ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1. Все металлы в твердом состоянии – кристаллические тела

1. МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЙ МАКРОАНАЛИЗ

Все металлы в твердом состоянии – кристаллические тела. Кроме химического состава на свойства металлов и сплавов значительное влияние оказывает их кристаллическое строение. Кристаллическое строение металлов и сплавов изменяется в зависимости от условий выплавки и последующей обработки.

Внутреннее строение металлов изучает металлографический анализ. Если структура металла видна не вооруженным глазом или требуется увеличение до тридцати кратного – это макроанализ. Цель металлографического анализа – отработка технологических режимов или технологическая экспертиза.

Образцы для анализа вырезаются любым механическим способом, после чего поверхность образцов шлифуется и полируется. Важно в процессе резания, шлифовки и полировки не перегревать образцы, т.к. это может привести к изменению структуры металла. Структура металла определяется в результате травления отполированной поверхности образца. Образцы, подготовленные к травлению, называют шлифами.

Металлографический макроанализ применяют для изучения волокнистости изделия, структуры сварного шва, определения глубинных слоев металла, полученных в результате химико-термической обработки и др. макрохарактеристик структуры.

1.1. Определение волокнистости изделия.

В результате обработки металла давлением его кристаллы вытягиваются в направлении действия силы, приобретая волокнистое строение. Расположение волокон показывает, как изготовлена деталь: методом резания или обработкой давлением.

Для выявления макроструктуры деформированного в горячем или холодном состоянии металла применяется следующий реактив:

1. Серная кислота Н₂SO₄ 60 см³.

2. Хромпик K₂Cr₂O₇ 25 г.

3. Вода H₂O 500 г.

В этом составе образец после тщательной шлифовки травиться в течение 5-6 часов, затем промывается водой и сушиться. После промывки выявляются направления волокон в макрошлифе.

1.2. Определение структуры сварного шва

Недостатки, снижающие физико-химические, механические и др. свойства сварных швов, называются дефектами или пороками. Дефекты сварных швов оделяться на внешние и внутренние.

К внешним дефектам относят: геометрические отклонения, трещины, подрезы, наплывы. К внутренним дефектам относят: поры, шлаковые включения, непровар корня шва, внутренние трещины.

Подготавливается шлиф сварного шва, затем этот образец травиться в течении 1-2 минут в химическом реактиве следующего состава:

1. Хлористый аммоний NH₄Cl 58 г.

2. Хлорная медь CuCl₂ 85 г.

3. Вода H₂O 100 г.

После травления образец быстро переноситься под сильную струю воды, а осевшая медь прочищается ваткой. При осмотре протравленной части образца выявляются дефекты сварного шва. Наиболее распространенными из них являются непровар, газовые пузыри, шлаковые включения, пережог и др.

1.3. Определение глубины цементации.

Цементацией называют технологический процесс диффузионного насыщения углеродом стальных деталей Цементация это один из видов химико-термической обработки сталей.

Для определения глубины цементации подготовленный шлиф травиться в 3-5 % растворе азотной кислоты (HNO₃) в этиловом спирте в течение 1-5 сек., а затем промывается водой и сушиться. При осмотре макрошлифа после травления зона цементации выделена темным слоем, глубина которого оценивается с помощью штангенциркуля.

1.4. Определение ликваций серы и фосфора.

Большое влияние на свойства металлов оказывает химическая неоднородность, зависящая как от природы металла, так и от условий производства, условий разливки, режима термической обработки. Ликвациями называют неравномерные распределения компонентов сплава по объему отливки.

Наличие серы и фосфора в сталях ухудшают ее механические свойства. Сера образует с железом эвтектику (Fe₂S) , снижая температуру плавления, и прочность стали при повышенных температурах. Это явление получило название красноломкость. Фосфор образует с железом фосфид железа, который выделяясь по границам кристаллических зерен снижает прочность стали при пониженных температурах. Это явление получило название синеломкость или хладоломкость.

Ликвации серы и фосфора выявляются методом Баумана.

