Реферат на тему:
Будова, властивості і способи випробування металів
Металознавство — наука, яка вивчає в загальному зв’язку-склад, будову
та. властивості металів і сплавів, а також закономірності зміни
властивостей під впливом теплової, механічної або хімічної дії.
Як самостійна наука металознавство виникло в Росії в XIX ст. під назвою
«металографія». Виникнення її зумовлено розвитком промисловості і
насамперед металургії та машинобудування.
Кристалами різних речовин вчені цікавилися ще в XVII і XVIII ст. М. В.
Ломоносов у 1763 р. в своєму «Трактате о слоях земнх» встановлює закон
постійності кутів для кристалів алмазу. Геометричне правильну форму
кристалів різних речовин Ломоносов пов’язує з певним розміщенням атомів
у просторі; групи атомів складають кристалічні многогранники. Внаслідок
однакового розміщення атомів у всіх кристалах однієї речовини однаковими
будуть і кути між відповідними гранями. У цьому питанні Ломоносов далеко
випередив своїх сучасників, він висунув положення, які поділяються
наукою і в наш час.
Розвиток металознавства нерозривно пов’язаний з іменами П. П. Аносова
(1797—1851), який вперше застосував мікроскоп для дослідження структури
металів, і Д. К. Чернова (1838—1921), який зробив ряд відкриттів
світового значення. Найважливіші з них — дослідження критичних точок
сталі (1868) і кристалічної структури литої сталі (1878).
П. П. Аносов заклав основи вчення про сталі, розробив наукові принципи
виробництва високоякісної сталі. Заслуга П. П. Аносова також у тому, що
він розкрив секрет виготовлення старовинними майстрами Сходу булатної
сталі, з якої робили клинки. Булатна сталь Аносова славилася в усьому
світі і вивозилася за кордон, Клинки з цієї сталі мали високу твердість
і в’язкість; ними можна було рубати цвяхи, не зіпсувавши леза, розсікати
в повітрі тонку хустку; клинки можна було згинати до зіткнення кінців.
Відкриття Д. К. Черновим критичних точок а і б (відповідно до сучасного
позначення АІ і АЗ) здійснило революцію в пізнанні природи металічних
сплавів і дало можливість пояснити ряд «таємничих» явищ при термічній
обробці сталей. Своїми працями Д. К. Чернов заклав основи сучасної науки
про метали і сплави.
Дальший розвиток металознавства пов’язаний з іменами М. С. Курнакова
(1860—1941), який розробив методи фізико-хімічного аналізу сплавів, О.
О. Байкова (1870—1946), що висвітлив фізико-хімічну суть ряду
металургійних процесів, С. С. Штейнберга (1872—1940), який узагальнив
явища перетворень аустеніту (див. с. 99) при різних температурах, М. П.
Чижевського (1873—1952), що вперше вивчив вплив азоту на властивості
сталі, та інших вітчизняних і зарубіжних учених та науково-дослідних
установ, які успішно розвивають науку про метали і в наш час.
Зарубіжні вчені також внесли свій вклад у вивчення металів і сплавів,
імена деяких з них згадуються при викладенні матеріалу.
БУДОВА, ВЛАСТИВОСТІ І СПОСОБИ ВИПРОБУВАННЯ МЕТАЛІВ
Кристалічна будова металів
Речовини в твердому стані мають кристалічну або аморфну будову. В
ідеальній кристалічній речовині атоми розташовані за геометричне
правильною схемою і на певній відстані один від одного, в аморфному ж
(склі, каніфолі) атоми розташовані безладно.
У всіх металів і їх сплавів будова кристалічна. Кристалічні зерна
невизначеної форми не схожі на типові кристали — многогранники, тому їх
називають кристалітами, зернами або гранулами. Проте будова кристалів
настільки ж закономірна, як і в розвинутих кристалів.
Види кристалічних решіток. При затвердінні атоми металів утворюють
кристали, які можна розглядати як геометричне правильні системи,
побудовані у вигляді кристалічних решіток. Порядок розташування атомів у
решітці може бути різним. Багато найважливіших металів утворюють
решітки, розташування атомів в елементарних комірках яких має форму
центрованого куба (а- і {3-залізо, а-титан, хром, молібден, вольфрам,
ванадій), куба з центрованими гранями (у-залізо, алюміній, мідь, нікель,
свинець, (3-кобальт) або гексагональну, як у шестигранної призми,
комірку (магній, цинк, а-кобальт).
Більшість технічних металів мають кристалічні решітки:
об’ємно-центровану кубічну, кубічну гранецентровану або гексагональну.
Щоб мати уявлення про кристалічну решітку, досить знати розташування
атомів в елементарній комірці її. Елементарна комірка кубічної
об’ємно-центрованої решітки обмежується дев’ятьма атомами, вісім з яких
розташовані по вершинах куба, а дев’ятий — у його центрі. Повторенням
цієї комірки шляхом переносів утворюється вся структура кристала.
Частину кубічної об’ємно-центрованої решітки. Тут узято вісім суміжних
елементарних комірок; вузли, які розташовані по вершинах і в центрі
кожної комірки, помічені кружками.
