Випробування на розтяг (статичне випробування) 2 страница

Показники пружності:

σ_пр (σ_0,05) – межа пружності, МПа;

Е – модуль пружності, МПа.

Пластичність – здатність металу деформуватися без руйнування під дією зовнішніх сил і зберігати нову форму після припинення дії сил.

Показники пластичності:

δ, % - відносне видовження;

ψ, % - відносне звуження.

Твердість – здатність металу чинити опір проникненню в нього іншого більш твердого тіла.

Показники твердості:

число твердості НВ – по Бринеллю,

HRA, HRB, HRC – по Роквеллу,

HV – по Віккерсу.

В’язкість – здатність матеріалу поглинати механічну енергію при динамічних навантаженнях за рахунок пластичної деформації.

Показник в’язкості – ударна в’язкість KCU, KCV, KCT, Дж/м²

Втомленість – процес поступового накопичення пошкоджень, що приводять до зміни властивостей, утворення тріщин і руйнування зразку під дією циклічних навантажень.

Випробування на твердість (статичне випробування)

1. По Бринеллю (рис. 2.10, а).

Визначають втисканням в зразок стальної кульки діаметром D (10; 5; 2,5 мм), в результаті на поверхні залишається відбиток. Чим твердіше метал, тим менше величина відбитку. Величину твердості визначають, знаючи діаметр відбитку, з допомогою таблиць або за формулою

,

де Р – навантаження на кульку, Н,

F – величина поверхні відбитку, мм².

Для сталі і чавуну Р = 30 D²; для міді, нікелю, алюмінію, магнію та їх сплавів Р = 10 D²; для баббітів Р = 2,5 D².

, мм²,

де D – діаметр кульки, мм, d – діаметр відбитку, мм.

Цей метод застосовується для матеріалів з твердістю НВ до 450.

Твердість по Бринеллю позначається числом твердості і буквами НВ. Наприклад, 185НВ.

2. По Роквеллу (рис. 2.10, б).

Випробування здійснюється на приладі Роквелла шляхом втискання в зразок стальної кульки діаметром D = 1,58 мм або алмазного конусу з кутом при вершині 120^о. Твердість визначають за умовною глибиною відбитка. Число твердості вказується на шкалі приладу. Одиниця твердості відповідає 2 мкм глибини проникнення конусу або кульки в зразок. Застосовують три шкали: А, В, С. Позначення відповідно: HRA, HRB, HRC. Наприклад: HRA70, HRB98, HRC60.

Таблиця 2.1. Шкали вимірювання твердості по Роквеллу

Індентор	Матеріали	Р, кг	Індекс шкали	Позначення
Р0	Р1
Кулька	Пластичні			В	HRB
Алмазний конус	Тверді			С	HRC
Алмазний конус	Дуже тверді			А	HRA

По Віккерсу (рис. 2.10, в).

В зразок втискається 4-х гранна алмазна піраміда з кутом при вершині 136^о. Навантаження – від 5 до 120 кг. Діагональ одержаного відбитку вимірюють мікроскопом і визначають число твердості по таблицях або по формулі

,

де Р – навантаження, кг;

d – довжина діагоналі відбитку, мм.

Метод застосовується для визначення твердості тонких деталей і поверхневих шарів, що мають дуже високу твердість.

Позначення: HV400.

а б в

Рисунок 2.10. Схема визначення твердості: а – по Бринеллю, б – по Роквеллу, в – по Віккерсу

Цим випробуванням визначають показники пружності, міцності, пластичності. Для цього виготовляють стандартні зразки найчастіше круглого перетину, закріплюють їх в захватах розривної машини і поступово розтягують, плавно збільшуючи навантаження. Спеціальний прилад машини записує діаграму розтягу – графік залежності деформації (абсолютного видовження зразку Δl) від прикладеного зусилля Р.
Рисунок 2.11. Діаграма розтягу стального зразку.

На ділянці до точки Р_пц залежність пропорційна.

