Методы исследования металлов и сплавов

1
http://portal.sibadi.org/file.php/11/mater AT/1/1_4.htm
1.4. Методы исследования металлов и сплавов
Методы исследования металлов и сплавов условно можно разбить на
две группы: методы, с помощью которых определяют строение и
превращения, протекающие в материалах и методы, использование которых
позволяет непосредственно определять свойства материалов, в тех или иных
условиях эксплуатации.
К
первой
группе
относятся
главным
образом
методы
макроструктурного и микроструктурного анализа металлов и сплавов.
Структура – порядок расположения атомов или молекул, а затем их
группировка в более крупные скопления, называемые кристаллическими
образованиями. Поэтому различают микро- и макроструктуру.
Макроанализ – изучение структуры металлов и сплавов при увеличении
до 30 раз.
Цели макроанализа:
а) Определить макродефекты (поры, трещины, раковины и т. д.).
Макродефекты недопустимы, так как они ослабляют рабочее сечение детали и
являются концентраторами напряжений при знакопеременных нагрузках. Они
должны быть удалены.
б) Определить величину зерна или кристалла в литом металле (рис.
1.4.1).
Рис. 1.4.1. Зерна и кристаллы в литом металле: 1,3 – зерна; 2 – кристаллы; 4
– раковина
Кристалл имеет неправильную форму в виде столба и называется еще
дендритом (что значит древовидный). Зерно – округленный кристалл. Чем
мельче зерно, тем выше вязкость металла и его работоспособность.
в) Определить направление волокон в деформированном металле.
Деформированный металл – металл, полученный в результате пластической
деформации. При пластической деформации наблюдается смещение слоев
металла (зерен) друг относительно друга. При этом согласно законам
Стр. 1 из 10
18.09.2013 16:28
1
http://portal.sibadi.org/file.php/11/mater AT/1/1_4.htm
гидравлики неметаллические включения (оксиды, карбиды, нитриды и т. д.)
оттесняются к границам течения слоев металла и располагаются вдоль границ
зерен, волокон. Волокно – сильно деформированное зерно. С учетом
вышесказанного в опасных сечениях детали волокна должны располагаться
параллельно действующим напряжениям (рис. 1.4.2, а).
Рис. 1.4.2. Расположение волокон в деформированном металле (P –
действующая нагрузка в образце): а – продольное расположение волокон; б –
поперечное расположение волокон
г) Изучить излом образца. По характеру излома образца судят о
характере разрушения металла. Кристаллический, блестящий излом
наблюдается при хрупком разрушении стали пониженной вязкости. При
вязком разрушении характерен волокнистый (матовый) излом.
Объектом
изучения
макроструктуры
служит
макрошлиф,
представляющий собой продольное или поперечное сечение детали и
подвергнутый следующим операциям: а) механическая вырезка образца; б)
шлифование образца шлифовальными бумагами различной зернистости или
наждачным кругом; в) травление в 4-х процентном растворе HNO3 (если
материал образца – углеродистая сталь или чугун); г) промывка спиртом,
сушка.
В результате указанных операций в литом металле наблюдаются
зерна или кристаллы, а в деформированном – направление волокон (рис.
1.4.3).
Стр. 2 из 10
18.09.2013 16:28
1
http://portal.sibadi.org/file.php/11/mater AT/1/1_4.htm
Рис. 1.4.3. Макроструктуры поковок коленчатого вала: а – правильное
расположение волокон; б – неправильное расположение волокон
Макроанализ дает грубую оценку качества заготовки, детали. Для более
качественной оценки полученной заготовки служит микроструктурный анализ
сплавов.
Микроанализ – изучение структуры при увеличении свыше 50 раз. Цели
микроанализа: а) определить тип структуры; б) определить величину
микрозерна; в) определить микродефекты (поры, трещины, раковины и т. д.);
г) по микроструктуре в углеродистых сталях определить содержание углерода.
Объектом для изучения микроструктуры служит микрошлиф,
представляющий часть детали (заготовки) сечением около 1 см2.
Приготовление
микрошлифа
происходит
в
следующей
последовательности: а) механическая вырезка; б) шлифование; в)
полирование до получения зеркальной поверхности; г) травление в 4-х
процентном растворе HNO3 (если образец из углеродистой стали, чугуна); д)
промывка спиртом, сушка.
Цель полирования – получить поверхность с минимальной
шероховатостью.
Цель травления – получить шероховатую поверхность из-за различной
травимости структурных составляющих.
