Металлографические методы контроля качества

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 3

§ 37. Твердость металлов

Твердостью обычно называют свойство металла сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела, не получающего при этом пластической деформации. Такое определение не является исчерпывающим, однако пригодно для наиболее распространенных и стандартизованных методов определения твердости металлов, основанных на принципе статического вдавливания стандартного наконечника — индентора. В качестве инденторов служат закаленный стальной шарик, алмазная пирамида или конус. На поверхности испытуемой детали при вдавливании индентора получается отпечаток, который и является критерием для оценки ее твердости.

Рис. 57. Схема измерения твердости по методу Бринелля

Определение твердости металлов имеет большое практическое значение и очень широко распространено, так как является наиболее простым, легким и быстрым методом определения механических свойств.

Метод измерения твердости по Бринеллю (ГОСТ 9012—59) распространяется на черные и цветные металлы с твердостью 8 до 450 единиц. Метод основан на вдавливании в испытуемый материал под действием силы Р стального шарика диаметром D и последующем измерении полученного отпечатка. Твердость по Бринеллю (число твердости) НВ выражается отношением нагрузки к площади поверхности сферического отпечатка, имеющего форму шарикового сегмента (рис. 57):

где d — диаметр отпечатка, мм.

Установлено, что выбор нагрузки должен быть таким, чтобы между диаметром шарика и диаметром отпечатка сохранялось соотношение

0,2-D<d<0,6> D.

Рис. 58. Схема отпечатка при измерении твердости по Виккерсу

Размеры шариков стандартизованы, их диаметры составляют 10; 5; 2,5 мм. Размер шарика выбирается в зависимости от толщины испытуемого образца. Нагрузка на шарик берется в зависимости от материала испытуемой детали. Практически установлены и введены в стандарт следующие соотношения между нагрузкой и диаметром шарика: для стали и чугуна P = 30D²; для медных сплавов P = 10D²; для свинцовистых бронз P = 2.5D². Выдержка образца под нагрузкой установлена в 10 сек.

При других условиях измерения твердости обозначение НВ дополняется указанием условий. Например, НВ 5/250/30=200 означает, что при диаметре шарика 5 мм, нагрузке 250 кгс (2500 кн) и времени выдержки под нагрузкой 30 сек число твердости по Бринеллю равно 200. Размерность (сила/площадь) при числе твердости по Бринеллю не ставится.

Метод измерения твердости по Виккерсу (ГОСТ 2099—59) распространяется на черные и цветные металлы и сплавы, а также тонкие поверхностные слои и покрытия с твердостью от 8 до 1000 единиц.

Твердость по Виккерсу определяется вдавливанием е образец четырехгранной алмазной пирамиды с углом между противоположными гранями , равным 136° (рис. 58) и выражается числом твердости, полученным от деления нагрузки Р на площадь поверхности пирамидального отпечатка F (F вычисляется по длине диагоналей отпечатка)

=1,8544

где d — среднее арифметическое длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм.

Число твердости по Виккерсу HV имеет размерность сила/площадь, однако при написании размерность не проставляется. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой установлена: для сталей 10—15 сек, для цветных сплавов 30±2 сек. Нагрузки при измерении твердости по Виккерсу установлены следующие: 50 (5); 100 (10); 200 (20); ЗСО (30); 500 (50); 1000 (100) Н (кгс). Запись HV 10/30—500 означает, что число твердости 500 по Виккерсу получено при нагрузке P=100 Н (10 кгс), приложенной к алмазной пирамиде в течение 30 сек. Для упрощения определения числа твердости по Виккерсу расчет по приведенной формуле не производится, а пользуются готовыми таблицами, приложенными к ГОСТ 2999—59.

Метод Виккерса особенно удобен для измерения твердости поверхностно-упрочненных деталей, имеющих сложную форму (поверхностно-упрочненные зубья шестерен и т. п.).

