Измерение горячей твердости при 500-950° С

Измерение горячей твердости при 500-950° СКобальт сохраняет гексагональную плотноупакованную структуру до 400° и переходит в ГЦК модификацию выше 400°. Взаимодействуя с железом, этот плотноупакованный металл, не имеющий ОЦК модификации, ниже 985° сильнейшим образом стабилизирует ОЦК а-растворы, повышая температуру а -.-у превращения до 985° при 45% Со и расширяя область ОЦК ос-растворов до 75-90% Со, т. е. чуть ли не до чистого кобальта.
Кроме того, в области а-растворов ниже 730° возникает сверхструктура FeCo с ОЦК решеткой типа CsCl. Тот факт, что плотно упакованный кобальт стабилизирует ОЦК решетку а-железа сильнее большинства ОЦК металлов, может быть объяснен только тем, что при растворении в железе кобальт переходит в трехвалентное состояние Со3+ с внешней оболочкой. Спиновое расщепление этой оболочки, отвечающее ферромагнитному состоянию, ведет, как и в случае a-Fe, к стабилизации ОЦК структуры. Твердость сплавов системы Fe — Со при 20° в закаленном и отожженном состояниях в области ОЦК a-растворов, образующихся из у-фазы, имеет максимальное значение при 60 ат. % Со и минимальное — в области у-растворов, не испытывающих превращений, при 90 ат. % Со. Кобальт с гексагональной структурой имеет более высокую твердость. При повышении температуры до 600° твердость всех сплавов понижается без изменения общего характера кривых. При 700-900° максимум смещается к сплаву с 50% Со, отвечающему сверхструктуре FeCo и максимуму на кривой a -vy превращения, а при 1000-1100° в области у-растворов этот максимум исчезает и наиболее прочным оказывается сплав с80ат.% Со.
Сплавы системы никель-хром (нихромы и жаропрочные Ni-Сг сплавы типа нимоников) представляют важнейший класс высокожаропрочных и жаростойких промышленных материалов. Поэтому исследование горячей твердости сплавов системы Ni — Сг в широком диапазоне составов и температур имеет значение для разработки материалов на этой основе.
Никель, имеющий плотную кубическую структуру, образует с хромом,- сохраняющим вследствие коллективизации валентных электронов и перекрывания р6-орбиталей ОЦК структуру до температуры плавления,- простую эвтектическую систему с широкими областями первичных растворов на основе никеля и хрома.

Измерение диагоналей отпечатков

Измерение диагоналей отпечатковВ этом положении выбирается объект и путем перемещения шлифа в горизонтальной плоскости перекрестие окуляр-микрометра нацеливается на выбранную точку. Затем производится дальнейшее опускание столика со шлифом до соприкосновения алмаза с поверхностью объекта. При этом изображение структуры пропадает, и в окуляр видна шкала нагрузок, которая с момента соприкосновения начинает перемещаться вправо. Это перемещение свидетельствует о вдавливании алмаза. Оно осуществляется плавно с помощью микровинта вплоть до совпадения перекрестия окуляр-микрометра с нужной нагрузкой. После этого дается выдержка, обычно около 10 сек, и производится снятие нагрузки путем вращения микровинта в обратном направлении. Дальнейшее поднятие шлифа производится посредством макровинта до положения, когда появится отчетливое изображение структуры с отпечатком. Отклонение центра отпечатка от намеченной цели бывает обычно порядка всего лишь одного микрона.
Теоретически нагрузки могут быть выбраны как угодно малыми; практически предел уменьшению нагрузок определяется разрешающей способностью микроскопической оптики, точностью измерения нагрузок и совершенством изготовления алмазной пирамиды. Использование нагрузок менее 10 гс нецелесообразно, так как не обеспечивает получения достоверных результатов для таких объектов, как мартенсит и карбиды, вследствие погрешностей в измерении нагрузок и диагоналей отпечатков даже в случае употребления иммерсионных объективов с увеличением X 90. Для таких мягких тел, как железо, медь, олово или свинец, можно применять и меньшие нагрузки. Для особотвердых тел (карбидов, нитридов, боридов), наоборот, имеет смысл пользоваться максимальными нагрузками.
Дальнейшим развитием метода испытания на микротвердость, давшим новую информацию о свойствах материалов в микрообъектах, явилась разработка приборов, в которых измеряется глубина отпечатка
Интерференционный глубиномер. Разработанный Е. С. Берковичем С сотрудниками в ИМАШ прибор основан на точном измерении глубины отпечатка (под нагрузкой и после ее снятия) с помощью интерферометра Уверского. Прибор работает с предварительной нагрузкой 2 гс и максимальной нагрузкой 200 гс. Он дает возможность определять упругие и пластические свойства материала, ползучесть под нагрузкой и твердость по невосстановленной глубине отпечатка. Прибор оказался весьма полезным для изучения механических свойств пластмасс, он может быть использован также для исследования упругих и пластических свойств металлов, сплавов, минералов, стекол и других материалов.

