«Ответы на вопросы материаловедению»

 

1. Испытание на твердость. Методы испытания. Определение твердости по Бринеллю и Роквеллу

Твердость – это свойство материала оказывать сопротивление контактной деформации или хрупкому разрушению при внедрении индентора [под индентором понимается твердосплавный наконечник, внедряемый в поверхность металла] в его поверхность. Испытания на твердость – самый доступный и распространенный вид механических испытаний. Наибольшее применение в технике получили статические методы испытания на твердость при вдавливании индентора: метод Бринелля, метод Виккерса и метод Роквелла.

 

При испытании на твердость по методу Бринелля (ГОСТ 9012–59) в поверхность материала вдавливается твердосплавный шарик диаметром D под действием нагрузки Р и после снятия нагрузки Р измеряется диаметр отпечатка d (рис. 1, а). Число твердости по Бринеллю (НВ) подсчитывается как отношение нагрузки Р к площади поверхности сферического отпечатка М:

(1)

Для получения сопоставимых результатов при определении твердости НВ шариками различного диаметра необходимо соблюдать условие подобия. Подобие отпечатков при разных D и Р будет обеспечено, если угол φ остается постоянным (рис. 1, а). Подставив в формулу (1) , получим следующее выражение:

  (2)

Из формулы (2) следует, что значение НВ будет оставаться постоянным, если P/D² = const и φ = const. Выбор отношения P/D², а следовательно и нагрузки вдавливания Р, зависит от уровня твердости материала. Чем более твердый материал, тем рекомендуется большее отношение P/D². Исходя из этого, в ГОСТ 9012–59 приведены следующие значения отношений P/D² (МПа): 294 (стань, чугун, высокопрочные сплавы); 98 (алюминий, медь, никель и их сплавы); 49 (магний и его сплавы); 24,5 (подшипниковые сплавы); 9,8 (олово, свинец). При D = 10 мм, Р = 29400 Н (P/D² = 294 МПа) и времени выдержки под нагрузкой 10 с твердость по Бринеллю обозначается символом НВ с указанием числа твердости. При этом размерность (кгс/мм²) не ставится, например 200 НВ. При использовании шариков других диаметров (1, 2, 2,5 и 5 мм) изменяется нагрузка вдавливания, а символ твердости НВ дополняется тремя индексами. Например, 180 HB_2,5/187,5/30 обозначает, что при D = 2,5 мм, Р = 187,5 кгс (1839 Н) и времени выдержки под нагрузкой 30 с число твердости по Бринеллю равно 180.

Метод Бринелля не рекомендуется применять для материалов с твердостью более 450 НВ, так как стальной шарик может заметно деформироваться, что внесет погрешность в результаты испытаний.

При испытании на твердость по методу Роквелла (ГОСТ 9013–59) в поверхность материала вдавливается алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной шарик диаметром 1,588 мм. Однако, согласно этому методу, за условную меру твердости принимается глубина отпечатка. Схема испытания по методу Роквелла показана на рис. 1, в. Вначале прикладывается предварительная нагрузка Р₀, под действием которой индентор вдавливается на глубину h₀. Затем прикладывается основная нагрузка P₁ под действием которой индентор вдавливается на глубину h₁. После этого снимают нагрузку Р₁ но оставляют предварительную нагрузку Р₀. При этом под действием упругой деформации индентор поднимается вверх, но не достигает уровня h₀. Разность (h – h₀) зависит от твердости материала; чем тверже материал, тем меньше эта разность. Глубина отпечатка измеряется индикатором часового типа с ценой деления 0,002 мм. При испытании мягких металлов методом Роквелла в качестве индентора применяется стальной шарик. Последовательность операций такая же, как и при испытании алмазным конусом. Число твердости, определенное методом Роквелла, обозначается символом HR. Однако в зависимости от формы индентора и значений нагрузок вдавливания к этому символу добавляется буква А, С, или В, обозначающая соответствующую шкалу измерений. Обозначения твердости и значения нагрузок вдавливания для разных шкал измерений методом Роквелла приведены ниже:

 

 

 

 

Шкала	А	С	В
Индентор	Алмазный конус	Алмазный конус	Стальной шарик
Обозначение твердости	HRA	HRC	HRB
Нагрузки вдавливания, кгс (Н):  Р0 Р1 Р	10 (98,1)   50 (490,5)   60 (588,6)	10 (98,1) 140(1373,4) 150 (1471,5)	10 (98,1) 90 (882,9) 100 (981)

 

 

Различие в нагрузке  Р₁, для шкал А и С объясняется тем, что по шкале А измеряют твердость особо твердых материалов и в этом случае во избежание повреждений алмазного конуса рекомендуется меньшая нагрузка вдавливания.