Метод определения твердости по Роквеллу (ГОСТ 9013—59) распространяется на черные и цветные металлы и сплавы. Он отличается от рассмотренных тем, что за критерий оценки твердости принимают глубину отпечатка, измеряемую в процессе испытания.

Определение твердости этим методом производится вдавливанием в испытуемый объект алмазного конуса или стального шарика под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок—предварительной Р₀, равной 10 кгс, и общей (предварительной Р₀ и основной P₁) —60 кгс, 100 кгс или 150 кгс, в зависимости от применяемой шкалы.

Алмазный конус имеет угол при вершине 120°±30', вершина конуса скруглена в виде сферы с радиусом 0,200±0,00Г> мм. Номинальный диаметр стального шарика — 1,588 мм, допустимые отклонения ±0,001 мм. Твердость шарика не ниже HV=850.

Твердость по Роквеллу HR—величина отвлеченная, зависящая от глубины проникновения индентора в испытуемый образец н определяется по

где К — постоянный коэффициент: при испытании алмазным конусом Л'=100, а при испытании шариком Л'=130;

h1 — глубина проникновения индентора в испытуемый образец под действием общей нагрузки (глубину измеряют после снятия основной нагрузки P_lt мм);

1г₀ — глубина проникновения индентора в испытуемый образец под действием предварительной нагрузки Р₀, мм;

С — постоянная, равная 0,002 мм. Величина С принята за единицу измерения величины (h₁—h₀).

Последовательность операций при определении твердости по Роквеллу схематически показана на рис. 59.

Рис. 59. Схема определения твердости по Роквеллу алмазным конусом (шкала «с»)

Индентор под действием предварительной нагрузки Р_о вдавливается в испытуемую поверхность на глубину h₀. Затем к нагрузке Р₀ добавляется основная нагрузка P_i н под действием суммарной нагрузки глубина проникновения индентора составит величину h₁ После этого основную нагрузку Р₁ снимают, а предварительную оставляют.

Индентор отжимается металлом обратно, но не доходит до уровня h₀ на некоторую величину, равную h₁—h₀. Величина (h₁—h₀) принята за характеристику твердости металлов по Роквеллу.

Индентор часового типа, применяемый для измерения глубины отпечатка, имеет 100 делений. Каждое из них соответствует перемещению индентора на 0,002 мм. Чем тверже испытуемый материал, тем меньше разность h₁—h₀ и тем больше число твердости по Роквеллу. Измерения твердости по Роквеллу может производиться по трем шкалам А и С (черная), В (красная). Выбор шкалы зависит от твердости испытуемого материала и приведен в табл. 35.

Таблица 35

Шкала

Число

твердости

Вид индентора

Нагрузка.

кгс

Допустимые пределы шкалы

Приблизительная твердость, по Бринел- лю

А

HRA

Алмазный конус

70—85

В

HRB

Стальной шарик

25—100

60—230

С

HRC

Алмазный конус

20—67

230—700

Следует отметить, что между числами твердости материала, определенными различными методами, существует корреляционная связь. Это позволяет с помощью таблиц переводить значения твердости, полученные каким-либо одним методом, в значения твердости по другим методам. Так, твердость детали, измеренная по методу Бринелля и равная НВ 202, соответствует твердости по Роквеллу HRB 94 или HRC 17, твердости по Виккерсу HV 201.

По числу твердости, для ряда сталей, можно приближенно оценить их предел прочности при растяжении. Например, для углеродистых сталей

Испытание на микротвердость (ГОСТ 9450—60) позволяет определять твердость очень небольших по площади и толщине участков материала. Определение микротвердости производится вдавливанием алмазной четырехгранной пирамиды под нагрузкой от 0,005 до 0,5 кгс и последующим измерением полученного отпечатка с помощью микроскопа. Величина микротвердостиопределяется отношением действующей нагрузки Р к площади отпечатка F:

Размерность величины микротвердости (сила/площадь), как правило, не указывается. По существу метод микротвердости —это метод Виккерса, приспособленный  для измерения твердости на очень небольших участках деталей.