Елементарна комірка кубічної гранецентрованої решітки обмежується 14
атомами: 8 з них розташовані по вершинах куба і 6 — по гранях.
Елементарна комірка гексагональної решітки обмежена 17 атомами, з них 12
атомів розташовані по вершинах шестигранної призми, 2 атоми — у центрі
основ і 3 — усередині призми.
Параметр решіток (сторона куба або шестигранника) у міді 0,36 нм, в
алюмінію 0,405 нм, у цинку 0,267 нм і т. д. :
Кожний атом складається з позитивно зарядженого ядра і кількох шарів
(оболонок) негативно заряджених електронів, які рухаються навколо ядра.
Електрони зовнішніх оболонок атомів металів називають валентними. Вони
легко відщеплюються, швидко рухаються між ядрами і називаються вільними.
Внаслідок наявності вільних електронів атоми металів є позитивно
зарядженими іонами.
Отже, у вузлах решіток містяться позитивно заряджені іони. Іони, проте,
не перебувають у спокої, а безперервно коливаються біля положення
рівноваги.
З підвищенням температури амплітуда коливань збільшується, що веде до
розширення кристалів, а при температурі плавлення коливання частинок
збільшується настільки, що кристалічна решітка руйнується.
Реально кристали мають дефекти, і їх структура відрізняється від схем
наведених ідеальних решіток. Точковими дефектами є пусті вузли, або
вакансії та міжвузлові атоми кількість цих дефектів зростає з
підвищенням температури. Найважливішими лінійними дефектами є дислокації
(крайові і гвинтові), які являють собою ніби зсув частини кристалічної
решітки. Дислокації характеризуються великою протяжністю в одному
напрямі і малою в другому. Поверхневі дефекти спричинюються наявністю
субзерен або блоків всередині кристала, а також різною орієнтацією
кристалічних решіток зерен. По границях зерен решітка одного кристала
переходить у решітку іншого, тут порушено симетрію розташування атомів.
Дефекти кристалів істотно впливають на механічні, фізичні, хімічні та
технологічні властивості металів.
Анізотропність і спайність кристалів. В окремих кристалах властивості
різні в різних напрямах. Якщо взяти великий кристал (є лабораторні і
виробничі методи вирощування крупних кристалів), вирізати з нього кілька
одинакових за розміром, але по-різному орієнтованих зразків і
випробувати їх властивості, то іноді спостерігається дуже значна різниця
у властивостях окремих зразків. Наприклад, при випробуванні зразків,
вирізаних з кристала міді, відносне видовження змінювалося в межах від
10 до 55 %, а границя міцності — від 14 до 35 кгс/мм2 для різних
зразків. Цю властивість кристалів називають анізотропністю.
Анізотропність кристалів пояснюється особливостями розташування атомів у
просторі.
Наслідком анізотропності кристалів єспайність, яка виявляється при
руйнуванні. У місцях злому кристалів можна спостерігати правильні
площини, які свідчать про зміщення частинок під впливом зовнішніх сил не
безладно, а правильними рядами, у певному напрямі, відповідно до
розташування частинок у кристалі. Ці площини називаються площинами
спайності.
Аморфні тіла ізотропні, тобто всі ці властивості однакові у всіх
напрямах. Злом аморфного тіла завжди має неправильну, викривлену, так
звану раковисту поверхню.
Метали, які затверділи у звичайних умовах, складаються не з одного
кристалу, а з безлічі окремих кристалів, по-різному орієнтованих один до
одного, тому властивості литого металу приблизно однакові в усіх
напрямах; це явище називається квазіізотропністю (уявною ізотропністю).
Алотропія металів. Алотропія металів (або поліморфізм) — це властивість
перебудовувати решітку при певних температурах у процесі нагрівання або
охолодження. Алотропія властива всім елементам, які змінюють валентність
при зміні температури, наприклад залізу, марганцю, нікелю, олову та ін.
Кожне алотропічне перетворення відбувається при певній температурі.
Наприклад, одне з перетворень заліза відбувається при температурі 911
°С, нижче від якої атоми складають решітку центрованого куба, а вище —
решітку гранецентрованого куба.
Структура, що має ту або іншу решітку, називається алотропічною формою,
або модифікацією. Різні модифікації позначають грецькими буквами а, (3,
у і т. д., причому буквою а позначають модифікацію, яка існує при
температурах нижче від першого алотропічного перетворення. Алотропічні
перетворення супроводжуються віддачею (зменшенням) або поглинанням
(збільшенням) енергії.
Кристалізація металів. Кристалізацією називається утворення кристалів у
металах (і сплавах) при переході з рідкого стану в твердий (первинна
кристалізація).
До вторинної кристалізації відносять перетворення в затверділому металі
при охолодженні його. Сюди належать перекристалізація з однієї
модифікації в другу (поліморфні перетворення), розпад твердих розчинів,
розпад (а також утворення) хімічних сполук.
Процес кристалізації металу найлегше простежити за допомогою лічильника
часу і термоелектричного пірометра, який являє собою мілівольтметр,
під’єднаний до термопари. Термопару (два різнорідні дроти, спаяні
кінцями) занурюють у розплавлений метал. Термострум, що виникає при
цьому, пропорційний температурі металу, і стрілка мілівольтметра
відхиляється, показуючи цю температуру по градуйованій шкалі.
