Основы физического металловедения: Лабораторный практикум

Ю. А. Курганова

ОСНОВЫ ФИЗИЧЕСКОГО МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ для студентов, обучающихся по специальности 150201 «Машины и технология обработки металлов давлением»

Ульяновск 2005

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ульяновский государственный технический университет

Ю. А. Курганова

ОСНОВЫ ФИЗИЧЕСКОГО МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ для студентов, обучающихся по специальности 150201 «Машины и технология обработки металлов давлением»

Учебное пособие для студентов специальности 1204 «Машины и технология обработки металлов давлением»

Ульяновск 2005

УДК 669.017 (076) ББК 34.2 я7 К 93 Рецензенты: Главный сварщик ОАО «УТЕС» А. А. Асафин канд. техн. наук, доцент В. Н. Кокорин. Одобрено секцией методических пособий научно-методического совета университета

Курганова, Ю. А. Основы физического металловедения: лабораторный практикум для студентов, обучающихся по специальности 150201 «Машины и технология обработки металлов давлением» / Ю. А. Курганова Ульяновск: УлГТУ, 2005. – 48 с. К 93

Предназначено для студентов машиностроительных факультетов, специализирующихся в области обработки металлов давлением. В пособии рассмотрены теоретические основы и предложены практические задания по трем актуальным темам современного машиностроения, с точки зрения металловедения. Первая – сварка. Сварные соединения достаточно широко используются современной промышленностью, современному специалисту необходимы знания по контролю, анализу и внутреннему строению таких соединений. Вторая тема – исследование изломов материалов. Изломы рассматриваются как в целях оценки свойств материала, так и для выяснения причин эксплуатационных отказов. Третья рассмотренная тема – трибология. Наука о трении и износе настолько сложна и многогранна, насколько всеобъемлюща. Трудно представить механизм без узла трения. Специалист, работающий с металлом, должен иметь представление о механизмах и последствиях процесса. УДК 669.017 (076) ББК 34.2 я7 Пособие написано и компьютерно набранно Кургановой Ю. А. Под редакцией канд. техн. наук В. Н. Кокорина

© Ю. А. Курганова, 2005 © Оформление. УлГТУ, 2005

СОДЕРЖАНИЕ Часть I Исследование структуры сварных соединений ВВЕДЕНИЕ 1. Общие сведения 1.1. Основные способы сварки 2. Макроструктура сварного соединения 3. Формирование зоны оплавления 3. 1. Предполагаемое поведение стали при сварке 4. Исследование сварных соединений 4.1. Подготовка 4.1.1. Вырезка образцов 4.1.2. Шлифование и механическое полирование 4.1.3. Травление химическими реактивами 5. Рассмотрение Порядок выполнения работы Контрольные вопросы Рекомендованная литература Часть II Исследование изломов (основы фрактографии) ВВЕДЕНИЕ 1. Общие сведения 2. Классификация 3. Рассмотрение изломов Порядок выполнения работы Контрольные вопросы Рекомендованная литература ПРИЛОЖЕНИЕ Часть III Рассмотрение процессов износа (основы трибологии) ВВЕДЕНИЕ 1. Общие сведения 2. Проведение испытаний на трение и износ Порядок выполнения работы Контрольные вопросы Рекомендованная литература

6 6 6 6 7 10 11 13 16 16 16 18 18 19 22 22 22 23 23 23 23 24 26 28 29 29 31 40 40 40 40 43 45 48 48

В целях исключения травматизма, а также поломки приборов и порчи оборудования каждый студент перед выполнением лабораторной работы должен изучить правила техники безопасности. Запрещается: приступать к работе без ознакомления с правилами по технике безопасности и проведения вводного инструктажа; подходить к отрезному станку, полировальной установке и микроскопу, подключать их к источникам питания, переключать и настраивать в отсутствии преподавателя или учебного мастера. Перед выполнением работы следует: надеть средства защиты и спецодежду; проверить наличие диэлектрических ковриков и заземления установок; работу проводить под наблюдением преподавателя

Часть I

Исследование структуры сварных соединений ВВЕДЕНИЕ В настоящее время сварные соединения используются настолько широко, что невозможно представить конструкцию без использования сварки. Сварное соединение является неразъемным и во многих случаях весьма ответственным местом деталей и узлов. Именно поэтому неотъемлемой частью технологического процесса сварки является контроль. Наиболее доступным видом контроля является визуальный, это обязательный вид контроля, но он не всегда отражает внутренние дефекты. Наиболее рациональным видом контроля является неразрушающий, с помощью специальных приборов, работа которых основана на явлении физических волн – звуковых (акустический и ультразвуковой методы), магнитных и других. Такие методы позволяют выявить наличие дефектов, типа трещин, не разрушая детали. Деталь после проверки в случае годности может быть использована по назначению. Для получения достаточно полной и надежной информации об области распределения сварного ядра, глубины провара и других характеристик предлагается использовать металлографический метод анализа. Этот метод является разрушающим и деталь непригодна к последующему применению, но метод является наиболее достоверным, наглядным и точным. Метод металлографического анализа позволяет оценить достаточность технологических характеристик процесса сварки (мощности, давления, силы тока), рассмотреть характеристики и внутреннее строение сварного соединения, а также позволяет регулировать процесс сварки при отладке процесса или запуске сварной установки. Практикум по выполнению лабораторной работы настоящего курса имеет целью ознакомить студентов с практическими навыками по видам разрушающего контроля – макро- и микроанализом, освоить приемы подготовки образцов для металлографического анализа, познакомить студентов с различными методами сварки и контролем сварных соединений.

1. Общие сведения Сварка имеет целью получение непрерывного соединения материалов (деталей). При сварке такое непрерывное соединение формируется с сохранением в зоне сварки кристаллического строения. На практике получение сварных соединений достигается в случае создания плотного контакта: а) между свариваемыми двумя твердыми телами

6

(стыковая сварка); б) между жидкостью и твердым телом (затвердевание); в) между паровой фазой и твердым телом (конденсация). При этом реализуется по крайней мере один из трех процессов: • сближение атомов, образующих кристаллические построения, присущие соединяемым телам: шов типа а (рис. 1); • проникновение атомов из одной решетки в другую или взаимное проникновение (обменом мест) атомов одной и другой решетки: шов типа б (рис. 1); • Образование общей для соединяемых тел кристаллической решетки (с общей ориентировкой): шов типа в (рис. 1).

Рис. 1. Процесс соединения при сварке: а – сближение атомов; б – диффузия; в – образование переходной кристаллической решетки.

Неизбежным и необратимым результатом преобразования сварного шва типа вид а (с контактом между твердыми телами) при нагреве является образование соединения типа вид б вследствие развития диффузии или соединения типа вид в вследствие протекания рекристаллизации. 1.1.