Изменение числа микротвердости при уменьшении нагрузки и величины отпечатка

Изменение числа микротвердости при уменьшении нагрузки и величины отпечаткаДля нагрузки 50-100 гс зависимость между твердостью HV и микротвердостью Н отвечает выражению НУ = (0,7 -г- 0,8) Н.
Когда приборы ПМТ-3 применяются для производственного контроля твердости миниатюрных деталей часов и приборов, тонких поверхностных слоев покрытий и т. п., можно опытным путем установить соответствие допустимых значений микротвердости с требованиями к твердости тех же изделий по чертежам и техническим условиям.
Известно, что ряд причин, таких, как наличие поверхностного наклепанного слоя, поверхностная энергия, внешнее трение и других, может вызывать повышение твердости с уменьшением нагрузки, в то время как вибрация наконечника, наличие гребня и другие факторы, напротив, обусловливают понижение микротвердости при переходе к малым нагрузкам. Однако после полного устранения субъективных и инструментальных погрешностей микротвердость все же не становится полностью независимой от величины нагрузки.
Иногда для анализа имеющихся в этом случае отклонений микротвердости используют уравнение Мейера, предложенное для описания возрастания твердости при вдавливании шарового наконечника увеличивающейся нагрузкой: Р — adn, где и 2и меняется от 2 (для наклепанных металлов) до 3,5 (для отожженных и литых). Это возрастание обусловлено систематическим отклонением от закона механического подобия при испытании твердости шаровым наконечником вследствие углубления шара и изменения геометрии отпечатков от весьма плоских до полусферических, что приводит к постепенному повышению сопротивления деформации вследствие изменения пластично деформированного объема. Таким образом, значение твердости оказывается функцией угла вдавливания шара или угла заострения конуса. В первом приближении можно считать, что при возрастании угла вдавливания шара или угла заострения конуса увеличивается удельная работа смещения материала под наконечником, т. е. предполагать, что материал под наконечником в условиях, близких к всестороннему сжатию, испытывает вязкое течение.

Исследователи и производственники

Исследователи и производственникиОн указывает далее, что «словом твердость мы обозначаем разные физические свойства» и что «твердость, определенная различными методами, имеет различную размерность». В. Д. Кузнецов предлагает при методах определения твердости, основанных на вдавливании наконечников, под твердостью понимать работу на единицу вытесненного объема при бесконечно малой глубине вдавливания (по Кунину), а при методах, базирующихся на диспергировании (царапание, шлифование, сверление) хрупких тел, под твердостью разуметь поверхностную энергию.
Д. Б. Гогоберидзе высказывает мнение, что «термин «твердость» без указания метода и условий измерения почти не имеет смысла». Подобную же оценку вопроса дает в своей монографии о твердости и ее измерении Вильяме; он утверждает, что понятие «твердость» базируется на различных физических свойствах и, сопоставляя различные концепции твердости и теоретические обоснования методов ее измерения, выражает сомнение, что такое свойство вообще существует.
Таким образом, необходимо выяснить физическое содержание понятия «твердость», дать возможно точное определение этой механической характеристике и устранить неопределенность и многозначность ее трактовки, обусловленную многообразием методов измерения твердости.
Твердость можно определять по методам Бринеля, Роквелла, Виккер-са, Шора, Герберта и других авторов, причем соотношения между значениями твердости, полученными на разных приборах и различными методами, по существу носят эмпирический характер, представляя результат различных операций с материалом, произведенных с определенными при-, борами. Такими операциями могут быть статическое или динамическое вдавливание жестких наконечников самых разнообразных форм в испытуемое тело, царапание эталонами и наконечниками, измерение упругого отскока, истирание, шлифование, сверление испытуемого тела и т. п. Разработаны сотни приборов и предложены многочисленные методы определения твердости. Десятки методов применяются в настоящее время. Само многообразие методов свидетельствует об отсутствии единого взгляда на твердость и лишь затрудняет работу исследователя и производственника. Назрела необходимость разобраться в огромном накопленном материале по проблеме твердости, приведенном в многочисленных работах, и унифицировать способ измерения и расчета этого свойства.