Покази пірометра автоматично записуються в часі, і за цими даними
будують криві охолодження в координатах температура — час (такі криві
креслить самописець).
Температура, яка відповідає будь-якому перетворенню в металі,
називається критичною точкою.
Перехід з рідкого стану в твердий при охолодженні супроводжується
утворенням кристалічної решітки, тобто кристалізацією. Щоб розпочалася
кристалізація, рідкий метал треба переохолоди-т й дещо нижче від
температури плавлення. Тому площадка на кривій охолодження лежить дещо
нижче /пл при температурі переохолодження tnp.
У деяких металів ступінь переохолодження (tnjl – /пр) може бути дуже
значним (наприклад, у сурми до 40°), і при температурі переохолодження
tnp, відразу бурхливо розпочинається кристалізація, в результаті чого
температура стрибком підвищується майже до tnjl. У цьому разі на графіку
креслиться петля теплового гістерезису.
При затвердінні та алотропічному перетворенні в металі спочатку
виникають зародки кристала (центри кристалізації), навколо яких
групуються атоми, утворюючи відповідну кристалічну решітку. Центрами
кристалізації можуть бути неметалічні включення.
Отже, процес кристалізації складається з двох етапів: утворення центрів
кристалізації і росту кристалів.
У кожного з кристалів, які виникають, кристалографічні площини
орієнтовані випадково. Крім того, при первинній кристалізації кристали
можуть повертатися, тому що вони оточені рідиною. Суміжні кристали
ростуть назустріч один одному, і точки їх зіткнення визначають границі
кристалів (зерен).
В аморфних речовин криві охолодження плавні, без площадок і уступів:
алотропії у цих речовин бути не може.
Кристалізація заліза. Розглянемо як приклад кристалізацію і критичні
точки заліза — найважливішого в техніці металу.
При нагріванні приписують букву с, при охолодженні букву г, тому що в
результаті гістерезису температури перетворень при нагріванні вищі, а
при охолодженні нижчі від рівноважних.
При температурі менш як 768 °С залізо феромагнітне. При нагріванні в
точці Ас2, яка називається точкою Кюрі, залізо стає парамагнітним; за
сучасними уявленнями магнітне перетворення пов’язане із змінами на
зовнішніх електронних оболонках атомів. На кривій в точці А2 є перегин,
але решітка не змінюється (магнітне перетворення не має гістерезису: Ас2
= Аг2) і залізо до точки Ас3 має кристалічну решітку центрованого куба;
цю модифікацію називають а-залізо. Парамагнітну частину цієї модифікації
(між точками А2 і А3) називають |3-залізо. В точці Ас3 а-залізо
переходить в у-залізо з кристалічною решіткою гранецентрованого куба. У
точці Ас4 у-залізо переходить в 8-залізо, причому кристалічна решітка
знову перебудовується з гранецентрованого куба в центрований куб, тому
8-залізо називають також високотемпературною модифікацією ос-заліза.
При охолодженні алотропічні перетворення відбуваються в зворотній
послідовності.
З перелічених перетворень найбільше практичне значення мають
перетворення в точці А3 як при нагріванні (Ас3), так і при охолодженні
(Аг3).
у-Залізо здатне розчинити до 2,14% вуглецю при температурі 1147 °С,
а-залізо – до 0,02 % при 723 °С і тільки 0,006 % при О °С. Властивість
заліза розчиняти значну кількість вуглецю використовують при термічній і
хіміко-термічній обробці.
Перетворення в точці А3 супроводжується зміною об’єму. Оскільки
щільність кристалічної решітки у-заліза більша від щільності решітки
а-заліза, в точці Асз об’єм зменшується, у точці Аг3 – збільшується.
Основні властивості металів
У металів виділяють механічні, технологічні, фізичні і хімічні
властивості.
До фізичних властивостей належать: колір, щільність, температура
плавлення, електропровідність, магнітні властивості, теплопровідність,
теплоємність, розширення і стиск при нагріванні, охолодженні та при
фазових перетвореннях;
до хімічних — окислюваність, розчинність, корозійна стійкість,
вогнетривкість;
– до механічних — міцність, твердість, пружність,
пластичність, в’язкість, крихкість;
– до технологічних —
прогартовуваність, рідиннотекучість, ковкість, зварюваність,
оброблюваність різанням.
Міцність — властивість матеріалу чинити опір руйнуванню і появі
залишкових деформацій під дією зовнішніх сил.
Питома міцність — відношення границі міцності до щільності; для деяких,
наприклад, алюмінієвих, справів або титану вона вища, ніж для сталі.
Твердістю — називається здатність матеріалу чинити опір деформації в
поверхневому шарі при місцевій силовій контактній дії.
Пружність — здатність матеріалу відновлювати свою форму після, того як
перестануть діяти зовнішні сили, які спричинили зміну форми
(деформацію).
Пластичність — властивість металу деформуватися без руйнування під
впливом зовнішніх сил і зберігати нову форму після того, як ці сили
перестануть діяти. Пластичність — властивість, протилежна пружності.
