Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение (методы анализа, лабораторные работы и задачи)

Подождите немного. Документ загружается.

слоев, например цианированного слоя стали толщиной

0,04—0,06 мм,

чаще применяют нагрузку

в 5 кгс, а для

измерения твердости азоти-

рованного слоя стали толщиной

до 0,05 мм —

нагрузку

в 5 или

кгс. При

обозначении твердости

по

Виккерсу

следует

указывать

величину применяющейся нагрузки

(HV 5, HV 10 и т. д.).

Поверхность образцов

для

определения твердости пирамидой

должна быть тщательно отшлифована бумагой

мелким зерном

или

даже

отполирована. Толщина испытуемого образца должна быть

не

меньше

чем 1,5

диагонали отпечатка.

Твердость

по

Виккерсу

HV, так же как и по

Бринеллю, опреде-

ляется

как

усилие, приходящееся

на

единицу поверхности отпе-

чатка

„

т/

2Р sin а/2 .

осл

Р . „

HV = ^2—-— = 1,854 —р

кгс/мм

где

Р —

нагрузка

на

пирамиду,

кгс;

—

угол

между

противоположными гранями пирамиды

(136° С);

d —

среднее арифметическое длины обеих диагоналей отпечатка

после снятия нагрузки,

мм.

Числа твердости

по

Виккерсу

и по

Бринеллю имеют одинаковую

размерность

и для

материалов твердостью

до НВ 450

практически

совпадают. Вместе

с тем

измерения пирамидой

дают

более точные

значения

для

металлов

высокой твердостью,

чем

измерения шари-

ком

или

конусом. Алмазная пирамида имеет большой

угол

вершине

(136°)

диагональ

ее

отпечатка примерно

семь

раз

больше глубины

отпечатка,

что

повышает точность измерения отпечатка

даже

при

проникновении

пирамиды

на

небольшую глубину

делает

этот

способ особенно пригодным

для

определения твердости тонких

или

твердых сплавов.

При

испытании твердых

хрупких слоев (азотированного,

циа-

нированного)

около

углов

отпечатка иногда образуются трещины

(отколы),

по

виду которых можно судить

хрупкости измеряемого

слоя.

МЕТОД

ИЗМЕРЕНИЯ

МИКРОТВЕРДОСТИ

Для изучения свойств

превращений

сплавах необходимо

не

только знать

«усредненную»

твердость, представляющую твердость

результате

суммарного влияния присутствующих

сплаве

фаз и

структурных составляющих,

но и

определять твердость отдельных

фаз

структур

сплава. Микротвердость определяют вдавливанием

алмазной

пирамиды.

Прибор

типа

ПМТ-3,

разработанный

М. М.

Хрущовым

и Е. С. Бер-

ковичем

(рис. 108),

имеет штатив

вертикального микроскопа

с ту-

бусом, перемещающимся вверх

вниз

помощью макрометрического

винта

2 и

микрометрического винта

3. На

верхний конец

тубуса

Продолжительность нагружения при испытании черных металлов составляет

10—15 с; цветных металлов 30 ± 2 с.

Методика измерения установлена

ГОСТ

9450—60.

181

зги

насажен окулярный микрометр

4, а в

нижнем конце закреплены

шток

5 с

алмазной пирамидой, опакиллюминатор

6 и

объективы

В опакиллюминаторе имеется лампочка напряжением

6 В, пи-

таемая

от

электросети через трансформатор.

Прибор снабжен двумя объективами

для

просмотра микрошлифа

при

увеличениях

в 478 и 135 раз.

Окуляр увеличивает

в 15 раз.

Окулярный микрометр имеет

неподвижную сетку, остаточ-

ный

микрометрический бара-

банчик

каретку

подвиж-

ной

сеткой.

На

неподвижной

сетке длиной

5 мм

нанесены

штрихи

цифрами

уголь-

ник

прямым углом, вершина

которого совпадает

цифрой

На

подвижной сетке

на-

несен угольник

прямым

уг-

лом

и две

риски.

Алмазная пирамида имеет

угол

между

гранями

при вер-

шине

136°, т. е.

