Лабораторный практикум по дисциплине «Материаловедение» - часть 3

 

  Главная      Учебники - Разные     Лабораторный практикум по дисциплине «Материаловедение»

 

поиск по сайту            правообладателям  

 

 

 

 

 

 

 



 

 

содержание   ..  1  2  3  4   ..

 

 

Лабораторный практикум по дисциплине «Материаловедение» - часть 3

 

 

35
ее к себе). Большая стрелка при этом вращается по часовой стрелке и
занимает нужное положение.
8. Отсчитать числа твердости по шкале индикатора. В случае применения
алмазного наконечника отсчет производить по наружной черной шкале
С, при шариковом наконечнике - по внутренней красной шкале В.
Опустить столик вращением маховика и снять образец.
9. Повторить эксперимент 3 раза.
10.Определить среднее число твердости НR.
11.Перевести полученную твердость по Роквеллу HR в твердость по
Бринелю НВ.
12.Результаты испытаний внести в протокол.
Протокол испытания на твердость по методу Роквелла.
Материал
Среднее
Твердость
и
Число
Нагрузка
число
по
толщина
Наконечник
Шкала
твердости
исп
Р, кг
твердости
Бринелю
образца,
НR
HR
НВ
мм
1.
2.
3.
Вопросы к зачету
1.
Что такое твердость?
2.
Какие существуют методы измерения твердости?
3.
Как определяется твердость по методу Бринелля?
4.
Каким образом производится выбор диаметра шарика при измерении
твердости по методу Бринелля?
5.
Какова зависимость между числами твердости НВ и пределом
прочности металлов σв?
6.
Недостатки метода Бринелля.
7.
Как определяется твердость по методу Роквелла?
8.
Каким образом производится выбор наконечника при измерении
твердости по методу Роквелла?
9.
Достоинства метода Роквелла по сравнению с методом Бринелля.
10.Какова зависимость между числами твердости HRC и НВ?
36
Отчет по лабораторной работе №4
ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ НА ТВЕРДОСТЬ МЕТОДАМИ
БРИНЕЛЛЯ И РОКВЕЛЛА
Цель работы _____________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Что такое твердость?
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Какие существуют методы измерения твердости?
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Как определяется твердость по методу Бринелля?
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Каким образом производится выбор диаметра шарика при измерении
твердости по методу Бринелля?
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Какова зависимость между числами твердости НВ и пределом прочности
металлов σв?
________________________________________________________________
________________________________________________________________
37
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Недостатки метода Бринелля.
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Как определяется твердость по методу Роквелла?
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Каким образом производится выбор наконечника при измерении твердости
по методу Роквелла?
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Достоинства метода Роквелла по сравнению с методом Бринелля.
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Какова зависимость между числами твердости HRC и НВ?
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
38
Схемы определения твердости
по методу Бринелля
по методу Роквелла
Результаты экспериментов
Протокол испытания на твердость по методу Бринелля.
Матери-ал
Диа-
Среднее
Диа-метр
Число
Предел
и толщи-
метр
Нагруз-
число
отпечат-
твердо-
прочности
исп
на образ-
шарика
ка Р, кг
твердости
ка d, мм
сти НВ
σв, кг/мм2
ца, мм
D, мм
НВ
1.
2.
3.
Протокол испытания на твердость по методу Роквелла.
Материал
Среднее
Твердость
и
Число
Нагрузка
число
по
толщина
Наконечник
Шкала
твердости
исп
Р, кг
твердости
Бринелю
образца,
НR
HR
НВ
мм
1.
2.
3.
Вывод __________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Дата выполнения работы_____________ Ф.И.О. студента_______________
39
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
Цель работы: изучить влияние пластической деформации на строение и
свойства металлов; рассмотреть влияние температуры нагрева на
структуру и свойства холоднодеформированных металлов и сплавов.
Краткие теоретические сведения
Наличие металлической связи придает металлу способность к
пластической деформации и к самоупрочнению в результате пластической
деформации. Приложение к материалу напряжения (нагрузки) вызывает
деформацию.
Деформацией называется изменение размеров или формы тела под
действием внешних сил либо физико-механических процессов,
протекающих в самом теле (перепад температур, фазовые превращения и
т.п.). Деформация тела сопровождается относительным смещением атомов
из положения равновесия. Свойства недеформированного и пластически
деформи-рованного металла различны.
Различают упругую и пластическую деформацию (рисунок 5.1).
Рисунок 5.1 - Диаграмма
Рисунок 5.2 - Плоскости и
деформации
направления скольжения в объёмно-
центрированной кубической
