирует ГОСТ 9013-59 (в редакции 1989г.).

Сущность метода заключается во внедрении в поверхность образца (или изделия) алмазного конусного (шкалы А, С, D) или закалённого стального сферического наконечника (шкалы В, Е, F, G, Н, К). При контакте с поверхностью материала прикладывается сила давления инденто-ра в 90,8Н. Затем добавляется дополнительная сила и происходит увеличение проникновения индентора в глубь материала. После этого дополнительная сила снимается и уменьшается глубина проникновения индентора из-за не совсем пластической деформа-ции материала. Определяется разность между конечной глубиной проникновения индентора в материал и глубиной до приложения дополнительной силы. Это остаточное увеличение в проникнове-нии (e) индентора обусловлено дополнительной силой: HR=E--e, где E - константа, определяемая по форме индентора. Для конусного алмазного индентора Е=100, для стального шара Е=130.

Шкалы Роквелла даются для определенного индентора и прикладываемой дополнительной силы.

Для большинства обычных инденторов в испытании Роквелла размер проникновения следует делать меньше. Это локализует изменение структуры, так как состав может влиять на результаты испытания. Однако в отличие от испытаний Бринелля и Виккерса, здесь не требуются полированные поверхности для точных измерений.

Стандартное испытание Роквелла не может применяться к тонколистовому материалу. Тем не менее, существует вариант этого испытания, известный как испытание поверхностной твердости Роквелла. Чем больше прикладываемая сила и глубина проникновения, определенная более чувствительным прибором, тем меньше может быть воздействие индентора на материал. При этом взамен начальной силы в 90,8Н применяется сила в 29,4Н.

2.7 Рентгеноструктурный анализ (РСА)

В основе метода лежит взаимодействие рентгеновского излучения с электронами вещества, в результате которого возникает дифракция рентгеновских лучей (длина волны составляет 0,02-0,2нм).

РСА особенно широко применяется для изучения кристаллической структуры материалов, так как они представляют собой созданную самой природой дифракционную решетку для рентгеновского излучения. Еще одна область применения - идентификация фаз по их кристаллоструктурным параметрам.

РСА также применяется для определения разного рода нарушений кристаллической структуры в реальных веществах (дисперсность, дислокации, дефекты упаковки и тд)., структуры металлов, а также для анализа атомной структуры упорядоченных и некристаллических материалов.

Для проведения качественного и количественного анализа рентгеноструктурным методом используются специальные камеры и дифрактометры.

Рентгеновское излучение - электромагнитное излучение широкого диапазона длин волн 10²-10^-5 Е (1Е = 10^-8 см), которое можно получить при бомбардировке вещества быстро летящими электронами. В шкале электромагнитных волн рентгеновское излучение расположено между ультрафиолетовым и г -излучением. В дифракционных методах исследования используют рентгеновские лучи, у которых длина волны соизмерима с размерами атома (порядка 1 ч 1,5 Е), и, следовательно, могут дифрагировать на совокупности атомов как на дифракционной решетке.

Рентгеновские трубки

Рентгеновская трубка является прибором для получения рентгеновских лучей. Рентгеновская трубка представляет собой высоковольтную электровакуумную лампу с двумя электродами: анодом и катодом. Электроны, испущенные катодом трубки, ускоряются электрическим полем с разностью потенциалов U и при подлете к аноду приобретают кинетическую энергию.



Рис.14 Схема устройства рентгеновской трубки

При проникновении электрона в вещество анода его кинетическая энергия рассеивается в результате следующих процессов:

1. резкого торможения в электростатическом поле электронных оболочек атомов вещества анода;

2. столкновения с атомами и ионизации им внешних электронных оболочек; при этом происходит постепенное преобразование кинетической энергии электронов в тепловую энергию и энергию квантов в видимом диапазоне длин волн;

3. ионизации электронных оболочек, близких к атомному ядру.

В рентгеноструктурном анализе применяют запаянные электронные трубки, представляющие собой стеклянный баллон, в который введены два электрода.

В баллоне создается вакуум (~1,33?10^-4 Па), который обеспечивает свободное движение электронов от катода к аноду, тепловую и химическую изоляцию катода и предотвращает возникновение газового разряда между электродами.