Р_пц – навантаження, при якому з’являється відхилення від пропорційної залежності.

Р_пр – навантаження, при якому пружні деформації заміняються на пластичні (необоротні).

Р _т – навантаження, при якому без збільшення зусиль продовжується деформація зразку.

Р_0,2 – навантаження, при якому зразок має залишкове видовження 0,2 % початкової довжини.

Р_0,05 – навантаження, при якому зразок має залишкове видовження 0,05 % початкової довжини.

Р_в – максимальне навантаження, яке може витримати зразок, не руйнуючись.

Модуль пружності Е – коефіцієнт пропорційності на ділянці до точки Р_пц.

Межа пружності умовна: , Н/мм²

F₀ – початкова площа перерізу зразка, мм².

Межа пружності розрахункова: , Н/мм²

Межа текучості умовна: , Н/мм²

Межа текучості фізична (її мають не всі метали): , Н/мм²

Межа міцності на розтяг: , кг с/мм² або МПа

Відносне видовження: , %

l₁ – довжина зразка після розриву, мм;

l₀ – початкова довжина зразка, мм.

Відносне звуження: , %

F₀ – початкова площа поперечного перерізу зразка, мм²;

F₁ – площа в місці розриву, мм².

Випробування на удар (динамічне випробування)

При такому випробуванні визначають ударну в’язкість.

Стандартний зразок з надрізом посередині руйнують одним ударом маятникового копра.

Ударна в’язкість – робота удару А (Дж), витрачена на руйнування зразка, віднесена до площі поперечного перерізу в місці надрізу F₀ (м²):

, Дж/м²

В залежності від виду надрізу (U-, V-подібний або тріщина) ударну в’язкість позначають відповідно KCU, KCV, KCT. Таке випробування застосовують для металу деталей, що працюють при ударних навантаженнях.

Контрольні питання:

1. Що таке макроаналіз?

2. Що таке мікроаналіз?

3. Як здійснюється рентгеноструктурний аналіз?

4. Як здійснюється термічний аналіз?

5. Як здійснюється магнітна дефектоскопія

6. Як здійснюється ультразвукова дефектоскопія?

7. На чому заснований люмінесцентний метод?

8. Що таке міцність? Які показники міцності ви знаєте?

9. Що таке пружність? Які показники пружності ви знаєте?

10. Що таке пластичність? Які показники пластичності ви знаєте?

11. Що таке твердість? Які показники твердості ви знаєте?

12. Що таке в’язкість? Які показники в’язко сті ви знаєте?

13.Що таке втомленість?

15. Як здійснюють випробування на твердість по Бринеллю?

16. Як здійснюють випробування на твердість по Роквеллу?

17. Як здійснюють випробування на твердість по Віккерсу?

18. Що визначають випробуванням на розтяг?

19. Що визначають в ипробуванням на удар?

20. Що характеризує ударна в’язкість?

Розділ ІІІ

Основи теорії сплавів

Тема 3.1. Основні поняття із теорії сплавів

1. Поняття про сплав.*

2. Структурні утворення: твердий розчин, механічна суміш, хімічна сполука, їх характеристики.*

3. Поняття про компонент, фазу, систему.**

4. Правило фаз.***

Сплав – речовина, що складається з двох або кількох елементів, що зберігає металічні властивості.

В рідкому стані більшість металів необмежено розчиняються один в одному.

В твердому стані елементи, з яких складається сплав, утворюють такі структурні утворення:

1) твердий розчин; 2) хімічна сполука; 3) механічна суміш.

