Определение основных характеристик сплавов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Что называют твердостью. Перечислите основные способы определения твердости и укажите область применения каждого способа

Твердостью называется способность металлов оказывать сопротивление внедрению в их поверхность других, более твердых тел (не изменяющих при вдавливании своей формы).

Твердость является одним из важнейших механических свойств металлов. От степени твердости зависит возможность использования металла для изготовления различных деталей машин или инструментов.

Твердость тесно связана с такими основными характеристиками металлов и сплавов, как прочность, износоустойчивость, и является весьма важной характеристикой металла при выборе режущих инструментов (напильников, резцов, метчиков, сверл и др.). Чем тверже металл, тем он хуже обрабатывается на металлорежущих станках. Часто в зависимости от твердости металла судят о его способности сопротивляться износу, например, чем тверже сталь, тем меньше она изнашивается, и наоборот. В настоящее время имеется много методов определения твердости металлов. В заводской и лабораторной практике особенно широкое распространение получили такие способы испытаний твердости:

а) вдавливанием шарика из твердой стали (метод Бринелля), ГОСТ 9012-59;

б) вдавливанием вершины алмазного конуса (метод Роквелла), ГОСТ 9013-59

в) вдавливанием вершины алмазной пирамиды (метод Виккерса), ГОСТ 2999-59.

Твердость по Бринеллю

При практическом определении твердости разными методами нагрузку P по настоящее время принято задавать в кгс. Метод измерения твердости по Бринеллю регламентирован ГОСТ 9012. При определении твердости этим методом стальной шарик определенного диаметра D вдавливают в тестируемый образец под действием нагрузки Р, приложенной перпендикулярно к поверхности образца, в течение определенного времени (Рис. 1). После снятия нагрузки измеряют диаметр отпечатка d. Число твердости по Бринеллю обозначается буквами НВ, и его определяют путем деления нагрузки Р на площадь поверхности сферического отпечатка F.

Для удобства имеются таблицы чисел твердости по Бринеллю и зависимости от диаметра шарика D, диаметра отпечатка d и нагрузки Р.

Рис. 1 Схема измерения твердости по Бринеллю

В качестве инденторов используют полированные (Ra < 0,04 мкм) шарики из стали ШХ15 с номинальными диаметрами D = 1; 2; 2,5; 5 и 10 мм, последние считаются более предпочтительными, как обеспечивающие большую точность измерения твердости (особенно при измерении твердости чугуна или крупнозернистых сплавов).

Минимально допустимая толщина образца для корректного измерения твердости НВ должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка h.

Испытания проводят при комнатной температуре в отсутствие вибраций и ударов. Время выдержки под нагрузкой т для черных металлов составляет 10...15 с, а для цветных металлов и сплавов от 10 до 180 с. Нагрузку на индентор выбирают с учетом соотношения К = Р/D²:

Металлы и сплавы К, кгс/мм²

Сталь, чугун и другие высокопрочные сплавы ….30

Медь, никель и их сплавы........................................10

Алюминий, магний и их сплавы................................5

Например, при испытании сталей и чугунов при диаметре шарика D = 10 мм нагрузка должна быть 3000 кгс, а время выдержки под нагрузкой 10...15 с. Число твердости в этом случае обозначает- ея цифрами со стоящим после них символом НВ (например, 250 НВ). Иногда после букв НВ указывают условия испытаний - НВ D/P/ф, например: 250 НВ 5/750/25 - твердость по Бринеллю 250, полученная при диаметре шарика D = 5 мм, нагрузке Р = 750 кгс и времени выдержки под нагрузкой т = 25 с.

Измерение твердости по Бринеллю не рекомендуется применять для стали с твердостью более 450 НВ, а для цветных металлов более 200 НВ.

Твердость по Виккерсу

Метод измерения твердости по Виккерсу регламентируется ГОСТ 2999. Метод используют для определения твердости деталей и металлопродукции малой толщины, а также тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость.

