Золотаревский В.С. Механические свойства металлов
Подождите немного. Документ загружается.
На
основании
прибора
установлен
предметный
столик
11,
ко
торый
может
перемещаться
в
двух
взаимно
перпендикулярных
направлениях
при
помощи
микрометрических
винтов
12
и
13.
Кроме
того,
столик
можно
поворачивать
рукояткой
2
вокруг
сво
ей
оси
на
180·.
Для
нанесения
отпечатка
испытуемый
образец
ус
танавливают
под
микроскопом
и
выбирают
на
нем
место,
в
кото
ром
необходимо
измерить
микротвердость.
Затем
перемещают
образец
так,
чтобы
выбранное
место
оказалось
под
острием
ал
мазной
пирамиды
(поворотом
предметного
столика
на
180·
до
упора).
После
вдавливания
индентора
и
снятия
нагрузки
с
образ
ца
последний
вновь
переводят
под
микроскоп
и
измеряют
длину
диагонали
отпечатка.
Для
обеспечения
точного
замера
микро
твердости
при
бор
должен
быть
тщательно
юстирован.
Задача
юс
тировки
-
точное
совмещение
оптической
оси
с
осью
нагруже
ния
при
повороте
предметного
столика
на
180·.
Иными
словами,
необходимо
добиться,
чтобы
отпечаток
наносился
именно
на
том
месте,
которое
было
выбрано
под
микроскопом.
Центрирующее
устройство,
позволяющее
перемещать
объектив
в
горизонталь
ной
плоскости,
приводится
В
действие
винтами
15
(см.
рис.
149,
а).
Схема
центровки
приведена
на
рис.
150.
Сначала
устанавлива
ют
перекрытие
нитей
окуляр-микрометра
точно
в
центре
поля
зрения
микроскопа.
Для
этого
перемешающийся
при
вращении
барабанчика
окуляр-микрометра
сдвоенный
штрих
должен
нахо
диться
против
цифры
4
неподвижной
шкалы
окуляра,
а
нуль
шкалы
барабанчика
-
точно
против
риски.
Затем
перемещением
пред
метного
столика
со
шлифом
подводят
под
перекрестие
выбран
ное для
испытания
место
(см.
рис.
150,
а)
и
наносят
отпечаток.
Но
если
прибор
не
отцентрован,
отпечаток
получится
в
стороне
от
перекрестия
(см.
рис.
150,6).
Центровочными
винтами
15
(см.
рис.
149,
а)
перемещают
перекрестие
до
тех
пор,
пока
оно
не
совпа
дет
с
центром
получившегося
отпечатка
А
(см.
рис.
150,
в).
Затем
опять
перемещают
столик
(микрометрическими
винтами)
так,
чтобы
перекрестие
пришлось
на
то
место,
где
нужно
сделать
от
печаток
(см.
рис.
150,
г).
Вновь
сделанный
отпечаток
Б
должен
быть
точно
в
заданном
месте
(см.
рис.
150,
д).
Если
этого
не
про
изойдет,
все
операции
повторяют
сначала.
Операции
центровки
часто
приходится
выполнять
и
в
процес
се
работы,
после
предварительной
настройки
прибора.
280
f\)
со
б
Рис.
149.
Прибор
пмт-з
для
измерения
микротвердости:
а
-
общий
вид;
б
-
схема
механизма
нагружения
Вторая
задача
юстировки
-
правильная
установка
по
высоте
механизма
нагружения.
При
этом
острие
алмаза
(см.
рис.
149,
б)
должно
касаться
поверхности
образца,
а
микроскоп
сфокусиро
ван
на
эту
поверхность.
Юстировка
по
высоте
осуществляется
гай
кой
19.
Необходимо
добиться
такого
положения,
чтобы
без на
грузки
на
поверхности
шлифа
из
какого-нибудь
мягкого
металла
(например,
алюминия
или
олова)
не
появлялось
отпечатка,
а
при
нагрузке
0,005
Н
появился
бы
очень
маленький
отпечаток.
Юстировку
по
высоте
можно
про
водить
на
эталоне
с
точно
изве
стной
твердостью
(например,
на
кристалле
NaCl).
Поднимая
или
опуская
нагружаюший
механизм,
необходимо
добиться
получе
ния
отпечатка
с
такой
диагональю,
которая
бы
соответствовала
м
и
кротверд ости
эталона.
При
измерении
микротвердости
расстояние
между
центрами
соседних
отпечатков
должно
быть
не
менее
двух
длин
диагонали
большего
отпечатка.