решётке
40
Упругой деформацией называют деформацию, влияние которой на
форму, структуру и свойства тела исчезают после снятия нагрузки; и она
не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах
металла.
Степень деформации определяется по формуле:
(5.1)
где l0 - начальная длина образца
l1 -длина образца после деформации
Способность металлов к остаточной деформации называется
пластичностью.
При возрастании касательных напряжений выше определенной
величины деформация становится необратимой. При снятии нагрузки
исчезают лишь упругая составляющая деформации, часть же деформации,
которую называют пластической, остается. При пластической деформации
необратимо изменяется структура металла, а следовательно, и его
свойства.
В поликристаллических телах пластическая деформация может
осуществляться как путем перемещений внутри зерна (внутризёренная),
так и смещения зёрен относительно друг друга (межзёренная).
В основе протекания пластической деформации лежит явление
зарождения и движения дислокаций под действием касательных
напряжений путем сдвига
(скольжения) отдельных частей кристалла
относительно друг друга по плоскостям с наиболее плотным
расположением атомов (рисунок 5.3).
Рисунок 5.3 - Схема сдвига в кристаллах
41
В металлах с ОЦК решеткой сдвиг происходит по диагональным
плоскостям
(110) в направлении пространственных диагоналей
(111)
(могут быть и другие плоскости скольжения).
Пластическая деформация поликристаллических тел происходит
весьма неоднородно. Это объясняется двумя обстоятельствами:
1) Различной ориентацией кристаллов относительно приложенной
силы, что приводит к неодновременности деформации разных зёрен;
2) Наличием границ зёрен и неметаллических включений,
препятствующих перемещению дислокаций и вызывающих их локальное
скопление.
Пластическая деформация в основном характеризуется скольжением
и двойникованием. В процессе скольжения возникают новые дислокации,
и плотность дислокаций увеличивается. В недеформированном кристалле
плотность дислокаций достигает 106 см-2., а в сильнодеформированном
металле порядка 1012 см-2.
Пластическая деформация некоторых металлов, имеющих
плотноупакованные решетки К12 и Г12, кроме скольжения, может
осуществляться двойникованием, которое заключается в переориентации
части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой
части, относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования.
При деформации поликристалла отдельные зёрна меняют свою
форму
(вытягиваются),
стремятся
принять
отдельную
кристаллографическую ориентировку вдоль направления действия
внешних сил. Изменение ориентировки происходит постепенно по мере
увеличения степени деформации. При большой деформации металл
приобретает определенную кристаллографическую ориентировку зёрен,
называемую текстурой.
42
Рисунок 5.4 - Характер изменения микроструктуры при пластической
деформации
При пластической деформации зёрна металла вытягиваются в
направлении прокатки, волочения и принимают форму листочков или
волокон
(рисунок
5.4 б). При больших степенях деформации зёрна
разбиваются на большее число фрагментов и блоков, увеличивается
травимость металла, и микроструктура выявляется нечетко (рисунок
5.4
в).
Образование текстуры деформации способствует тому, что поликри-
сталлический металл становится анизотропным (свойства его изменяются
в зависимости от направления испытания). Изменение механических
свойств технического железа зависит от степени холодной пластической
деформации.
Упрочнение металла в процессе пластической деформации - наклёп
объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения
(дислокаций, вакансий, межузельных атомов). Пластическая деформация
приводит к изменению физических свойств металла: увеличиваются
искажения решетки и, следовательно, его внутренняя энергия, растут
твердость и прочность, увеличивается электрическое сопротивление,
уменьшается пластичность. Деформация происходит не только в
результате приложения внешних сил, но и в результате фазовых
превращений. Все они приводят к наклёпу.
43
Наклёпанные металлы более склонны к коррозионному разрушению
при эксплуатации.
С увеличением степени холодной деформации характеристики
прочности (предел прочности, предел текучести, твёрдость) возрастают, а
характеристики пластичности падают. После деформирования у металла со
степенью деформации до 70 % предел прочности и твёрдость возрастают
до 3 раз, а предел текучести - до 8 раз, при этом относительное удлинение
снижается до 40 раз.
Рисунок 5.5 - Влияние нагрева на механические свойства и структуру
деформированного металла
Структурное состояние пластически деформированного металла
термодинамически
неустойчивое.
При нагреве
пластически
деформированный металл постепенно восстанавливает свою структуру и
снова переходит в устойчивое состояние. Степень и характер деформации,