В’язкістю матеріалу називають здатність його поглинати механічну енергію
і при цьому проявляти значну пластичність аж до руйнування. В’язкість —
властивість, протилежна крихкості.
Сучасними методами випробовування металів є механічні випробовування,
хімічний, спектральний, металографічний та рентгенографічний аналізи,
технологічні проби, дефектоскопія, а також випробовування на
оброблюваність різанням, корозійні випробовування металів та ін. Ці
випробовування дають можливість дістати уявлення про природу металів, їх
будову, склад і властивості, а також, визначити якість готових виробів.
Механічні властивості. Перша вимога, яка ставиться до кожного виробу,—
це достатня міцність.
Метали — міцні матеріали, тому навантажені деталі машин, механізмів та
споруд, як правило, виготовляють з металів.
В’язкі метали застосовують у тих випадках, коли деталі під час роботи
зазнають ударних навантажень.
Пластичність металів дає можливість обробляти їх тиском (кувати,
прокатувати, волочити).
Експлуатаційні властивості. Багато виробів крім загальної міцності
повинні характеризуватися ще й особливими властивостями. Наприклад,
різальні інструменти повинні мати високу твердість. Для виготовлення
різальних та інших інструментів застосовують інструментальні сталі і
сплави, а для ресор і пружин — сталі і сплави, які мають високу
пружність.
Фізичні властивості. В авіа-, авто- та вагонобудуванні вага деталей
часто є найважливішою характеристикою, тому сплави титану, алюмінію і
магнію тут особливо корисні.
Здатність плавитися при нагріванні використовують для виготовлення
відливків заливанням розплавленого металу у форми. Деякі складні сплави
мають настільки низьку температуру плавлення, що розплавлюються в
гарячій воді. Такі сплави застосовують для відливання друкарських
матриць, у приладах, призначених для запобігання пожарам, і т. п.
Метали з високою електропровідністю (мідь, алюміній) використовують в
електромашинобудуванні, для спорудження ліній електропередач, а сплави з
високим електроопором — для ламп розжарювання, електронагрівальних
приладів.
Магнітні властивості металів відіграють першорядну роль
в
Чі
електромашинобудуванні (електричні генератори, електродвигуни,
трансформатори) і приладобудуванні (телефонні і телеграфні апарати)
тощо.
Теплопровідність металів дає можливість рівномірно нагрівати їх для
обробки тиском, термічної обробки; вона забезпечує також можливість
паяння металів, зварювання їх і т. ін.
Деякі сплави металів мають коефіцієнт лінійного розширення, близький до
нуля; такі сплави застосовують для виготовлення точних приладів.
Розширення металів треба брати до уваги при будівництві довгих споруд,
наприклад мостів, трубопроводів. Треба також враховувати, що дві деталі
із металів з різним коефіцієнтом розширення, скріплені між собою,
згинаються при нагріванні.
Хімічні властивості. Корозійна стійкість особливо важлива для виробів,
які працюють у хімічно активних середовищах (колошникові ґратки, деталі
машин у хімічній промисловості). Для деталей і споруд, які повинні мати
високу корозійну стійкість, виробляють спеціальні нержавіючі,
кислотостійкі та вогнетривкі сталі і сплави. Для виробів також
застосовують захисні покриття.
Технологічні властивості. Технологічні властивості мають важливе
значення при тих або інших видах обробки. Окремі технологічні
властивості розглянуті в розділах, які висвітлюють технологічні процеси.
Механічні випробування
Механічні випробування мають велике значення в промисловості. Деталі
машин, механізмів і споруд працюють під навантаженнями різних видів.
Одні деталі навантажені постійно діючою в одному напрямі силою, інші
зазнають ударів, у третіх — сили більш або менш часто змінюються за
своєю величиною і напрямом. Деякі деталі машин зазнають навантажень при
підвищених або низьких температурах, при дії корозії і т. ін.; такі
деталі працюють у складних умовах.
Відповідно до цього розроблені різні методи випробувань, за допомогою
яких визначають механічні властивості металів. Найпоширенішими
випробуваннями є випробування на твердість, статичний розтяг, динамічні
випробування.
Статичними називаються такі випробування, при яких випробуваний метал
піддають дії постійної сили або сили, яка зростає дуже повільно.
Динамічними називають випробування, при яких метал піддають впливу удару
або сили, яка зростає досить швидко. Крім того, іноді проводять
випробування на втомленість, повзучість та зношування, які дають більш
повне уявлення про властивості металів.
Випробування на розтяг. Статичне випробування на розтяг – дуже поширений
спосіб механічних випробувань металів. У цих випробуваннях по перерізу
зразка створюється однорідний напружений стан і матеріал перебуває під
дією нормальних та дотичних напруг.
Для статичних випробувань виготовляють звичайно круглі зразки металу,
який випробовується, або плоскі для листових матеріалів. Зразки
складаються з робочої частини і головок, призначених для закріплення їх
у захватах розривної машини. Розрахункову довжину /о беруть дещо меншою
від робочої довжини /].
Розміри зразків стандартизовані. Діаметр робочої частини нормального
круглого зразка 20 мм. Зразки інших діаметрів називаються пропорційними.