Бромсеребрянную фотобумагу смачивают на свету 5 % водным раствором серной кислоты и накладывают на подготовленный макрошлиф и выдерживают в течении 3-5 минут. При наличии в стали включений сульфидов и фосфидов последние взаимодействуют с серной кислотой, выделяя газообразные сероводород (H₂S) и фосфин (РН₃). В месте выделения эти газы взаимодействуют с бромистым серебром светочувствительного слоя фотобумаги:

H₂S + 2AgBr = Ag₂S + 2HBr

2РН₃ + 6AgBr = 2Ag₃P + 6HBr

Далее бумага снимается с макрошлифа и фиксируется в растворе гипосульфита. Выделяющиеся Ag₂S и Ag₃P черного цвета не растворяются в гипосульфите. Если бумага была плотно прижата к макрошлифу, то выделения Ag₂S и Ag₃P образуются в тех местах, где были включения фосфидов и сульфитов. В местах, соприкасающихся с включениями, бумага будет окрашена в темно-коричневый цвет.

 

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ.

 

2.1. Определение твердости по Бринеллю

Твердость определяется вдавливанием в изделие стального шарика определенного диаметра (D) с определенной нагрузкой (Р).

Число твердости по Бринеллю НВ (Н/м²) равно отношению нагрузки к площади отпечатка (F).

НВ = Р/ F = Р / π D h = 2P/ π (D – D² – d² )

 

где d – диаметр отпечатка, измеренный после снятия нагрузки, h – глубина отпечатка, вычисленная по D и d.

Для определения твердости металла применяют шарики следующих диаметров: 2,5 мм; 5 мм и 10 мм, для металла толщиной, соответственно, до 3 мм; 3-6 мм; более 6 мм.

Между диаметром шарика и нагрузкой существует определенная зависимость:

· Для черных металлов Р = 30 D²;

· Для меди, латуни, бронзы Р = 10 D²;

· Для алюминия и его сплавов Р = 2,5 D².

 

2.2. Определение твердости по Роквеллу.

В поверхность испытуемого материала вдавливают наконечник под действием предварительной (Р₁ = 100 Н) и окончательной (Р₂) нагрузок. В качестве наконечников для твердых металлов применяют алмазный конус с углом при вершине 120º или стальной закаленный шарик диаметром 1,59 мм для мягких металлов. В зависимости от типа испытуемого материала выбирается тип наконечника и назначается окончательная нагрузка. (см. табл. 1.1). Показания снимают по одной из шкал прибора (А, В или С). В зависимости от шкалы, по которой определяют число твердости, приняты следующие обозначения: HRA, HRB и HRC.

Таблица 1.1.

Тип испытуемого металла	Тип наконечника	Окончательная нагрузка (Р2), Н	Шкала	Обозначение марки
Мягкий   Твердый			А   В   С	HRA   HRB   HRC

 

Твердость по Роквеллу определяют по формуле:

HR = K – (h₂ – h₁) / b

где h₁ и h₂ – глубины внедрения наконечника под действием предварительной (Р₁) и окончательной (Р₂) нагрузок соответственно, мм; К – постоянное число, имеющее размерность в мм; b – цена деления шкалы индикатора, соответствующая углублению наконечника на 0,002 мм.

 

2.3. Определение твердости по Виккерсу.

При определении твердости в испытуемый материал вдавливают четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136º. При этом применяют нагрузки от 50 до 1200 Н. После действия нагрузки на образце остается отпечаток в виде квадрата.

Число твердости определяют как нагрузку, приходящуюся на единицу поверхности отпечатка.

НV = 2 P sin 0,5α / d²

где Р – нагрузка на пирамиду; α – угол при вершине пирамиды; d – длина диагонали отпечатка.

 

3. ИЗМЕРЕНИЕ ПРОЧНОСТИ И ПЛАСТИЧНОСТИ АРМАТУРЫ

МЕТОДОМ СТАТИЧЕСКОГО РАСТЯЖЕНИЯ

 

Испытание на растяжение производят на разрывных машинах с автоматической записью кривой растяжения.

Образцы для испытания бывают в зависимости от площади поперечного сечения нормальные и пропорциональные. Нормальные образцы имеют площадь поперечного сечения 314 мм² (d₀ = 20 мм). Они бывают двух видов:

· длинные (длина расчетной части ℓ₀ = 200 мм, а отношение ℓ₀ / d₀ =10);

· короткие (ℓ₀ = 100 мм, ℓ₀ / d₀ = 5);

Площадь поперечного сечения пропорциональных образцов может быть произвольная, а расчетную длину определяют по формуле:

ℓ₀ = 11,3 F₀ или ℓ₀ = 6,65 F₀

где F₀ – исходная площадь поперечного сечения образцов, мм².

Литые образцы и образцы из хрупких материалов изготавливают с расчетной длиной ℓ₀ = 2,82 F₀ .