Твердость по Виккерсу измеряют путем вдавливания в образец (изделие) алмазного наконечника в форме правильной четырехгранной пирамиды под действием нагрузки Р в течение времени выдержки ф (Рис. 2). После снятия нагруби измеряют диагонали оставшегося на поверхности материала отпечатка -d1, d2 и вычисляют их среднее арифметическое значение -- d, мм.

Значения твердости по Виккерсу при стандартных нагрузках н зависимости от длины диагонали d (мм) даны в соответствующих таблицах.

При испытаниях применяют следующие нагрузки Р, кгc: 1; 2; 2,5; 3; 5; 10; 20; 30; 50; 100.

Число твердости по Виккерсу обозначают цифрами, характеризующими величину твердости со стоящим после них символом HV (например, 200 HV). Иногда после символа HV указывают нагрузку и время выдержки, например: 200 HV 10/40 - твердость по Виккерсу, полученная при нагрузке Р= 10 кгс и времени выдержки под нагрузкой т = 40 с. В ГОСТе сказано, что точного перевода чисел твердости по Виккерсу на числа твердости, полученные другими методами, или на механические свойства при растяжении не существует и таких переводов (за исключением частных случаев) следует избегать.

Рис 2 Схема измерения твердости по Виккерсу

Твердость по Роквеллу

Метод измерения твердости по Роквеллу регламентирован ГОСТ 9013. При определении твердости этим методом (Рис. 3) тестируемый образец (изделие) под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок - предварительной P₀ (обычно Р₀ = 10 кгс) и общей Р - вдавливают индентор (алмазный конус или стальной шарик). При этом общая нагрузка равна сумме предварительной P₀ и основной Р₁ нагрузок: P = P₀+P_1.

После выдержки под приложенной общей нагрузкой Р в течение 3...5 с основную нагрузку Р₁ снимают и измеряют глубину проникновения индентора в материал А под действием общей нагрузки Р затем снимают оставшуюся предварительную нагрузку P₀.

Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах. За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению индентора на 0,002 мм. Число твердости определяется по шкале индикатора (как правило, часового типа). Индикатор показывает результат вычитания разности глубин (h -h₀), на которые вдавливается индентор под действием двух последовательно приложенных нагрузок, из некоторой константы.

Величина h₀ -- глубина внедрения индентора в испытуемый образец под действием предварительной нагрузки P₀ (см. Рис 3).

В зависимости от формы индентора и прилагаемой нагрузки введены три измерительные шкалы: А, В, С (Табл. 1). Наиболее часто используемыми шкалами являются А и С. Число твердости по Роквеллу обозначается цифрами, характеризующими величину твердости, со стоящим после них символом HIRA, HRB или HRC (в зависимости от используемой шкалы измерения), например: 25,5 HRC

2. Какую кристаллизацию называют первичной, а какую -- вторичной? Начертите диаграмму железо -- цементит и укажите линии первичной и вторичной кристаллизации

Первичная кристаллизация, т. е. затвердевание жидкого сплава начинается при температурах, соответствующих линии ликвидуса ACD. Точка А на этой диаграмме соответствует температуре 1539° плавления (затвердевания) железа, точка D - температуре ~1600°С плавления (затвердевания) цементита. Линия солидуса AECF соответствует температурам конца затвердевания. При температурах, соответствующих линии АС, из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а линии CD - цементит, называемый первичным цементитом. В точке С при 1147°С и содержании углерода 4,3% из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и цементит (первичный), образуя эвтектику - ледебурит. При температурах, соответствующих линии солидуса АЕ, сплавы с содержанием углерода до 2,14% окончательно затвердевают с образованием аустенита. На линии солидуса ECF сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,67% окончательно затвердевают с образованием эвтектики (ледебурита) и структур, образовавшихся ранее из жидкого сплава, а именно: в интервале 2,14-4,3% С - аустенита, а в интервале 4,3-6,67% С - цементита первичного

В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода до 2,14%, т. е. в сталях, образуется однофазная структура - аустенит. В сплавах с содержанием углерода более 2,14%, т. е. в чугунах, при первич ной кристаллизации образуется эвтектика ледебурита.