такой

же,

как

и в

пирамиде

для

изме-

рения

по

Виккерсу

(что об-

легчает

пересчет

на

числа

Виккерса). Нагрузка

для

вдавливания пирамиды

со-

здается грузами

12,

устанав-

ливаемыми

на

шток

5. В при-

боре применяют грузы

от /

до

200 г в

зависимости

от

осо-

бенностей изучаемой струк-

туры

задач исследования.

Поверхность измеряемого

образца шлифуют

полиру-

ют

, а при

необходимости

подвергают травлению реак-

тивами, применяемыми

для

микроанализа соответствую-

щих сплавов

(см.

табл.

4).

Подготовленный образец (микрошлиф) устанавливают

на

столе

так, чтобы исследуемая поверхность была параллельна плоскости

столика

обращена вверх.

При

испытании образцов сложной формы

это достигается предварительной установкой образца

пластилин

выравниванием положения шлифуемой поверхности образца

руч-

ным

прессом.

Рис.

108.

Схема прибора ПМТ-3

для

измерения

микротвердости:

—

микроскоп;

2 —

микрометрический винт;

—

микрометрический винт;

4 —

окулярный

микрометр;

5 —

шток

алмазной пирамидой;

6 —

опакиллюминатор;

7 —

объектив;

8 —

стол

для

установки микрошлифа;

9 —

ручка стола;

10 —

винт стола;

// —

регулировочные винты;

12 —

грузы;

13 —

ручка нагружения

При изготовлении микрощлифов для измерения микротвердости

лучше

приме-

нять

электролитическое полирование (см. с.

50—51),

не вызывающее наклепа в тонком

поверхностном слое.

182

Рис. 109. Схема измерения отпечатков

на

приборе микротвердости

Установленный микрошлиф просматривают через окуляр. С по

мощью

двух

винтов столик перемещается в

двух

перпендикулярных

направлениях, что позволяет перемещать микрошлиф и выбрать на

нем

участок, в котором необходимо измерить твердость. Этот участок

следует

разместить в середине поля зрения микроскопа — точно

вершине

угла

неподвижной сетки. Затем устанавливают грузы,

поворачивают с помощью ручки столик 9 на 180° (от одного упора до

другого)

для подведения выбранного участка образца под алмазную

пирамиду. После этого медленным (в течение 10—15 с) поворотом

ручки 13 приблизительно на 180° опускают шток с алмазной пирами-

дой так, чтобы алмаз коснулся образца. В этом положении выдержи-

вают образец под нагрузкой 5—10 с, после чего, поворачивая

ручку

исходное положение, подни-

мают шток с алмазом. Затем по-

ворачивают столик 8 на 180° и

возвращают образец в исходное

положение под объектив микро-

скопа

для измерения диагонали

отпечатка (рис. 109). Если при-

бор правильно центрирован, то

изображение отпечатка ока-

жется в поле зрения микро-

скопа

или

будет

близко к вер-

шине

угла

неподвижной сетки. Точность совмещения места, наме-

ченного для испытания, с местом фактического вдавливания пи-

рамиды составляет в этом приборе 3 мкм. Затем вращением вин-

тов // подводят отпечаток к угольнику неподвижной сетки таким

образом, чтобы вершина угольника совпала с левым

углом

отпечатка,

а пунктирные линии угольника совпали с гранями левой части от-

печатка. После этого вращением микрометрического барабана оку-

ляра подводят вершину угольника подвижной сетки к противополож-

ному

углу

отпечатка;

тогда

пунктирные линии угольника подвижной

сетки совместятся с гранями правой части отпечатка. При таком

положении

сеток деления микрометрического барабанчика указывают

длину диагонали отпечатка. Поворачивая окуляр на 90°, определяют

также длину второй диагонали и вычисляют среднюю длину диа-

гонали.

Полученную среднюю длину переводят по таблице на число

твердости. Указанные измерения полученного отпечатка производят

не

менее

двух-трех

раз. Числа твердости в таблице вычислены по

формуле

HV =

l,854P/d

кгс/мм

представляют числа твердости по Виккерсу.

