Методы определения твердости
Твердостью называют свойство материала оказывать сопротивление пластической деформации при местных контактных воздействиях на поверхность, т.е. сопротивление внедрению в него постороннего тела.
Наиболее распространенными методами определения твердости являются методы Бринелля , Роквелла и Виккерса.
В данной лабораторной работе для измерения твердости стальных образцов используются методы Бринелля и Роквелла.
Измерение твердости по Бринеллю
При определении твердости методом Бринелля в испытываемый образец вдавливается стальной закаленный шарик . Между нагрузкой и диаметром шарика должно выдерживаться соотношение: Р = 2,5 Д2, Р = 10 Д2 , Р = 30 Д2 .
Твердость по Бринеллю определяется по формуле:
НВ = P/F = 2P / [D (D2 - d2 )0,5 ,
где
Р - нагрузка на шарик , кГс ;
F - площадь поверхности отпечатка, мм2 ;
D - диаметр шарика , мм ;
d - диаметр отпечатка , мм ;
Для измерения твердости стали и чугуна используют стальной шарик D = 10 мм и нагрузку Р = 3000 кГс; для меди и ее сплавов D = 10 мм и Р = 1000 кГс, для очень мягких металлов ( алюминий, бабиты и др. ) D = 10 мм и Р = 250 кГс.
Зная нагрузку, диаметр шарика и диаметр отпечатка, твердость по НВ определяют по табличным данным ( таблица 1 ).
Для получения достоверных результатов при измерении твердости по Бринеллютолщина испытуемого образца должна быть не меньше десятикратной глубины отпечатка .
Расстояние от центра отпечатка до края образца должна быть не менее 2,5 d , а между центрами двух соседних отпечатков - не менее 4 d.
Метод Бринелля рекомендуется применять для металлов и сплавов, твердость которых не превышает 4500 МПа, так как при большей твердости будет деформироваться стальной шарик.
Основные сведения
Термическая обработка стали представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, проводимых с целью изменения структуры стали для улучшения технологических свойств заготовок ( прокат, поковки, отливки ) и обеспечения необходимых эксплуатационных свойств материала в готовых изделиях.
Формирование структуры стали в основном связано с распадом аустенита при его охлаждении с различными скоростями.
Устойчивое состояние аустенита в сталях имеет место при температурах выше А3 (линия GSЕ , рис. 1 из лабораторной работы № 6 )
В интервале температур А3 - А1 ( линии GSE - PSK ) при охлаждении выделяются избыточные фазы: феррит - в доэвтектоидных сталях и вторичный цементит - в заэвтектоидных сталях. В результате этого при температуре 7270 С в оставшемся аустените содержание растворенного углерода достигает 0,8 % . В равновесном состоянии при температуре 7270 С аустенит, содержащий 0,8 % углерода , распадается с образованием перлита - эвтектоидной механической смеси феррита и цементита.
При непрерывном медленном охлаждении со скоростью V1 , (рис. 1 ) перлитное превращение может начаться и закончиться при температурах ниже 7270 С . С возрастанием скорости охлаждения ( V3 V2 V1 ) снижается температура распада аустенита, что приводит к измельчению пластинок феррито-цементитной смеси.
В результате образуются структуры перлита, сорбита и троостита, отличающиеся размерами ферритных и цементитных образований (степенью дисперсности ) и, следовательно, разными механическими свойствами.
Крупнопластинчатая ферритно-цементитная смесь у перлита обеспечивает наиболее высокие значения ударной вязкости, относительного удлинения и относительного сужения по сравнению с сорбитом и трооститом, а твердость, предел прочности и предел текучести - самые низкие.
Дисперсная мелкозернистая структура троостита обеспечивает более высокие показатели твердости и прочностных свойств; сорбит по показателям тех же механических свойств занимает промежуточное положение между перлитом и трооститом.
При дальнейшем росте скорости охлаждения ( V4 ) только часть аустенита может перейти в феррито-цементитную смесь ( троостит ); а оставшийся аустенит претерпевает бездиффузионное превращение в пересыщенный твердый раствор углерода в Fe , который называется мартенситом.
При мартенситном бездиффузионном превращении происходит перестройка кубической гранецентрированной решетки аустенита в кубическую объемноцентрированную решетку - железа при сохранении концентрации углерода исходной структуры.