Розрахункову довжину /0 рекомендується брати такою, щоб вона дорівнювала
десятьом (довгі зразки) або п’ятьом діаметрам (короткі зразки). Якщо
застосовуються зразки інших діаметрів або плоскі зразки, то розрахунки
слід робити відповідно за формулами: 10 =11,3^ (для довгих зразків),
/„ = 5,65./^ (для коротких зразків), де F0 – площа поперечного перерізу
зразка,
мм2. Усі розривні машини мають два основних механізми: навантажувальний
і сило-вимірювальний. Крім того, більшість сучасних машин забезпечено
діаграмним пристроєм, який автоматично записує діаграму розтягу.
Розтягальне зусилля створює напругу у випробовуваному зразку і спричинює
його видовження; коли напруга перевищить міцність зразка, він
розірветься.
Схема розривної машини з механічним приводом і важіль-маятниковим
силовимірюванням. Вона має механізм навантаження, силовимірювальний і
діаграмний механізми.
Механізм навантаження зразка, який закріплюється в захватах, складається
з електродвигуна, двох пар черв’ячних передач, пари циліндричних
зубчастих коліс, гайки та гвинта. Максимальне зусилля, яке розвиває
машина, становить 40 000 Н.
Силовимірювальний механізм складається з важеля 1-го роду, зв’язаного з
маятником, стрілки-покажчика і шкали. При максимальному зусиллі маятник
піднімається на кут а, на цей самий кут відхиляється жорстко зв’язана з
ним стрілка-покажчик.
Діаграмний механізм складається з пари циліндричних зубчастих коліс,
пари конічних зубчастих коліс і двох валиків. При навантаженні машини
верхній валик крутиться і перемотує папір з нижнього валика, причому
кількість перемотаного паперу буде пропорційна видовженню зразка. На
стрілці-покажчику шарнірне по саджена каретка з пером, яке переміщується
вздовж осі верхнього валика і креслить на папері криву розтягу.
Визначення твердості. Визначення твердості виконується швидко і не
потребує складних зразків. Крім того, оцінка твердості дає змогу в
деяких випадках робити висновки про інші механічні властивості металів
(наприклад, про границю міцності). Тому випробування на твердість широко
застосовують на практиці.
Тепер найбільш поширені методи вдавлювання твердого наконечника, які
розглянуто нижче.
За методом Брінелля стальну загартовану кульку діаметром D (10,5 або 2,5
мм) вдавлюють у зразок, що випробовується, силою Р. В результаті на
поверхні зразка залишається відбиток у формі кульового елемента
діаметром d. Величина відбитка буде тим менша, чим твердіший метал.
Кожне навантаження (сила) придатне тільки для певного діапазону
твердості, тому при визначенні твердості сталі і чавуну навантаження на
кульку Р=30 D2, для міді, її сплавів, нікелю, алюмінію, магнію та їх
сплавів P=10D2,
для бабітів (антифрикційні сплави) P=2,5D2.
Товщина металу під відбитком повинна бути не меншою від десятикратної
глибини відбитка, а відстань від центра відбитка до краю зразка має
становити не менше D.
Для випробування на твердість за Брінеллем тепер застосовують в
основному важільні преси.
За методом Брінелля можна випробовувати матеріали з твердістю НВ до 405
кгс/мм2: якщо матеріали твердіші, то стальна кулька може деформуватися.
Цей метод непридатний також для випробування тонколистового матеріалу.
За методом Роквелла випробування на твердість проводять вдавлюванням у
зразок стальної кульки діаметром D = 1,58 мм (1/16 дюйма) або алмазного
конуса з кутом 120°.
Стальну кульку використовують для випробування м’яких металів (твердість
за Брінеллем менш як 220 кгс/мм2) при навантаженні 981 (100 кгс),
алмазний конус — для випробування твердих металів при навантаженні 1471
Н (150 кгс). Зразок кладуть на столикі приладу Роквелла і обертанням
маховичка піднімають його до зіткнення з алмазним конусом або із
стальною кулькою. Обертання маховичка продовжують доти, поки тиск конуса
або кульки на зразок не становитиме 98Н (10 кгс) (попереднє
навантаження), що показує мала стрілка індикатора . Далі дають основне
навантаження за допомогою рукоятки. Вдавлювання триває 5-6сек, потім
основне навантаження знімають зворотним повертанням рукоятки . Після
цього велика стрілка індикатора показує величину твердості. Щоб
звільнити зразок, потрібно зняти попереднє навантаження зворотним
обертанням маховичка.
Циферблат індикатора має дві шкали: червону – для випробувань стальною
кулькою і чорну – для випробувань алмазним конусом.
Твердість за Роквеллом є величиною умовною, яка характеризує різницю
глибин відбитків. Одна поділка шкали відповідає 2 мкм глибини
проникнення алмазного конуса (або кульки) в зразок. Число твердості за
Роквеллом позначається HR з додаванням індекса шкали, по якій
проводилося випробування, наприклад HRB або HRC. Для випробування дуже
твердих матеріалів застосовують алмазний конус при навантаженні 588Н (60
кгс), відліки роблять по чорній шкалі, а число твердості позначають HRA.