температура, скорость и продолжительность нагрева влияют на устранение
наклёпа и изменения в структуре и свойствах металла. Различают две
стадии процесса при нагреве: возврат
(отдых и полигонизация) и
рекристаллизация (первичная, собирательная и вторичная) (рисунок 5.5).
Возврат - начальная стадия разупрочнения, связанная с изменениями
в тонкой кристаллической структуре.
44
Возврат I-го рода
(или отдых) происходит при нагреве до
относительно невысоких температур и приводит к частичному снятию
упругих искажений в решётке. При отдыхе в металле протекает ряд
элементарных процессов, основным из которых следует считать диффузию
точечных дефектов и их смещение к дислокациям.
Возврат II-го рода или полигонизация заметно меняет структуру
деформированного металла при нагреве. Под полигонизацией понимают
перераспределение дислокаций, приводящее к образованию областей
кристалла, свободных от дислокаций и отделенных друг от друга
поверхностями раздела.
Первичная рекристаллизация. Является следующей стадией
изменения структуры деформированных металлов после полигонизации
(рисунок 5.5).
Рекристаллизация, т. е. образование новых зёрен, протекает при
более высоких температурах, чем возврат и полигонизация, может
начаться с заметной скоростью после нагрева выше определенной
температуры. Сопоставление температур рекристаллизаций различных
металлов показывает, что между минимальной температурой
рекристаллизации и температурой плавления существует простая
зависимость
Tp=α·Тпл
(5.2)
где Tp - абсолютная температура рекристаллизации;
Tпл - абсолютная температура плавления;
α - коэффициент, зависящий от чистоты металла
Чем выше чистота металла, тем ниже температура
рекристаллизации. У металлов обычной технической чистоты а = 0,3 - 0,4.
Температура рекристаллизации сплавов, как правило, выше температуры
рекристаллизации чистых металлов и в некоторых случаях достигает 0,8
Тпл. Наоборот, очень чистые металлы имеют низкую температуру
рекристаллизации: 0,2 Тпл и даже 0,1 Тпл.
В деформированном металле формируются и растут центры
рекристаллизации - участки с неискажённой решеткой, отделенные от
45
матрицы границами с большими углами разориентировки. При
критической деформации имеется неоднородность наклёпа разных зерен; и
она настолько большая, что из-за разности в накопленной объёмной
энергии соседних зёрен при нагреве идёт быстрая миграция отдельных
границ на расстояния, соизмеримые с размерами зёрен, т.е. исходные зёрна
растут за счёт соседей. Кроме того, плотность дислокаций и избыток
дислокаций одного знака недостаточны, чтобы вызвать образование новых
высокоугловых границ и центров первичной рекристаллизации.
Собирательная рекристаллизация возникает после первичной, точнее
после того, как выросшие центры рекристаллизации приходят во взаимное
соприкосновение. Она заключается в равномерном укрупнении структуры
путём роста одних зёрен за счёт других, новых и происходит в результате
перемещения границ.
Вторичная рекристаллизация протекает в материале при высокой
температуре и очень большом увеличении продолжительности отжига.
Она заключается в резком избирательном росте отдельных
рекристаллизованных
зёрен
и
сопровождается
появлением
разнозернистости. Этой стадии способствуют следующие факторы:
1) разная величина объёмной энергии у зёрен, менее искажённые
зёрна растут за счёт более искажённых;
2) высокая подвижность границ одних зёрен по сравнению с
другими, что может быть вызвано разными причинами. Одна из них -
неравномерное распределение дисперсных включений по границам зёрен.
Границы, которые высвобождаются, в первую очередь, интенсивно
мигрируют в направлении уменьшения поверхностной энергии, что
создаёт благоприятные условия для ускоренного роста отдельных зёрен.
Если температура деформации ниже температуры рекристаллизации,
то деформация считается холодной. Процесс холодной деформации
сопровождается наклепом металла, так как малые температуры не
обеспечивают разупрочнения металла, механические свойства металлов
при холодной деформации изменяются значительно: возрастает прочность
и уменьшается пластичность.
46
Если
температура
деформации
выше
температуры
рекристаллизации, то деформацию называют горячей. Получаемое в
процессе горячей деформации упрочнение тут же полностью или частично
снижается за счет рекристаллизации, что снижает сопротивление
деформации и повышает пластичность металлов.
Размер зерна рекристаллизованного металла зависит от следующих
факторов: размера исходного зерна; степени деформации; температуры и
скорости нагрева; длительности выдержки; наличия растворимых и
нерастворимых примесей (химического состава сплава).
Процесс рекристаллизации подтверждается рентгенографическим
анализом. Линии на рентгенограммах, снятых с неподвижного
деформированного образца получаются сплошными и размытыми. По мере
снятия напряжений при повышенных температурах на стадии возврата
