Лекция 3 Свойства металлов, способы их определения

Твердость

Твердость — одна из характеристик механических свойств ме­таллов. Обычно ее определяют воздействием на поверхность металла наконечни­ка, изготовленного из твердого материала (твер­дая закаленная сталь, алмаз, сапфир или твердый сплав) и имеющего форму шарика, конуса, пирамиды или иглы.

Твердость изме­ряется несколькими способами, различающи­мися по характеру воздействия на наконечник.

Вдавливанием наконечника (способ вдавливания) — со­противление пластической деформации, царапаньем поверхности (способ царапанья) — сопротивление разрушению (для большинства металлов путем среза), ударом либо по отскоку наконечника (ша­рика) — упругие свойства.

В результате вдавливания поверхностные слои металла, находящиеся под нако­нечником и вблизи него, пластически деформируются. После сня­тия нагрузки остается отпечаток. Особенность происходящей при этом деформации заключается в том, что она протекает в неболь­шом объеме, окруженном недеформированным металлом. Плас­тическую деформацию при вдавливании могут испытывать не толь­ко пластичные, но и хрупкие металлы (например, серый чугун), которые при обычных механических испытаниях (на растяже­ние, сжатие, кручение, изгиб) разрушаются хрупко почти без пластической деформации.

Твердость, характеризует сопротивление пластической де­формации, представляет собой механическое свойство метал­ла, отличающееся от других его механических свойств способом измерения.

Особенности испытаний твердости:

1 При испытании на твердость можно определить количествен­ную зависимость между твердостью пластичных металлов, уста­новленной путем вдавливания, и другими механическими свой­ствами (главным образом пределом прочности).

Твердость характе­ризует предел прочности сталей (кроме аустенитной и мартенситной структур) и многих цветных сплавов. Указанная количественная за­висимость обычно не наблюдается у хрупких материалов, кото­рые при испытаниях на растяжение (сжатие, изгиб, кручение) раз­рушаются без заметной пластической деформации, а при измере­нии твердости получают пластическую деформацию. Однако в ряде случаев и для этих материалов (например, серых чугунов) можно установить эту зависимость (возрастанию твердости обычно соот­ветствует увеличение предела прочности на сжатие). По значени­ям твердости определяются некоторые пластические свойства ме­таллов.

Твердость, установленная вдавливанием, характеризует также предел выносливости некоторых металлов, в частности меди, дю­ралюминия и сталей в отожженном состоянии.

2 Измерить твердость значительно проще, чем определить проч­ность, пластичность и вязкость. Испытания на твердость не тре­буют изготовления специальных образцов и выполняются прямо на деталях после зачистки их поверхности (создание ровной го­ризонтальной площадки), а иногда даже и без предварительной их подготовки. Для проведения этих испытаний не требуется много времени. Так, вдавливание конуса осуществляется за 30-60 с, вдав­ливание шарика — за 1-3 мин.

3 Измерение твердости обычно не влечет разрушения прове­ряемой детали, которая после испытаний может использоваться по своему назначению, в то время как для определения прочности, пластичности и вязкости приходится изготавливать специальные образцы.

4 Твердость можно измерять на деталях небольшой толщины, а также в очень тонких слоях, не превышающих иногда десятых долей миллиметра, или в микрообъемах металла (измерения мик­ротвердости). Поэтому путем измерения твердости можно оцени­вать различные по структуре и свойствам слои металла, например поверхностный слой цементированной, азотированной или зака­ленной стали, имеющей разную твердость по сечению детали. Пу­тем определения микротвердости можно измерить твердость от­дельных структурных составляющих в сплавах.

Для получения полной характеристики свойств металла необхо­димо наряду с измерением твердости провести другие механические испытания. Поскольку измерения твердости в большинстве случаев не влекут за собой разрушения деталей, их можно выполнять при сплошном контроле, в то время как при определении прочности и пластичности проводят выборочный контроль деталей.