Основные способы сварки

Газовая сварка – при этом способе сварки используют тепло, выделяющееся при сгорании смеси горючего газа и кислорода. Наиболее известна ацетилено-кислородная смесь.

7

Рис. 2. Ацетилено – кислородная сварка: 1 - наконечник горелки; 2 - сопло; 3 - ядро факела; 4 - периферийная зона факела; 5 - присадочный металл; 6 - ванна жидкого металла; 7 - основной металл; 8 - затвердевший металл, сварной шов.

Факел (пламя горелки) при сгорании имеет: а) центральную зону (ядро), где происходит первичное сгорание с образованием оксида углерода (II) и водорода, т. е. создается восстановительная атмосфера, и б) периферийную зону, где происходит окончательное дожигание упомянутых газов. В конце ядра факела в очень малом объеме выделяется очень большое количество тепловой энергии (3200 °С), а имеющаяся в ядре восстановительная атмосфера является благоприятной для формирования качественной зоны плавления. Кроме того при соответствующем изменении расходов газов можно изменять химическую активность пламени; так, факел будет восстановительным при одинаковых объемах ацетилена и кислорода, окислительным – в случае избытка кислорода и даже науглероживающим – при избытке ацетилена. Газовая сварка осуществляется со сравнительно малой скоростью, соответственно тепловой цикл получается медленным, а градиент температур – небольшим. Тогда зона нагрева оказывается довольно большой. Дуговая сварка электродом с обмазкой – дуга, возникающая между электродом с обмазкой и свариваемыми деталями, обеспечивает поэтапное соединение в результате затвердевания мостика жидкого металла, образуещегося между электродом и поверхностями кромок или торцов свариваемого стыка (рис. 3). Покрытие (обмазка) состоит из смеси порошков (раскислителей, ферросплавов, металлических порошков и различных продуктов типа доменных шлаков), перемешанных и соединенных соответствующей связкой. Характер обмазки играет важную роль в получении качественного сварного соединения. Покрытие оплавляется одновременно с находящейся в сердцевине электрода поволокой. При оплавлении покрытия образуются газы и расплавы, которые экранируют жидкий металл собственно сварного шва от электрической дуги. Кроме того, при оплавлении обмазки образуются шлаки, которые

8

способствуют рафинированию жидкой ванны шва, при необходимости вносят в нее добавки и в конечном счете «облагораживают» всю зону сплавления, так как жидкий металл сварного шва во все время затвердевания и после него получается защищенным. Сварка сопротивлением – соединяемые изделия плотно прижимаются одно к другому в зажимных губках из меди, через которые проводится электрический ток. После достижения температуры сварки (в результате выделения Джоулева тепла) ток отключают. Основные особенности сварки сопротивлением заключаются в следующем: кратковременное изменение температуры; отсутствие присадочного материала, а в некоторых случаях и оплавленного металла сварного шва; очень малое влияние атмосферы, окружающей свариваемые детали.

Рис. 3. Дуговая сварка электродом с покрытием: 1 – сердечник проволочного электрода; 2 – покрытие; 3 – электрическая дуга и защитный газ; 4 – ванна жидкого металла; 5 – сварной шов; 6 – шлак; 7 – основной металл

9

Рис. 4. Сварка сопротивлением. Точечная сварка (1 – точечный электрод; 2 – основной металл; 3 – ванна жидкого металла).

Также существуют еще много видов сварки: сварка под слоем флюса; сварка металлическим электродом в среде инертного или активного газа; плазменная сварка; индукционная сварка; сварка трением; сварка взрывом.

2. Макроструктура сварного соединения.

Рис. 5. Основные зоны сварных соединений различного типа. а – газовая сварка, дуговая сварка; б – точечная сварка сопротивлением; в – обычная пайка твердым припоем и соединительная пайка (с большим зазором и специальной подготовкой кромок); г – сварка под давлением, сварка сопротивлением, сварка трением; д – сварка взрывом, ультразвуковая сварка; 1 – зона оплавления; 2 – переходная зона; 3 – зона термического влияния; 4 – неизменная зона (при сварке плавлением)

10

Профиль поперечного сечения сварного соединения может быть пяти видов (рис. 5). В первых трех случаях металлическое соединение формируется при контакте жидкого и твердого металла, а в двух последних – при контакте твердое – твердое. Контакт жидкое – твердое (типы а, б, в). Травление позволяет выявить четыре основные зоны: 1. Зона оплавления (1), где в период максимального нагрева временно образуется жидкая фаза при оплавлении свариваемых кромок о присадочного материала (например, как при пайке твердым припоем или при пайке с большим зазором и соответствующей подготовкой кромок). Окончательный профиль зоны оплавления формируется при затвердевании. 2. Переходная зона (2), т. е. участок на границе зоны оплавления, где при затвердевании осаждаются кристаллы, образующие металлическое соединение в результате взаимодействия расплавленного материала шва с нерасплавленным основным материалом. 3. Зона термического влияния (3), примыкающая к переходной; в этой зоне нагрев все же достаточно интенсивен и может вызвать структурные изменения в основном металле, зависящий от времени выдержки при наиболее высокой температуре и от режима охлаждения. 4. Неизменная зона (4) – удаленная на столько, что процесс сварки не вызывает там никаких фазовых или структурных изменений; однако в этой зоне может наблюдаться, например, коробление или возникновение остаточных напряжений.

3. Формирование зоны оплавления Ванна жидкого металла полностью или частично окружена основным металлом; в последнем случае часть ванны находится либо в вакууме, либо в контакте с инертным или активным газом, шлаком, флюсом или с жесткой подкладкой (например, охлаждаемой медной пластиной). Зона оплавления формируется по-разному в зависимости от того, движется ли источник тепла вдоль свариваемых деталей или нет. Стационарный источник тепла – ванна жидкого металла возникает прямо на соединяемых поверхностях, причем количество расплавленного металла непрерывно растет, а фронт плавления с началом охлаждения сразу же переходит во фронт затвердевания. Подвижный источник тепла – сварной шов формируется при постепенном поступательном перемещении ванны жидкого металла, которая при равенстве количеств подводимого и отводимого тепла сохраняет практически неизменные размеры.