Твердий розчин –фаза, в якій один з компонентів сплаву зберігає свою криста-лічну решітку, а атоми іншого розташовуються в ній, трохи змінюючи її розміри. Розрізняють тверді розчини заміщення (рис.3.1, а) – атоми розчиненого компонента заміщають частину атомів розчинника в його кристалічній решітці та тверді розчини проникнення (рис.3.1, б) – атоми розчиненого компонента розташовуються в пустотах між атомами розчинника (утворюються тоді, коли розміри атомів розчиненого елементу невеликі і мають близьку до розчинника будову валентної оболонки електронів). Тверді розчини можуть бути необмежені і обмежені. Розчинність елементів в твердому стані залежить від типу кристалічної решітки та її параметрів. Необмежену розчинність можуть мати елементи, у яких однаковий тип кристалічної решітки, атомні розміри відрізняються не більше, як на 8-15%, які належать до однієї групи або до споріднених груп в періодичній системі елементів. Наприклад, Ag i Au; Ni i Cu; Mo i W; V i Ti.

a) б) Рисунок 3.1. Твердий розчин заміщення (а) та твердий розчин проникнення (б).

Хімічні сполуки в сплавах утворюються, коли компоненти вступають в хімічну взаємодію. Кристалічна решітка і властивості хімічної сполуки значно відрізняються від решіток і властивостей її компонентів; утворення її супроводжується значним тепловим ефектом. Утворюється хімічна сполука при певному співвідношенні компонентів, які майже завжди значно відрізняються своїми кристалічними решітками і електронною будовою атомів.

Наприклад: Fe + C → Fe₃C

Cu + Al → CuAl₂

Mg + Sn → Mg₂Sn

Механічна суміш (рис.3.2) утворюється, коли компоненти сплаву не розчиняються один в одному і не вступають в хімічну взаємодію; представляє собою найдрібнішу суміш кристалів компонентів (кожен зберігає свій тип кристалічної решітки). Наприклад: Pb-Sb; Sn-Zn

Рисунок 3.2. Схема мікроструктури механічної суміші.

Компоненти – елементи, які утворюють сплав (метали, неметали, хімічні сполуки).

Фаза – однорідна частина системи (сплаву), відокремлена від інших частин поверхнею розділу.

Фазами можуть бути хімічні елементи, тверді і рідкі розчини, хімічні сполуки.

Система – сукупність речовин в твердому, рідкому і газоподібному стані (сукупність фаз), які знаходяться в рівновазі при певних умовах.

Правило фаз встановлює можливе число фаз і умови, за яких вони можуть існувати в даній системі.

Залежність між числом ступенів свободи, числом компонентів і числом фаз:

С = К + 2 – Ф,

де С – число ступенів свободи,

К – число компонентів, що утворюють систему,

2 – число зовнішніх факторів (температура, тиск),

Ф – число фаз, що знаходяться в рівновазі.

По відношенню до металів тиском можна знехтувати. Тоді рівняння приймає вигляд:

С = К + 1 – Ф

Розглянемо правило фаз для 1-компонентної системи.

1 На ділянці 0-1 існує одна фаза – рідина, тобто Ф=1, тоді С=1+1–1 =1 – за даних умов метал знаходиться в рідкому стані в певному інтервалі температур. 2 На ділянці 1-1^’ відбувається кристалізація, в рівновазі існує дві фази – рідина і твердий метал, тоді С=1+1–2 =0 – перетворення відбувається при сталій температурі. 3 На ділянці 1^’-2 існує одна фаза – твердий метал, тоді С=1+1–1 =1 – твердий метал може існувати в певному інтервалі температур.

Рисунок 3.3. Крива охолодження чистого металу.

Число ступенів свободи – це число незалежних факторів (температура, концентрація, тиск), які можна змінювати, зберігаючи число фаз, що знаходяться в рівновазі.

Контрольні питання:

1. Що таке сплав?

2. Які структурні утворення в твердому стані утворюють елементи, з яких складається сплав?

3. Що таке твердий розчин? Які тверді розчини ви знаєте?

4. Чим відрізняються тверді розчини заміщення та проникнення?

5. Чим відрізняються тверді розчини необмежені і обмежені?

6. Що таке хімічні сполуки? Які відмінності вони мають?

7. Що таке механічна суміш і які її відмінності?