Вторичная кристаллизация (превращение в твердом состоянии) происходит при температурах, соответствующих линиям GSE, PSK и GPQ. Превращения в твердом состоянии происходят вследствие перехода железа из одной аллотропической модификации в другую (г в б) и в связи с изменением растворимости углерода в аустените и феррите. С понижением температуры растворимость уменьшается. Избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита.

В области диаграммы AGSE находится аустенит. При охлаждении сплавов аустенит распадается с выделением феррита при температурах, соответствующих линий GS, и цементита, называемого вторичным, при температурах, соответствующих линии SE. Вторичным называют цементит, выделяющийся из твердого раствора аустенита, в отличие от первичного цементита, выделяющегося из жидкого расплава. В области диаграммы GSP находится смесь феррита и распадающегося аустенита. Ниже линии GP существует только феррит. При дальнейшем охлаждении до температур, соответствующих линии PQ, из феррита выделяется цементит (третичный).

Линия PQ показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в феррите уменьшается от 0,02% при 727°С до 0,005% при комнатной температуре.

3. От чего зависит выбор охлаждающей среды при закалке? Объясните, почему углеродистые стали, как правило, закаливают в воде, а легированные -- в масле

Выбор охлаждающей среды во многом зависит от материала обрабатываемой детали. Например, необходимо помнить, что в процессе механической обработки деталей из винипласта последние в небольшом количестве выделяют газообразный хлористый водород.

Если обработка винипласта осуществляется с применением охлаждающей жидкости, то этот газ не попадает в окружающий воздух, а смешивается с жидкостью. В результате образуется слабый раствор кислоты, вызывающий быстрое ржавление режущих инструментов и оборудования. В данном случае в качестве охлаждающей среды следует применять сжатый воздух. Выбор охлаждающей среды для закалки стали зависит от содержания в ней углерода. Сталь, содержащая 0 9 % углерода, требует наименьшей скорости закалки (около 400 град). Все углеродистые стали с содержанием углерода более 0 3 % закаливают в воде.

Выбор охлаждающей среды обусловлен прежде всего холодной производительностью машины и ее типом. Выбор охлаждающей среды при поверхностной закалке находится в прямой зависимости от способа закалки. Так, например, при одновременном нагреве мелких изделий, процесс нагрева может быть отдален от процесса охлаждения; в этом случае возможно применение масляного охлаждения при закалке: после нагрева деталь падает в бак с маслом. Выбор охлаждающих сред (закалочной жидкости) зависит от марки стали, размеров и формы детали, требуемой твердости.

Свойства охладителей по сравнению со свойствами воздуха. Зависимость превышения температуры проводника от относительного сечения канала при постоянной скорости течения охлаждения среды. При выборе охлаждающей среды должны быть приняты во внимание все аспекты, связанные с преимуществами и недостатками того или иного агента

Относительно охлаждающих сред рецепт таков: все углеродистые стали калят в воде, а легированные - в масле. Вода стремительно отбирает тепло, поэтому скорость охлаждения в ней высока. Масло действует мягче и постепенней. В принципе, высокоуглеродистую сталь можно закалить и в масле, а низколегированную - в воде, но результат будет средним. Чаще всего такие попытки приводят к недокалу первой и растрескиванию второй.