11

Затвердевание зоны оплавления Затвердевание развивается в направлении наибольшего температурного градиента, т. е. перпендикулярно к изотерме затвердевания. Следовательно, кристаллы при точечной сварке сопротивлением формируются прямолинейно по направлению от периферии к центру, тогда как при сварке подвижным источником тепла они распространяются криволинейно от переходной зоны до продольной оси сварного шва. Превращения при охлаждении. Фазовые превращения охватывают зоны различной ширины, ограничиваемые изотермами температур, необходимых для начала превращения. Для каждой стали структурные изменения зависят от условий нагрева, от времени выдержки аустенита при высокой температуре и от характера охлаждения. Холоднодеформированная или отоженная углеродистая (нелегированная) сталь (рис. 6). Начиная от основного металла и далее к переходной зоне в направлении движущегося фронта охлаждения, при определенных условиях может сохраняться рекристаллизированная зона. Начиная с точки Аr3 и Аr1, могут происходить перераспределение элементов, а также процессы дисперсионного твердения. Величина зерна перегретого аустенита не меняется и может быть выявлена в продуктах превращения, образовавшихся во время охлаждения. Закаленная (улучшенная) сталь (рис.6, б, в): между температурами θr и Аr1 сохраняется состояние большего или меньшего развития отпуска (S): между точками Аr3 и Аr1 , а также ниже последней происходит превращение (зоны Т или Ts) аустенита. Диспереионнотвердеющая сталь (типичный пример: мартенситностареющая сталь). В закаленном состоянии (рис. 6, г): между точками θd и θS сохраняется закаленная зона (D); между точкой θs и переходной зоной происходит упрочнение или смягчение (Аd) в результате кратковременного пребывания при высокой температуре; в зоне, подвергшийся воздействию температур несколько выше точки θS, образуются более или менее узкие двухфазные полоски и повторно образовавшегося аустенита и мартенсита. В полностью термически обработанном состоянии (рис. 6, д): между точкой θS и переходной зоной происходит упрочнение; в зоне, подвергавшейся воздействию температур несколько выше точки θS, образуются более или менее узкие двухфазные полоски из вторичного аустенита и мертенсита. Ферритная и аустенитная коррозионностойкая сталь (рис. 6, е, ж):

12

-

между температурами θp и θS возможно выделение карбидов; в зависимости от времени пребывания при высокой температуре между изотермой θq и переходной зоной сохраняется крупнозернистая структура перегрева, а также (в зависимости от химического состава стали) вторая фаза; в коррозионностойких аустенитных сталях возможно превращение в мертенсит.

3. 1. Предполагаемое поведение стали при сварке Закономерности изменения температуры в цикле сварки прямо связаны во времени с фазовыми превращениями в стали как в сварном шве, так и вблизи него. Было предложено использовать термокинетические диаграммы превращения (при непрерывном охлаждении), чтобы попытаться объяснить и предсказать структурные превращения при сварке. Однако традиционные диаграммы для этой цели не вполне подходят, поскольку условия аустенитизации, использованные для их построения, отличаются от тех, которые наблюдаются при сварке. Поэтому были разработаны специальные способы, например, моделирование на образцах, температура которых изменяется во времени по тому же закону, что и при сварке, или исследование «in situ» («на месте»), т. е. поблизости от фактически выполняемого сварного шва. Температуры превращения могут быть либо заимствованы с традиционной диаграммы (рис. 7), либо определены экспериментально в зависимости от скорости охлаждения.

13

Рис. 6. Изменения в структуре основного металла в зависимости от закона изменения температуры во времени. Поперечные разрезы: а – д – стали, претерпевающие фазовые превращения (термически обработанные); е и ж – стали, не претерпевающие фазовых превращений (аустенитные или ферритные): θс – температура рекристаллизации феррита; θd – температура начала дисперсионного твердения; θq – температура начала перегрева; θp – температура начала образования фаз; θr – температура начала отпуска; θS – температура обратного растворения фаз выделений; Аd – ширина «смягченной» зоны; С – ширина зоны выделений; S – ширина переотпущенной зоны; Т – ширина зоны закалки; Тs – ширина зоны фазового превращения; D – закаленная зона; а – слева холоднодеформированный основной металл, справа – отожженный основной металл; б – закаленная сталь; в – термически улучшенная (закаленная и отпущенная) сталь; г – дисперсионнотвердеющая сталь в закаленном состоянии (мягкая); д – дисперсионнотвердеющая сталь в термически обработанном (состаренном) состоянии (упрочненная); е – сталь, не претерпевающая фазовых превращений; отсутствуют фазы выделений в зоне термического влияния; ж – сталь, не претерпевающая фазовых превращений; наблюдаются фазы выделений в зоне термического влияния в некотором заранее выбранном интервале температур (рис. 8)

14

0,3 0,5

1

2

5

10

20

50

г

10

500

3

10 t,C

Рис. 7 . Диаграмма превращений при непрерывном охлаждении, моделирование закона изменения температуры во времени (данные IRSID): А - аустенит, Ф - феррит, Ц - цементит; М - начало мартенситного превращения

В дополнение к информации, получаемой при использовании термокинетических диаграмм, нередко используют кривые изменения твердости, получаемой в зоне термического влияния, в зависимости от параметра, принятого для характеристики условий сварки, например от времени охлаждения в диапазоне температур 800 - 500 °С (рис. 8) или 700 - 300 °С. Эти кривые, разработанные в институте IRSID, отображают зависимость твердости от параметра охлаждения. Хотя значения твердости в зоне термического влияния и позволяют опосредованно судить о структуре, они не могут считаться надежным показателем свариваемости, в частности, в отношении склонности к образованию холодных трещин, поскольку этот показатель связан с различными процессами упрочнения, наличием водорода и, наконец, с напряжениями.

15

В целях предсказания поведения стали при сварке предложены эмпирические формулы для расчета так называемого углеродного эквивалента, в которых наряду с содержанием углерода учитываются (с соответствующим коэффициентом, характеризующим их большее или меньшее влияние) содержание других легирующих элементов, например, для стали с углеродом и марганцем формула углеродного эквивалента имеет вид Сэкв=С+Мп/6. Такие формулы могут быть использованы для сопоставления сталей аналогичных марок с точки зрения их лучшей или худшей свариваемости. Однако и эти формулы не могут дать исчерпывающих количественных сведений о поведении стали при сварке, поскольку они не учитывают никаких других факторов свариваемости, кроме склонности к подкалке.

4. Исследование сварных соединений 4.1. Подготовка 4.1.1. Вырезка образцов Способ, которым образец «вычленяется» из исследуемого объекта, должен во всех случаях обеспечивать отсутствие порчи поверхности образца из-за наклепа или нагрева. Вредное воздействие этих факторов можно уменьшить соответствующей смазкой и интенсивным, постоянным охлаждением образца в ходе машинной обработки. После того, как образец вырезан, его поверхность полируется для устранения царапин и подготовки к последующим операциям. В дополнение к ставшим традиционным методам вырезки и выравнивания поверхности образцов (выпиливанию, шлифовке, полировке) широкое использование приобретают более совершенные методы. К ним можно отнести электороэрозионную резку и микротомию (приготовление срезов). Благодаря отсутствию механического контакта между образцом и инструментом деформационное упрочнение (наклеп) практически отсутствует; нагрев образца в сильной степени ограничен из-за охлаждающего воздействия диэлектрической жидкостью, в которую он помещен. На практике электроэрозионный метод применяется в тех случаях, когда при обработке традиционными механическими методами возникают трудности (например, при резке монокристаллов, слишком мягких или слишком твердых материалов).