Метод Віккерса дає можливість вимірювати твердість як м’яких, так і дуже
твердих металів і сплавів; він придатний для визначення твердості тонких
поверхневих шарів (наприклад, при хіміко-термічній обробці). За цим
методом у зразок вдавлюють чотиригранну алмазну піраміду з кутом при
вершині 136°. Навантаження може становити від 49 до 1170 Н (від 5 до 120
кгс). Відбиток по діагоналі вимірюють за допомогою мікроскопа, який
міститься біля приладу.
Число твердості визначають за формулою
HV=P/d2,
де Р — навантаження, Н (кгс); d — довжина діагоналі відбитка, мм.
Практичну величину HV беруть з таблиць.
Випробування на мікротвердість виконують вдавлюванням алмазної піраміди
з кутом при вершині 136° під навантаженням від 0,049 до 4905 Н (гирі
масою від 5 до 500 г); число твердості Н0 визначають в Н/мм2 (кгс/мм2).
За цим методом можна визначити твердість окремих структурних складових
сплавів, дрібних деталей механізмів годинників і приладів, металевих
ниток, штучних окисних плівок, стекол та ін. На рис. 46, а показано
прилад ПМТ-3 для випробування на мікротвердість, розроблений в Інституті
машинознавства Академії наук СРСР.
Столик і стояк тубуса спираються на станину приладу. Предмет, який
випробовується, встановлюють на столик під об’єктив і, дивлячись в
окуляр, роблять наводку на фокус мікроскопа та установку ниток за
допомогою окулярного мікрометра. Потім столик повертають, причому
досліджуваний предмет потрапляє під алмазну піраміду. Далі повертають
рукоятку; при цьому алмазна піраміда опускається і вдавлюється під дією
вантажу у досліджуваний предмет протягом 5—7 сек. Знявши вантаж, столик
повертають під тубус мікроскопа і вимірюють діагональ, суміщуючи перетин
ниток спочатку з правим кутом відбитка (пунктирні лінії), а потім з
лівим (суцільні лінії). Відлік десятих часток міліметра роблять по
цифрах, які перебувають у полі зору, а сотих і тисячних — по барабану
окулярного мікрометра.
Інші механічні випробування. Випробування на ударний вигин. Якщо та чи
інша деталь машини або механізму в процесі роботи зазнає ударних
навантажень, то метал для виготовлення такої деталі крім статичних
випробувань випробовують ще й динамічним навантаженням, тому що деякі
метали з досить високими показниками статичної міцності руйнуються при
малих ударних навантаженнях. Такими металами є, наприклад, чавун і сталі
з крупнозернистими структурами.
Для ударних випробувань на вигин беруть зразки стандартної форми. При
випробуванні зразок встановлюють на опорах маятникового копра надрізом
по ходу маятника. Маятник масою і довжиною піднімають на висоту Н; у
цьому положенні маятник має відомий запас потенціальної енергії. Потім
маятник звільняють, і він, вільно падаючи, вдаряє по зразку й руйнує
його; на це витрачається частина енергії. Енергія, яка залишилася,
піднімає маятник на деяку висоту і, яку визначають по шкалі копра.
Висоту підйому маятника до і після удару можна визначити через кути сц і
аг, які відповідають його граничним відхиленням (це зручно визначити по
кутовій шкалі копра). Роботу удару через кути визначають за формулою:
Роботу, яка поглинається при руйнуванні зразка, називають ударною
в’язкістю.
Випробування на стомленість. Багато деталей машин (шатуни двигунів,
колінчасті вали та ін.) в процесі роботи піддаються навантаженням, які
змінюються за величиною і напрямком. При таких повторно-змінних напругах
метал поступово із в’язкого стану переходить у крихкий (стомлюється).
Крихкий стан пояснюється появою мікротріщин, які поступово розширюються
й ослаблюють метал. В результаті цього руйнування настає при напругах,
менших, ніж границя міцності.
У деталях машин мікротріщини з’являються і розвиваються з поверхні
переважно в перерізах з різкими зломами лінії контуру (наприклад, при
й?
наявності шпонкових канавок, надрізів, отворів).
Розвиток тріщин від стомленості пов’язаний також з дефектами реальних
кристалічних структур: наявністю дислокацій, субзерен (блоків), а також
неметалічних включень, які розташовуються по границях зерен. Як бачимо,
статична міцність не може характеризувати витривалості металу при
змінних навантаженнях.
Випробування на втомленість (витривалість) проводять на різних машинах
залежно від призначення виробу. Найбільш поширені машини для
випробування:
1) вигином при крученні;
2) при розтягу — стиску;
3) при крученні.
Схема випробування на стомленість вигином зразка, який обертається.
Зразок закріплено в обертовому патроні машини і згинається постійним
вантажем Р, підвішеним за допомогою підшипника до його кінця. Після
руйнування зразка його замінюють іншим і зменшують вантаж Р.
Випробування повторюють кілька разів, щоразу визначаючи число циклів
(обертів), яке доводить зразок до руйнування. Границею витривалості
вважають найбільше напруження, яке може витримати матеріал N разів не
руйнуючись (М — велике число, порядку 107 або 106, 108, задане
технічними умовами).