Для получения более точного результата измеряют твердость

изучаемого участка микрошлифа, например одного зерна два-три

раза. Для этого необходимо, чтобы на площади одного и того же

зерна (или карбида и т. д.) разместились, по крайней мере, два

отпечатка. Исходя из этого условия, экспериментально подбирают

величину нагрузки для исследования. Необходимо, однако, учесть,

183

что при очень малых нагрузках (меньше 20 гс)

могут

получиться

недостаточно точные результаты.

Прибор

позволяет фотографировать микроструктуру сплава с по-

лученными отпечатками.

Измерения

микротвердости широко применяют для изучения

структуры и свойств сплавов.

На

рис. ПО показана микроструктура литой быстрорежущей

стали после закалки. Сталь состоит из крупных зерен неоднородного

строения,

причем каждое зерно имеет

три концентрических слоя: сердце-

вина

зерна имеет твердость HV

320—

350 (HRC 35), промежуточный слой

700—725

(HRC 58) и наружный

слой HV

940—1000

(HRC 65—67).

Макротвердость стали (HRC 65)

не

выявляет этой неоднородной твер-

дости, а следовательно, и структуры.

Определение

твердости

при

нагреве

Измерения

твердости при нагреве

(горячей твердости) важны для ис-

следования разнообразных теплостой-

ких и жаропрочных материалов —

как

конструкционных, так и инстру-

ментальных.

Надо

учитывать, что локальное

понижение

температуры, возможное

при

вдавливании более холодного ин-

дентора, заметно изменяет твердость

определяемом участке и снижает

точность измерений. Заметные иска-

жения

вносятся также окислением поверхности образца, наступаю-

щим

случае

нагрева в печи без защитной атмосферы и возрастающим

при

более высоком нагреве.

Эти недостатки устраняются при измерении в

вакууме

или в инерт-

ных

газах

с вдавливанием алмазной

пирамиды (по Виккерсу),

частности на многопозиционной установке М. Г. Лозинского и

Н.

А. Богданова

; в ней можно нагревать одновременно несколько

образцов, а следовательно, измерять их в одинаковых условиях.

Прибор

для измерения твердости помещен в герметизированной

камере,

образуемой стеклянным колпаком и медным корпусом

(рис.

111). Остаточное давление в ней после откачивания

воздуха

от 10"

до 10~

мм рт. ст., что предотвращает окисление при измере-

ниях

до

800°

С.

Рис.

ПО.

Литая быстрорежущая сталь

после закалки (видны отпечатки алма-

зной

пирамиды).

X 500

Для температур выше

800°

С рекомендуется пирамида из искусственного сап-

фира.

'Лозинский

М. Г. Строение и свойства металлов и сплавов при высоких

температурах. М.,

«Металлургия»,

1963. 535 с. с ил.

184

Поверхность образцов предварительно полируют. Затем их раз-

мещают в специальных гнездах прибора. После создания вакуума

образцы нагреваются от молибденового ленточного нагревателя,

охватывающего каждый образец. Одновременно нагреваются и

Рис. 111. Схема прибора для измерения твердости алмазной пирамидой в вакууме

(М.

Г. Лозинский):

/ — стеклянный колпак; 2 — разъемные грузы; 3 — поднимающая площадка; 4 — полые

стойки;

5 — индикаторы; 6 — тяга; 7 — стрелка и шкала для контроля нанесенных отпечатков;

— кулачковый механизм; 9 — медный корпус; 10 — редуктор; // — исполнительный

меха-

низм;

12 — поворачивающая муфта; 13 — термопары

инденторы.

Температуры измеряются термопарой, спай которой

прикрепляется

к образцу точечной сваркой.

В приборе на площадке размещены шесть разъемных грузов

с инденторами для измерения твердости соответственно 6 образцов.

Грузы поднимаются при помощи тяги и кулачкового механизма.

При

нажатии кнопки на

пульте

включается двигатель исполнитель-

ного механизма, и муфта, поворачиваясь на 180°, опускает площадку

с грузами и инденторами на измеряемую поверхность образцов.

Выдержка под нагрузкой обычно принимается 30 с и регулируется

реле времени. По окончании выдержки реле пускает электродвига-

тель исполнительного механизма в обратном направлении, снимая

нагрузку.