8. З яких компонентів може утворюватись сплав?

9. Що таке Фаза в сплаві?

10. Які елементи, розчини і сполуки можуть бути фазами?

11. Що таке Система? Які показники твердості ви знаєте?

12. Що встановлює правило фаз?

13.Що в рівнянні С = К + 1 – Ф означає кожна літера?

15. Розгляньте правило фаз для 1-компонентної системи.

- на ділянці 0-1;

- на ділянці 1-1^’;

- на ділянці 1^’-2.

16. Що таке число ступенів свободи?

Тема 3.2. Діаграми стану подвійних сплавів

1. Поняття про діаграми стану сплавів, їх побудова.*

2. Діаграми стану для випадку утворення компонентами механічної суміші, твердого розчину необмеженого і обмеженого, хімічної сполуки.**

3. Зв’язок між діаграмами стану і властивостями.**

Діаграма стану – графічне зображення фазового стану сплавів. Вона характеризує процеси кристалізації і структурних змін різних сплавів, дозволяє визначити температури фазових перетворень, фазовий склад будь-якого сплаву системи залежно від температури, властивості всіх сплавів системи, дозволяє обирати температуру нагріву сплаву для різних видів обробки.

Діаграми стану будують в координатах температура-концентрація компонентів у %. По осі абсцис – склад сплаву, по осі ординат – температура. Для побудови користуються термічним аналізом сплаву при різних концентраціях його компонентів, при якому експериментально отримують криві охолодження декількох сплавів системи, по перегинах або горизонтальних ділянках кривих визначають критичні точки – температури фазових перетворень. При перенесенні критичних точок для кожного сплаву в координати температура-склад сплаву і з’єднанні відповідних точок лініями одержують діаграму стану.

Діаграма стану сплавів-механічних сумішей (І роду)

Компоненти А і В необмежено розчиняються в рідкому стані, а в твердому стані утворюють механічну суміш (рис.3.4).

Вертикальні лінії А₁А і В₁В відповідають 100% відповідно компоненту А і В.

Лінія А₁СВ₁ – лінія ліквідус (вище неї всі сплави знаходяться в рідкому стані).

Лінія DCE – лінія солідус (нижче неї всі сплави знаходяться в твердому стані).

Точка А₁ – температура початку і кінця кристалізації компонента А.

Точка В₁ – температура початку і кінця кристалізації компонента В.

Рисунок 3.4. Діаграма стану сплавів, Рисунок 3.5. Криві охолодження і

що утворюють механічні суміші. схеми структур.

При охолодженні по лінії А₁С починають виділятися кристали А, по лінії В₁С – кристали В. У точці С одночасно виділяються кристали А і В у вигляді тонкої механічної суміші, яка називається евтектика. Сплав відповідного складу (проекція точки С на вісь абсцис) називається евтектичним, температура, що відповідає точці С – температура евтектичного перетворення.

Р_С → Евт.(А+В)

С=К+1–Ф=2+1–3=0 (тобто перетворення відбувається при сталій температурі).

Сплави, розташовані зліва від точки С – доевтектичні, справа – заевтектичні.

Розглянемо процес кристалізації і структуру, отриману в результаті кристалізації сплавів І, ІІ, ІІІ даної системи (рис.3.5).

1. Доевтектичний сплав І на ділянці 0-1 знаходиться в рідкому стані;

1-2 – виділення з рідини кристалів А;

2-2^’ – перетворення рідини на евтектику А+В;

2^’-3 – охолодження твердого тіла, структура якого складається з кристалів А і евтектики.

2. Евтектичний сплав ІІ:

0-2 – в рідкому стані;

2-2^’ – одночасна кристалізація з рідини А і В – евтектики;

2^’-3 – охолодження твердого сплаву, структура якого – евтектика (А+В).

