4. СПОСОБЫ ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

1.Основные характеристики металлических материалов.

2.Виды термической обработки материалов.

3.Легирование.

4.Поверхностное упрочнение (поверхностная закалка).

5.Химико-термическая обработка.

Основные характеристики металлических материалов

Прочность – способность материалов сопротивляться разрушению. Характеризуется пределом прочности при растяжении или разрыве (временным сопротивлением) – σ (МПа или Н/мм2).

Между пределом прочности при растяжении и твердостью пластичных материалов, определяемой способом вдавливания, существует количественная зависимость. Для большинства материалов σ = k НВ, где k – коэффициент пропорциональности k ≈ 0,3; НВ – твердость материала, определенная методом Бринелля, кгс/мм2.

Прочность металлических кристаллов зависит от количества дефектов (рис. 35).

Теоретическая прочность

Прочность усов

Искажения Рис. 35. Прочность кристаллов в зависимости от искажений решетки

42

Усы – нитевидные монокристаллы, иглообразные, высокопрочные материалы с большим соотношением длины к диаметру (100– 2500 / 1–10 мкм). Прочность монокристаллов приближается к теоретической прочности. Производство монокристаллов очень сложное и требует больших материальных затрат.

С увеличением плотности дислокаций прочность металлов вначале падает, а затем увеличивается, так как дислокации начинают мешать перемещаться друг другу.

Способы упрочнения металлов (ведут к увеличению полезной плотности дислокаций):

–механический наклеп;

–термическая обработка;

–измельчение зерна;

–легирование с образованием твердых растворов внедрения. Наклеп – искажение кристаллической решетки в результате пла-

стической деформации.

При пластической деформации зерна могут приобрести определенную структуру – текстуру. Беспорядочно ориентированные кристаллы под действием деформации поворачиваются осями наибольшей прочности вдоль направления деформации, с увеличением которой степень текстурированности возрастает. Текстура металла может возникнуть при литье, пластической деформации, отжиге, электроосаждении. Поликристаллические изделия с текстурой металла обладают анизотропией механических и физических свойств. В некоторых случаях текстуру получают намеренно – сплавы для постоянных магнитов, трансформаторная сталь.

Твердость – сопротивление металлов вдавливанию. При определении твердости производят вдавливание в испытуемый материал индентора, изготовленного из значительно более твердого материала, чем испытуемый.

Твердость характеризуется числом твердости в следующих единицах:

НВ – по методу Бринелля. Испытания проводят вдавливанием стального шарика определенного диаметра под нагрузкой в течение определенного времени (кгс/мм2);

HR – по методу Роквелла. Испытания на твердость проводят с помощью алмазного конуса с углом при вершине 120° (шкала А или С в зависимости от нагрузки) или стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм (шкала В). В зависимости от способа испытания число твердости обозначают соответственно НRA, HRC, НRВ (табл. 3).

43

Число твердости по Роквеллу – отвлеченное, выражается в условных единицах. За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. Число твердости по Роквеллу – HR рассчитывается по формулам:

где h – глубина внедрения наконечника в испытуемый материал под действием общей нагрузки Р, измеренная после снятия основной нагрузки Р1, с оставлением предварительной нагрузки Р0; h0 – глубина внедрения наконечника в испытуемый материал под действием предварительной нагрузки P0;

HV – по методу Виккерса, в котором испытания проводят алмазной четырехгранной пирамидкой с квадратным основанием. Это измерение микротвердости, кг/мм2, Мн/м2.

Метод микротвердости является единственным методом, который позволяет определить твердость фаз и структурных составляющих многокомпонентных сплавов. Этим методом можно установить, как влияет термообработка, и какие легирующие компоненты играют главную роль в упрочнении исследуемого сплава. При измерении микротвердости чаще всего используют методы Виккерса (индентор с четырехгранной пирамидой и квадратным основанием) и Кнуупа (индентор с четырехгранной пирамидой и ромбическим основанием).

Между различными методами измерения твердости существует корреляция, хотя и не очень точная. Зная значение твердости, полученное одним способом, по соответствующим таблицам можно опре-

44

делить, какому числу твердости (и прочности) другого метода оно соответствует (табл. 4). Например, твердость в единицах HB приблизительно в 10 раз больше твердости, измеренной в единицах НRC.

Погрешность перевода чисел твердости по Виккерсу в единицы Бринелля составляет ±20 НВ, в единицы Роквелла – ±3 НRC (HRВ), в значения σ – ±10%.

Таблица 4

Сравнительная таблица значений твердости, полученных на различных приборах, и перевода в значения прочности

Микротвердость некоторых фаз и структурных составляющих железо-углеродистых сплавов приведена в табл. 5, 6.

45

*Стедит – тройная фосфидная эвтектика – фосфид + цементит + феррит, образующаяся в структуре чугунов.

Оттоженный алюминий имеет твердость 200 Мн/м2 (20 кг/мм2). В отожженном состоянии твердость никеля составляет около 1000 Мн/м2 (100 кг/мм2). С увеличением температуры твердость

сплавов уменьшается.

46

Микротвердость химических соединений приведена в табл. 7.

Относительное удлинение (δ) или относительное сужение (ψ) характеризуют пластичность материала. Пластичность – свойство твердых тел необратимо деформироваться под действием механических нагрузок. Пластичность определяет возможность обработки материалов давлением (ковка, прокатка).

Как правило, если прочность увеличивается, то пластичность уменьшается. Исключение – сталь, легированная никелем, который увеличивает пластичность и прочность.

Вязкость (внутреннее трение) – способность твердых и жидких тел оказывать сопротивление их течению (перемещению одного слоя тела относительно другого) под действием внешних сил.

Предел текучести – наименьшее напряжение σ0,2, после снятия которого обнаруживается пластическая деформация (0,2% от расчетной длины образца).

47