Диагональ полученного отпечатка измеряют после охлаждения

образца и извлечения его из камеры. Для более точного определения

твердости необходимо выполнять измерения на одном образце не

менее 4—5 раз.

Менее надежны определения вдавливанием шарика (из твердого

сплава) или алмазного конуса. Такие измерения можно выполнять

при

нагреве до

300—400°

С.

6. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ i

Для выполнения работ необходимо ознакомиться с пп. 1—5 дан-

ной

главы.

Лабораторные работы по измерению твердости включают выпол-

нение

двух

заданий.

Первое задание предусматривает приобретение навыков измере-

ния

твердости. Каждый

студент

.измеряет твердость

одного-двух

образцов стали, подвергавшейся различной термической обработке

(твердость образцов должна быть в пределах НВ

220—400).

Содержание задания. Измерить твердость по Бринеллю (шари-

ком

10 мм) и Роквеллу (по шкале С) и указать примерное значение

предела прочности испытуемой стали. Объяснить принцип измерения

твердости вдавливанием шарика или алмазного конуса.

Второе задание предусматривает решение каждым студентом

одной

из приводимых задач (№ 63—80), построенных таким образом,

чтобы при выполнении их показать связь твердости, как одного из

важнейших механических свойств большинства металлов, со струк-

турой и остальными прочностными свойствами.

При

выполнении отдельных задач необходимы некоторые сведе-

ния

о воздействии термической обработки на

структуру

и свойства.

Если

этот раздел курса еще не прочитан ко времени выполнения

соответствующей работы, то преподаватель сообщает

студенту

крат-

кие

дополнительные пояснения или указывает главы учебника,

ознакомление

с которыми нужно для решения задачи.

Задачи

М 63:

а) определить, на каком приборе и с какой нагрузкой

следует

измерять твердость сплавов системы Sn—Zn;

б) измерить твердость чистого олова, чистого цинка и

трех

образцов сплавов этой системы с содержанием 5, 20 и 50% Zn;

в) начертить диаграмму состояния Sn—Zn (см. рис. 67) и по по-

Методы определения механических свойств на растяжение и ударную вязкость

приведены

в гл. VI, пп. 2,4.

186

лученным значениям твердости нанести на диаграмме линию, пока-

зывающую изменение твердости сплавов этой системы в зависимости

от концентрации в координатах твердость — концентрация цинка.

Объяснить, по какому закону изменяется твердость сплавов этой

системы и как связано полученное изменение твердости со структу-

рой сплава.

Примечание. При отливке образцов (размерами

20Х20Х

100 мм)

следует

учесть

возможность выгорания цинка при расплавлении шихты. Более значительное

изменение

твердости

дают

сплавы системы Pb—Sb; однако использование этих спла-

вов

затруднительно

вследствие

значительной ликвации по плотности.

№

64:

а) измерить твердость четырех образцов отожженной углероди-

стой стали с содержанием углерода соответственно 0,1; 0,3; 0,5 и

1,1%; указать примерно их пределы прочности при растяжении;

б) построить диаграмму в координатах твердость стали — содер-

жание углерода (до 1,1% С), показать на диаграмме изменение

твердости отожженной стали с увеличением содержания углерода и

объяснить, как изменяется при этом структура стали (см. рис. 174

15).

№

65. Измерить твердость четырех образцов отожженной угле-

родистой стали с содержанием углерода 0,4; 0,7; 1,0 и 1,2%.

Указать, какой закономерности следует изменение твердости

отожженной стали при увеличении в ней содержания углерода, и

определить приблизительно по значениям твердости, измеренным

по

Бринеллю, предел прочности и текучести. Указать по ГОСТ марки

сталей, отвечающих приведенным составам (по содержанию угле-

рода), и их назначение в промышленности.

№

66. Измерить твердость четырех образцов закаленных углеро-

дистых сталей с содержанием углерода 0,2; 0,4; 0,6 и 0,75%.

Указать, на каком приборе следует измерять твердость в данном

случае, и определить, какой закономерности следует изменение твер-

дости закаленной стали при увеличении содержания углерода в ука-

занных пределах.

Характеризовать влияние углерода на закаливаемость стали.