3. Заевтектичний сплав ІІІ:

0-1 – сплав в рідкому стані;

1-2 – виділення з рідини кристалів В;

2-2^’ – перетворення рідини на евтектику А+В;

2^’-3 – охолодження твердого сплаву, структура якого – суміш кристалів В і евтектики.

Правило відрізків (важеля)

Це правило дозволяє визначити співвідношення твердої і рідкої фаз, а також концентрацію рідкої фази в будь-який момент кристалізації сплаву.

Щоб визначити кількість твердої і рідкої фази сплаву К в точці а, треба через точку а провести горизонтальну лінію до перетину з лініями діаграми, що обмежують дану область (отримаємо відрізок bc) (див. рис.3.6). Кількість твердої фази Кількість рідкої фази
Рисунок 3.6. Правило відрізків (важеля).

Тобто, Q_тв – відношення довжини відрізка, що прилягає до рідкої частини сплаву, до довжини всього відрізка;

Q_р – відношення довжини відрізка, що прилягає до твердої частини сплаву, до довжини всього відрізка.

Концентрація рідкої фази в будь-якій точці сплаву визначається проекцією даної точки на лінію ліквідус. Так, рідка фаза сплаву К в точці а буде містити b₁ % компоненту В (точка b – проекція точки а на лінію ліквідус, точка b₁ – проекція точки b на вісь концентрацій). При охолодженні сплаву К концентрація компоненту В зменшується по лінії В₁С, а при температурі евтектичного перетворення досягає концентрації В в точці С (евтектична концентрація).

Діаграма стану для випадку утворення компонентами необмеженого твердого розчину (ІІ роду)

AmB – лінія ліквідус; AnB – лінія солідус (рис.3.7). Точка А – початок і кінець кристалізації компоненту А; точка В – початок і кінець кристалізації компоненту В.

Рисунок 3.7. Діаграма стану ІІ роду, крива охолодження і схеми структур.

Лінії ліквідус і солідус показують, що початок і кінець кристалізації відбуваються при різних температурах для різних сплавів системи.

Розглянемо процес кристалізації сплаву К.

Вище точки 1 сплав знаходиться в рідкому стані.

В точці 1 починається кристалізація сплаву – з рідкого розчину виділяються кристали твердого розчину α компоненту В в компоненті А.

В інтервалі 1-2 сплав знаходиться у двохфазному стані: рідина + кристали α-твердого розчину. С=К+1–Ф=2+1–2=1, - тобто концентрація компонентів у фазах змінюється з температурою.

Точка 2 – кінець кристалізації.

Нижче точки 2 сплав повністю закристалізувався і складається з кристалів α-твердого розчину, тобто є однофазним.

Кількість твердої фази в точці а - ; рідкої фази - ; склад рідини відповідає концентрації в точці b, склад α-твердого розчину – концентрації в точці с.

Діаграма стану для випадку утворення компонентами обмеженого твердого розчину (ІІІ роду)

КСD – лінія ліквідус; КEСF – лінія солідус (рис.3.8).

Лінія ES – лінія зміни розчинності компонента В в компоненті А; із збільшенням температури розчинність В в А зростає від мінімальної в точці S до максимальної в точці E (при евтектичній температурі).

ECF – лінія евтектичного перетворення

Р → Евт.(α + В)

Евтектика складається з α-твердого розчину і компоненту В.

Рисунок 3.8. Діаграма стану ІІІ роду і криві охолодження.

При охолодженні нижче лінії евтектики з α-твердого розчину випадають кристали компонента В – В_ІІ (вторинні кристали) через зменшення розчинності.

Розглянемо перетворення в сплаві І при охолодженні:

вище точки 1 – в рідкому стані;

1-2 – з рідини виділяються кристали α-твердого розчину;

2-3 - α-твердий розчин, що повністю за кристалізувався;

нижче точки 3 – виділення з α-твердого розчину вторинних кристалів компоненту В по границях зерен.

Кристалізація сплавів, що знаходяться правіше точки Е, відбувається аналогічно випадку утворення механічної суміші (розглянуто раніше).