Випробувальні машини для металів, які працюють у складних умовах,
забезпечуються і обладнуються установками та пристроями, що дають змогу
проводити випробування при підвищених і знижених температурах, при
корозії та в інших специфічних умовах.
Технологічні випробування (проби)—найбільш прості. Вони визначають
можливість проводити ті чи інші технологічні операції з даним металом
або застосовувати його в тих або інших умовах.
Випробування (проба) на видавлювання має на меті визначити здатність
тонкого листового металу до холодної штамповки і витяжки. Випробування
полягає у видавлюванні лунки округлою головкою до появи першої тріщини в
пластинці, затиснутої в кільцевій поверхні. Глибина видавленої лунки при
появі першої тріщини і є кількісною мірою проби.
Випробування (проба) на перегин визначає здатність металу витримувати
повторні перегини і застосовується для оцінки якості штабового та
листового матеріалів завтовшки до 5 мм, а також дроту і прутків.
Випробування (проба) на осадку визначає здатність холодного металу
набирати заданої форми при стисканні. Вважають, що зразок — циліндр,
висота якого дорівнює двом діаметрам, витримав пробу, коли при осадці до
заданої висоти на ньому не з’явилися тріщини, надриви або злом.
Випробовують на осадку, наприклад, метали для болтів і заклепок.
Випробування (проба) на іскру. При обробці сталей шліфувальними кругами
стружка, яка відлітає, горить на повітрі іскрами. Кількість іскр, їх
характер і колір залежать від хімічного складу металу (сталі). Колір
іскр змінюється від сліпучо-білого до темно-червоного. Наприклад, м’яка
вуглецева сталь (0,12 % С) дає солом’яно-жовтий пучок іскр, тверда
вуглецева (1,2 –
1,4% С) – сліпучо-білий з розсипними іскрами, марганцева сталь (10—14%
Мп)—темно-жовтий, швидкорізальна—темно-червоний. При певному досвіді по
іскрі можна робити приблизний висновок про хімічний склад сталі.
Випробування на зварюваність. Два бруски випробовуваного металу зварюють
і випробовують на загин або розтяг, після чого порівнюють результати з
тими, які відповідають суцільному (незвареному) зразку з того самого
металу. При добрій зварюваності опір розриву зварного шва повинен
становити не менш як 80 % від границі міцності суцільного бруска.
Методи фізико-хімічного аналізу металів
Макроаналіз. Для макроаналізу приготовляють зразок— шліф, або злом, по
якому виявляють макроструктуру—будову металу і сплаву, яку можна бачити
неозброєним оком або в лупу.
Підготовка шліфу полягає у вирівнюванні напилком або шліфуванні
наждачним папером поверхні. При потребі шліф травлять кислотами, лугами
або розчинами солей, які по-різному розчиняють чи забарвлюють різні за
складом або орієнтацією частини (ділянки) на шліфі.
При макродослідженні визначають форму і розташування кристалів у
виробах, виготовлених литтям або обробкою тиском; за допомогою
макроаналізу можна виявити усадочні раковини і рихлість, пустоти,
тріщини, неметалічні включення (шлак, графіт у сірому чавуні і т. ін.),
наявність і характер розташування деяких шкідливих домішок, наприклад
сірки.
Зломи металу дають уявлення про величину зерен, будову і структуру.
Мікроаналіз. Шліф для мікроаналізу приготовляють так само, як і для
макроаналізу, проте після шліфування його полірують до дзеркального
блиску.
По шліфу за допомогою металографічного мікроскопа визначають
мікроструктуру: наявність, кількість і форму тих або інших структурних
складових, забрудненість сторонніми включеннями. Наявність і розміри пор
та неметалічних включень визначають по нетравлених шліфах; щоб виявити
основну структуру, шліф піддають травленню. Оскільки метали непрозорі,
шліфи з них можна вивчати тільки у відбитому світлі за допомогою
металографічного мікроскопа.
Мікроскоп складається з трьох основних частин: освітлювального пристрою,
власне мікроскопа (з ілюмінаційним тубусом, візуальним тубусом,
предметним столиком, механізмом грубої і точної наводки на фокус) та
нижнього корпуса з основою.
Схема ходу променів у мікроскопі. Освітлювальний пристрій складається з
лампи, конденсора і відкидних світофільтрів (зеленого, жовтого, синього
та оранжевого), кожен з яких можна встановити у світловий потік. Далі
світло потрапляє в ілюмінаційний тубус, який складається з поляризатора
(встановлюється для спостережень у поляризованому світлі неметалічних
включень на шліфах), напівматової пластинки, лінз, апертурної та
польової діафрагм. Від ілюмінаційного тубуса пучок паралельних променів
потрапляє на плосйу скляну пластинку. Частина пучка проходить крізь
пластинку і втрачається (поглинається стінками мікроскопа), а друга
частина відбивається,
проходить крізь лінзи об’єктива і потрапляє на поверхню шліфа. Промені,
відбиті поверхнею шліфа в напрямі об’єктива, знову проходять крізь
нього, пластинку і відбивною призмою спрямовуються до лінз окуляра,
через який і проводять візуальний розгляд шліфів.