16

Рис. 8. Диаграмма фазовых превращений при непрерывном охлаждении стали типа St37-1 (0,17% С, 1,40% Мn; 0,45% Si; 0,026% S, 0,027% Р) после сварки, термический анализ «in situ»; t - время охлаждения (с) в интервале 800 - 500 °С, данные Института сварки; А - аустенит; М - мартенсит; Ц - цементит, Ф - феррит

17

4.1.2. Шлифование и механическое полирование Цель шлифования и полирования металлографического образца – получение ровной, плоской и хорошо обезжиренной поверхности без царапин и без наклепа. Изготовление микрошлифов целесообразно проводить общепринятым методом механического шлифования и полирования. Метод электрохимического полирования мало пригоден, так как при электрополировании в силу различий физико-химических свойств соединяемых материалов, а, следовательно, и условий полировки в зоне соединения возникает рельеф (ступенька, растрав), который препятствует правильной оценке структуры материалов исследуемого соединения. Метод электрополирования применим в том случае, когда паяемый материал и припой имеют одинаковую основу или близки по электрохимическим свойствам. Наиболее частым дефектом являются завалы на границе металл - шов. Во избежание появления завала при механической обработке образцы следует более тщательно шлифовать, чтобы время полирования было минимальным. При изготовлении шлифов основное внимание обратить на получение ровной поверхности без перепадов. Часто паяный шов, особенно при низкотемпературной пайке, имеет меньшую прочность и твердость по сравнению с основным металлом, и для его обработки режущим инструментом требуются меньшие усилия. Для шлифования используются шлифовальные круги, скорость вращения которых изменяется при изготовлении различных шлифов, например, при пайке стальмедные сплавы - 800 - 1200 об/мин, алюминиевые, магниевые сплавы - 600 - 800 об/мин. На одних и тех же кругах обрабатывать разные материалы нельзя. Абразивным материалом являются оксиды хрома, алюминия, используемые в виде бедной водной суспензии (5 15 г абразива на 1 л воды), полученной после отстоя более крупных фракций. При полировании шлифов паяных припоями, твердость которых ниже твердости основного металла, целесообразно применять алмазную пыль, пасту или круги. В этом случае полирование ведут с применением масляных смазок.

4.1.3. Травление химическими реактивами Цель травления полированной металлической поверхности химическими реактивами – сделать видимыми составляющие структуры, которые не выявляются на полированном (нетравленом) шлифе. Отполированный сварной или паяный образец изучают в нетравленном виде (непровары, непропаи, раковины, поры, трещины, неметаллические включения). Неметаллические включения обладают меньшей отражательной способностью, чем металлы, поэтому в поле зрения они выявляются в виде темных пятен. Чтобы отличить их от пор, которые тоже выявляются в виде темных пятен, слегка изменяют фокусное расстояние, поворачивая

18

микрометрический винт микроскопа. При этом края микропор то сходятся, то расходятся, что не происходит при рассматривании неметаллического включения. Выявление микроструктуры сварных или паяных соединений разнородных материалов производится как правило методом ступенчатого травления. Сначала выявляется структура одного, а затем другого материала. Травители и способ травления подбираются опытным путем и так, чтобы травитель для одного металла не оказывал действия на другой или выявлял структуру обоих металлов одновременно. Химическое травление позволяет выявить общую структуру, селективное определение фаз с учетом колебания их состава, выявить микроликвацию элементов в сплаве. В последнее время получает распространение метод теплового травления, заключающийся в кратковременном нагреве полированного образца на воздухе в струе химически активного газа или вакууме. На поверхности возникают оксидные пленки различной толщины, что позволяет получать качественные характеристики химической неоднородности. Особенно эффективен метод теплового травления в случае образования в шве многофазных сплавов или сплава, структура которого плохо выявляется химическим травлением. Тепловое травление дает четкую картину различно окрашенных фаз и может быть использовано для установления природы фаз. Тепловое травление целесообразно, когда химическое травление дает однородную структуру шва.

5. Рассмотрение Специфика строения определяется особым характером термических процессов, реализуемых при сварке. При рассмотрении на микрошлифах выявляется более или менее регулярная слоистая структура. Это обусловлено практически неизбежными колебаниями химического состава зоны оплавления в продольном или поперечном направлениях, возникающими вследствие колебаний скорости затвердевания под влиянием внутренних или внешних факторов. При нерегулярном росте из-за резких колебаний объема и геометрии ванны жидкого металла на последовательно формирующихся слоях поверхности раздела жидкое – твердое образуется периодические выступы (рис. 9.)

Рис. 9. Изменения величины зерна и химического состава, связанные с различным положением фронта затвердевания (характерные выступы на металлографическом шлифе)

19

Такое нестационарное состояние ванны жидкого металла приводит также к изменению величины зерен, что делает выступы еще более заметными. Слоистая (ребристая) структура наблюдается не только в сварных соединениях; она отмечается в отливках. На рис. 10 показаны профили ванны жидкого металла для различных способов сварки. При эпитаксическом росте кристаллов, образовавшихся при затвердевании из зоны оплавления, с самого начала наблюдается приближение этих кристаллов к рамерам кристаллов основного металла, укрупнившихся в результате перегрева в зоне термического влияния. На рис. 11 показано это явление в типичном случае; видны размеры кристаллов основного металла по обе стороны оплавления. Сформировавшаяся таким образом структура затвердевшего металла иногда может содержать различные дефекты, например, газовые пузыри и трещины.

Рис. 10. Влияние различных способов сварки на склонность к росту зерна (в направлении, перпендикулярном к изотермам затвердевания): а - продольное сечение; б - поперечное сечение; 1 - газовая сварка, дуговая сварка электродом с покрытием, сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа; 2 - сварка металлическим электродом в среде инертного или активного газа и плазменно-дуговая сварка; 3 - электронно-лучевая сварка; 4 - электрошлаковая сварка; 5 - точечная сварка сопротивлением

20

Рис. 11. Влияние величины зерна в основном металле и в переходной зоне на структуру затвердевания

В целях исключения травматизма, а также поломки приборов и порчи оборудования каждый студент перед выполнением лабораторной работы должен изучить правила техники безопасности. Запрещается: приступать к работе без ознакомления с правилами по технике безопасности и проведения вводного инструктажа; подходить к отрезному станку, полировальной установке и микроскопу, подключать их к источникам питания, переключать и настраивать в отсутствии преподавателя или учебного мастера. Перед выполнением работы следует: надеть средства защиты и спецодежду; проверить наличие диэлектрических ковриков и заземления установок; работу проводить под наблюдением преподавателя. Цель работы: Исследовать структуры сварных соединений. Получение практических навыков контроля параметров сварки. Средства технического оснащения: отрезной станок; шлифовальная шкурка; полировальная установка; реактивы для травления

21

-

микроскоп металлографический бинокулярный МБС.