	а) одностороння, зменшується з підвищенням температури; б) одностороння, стала; в) двостороння, стала; г) двостороння, збільшується з підвищенням температури; д) двостороння, зменшується з підвищенням температури.
Рисунок 3.9. Різні варіанти обмеженої розчинності:

Діаграма стану для випадку утворення компонентами хімічної сполуки

(ІV роду)

Компоненти А і В мають необмежену розчинність в рідкому стані, а в твердому утворюють стійку хімічну сполуку (рис.3.10).

Хімічна сполука A_mB_n ділить діаграму стану А - В на дві: А - A_mB_n і A_mB_n - В.

Кожна з них подібна діаграмі для випадку утворення механічної суміші.

АЕ₁С; СЕ₂В – лінії ліквідус;

D₁E₁F₁; D₂E₂F₂ – лінії солідус.

По лінії А₁Е₁ випадають кристали А;

по лінії Е₁С – кристали A_mB_n;

в точці Е₁ одночасно кристалізуються кристали А і A_mB_n, утворюючи евтектику. Доевтектичні сплави в лівій частині діаграми – суміш кристалів А і евтектики, заевтектичні – суміш кристалів A_mB_n і евтектики.

Рисунок 3.10. Діаграма стану ІV роду і криві охолодження.

Аналогічну характеристику має права частина діаграми (тут евтектика – суміш кристалів A_mB_n і В).

Перетворення при охолодженні в сплаві І (відповідає складу хімічної сполуки):

вище точки 1 – в рідкому стані; 1-1’ – виділення з рідини кристалів сполуки A_mB_n(відбувається при сталій температурі); нижче точки 1’ – тверді кристали A_mB_n.

В сплаві ІІ:

вище точки 1 – рідкий стан; 1-2 – виділення з рідини кристалів A_mB_n;

2-2’ – рідина перетворюється на евтектику Евт.(A_mB_n + В) (відбувається при

сталій температурі);

нижче точки 2’– твердий сплав, що має структуру A_mB_n+ евтектика (A_mB_n+В).

Зв’язок між властивостями сплаву і типом діаграми стану

Цей зв’язок відображають так звані правила Курнакова (рис. 3.11).

Крім твердості, міцності, електропровідності, за діаграмами стану можна визначати технологічні властивості.

Чим більше перепад між лініями ліквідус і солідус, тим більше неоднорідність сплаву.

Евтектичні сплави мають найкращі ливарні властивості, оброблюваність різанням.

Сплави – тверді розчини – пластичні і добре обробляються тиском.

Рисунок 3.11. Властивості сплавів і типи діаграм їх стану (за М.С. Курнаковим)

Контрольні питання:

1. Що таке діаграма стану, як її будують і для чого?

2. Для яких сплавів характерна діаграма стану І роду?

3. Що таке лінія ліквідус та лінія солідус?

4. Значення точок і ліній на діаграмі стану І роду.

5. Що таке евтектика, доевтектичні і заевтектичні сплави?

6. Розгляньте процес кристалізації і структуру, отриману в результаті кристалізації різних типів сплавів даної системи.

7. Як за правилом відрізків визначити співвідношення твердої і рідкої фаз в даній точці сплаву?

8. Як за правилом відрізків визначити концентрацію рідкої фази в будь-який момент кристалізації сплаву?

9. Для яких сплавів характерна діаграма стану ІІ роду?

10. Значення точок і ліній на діаграмі стану ІІ роду.

11. Розгляньте процес кристалізації і структуру, отриману в результаті кристалізації сплаву даної системи.

12. Для яких сплавів характерна діаграма стану ІІІ роду?

13. Значення точок і ліній на діаграмі стану ІІІ роду.

14. Розгляньте процес кристалізації і структуру, отриману в результаті кристалізації сплаву даної системи.

15. Для яких сплавів характерна діаграма стану IV роду?

Дата добавления: 2017-02-01