Исследования коллективных колебаний электронов

Исследования коллективных колебаний электроновСистема реальных валентных состояний указана. Ей отвечают периодические кривые свойств, в том числе и твердости, элементов, с максимумами и минимумами, сильно сдвинутыми по сравнению с периодической кривой потенциально валентных электронов.
Исследования коллективных колебаний электронов, проходящих сквозь тонкие пленки, выполненные в последние годы, позволили определить для большинства элементов, включая многовалентные металлы, число коллективизированных электронов. Экспериментально измеряемая энергия плазмона 7ш, отвечающая резонансному поглощению энергии коллективизированными электронами, выражается как
Она имеет столь же отчетливый периодический характер, как и периодические зависимости валентных состояний, и температур плавления, твердости и т. д. Число коллективизированных электронов, определенное по энергии плазмона, указано в показателе у символа элемента. По этим данным коллективизированы все валентные электроны у элементов I-VI групп от щелочных металлов до хрома, молибдена, вольфрама. В технеции, рении коллективизированы 7 электронов, в рутении и осмии — 8, тогда как в марганце, железе, кобальте, никеле, родии, палладии, иридии и платине вследствие высокой энергии связи часть электронов локализована на остове и число коллективизированных электронов снижается. От меди к цинку, бору, углероду, сурьме, селену и их более тяжелым аналогам число коллективизированных электронов растет от 1 до 6 эл/ат. Коллективизация валентных электронов у этих элементов отвечает разрушению валентных связей и переходу их в металлическое состояние под действием электронного пучка. Это соответствует данным по коэффициенту Холла для жидких элементов, также указывающему на коллективизацию всех валентных электронов у большинства полуметаллических и неметаллических элементов при плавлении. У лантаноидов коллективизировано три электрона, однако европий и иттербий в металлическом состоянии двухвалентны, а церий, кроме валентности 3, может находиться и в четырехвалентном состоянии (а-Се4+). Экспериментально найденные числа коллективизированных электронов в различных металлах точно с их свойствами, отражающими энергию металлической связи, а следовательно, с их твердостью.

Исследование анизотропии пластической деформации

Исследование анизотропии пластической деформацииАнизотропия микротвердости ОЦК металлов, выраженная в виде отношения максимальной величины стороны выпуклого отпечатка к минимальной величине стороны вогнутого отпечатка, проявляется вполне отчетливо. Наибольшая анизотропия пластической деформации наблюдалась у электролитного хрома, имеющего высокую твердость вследствие загрязнения примесями внедрения, усиливающими ковалентные связи вдоль направлений. Чистый иодидный хром обнаружил значительно меньшую анизотропию микротвердости. Большую анизотропию показали ванадий, железо и ферритные сплавы железа с2,5%А1 и 4,5% Si. Полученные результаты подтвердили возможность оценки анизотропии кристаллов обоими способами — по отношениям.
Для показателя хрупкости материалов по трещинам, появляющимся вокруг отпечатков, было предложено много методов оценки балла хрупкости по числу трещин. Физически обоснованным критерием хрупкого разрушения представляется величина нагрузки или диагонали, при которой начинается разрушение и появляется первая трещина.
Для кристаллов сурьмы и теллура с резко выраженной анизотропией пластической деформации имеет место и сильная анизотропия хрупкого разрушения. Трещины распространяются вдоль оси с, а в теллуре и вдоль плоскостей базиса под углом около 45° к линиям сдвигов. Трещины вдоль направлений касательных напряжений реализуются в виде ступенек, направленных под углом 45° к ним. Анизотропия хрупкого разрушения в теллуре и сурьме выявляется крайне резко и выражается в образовании трещин вдоль плоскостей спайности. Число трещин здесь также растет с увеличением нагрузки или размеров отпечатка.
Первая трещина чаще всего появляется на середине стороны или угла отпечатка и имеет, как правило, радиальное направление, что указывает на хрупкое разрушение от нормальных растягивающих напряжений, развивающихся по краю отпечатка по мере углубления индентора с ростом нагрузок, диаметра и сторон отпечатка. Напряжения растут и достигают критического значения, соответствующего сопротивлению отрыву испытуемого материала.

