ПЛАВЛЕНИЕ И КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ЧИСТЫХ МЕТАЛЛОВ

Рис. 1. Диаграмма растяжения

Необходимо отметить, что при растяжении образец удлиняется, а его поперечное сечение непрерывно уменьшается. Истинное напряжение определяется делением действующей в определенный момент нагрузки на площадь, которую образец имеет в этот момент. Истинные напряжения в повседневной практике не определяют, а пользуются условными напряжениями, считая, что поперечное сечение Fо образца остается неизменным.

Предел текучести (σт) – это нагрузка, при которой происходит пластическая деформация, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца (Рт / Fo). Однако при испытаниях на растяжение у большинства сплавов площадки текучести на диаграммах нет. Поэтому определяется условный предел текучести (σ0.2) - напряжение, которому соответствует пластическая деформация 0,2%. Выбранное значение 0,2% достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим.

К характеристикам материала относят также предел упругости (σпр), под которым подразумевают напряжение, при котором пластическая деформация достигает заданного значения. Обычно используют значения остаточной деформации 0,005; 0,02; 0,05%. Таким образом, σ0,05 = Рпр / Fo (Рпр – нагрузка, при которой остаточное удлинение составляет 0,05%).

Предел пропорциональности σпц = Рпц / Fo (Рпц – максимальная нагрузка, при действии которой еще выполняется закон Гука).

Пластичность характеризуется относительным удлинением (δ) и относительным сужением (ψ):

δ = [(lk - lo)/lo]∙100% ψ = [(Fo – Fk)/Fo]∙100%,

где lk - конечная длина образца; lo и Fo - начальные длина и площадь поперечного сечения образца; Fk - площадь поперечного сечения в месте разрыва.

Для малопластичных материалов испытания на растяжение вызывают затруднения, поскольку незначительные перекосы при установке образца вносят существенную погрешность в определение разрушающей нагрузки. Такие материалы, как правило, подвергают испытанию на изгиб.

 

 

2. Испытание на твердость

Нормативные документы:

· ГОСТ 8.062—85 «Государственная система обеспечения единства измерений. Государственный специальный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений твердости по шкалам Бринелля»

· ГЭТ 33—85 «Государственный специальный эталон единиц твердости по шкалам Бринелля»

Твердость – способность материала оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела – индентора. Твердость материала определяют методами Бринелля, Роквелла, Виккерса, Шора ид р. (рис.2).

 

 

а	б	в

Рис. 2. Схемы определения твердости по Бринеллю(а), Роквеллу(б) и Виккерсу(в)

Твердость металла по Бринеллю указывается буквами НВ и числом. Для перевода числа твердости в систему СИ пользуются коэффициентом К = 9,8 • 106, на который умножают значение твердости по Бринеллю: НВ = НВ • К, Па.

Метод определения твердости по Бринеллю не рекомендуется применять для сталей с твердостью свыше НВ 450 и цветных металлов с твердостью более 200 НВ.

Для различных материалов установлена корреляционная связь между пределом прочности (в МПа) и числом твердости НВ: σ_в ≈ 3,4 НВ - для горячекатаных углеродистых сталей; σ_в ≈ 4,5 НВ - для медных сплавов, σ_в ≈ 3,5НВ - для алюминиевых сплавов.

Определение твердости методом Роквелла осуществляют путем вдавливания в металл алмазного конуса или стального шарика. Прибор Роквелла имеет три шкалы – А,В,С. Алмазный конус применяют для испытания твердых материалов (шкалы А и С), а шарик – для испытания мягких материалов (шкала В). В зависимости от шкалы твердость обозначается буквами HRB, HRC, HRA и выражается в специальных единицах.

При измерении твердости по методу Виккерса производят вдавливание в поверхность металла (шлифуемую или полируемую) четырехгранной алмазной пирамиды. Этот метод применяют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, которые имеют высокую твердость (например, после азотирования). Твердость по Виккерсу обозначают HV. Перевод числа твердости HV в систему СИ производится аналогично переводу числа твердости НВ.

При измерении твердости по методу Шора шарик с индентором падает на образец, перпендикулярно его поверхности, а твердость определяется по высоте отскока шарика и обозначается HS.

Метод Кузнецова — Герберта — Ребиндера — твёрдость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл.

 

3. Испытание на ударную вязкость

Ударная вязкость характеризует способность материала оказывать сопротивление динамическим нагрузкам и проявляющейся при этом склонности к хрупкому разрушению. Для испытания на удар изготовляют специальные образцы с надрезом, которые потом разрушают на маятниковом копре (рис.3). По шкале маятникового копра определяют работу К, затраченную на разрушение, и рассчитывают основную характеристику, получаемую в результате этих испытаний – ударную вязкость. Она определяется отношением работы разрушения образца к площади его поперечного сечения и измеряется в МДж/м².

Для обозначения ударной вязкости применяют буквы КС и добавляют третью, которая указывает на вид надреза на образце: U, V, T. Запись KCU означает ударную вязкость образца с U-подобным надрезом, KCV - с V-подобным надрезом, а KCT - с трещиной, созданной в основании надреза. Работа разрушения образца при проведении ударных испытаний содержит две составляющие: работу зарождения трещины (Аз) и работу распространения трещины (Ар).

Определение ударной вязкости особенно важно для металлов, которые работают при низких температурах и выявляют склонность к хладноломкости, то есть к снижению ударной вязкости при понижении температуры эксплуатации.

