Определение твердости металлов методом Бринелля, Роквелла и Виккерса

4. Определение твердости металлов методом Бринелля, Роквелла и Виккерса.

 

Твёрдость - свойство материала сопротивляться проникновению в него другого тела, не получающего остаточной деформации.

Исходные данные для выбора средств и условий измерений  твёрдости, а именно, метод измерений, число твёрдости и толщина  испытуемого образца, должны быть указаны  в технической документации.

В «СИ» за единицу измерений  твёрдости принят Н/м2. Единица имеет  наименование Паскаль (Па). Измерение твёрдости металлов осуществляется методом Бринелля, Роквелла и Виккерса.

Применение различных  методов измерений твёрдости  металлов обусловлено механическими  свойствами металлов и конструктивно-технологическими особенностями изделий.

 

Измерение твёрдости  по методу Бринелля основано на вдавливании в испытуемое изделие стального закаленного шарика определенного диаметра, под действием заданной нагрузки в течение определенного времени. При определении твёрдости по методу Бринелля, расстояние от центра отпечатка до края испытуемого изделия должно быть не менее 2,5 диаметров отпечатка, расстояние между центрами двух соседних отпечатков - не менее 4 диаметров; для металлов с твёрдостью до 35НВ эти расстояния должны быть соответственно равны 3 диаметрам отпечатка и 6 диаметрам отпечатка.

Проведение испытаний, методику измерений диаметра отпечатка, а  также погрешность измерений  диаметра отпечатка регламентирует ГОСТ 9012 п.4.

 

Измерение твёрдости  по методу Роквелла основано на вдавливании алмазного конуса с углом при вершине 120° или стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок. Расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее четырех диаметров отпечатка (но не менее 2 мм), расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 2,5 диаметра отпечатка (но не менее 1 мм).

При измерении твёрдости  на выпуклых цилиндрических и сферических  поверхностях по шкалам А, В, С, D, F, G в  результаты измерений твёрдости  должны быть введены поправки, величины которых приведены в приложении 3 ГОСТ 9013. Поправки прибавляются к полученным значениям твёрдости.

Поправки при измерении  твёрдости на вогнутых поверхностях устанавливаются в нормативной  документации на металлопродукцию.

        Проведение  измерений и определение числа  твёрдости по методу Роквелла  регламентирует ГОСТ 9013 п.4.

Для измерений твёрдости  по шкале «С» Роквелла применяют  шкалу, воспроизводимую государственным  специальным эталоном и обозначаемую HRCэ.

Все образцовые и рабочие  средства измерений следует настраивать  и калибровать по образцовым мерам  твёрдости, имеющим обозначение HRCэ.

Для расширения области применения метода Роквелла при малых нагрузках  следует применять метод Супер-Роквелла.

 

Измерение твёрдости  по методу Виккерса основано на вдавливании четырехгранной алмазной пирамиды с углом между гранями 136° под действием определенной нагрузки, поддержании постоянства приложенной нагрузки в течение установленного времени и измерении диагоналей отпечатка, оставшихся на поверхности образца после снятия нагрузки. Расстояние между центрами отпечатка и краем образца или краем соседнего отпечатка должно быть не менее 2,5 длины диагонали отпечатка.

Проведение испытаний, обработку  результатов измерений, а также  погрешность измерений диагоналей отпечатка регламентирует ГОСТ 2999 п.5.

 

Основные требования, предъявляемые к измерению твёрдости 

по методу Бринелля, Роквелла и Виккерса:

температура измеряемого  металла (20 ±10) °С;

при измерении твёрдости  должна быть обеспечена перпендикулярность приложения действующего усилия к поверхности  образца или детали;

поверхность испытуемого  образца должна быть свободна от окалины, масла, краски, окисных пленок и других посторонних веществ;

поверхность испытуемого  образца обрабатывается в виде плоскости  так, чтобы края отпечатка были достаточно отчётливы для измерения его  размера с требуемой точностью;

при подготовке поверхности  испытуемого образца необходимо принять меры предосторожности против возможного изменения твёрдости  испытываемого образца вследствие нагрева или наклепа поверхности  в результате механической обработки;

 

Шероховатость поверхности  испытуемого образца должна быть не ниже:

2,5 v - при контроле по  методу Бринелля,

2,5 v - при контроле по  методу Роквелла,

0,16 v - при контроле по  методу Виккерса;

 

При применении специальных  подставок необходимо принять меры предотвращения прогиба образца  во время измерений твёрдости.