упрощенный

ММУ

или

Порядок выполнения работы: 1. изучить правила техники безопасности; 2. подготовить шлифы для рассмотрения сварных соединений из числа представленных преподавателем; 3. исследовать структуры сварных соединений. Зарисовать, провести оценку глубины проплавления; 4. оформить отчет. Контрольные вопросы. 1. Основы металлографического анализа сварных соединений. 2. Методика подготовки шлифов для исследования. 3. Дефекты, возникающие в зоне сварного соединения. 4. Методика расчета глубины проплавления. 5. Оценка качества сварных соединений.

Рекомендованная литература: 1. Богомолова, Н. А. Практическая металлография / Н. А. Богомолова. – М.: Высшая школа, 1982. – 272 с. 2. Справочник по авиационным материалам / под ред. С. Т. Кишкина. – М.: Из-во оборонной промышленности, 1950. – 550 с. 3. Баранова, Л. В. Металлографическое травление металлов и сплавов / Л. В. Баранова, Э. Л. Демина. – М.: Металлургия, 1977. – 178 с. 4. Контроль качества термообработки стальных полуфабрикатов и деталей: справочник / под ред. В. Д. Кальнера. – М.: Машиностроение, 1984. – 384 с.

22

Часть II

Исследование изломов (основы фрактографии) ВВЕДЕНИЕ С возрастающим усложнением и ужесточением условий эксплуатации современной техники, актуальной становится проблема создания материалов и видов обработки, обеспечивающих не только высокую прочность, но и достаточную надежность против разрушения. Поэтому большое значение придается изучению процесса разрушения и влияния различных структурных и технологических факторов на характеристики разрушения. Среди физических методов изучения связи состава и структуры материала с его механической прочностью особое место отводится исследованию поверхностей разрушения, поскольку излом наиболее четко отражает строение и свойства материала в локальном объеме, в котором протекает процесс разрушения. В ряде случаев эксплуатационных разрушений и повреждений только по излому можно сделать заключение о характере и причинах поломки или аварии. Несмотря на то, что особенности изломов давно используют в практических исследованиях, научный подход к изучению их еще только разрабатывается. Наука, рассматривающая строение изломов, называется, фрактографией.

1. Общие сведения Изломы изучают - для оценки металлургического качества материала (рыхлоты, крупные неметаллические включения, плены, расслоения); - для оценки материала после проведения термических операций; - для выяснения причин разброса механических свойств при испытаниях; - при изучении механизма и кинетики разрушения (в целях установления связи структуры материала с его способностью тормозить разрушение: что является микроочагами разрушения, а что практически не оказывает влияния на разрушение); - при определении вязкости разрушения; - при исследовании причин и характера эксплуатационного разрушения. Однозначную трактовку излома затрудняет то, что в ряде случаев различным видам нагружения соответствует в основных чертах один и тот же характер разрушения, в то же время одинаковый вид нагружения в зависимости от состояния материала может привести к разрушению разного характера. Поскольку зона разрушения сконцентрирована в малом объеме, т. е. всегда более локальна, чем предшествующая разрушению пластическая деформация, 23

процесс разрушения особенно чувствителен к локальным свойствам и тонкой структуре материала (встречаются трудно объяснимые случаи несоответствия вида излома и характеристик разрушения). Наиболее общая черта изломов заключается в неоднородности их строения. Неоднородность поверхности излома обуславливается наличием в материале зон с различным составом, структурой и свойствами.

2. Классификация Приводимая классификация является в значительной степени условной, главным образом из-за неоднородности строения. Неоднородность изломов связана с особенностями процесса разрушения. Можно выделить макро и микроскопическую неоднородность. Макроскопическая неоднородность выражается в наличии на поверхности разрушения достаточно крупных зон, различающихся макроориентированностью, шероховатостью, характером разрушения. Неоднородные по макростроению зоны имеют различное микростроение. Вместе с тем в пределах макроскопически однородных зон, как правило, выявляется микронеоднородность. Следует считаться и с неоднородностью напряженного состояния: 1. Однократное приложение нагрузки (изломы кратковременного нагружения), к ним относятся статические и ударные изломы при растяжении, изгибе, кручении,… общим для их образования является постепенное, хотя и происходящее с разной скоростью, в течение всего периода нагружения возрастание внешней нагрузки до значения, соответствующего временному сопротивлению образца или детали в данных условиях нагружения. Изломы однократного нагружения принято подразделять на: - хрупкие; - вязкие (пластичные). Признаки, характерные для хрупких изломов: - типично хрупким является разрушение по механизму внутрикристаллического скола; - сотовый рельеф, представляющий собой равноосные, мелкие, почти плоские небольшие по протяженности ямки, следует считать также признаком практически хрупкого разрушения. Признаки, характерные для вязких изломов: - ямочный рельеф; - образование трещин из отдельных микропор, которые в процессе развития соединяются в единую трещину. 2. Длительное статическое приложение нагрузки, характерной особенностью которых является существенно более низкий уровень напряжения по сравнению с кратковременным нагружением, и поэтому для таких изломов характерно значительно более медленное развитие 24

разрушения в начальной стадии распространения трещин в материалах при уменьшении скорости деформирования наблюдается общая тенденция к межзеренному разрушению. Состав сплава, структура и чистота, а также размер зерен влияют на скорость перехода от внутризеренного к межзеренному разрушению при изменении скорости деформирования. В сложных сплавах переход происходит быстро и отчетливо, в чистых металлах и простых сплавах (где процессы разрушения осложняются более интенсивной миграцией границ зерен) значительно медленнее и сложнее. Переход, как правило, сопровождается падением пластичности, особенно макропластичности.

На таких изломах, как правило, с большим трудом выявляется локальный очаг разрушения, это является следствием того, что разрушение начинается почти одновременно из многих центров.

25

усталостное из-за локальности пластической деформации и разрушения усталость можно отнести к особому виду хрупких разрушений, характерными признаками являются усталостные микроплоскости (рис. 1). Помимо рассмотренных различают также водородное растрескивание (разрушение может происходить с формированием фасеток квазиотрыва, по типу хрупкого разрушения или по границам зерен) и коррозионное растрескивание под напряжением.