Для фотографування шліфів призму відсувають, тоді промені проходять
крізь фотоокуляр, фотозатвор і дзеркалом відбиваються на матове скло
фотокамери.
Набір змінних об’єктивів та окулярів до мікроскопа МИМ-6 дає можливість
діставати збільшення від X 63 до X 1425.
Під дією реактивів при травленні метал по границях зерен розчиняється
сильніше, внаслідок чого там утворюються заглиблення — мікроборозенки.
Промені світла в них розсіюються, тому границі зерен під мікроскопом
темніші; промені від плоскої поверхні зерен відбиваються, і кожне зерно
па шліфі здається світлим, при цьому часто спостерігається різне
забарвлення зерен, що пояснюється різною розчинністю їх внаслідок
анізотропності.
Поряд із звичайним світловим мікроскопом широко застосовують електронний
мікроскоп, в якому замість світлових променів використовуються
електронні; ці промені випромінює розжарена вольфрамова спіраль.
Електронний мікроскоп забезпечує електронно-оптичне збільшення в кілька
тисяч і десятків тисяч разів.
Рентгеноструктурний аналіз дає можливість визначити типи кристалічних
решіток металів і сплавів, а також їхні параметри. Визначення структури
металів і сплавів, розміщення атомів у кристалічній решітці та
вимірювання відстаней між ними основані на дифракції рентгенівських
променів рядами атомів у кристалі, тому що довжина хвиль цих променів
сумірна з міжатомними відстанями в кристалах. Знаючи довжину хвилі
рентгенівського проміння, можна обчислити відстань між атомами в
кристалі і побудувати модель розташування атомів. На сьогодні вже
вивчено будову майже всіх металів, багатьох сплавів та мінералів.
Рентгенівський контроль полягає в проникненні рентгенівських променів
крізь тіла, непрозорі для видимого світла. Проходячи крізь метали,
рентгенівські промені частково поглинаються, причому суцільним металом
промені сильніше поглинаються, ніж у тих ділянках, де є газові і шлакові
включення або тріщини. Величину, форму і вид цих дефектів можна
спостерігати на світному екрані, встановленому по ходу променів за
досліджуваною деталлю. Оскільки рентгенівське проміння діє на
фотографічну емульсію подібно світловому, то світний екран можна
замінити касетою з фотографічною пластинкою або плівкою і одержати
знімок досліджуваного об’єкта. Отже, рентгенівським дослідженням можна
виявити всередині деталі навіть мікроскопічні дефекти.
Дефектоскопія. Магнітну дефектоскопію застосовують для виявлення
дефектів у деталях: тріщин, волосовий, пузирів, неметалічних включень і
т. п. В умовах змінного навантаження вони стають дуже небезпечними, тому
що знижують динамічну міцність деталей.
Магнітне випробування складається з трьох основних операцій:
намагнічування виробів, покриття їх феромагнітним порошком, зовнішнього
огляду і розмагнічування виробів.
У намагнічених виробів з дефектами магнітні силові лінії, намагаючись
обігнути місця дефектів (внаслідок зниженого магнітного проникнення їх)
виходять за межі поверхні виробу і потім входять у нього, створюючи
неоднорідне магнітне поле. Тому при покритті виробу магнітним порошком
частинки останнього розташовуються над дефектом, утворюючи різко
окреслені малюнки.
Ультразвукова дефектоскопія дає змогу випробовувати будь-які метали (а
не тільки феромагнітні) і виявляти дефекти в товщ; металу на значній
глибині, які не вдається виявити магнітним методом.
Для дослідження металу застосовують ультразвукові коливання з частотою
від 2 до 10 млн. Гц. При такій частоті коливання поширюються в металі
подібно променям, майже не розсіюючись по боках: ними можна
«просвічувати» метали на глибину понад 1 м.
Ультразвук відбивається на поверхні поділу різнорідних середовищ. Тому,
поширюючись у металі, ультразвук не проходить через тріщини, раковини,
неметалічні включення, а утворює акустичну тінь а.
Для випромінювання і прийому ультразвуків користуються відповідно
п’єзоелектричними випромінювачами і приймачами.
Застосування радіоактивних ізотопів (мічених атомів). У металургії і
металознавстві радіоактивні ізотопи застосовують для різних цілей.
Наприклад, у шлак вводять радіоактивні ізотопи фосфору, сірки, марганцю
тощо і вивчають швидкість переходу цих елементів у метал та швидкість
відновлення рівноважного розподілу їх між металом і шлаком у
металургійних плавках при зміні температури або складу шлаку. Введення
радіоактивного вуглецю в залізо при цементації дає змогу вивчати
швидкість дифузії і розподіл вуглецю в ньому.
Щоб виявити, як розподіляється олово в нікелі, у рідкий сплав додають
радіоактивне олово. Затверділий сплав кладуть на касету з фотопластинкою
і після відповідної видержки пластинку проявляють. Радіоактивні ізотопи
допомагають стежити за зносом вогнетривкої кладки в доменних печах або
деталей машин та ін. При користуванні радіоактивними ізотопами треба
суворо дотримуватися застережних правил від небезпечного випромінювання.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