Классификация рентгеновских трубок производится по следующим

признакам:

1. по способу получения пучка свободных электронов трубки делятся на электронные и ионные;

2. по способу создания и поддержания вакуума различают трубки запаянные и разборные;

3. по назначению выделяют трубки для просвечивания материалов и изделий, для структурного анализа, для медицинских целей;

4. по площади фокуса. Фокусом трубки называют площадку на аноде, на которую падают электроны и от которой испускаются рентгеновские лучи.

Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах.

Чтобы определить межплоскостные расстояния в кристаллах, используют явление дифракции рентгеновских лучей. Дифракция возникает при взаимодействии первичного пучка рентгеновских лучей с атомами и проявляется в возникновении отклоненных (дифрагированных) лучей, распространяющихся под определенными углами к первичному пучку. В некоторых направлениях амплитуда вторичных волн складывается, находясь в одинаковой фазе, в результате чего возникает интенсивный отклоненный луч.

Если рассматривать кристалл, как совокупность параллельных атомных плоскостей, то дифракция (отражение) происходит на этих плоскостях. При угле падения первичного луча на атомную плоскость, равном O, отраженный луч составляет с первичным углом 2O.

Чтобы этот процесс реально проходил, необходимо соблюдение нескольких условий. Длина волны рентгеновского излучения должна быть близкой по величине к расстоянию между атомными плоскостями. В случае железа обе величины близки к 1А. Разность хода между двумя лучами, отраженными от соседних атомных плоскостей, должна быть кратной целому числу n длин волны рентгеновского излучения ?. Это соотношение, которое называется законом Вульфа - Брэгга, имеет вид n? = 2d sinO, где n - целое число, называемое порядком отражения. Величина ? известна, она определяется материалом анода трубки, величины O(или 2O) измеряются экспериментально и величина d вычисляется по уравнению Вульфа - Брэгга. Для практического применения этого уравнения нужно направить первичный пучок под углом O к выбранной системе плоскостей и зафиксировать отраженный луч, т.е. нужно знать, под каким углом данная кристаллографическая плоскость расположена к поверхности образца, что часто является трудной задачей. Гораздо проще исследовать технические материалы, которые, как, например, сталь, являются поликристаллическими, т.е. состоят из большого количества кристаллов, что хорошо видно при металлографических исследованиях. В поликристалле, состоящем из хаотически ориентированных кристаллов, есть большое число отдельных кристаллов, в которых атомные плоскости расположены под углом, удовлетворяющим закону Вульфа - Брэгга.

Получение рентгенограмм.

Исследуемый образец с плоской поверхностью помещается в рентгеновский гониометр - прибор, позволяющий проводить автоматический поворот образца на угол O и счетчика излучения на угол 2O. Гониометр является частью рентгеновского дифрактометра, включающего в себя еще рентгеновскую трубку с высоковольтной схемой, измерительное устройство и компьютер или потенциометр. Рентгеновский луч направляется на образец под небольшим углом, образец поворачивается автоматически и одновременно с вдвое большей угловой скоростью по кругу движется детектор. На потенциометре или экране монитора регистрируется кривая, по оси абсцисс которой откладывается угол O (или 2O), а по оси ординат интенсивность отраженных лучей. Измеряя углы, соответствующие максимумам интенсивности, определяют межплоскостные расстояния с помощью формулы Вульфа - Брэгга, и, сравнивая со справочными данными, проводят идентификацию материала образца. Полученные кривые интенсивности несут в себе еще много информации. Так, соотношения между тригонометрическими функциями углов отражения позволяют определить тип элементарной ячейки, а также индексы атомных плоскостей, участвующих в отражении.

Анализ распределения интенсивности в дифракционных максимумах позволяет исследовать и изменения в кристаллической решетке при изменении химического состава сплава, дроблении кристаллов, возникновении внутренних напряжений, ориентировке кристаллов и других процессах, происходящих при термической и механической обработке сплавов.

По способу регистрации дифрагированного излучения рентгеновские аппараты делятся на группы:

1) с фотографической регистрацией;

2) с использованием счетчиков.

Рассмотрим аппарат из второй группы - рентгеновский дифрактометр общего назначения

ДРОН-3.