Принять,

что стали были закалены с обычно принятых температур

(Ас

30-^50°

С) и охлаждены в воде. Указать по ГОСТ марки

стали, отвечающие приведенным составам (содержание углерода),

их назначение в промышленности.

№

67. Объяснить, на каком приборе следует измерить твердость

отожженной стали и серого чугуна.

Измерить твердость образцов: а) стали с 0,1 % С; б) стали с 0,45% С;

в) серого чугуна с содержанием 3% С.

Объяснить, как изменяется твердость отожженной стали с увели-

чением в ней содержания углерода и почему эта зависимость не

сохраняется для серого чугуна.

№

68:

а) определить экспериментально, на каком приборе и по какой

шкале следует измерять твердость сплавов системы

Си—Zn

(рис. 127),

187

измерить твердость четырех отожженных образцов чистой меди,

латуни с содержанием 90% Си, латуни с 68% Си и латуни

с 58% Си;

б) начертить в масштабе часть диаграммы (см. рис. 127) медь—

цинк

(до 42% Zn) и диаграммы в координатах твердость—концентра-

ция

цинка; нанести на диаграмму экспериментально полученные

точки и провести через них кривую. Объяснить, как связан ход

кривой

твердости с линиями диаграммы состояния данной системы

структурой указанных сплавов;

в) привести по ГОСТ марки сплавов, отвечающих приведенным

системам, и указать их назначение в промышленности.

№

69:

а) определить экспериментально, на каком приборе и с какой

нагрузкой

следует

измерять твердость сплавов системы Си—Sn.

Измерить твердость

трех

образцов: чистой меди и прессованной

оловянной

бронзы (после рекристаллизации) с содержанием 4% Sn

6% Sn;

б) начертить в масштабе часть диаграммы медь—олово (см.

рис.

128) для сплавов на основе меди и диаграмму в координатах

твердость—концентрация олова (до 15% Sn), нанести на диаграмму

экспериментально полученные точки и провести через них кри-

вую.

Объяснить, как связан ход полученной кривой твердости со струк-

турой оловянной бронзы;

в) привести по ГОСТ марки оловянных бронз, отвечающих при-

веденным составам, и указать их назначение в промышленности.

№

70. Указать, каким способом, по Бринеллю или по Роквеллу,

надо измерять твердость мягких сталей.

Измерить твердость образца низкоуглеродистой стали марки 10

на основании известных закономерностей

между

твердостью и

прочностными свойствами определить примерно предел прочности и

предел текучести исследованной стали.

№

71. Измерить твердость

двух

образцов латуни с содержанием

20% Zn, определив, на каком приборе и с какой нагрузкой

следует

измерять твердость латуни.

Оба образца были нарезаны из холоднокатаного прутка, но один

из

них подвергнут затем рекристаллизации.

Указать, какой образец подвергался рекристаллизации и при-

мерную температуру нагрева.

Объяснить, какие изменения в

структуре

латуни в процессе

рекристаллизации вызвали изменение твердости и в каком направле-

нии

изменилась при этом пластичность латуни. На основании зна-

чений твердости, полученных при испытании, указать примерные

значения

предела прочности исследованных образцов латуни.

Л* 72. Образец углеродистой стали 10 толщиной 20 мм был под-

вергнут цементации, а затем закалке для повышения твердости

износостойкости поверхностного слоя.

На

каком приборе и по какой шкале

следует

определить твер-

дость образца?

Измерить

твердость на поверхности, затем снять на абразивном

круге слой толщиной 1 мм, измерить твердость и вновь снять на

этом же участке слой толщиной 1мм и затем опять измерить твер-

дость.

Объяснить, в каком направлении изменяется твердость от поверх-

ности

к сердцевине и какими изменениями в составе и

структуре

стали оно вызвано.

№

73. В образце углеродистой стали (0,5% С) толщиной 15 мм

результате

длительного нагрева при высокой температуре произо-

шло значительное обезуглероживание с поверхности, после чего

образец был подвергнут закалке.

Измерить

твердость на поверхности, затем снять абразивом

слой толщиной около 1 мм, измерить твердость, вновь снять слой

толщиной

около 1 мм и повторить измерения твердости.