Таким
же
должно
быть
расстояние
от
центра
отпечатка
до
края
образца,
длина
диагонали
отпечатка
-
не
бо
лее
полуторной
толщины
образца.
Для
определения
числа
микротвердости
по
длине
диагонали
при
разных
нагрузках
Р
существуют
специальные
таблицы
и
но
мограммы.
Рис.
150.
Схема
центровки
прибора
пмт-з
282
Фактически
при
использовании
четырехгранной
пирамиды
с
квадратным
отпечатком метод
микротвердости
-
это
разновид
ность
метода
Виккерса
и
отличается
от
него
только
использова
нием
меньших
нагрузок
и
соответственно
меньшим
размером
отпечатка.
Поэтому
физический
смысл
числа
микротвердости
аналогичен
НУ.
Часто
наблюдаемые
отклонения
от
равенства
чисел
микротвердости
и
твердости
по
Виккерсу,
особенно
в
области
Р<О,О5-0,1
Н,
объясняются
в
основном
большими
погрешнос
тями
измерения
микротвердости.
Источники
этих
погрешностей
-
вибрации,
инструментальные
ошибки
в
измерении
длины
ди
агонали
отпечатка,
неидентичность
условий
ручного
нагружения,
искажения
структуры
поверхностного
слоя
и
др.
По
мере
умень
шения
нагрузки
все
погрешности
возрастают.
Поэтому
не
реко
мендуется
работать
с
нагрузками,
которые
дают
отпечатки
с
d<8-
9
мкм.
Использование
при
ставок
для
автоматического
нагруже
ния,
всемерное.
устранение
вибраций,
тщательная
отработка
ме
тодики
приготовления
шлифов
позволяют
свести
ошибки
в
опре
делении
числа
микротвердости
к
минимуму.
Как
уже
отмечал
ось,
главная
ценность
метода
микротвердости
-
это
возможность
оценки
твердости
сверхтонких
слоев и
от
дельных
фаз
и
структурных
составляющих,
что
очень
важно
при
т
а
б
л
и
ц
а
15.
Микротвердостъ
структурных
сост8ВJUllOЩИХ
сталей
и
чyryиа
(В.
К.
Гриrорович)
Сплав
Феррит
Перлит'
Карбидная
Аустенит
фаза
Сталь:
08
125
- -
-
30
275-315
-/325-345
-
-
У7
255
-/275-330
-
-
ШХ15
-
215-285/-
-
-
Х12'
-
295-340/-
1156-1370
-
Х12М
-
275-310/-
1156-1250
520
12Х18Н9Т
-
- -
175
Чугун
-
-/300-365
900-1150
425-495
При
м
е
ч
а
н и
е.
Микротвердость
ледебурита
у
стали
Х12
равна
750-850,
а у
чугуна
1000-11250
МПа.
'в
числителе
зернистый,
а
в
знаменателе
пластинчатый
перлит.
283
решен
ии
многих
мсталловедческих
задач
и
чего
нельзя
сделать
другими
методами.
В
табл.
15
представлены
данные
о
микротвер
дости
основных
структурных
составляющих
ряда
сталей
и
чугуна.
5.
Другие
методы
определения
твердости
Помимо
методов
определения
твердости
при
статическом
вдав
ливании
и ндентора,
ограниченно
применяют
также
методы
ца
рапания
и
динамические
способы
оценки
твердости.
Метод
царапания
состоит
в
нанесении
царапины
на
поверх
ности
образца
алмазным
или другим
недеформирующимся
ин
де
нто
ром
,
находящимся
под
постоянной
нагрузкой.
Метод
не
стан
дартизован
и
на
практике
используют
различные
критерии
твер
дости
царапанием
Н
ц
'
Часто
за
Н
ц
принимают
одну
из
следуюших
характеристик:
1)
величину
нагрузки
Р,
при
которой
получается
царапина
заданной
ширины
(обычно
Ь=10
мкм);
2)
ширину
царапины
при
заданной
нагрузке;
3)
величину,
обратно
пропорциональную
ширине
или
квад
рату
ширины
царапины
при
определенной
нагрузке,
например
Н
=\0000/Ь
2
при
Р=О,ЗН.
Наиболее
правильно,
по-видимому,
ц
оценивать
число
твердости
царапанием
как
отношение
вертикаль-
ной
нагрузки
Р
к
проекции
царапины
на
поверхности
образца:
Р
2
Н
=--=4Р/Ь
ц
ь
2
/4
в
этом
случае
единица
измерения
Н
ц
получается
такой
же,
как
и
других
чисел
твердости,
определяемых
при
вдавливании
ин
дентора.