Микроструктуру изучают на оптическом (либо электронном) микроскопе
в отраженном свете, так как металлы и сплавы непрозрачные. Схема
отражения лучей от травленной поверхности и полученная структура
приведены на рис. 1.4.4.
Стр. 3 из 10
18.09.2013 16:28
1
http://portal.sibadi.org/file.php/11/mater AT/1/1_4.htm
Рис. 1.4.4. Схема отражения лучей от травленной
поверхности и полученная структура: 1 – светлое зерно;
2 – серое зерно; 3 – черное зерно
В окуляре микроскопа наблюдаются светлые, серые, черные зерна.
Остается только расшифровать, какие это структурные составляющие.
Оптический микроскоп для изучения микроструктуры представлен на
рис. 1.4.5.
Рис. 1.4.5. Общий вид микроскопа МИМ-7: 1 – основание; 2 – корпус; 3 –
фотокамера; 4 – микрометрический винт; 5 – визуальный тубус с окуляром; 6
– рукоятка иллюминатора; 7 – иллюминатор; 8 – предметный столик; 9 –
клеммы; 10 – винты перемещения столика; 11 – макрометрический винт; 12 –
Стр. 4 из 10
18.09.2013 16:28
1
http://portal.sibadi.org/file.php/11/mater AT/1/1_4.htm
осветитель; 13 – рукоятки светофильтров; 14 – стопорное устройство
осветителя; 15 – рамка с матовым стеклом
Главной частью микроскопа является оптическая система – набор линз,
отражательных зеркал, призма, объектив. Микроструктуру можно наблюдать
через окуляр 5. Микрошлиф кладется на предметный столик 8, под которым
находится объектив. Четкость изображения микроструктуры регулируется
винтами 11 и 4. Микроструктуру можно сфотографировать в фотокамере 3.
Ко второй группе методов исследования металлов и сплавов
главным образом относятся методы механических испытаний, в
результате которых определяются механические свойства материалов.
Механическими свойствами материалов называют свойства, которые
выявляются испытаниями при воздействии внешних нагрузок. В результате
таких испытаний определяют количественные характеристики механических
свойств. Эти характеристики необходимы для выбора материалов и режимов
их технологической обработки, расчетов на прочность деталей и конструкций,
контроля и диагностики их прочностного состояния в процессе эксплуатации.
Контроль механических свойств начинается еще при производстве
металла на металлургических заводах. Когда металл или прокат поступает к
потребителю, например на машиностроительные заводы, его отбирают в
зависимости от уровня характеристик механических свойств для изготовления
тех или иных изделий с учетом условий их эксплуатации. При изготовлении
изделий металл подвергается различной технологической обработке
(механической, термической и др.), под воздействием которой происходят
изменения в структуре и механических свойствах. Поэтому необходим
контроль механических свойств металла и на различных стадиях изготовления
изделий.
При проведении механических испытаний стремятся воспроизвести
такие условия воздействия на материал, которые имеют место при
эксплуатации изделия, изготовленного из этого материала. Многообразие
условий службы материалов обусловливает проведение большого числа
механических испытаний. Но вместе с тем основными признаками,
позволяющими классифицировать виды механических испытаний, являются:
•
способ нагружения (растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез,
циклическое нагружение и др.);
• скорость нагружения (статическая, динамическая);
• протяженность процесса испытания во времени (кратковременная,
длительная).
Существуют
и
другие
признаки
классификации,
которые
характеризуются сложностью напряженно-деформированного состояния,
режимами нагружения, типами образцов, агрессивностью среды.
В результате механических испытаний материалов определяют
следующие характеристики: упругость, пластичность, прочность,
твердость, вязкость, усталость, трещиностойкость, хладостойкость,
жаропрочность и др.
Прочность – это способность твердого тела сопротивляться
Стр. 5 из 10
18.09.2013 16:28
1
http://portal.sibadi.org/file.php/11/mater AT/1/1_4.htm
деформации или разрушению под действием статических или динамических
нагрузок.
Упругость является свойством материалов внутренними силами
восстанавливать
первоначальную
форму,
искажаемую
внешними
воздействием, после прекращения этого воздействия. Деформации,
возникающие в данном случае в кристаллах материалов, называются
упругими. В области упругих деформаций сохраняется линейная зависимость
между нагрузкой и деформацией, а упругие напряжения в металлах
определяются законом Гука.
Пластичностью
называют
свойство
металлов
пластически
деформироваться без разрушения. Она обеспечивает возможность придавать
изделиям необходимую форму, уменьшать чувствительно к концентрации
напряжений, изменять структуру металлов в желаемом направлении.