Числа твердости по Роквеллу подсчитывают по формулам

HRA(HRC) = 100 – [(h – h₀/0,002];

HRB = 130 – [(h – h₀/0,002],

где 100 и 130 – предельно заданное число делений индикатора часового типа с ценой деления 0,002 мм. Например, 50 HRC означает, что твердость, определенная методом Роквелла по шкале С при вдавливании алмазного конуса, равна 50 (размерность не ставится).

Преимущество метода Роквелла по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что значение твердости по методу Роквелла фиксируется непосредственно стрелкой индикатора, при этом отпадает необходимость в оптическом измерении размеров отпечатка.

2. Основные типы кристаллической решетки. Характеристика основных типов решетки

В кристалле частицы (ионы, атомы, молекулы), из которых построен кристалл, сближены до соприкосновения и располагаются различно, но закономерно по разным направлениям (рис. 1, а). Для упрощения пространственное изображение заменяют схемами (рис. 1, б), отмечая точками центры тяжести частиц. Кристаллы различаются симметрией расположения частиц.

Рис. 1. Расположение частиц в кристалле:

а – пространственное изображение; б – схема

 

Если в кристалле провести три направления х, у, z, не лежащих в одной плоскости, то расстояния между частицами, расположенными по этим направлениям, в общем случае неодинаковы и соответственно равны а, b, с.

Плоскости, параллельные координатным плоскостям, находящиеся на расстоянии а, b, с разбивают кристалл на множество параллелепипедов, равных и параллельно ориентированных. Наименьший параллелепипед называют элементарной ячейкой. Последовательное перемещение его образует пространственную кристаллическую решетку. Вершины параллелепипеда называют узлами пространственной решетки. С этими узлами совпадают центры тяжести частиц, из которых построен кристалл.

Для описания элементарной ячейки кристаллической решетки используют шесть величин: три отрезка, равные расстояниям а, b, с до ближайших частиц по осям координат, и три угла α, β, γ между этими отрезками.

Соотношения между этими величинами определяются симметрией, согласно которой все кристаллы подразделяют на семь систем (табл. 1).

Размер элементарной ячейки кристаллической решетки оценивают отрезки а, b, с. Их называют периодами решетки.

В большинстве случаев решетки имеют сложное строение, так как частицы находятся не только в узлах, но и на гранях или в центре решетки (рис. 2). О степени сложности судят по числу частиц, приходящихся на одну элементарную ячейку. В простой пространственной решетке (см. рис. 2, а) всегда на одну ячейку приходится одна частица. В каждой ячейке имеется восемь вершин, но каждая частица в вершине относится, в свою очередь, к восьми ячейкам. Таким образом, от узла на долю каждой ячейки приходится 1/8 объема, а всего узлов в ячейке восемь, следовательно, на ячейку приходится одна частица.

Таблица 1

Кристаллические системы элементов

 

В сложной пространственной решетке на одну ячейку всегда приходится больше одной частицы. На объемно-центрированную ячейку (см. рис. 2, б) приходятся две частицы: одна от вершины и другая центрирующая, которая относится только к данной ячейке. В гранецентрированной ячейке (см. рис. 2, в) имеются четыре частицы: одна от вершины и три от шести центрированных плоскостей, так как частица, находящаяся в центре плоскости, относится одновременно к двум ячейкам.

Система, период и число частиц, приходящихся на элементарную ячейку, полностью определяют расположение частиц в кристалле. Дополнительными характеристиками кристаллической решетки являются координационное число и коэффициент компактности.

 

Рис. 2. Типы элементарных ячеек кристаллических решеток:

а – простая; б, в – сложные

 

Число ближайших равноудаленных частиц определяет координационное число К. Например, в решетке объемно-центрированного куба (ОЦК) для каждого атома число таких соседей будет равно восьми (К8). Для простой кубической решетки координационное число будет 6 (Кб), для гранецентрированной кубической решетки (ГЦК) – 12 (К12).