Способом вдавливания определяют твердость (макротвердость) и микротвердость. При измерении твердости (макротвердости) в исследуемый материал вдавливается тело, проникающее на срав­нительно большую глубину, зависящую от прилагаемой нагрузки и свойств металла. Часто вдавливаемое тело имеет значительные размеры (например, стальной шарик диаметром 10 мм), в результа­те чего в деформируемом объеме оказываются представленными все фазы и структурные составляющие сплава, количество и располо­жение которых характерны для измеряемого материала. Изме­ренная твердость в этом случае будет характеризовать твердость всего испытуемого материала.

Выбор формы и размеров наконечника, а также нагрузки зави­сит от целей исследования, структуры, ожидаемых свойств, со­стояния поверхности и размеров испытуемого образца. Если ме­талл имеет гетерогенную структуру с крупными выделениями от­дельных структурных составляющих, различных по свойствам (например, серый чугун, цветные подшипниковые сплавы), то для испытания твердости следует использовать шарик большого диаметра. Если металл обладает сравнительно мелкой и однород­ной структурой, то малые по объему участки могут быть достаточ­но характерными для оценки свойств металла в целом и, в част­ности, его твердости. В таком случае испытания можно проводить вдавливанием тела небольшого размера (например, алмазного кону­са или пирамиды) на незначительную глубину при небольшой на­грузке. Подобные испытания рекомендуются для металлов с вы­сокой твердостью, например закаленной или низкоотпущенной стали, поскольку вдавливание стального шарика или алмаза с большой нагрузкой может вызвать деформацию шарика или скалывание алмаза. Вместе с тем значительное снижение нагруз­ки нежелательно, так как это может привести к резкому умень­шению деформируемого объема, тогда полученные значения твер­дости не будут характерными для основной массы металла. По­этому нагрузки и размеры отпечатков на металле не должны быть меньше некоторых пределов.

Микротвердость измеряется в целях определения твердости от­дельных зерен, фаз и структурных составляющих сплава, а также свойств очень малых по размерам деталей. Поэтому объем металла, деформируемого вдавливанием, должен быть меньше объема (площади) измеряемого зерна. Прилагаемая нагрузка не должна превышать 0,05 МПа (0,5 кгс/мм²).

Значительное влияние на результаты испытаний твердости ока­зывает состояние поверхности исследуемого материала. Поэтому на поверхности должна быть шлифованная горизонтальная площад­ка, а при измерении микротвердости — полированная поверхность (в этом случае при изготовлении шлифа нельзя допускать наклепа в поверхностном слое).

Для определения твердости как металлов, так и полимерных материалов используют метод Бринелля. Измерения осуществля­ют с помощью шарикового твердомера (ТБ) по ГОСТ 9012-59. Толщина образца S должна не менее чем в 8 раз превышать глу­бину отпечатка h и определяться по формуле.

Испытания вдавливанием ша­рика проводят с металлами не­большой и средней твердости (твердость стали должна быть не более 450 НВ). ГОСТом установлены нормы для испыта­ний по Бринеллю (табл. 2.1 и 2.3). Твердость полимерных мате­риалов, как и их прочность, в большой степени зависит от дли­тельности приложения нагрузки.

В случае испытания шариком определенного диаметра при ус­тановленных нагрузках нет необходимости проводить расчеты. На практике пользуются заранее составленными таблицами, в ко­торых приводится твердость НВ в зависимости от диаметра отпе­чатка и соотношения между нагрузкой F и площадью поверхно­сти отпечатка А. Используя таблицы, твердость НВ можно пере­вести на твердость по Роквеллу и Виккерсу (условно).

Между пределом прочности и твердостью НВ различных ме­таллов существует приблизительная зависимость: для стали твер­достью 120-175 НВ σ_в≈ 0,34 НВ; для стали твердостью 175-450 НВ σ_в ≈ 0,35 НВ.

По площади отпечатка (лунки) А_л и площади проекции отпе­чатка А_пр можно определить пластичность стали ψ_вд по формуле

Величина ψ_вд связана с относительным сужением ψ.