Решетка - железа способна разместить ограниченное количество углерода - не более 0,02 % . Поэтому избыточное количество углерода исходного аустенита ( max - 2, 14% ) искажает кубическую объемноцентрированную решетку - железа до тетрагональной объемноцентрированной решетки. Величина отношения периодов с/ а - тетрагональность решетки мартенсита - возрастает с увеличением содержания углерода (рис.2 ).
При непрерывном охлаждении с еще большей скоростью ( V5 V4 ) диффузионное перераспределение углерода полностью исключается и происходит только мартенситное превращение . При этом часть аустенита может остаться непревращенным.
Мн ( температура начала мартенситного превращения ) и Мк ( температура окончания мартенситного превращения ) определяются содержанием углерода в стали; чем больше углерода в аустените, тем ниже температура Мн и Мк ( рис. 3 ).
Количество остаточного аустенита зависит от содержания углерода в стали. В высокоуглеродистых сталях количество остаточного аустенита повышенное.
Вектор скорости Vк , касательный к выступу С - образной изотермической кривой ( рис. 1 ) и характеризующий минимальную скорость непрерывного охлаждения, при которой полностью подавляется диффузионный
распад , называется критической скоростью охлаждения ( критической скоростью закалки ).
Из всех возможных структур, получаемых при непрерывном охлаждении аустенита, мартенсит обладает максимальными значениями твердости, предела прочности.
Однако, значение ударной вязкости, относительного удлинения и относительного сужения мартенсита - самые минимальные по сравнению с другими структурами.
Высокая твердость мартенсита определяется количеством растворенного углерода: с увеличением концентрации углерода в решетке - железа значение твердости возрастает.
В практике машиностроения для получения в стали различных структур и комплекса механических свойств применяют следующие виды термообработки: отжиг, нормализация, закалка и отпуск.
Отжигом называется вид термообработки, заключающийся в нагреве стали выше температуры АС3 или АС1, в выдержке при этих температурах и последующем медленном охлаждении с печью.
Медленное охлаждение стали при отжиге способствует протеканию равновесных фазовых превращений и образованию перлита в эвтектоидной стали, перлита с избыточным ферритом или цементитом в доэвтектоидной и заэвтектоидной стали соответственно.
После отжига стали характеризуются высокой пластичностью, но пониженной прочностью и твердостью.
Нормализацией называется вид термической обработки, заключающийся в нагреве стали на 30-500 С выше АС3, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении на воздухе.
Фазовая перекристаллизация при нагреве и последующее охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность феррито-цементитной смеси и приводит к образованию сорбита.
В доэвтектоидной и заэвтектоидной сталях наряду с сорбитом в структуре будут находиться соответственно избыточный феррит и цементит.
При образовании в стали сорбита возрастает прочность и твердость стали по сравнению с отожженной. Поэтому нормализация широко применяется для улучшения свойств сталей после литья, проката и ковки.
Для низкоуглеродистых сталей нормализация, имеющая более высокие технико-экономические показатели, заменяет отжиг.
Для среднеуглеродистых сталей нормализация может заменять улучшение ( совмещенную операцию закалки с последующим высоким отпуском ) .
Для высокоуглеродистых сталей нормализация предотвращает выпадение сетки цементита по границам зерен перлита, наблюдаемые при отжиге в интервале температур АС3 - АС1 .
Закалкой называется вид термической обработки, заключающийся в нагреве стали на 30-500 С выше температуры АС3 и АС1, для доэвтектоидной и заэвтектоидной (эвтектоидной ) сталей соответственно, выдержке при этих температурах и последующем охлаждении со скоростью, равной или превышающей критическую скорость охлаждения (критическую скорость закалки ) . В качестве среды , обеспечивающей подобные скорости охлаждения, используют воду, масло, растворы солей и щелочей.
В результате закалки доэвтектоидная и эвтектоидная стали будут иметь структуру мартенсита, а заэвтектоидная сталь - мартенсит и избыточный цементит.
Закаленные стали помимо указанных структур могут иметь определенное количество остаточного аустенита, что обусловлено относительной способностью большинства охлаждающих сред ограничивать окончание процесса аустенитно-мартенситного превращения комнатными температурами.
Сталь после закалки с оптимальной температуры имеет максимально возможную твердость, высокую прочность и низкие показатели пластичности, вязкости.