Отношение объема всех частиц, приходящихся на одну элементарную ячейку, ко всему объему элементарной ячейки определяет коэффициент компактности. Для простой кубической решетки его значение равно 0,52, для ОЦК – 0,68 и для ГЦК – 0,74.

Оставшееся пространство образуют поры, которые подразделяют на октаэдрические и тетраэдрические. На рис. 3 центры этих пор показаны маленькими точками на ГЦК решетке. Радиус октаэдрической поры составляет 0,41, а тетраэдрической поры – лишь 0,22 радиуса частицы.

 

Рис. 3. Октаэдрические (а) и тетраэдрические (б) поры в металлах с ГЦК решеткой

 

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕШЕТОК

Наиболее простой кристаллической решеткой у металлов является кубическая, имеющая две разновидности: кубическую объемно-центрированную (ОЦК) и кубическую гранецентрированную (ГЦК) (рис. 4, а, б). У обоих типов этих решеток основу ячеек составляют восемь атомов, образующих куб и находящихся в его вершинах. Остальные атомы находятся или в центре объема куба (один атом на пересечении диагоналей в решетке ОЦК), или в центре каждой из его граней (шесть атомов в решетке ГЦК). Кристаллические решетки ОЦК имеют альфа-железо, хром, ванадий, вольфрам, молибден, бета-титан и другие металлы. Решетку ГЦК имеют гамма-железо, алюминий, медь, никель, свинец и некоторые другие металлы.

Другой разновидностью кристаллических решеток у металлов является гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ) (рис. 4, в). Ячейка этой решетки представляет собой шестигранную призму с центрированными основаниями, между которыми на некотором расстоянии от центров трех граней расположены еще три атома. ГПУ имеют альфа-титан, магний, цинк, кадмий, бериллий и другие металлы.

 

Рис. 4. Основные типы кристаллических решеток металлов:

а – кубическая объемно-центрированная (ОЦК); б – кубическая гранецентрированная (ГЦК); в – гексагональная плотноупакованная (ГПУ)

 

В ячейках кристаллической решетки всех типов атомы касаются друг друга внешними слоями электронных оболочек. Межатомные силы сцепления, обеспечивающие морфологическую целостность кристаллической решетки, создаются электромагнитным взаимодействием, обусловленным наличием у атомов валентных электронов.

У металлов, находящихся в твердом состоянии, валентные электроны, освобождаясь от своих атомов, движутся между атомами, которые становятся положительно заряженными ионами. Принадлежащие всему зерну и образующие электронный «газ» свободные электроны, взаимодействуя с положительными ионами, обеспечивают целостность кристаллической решетки. Такая межатомная связь в кристаллической решетке получила название металлической. Она может существовать как между одноименными атомами в чистых металлах, так и между разнородными – в сплавах.

Прочность металла зависит от плотности упаковки его кристаллической решетки и особенностей строения его атомов (особенно валентного и подвалентного слоев электронной оболочки).

Плотность упаковки-решетки, главным образом, определяется числом атомов, приходящихся на одну ячейку решетки, и расстоянием между ними (например, у ОЦК два атома на ячейку, а у ГЦК – четыре).

Наиболее характерным расстоянием является параметр решетки, который равен расстоянию между ближайшими атомами, составляющими грань кристаллической ячейки (см. рис. 4, а, б, в). У ОЦК и ГЦК решеток этот параметр одинаков по всем трем направлениям в пространстве, а у ГПУ – с > а. Параметры кристаллических решеток металлов составляют от 0,2 до 0,7 нм.

Следует помнить, что сила взаимодействия между атомами уменьшается из-за их тепловых колебаний. Результирующая сила взаимодействия тем меньше, чем выше температура.

3. Процесс волочения. Волочильный инструмент, состав волочильного инструмента

Волочение – процесс протягивания прутка через отверстие, размеры которого меньше, чем исходные размеры прутка. При этом длина прутка увеличивается, а поперечное сечение приобретает форму отверстия с одновременным уменьшением поперечного сечения. Волочение производят в холодном состоянии. Исходными материалами могут быть горячекатаный пруток, сортовой прокат, проволока, трубы. Волочением обрабатывают стали, цветные металлы и сплавы.