Измерение микротвердости производится па приборах типа ПМТ-3 и нашло широкое применение для испытания на твердость мелких деталей часов и приборов, фольги, тонкой проволоки, тонких гальванических и других покрытий, окисных пленок, поверхностных слоев деталей, упрочненных различными методами, стекол и эмалей, которые ввиду высокой, хрупкости трудно испытывать другими методами.

§ 38. Технологические испытания

При технологических испытаниях материалов определяют Показатели их качества (однородность, пластичность, способность к деформации) в условиях, подобных тем, в каких они находятся при технологической обработке или эксплуатации. При технологических испытаниях не . определяются возникающие в материале напряжения и прилагаемые нагрузки. Оценка результатов испытаний производится или по внешнему виду образцов (наличию трещин, расслоений и т. п.), или по измерению деформации, полученной после действия нагрузки (угол загиба, число загибов и т. п.).

Быстрота проведения технологических испытаний, а также возможность использования несложных приборов позволяют их широко применять для массового контроля.

Многие технологические испытания стандартизованы. Рассмотрим кратко некоторые из них.

Испытаниям на осадку (ГОСТ 8817—73) подвергаются черные металлы и алюминиевые сплавы в холодном или горячем состоянии. Испытания проводятся с целью контроля прутков и проволоки, из которых изготавливают крепежные изделия (болты, заклепки и др.) горячей или холодной высадкой, а также торцевой штамповкой. При этих испытаниях определяют способность материала к деформации и обнаруживают дефекты поверхности.

Образцы для испытания должны иметь следующие размеры: диаметр или толщина равны соответствующему размеру изделия; высота стальных образцов берется равной двум диаметрам или двум сторонам квадрата (для алюминиевых образцов — полутора диаметрам). Испытания проводятся под прессом или молотком (механическим или пневматическим). Относительная деформация определяется отношением изменения высоты образца (h₀—h₁), произошедшей в результате испытания, к исходной высоте образца h₀ и выражается в процентах

Материал считается годным, если на боковой поверхности образца, испытанного до определенной деформации X, оговоренной в технической документации, не наблюдается трещин, надрывов, закатов. На боковой поверхности образцов из алюминиевых сплавов не допускаются также шероховатость и расслоения.

Испытание на расплющивание (ГОСТ 8818—73) распространяется на металл, поставляемый в виде полос, листов и заклепок (проволоки). Толщина образцов равна толщине исходного материала, а ширина — в три раза больше толщины. Испытание производится под прессом или молотком. Расплющивание образцов из полос или листов производится до увеличения ширины стандартного образца до значений, указанных в технических условиях на материал. При испытании заклепок расплющивание производится на образцах высотой, равной 2,2 диаметра, до получения головки заданных размеров. Материал считается годным, если после испытания на поверхности образцов не наблюдаются трещины и надрывы.

Кроме рассмотренных видов испытаний, существует несколько видов технологических проб металлов: проба на выдавливание (вдавливание), которой подвергаются листы и ленты. На образце с помощью пуансона и матрицы выдавливается лунка. По глубине вытяжки, полученной перед разрушением металла, оценивают его пластичность;

проба на скручивание (ГОСТ 1545—63) применяется для проволоки диаметром не более 10 мм. Оценкой способности к пластической деформации служит число скручиваний образца определенной длины на 360°;

проба на гиб с перегибом определяет способность проволоки, полос и листов претерпевать в холодном состоянии пластическую деформацию изгиба. Образец, вертикально закрепленный в приборе, попеременно загибают вправо и влево на 90° до разрушения или до числа перегибов, установленных технической документацией. Для проволоки диаметром от 0,8 до 7,0 мм проба на гиб с перегибом стандартизована ГОСТ 1579—63.

Металлографические методы исследования металлов, сплавов, заготовок и деталей заключаются в непосредственном наблюдении за их структурой невооруженным глазом или при помощи лупы, металлографического или электронного микроскопа.