Общие узлы всех аппаратов предназначены для генерации рентгеновского излучения: рентгеновская трубка, генераторное устройство, обеспечивающее подачу высокого напряжения на трубку и токов накала трубки (кенотронов), система регулирования и обеспечения безопасности работ.

Аппараты, в которых для регистрации дифракционной картины используется ионизационный метод, получили название дифрактометров. В таких аппаратах для регистрации используется ионизирующее действие рентгеновских лучей.

Регистрация осуществляется счетчиками разных типов (пропорциональные, Гейгера, сцинтилляционные, полупроводниковые).

Дифрактометр состоит из следующих основных узлов:

Высоковольтный источник питания 2 предназначенный для подвода к рентгеновской трубке 3 высокого напряжения и напряжения накала катода через стабилизатор напряжений 1.

2. Дифрактометрический узел, состоящий из рентгеновской трубки 3 в защитном кожухе и гониометра 5 с блоком детектирования 6 (счетчиком). Счетчик имеет блок питания 7. Рентгеновский гониометр - устройство для отсчета углов поворота образца 4 и детектора по отношению к первичному пучку рентгеновских лучей. Он обеспечивает синхронный поворот образца и счетчика вокруг общей оси с требуемыми угловыми скоростями и их раздельный поворот вокруг той же оси от электромоторов или вручную.

3. Счетно-регистрирующее и управляющее устройство 8, в котором регистрируются импульсы напряжения, вырабатываемые счетчиком при попадании в него каждого кванта рентгеновского излучения. Это устройство усиливает импульсы напряжения, осуществляет выделение импульсов определенной амплитуды 9 (амплитудный дискриминатор). А затем оно нормализует (10 - нормализатор импульсов) их и направляет либо в измеритель скорости счета 15, сигнал с которого подается на электронный самопишущий потенциометр 16 либо в пересчетное устройство 11, а затем в устройство вывода цифровой информации на цифропечатающее устройство 13, перфоратор 14 или в ЭВМ 12. Управление работой электродвигателей гониометра, осуществляемое блоком автоматического управления 17, позволяет реализовать разные способы автоматической регистрации дифрактограмм.

Рис.18 Схема фокусировки по Брегу-Брентано

Фокусировка по Бреггу-Брентано

При работе на дифрактометрах необходимо использовать фокусирующую геометрию съемки. Чаще всего для фокусировки используется метод Брэгга - Брентано, в котором плоский образец Р размещается так, чтобы его поверхность находилась на оси О вращения гониометра.

Условия фокусировки: фокус трубки F, поверхность образца и щель счетчика S должны лежать на одной окружности (фокусирующей) с радиусом r =R/2 sin и, где R - радиус гониометра. Особенностью фокусировки по Брэггу - Брентано является то, что в отражающем положении (т. е. под углом и) оказываются кристаллики поликристаллического образца, кристаллографические плоскости которых параллельны поверхности образца.

Образцы для РСА

Шлифы для данного вида анализа изготавливают из монолитных или спеченных материалов. После вырезки образца снимают поверхностный слой для удаления измененной структуры в результате окисления, обезуглероживания и др. произошедших процессов в материале во время обработки резанием.

После механического шлифования образец подвергают электрохимическому травлению или электрохимической полировке. После данного процесса поверхность образца должна оставаться зеркально блестящей, пленки продуктов травления не должно быть видно.



3. Исследование стали

Для исследования стали были выданы три ударных образца с сечением 10мм. Один из образцов был взят на изготовление шлифа, чтобы выявить марку стали и ее структуру.

Также был выдан образец для дилатометрического анализа.

3.1 Изготовление металлографического шлифа. Выявление микроструктуры стали.

1) Вырезка образца.

ь Место среза должно быть достаточно удалено от плоскости будущего шлифа.

ь Вырезают образцы на металлорежущем оборудовании (были выданы уже вырезанные образцы).

2) Шлифовка образцов.

ь Для удаления грубого рельефа и наклепа на поверхности образца, получающегося при вырезке, применяется обработка шлифовкой. Для шлифовки используются шлифовальные круги с различным размером абразивного зерна.

ь Шлифовка осуществляется путем истирания поверхности образца при последовательном переходе ко все более мелкозернистому абразивному материалу.