Пластическая деформация в металлах возникает при воздействии
внешних механических и термических напряжений, при кристаллизации,
термической обработке деталей.
Усталостью называют процесс постепенного накопления повреждений
в металлах при действии циклических нагрузок, приводящих к образованию
трещин и разрушению.
Под твердостью материала понимается сопротивление, оказываемое
материалом внедрению в поверхность другого, более твердого тела
определенной формы и размеров.
Вязкость, или внутреннее трение – это свойство текучих тел оказывать
сопротивление перемещению одной их части относительно другой.
Трещиностойкостью называют свойство материалов сопротивляться
развитию трещин при механических и других воздействиях.
В качестве примера наиболее распространенных методов механических
испытаний рассмотрим статические испытания на растяжение (оценивается
прочность) и статические испытания на твердость.
Испытания на растяжение
Испытания на растяжение позволяют получить достаточно полную
информацию о механических свойствах материала. Для этого применяют
специальные образцы, имеющие в поперечном сечении форму круга
(цилиндрические образцы) или прямоугольника (плоские образцы).
Статические испытания на растяжение производят на специальных
испытательных машинах (рис. 1.4.6)на которых образец круглого или
прямоугольного сечения подвергается растяжению.
Стр. 6 из 10
18.09.2013 16:28
1
http://portal.sibadi.org/file.php/11/mater AT/1/1_4.htm
Рис. 1.4.6. Статические испытания на растяжение: а – конструкция
универсальной испытательной машины; б – диаграмма растяжения; 1 и 4 –
преобразователь; 2 – испытуемый образец; 3 – нагружающее устройство; 5 –
регистрирующее устройство
С помощью нагружающего устройства 3 испытуемый образец 2
подвергается растяжению. Преобразователь 4 регистрирует деформацию
образца и с помощью регистрирующего устройства 5 (например,
диаграммного типа) фиксируется последовательное изменение деформации
при соответствующей нагрузке, оцениваемой преобразователем 1.
Результаты испытания, показывающие зависимость между нагрузкой Р
(Н) и деформацией Dl (мм), могут быть изображены диаграмме растяжения
(рис. 1.4.6, б).
Прочность при статических нагрузках оценивается временным
сопротивлением sВ и пределом текучести sТ (МПа).
sВ – это условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке
РВ, предшествующей разрушению образца.
sТ –напряжение, при котором начинается пластическое течение
металла.
Также диаграмма растяжения дает ряд величин, позволяющих судить об
упругих свойствах испытуемого металла (например, условный предел
упругости s0,05 – напряжение, при котором абсолютное остаточное удлинение
достигает 0,05 % от расчетной длины образца), его пластических свойствах
(например, относительное предельное удлинение, в % от первоначальной
длины образца).
Указанные характеристики прочности для наиболее часто применяемых
металлов и сплавов приводятся в ряде справочников, например в справочнике
Стр. 7 из 10
18.09.2013 16:28
1
http://portal.sibadi.org/file.php/11/mater AT/1/1_4.htm
конструктора-машиностроителя.
Испытания на твердость
Наиболее применимы стандартные методы определения твердости
металлов при статической нагрузке: стальным шариком (по Бринеллю),
алмазным конусом (по Роквеллу) и алмазной пирамидой (по Виккерсу).
Метод Бринелля применяют для измерения твердости металлов,
твердость по Бринеллю которых меньше 450 HB (НВ – число твердости по
Бринеллю, определяется как среднее давление в ньютонах на квадратный
метр). Схема испытания твердости дана на рис. 1.4.7.
Рис. 1.4.7. Схема испытания твердости по методу Бринелля: 1 – стальной
закаленный шарик; 2 – испытуемый образец
Сущность замера твердости: стальной закаленный шарик 1 диаметром
D под действием нагрузки P вдавливается в образец 2. После снятия нагрузки
P на образце остается отпечаток диаметром d, который является мерой
твердости. Чем больше диаметр отпечатка, тем твердость материала меньше.
Согласно ГОСТ 9012–59 диаметр шарика, нагрузка и выдержка под нагрузкой
зависят от сплава и толщины образца.
Число твердости по Бринеллю (HB) подсчитывается как отношение
нагрузки P к площади сферического отпечатка F:
,
где F – площадь поверхности отпечатка, мм2; P – нагрузка на шарик, кг.