Испытуемый образец должен лежать на подставке устойчиво, чтобы  не могло произойти его смещение во время измерений твёрдости.

Минимальная толщина испытуемого  образца должна выбираться в зависимости  от его минимальной твёрдости. На обратной или боковой стороне  образца не должно быть следов деформации.

Если шарик после измерений  твёрдости имеет остаточную деформацию или какой-либо поверхностный дефект, то он должен быть заменён другим, а  соответствующее измерение должно считаться не действительным.

Место установки прибора  для измерений твёрдости должно быть выбрано так, чтобы приборам не передавались колебания и вибрации от работающих вблизи станков и машин  и должно соответствовать требованиям  технических описаний на приборы.

Величина твёрдости и  способ замера на детали указывается  в конструкторской и технологической  документации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

18. Классификация легированных сталей. Приведите примеры.

 

Стали классифицируются по нескольким признакам.

 

1. По структуре после охлаждения  на воздухе выделяются три  основных класса сталей:

      - перлитный;

      - мартенситный;

      - аустенитный

 

Стали перлитного класса характеризуются  малым содержанием легирующих элементов; мартенситного – более значительным содержанием; аустенитного – высоким  содержанием легирующих элементов.

Классификация связана с кинетикой  распада аустенита. Диаграммы изотермического  распада аустенита для сталей различных классов представлены на рис. 1.

 

Рис.1. Диаграммы изотермического  распада аустенита для сталей перлитного (а), мартенситного (б) и аустенитного (в) классов

По мере увеличения содержания легирующих элементов устойчивость аустенита  в перлитной области возрастает, а температупная область мартенситного  превращения снижается.

Для сталей перлитного класса кривая скорости охлаждения на воздухе пересекает область перлитного распада (рис. 1 а), поэтому образуются структуры перлита, сорбита или троостита.

Для сталей мартенситного класса область  перлитного распада сдвинута вправо (рис.1 б). Охлаждение на воздухе не приводит к превращению в перлитной  области. Аустенит переохлаждается  до температуры мартенситного превращения  и происходит образование мартенсита.

Для сталей аустенитного класса увеличение содержания углерода и легирующих элементов  сдвигает вправо область перлитного распада, а также снижает мартенситную точку, переводя ее в область отрицательных температур (рис. 1 в). Сталь охлаждается на воздухе до комнатной температуры, сохраняя аустенитное состояние.

 

2. По степени легирования (по  содержанию легирующих элементов):

      - низколегированные – 2,5…5 %;

      - среднелегированные – до 10 %;

      - высоколегированные – более 10%.

 

3. По числу легирующих элементов:

      - трехкомпонентные (железо, углерод, легирующий элемент);

      - четырехкомпонентные (железо, углерод, два легирующих элемента) и так далее.

 

4. По составу:

никелевые, хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и так далее (признак– наличие тех или иных легирующих элементов).

 

5. По назначению:

      - конструкционные;

      - инструментальные (режущие, мерительные, штамповые);

        стали и сплавы с особыми свойствами (резко выраженные свойства –нержавеющие, жаропрочные и термоустойчивые, износоустойчивые, с особыми магнитными и электрическими свойствами).

 

 

 

 

28.  Сталь.

 

Стали группы I (0,25…0,8 % Мn) имеют следующие марки: 05,08, 10, 15, 20, 25 … 85. Малоуглеродистые стали (08, 10, 15, 20, 25), имеющиеся сравнительно невысокие показатели прочности и высокую пластичность, применяют для деталей, изготовляемых штамповкой и сваркой. По ГОСТу стали маркеруют так: Сталь 10, Сталь 20, Сталь 45 и тд. Цифры в марке указывают на среднее содержание углерода в стали, выраженное в сотых долях %%. Например, Сталь 45 содержит в среднем 0,45% С. Степень раскисления стали указывают в конце марки: сталь 08 кп. Стали 10, 15, 20, 25 широко используют для цементуемых деталей (цементуемые стали), а 35, 45 и 50 – для всевозможных деталей подвергающихся закалки и высокотемпературному отпуску (улучшаемые стали). 

Закалка в одном  охладителе - самая распространеная для углеродистых и легированных сталей. Нагретое до температуры закалки изделие погружают в охлаждающую среду до полного охлаждения.