ь Наиболее крупнозернистый абразивный материал создает ровную поверхность образца и снимает следы разрезки. Размеры частиц такого материала составляет 400-500мкм.

ь Шлифовка производится «мокрым» способом. «Мокрая» шлифовка предохраняет материал от загрязнения частицами обрабатываемого материала: струи воды смывают с поверхности образца, образовавшиеся при шлифовке частицы материала прежде, чем они успевают внедриться между частицами абразива.

ь По мере уменьшения зерна абразивного материала во время шлифовки уменьшается глубина слоя деформированного металла, уменьшаются размер и глубина царапин. Для удаления шлифовальных царапин, при переходе от одного размера зерна абразивного материала к другому, направление шлифовки меняется на 90.

ь Шлифовка считается завершенной, когда на шлифе полностью уничтожены видимые невооруженным глазом царапины (риски).

3) Полировка образца.

Полировка представляет собой конечную ступень в процессе приготовления микрошлифов. Получение зеркальной поверхности, свободной от царапин, является необходимым условием для проведения правильного металлографического анализа.

ь Механическую полировку выполняют на станках, приборах подобных используемым для шлифовки.

ь Для покрытия полировальных дисков использовалось сукно

ь Сукно было пропитано пастой Гои.

ь Поверхность дисков было смочено керосином для растворения пасты и во избежание пережога.

ь Далее полировка производилась на окиси хрома для получения зеркальной поверхности.

4) Выявление микроструктуры:

ь После полирования образец промокали фильтровальной бумагой. Он готов для операции травления. В качестве реактива для выявления структуры был использован 4% раствор азотной кислоты в спирте (др. название данного реактива «ниталь»).

ь Образец промокали смоченной в реактиве для травления ваткой до момента, пока исчезнет зеркальная поверхность (образец темнеет)

ь Далее травленый образец промокали водой, просушивали с фильтровальной бумагой и, с помощью растрового электронного микроскопа, была выявлена структура стали.

Структура исследуемой стали:

При рассмотрении уже травленого шлифа в микроскоп можно определить количество содержания углерода в данной стали. Исходя из рис. 19 определяем количество перлита в структуре (темные зерна). ). Количество перлита составляет около 95% всей структуры, в перлите 0.8% С, остальные 5%- количество цементита. Цементит содержит в себе 6.65% углерода. Исходя из этих данных составим уравнение для определения количества углерода в стали:

%П*%С_перл. + %Ц*%С_цем.= %C_общ.

0.95*0.008+0.05*0.0665= 0.01095* 100%, отсюда количество углерода в исследуемой стали 1.0995%.

Исходя из микроскопического анализа, делаем вывод о марке стали. Исследуемая сталь имеет марку У10.

Для того, чтобы был сделан микроскопический анализ данной стали для образца предварительно был проведен отжиг (нормализация), так как такая высокоуглеродистая сталь должна иметь в своей структуре цементитную сетку, из-за которой точное определение количества углерода невозможно. Цементитной сетки в микроструктуре данного образца не наблюдалось, из чего был сделан вывод о предварительной термической обработке.



Далее на основании химического состава определяем значения критических точек по диаграмме

Fe-Fe₃C. А_с1= 730; А_сm= 800. (рис. 20)

рис.20 Диаграмма состояния Fe-Fe3C

3.2 Дилатометрический анализ

Прибор для дилатометрического анализа Дилатометр ДI-20. (рис.3)

Прибор для дилатометрического анализа состоит из головки (собственно дилатометра), изображенного на рисунке и регистрирующего аппарата. В головке имеется запаянная с одного конца кварцевая трубка, прочно закрепленная в металлической втулке. В трубке помещается образец, имеющий форму цилиндрического стержня диаметром 5 мм и длиной 10 мм. Образец упирается в запаянный конец кварцевой трубки и кварцевый стержень, перемещение которого передается на индикатор часового типа и эластичную пластину, с наклеенными на неё тензодатчиками. Перемещение образца вызывает изменение электрического сигнала снимаемого с тензодатчиков. Температура образца изменяется при помощи нагревательной печи и регистрируется термопарой, находящейся в непосредственной близости к образцу.