На практике пользуются заранее составленными таблицами,
указывающими число HB в зависимости от диаметра отпечатка d при
постоянных значениях нагрузки P и диаметра шарика D.
Работы Н. А. Минкевича, И. А. Одинга, Н. В. Гевелинга показали, что
между пределом прочности sВ и числом твердости HB различных материалов
существуют следующие зависимости:
сталь с 12...45 HB – sВ =0,35×HB;
медь, латунь, бронза отожженная – sВ =0,55×HB;
медь, латунь, бронза наклепанная – sВ =0,40×HB;
алюминий и его сплавы с 20...45 HB – sВ =0,35×HB.
При испытании на твердость по методу Роквелла в поверхность
материала вдавливается алмазный конус с углом при вершине 120° или
стальной шарик диаметром 1,588 мм. За условную меру твердости
применяется глубина отпечатка. Схема испытания дана на рис. 1.4.8.
Стр. 8 из 10
18.09.2013 16:28
1
http://portal.sibadi.org/file.php/11/mater AT/1/1_4.htm
Рис. 1.4.8. Схема испытаний твердости по Роквеллу:
PПР – предварительная нагрузка; PОСН – основная нагрузка
Вначале прикладывается предварительная нагрузка PПР, под действием
которой индентор (алмаз, шарик) вдавливается на глубину h0. Затем
прикладывается основная нагрузка PОСН, под действием которой индентор
вдавливается на глубину h1. После этого снимают основную нагрузку. Под
действием упругой деформации индентор поднимается вверх, но не достигает
уровня h0. Разность (h – h0) зависит от твердости материала. Чем тверже
материал, тем меньше эта разность. Глубина отпечатка измеряется
индикатором часового типа с ценой деления 0,002 мм. Число твердости
обозначается символом HR. Существуют три способа замера твердости по
методу Роквелла:
а) Способ А (HRA 80, HRA 90). Нагрузка вдавливания P=
PПР+PОСН=10+50=60 кг. В качестве индентора используется алмазный конус.
Способом А замеряют твердость твердых сплавов.
б) Способ B (HRB 25, HRB 50). Нагрузка вдавливания P=
PПР+PОСН=10+90=100 кг. В качестве индентора используется стальной
шарик. Способом B замеряют твердость мягких материалов.
с) Способ С (HRС 30, HRС 60). Нагрузка вдавливания P=
PПР+PОСН=10+140=150 кг. В качестве индентора используется алмазный
конус. Способом С замеряют твердость закаленных сталей.
Числа твердости по Роквеллу подсчитываются по формулам
HRA(HRC)=100–[(h–h 0)/0,002];
HRB=130–[(h–h 0)/0,002],
где 100 и 130 – предельно заданное число делений индикатора часового типа
с ценой деления 0,002 мм. Значение твердости по методу Роквелла
фиксируется стрелкой индикатора.
При испытании твердости по методу Виккерса в поверхность материала
вдавливается алмазная правильная четырехгранная пирамида с углом при
вершине a=136°. После снятия нагрузки измеряется диагональ отпечатка d
квадрата. Число твердости по Виккерсу HV подсчитывается как отношение
нагрузки P к площади поверхности пирамидального отпечатка M:
.
Нагрузка P меняется от 1 до 120 кг.
Число твердости по Виккерсу обозначается символом HV с указанием
нагрузки P и времени выдержки под нагрузкой. Размерность твердости не
Стр. 9 из 10
18.09.2013 16:28
1
http://portal.sibadi.org/file.php/11/mater AT/1/1_4.htm
ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой принимают
для сталей 10-15 с. Например, 450 HV 10/15 означает, что число твердости по
Виккерсу 450 получено при P=10 кг, приложенной к алмазной пирамиде в
течение 15 с.
Данным методом замеряют твердость тонких поверхностных слоев.
Показатели твердости основных сплавов также даются в справочной
литературе.
Существуют зависимости и таблицы, позволяющие при необходимости
перевести один вид единиц твердости в другой.
Выше были рассмотрены механические испытания при статическом
нагружении, к которым также относятся испытания на трещиностойкость
(искусственная трещина определенных размеров подвергается растяжению).
При динамическим нагружении образцы испытывают на ударную вязкость,
хладноломкость (способность охрупчиваться при низких температурах) и
критическую температуру хрупкости. При циклическом нагружении производят
испытания на усталость (способность выносить длительные циклические
нагрузки). Существуют и другие виды механических испытаний, менее
распространенные.
Стр. 10 из 10
18.09.2013 16:28