Высокий отпуск – нагрев закаленной стали в интервале температур 450…650  С, который способствует получению наибольшей вязкости при сохранении достаточно высокой прочности.  В результате данного отпуска твердость заколенной стали сильно снижается и образуется структура сорбит. На практике широко применяют закалку деталей машин на мартенсит с последующим высоким отпуском на сорбит. Этот процесс называют улучшением. Сорбит отпуска с зернистой формой цементита имеет более высокие показатели прочности и вязкости, чем сорбит закалки с пластинчатой формой цемента.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

39.  Алюминиевые  сплавы, их группы, характеристика, марки по стандарту и применение  в автотракторном и сельскохозяйственном  машиностроении.

 

Алюминий — металл серебристо-белого цвета. Кристаллизуется в решетке ГЦК с периодом a  = 0,4041 нм (при 20 ° С) и полиморфных превращений не испытывает. Алюминий обладает малой плотностью (2700 кг/м3), низкой температурой плавления (660 ° С), а также высокой электро- и теплопроводностью. Для алюминия характерна высокая пластичность и малая прочность. Основные физико-механические характеристики алюминия приведены ниже.

Характеристики  основных физико-механических свойств  алюминия

Плотность r , (кг/м3) ∙ 10–3                    2,7

Температура плавления Тпл, ° С         660

Температура кипения Ткип, ° С        2 327

Скрытая теплота плавления, Дж/г        393,6

Теплопроводность l , Вт/м  × град (при 20 ° С)        228

Теплоемкость Ср, Дж/(г  ×  град) (при 0–100 ° С)        0,88

Коэффициент линейного расширения a × 106, 1/° С (при 25 ° С)   4,3

Удельное электросопротивление r × 108, Ом× м (при 20 ° С)       2,7

Предел прочности s в, МПа                        40–60

Относительное удлинение d , %             40–50

Твердость по Бринеллю НВ                        25

Модуль нормальной упругости E , ГПа 70

Алюминий обладает хорошей  коррозионной стойкостью в атмосфере  и среде многих органических кислот, что обусловлено образованием на его поверхности сплошной тонкой (≈ 5 нм) и плотной оксидной пленки Al2O3. В щелочных средах и некоторых  неорганических кислотах алюминий быстро разрушается.

По масштабам производства и потребления алюминий занимает второе место после железа.

Отечественная промышленность выпускает первичный алюминий (ГОСТ 11069–74) трех сортов (табл. 16.1): особой чистоты (А999),  высокой чистоты (А995–А95) и  технической чистоты (А85–А0). В обозначении  марки буква «А» означает алюминий, а последующие цифры указывают  десятые, сотые и тысячные доли процента содержания алюминия. Например, алюминий марки А995 содержит не менее 99,995 % Al, марки А6 — 99,6 % Al, марки А0 — 99,0 % Al.

Алюминий особой и высокой  чистоты применяется для лабораторных и специальных целей, алюминий технической  чистоты — для технических  целей (выпуск деформируемого полуфабриката, получения сплавов и др.).

Основные примеси в  алюминии — Fe и Si. Железо и кремний  практически не растворимы в твердом  алюминии и образуют тройные промежуточные  фазы a (Fe2SiAl6) и b (FeSiAl5), которые приводят к повышению прочности и снижению пластичности.