3. Рассмотрение изломов Общая схема фрактографического исследования при анализе разрушения сводится к следующему: 1. составление схемы разрушения, оценка месторасположения излома и его связь с зоной действия наибольших напряжений, оценка наличия конструктивных концентраторов напряжений, выявление в изломе металлургических дефектов; 2. определение вида и степени макропластической деформации и ее локализации в целом и вблизи излома; 3. определение на поверхности излома наличия разграниченных макроскопически различимых по строению и цвету участков (что будет свидетельствовать о протекании разрушения во времени); 4. выявление наличия на изломе продуктов коррозии, окислов и установление связи их с очагом; 5. выявление наличия трещин вблизи и вдали от излома, оценка их расположения, количества, направления; 6. выявление дефектов структуры; 7. составление заключения, включающего оценку качества материала, характера разрушения, факторов способствующих разрушению уровень напряжений, температур, концентраторы напряжений (риски, отсутствие радиусов перехода, перепад жесткости); 8. даются рекомендации по устранению преждевременного разрушения детали или доработки конструкции, замене материала или изменению его обработки. В конструкционных материалах даже при преимущественном наличии какого-либо из изломов, разрушение имеет смешанный характер. В сталях часто разрушение в микромасштабе начинается хрупко с образованием фасеток отрыва или квазиотрыва, а продолжается по механизму ямочного разрыва. В алюминиевых сплавах в состоянии фазового старения наблюдается первичное разрушение по границам зерен с формированием сотового рельефа, которое продолжается пластично в зерно. Возникающие в эксплуатации аварийные изломы, как правило, не относят к пластичным, т. к. возникновение пластичного излома означает, что материал 26

до разрушения выдержал нагрузку, соизмеримую с пределом прочности, т. е. соответствующую расчетной нагрузке, и поэтому преждевременного разрушения, столь опасного при хрупких разрушениях, не произошло. Отсюда следует, что причиной возникновения пластичного излома при эксплуатации являются значительные перегрузки, возникшие либо вследствие резкого нарушения нормальных условий работы, либо вследствие ошибки, допущенной при расчете на прочность, неполного учета реальных условий эксплуатации или резко пониженных свойств материала. Практически в любом материале, как бы ни был он пластичен, при статических испытаниях может произойти хрупкое разрушение. Разрушение в этих случаях состоит из многих, достаточно далеко расположенных одна от другой трещин, последовательно соединяющихся между собой. Ситуация усложняется при неблагоприятном структурном состоянии материала (крупный размер зерна, наличие наклепа, …), что на изломах проявляется в виде флокенов или участков камневидного или нафталинового излома, которые при визуальном рассмотрении или при небольшом увеличении выглядят как очень гладкие блестящие участки. При рассмотрении последних в оптический микроскоп, на этих участках обнаруживается определенный рисунок так называемый рельеф, это может быть рисунок в виде расходящихся лучей или ручьистого узора, образуется он от сливающихся отдельных микротрещин. Соединение происходит либо хрупко вдоль плоскости отрыва, либо с долей пластической деформации, в этом случае по средствам соединительных ступенек, имеющих вид сглаженных гребней. В общем виде следы слияния отдельных трещин в магистральную трещину проявляются на изломе в виде рубцов и ступенек и в образовании слоистых изломов. При высокой хрупкости разрушения макростроение излома представляется достаточно однородным. Степень хрупкости или пластичности можно выявить лишь электронно-фрактографическим анализом. Проводить эти исследования целесообразно сразу после разрушения, чтобы избежать загрязнения и порчи продуктами окисления и коррозии. Для проведения исследований изломов могут быть использованы методы: - реплик, проводимые в просвечивающем электронном микроскопе; - получения Реальной поверхности образцов, с помощью растрового электронного микроскопа. Реплики представляют собой тонкие «отпечатки» с поверхности материала, прозрачные для электронов и воспроизводящие исследуемую поверхность с максимально возможной точностью и чувствительностью. Реплики отчетливо выявляют топографию (рельеф) поверхности металла. Используются реплики простые (пластиковые или угольные) «пики» и «низменности» являются обратными по отношению к рельефу исследуемой поверхности, пластиковые реплики - легко изготавливаются, но сложно отделяются от поверхности: чем толще поверхность, тем снимается она легче, но разрешающая способность будет в этом случае меньше; угольные реплики получаются прямым напылением углерода на поверхность в вакууме, 27

отделение производится путем растворения находящегося под репликой металла. Преимущество реплик состоит в высоком разрешении, позволяющем увидеть тонкие детали (небольшие карбидные частицы, линии и полосы скольжения), но метод является не достаточно наглядным. Обычно поверхности разрушения исследуются без специальной подготовки на растровом электронном микроскопе. Только в таких микроскопах отображается топография поверхности образца. Особенностью этих приборов является построение изображения по точкам, изображение формируется с помощью сигнала электронов, эмитированных поверхностью непрозрачного образца с последующим сканированием. С помощью РЭМ можно изучать объекты без специальной длительной подготовки и при больших увеличениях. РЭМ позволяет изучать явления, происходящие на поверхностях (оценивать наличие продуктов окисления, наблюдать модификацию поверхности в результате обработки, а так же микровыкрашивания и сколы), в некоторых случаях микрофрактограмма может четко отображать микроструктуру излома. Многообразие задач, которые могут быть поставлены при изучении изломов, исключает возможность единого подхода и единой методики их исследования. Метод исследования выбирается с учетом поставленной задачи и изучаемого объекта. Цель работы: Исследовать изломы различных видов. Получение практических навыков определения причин разрушения. Средства технического оснащения: микроскоп металлографический бинокулярный МБС; РЭМ; разрывная машина; копер.

упрощенный

ММУ

или

Порядок выполнения работы: 1. Разбиться на группы. Каждая группа студентов получает по два образца из какого-либо материала. Рассмотрение изломов производится визуально, затем с использованием микроскопа и на РЭМ. 2. Произвести разрушение с постепенным приложением нагрузки с использованием разрывной машины. Зафиксировать усилие разрушения. Проанализировать вид и характер разрушения. Зарисовать и описать излом. Рассчитать прочность образца. 3. Подвергнуть второй вид образца ударным нагрузкам. Проанализировать вид и характер разрушения. Зарисовать и описать излом. 4. Сравнить полученные изломы, сделать вывод о влиянии предшествующего разрушению нагружения. 28

5. Сравнить полученные данные для различных материалов. 6. Рассмотреть предложенные преподавателем образцы эксплуатационных изломов. Зарисовать, проанализировать и сделать выводы о причинах разрушения. Контрольные вопросы 1. Для чего изучают изломы? 2. Характеристика излома и причины вязкого разрушения. 3. Характеристика излома и причины хрупкого разрушения. 4. Усталостный излом, характеристика и причины происхождения. 5. Схема фрактографического анализа. 6. Методы проведения фрактографического анализа.