На вертикальной оси диаграммы откладывается нагрузка Р, по горизонтальной абсолютное удлинение образца Δℓ.

На участке ОР_р удлинение Δℓ образца увеличивается прямо пропорционально нагрузке Р_р, называемой нагрузкой предела пропорциональности. На этом участке происходят упругие (обратимые) деформации образца и сохраняется закон Гука (ε = σ / Е). Пределом пропорциональности σ_р называется наибольшее напряжение, до которого относительное удлинение образца остается прямо пропорциональным нагрузке Р_р.

σ_р = Р_р / F₀

Нагрузку Р_е, при которой образец получает остаточное удлинение, равное 0,005 % расчетной длины, называют нагрузкой предела упругости. Пределом упругости σ_е называют такое напряжение, при котором остаточное удлинение получается равным 0,005 % первоначальной длине образца.

σ_е = Р_е / F₀

Нагрузку Р_т, при которой начинается течение металла, называют нагрузкой предела текучести, а горизонтальный участок кривой – площадкой текучести.

σ_т = Р_т / F₀

Пределом текучести σ_т называют наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки.

За площадкой текучести нагрузка снова растет до некоторой максимальной величины Р_в, после которой на образце начинается образование местного сужения (шейки). Уменьшение сечения в области шейки вызывает снижение нагрузки, и в точке К при нагрузке Р_z происходит разрыв образца. Наибольшую нагрузку Р_в, при которой начинается образование шейки, называют нагрузкой предела прочности при растяжении.

Пределом прочности при растяжении называют отношение наибольшей нагрузки, при которой начинается образование шейки к площади поперечного сечения образца.

σ_в = Р_в / F₀

Истинное сопротивление разрыву σ_z определяют по формуле

σ_z = Р_z / F₁

где F₁ – площадь поперечного сечения образца в месте разрыва.

Полная деформация образца Δℓ_п складывается из остаточной Δℓ_ост и упругой деформации Δℓ_упр. Для определения этих деформаций необходимо на диаграмме растяжения из точки К провести прямую, параллельную прямолинейному участку кривой (рис. 1) до пересечения с осью абсцисс.

Р

Р_z

Рис. 1. Диаграмма растяжения

Относительным удлинением δ называют отношение приращения длины образца после разрыва к его расчетной длине, выраженное в процентах

δ = 100 (ℓ₁ – ℓ₀) / ℓ₀ (%)

где ℓ₁ – длина образца после разрыва, мм; ℓ₀ – расчетная длина образца, мм.

Относительным сужением ψ называют отношение уменьшения площади поперечного сечения после разрыва к начальной площади поперечного сечения, выраженное в процентах.

Ψ = 100 (F₀ – F₁) / F₀ (%)

где F₀ – начальная площадь поперечного сечения образца, мм²; F₁ – конечная площадь поперечного сечения образца, мм².

4. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

4.1. Ознакомиться с теоретической частью работы. Дать определение металлографического макроанализа. Записать, чем обусловлено волокнистое строение стали. Выписать основные дефекты сварного шва. Дать определение цементации, с какой целью и как производится цементация сталей. Дать определение ликвации и влияние ликваций серы и фосфора на свойства сталей.

4.2. Описать методику подготовки шлифов предназначенных для изучения волокнистости стали, дефектов сварного соединения, глубины цементации и ликваций серы и фосфора. Зарисовать шлифы изученных на занятии изделий.

4.3. Ознакомиться с принципом работы твердомеров Роквелла и Виккерса и с их помощью определить твердость трех эталонных образцов металла. Результаты испытаний занести в таблицу.

4.4. Провести испытания двух образцов нормализованной и отожженной стали. Зарисовать полученные диаграммы растяжения. Определить предел текучести, предел прочности при растяжении, относительное сужение и удлинение этих образцов. Результаты занести в таблицу.

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называют металлографическим макроанализом?

2. Чем обусловлено волокнистое строение металлов? Метод определения волокнистсти стали?

3. Как определяется глубина цементация стали?

4. Влияние ликваций серы и фосфора на свойства стали.

5. Метод определения ликваций серы и фосфора в сталях.

6. Структура сварного шва и методы его исследования.

7. Методы определения твердости металлов.

8. В чем отличие твердости HRC, HRB, HRA?

9. Как определяется прочность, пластичность и текучесть металла?

Дата добавления: 2015-07-26; просмотров: 255; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!