В
качестве
индентора
используют
либо
конус
с
углом
при
вер
шине
90°
(реже
120°),
либо
трех-
или
четырехгранную
пирамиду.
Образцы
перед
испытанием
полируют.
Для
измерения
ширины
царапины,
не
превышающей
обычно
несколько
десятков
микро
метров,
при
меняют
измерительный
микроскоп.
Твердость
методом
царапания
определяют
в
условиях
местно
го
разрушения
металла,
а
не
в
условиях
упругого
или
пластичес
кого
деформирования.
При
образовании
царапины
металл
снача
ла
пластически
деформируется,
а
затем,
когда
напряжения
дос
тигают величины,
соответствующей
сопротивлению
разрушению
284
(путем
среза),
происходит
разрыв.
Так
как
для одного
и
того
же
металла
истинное
сопротивление
разрыву
Sk
пряктически
не
за
висит
от
степени
предварительного
наклепа,
величина
Н
ц
не
свя
зана
со
способом
подготовки
поверхности.
МеЖдУ
характеристиками
твердости
uарапанием
и
Sk
существуют
определенные
связи.
Например,
по
Н. Н.
Давиденкову,
в
случае
использования
алмазного
конуса
с
углом
900
Sk
=
40(1/Ь
о
.
5
- 22,5)
МПа,
где
Ь
о
.
5
-
ширина
царапины
при
нагрузке
0,5Н.
Величина
Н
ц
характеризует
также
износостойкость
материала,
его
обрабатываемость
резанием.
Из
динамических
методов
определения
твердости
наиболее
известен
метод
упругого
отскока
бойка
(твердость
по
Шору).
Твер
дость
определяется
при
помоши
бойка
с
алмазным
наконечни
ком,
который
падает
на
поверхность
образuа
с
фиксированной
высоты.
Энергия
бойка
расходуется
на
упругую
и
пластическую
деформаuию
в
месте
удара
и
на
последующее
поднятие
бойка.
Чем
больше
высота
подъема
бойка
после
удара,
тем,
следова
тельно,
меньшая
энергия
израсходована
на
деформаuию
образuа
и
тем
больше
должна
быть
его
твердость.
Число
твердости
по
Шору
HSD
измеряют
в
условных
единиuах,
соответствующих
высоте
подъема
бойка,
причем
HSD=100
принято
для
закаленной
на
мартенсит
эвтектоидной
инструментальной
стали.
При
комнатной
температуре
метод
Шора
используют
для
срав
нения
твердых
металлических
сплавов
с
близкими
упругими
ха
рактеристиками.
Кратковременность
соприкосновения
бойка
с
образuом
и
простота
метода
делают
его
перспективным
для
оuенки
твердости
при
высоких
температурах
(>1400
К),
когда
существу
ющие
материалы
инденторов
уже
не
позволяют
проводить
стати
ческие
испытания.
Из
других
динамических
методов
следует
отметить
способ
ори
eHTиpoBoчHoгo определения
твердости
при
помощи
переносного
прибора
путем
динамического
вдавливания
шарового
или
кони
ческого
индентора
(для
стали
этот
метод
стандартизован,
ГОСТ
18771-80).
Принuип
действия
прибора
сводится
к
тому,
что
ша
рик
под
действием
наносимого
вручную
удара
одновременно
вдав
ливается
в
испытуемую
поверхность
и
эталонный
образеu
с
изве
стной
твердостью.
Число
сравнительной
твердости
285
где
НВ,
-
число
твердости
эталона
по
Бринеллю;
d,
d
э
-
диаметр
отпечатка
на
поверхности
испытуемого
материала
и
эталона;
D -
диаметр
шарика,
обычно
10
мм;
ТJ
ш
,
и
ТJ
шо
-
динамические
коэф
фициенты
твердости
эталона
и
образца
при
ударном
внедрении
шарика
со
скоростью
0,75-2
м/с.
Результаты
испытания
получаются
тем
точнее,
чем
ближе
по
твердости
эталон
и
образец.
Метод
используют
для
контроля
крупногабаритных
изделий
и
деталей,
установка
которых
на
специальном
приборе
затрудни
тельна.
r
л
а
в
а
VIII
ЖАРОПРОЧНОСТЬ
По
мере
развития
техники
все
большее
число
деталей
машин
и
механизмов
работает
при
повышенных
температурах.