Метод Роквелла. Измерение твердости по глубине отпечатка вдавливанием алмазного конуса или стального шарика —с помощью конусного твердомера (ТР) (ГОСТ 9013-59). Этот метод позволяет изменять нагрузку в широких пределах без изме­нения значений твердости. Прибор имеет столик 4, установлен­ный в нижней части неподвижной станины. В верхней части стани­ны индикатор 8 и шпин­дельный узел 7, в котором имеется наконечник с алмазным конусом 6 (с углом при вершине 120°) или со стальным шариком. На инди­каторе 8 нанесены две шкалы (чер­ная и красная) и имеются две стрел­ки — большая (указатель твердос­ти), вращающаяся по шкале, и ма­ленькая, предназначенная для кон­троля предварительного нагружения, сообщаемого вращением ма­ховика 3. Поворотом маховика 3 по часовой стрелке столик 4 поднимают таким образом, чтобы наконечник мог вдавливать­ся в поверхность образца.

Рисунок 2.8 - Прибор Роквелла

При дальнейшем подъеме столика начинают вращаться стрел­ки на индикаторе. Подъем столика продолжают до тех пор, пока малая стрелка не примет вертикального положения (красная точ­ка на индикаторе). Это означает, что наконечник вдавился в образец под действием предварительной нагрузки, равной 98,07 Н (10 кгс). Предварительное погружение проводят для того, чтобы исключить влияние упругой деформации и шероховатости поверхности образ­ца на результаты измерений.

Когда образец, получит предварительную нагрузку, равную 98,07Н или 10 кгс, большая стрелка на индикаторе примет вертикальное или близкое к нему положение. Для обеспечения точности измере­ния необходимо, чтобы большая стрелка совпала с нулем на чер­ной шкале индикатора. Если большая стрелка не совпадает с ну­лем, не меняя предварительное нагружение и, следовательно, не вра­щая маховик, барабаном 2 через тросик 5 поворачивают шкалу (круг) индикатора таким образом, чтобы нуль на черной шкале индикатора совпал с большой стрелкой. Отклонение стрелки от вер­тикали допускается в пределах ±5 единиц шкалы. Клавишей 1 включают механизма нагружения основной нагрузки, определяемой грузом 9. Один груз на рычаге сообщает образцу дополнительную нагрузку 490,3 Н (50 кгс), следовательно, общая нагрузка соста­вит 588,4 Н (60 кгс), два груза — 882,6 Н (100 кгс) при общей нагрузке 980,7 Н (100 кгс), три груза — 1373 Н (140 кгс) при общей нагрузке 1471 Н (150 кгс). На приборе указана общая на­грузка. При нагружении большая стрелка перемещается по шка­ле влево, против часовой стрелки. Время приложения основной нагрузки 5-7 с. Стрелка возвращается в обратную сторону авто­матически при снятии основной нагрузки (предварительная на­грузка остается). Цифра, которую указывает на шкале индикато­ра большая стрелка, является показателем твердости по Роквеллу. Записав эту цифру, поворачивают маховик против часовой стрелки, опускают столик прибора с образцом (изделием) и сни­мают тем самым предварительную нагрузку.

Для каждой детали рекомендуется проводить не менее трех испытаний. С помощью прибора измеряют глубину отпечатка ал­мазного конуса (стального шарика) или, точнее, разность между глубинами отпечатков, полученных от вдавливания наконечника под действием основной и предварительной нагрузок. Твердость по Роквеллу возрастает с увеличением твердости материала, что позволяет сравнивать показатели твердости по Роквеллу и по Бринеллю. Твердость по Роквеллу не имеет той размер­ности и того физического смысла, который имеет твердость по Бринеллю. Однако показатель твердости по Роквеллу можно пере­считать на показатель твердости по Бринеллю с помощью диа­грамм или таблиц, в результате которых твердость по Роквеллу измеряют, приме­няя следующие шкалы: А, В, С, D, E, F, G, Н, К при температуре 20 °С.