Испытания шариков

Испытания шариковИспытания шариков диаметром 13/32 дюйма (10,319 мм) производились на сортировочной машине с бункером и четырьмя стальными матрицами. Высота падения Нг = 40 см, отскок от четырех стальных закаленных матриц диаметром 100 и высотой 92 мм.
Испытания показали, что установка уже после первой проверки позволяет отобрать основную массу шариков с трещинами и обеспечивает полный отбор шариков с трещинами при двукратной проверке. На второй матрице отсеивается 94% таких шариков, на третьей 5% и на четвертой 1%.
Установка достаточно надежно отбирает и шарики с твердостью ниже 58 HRC. Контроль является автоматическим и отличается высокой производительностью (60-120 шт. в минуту).
Интересные результаты дал контроль шариков подшипника типа 1211, в котором после сборки был обнаружен один шарик с трещиной. Контроль шариков производился на описанной установке. Годные шарики (33 шт.) и 1 шарик с трещиной проверялись 10 раз. Все годные шарики 10 раз прошли в ящик годных, шарик с трещиной все 10 раз был забракован.
Исследованием отскока шариков от твердой стальной закаленной плиты установлено, что чем ниже твердость шариков, тем хуже они отскакивают от плиты. Шарики с твердостью ниже 56 HRC отсеиваются вполне надежно, а с твердостью 58 HRC частично (15%) проходят в ящик с годными (62-65 HRC). Шарики с трещинами отскакивают на меньшую высоту, чем шарики без трещин, и испытывают сильное рассеяние.
Автоматическая установка для контроля шариков на отсутствие трещин и на твердость методом многократного отскока от стальных закаленных плит вполне надежно отсеивает шарики с закалочными трещинами и с твердостью ниже 58 HRC.
Отметим, что на шариках после удара о стальную плиту не было обнаружено вмятин; однако не исключено, что субмикроскопические вмятины остаются, так как отбор шариков с пониженной твердостью возможен только за счет более интенсивной пластической деформации в зоне контакта. На шариках с твердостью 62-66 HRC вмятины практически отсутствуют.

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ НА ПРИБОРЕ РОКВЕЛЛА ПИРАМИДАЛЬНЫМ НАКОНЕЧНИКОМ

Испытание закаленных стальных шариков на твердость и отсутствие трещин (метод отскока)

Испытание закаленных стальных шариков на твердость и отсутствие трещин (метод отскока)Энергия упругой деформации отбрасывает шарик на определенную высоту Н2, несколько меньшую высоты падения вследствие неупругих потерь энергии.
По высоте отскока от твердой плиты можно отобрать шарики с пониженной твердостью и с мягкими пятнами, когда эти пятна попадут в зону контакта. Можно также ожидать, что шарики с трещинами будут отскакивать на меньшую высоту вследствие рассеивания энергии в результате вибрации.
Отскок шариков разного диаметра. Исследовались закаленные и полированные шарики из стали марок, имевшие твердость 62-66 HRC. Была установлена зависимость коэффициента восстановления от диаметра шариков.
Для этого шарики диаметром 1/8-1 дюйм (3,176-25,4 мм) сбрасывались с высоты 1 м на торец стальной закаленной матрицы (диаметр матрицы 100 мм; высота 85 мм и вес 5,35 кг), зажатой в специальных тисках весом 12,55 кг. Плоский торец матрицы устанавливался строго горизонтально по уровню. Высота отскока отсчитывалась визуально.
Для крупных шариков плиту следует делать более массивной, чтобы исключить возможность потери энергии на отдачу плиты. Полученные результаты свидетельствуют о том, что высота отскока мало зависит от диаметра шарика, что благоприятно для создания универсальной установки для испытания шариков разных диаметров.
Отскок шариков, имеющих различную твердость. Чтобы иметь возможность отобрать шарики с пониженной твердостью от общей массы шариков с нормальной твердостью 62-65 HRC, был исследован отскок шариков среднего размера — диаметром 13/32 дюйма (10,319 мм), предварительно отпущенных при различных температурах. Одновременно испытывались шлифованные шарики, штампованные в холодном состоянии, но не подвергавшиеся закалке и отпуску. Шарики сбрасывались с высоты 1 и 2 м на массивную закаленную и тонкошлифованную стальную плиту, твердость которой была равна 63 HRC.