линии становятся чётче и тоньше. Как только начинается процесс
рекристаллизации, и в структуре появляются рекристаллизованные зерна,
на сплошной линии рентгенограммы возникают отдельные рефлексы. По
мере уменьшения поля нерекристаллизованных участков металла число
рефлексов на рентгенограмме увеличивается, а сплошной фон линии
постепенно исчезает.
Сверхпластичностью называют способность металлов и сплавов к
значительной равномерной деформации, при которой относительное
удлинение достигает сотен и тысяч процентов. Это явление впервые было
обнаружено А.А. Бочваром и З.А. Свилерским на сплавах, содержащих 22
% цинка.
Для того, чтобы сплавы приобрели сверхпластичность, необходимо
получить ультрамелкозернистую структуру. Такое структурное состояние
достигается путем соответствующей термической обработки. В последние
годы сверхпластичность используется в производстве различных деталей и
заготовок весьма сложной формы при помощи пневматического
формования листов или объёмного прессования.
Различают несколько видов сверхпластичности:
1) мелкозернистая сверхпластичность проявляется при повышенных
47
температурах не ниже, чем 0,4 Тпл (при очень мелком зерне размером
в диаметре от 3 до 5 мкм и при малой скорости деформирования до 10-4 с-
1);
2)
субкритическая сверхпластичность. Имеет место при
температурах вблизи (ниже) температуры фазовых превращений и при
определённой исходной структуре;
3)
мартенситная сверхпластичность при так называемом
мартенситном (сдвиговом, бездиффузионном) превращении наблюдается
повышенная пластичность;
4) рекристаллизационная сверхпластичность.
Обычно сопротивление деформации объединяют в общее понятие
прочность, а сопротивление разрушению - надёжность. Если разрушение
происходит не за один, а за многие циклы нагружения, причем за каждый
цикл происходит микроразрушение
(сюда относятся такие процессы
постепенного разрушения, как износ, усталость, коррозия, ползучесть), то
это характеризует долговечность материала.
Порядок выполнения работы
1. Подобрать три образца из латуни Л68 и измерить их твердость по
методу Роквелла.
2. Произвести наклеп каждого из образцов с различной степенью
пластической деформации путем осадки в приспособлении.
3. Измерить твердость каждого образца и определить степень их
пластической деформации.
4. Произвести рекристализационный отжиг образцов, предварительно
определив Тр (выдержка в печи 30 мин).
5. Измерить твердость образцов после рекристаллизации.
6. Просмотреть и зарисовать структуру образцов до наклепа, после наклепа
и после рекристаллизации.
7. Результаты измерения твердости и схемы структур занести в протокол
результатов испытаний.
48
Протокол результатов испытаний
После
До наклепа
После наклепа
рекристаллизации
Высота
НR
Структур
Высота
HR
Структур
НRB
Структура
мм
B
а
мм
B
а
1
2
3
Построить график зависимости изменения твердости латуни от СПД
(HRB=f (СПД)).
Вопросы к зачету
1. Что такое пластическая деформация?
2. Механизм пластической деформации.
3. Влияние пластической деформации на структуру и свойства
металлов.
4. Как определяется степень деформации?
5. Что такое наклеп?
6. Как влияет нагрев на структуру и свойства наклепанного металла?
7. Что
такое возврат,
рекристаллизация и собирательная
рекристаллизация?
8. Как определяют температуру рекристаллизации?
9. Что такое сверхпластичность?
49
Отчет по лабораторной работе №5
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
Цель работы _____________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Что такое пластическая деформация?
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Механизм пластической деформации.
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Влияние пластической деформации на структуру и свойства металлов.
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Как определяется степень деформации?
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Что такое наклеп?
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Как влияет нагрев на структуру и свойства наклепанного металла?
50
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Что
такое
возврат,
рекристаллизация
и собирательная
рекристаллизация?
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Как определяют температуру рекристаллизации?
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Что такое сверхпластичность?
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
_______________________________________________________________
График зависимости изменения твердости от СПД. (HRB=f (СПД))
HRB
СПД
51
Протокол результатов испытаний
После
До наклепа
После наклепа
рекристаллизации
Высота
НR
Структур
Высота
HR
Структур
НRB
Структура
мм
B
а
мм
B
а
1
2
3
Вывод __________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Дата выполнения работы_____________ Ф.И.О. студента_______________

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  1  2  3  4   ..