твердость кристаллизация сплав электросопротивление

4. Опишите сплавы с высоким удельным электросопротивлением. Укажите их марки, состав и область применения

Сплавы с высоким удельным электрическим сопротивлением являются твердыми растворами в силу того, что у твердых растворов сопротивление выше, чем у образующих их элементов. Различают сплавы реостатные для изготовления реостатов и элементов электроизмерительных приборов и жаростойкие, которые используют для нагревательных элементов печей и электронагревательных приборов. В качестве реостатных сплавов широкое применение нашли сплавы меди и никеля: константан (40% Ni, 1,5% Мп, остальное -- Си) и никелин (45% Ni, 55% Си). В качестве жаростойких применяют нихромы (например, Х20Н80 -- 80% Ni, 20% Сг), фехрали (Х13Ю4 -13% Сг, 4% А1, остальное -- Fe), хромали (Х23Ю5 -- 23% Сг, 5% А1, остальное -- Fe). Эти сплавы используют для эксплуатации при температурах до 1100…1200°С. Для более высоких температур -- 1500… 2 500 °С -- применяют тугоплавкие металлы вольфрам и молибден (температура плавления 3380 и 2990 °С соответственно) и сплавы на их основе.

Термоэлектродные сплавы используют для изготовления термопар, т.е. датчиков температуры. Основные требования к сплавам для термопар: большие величины термоЭДС; стабильность термоэлектрических свойств; устойчивость против окисления в интервале рабочих температур. Основными термоэлектродными сплавами являются никелевые и медно-никелевые: алюмель -- НМцАК2-2-1 (95% Ni, 2% Мп, 2% А1, 1% Si), хромель -- НХ 9,5 (90% Ni, 10% Сг), копель -- МНМц 43-0,5 (56,5% Си, 43% Ni, 0,5% Мп). В промышленности используют следующие термопары: ХК (хромель -- копель) при температурах до 600 °С, ХА (хромель -- алюмель) -- до 1000 °С. Для измерения высоких температур (до 1600… 1800 °С) используются термопары, одним из электродов которых является платина, а вторым сплав платины и родия -- платинородий (термопара ПП: платина -- платинородий).

5. Опишите термическую обработку магниевых сплавов. Укажите ее особенности и свойства сплавов после термической обработки

Магний - очень легкий металл, его плотность - 1,74 г/см³. Температура плавления - 650^оС. Магний имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку. Очень активен химически, вплоть до самовозгорания на воздухе. Механические свойства технически чистого магния (Мг1): предел прочности - 190 МПа, относительное удлинение - 18 %, модуль упругости - 4500 МПа.

Основными магниевыми сплавами являются сплавы магния с алюминием, цинком, марганцем, цирконием.

Сплавы делятся на: деформируемые и литейные.

Деформируемые сплавы магния. Литейные сплавы магния.

Термическая обработка магниевых сплавов.

Магний плохо деформируется при нормальной температуре. Низкая пластичность магния при комнатной температуре объясняется тем, что в металлах с гексагональной кристаллической решеткой скольжение происходит только по базисным плоскостям. Повышение температуры приводит к появлению новых плоскостей скольжения и двойникования и, как следствие, к увеличения пластичности. Пластичность сплавов значительно увеличивается при горячей обработке давлением. В связи с этим обработку давлением магния проводят при температуре 350-450 ^оС в состоянии набольшей пластичности.

Деформируемые сплавы маркируют МА1, МА8, МА9, ВМ1.

Из деформируемых магниевых сплавов изготавливают детали автомашин, самолетов, прядильных и ткацких станков. В большинстве случаев эти сплавы обладают удовлетворительной свариваемостью. По химическому составу многие литейные сплавы близки к деформируемым. Их преимуществом является значительная экономия металла при производстве деталей, поскольку высокая точность размеров и хорошая чистота поверхности отливок почти исключают их обработку резанием. Однако из-за грубозернистой литой структуры они имеют более низкие механические свойства, особенно пластичность. Улучшение механических свойств литейных сплавов достигается различными способами: перегревом, модифицированием, гомогенизацией отливок, а также применением особо чистых шихтовых материалов при приготовлении сплавов. Перегрев дает хорошие результаты в сплавах с алюминием, выплавленных в железных тиглях. Для модифицирования используют цирконий, магнезит, мел. При гомогенизации происходит растворение грубых интерметаллидных фаз, охрупчивающих сплавы.