Рекомендованная литература 1. Дефекты стали: справочное издание / под. ред. Новокщеновой С. М. – М.: Металлургия, 1984. – 199 с. 2. Гордеева, Т. А. Анализ изломов при оценке надежности материалов / Т. А. Гордеева, И. П. Жегина. – М.: Машиностроение, 1978. – 200 с. 3. Фридман, Я. Б. Строение и анализ изломов / Я. Б. Фридман, Т. А. Гордеева, А. М. Зайцев. – М.: МашГиз, 1960. – 128 с. 4. Бесман, А. Н. Исследование особенностей микростроения усталостных трещин и изломов / А. Н. Бесман. – М.: ЦНИИТМАШ, № 307, 1970. – 4с. 5. Гордеева, Т. А. Фрактография / Т. А. Гордеева // Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов. Т.1. – М.: Машиностроение, 1971. – С. 202-231.

29

ПРИЛОЖЕНИЕ

31

32

33

34

35

36

37

38

Часть III

Рассмотрение процессов износа (основы трибологии) ВВЕДЕНИЕ Износ является наиболее распространенным дефектом в современных машинах, явление это весьма опасно. В современной науке разрабатывается отдельное направление, в котором ученые занимаются исследованием вопросов износа - трибология. Последнее время вопросам трибологии уделяется все больше и больше внимания в силу того, что износ подвижных сопряжений и рабочих органов под влиянием сил трения является основной причиной выхода из строя механизмов и машин. Последние десятилетия характеризуются усилением внимания всех промышленно-развитых стран к проблемам трения и изнашивания, вредные последствия которых весьма убыточны. Эти проблемы связаны, прежде всего, с потерями материалов при изнашивании и выходом оборудования из строя, образованием экологически вредных продуктов износа, а также большими энергопотерями. Поэтому важнейшая проблема современной науки - изыскание эффективных методов повышения износостойкости и снижения энергоемкости подвижных сопряжений. Постоянное развитие трибологии обусловлено в первую очередь запросами практики, а также многосложностью процесса трения. Возрастающие требования к изделиям в первую очередь отражаются на ужесточении условий работы узлов трения. 1. Общие сведения Трение твердых тел - это сложный комплекс взаимодействий, проявляющийся в механических, физико-химических, электрических и других процессах. Соотношение видов взаимодействий может быть самым различным в зависимости от условий нагружения, свойств контактирующих материалов и среды. Трение имеет двойственную молекулярно-механическую природу, заключающуюся в преодолении адгезионной связи между контактирующими телами и объемном деформировании материала. Адгезия обусловлена силами сцепления, действующими между молекулами и атомами. Если тела достаточно упруги, то образовавшаяся под нагрузкой площадь касания разрушается при снятии нагрузки за счет энергии упругой деформации, и адгезию обнаружить не удается. Поверхностный слой материала под совместным действием нормальной и тангенциальной сил значительно деформируется. В начальный момент касания поверхность твердых тел волнистая и шероховатая. Поэтому трение развивается в микрообъемах, которые возникают в зонах касания тел пары трения. Под влиянием нагрузки и температуры параметры волнистости и шероховатости изменяются. 40

Под влиянием сжимающей нагрузки две поверхности по мере сближения соприкасаются во все большем количестве точек. В начале взаимодействующие элементы деформируются упруго, а затем, по мере возрастания нагрузки, упругая деформация сменяется пластической. Так протекает процесс приработки, на рис. 1, отражающем изменение массы образца во времени при испытании трибосопряжения на износ, он соответствует первому участку. Потеря массы 3

2 1

Время Рис. 1. Схема зависимости износа образца от длительности трибонагружения [1]

fтрения a

fстационарный

d

b

c

Ркрит Удельное давление Рис. 2. Зависимость коэффициента трения от величины удельной нагрузки на узел трения [2]

41

Важным направлением современной трибологии является исследование структуры и строения поверхностных слоев металла при трении. Это обусловлено тем, что такие слои ответственны за износостойкость. Износостойкость - свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях. Износостойкость может служить одним из основных критериев выбора материалов для изготовления узлов трения. Проявляется изнашивание в постепенном изменении размеров и (или) формы. Величина изнашивания определяется экспериментально. Многолетние исследования позволили разработать методики и создать лабораторное оборудование для измерения изнашивания в различных условиях контактного взаимодействия. Одной из характеристик процесса трения и износа является коэффициент трения. Изменение величины коэффициента трения от величины удельной нагрузки на узел трения можно представить в виде графика (рис. 2), имеющего три характерных участка: ав - переходный, отражающий процесс приспособления поверхностей; вс - стационарный, соответствующий нормальному режиму трения и характеризующийся устойчивым коэффициентом трения; сd - участок, характеризующий повреждаемость. Задачей при разработке трибосопряжений является увеличение отрезка вс. Многочисленные экспериментальные и производственные данные показывают, что при одной и той же нормальной нагрузке сила трения может изменяться в широких пределах в зависимости от скорости, температуры и среды. Таким образом, необходимым условием решения задач, связанных с трением, является установление комплекса условий, при котором в зоне трения протекают вполне определенные процессы, обусловливающие те или иные виды взаимодействия контактирующих материалов и среды. Определение диапазона нормального износа имеет практическое значение для предотвращения катастрофического изнашивания материала. Нормальный износ характеризуется строго определенным состоянием поверхности трения, когда структурные изменения, локализованные в поверхностных слоях, находятся в динамическом равновесии. При нарушении динамического равновесия между разрушением и восстановлением пленок вторичных структур в контакте происходит существенное изменение характеристик более глубоких слоев, и равновесие более не восстанавливается, визуально наблюдается в виде борозд и рытвин рис. 3. При этом наблюдаются характерные изменения силы трения и процесса изнашивания. Графически процесс повреждаемости изображен на рис. 1. третий участок и на рис. 2. - участок cd. Эти участки отражают конечный этап трения, предшествующий разрушению материала. Задачей исследователей является увеличение времени работы материала в стационарном режиме и установление момента перехода к последнему участку для своевременной замены детали и предотвращения повреждения смежных механизмов. 42

Таким образом, необходимым условием решения задач, связанных с трением, является установление комплекса условий, при котором в зоне трения протекают вполне определенные процессы, обусловливающие те или иные виды взаимодействия контактирующих материалов и среды. Определение диапазона нормального износа имеет практическое значение для предотвращения катастрофического изнашивания материала. Критериями, определяющими надежность работы узлов трения, является минимальная вероятность задира или минимальная интенсивность изнашивания, а также максимальная усталостная прочность. Общая картина усложняется тем, что при трении и изнашивании усталостные процессы носят более сложный характер, чем при обычных циклических нагрузках.

Рис. 3. Участки поверхности колодок из сплава Д16 после 4-х часов испытаний в условиях сухого трения при удельной нагрузке 1,6 МПа, х 50.