При внедрении в поверхность образца алмазного конуса следу­ет пользоваться шкалами А, С, D, а при внедрении стального сферического наконечника — шкалами В, Е, F, G, Н, К. Алмазный конусный наконеч­ник типа НК по ГОСТ 9377-81 имеет угол при вершине 120°, радиус сферической части 0,2 мм. Номинальный диаметр шари­ков 1,588 мм (шкалы В, F, G) и 3,175 мм (шкалы Е, Н, К). Приложения усилий приведены в табл. 2.4.

Твердость по Роквеллу обозначают символом HR с указанием шкалы твердости, которому предшествует числовое значение твер­дости из трех значащих цифр. Например: 72,5 HRG — твердость по Роквеллу 72,5 единиц по шкале G.

Изменяя нагрузки, методом Роквелла можно производить из­мерения твердости в очень широком диапазоне. Кроме того, пос­ле измерений на образцах остается незначительный след, прак­тически не влияющий на его товарный вид.

Измеряя твердость по Бринеллю, заранее учитывают, что на образ­це останутся визуально заметные лунки. Но в том и другом случае на чертеже указывают желательное место замеров твердости.

Методом Роквелла можно измерять твердость закаленной или низкоотпущенной стали (твердостью свыше 450 НВ), т. е. в условиях, когда вдавливание стального шарика (на приборах Бринелля или Роквелла) в твердый материал может вызвать деформацию стального или скол твердосплавного шариков, что даст искажен­ные результаты.

Твердость следует измерять не менее чем в трех точках (осо­бенно алмазным конусом), т. е. не менее трех раз на одном образце. Для определения твердости по Роквеллу требуется мень­ше времени (30—60 с), чем по Бринеллю, причем результат изме­рения виден на шкале (указан стрелкой). 11ри измерении твердо­сти по Роквеллу остается меньший отпечаток на поверхности детали. Твердость очень тонких слоев металла (толщиной менее 0,3 мм) при нагрузках 588,4 и 1471 Н (60 и 150 кгс) измерять нельзя, так как алмазный конус проникает на глубину, превы­шающую толщину этих слоев. Вместе с тем с увеличением твер­дости измеряемого материала глубина отпечатка уменьшается, вследствие чего снижается точность измерения (особенно метал­лов твердостью более 60 HRC). Для этих целей иногда применя­ют приборы типа суперроквелл (тип ТРС) по ГОСТ 22975-78 или Виккерс (тип ТВ) по ГОСТ 2999-75, с помощью которых измеря­ют твердость при меньшей нагрузке и с меньшей глубиной вдав­ливания. Предварительная нагрузка при этом составляет 29,42 Н (3 кгс). Каждое деление шкалы индикатора такого прибора соответствует глубине вдавливания, равной 1 мкм. Поэтому чувствительность данного прибора заметно выше.

Ударная вязкость

Ударная вязкость - отношение работы ударного раз­рушения образца к площади его поперечного сечения в месте кон­центратора, размерность в Дж/см² (кгсм/см²). На рисунке 2.9 показан образец с концентратором (надрезом). Разме­ры образца, форма концентратора и способ обработки места над­реза оказывают большое влияние на результаты измерения ударной вязкости. Концентраторы сле­дует выполнять в твердых металлах абразивом, а в мягких — фасонной фрезой с дополнительным шлифова­нием или доводкой дна концентрато­ра (вида U, V и Т) по ГОСТ 9454-78. Результаты измерений зависят так­же от направления волокон метал­ла. Поэтому место концентратора об­разца и его положение по отноше­нию к направлению деформации при прокатке, ковке или штамповке, в частности вдоль прокатки (про­дольные образцы), поперек прокат­ки (поперечные образцы) или в ра­диальном направлении, определяют по техническим условиям.