Литейные сплавы маркируются МЛ3, МЛ5, ВМЛ-1. Последний сплав является жаропрочным, может работать при температурах до 300 ^оС. Отливки изготавливают литьем в землю, в кокиль, под давлением. При нагреве магний активно окисляется и при температуре выше 623 ^оС на воздухе воспламеняется. По этой причине, необходимы меры, предотвращающие загорание сплава при плавке, в процессе литья.

Из литейных сплавов изготавливают детали двигателей, приборов, телевизоров, швейных машин. Магниевые сплавы, благодаря высокой удельной прочности широко используются в самолето и ракетостроении.

Увеличение растворимости легирующих элементов в магнии с повышением температуры позволяет упрочнять магниевые сплавы с помощью закалки и искусственного старения. Закалку проводят от температуры 380…420 ^оС, старение при температуре 260…300 ^оС в течение 10…24 часов. Однако термическая обработка магниевых сплавов затруднена из-за замедленных диффузионных процессов в магниевом твердом растворе. Малая скорость диффузии требует больших выдержек при нагреве под закалку. Поэтому особенностью термической обработки магниевых сплавов является длительная выдержка под закалку - 4…24 часа.

Характерными особенностями закалки и старения магниевых сплавов являются:

1) длительная выдержка при температуре закалки (особенно для отливок -- до 30 ч), что объясняется малой скоростью диффузионных процессов;

2) возможность закалки с охлаждением на воздухе в связи с замедленным распадом пересыщенного твердого раствора;

3) длительная выдержка при искусственном старении в связи с большой устойчивостью пересыщенного твердого раствора;

4) необходимость применения при нагреве под закалку специальной защитной среды (обычно при меняют печи с циркуляцией сухого воздуха) в связи с тем, что при высоких температурах магниевые сплавы интенсивно окисляются.

Температура закалки для большинства магниевых сплавов 360-- 415° С; температура старения 170--200° С. По сравнению с алюминиевыми магниевые сплавы после закалки и старения упрочняются значительно меньше (эффект упрочнения 25--35%), и поэтому магниевые сплавы часто подвергают только закалке (для гомогенизации).

Деформируемые магниевые сплавы по сравнению с литейными имеют после упрочняющей термической обработки более высокие механические свойства.

6. Выберите и обоснуйте марки сплавов для: а) линейки штангенциркуля

Стали для измерительного инструмента.

Стали этого назначения должны обладать высокой твердостью и износостойкостью, сохранять постоянство формы и размеров в течение длительного срока эксплуатации. Кроме того, от них требуется хорошая обрабатываемость для получения высокого класса чистоты поверхности и малая деформация при термической обработке. Для измерительного инструмента обычно применяют высокоуглеродистые стали У8--У12 и низколегированные стали марок X, ХГС, ХВГ, 9ХС, содержащие около 1 % С и до 1,5 % Ст. Их твердость после термообработки должна быть не менее НКС 60--64.

После обычной термической обработки в структуре высокоуглеродистых сталей обычно присутствует остаточный аустенит, из-за чего она не является стабильной. Для обеспечения высокой твердости стали и стабильности размеров инструмента в процессе эксплуатации проводится специальная термическая обработка. Она состоит из закалки в масле, для особо точных инструментов включает дополнительно обработку холодом при температуре --80 °С и длительного (до 30 ч) низкотемпературного отпуска --старения при 120--170 °С. Нагрев при более высокой температуре недопустим из-за снижения твердости и износостойкости инструмента. Длительный отпуск предотвращает процессы старения и распад мартенсита в течение всего периода эксплуатации инструмента. Для измерительных инструментов большого размера и сложной геометрии используют азотируемые стали типа 38Х2МЮА.

Список литературы

Материалы XXVI и XXVII съездов КПСС.

Кузьмин Б. А. и др. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы. М., 1977.

Кнорозов Б. В., Усова Л. Ф. и др. Технология металлов. М., 1978.

Никифоров В. М. Технология металлов и конструкционные материалы. М.

Размещено на Allbest.ru