Этим способом получают проволоку, в том числе и с минимальным диаметром до 0,002 мм, прутки простой и сложной конфигурации сечения, тонкостенные трубы, в том числе и капиллярные, фасонные шпонки и др. Волочение применяют также для калибровки сечения и повышения качества поверхности обрабатываемого изделия.

Основной инструмент при волочении сплошных профилей – волоки (фильера) различной конструкции, а при волочении полых профилей – волоки и оправки к ним (рис. 1).

Рис. 1. Сферическая входная часть волоки: I – смазывающий конус; II – деформирующий конус; III – калибрующий поясок; IV – выходной конус

Волока 1 закрепляется в обойме 2, которая затем крепится на жесткой волочильной доске. Волока работает в сложных условиях – большое напряжение сочетается с износом при протягивании. Поэтому их изготавливают из твердого металлокерамического сплава, состоящего из карбидов вольфрама, титана, бора и др. Для получения особо точных профилей волоки изготавливают из алмазов. Волоки имеют сложную конфигурацию: входная часть обычно выполняется сферической, затем располагается смазывающий конус (I), за ним деформирующий (II) с углом в вершине α.

Угол а зависит от твердости обрабатываемого материала, от сечения заготовки, а также от коэффициента контактного трения и составляет 8–24^о.

За деформирующей частью располагаются цилиндрический калибрующий поясок (III) и выходной конус (IV).

Волочение осуществляют на волочильных станах, состоящих из тянущего устройства и волочильного инструмента. По типу тянущего устройства волочильные станы подразделяются на станы с прямолинейным движением протягиваемого материала (ценной, реечный, гидравлический) и с наматыванием его на барабан (барабанный тип). Станы барабанного типа применяются в основном для получения проволоки, редко для сплошных и полых профилей и только для тех случаев, когда изгиб при наматывании на барабан не нарушает формы поперечного сечения.

 

На рис. 2 приведена схема стана цепного типа. Основными элементами его являются станина 1, механизм перемещения тележки 5, бесконечная цепь 4, тележка с захватом 3, стойка для крепления инструмента – волоки 2. Длина протягиваемого изделия на ценных станах ограничивается длиной станины и обычно не превышает 15 м. Скорость волочения на цепных станах довольно значительна – до 2 м/с.

Барабанные станы в зависимости от назначения могут быть однобарабанные (однократные) и многобарабанные (рис. 3). Первые применяют при волочении толстой проволоки диаметром 4–25 мм и иногда труб; при волочении труб диаметр намоточного барабана увеличивают с 450 мм до 2000 м. Скорость волочения в этом случае также составляет 1,5–2 м/с.

 

 

Рис. 3. Схема стана барабанного типа: 1 – волочильная доска; 2 – натягивающее устройство; 3 – барабан

 

В станах многократного волочения обработка происходит последовательно в нескольких волоках: протягиваемый профиль при выходе из одной волоки наматывается на барабан и поступает в спеющую волоку и т.д. Многократный стан может иметь до 30 волок, скорость волочения может достигать 20 м/с. Если привод на все барабаны один, то в этом случае скорость вращения барабанов должна быть возрастающей в соотношении, обеспечивающем постоянство секундного объема.

Заготовки перед волочением подвергают термической обработке для снятия наклепа и придания металлу необходимых пластических и прочностных характеристик. Непосредственно перед волочением заостряют конец заготовки, удаляют окалину механическим, химическим или электролитическим методами, промывают и наносят подсмазочный слой, который должен удерживать смазку и предохранять рабочую поверхность волок от налипания металла.

Подсмазочный слой может быть различным: тонкий слой гидроксида железа Fе(ОН)_n, медный, фосфатный, известковый и др. Перед каждой фильерой поверхность заготовки смазывают для уменьшения трения металла о ее стенки.

Степень деформации при волочении обычно не превышает 30–35%. Коэффициент вытяжки при этом составляет за один проход μ = 1,25–1,45 и определяется из условия допустимого усилия волочения.

В случае несоблюдения этого условия напряжения это может привести к местному течению металла и изменению сечения заготовки. При необходимости получить большую величину деформации производят многократное волочение. В этом случае полученный в процессе предыдущих операций наклеп снимают отжигом, затем проводят все подготовительные операции и повторяют процесс до получения изделия нужного сечения.

Волочение обеспечивает высокую точность размеров, малую шероховатость поверхности, большую степень упрочнения. Изделия после волочения как правило, механически не обрабатывают.