Дилатометр работает по простой схеме. Блок-схема дилатометра показана на рисунке Нагрев образца осуществляется электрической печью, скорость нагрева может изменяться. Сигнал с тензодатчиков, регистрирующих величину перемещения образца, передается через усилительное устройство на вертикальную координату самописца. Температура нагрева образца регистрируется по горизонтальной координате самописца. Таким образом, двухкоординатный самописец осуществляет запись кривой в координатах расширение образца - температура. Температура измеряется термопарой платина: сплав платина-родий.

1) Критические точки

Определение критических точек по дилатограмме (рис.21).

Критические точки и области превращений определяют по кривым, показывающим изменения длины изучаемого образца при нагреве или при охлаждении. Построение кривой в координатах удлинение образца - температура, например, при нагреве, позволяет установить температуры, при которых наблюдаются нарушения равномерного удлинения образца. Резкие перегибы на кривых свидетельствуют о внутренних изменениях, происшедших в сплаве. Если превращение совершается в интервале температур, то первая точка перегиба на кривой соответствует температуре начала превращения, вторая - концу превращения. В точке Ас1 перлит превращается в аустенит, а при дальнейшем нагреве в интервале температур Ас1-Ас3 (для доэвтектоидной стали) феррит превращается в аустенит, обладающий меньшим удельным объемом; количество аустенита возрастает в ходе этого превращения до 100%.

Чтобы найти критические точки на дилатограмме проведем касательные к точкам перегиба и опустим перпендикуляр на ось абсцисс. Таким образом, получаем значения:

;

Найдем относительные удлинения образца, из точек пересечения касательных проведены перпендикуляры к оси ординат:

Расчет коэффициента линейного расширения

Коэффициент линейного расширения для кварца:

Следовательно

Средний коэффициент линейного расширения для данного интервала температур вычисляется по формуле:

Истинный коэффициент линейного расширения для данного интервала температур вычисляется по формуле

1) Возьмем другие точки на диаграмме:

Коэффициент линейного расширения для кварца:

Относительное удлинение образца из диаграммы для этих температур равно:

Средний коэффициент линейного расширения:

Истинный коэффициент линейного расширения для данного интервала температур вычисляется по формуле:

T0C	200	500	750	775

Таблица 1. Значения коэффициента линейного расширения при разных температурах.

На рисунке 22 изображен график зависимости коэффициента линейного расширения стали У10 от температуры.

Рис.22 Зависимость коэффициента линейного расширения стали У10 от температуры.

3.3 Выбор оптимального режима для термообработки стали У10

Для проведения термической обработки были выданы ударные образцы, соответствующие ГОСТ 9454-84. Образцы клеймились номерами 1.1, 1.2, 1.3, где первая цифра соответствует количеству углерода 1%, а вторая цифра №п/п.

Термическая обработка - технологический процесс, состоящий из совокупности операций нагрева, выдержки и охлаждения изделий из металлов и сплавов, цель которого- изменение структуры и свойств материала в заданном направлении. Виды термической обработки можно разделить на 4 основные группы: отжиг(1,2 рода), нормализация, закалка, отпуск (низкий, средний, высокий).

Определим режим термообработки для стали У10.

1) На основании химического состава(содержание углерода в стали 1%) по диаграмме состояния «Железо-Углерод» найдем критические точки А₁,А_cm.

Ac₁ = 730 , Ac₃(Acm) = 800 .

2) На основании дилатометрического анализа Ас₁=750, Ас₃=775.

3) На основании справочных данных из марочника стали.

· Выбираем температуру стали У10 под закалку. Т=800.

· Время нагрева ф= 1 минута* 1 мм. Размер образца 10мм², отсюда

ф_нагр. =10 минут.

Время выдержки ф_выд. =1/5 от времени нагрева 2 минуты.

Таким образом, общее время в печи ф_общ. = 12 минут.

Перед термообработкой измерили твердость образцов по методу Роквелла, данные занесены в таблицу 2.

· Закалка проводится в печи СНОЛ

· Закалочная среда. Закалка данной стали проводится в двух средах: вода, масло. Охлаждение необходимо проводить быстро, опустив образец в закалочную среду, круговыми движениями на среднем уровне жидкости. Данная операция необходима для предотвращения возникновения газовой рубашки и закалочных трещин.

· После закалки образцы тщательно зачищают шлифовальной шкуркой, снимается окалина, затем производится измерение твердости образцов по Бринеллю. Данные занесены в таблицу 2.