Лопатки
турбин,
обшивка
фюзеляжа
и
крыльев
самолетов,
нагруженные
клапаны
мощных
двигателей,
узлы
атомных
реакторов
-
вот
лишь
отдельные
примеры
таких
деталей.
Надежность
их
работы
опреде
ляется
жаропрочностью
металлических
материалов,
из
которых
они
изготовлены.
Жаропрочность
-
это
способность
металлов
работать
под
напряжением
в
условиях
повышенных
температур
без
заметной
остаточной
деформации
и
разрушения.
Для
количественной
оценки
характеристик
жаропрочности
металлов
и
сплавов
используют
несколько
методов
механических
испытаний.
Наиболее
важные
из
них
-
испытания
на
ползучесть
и
длительную
прочность,
проводимые
обычно
по
схеме
одноос
ного
растяжения.
1.
Явление
ползучести
При
рассмотрении
пластической
деформации
и
деформаци
онного
упрочнения
подразумевалось,
что
каждому
значению
на
пряжения
соответствует
определенная
деформация.
На
самом
же
деле
любой
материал
под
действием
постоянного
напряжения
может
в
определенных
условиях
деформироваться
с
течением
286
времени.
Явление
непрерывной
деформации
под
действием
по
стоянного
напряжения
называется
ползучестью.
В
зависимости
от
температуры
и
уровня
заданного
напряже
ния
ползучесть
протекает
по
разным
законам.
Наиболее
известны
четыре
вида
ползучести,
области
реализации
которых
в
функции
температуры
и
напряжения
приведены
на
рис.
151,
а.
Чтобы
сде
лать
эту
диаграмму
применимой
для
разных
металлов
и
сплавов,
по
оси
абсцисс
отложена
гомологическая
температура,
а
по
оси
ординат
-
отношение
приложенного
напряжения
сдвига
к
моду
лю
сдвига
(t/6).
При
напряжениях
ниже
критического
напряжения
сдвига
(
кр
протекает
неупругая
обратимая
ползучесть,
о
которой
уже
упо
миналось
в
гл.
11
в
связи
с
упругим
последействием.
Поскольку
неупругая
ползучесть
обратима,
она
обычно
не
опасна для
конст
рукций,
и
поэтому
специальных
испытаний
на
ползучесть
при
напряжениях
ниже
I
кр
не
про
водят.
При
напряжениях
выше
t
KP
в
области
относительно
низких
тем
ператур
идет
логарифмическая,
а
при
высоких
(>0,4-0,6
тол)
-
так
называемая
высокотемпературная
ползучесть.
Следует
подчер
кнуть,
что
низко- И
высокотемпературная
ползучесть
могут
про
текать
при
напряжениях,
значительно
меньших
макроскопичес
кого
предела
текучести
поликристаллического
материала.
Для
t/G
q
10-2
10-1
861сокоmВl1nвщm!JPIIlJа
nОЛ3V"l/сm6
(ЛОЛ3§'1l/сm6
АниРlJие)
Низко
mеlfлероmvрно.
nОЛ!Jv"есmh
'ОеОРUФlfUllеСКОR
nОЛ3!111есmь}
1О-SI--~---~Ж~щ'~
НеУnР!I!ОН
ЛOIIJ!I'Iесmь
(ОDроmиl10Н
10-6
nQЛЗl/llесmьj
о
7,0
т/т;,л
-200
О
20/NOONlD8/J/J
IIJОО
12/J/J
t.
ас
Т/о
l,Hnq
10-2
1
ш.l
10-1
'О
2
f/Т#
2
10'
m-
S
10'
10-6
J
~
10-'
т-'
D
IIJ-Z
10-1
IIГ"
О
42
44
45
Т/Т
nn
46
~O
Рис.
151.
Диаграмма
основных
видов
ползучести
(о)
и
карта
механизмов
деформации
дЛЯ
никеllЯ
при
d=1
мм
(6)
(Эшби,
Фрост):
J -
дислокаци
онное
скольжение;
2 -
дислокационная
ползу
честь;
3 -
диффузионная
ползучесть
Кобла;
4 -
диффузионная
ползучесть
Набарро
-
Херринга
287
практики
наиболее
важна
высокотемпературная
ползучесть.
Стан
дартные
испытания
про
водят
именно
в
этой
области.
Наконец,
при
высоких
температурах
(>
0,5-0,8
ТпЛ>
и
низких
напряжениях
реализуется
диффузионная
ползучесть.