Привести

полученные значения твердости и объяснить:

1) в каком направлении меняется твердость от поверхности

сердцевине;

2) как влияет обнаруженный дефект на свойства стали.

Твердость образца измерить вдавливанием алмазного конуса

с нагрузкой 60 кгс и произвести пересчет на шкалу С.

Объяснить, почему измерения по Роквеллу (шкала С) и Бринеллю

окажутся менее чувствительными и каким способом исследования

металлов можно более точно определить толщину обезуглерожива-

ния

слоя.

М 74. Цилиндрический образец углеродистой стали с 0,45% С

диаметром 25 мм и высотой 70 мм был закален с нагревом до

840°

охлаждением в воде, затем сломан (разрезан) посередине высоты

со стороны излома зашлифован.

На

каком приборе и по какой шкале

следует

определить твердость

образца и затем измерить твердость шлифованной поверхности по

диаметру через каждые 2 мм?

На

основании результатов измерения построить диаграмму в ко-

ординатах твердость — расстояние от поверхности образца и по

полученным экспериментальным точкам провести кривую. Объяс-

нить,

каким превращениям при закалке и изменениям в

структуре

стали соответствует ход полученной кривой.

№

75. Цилиндрический образец углеродистой стали с 0,5% С

диаметром 35 мм и высотой 90 мм был закален (нагрев до Ас

+ 30° С,

охлаждение в воде), затем сломан (разрезан) посередине высоты и

зашлифован

со стороны излома.

Объяснить, на каком приборе и по какой шкале

следует

опреде-

лить твердость образца, и затем измерить твердость шлифованной

поверхности по диаметру через каждые 2 мм.

На

основании результатов измерения построить диаграмму в ко-

ординатах твердость — расстояние от поверхности образца и по

полученным экспериментальным точкам провести кривую. Объяс-

нить,

каким превращениям при закалке и изменениям в

структуре

стали соответствует ход полученной кривой.

189

№

76. Два цилиндрических образца углеродистой стали (0,45% С)

диаметром 15 мм были закалены, а затем отпущены. Один образец

с нагревом до

450°

С (для получения структуры троостита),

другой

—

с нагревом до

580°

С (для получения структуры сорбита).

Измерить

твердость обоих образцов по Роквеллу (шкала С) и

пересчетом на число твердости по Бринеллю определить примерные

значения

пределов прочности, которые сталь имеет в указанных

состояниях.

Определить (качественно), какой образец характеризуется более

высокой

вязкостью.

№

77. Измерить твердость

двух

образцов стали с содержанием

0,45% С; оба образца изготовлены из отожженной заготовки, причем

второй образец после изготовления подвергался закалке и отпуску

с нагревом до

550°

С (для получения структуры сорбита).

Установить, на каком приборе рационально измерять твердость

обоих образцов.

Указать на основании результатов измерения твердости пример-

ные

значения предела прочности.

№

78. Измерить твердость

двух

цилиндрических фрез, изготов-

ленных из быстрорежущей стали (измерение провести в торцовой

части).

На

основании результатов измерения объяснить, какая из про-

веряющихся фрез была подвергнута окончательной термической обра-

ботке и пригодна для непосредственного использования в качестве

режущего инструмента и какая должна еще пройти термическую об-

работку (закалку и отпуск) для получения высоких режущих свойств.

Измерение

выполнить вдавливанием алмазного конуса.

Объяснить, почему измерение вдавливанием стального шарика

данном

случае

недопустимо.

№

79. Измерить твердость

двух

круглых плашек, изготовленных

из

инструментальной стали (марки 9ХС или У11).

Указать, какая плашка была закалена и отпущена и какая из

них должна быть еще подвергнута термической обработке.

Измерение

выполнить вдавливанием алмазного конуса.

Объяснить, почему измерение вдавливанием стального шарика

данном

случае

недопустимо.

М 80. Измерить твердость

двух

образцов дуралюмина: а) после

отжига; б) после закалки и старения.

Обосновать способ измерения твердости алюминиевых сплавов

на основании результатов определения и зависимостей, приведен-

ных на с. 173, указать примерно предел прочности дуралюмина в этих

двух

разных структурных состояниях.