Состояние закаленного сплава характеризуется неустойчивостью. Даже без температурного воздействия в сплаве могут происходить процессы, приближающие его к равновесному состоянию. Нагрев сплава, увеличивающий подвижность атомов, способствует этим превращениям. Чем выше температура, тем больше закаленный сплав приближается к равновесному состоянию. Обработка, заключающаяся в нагреве сплава ниже температуры фазовых превращений называется отпуском.

Для любого закаленного сплава требуется данный вид термической обработки.

В данной работе для трех ударных образцов был проведен отпуск трех видов:

Образец 1.1: Низкий отпуск Т= 200,

Образец 1.2: Средний отпуск Т= 400,

Образец 1.3 Высокий отпуск Т= 600.

Время нагрева для всех образцов ф= 2 часа. Отпуск производился на воздухе.

После отпуска образцы зачищаются шлифовальной шкуркой, измеряется твердость. Результаты измерения твердости и после отпуска представлены в таблице 3.

График зависимости твердости от температуры отпуска представлен на рис. 23

После измерения твердости все образцы были отшлифованы и подвергнуты травлению для проведения микроанализа и выявления структур, полученных при отпуске.

Рис. 27 Свойства стали У10 после Т.О. Справочные данные.

В сравнении с справочными данными твердость после закалки всех образцов соответствует твердости, приведенной в марочнике стали (Сорокин В.Г.). Твердость после закалки для образцов данного размера в пределах 55-65 HRC. Твердость после трех видов отпуска вышла значительно ниже, чем в справочных данных. Причиной этого может быть неправильный режим отпуска (время выдержки, способ, скорость охлаждения), неправильная закалка (закалочные трещины, появление газовой рубашки).

На рис. 24 изображена структура стали У10 после низкого отпуска. При увеличении х350.

Структура мартенсит отпуска.

На рис. 25 изображена структура стали У10 после среднего отпуска.

Увеличение х350

Троостит отпуска с зернистыми включениями цементита.

Рис.25. Структура стали после отпуска 400. Образец 1.2



На рис. 26 изображена структура стали после высокого отпуска.

Увеличение х350.

Сорбит отпуска с зернистыми включениями цементита.

3.4 Динамические испытания стали У10

Испытания проводились на маятниковом копре типа Шарли с номинальной потенциальной энергией маятника 300 Дж (кгс.

Скорость движения маятника в момент удара для данного копра 50.5 м/с.

Исходные данные для образцов испытания: H=10мм, B=10мм

Рис. 27. Схема испытания на ударный изгиб. Копер типа Шарли.

Результаты испытаний на ударную вязкость занесены в таблицу 4

№ обр.	Тип Концентратора	Т закалки, Град. С	Т отпуска, Град. С	Работа удара А, Дж
1.1	V	800	200	3
1.2	V	800	400	30
1.3	U	800	600	18

Таблица 4. Результаты динамических испытаний.

Найдем значения ударной вязкости:

KC= K/ S₀,

где К - работа удара, Дж (кгсм);

S_o - начальная площадь поперечного сечения образца в месте концентратора, см², вычисляемая по формуле

S_о = HхB,

где Н₁ - начальная высота рабочей части образца, м;

В - начальная ширина образца, м.

Площадь поперечного сечения S₀=(0.01м)²=10^-4 м².

Глубина надреза h=2мм.

Таким образом ударная вязкость

KCV_1.1= 3/10^-4=30 кДж/м²

KCV_1.2= 80 кДж/м²

KCU_1.3= 18 кДж/м²

Вычисленные значения ударной вязкости представлены в таблице 5.

№ Обр.	Т отпуска, град. С	Работа удара А, Дж	Ударная вязкость, кДж/м2
1.1	200	3	30
1.2	400	8	80
1.3	600	18	180

Таблица 5. Значения ударной вязкости в зависимости от температуры отпуска.

По результатам динамических испытаний на ударный изгиб построен график зависимости ударной вязкости от температуры отпуска.



Рис. 28 Зависимость ударной вязкости от температуры отпуска.

Макросокпический анализ излома стали У10 после динамических испытаний

На рисунке 29 изображен излом стали У10 после испытаний на ударную вязкость, прошедшей термообработку: закалка+низкий отпуск.