Основным
первичным
результатом
испытания
на
ползучесть
при
заданной
температуре и
постоянном
t>
t
KP
является
кривая
ползучести
в
координатах
относительная
деформация-время,
ко
торую
строят
по
данным
систематического
измерения
деформа
ции
(обычно
относительного
удлинения
8)
образца
в
процессе
испытания.
Изменение
характера
кривых
ползучести
с
повыше
нием
температуры
испытания при
постоянном
напряжении
по
казано
на
рис.
152.
Кривая
типа
ОАВ
получается
при
низкотемпе
ратурной
(логарифмической)
ползучести,
ОА
'BCD
и
ОА"С
-
при
высокотемпературной.
Зависимость
8
от
времени
"С
при
низкотемпературной
ползуче
сти
хорошо
аппроксимируется
для
многих
металлов
уравнением
8 =
а
lп
(l
+
а"С)
+
Ь.
(86)
Именно
поэтому
низкотемпературная
ползучесть
получила
название
логарифмической.
С
течением
времени
логарифмичес
кая
ползучесть
быстро
затухает.
Считается,
что
при
логарифмической
ползучести
достаточно
полный
термический
возврат
не
успевает
проходить.
Тогда
быст
ро
прогрессирующее
снижение
скорости
ползучести
(87)
с
увеличением
"С
можно
объяснить
мо
делью
«истощению>
дислокаций.
Представим
себе,
что
в
образце
име
ется
какое-то
число
дислокационных
С
t
2
'D
отрезков
и
каждый
из
них
может
пере
t-:r----=_~
меститься
один
раз
(до
остановки
у
ка
__
---t'-B
кого-либо
препятствия).
После
приложе
ния
нагрузки
и
упругого
удлинения
об
разца
(см.
рис.
152,
ОА)
наиболее
благо-
А
о
Рис.
152.
Кривые
ползучести
при
разных
температурах
и,<1,<1,)
288
приятно
ориентированные
дислокации
переместятся
и
произойдет
пластичес
кая
деформация.
В
условиях
постоянства
приложенного
напряжения
оставшиеся
дислокации
будут
удерживаться
препятствиями,
но
с
течением
времени
флуктуации
тепловой
энергии
вызовут
движение
боль
шинства
этих
дислокационных
отрезков
(в
основном
за
счет
по
перечного
скольжения)
и
соответствующий
прирост
удлинения.
Постепенно
термически
активируемое
скольжение
будет
затихать
(истощаться)
из-за
уменьшения
числа
дислокационных
отрезков,
способных
перемещаться
и
вызывать
деформацию.
В
результате
затухает
скорость
прироста
относительного
удлинения.
Логарифмическая
ползучесть
слабо
зависит
от
температуры
испытания
и
приложенного
напряжения.
Ее
практическое
значе
ние
мало,
поскольку
величина
удлинения
при
реальных
для
кон
струкций
напряжениях
обычно
мала,
быстро
стабилизируется
во
времени
и
не
может
существенно
вырасти
даже
при
очень
дли
тельных
вьщержках.
Логарифмическая
ползучесть
является
неустановившейся:
ее
скорость
непрерывно
изменяется
(уменьшается)
со
временем.
С
неустановившейся
стадии
начинается
и
высокотемпературная
ползучесть
(см.
рис.
152,
отрезок
А'В
на
кривой
OA'BCD).
Затем
начинается
стадия
установившейся
ползучести
ВС,
при
которой
v n = const.
Заканчивается
кривая
высокотемпературной
ползучес
ти
участком
разрушения
CD,
до
которого
при
испытаниях
на пол
зучесть
чаще
всего
не
доходят.
Кривые
ползучести,
подобные
ОА
'BCD,
типичны
для
условий
стандартных
испытаний
на
ползу
честь.
Основное
отличие
высокотемпературной
ползучести
от
низ
котемпературной
заключается
в
более
полном
протекании
воз
врата,
который
обеспечивается
здесь
не
столько
поперечным
скольжением,
сколько
переползанием
дислокаций.
При
высоко
температурной
ползучести
возможны
также
некоторые
рекрис
таллизационные
процессы.
Изменение
скорости
высокотемпературной
ползучести
на
не
установившейся
стадии
подчиняется
уравнению
v =
A't-
11
n ,
(88)
где
показатель
степени
n
в
большинстве
случаев
близок
к
2/з
вме
сто
1
при
логарифмической
ползучести.
Если
n =
2/з,
то
(89)
10
-
3755
289