Алюминий обладает высокой  технологической пластичностью, сваривается  всеми методами. Обрабатываемость резанием плохая вследствие высокой вязкости.   Алюминиевые сплавы по способу изготовления из них изделий  делят на две группы:            1) деформируемые (имеют высокую пластичность в нагретом состоянии);            2) литейные (имеют хорошую жидкотекучесть).           Такое деление отражает основные технологические свойства сплавов. Для получения этих свойств в алюминий вводят разные легирующие элементы и в неодинаковом количестве.            Сырьем для получения сплавов обоего типа являются не только технически чистый алюминий, но также и двойные сплавы алюминия с кремнием, которые содержат 10-13 % Si, и немного отличаются друг от друга количеством примесей железа, кальция, титана и марганца. Общее содержание примесей в них 0,5-1,7 %. Эти сплавы называют силуминами. Для получения деформируемых сплавов в алюминий вводят в основном растворимые в нем легирующие элементы в количестве, не превышающем предел их растворимости при высокой температуре. Деформируемые сплавы при нагреве под обработку давлением должны иметь гомогенную структуру твердого раствора, обеспечивающую наибольшую пластичность и наименьшую прочность. Это и обусловливает их хорошую обрабатываемость давлением.   Применение. Алюминий используется во многих отраслях промышленности и в быту. Он применяется в химической и пищевой промышленности, так как не взаимодействует с концентрированной азотной, органическими кислотами и пищевыми продуктами. Из него изготавливается различная тара, емкости, упаковочный материал и др. В отличие от плакированной жести, он легко перерабатывается. Кроме того алюминий широко применяют в строительстве, авто- и вагоностроении, электротехнике и криогенной технике. Алюминий марок АД1 и АД1пл используется в качестве плакирующего слоя на листах из сплава типа дуралюмин для защиты от коррозии.                                                                                                     44. Коррозия металлов, ее виды. Способы защиты металлов от коррозии.             Корро́зия (от лат. corrosio — разъедание) — это самопроизвольное разрушение металлов в результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой.                Коррозия металлов — разрушение металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой. Для процесса коррозии следует применять термин «коррозионный процесс», а для результата процесса — «коррозионное разрушение». Образование гальванических пар с пользой применяют для создания батарей и аккумуляторов. С другой стороны, образование такой пары приводит к неблагоприятному процессу, жертвой которого становится целый ряд металлов, — коррозии. Под коррозией понимают происходящее на поверхности электрохимическое или химическое разрушение металлического материала. Наиболее часто при коррозии металл окисляется с образованием ионов металла, которые при дальнейших превращениях дают различные продукты коррозии. Коррозия может быть вызвана как химическим, так и электрохимическим процессом. Соответственно, различают химическую и электрохимическую коррозию металлов.            Электрохимическая коррозия Разрушение металла под  воздействием возникающих в коррозионной среде гальванических элементов  называют электрохимической коррозией. Не следует путать с электрохимической  коррозией коррозию однородного  материала, например, ржавление железа или т. п. При электрохимической  коррозии (наиболее частая форма коррозии) всегда требуется наличие электролита (Конденсат, дождевая вода и т. д.), с  которым соприкасаются электроды  — либо различные элементы структуры  материала, либо два различных соприкасающихся  материала с различающимися окислительно-восстановительными потенциалами. Если в воде растворены ионы солей, кислот, или т. п., электропроводность её повышается, и скорость процесса увеличивается.              Химическая коррозия — взаимодействие поверхности металла с коррозионно-активной средой, не сопровождающееся возникновением электрохимических процессов на границе фаз. В этом случае взаимодействия окисления металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают в одном акте. Например, образование окалины при взаимодействии материалов на основе железа при высокой температуре с кислородом: 4Fe + 3O2 → 2Fe2O3             При электрохимической коррозии ионизация атомов металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают не в одном акте и их скорости зависят от электродного потенциала металла (например, ржавление стали в морской воде, ржавление полотенцесушителей в ванной).   Виды коррозии Газовая коррозия Атмосферная коррозия Коррозия при неполном погружении Коррозия по ватерлинии Коррозия при полном погружении Коррозия при переменном погружении Подземная коррозия Биокоррозия Коррозия внешним током Коррозия блуждающим током Контактная коррозия Коррозия при трении Фреттинг-коррозия Сплошная коррозия Равномерная коррозия Неравномерная коррозия Местная коррозия Подповерхностная коррозия Точечная коррозия Коррозия пятнами Сквозная коррозия Послойная коррозия Нитевидная коррозия Структурная коррозия Межкристаллитная коррозия Избирательная (селективная) коррозия Графитизация чугуна Обесцинкование Щелевая коррозия Ножевая коррозия Коррозионная язва Коррозионное растрескивание Коррозия под напряжением Коррозионная усталость Предел коррозионной усталости Коррозионная хрупкость   Борьба с коррозией           Коррозия приводит ежегодно к миллиардным убыткам, и разрешение этой проблемы является важной задачей. Основной ущерб, причиняемый коррозией, заключается не в потере металла как такового, а в огромной стоимости изделий, разрушаемых коррозией. Вот почему ежегодные потери от неё в промышленно развитых странах столь велики. Истинные убытки от неё нельзя определить, оценив только прямые потери, к которым относятся стоимость разрушившейся конструкции, стоимость замены оборудования, затраты на мероприятия по защите от коррозии. Ещё больший ущерб составляют косвенные потери. Это простои оборудования при замене прокорродировавших деталей и узлов, утечка продуктов, нарушение технологических процессов.           