Образец 1.1.

Кристаллический излом, поверхность характеризуется наличием блестящих плоских участков, образованных фасетками скола кристаллов, идущих по границам зерен в местах скопления различных дефектов.

Данный излом соответствует хрупкому разрушению.

Форма сечения образца осталась прежней.



На рисунке 30 изображен излом стали У10 после испытаний на ударную вязкость, прошедшей термообработку: закалка+средний отпуск. Образец 1.2.

Кристаллический излом, характеризующийся наличием плоских, ровных участков. Данный излом также соответствует хрупкому разрушению. Работа хрупкого разрушения невелика, так как оно происходит за счет высвобождения накопленной в системе энергии и поэтому для распространения трещины не требуется энергия извне. Форма сечения образца осталась прежней.

На рисунке 31 изображен излом стали У10 после испытаний на ударную вязкость, прошедшей термообработку: закалка +высокий отпуск. Образец 1.3.

Кристаллический излом, поверхность характеризуется наличием плоских блестящих участков. Такой излом также можно назвать результатом хрупкого разрушения. Работа такого разрушения также невелика. Форма сечения образца также не изменилась.

На данном рисунке можно увидеть поперечную трещину. Она, скорее всего образовалась в результате неправильной закалки образца.

3.5 Рентгеноструктурный анализ

Исследуемый образец с плоской поверхностью помещается в рентгеновский гониометр - прибор, позволяющий проводить автоматический поворот образца на угол O и счетчика излучения на угол 2O. Гониометр является частью рентгеновского дифрактометра, включающего в себя еще рентгеновскую трубку с высоковольтной схемой, измерительное устройство и компьютер или потенциометр. Рентгеновский луч направляется на образец под небольшим углом, образец поворачивается автоматически и одновременно с вдвое большей угловой скоростью по кругу движется детектор. На потенциометре или экране монитора регистрируется кривая, по оси абсцисс которой откладывается угол 2 O, а по оси ординат интенсивность отраженных лучей. Измеряя углы, соответствующие максимумам интенсивности, определяют межплоскостные расстояния с помощью формулы Вульфа - Брэгга, и, сравнивая со справочными данными, проводят идентификацию материала образца. Полученные кривые интенсивности несут в себе еще много информации. Так, соотношения между тригонометрическими функциями углов отражения позволяют определить тип элементарной ячейки, а также индексы атомных плоскостей, участвующих в отражении.

Расшифровка рентгенограммы (рис.32,33):

Определение угла 2O:

Из диаграммы рентгеноструктурного анализа для стали У10 проводим линию фона, определяем интенсивность I всех линий по высоте максимумов. Внутри максимумов отделяем 1/3 от вершины максимума, и параллельно линии фона проводим несколько дополнительных отрезков. После этого для каждого из этих отрезков находим середину. Через середины отрезков из вершин максимумов проводим прямые до оси значений 2O. Результаты 2O заносим в таблицу 6.

Далее находим значения Sin O, Sin² O

Для этого найдем углы O:

O₁=72.69; O₂= 72.72; O₃=72.63; O₄=72.65

Индексы интерференции HKL каждой линии на рентгенограмме определяем из произведения индексов семейства плоскостей (hkl). HKL = (220)

Длина волны для железного анодного покрытия Е

Порядок отражений: 4

Значения определяем по формуле Вульфа-Брегга:

;

Образец 1.1:

Образец 1.2:

Образец 1.3: = 1.0142

Образец 1.4:

Далее находим период кристаллической решетки по формуле:

а =

а_1.1 == 2.8686 Е;

а_1.2= Е;

а_1.3=2.8677 Е;

а_1.4= Е.

Межплоскостные расстояния d_hkl связаны с индексами и периодом решетки формулой:

=a²/ (n²+k²+l²);

Образец 1.1: d²= 1.0279;

Образец 1.2: d²=;

Образец 1.3:d²== 1.0281;

Образец 1.4: d²==1.0294.

Погрешность определения будет вычисляться по формуле:

|?a|=|a|

|?a|_1.1=0.0025

|?a|_1.2==0.004

|?a|_1.3= 0.003

|?a|_1.4 = 0.0005

Далее строится график зависимости периода кристаллической решетки от температуры отпуска (рис. 34).