4. Испытание на усталость

Усталость – процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, которые приводят к образованию трещин и разрушений. Усталость металла вызывается концентрацией напряжений в отдельных его объемах (в местах скопления неметаллических и газовых включений, структурных дефектов). Свойство металла сопротивляться усталости называется выносливостью.

Испытания на усталость проводят на машинах для повторно-переменного изгибания вращающегося образца, закрепленного одним или обоими концами, или на машинах для испытаний на растяжение-сжатие, или на повторно-переменное скручивание. В результате испытаний определяют предел выносливости, который характеризует сопротивление материала усталости.

Предел выносливости – максимальное напряжение, при действии которого не происходит усталостного разрушения после базового количества циклов нагружения.

Предел выносливости обозначается σ_R, где R - коэффициент асимметрии цикла.

Для определения предела выносливости проводят испытания не менее десяти образцов. Каждый образец испытывают только при одном напряжении до разрушения или при базовом числе циклов. Базовое число циклов должно быть не ниже 107 нагружений (для стали) и 108 (для цветных металлов).

return false">ссылка скрыта

 

 

Плавление и кристаллизации вещества являются фазовым переходом первого рода и для чистых веществ плавление характеризуется определенной температурой, являющейся константой данного вещества.

Все металлы находятся в твердом состоянии до определен­ной температуры. Это значит, что до определенной температуры металл сохраняет свою кристаллическую структуру (решетку), в которой атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, совершают колебательные движения с определенной амплиту­дой и частотой порядка 10¹³ периодов в секунду. При нагреве ам­плитуда перемещения атомов в узлах кристаллических решеток увеличивается и, наконец, достигает такого значения, при кото­ром силы взаимодействия между атомами не обеспечивают их взаимного положения в решетке, и она разрушается. Этот мо­мент и называют плавлением, и вещество переходит в жидкое со­стояние.

Переход металла из жидкого или парообразного состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией. Образование новых кристаллов в твер­дом кристаллическом теле называется вторичной кристаллизацией. Кристаллы могут как самопроизвольно зарождаться — гомоген­ная кристаллизация, так и расти на уже существующих центрах кристаллизации — гетерогенная кристаллизация.

Плавление — процесс, обратный кристаллизации, — протекает при температуре выше равновесной температуры Т_п, т.е. при пе­регреве. Разность реальной температуры кристаллизации и темпе­ратуры плавления называется температурным гистерезисом. Термические кривые, характеризующие процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью , показаны на рисунке

 

Рисунок 1 – Кривые охлаждения металла

при кристаллизации ( ₁< ₂< ₃)

 

 

Температура жидкого металла при охлаждении уменьшается плавно. При достижении реальных температур кристаллизации (Г_ь Т_ъ Т_ъ) на кривых охлаждения появ­ляются горизонтальные площадки, так как отвод теплоты в окру­жающую среду компенсируется выделяющейся скрытой теплотой кристаллизации. По окончании кристаллизации температура за­кристаллизовавшегося металла опять плавно понижается до окон­чательного затвердевания и охлаждения. При медленном охлажде­нии со скоростью v\ степень переохлаждения А Г, мала и кристал­лизация протекает при температуре, близкой к равновесной. С увеличением скоростей охлаждения кристаллизация протекает при более низких, чем в случае с v_b температурах, при этом сте­пень переохлаждения возрастает.

Процесс роста кристалла заключается в присоединении к его зародышу все новых атомов металла из жидкой фазы. Момент равновесной температуры кри­сталлизации (Г_п), когда равновероятно существование металла как в жидком, так и в твердом состояниях, т.е. число зародышей и скорость их роста равны нулю, и кристаллизация не происходит.

Полиморфные превращения. Данные превращения имеют место при вторичной кристаллизации, когда новые кристаллы образу­ются из твердой фазы. Полиморфизм — способность твердого металла при разных тем­пературах или давлениях иметь две или несколько кристалличес­ких структур, которые называются аллотропическими формами или модификациями. Низкотемпературную модификацию обыч­но обозначают буквой а, а высокотемпературные — соответственно буквами р\ у и т.д.

Железо имеет четыре полиморфные модифика­ции: α-Fe, p-Fe, γ-Fe и 5-Fe. Практическое значение имеют модифи­кации α -Fe и γ -Fe. Переход железа из одной модификации в другую происходит при определенных критических температурах. Модифи­кация α -Fe имеет кубическую объемно-центрированную кристалли­ческую решетку, γ -Fe — кубическую гранецентрированную кристал­лическую решетку. Переход железа из одной аллотропической формы в другую схематически показан на кривой охлаждения (рис. 19.6). В процессе охлаждения расплавленного железа при тем­пературе 1535°С образуется площадка, характеризующая формиро­вание кристаллической модификации 5-Fe; при температуре 1392°С происходит полиморфная модификация б-Fe в модификацию γ -Fe, которая при температуре 898°С переходит в модифика­цию P-Fe; при температуре 768°С модифи­кация P-Fe переходит в модификацию α -Fe. Изучение этих четырех форм сущест­вования кристаллического железа показа­ло, что в модификации γ -Fe имеется межа­томное расстояние в кристаллической решетке, меньшее, чем в модификации p-Fe, и поэтому переход γ -Fe в P-Fe сопро­вождается увеличением объема кристалла. Отмечено, что модификация α -Fe облада­ет магнитными свойствами (ферромаг-нит), тогда как модификация (З-Fe этими свойствами почти не обладает, хотя крис­таллические решетки их сходны между собой.