Идеальная защита от коррозии на 80 % обеспечивается правильной подготовкой поверхности, и только на 20 % качеством используемых лакокрасочных материалов и способом их нанесения. Наиболее производительным и эффективным методом подготовки поверхности перед дальнейшей защитой субстрата является абразивоструйная очистка.           Обычно выделяют три направления методов защиты от коррозии: Конструкционный Активный Пассивный          Для предотвращения коррозии в качестве конструкционных материалов применяют нержавеющие стали, кортеновские стали, цветные металлы. При проектировании конструкции стараются максимально изолировать от попадания коррозионной среды, применяя клеи, герметики, резиновые прокладки.            Активные методы борьбы с коррозией направлены на изменение структуры двойного электрического слоя. Применяется наложение постоянного электрического поля с помощью источника постоянного тока, напряжение выбирается с целью повышения электродного потенциала защищаемого металла. Другой метод — использование жертвенного анода, более активного материала, который будет разрушаться, предохраняя защищаемое изделие.             В качестве защиты от коррозии может применяться нанесение какого-либо покрытия, которое препятствует образованию коррозионного элемента (пассивный метод).           Красочное покрытие, полимерное покрытие и эмалирование должны, прежде всего, предотвратить доступ кислорода и влаги. Часто также применяется покрытие, например, стали другими металлами, такими как цинк, олово, хром, никель. Цинковое покрытие защищает сталь даже когда покрытие частично разрушено. Цинк имеет более отрицательный потенциал и корродирует первым. Ионы Zn2+ токсичны. При изготовлении консервных банок применяют жесть, покрытую слоем олова. В отличие от оцинкованной жести, при разрушении слоя олова корродировать, притом усиленно, начинает железо, так как олово имеет более положительный потенциал. Другая возможность защитить металл от коррозии — применение защитного электрода с большим отрицательным потенциалом, например, из цинка или магния. Для этого специально создаётся коррозионный элемент. Защищаемый металл выступает в роли катода, и этот вид защиты называют катодной защитой. Растворяемый электрод, называют, соответственно, анодом протекторной защиты. Этот метод применяют для защиты от коррозии морских судов, мостов, котельных установок, расположенных под землей труб. Для защиты корпуса судна на наружную сторону корпуса крепят цинковые пластинки.           Если сравнить потенциалы цинка и магния с железом, они имеют более отрицательные потенциалы. Но тем не менее корродируют они медленнее вследствие образования на поверхности защитной оксидной плёнки, которая защищает металл от дальнейшей коррозии. Образование такой плёнки называют пассивацией металла. У алюминия её усиливают анодным окислением (анодирование). При добавлении небольшого количества хрома в сталь на поверхности металла образуется оксидная плёнка. Содержание хрома в нержавеющей стали — более 12 процентов.                                                                                   56. Технико-экономическая  характеристика, общее устройство  токарных станков на примере  16 К2О, работы выполняемые на  них.           Токарно - винторезный станок 16К20, выпускаемый московским заводом «Красный пролетарий» им. Ефремова, предназначен для выполнения различных токарных и резьбонарезных работ, скоростного резания сырых, закаленных, а также труднообрабатываемых материалов (нержавеющих и жаропрочных сталей) в условиях единичного и серийного производства.          Общий вид станка показан на рис 1. Станок имеет коробчатой формы станину с закаленными шлифованными направляющими. Станина установлена на монолитном основании, которое служит стружкосборником и резервуаром для охлаждающей жидкости. Направляющие станины, ходовой винт и ходовой вал защищены от попадания мелкой стружки и пыли щитками. Механизм отключения подачи, которым оснащен фартук, позволяет вести обработку по упорам при продольном и поперечном точении. Задняя бабка станка установлена на аэростатической опоре (воздушной подушке), что значительно снижает удельное давление при ее перемещении и износ направляющих станины.         На основе станка 16К20, как базовой модели, выпускается ряд модификаций: станок 16К20Г с выемкой в станине для обтачивания заготовок диаметром до 600 мм на длине 295 мм от торца фланца шпинделя; 16К25 - облегченного типа для обработки заготовок диаметром до 500 мм над направляющими станины; 16К20П - повышенного класса  точности для инструментального  производства.         Структура механизма главного движения сложная и обеспечивает 22 частоты вращения шпинделя.        Технические характеристики токарно-винторезных станков приведены в табл. 1. Вал 1 коробки скоростей  получает вращение от электродвигателя (N=10 кВт, n = 1460 Об/мин, i рем = 154/268) через  клиноременную передачу. Рис. 1. Токарно-винторезный станок 16К20         Таблица 1 Технические характеристики токарно-винторезных станков