Данные о допустимых изменениях нагрузок, скоростей, условий среды, при которых имеет место нормальный износ деталей, являются основой для проектирования и оценки надежности узлов трения. 2. Проведение испытаний на трение и износ Машины для испытания на трение и износ довольно разнообразны. Обычно они обеспечивают широкий диапазон варьирования рабочих режимов, так как испытания требуют учета большого количества факторов, влияющих на результаты. Для проведения испытаний подходят серийные износные машины МИ-1М типа «АМСЛЕР» и СМТ – 1. Испытание состо-ит в следующем. Образец трется по выбранной схеме трения о ролик вращающийся с постоянным числом оборотов, равным 500 оборотов в минуту (окружная скорость в зоне трения 1,31м/с) при различных режимах нагружения с постоянной или увеличивающейся нагрузкой. Испытания проводили в условиях сухого трения и с ограниченной или нормальной смазкой. 43

Показателями, по которым анализируют поведение материала, являются коэффициент трения и температура при данном сочетании скорости и нагрузки. Температуру поверхности трения измеряют с помощью термопары, горячий спай которой помещают на расстоянии 2 мм от поверхности трения в образце. Температуру регистрируют с помощью потенциометра постоянного тока. Физический износ рассматривается как один из факторов, который существенно влияет на сопротивление усталости образца. Измерение износа может производиться по изменению массы и размеров образцов. Величину весового износа материала оценивают взвешиванием образцов до и после испытаний на аналитических весах. Линейный износ определяется по изменению размера. Интенсивность износа I определяется, как отношение величины износа ∆G к пути трения ∆S. Момент трения фиксировали по сигналу с датчика, поступающего на прибор пульта управления. Датчиком момента служит бесконтактный индуктивный датчик, состоящий из вращающегося ротора и неподвижного статора. Основной частью ротора является торсион, который через муфты включается в силовую цепь, где измеряется момент, возникающий при истирании образцов. Коэффициент трения рассчитывают по формуле: fтр = Мтр / (r × N), где Мтр- момент трения, кгссм; r – радиус образца, см; N - действующая нагрузка, кгс. При трении под влиянием нагрузки и температуры значительно изменяются свойства материала. Проконтролировать изменение свойств на таком уровне можно при помощи замеров микротвердости. Наиболее широкое распространение получил метод, по которому за меру твердости принимается отношение действующей нагрузки (при выдержке 10 с) к площади поверхности отпечатка от алмазной пирамиды с квадратным основанием и углом между противоположными гранями 136°. Величина нагрузки выбирается в зависимости от вида испытуемого материала в пределах от 0,005 до 0,5 кгс. Приборы для испытания микротвердости вдавливанием либо выполняют в виде отдельных установок, в которых используют вертикальный микроскоп (например, прибор ПМТ-3 конструкции М. М. Хрущева и Е. С. Берковича [11]), либо в виде приспособления к металлографическим микроскопам. Бесспорно следует отдать предпочтение приборам первой группы. Схема прибора ПМТ-3 показана на рис. 3. Тубус 6 с помощью макро- и микровинта 4 и 3 перемещается в направляющей станины 2. Рядом с объективом 7 на тубусе укреплено приспособление, несущее алмазную пирамиду 8. На верхней части тубуса помещен винтовой окуляр-микрометр 5. Испытуемый образец помещают на координатном столике 9, который может перемещаться в двух взаимно перпендикулярных направлениях и поворачиваться вокруг 44

вертикальной оси. Вначале на полированной поверхности образца выбирается место испытания, затем поворотом столика выбранное место образца устанавливают точно под индентором. Алмазная пирамида приводится в соприкосновение с образцом поворотом рычага и нагружается заданной силой в течение 10 с. Затем нагрузка снимается поворотом рычага в обратном направлении, образец вновь устанавливают под объектив. С помощью окуляр-микрометра измеряют величину диагонали полученного микроотпечатка. Степенной закон (зависимость между силой и размером отпечатка) соблюдается и при испытаниях на микротвердость, но только при условии применения электролитического полирования или травления. Вообще при измерении микротвердости желательно производить электролитическое полирование (или травление). Рассеяние результатов при измерении микротвердости вообще выше, чем при измерении макротвердости, так как роль случайных погрешностей при первом измерении относительно увеличивается.

Цель работы: Получение практических навыков определения износа материала. Получение представления о механизмах трения и износа. Средства технического оснащения: машина трения МИ-1; комплект образцов; весы аналитические ВЛА-200г; потенциометр постоянного тока ПП-63 ГОСТ 9245-79; хромель-алюмелевая термопара; прибор ПМТ – 3. Порядок выполнения работы: 1. Взвесить представленные образцы, зафиксировав начальную массу. 2. При помощи учебного мастера установить образцы на машину трения, закрепить термопару в образце и подсоединить к потенциометру. 3. Провести испытание на трение по следующим схемам: 3.1. В условиях сухого трения с возрастающей нагрузкой. Нагрузку увеличивать до значений, соответствующих началу нарушения динамического равновесия, когда начинается интенсивное разрушение поверхностных пленок. Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к заеданию и характерным изменениям структуры нижележащих слоев.

3.2. 3.3. 3.4. 3.5.

В условиях сухого трения с постоянной нагрузкой. В условиях трения со смазкой капельным методом: 5 капель через 3 минуты с возрастающей нагрузкой. В условиях трения со смазкой капельным методом 5 капель через 3 минуты с постоянной нагрузкой. В условиях трения со смазкой в ванне с возрастающей нагрузкой

45

4. 5. 6. 7. 8. 9.

3.6. В условиях трения со смазкой в ванне с постоянной нагрузкой При испытаниях фиксировать температуру в зоне трения и момент трения с интервалом в 1 минуту. По замерам температур построить графики зависимости температуры во времени. По замерам момента трения оценить коэффициент трения. После испытания взвесить образцы, предварительно промыв их, и оценить весовой износ. Замерить микротвердость непосредственно вблизи зоны трения образцов и в отдаленном месте. Сделать выводы: 9.1. По прохождению и времени приработки. 9.2. Определению границ нормального трения. 9.3. О влиянии смазки на характер трения. 9.4. О интенсивности изнашивания для всех вариантов трения. 9.5. Оценить изменение свойств, по замерам микротвердости.

46

Рис. 3. Схема прибора ПМТ-3 для измерения микротвердости (М. М. Хрущов, Е. С. Беркович)

47

Учебное издание КУРГАНОВА ЮЛИЯ АНАТОЛЬЕВНА ОСНОВЫ ФИЗИЧЕСКОГО МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ Лабораторный практикум

Редактор О. А. Фирсова Подписано в печать . Формат 60 х 84 / 16 Бумага писчая. Печать трафаретная. Услю - печ. л. Усл. – изд. л. Тираж 100 экз. Заказ

Ульяновский государственный технический университет 432027, Ульяновск, Сев.Венец, 32.

Типография УлГТУ, 432027, Ульяновск, Сев.Венец, 32.