Металлографические методы разделяют на макро- и микроскопический анализы:

макроскопический осуществляется невооруженным глазом или при помощи лупы и бинокулярного микроскопа! с увеличением до 30—50 раз;

микроскопический осуществляется с помощью микроскопов с увеличением до 2000 раз.

В заводской практике металлографический метод применяется для входного контроля полуфабрикатов и заготовок, при контроле качества термической и химико-термической обработки, сварки и т. п. Кроме того, этот метод дает ценные сведения при выяснении причин отказов машин.

Для выполнения макро- (макроанализ) и микроскопического (микроанализ) анализов изготавливают и специально обрабатывают образцы — шлифы, вырезанные из полуфабрикатов, заготовок или деталей.

Подготовка шлифов для макроанализа во многих случаях ограничивается вырезкой образцов, их грубым шлифованием и последующим травлением. Подготовка шлифов для микроанализа — операция более сложная, включающая тонкое шлифование, полирование и травление. Образцы для микроанализа вырезают из тех мест изделия, которые являются наиболее важными в эксплуатационных условиях.

При вырезке и изготовлении образцов для металлографического анализа нельзя допускать их нагрева выше 100—150° С, в противном случае могу произойти структурные изменения, искажающие действительное строение сплава.

Методики изготовления макро- и микрошлифов для металлографического анализа приведены во многих руководствах, инструкциях и стандартах.

Макроскопический анализ используется в заводской практике для контроля качества сырья, полуфабрикатов и изделий. С помощью макроанализа и определяются:

металлургические пороки: раковины, волосовины, флокены и др.;

качество ковки, например, направление волокна материала деталей, изготовленных из деформируемых сталей и сплавов;

величина зерна и наличие разнозерннстости;

наличие, расположение и глубина слоя металла, упрочненного поверхностной закалкой или химико-термической обработкой (цементация, азотирование и др.);

дефекты в сварных и паяных соединениях (непровар, пористость и др.);

величина прокаливаем ости сталей.

Микроскопический анализ (микроанализ) позволяет непосредственно наблюдать строение сплавов и дает возможность составить представление о их свойствах.

Микроанализ позволяет выявлять: загрязненность металла неметаллическими включениями; фазовый и структурный состав сплава; глубину слоя обезуглероживания; структуру и глубину поверхностного слоя деталей, подвергшихся химико-термической обработке; толщину поверхностных металлических покрытий; характер и глубину проникновения коррозионных поражений.

Кроме того, с помощью микроанализа выявляются микротрещины, устанавливается величина зерна, контролируется качество сварных и паяных соединений. Микрошлифы рассматриваются как в нетравленом, так и в травленом (обработанном специальными реактивами) состоянии.

На нетравленой поверхности микрошлифа под микроскопом могут быть выявлены неметаллические включения — сульфиды, окислы, а также шлаковые включения. Для выявления структуры материала шлиф подвергается травлению. Для оценки металла по количеству и характеру расположения неметаллических включений служит ГОСТ 1778—70, который предусматривает оценку металла высокой чистоты методом сравнения с эталонными шкалами при увеличении в 200 раз. Следует отметить, что ГОСТ 1778—70 предусматривает новые методы подсчета количества и измерения размеров включений в сплавах, в частности, с применением автоматических счетчиков, включающих фотоэлектронные устройства и ЭЦВМ.

В ряде случаев микроанализ позволяет определить причину пониженных механических свойств материала. Так, перегрев стали всегда ведет к снижению механических свойств и изменению ее микроструктуры.

Многие стандарты на стали и сплавы содержат эталоны характерных микроструктур, по которым и проводится оценка их качества (например, ГОСТ 5952—63, ГОСТ 5950—63, ГОСТ 10801-64 и др.).

Познавательные статьи:



Формы дистанционного обучения

Передача мяча двумя руками снизу

Значение правильной осанки для жизнедеятельности человека

Основные ошибки при выполнении передач мяча на месте