Выводы по данной исследовательской работе

В результате данной исследовательской работе была изучена структура высокоуглеродистой стали с помощью микроскопического анализа. Также было выявлено содержание углерода в данной стали 1% С. С помощью дилатометрического анализа были найдены критические точки Ас₁; Ас₃. На основании этого, был выбран режим термообработки. Т_зак.=800, охлаждение в воде при t=20. Структура после закалки - мартенсит с включениями цементита. Твердость после закалки 63 HRC, что соответствует 652 HB кг*с/мм².

Для трех образцов после закалки был произведен отпуск трех видов.

После отпуска было произведено измерение твердости образцов, проведены механические испытания на ударный изгиб.

По результатам экспериментальных данных можно сделать вывод, что с повышением температуры отпуска, твердость значительно снижается, снижается хрупкость, ударная вязкость незначительно возрастает, период кристаллической решетки уменьшается.

В результате проделанных испытаний подобран оптимальный режим термической обработки стали У10. Закалка Т_з.=800 с охлаждением в двух средах - воде и масле, и низкий отпуск

Т_отп.=200 , так как после данного режима термической обработки достигается наилучший комплекс механических свойств, требуемых для данного вида стали. Твердость HB= 506 кг*с/мм² , работа ударного разрушения равна 3 Дж, ударная вязкость при этом 30 кДж/м², излом соответствует хрупкому разрушению. Структура стали после отпуска - мартенсит отпуска с периодом кристаллической решетки а = 2.8677 Е.

Данная сталь может быть применена для изготовления инструментов, работающих в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки. Для обработки дерева: пил ручных, поперечных и столярных, сверл спиральных. Для штампов холодной штамповки (вытяжных, высадочных, обрезных и вырубных) небольших размеров и без резких переходов по сечению. Для калибров простой формы и пониженных классов точности. Для накатных роликов, напильников, шаберов слесарных и др. Для холоднокатаной термообработанной ленты, толщиной от 2,5 до 0,02 мм, предназначенной для изготовления плоских и витых пружин и пружинящих деталей сложной конфигурации, клапанов, щупов, берд, ламелей двоильных ножей, конструкционных мелких деталей.

Тотп,	Твердость после отпуска, HB, кг*с/мм2	А, Дж	KCU(KCV), кДж/м2	а, Е
200	506	3	30	2.8686
200(ГОСТ)	555	2.8	28	2.8680

Таблица 7. Общие сведения по стали У10.

В таблице 7 приведены характеристики стали У10 при оптимальном режиме термической обработки, полученные в ходе исследовательской работы. Также, в таблице 7 приведены данные для стали У10 из ГОСТа для этого же режима термической обработки. Сравнение экспериментальных данных и данных по ГОСТу показывает, что характеристики, полученные в ходе эксперимента и установленные стандартом данные близки по своим значениям, в связи с чем, можно сделать вывод о качественно проведенных испытаниях стали У10.



Список используемой литературы

1. Лившиц Б.Г., Крапошин В.С., Линецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов. М. «Металлургия», 1980.

2. Белоус М.В., Черепин В.Т., Васильев М.А. «Превращения при отпуске стали». М., «Металлургия», 1973..

3. Черепин В.Т. Экспериментальная техника в физическом металловедении. Киев, Изд-во «Технiка», 1968.

4. «Рентгеноструктурный анализ. Лабораторный практикум. Электронная версия.

5. Cолнцев, Пряхин «Материаловедение», Спб,«ХимИздат»,2007.

6. Русаков А.А. Рентгенография металлов. Учебник для вузов. М., Атомиздат, 1977.

7. Балуев А. И. «Практическое руководство по металлографии судостроительных материалов», Ленинград,«Судостроение», 1982

8.Новиков И.И. «Теория термической обработки металлов», М. «Металлургия», 1978

9. Сорокин В.Г. «Марочник сталей и сплавов», М. «Машиностроение», 1989.

10. Гуляев А.П. «Металловедение», М. «Металлургия», 1986.

11. Богуславский Б.Л., Малов А.Н., Новиков М.П «Справочник металлиста в 5-ти томах, том 2, М. «Машиностроение», 1976.

Размещено на Allbest.ru