Ударную вязкость определяют с по­мощью копров (ГОСТ 10708-82). Разрушение образ­ца осуществляется маятником, сво­бодно качающимся в опорах и имею­щим нож определенной формы и раз­меров. Образец устанавливают на нижние опоры копра симметрично опорам, т. е. так, чтобы надрез был обращен в сторону, противополож­ную направлению удара. Маятник поднимают в верхнее положе­ние и закрепляют защелкой. В таком положении ма­ятник обладает потенциальной энергией Рh_1? где Р — масса ма­ятника; h₁ — высота подъема. Затем маятник опускают. При па­дении он разрушает образец, после чего поднимается на некоторую высоту h₂, обладая при этом энергией Ph₂, меньшей энергии Ph₁. Разность между Ph₁ и Рh₂ определяет работу, затраченную на раз­рушение образца. Стрелка, установленная на станине копра, захва­тывается маятником и указывает на шкале угол подъема маятни­ка после разрушения образца. Работа удара К [Дж (кгс · м)] опре­деляется по формуле

К = Pl (cos β - cos a),

где l — расстояние от оси маятника до его центра массы; a и β — углы подъема маятника соответственно до и после разрушения.

Угол а принимают постоянным, поэтому стрелку перед нача­лом испытания переводят по шкале в положение, соответствую­щее нулю градусов. Расчет работы разрушения можно не про­водить, так как копры снабжены таблицей, в которой против каж­дого значения угла указаны соответствующие значения К. Чем меньше работа разрушения К, тем более точными должны быть измерения.

1 — шкала; 2 — стрелка; 3 — тор­моз; 4 — образец; 5 — маятник

а — размеры образца, положение ножа маятни­ка; б — схема маятникового копра

Рисунок 2.9 - Схема испытания на ударную вязкость

Для образцов, требующих небольшую рабо­ту разрушения, следует применять менее мощный копер. У маятниковых копров мож­но изменять высоту подъема маятника и тем самым регулировать работу удара.

Зная работу удара К, можно найти ударную вязкость КС об­разца с надрезом [Дж/см² (кгс·м/см²)]:

КС=К/S₀,

где К — работа удара, Дж (кгс·м); S₀ — начальная площадь поперечного сечения образца в месте концентратора, см², где S₀ = Н’₁В, Н’₁ — начальная высота рабочей части образца, см; В — начальная ширина образца, см.

Работа удара К отнесена к площади по­перечного сечения образца в месте надреза. Удар ма­ятника воспринимается не площадью сечения образца, а опреде­ленным объемом вокруг места надреза, в котором происходит деформация. Чем больше этот деформируемый объем, тем выше способность металла рассредоточивать деформацию и тем больше ударная вязкость. Ударная вязкость снижается при повышении прочностных свойств металла (если одновременно повышается плас­тичность). Для более хрупких металлов при испытании используют образцы без надреза, тогда ударную вязкость обозначают К₅ С.

Ударная вязкость значительно изменяется при понижении тем­пературы (в условиях, когда вязкое разрушение становится хруп­ким). Поэтому испытания на ударную вязкость используют для определения хладноломкости, т. е. перехода стали из вязкого в хрупкое состояние при пониженных температурах.

За результат испытания принимают работу удара или ударную вязкость для образцов с концентраторами видов U и V и ударную вязкость для образцов с концентраторами вида Т.

Работу удара обозначают двумя буквами (KU, KV или КТ) и цифрами. Буква К — работа удара, буквы U, V или Т — вид концентратора. Цифры обозначают максимальную энергию удара маятника, глубину концентратора и ширину образца.

Например:

- KV^-40 50/2/2 —работа удара, определенная на образце с кон­центратором вида V при температуре минус 40 ⁰С; максимальная энергия удара маятника 50 Дж, глубина концентратора 2 мм, ширина образца 2 мм;

- КСТ⁺¹⁰⁰ 150/3/7,5 — ударная вязкость, определенная на об­разце с концентратором вида Т при температуре плюс 100 °С; максимальная энергия удара маятника 150 Дж, глубина концен­тратора 3 мм, ширина образца 7,5 мм.

При исследовании вязкости металла в условиях динамическо­го нагружения ограничиваются выявлением общей работы ударного разрушения, т.е. сопротивления образованию и развитию трещины. Работа разрушения определяется работой К₃, затрачи­ваемой на зарождение трещины, и работой К_р по ее распространению. Для более полной и надежной характеристики поведения металла в условиях динамического нагружения надо знать эти отдельные составляющие общей работы разру­шения.