Отскок шариков разного диаметра

Высота отскока сильно снижается, причем значительное снижение наблюдается, начиная с твердости 58 HRC (отпуск на 200°). Кроме того, коэффициент восстановления для высоты падения, равной 2 м, имеет меньшую величину, чем для высоты 1 м. Эти явления связаны с тем, что понижение твердости шарика, как и увеличение энергии его удара, приводит к увеличению потерь энергии на пластическую деформацию. На шариках с твердостью ниже 48 HRC после удара о стальную плиту заметны небольшие уплощения круглой формы.
Полученные данные свидетельствуют о принципиальной возможности отсеивать шарики с пониженной твердостью методом упругого отскока.
Отскок шариков с трещинами. Для установления влияния трещин на высоту отскока шариков при окончательном визуальном контроле были отобраны от одной партии шарики диаметром 13/32 дюйма с закалочными трещинами и годные шарики без трещин. Результаты испытания этих шариков.
Как правило, высота отскока шариков с трещинами несколько меньше высоты отскока годных шариков. При падении с высоты 1 м отношение Н2/Н1 для шариков без трещин равно 0,91, а для шариков с трещинами -0,82-0,86. При падении с высоты 2 м отношение Н2/Н1 равно соответственно 0,865 и 0,765-0,815. Меньшая высота отскока шариков с трещинами несомненно связана с дополнительным рассеиванием энергии удара на трение по поверхности трещины и на вибрацию шариков. Однако наблюдаются случаи, когда шарики с трещинами отскакивают на ту же высоту, что и годные. Даже для одного и того же шарика может быть разная высота отскока. Было отмечено отклонение траектории полета шариков после удара от вертикальной прямой. Это связано с тем, что трещина превращает шарик в своеобразную пружину. Направление и величина отклонения при отскоке будут определяться формой, глубиной трещины и ее ориентацией по отношению к точке удара. Таким образом, метод отскока шариков в принципе можно использовать для отбора шариков с трещинами .
Схема прибора для испытания шариков на отскок с однократным ударом. Высота падения равна 0,5 м, а угол наклона плиты выбран таким, чтобы длина полета годного шарика была равна также 0,5 м.

Испытание твердости шариком

Испытание твердости шарикомСледует отметить, что теоретически правильным является расчет твердости в виде отношения силы к площади проекции отпечатка, так как в этом случае твердость представляет среднее удельное давление. Восстановление отпечатка после снятия нагрузки приводит к небольшому уменьшению площади его проекции.
Это и будет наиболее общим выражением твердости как удельной работы деформирования для наконечников, дающих подобные отпечатки в любой момент вдавливания. Оно показывает, что для конуса и пирамиды твердость, вычисленная как удельная работа деформации из отношения полной работы деформирования к объему материала, вытесненного из отпечатка, совпадает с твердостью, найденной как среднее контактное давление на поверхности отпечатка из отношения вертикальной нагрузки к площади проекции отпечатка. Иначе говоря, твердость представляет среднее контактное давление на поверхности отпечатка или среднюю работу вытеснения объема материала наконечником. Первый способ удобен при вычислении статической твердости, когда измеряемым параметром является нагрузка Р, а второй — при расчете динамической твердости, когда непосредственно определяется полная энергия удара. Такое определение твердости позволяет в случае необходимости произвести энергетический анализ статического испытания и приводит к оценке динамической и статической твердости с единой точки зрения.
Для испытания твердости шариком, при котором процесс вдавливания протекает в условиях непрерывного изменения формы отпечатка и нарушения геометрического подобия, равенства Н0й и Hnv не существует даже при получении геометрически подобных отпечатков с постоянным углом вдавливания.

Пластичные отпечатки шарика

По Бринелю пластичным отпечаткам шарика, характеризующимся высокими степенями деформации, близкими к предельным. В отличие от этого для пирамиды и конуса при любых нагрузках и любых размерах отпечатков обе концентрации твердости дают численно совпадающие результаты, и для доказательства этого не требуется экстраполяции к бесконечно малым нагрузкам и никаких иных предпосылок, кроме соблюдения подобия отпечатков.
Может показаться, что отнесение работы деформации к вытесненному объему носит формальный характер и что нужно относить ее ко всему деформированному объему. На это можно возразить, что напряжения, создаваемые вдавливанием наконечника, непрерывно уменьшаются по мере удаления от поверхности отпечатка и не существует отчетливой границы между упруго и пластически деформированными объемами. Поэтому разумно брать легко вычисляемый по диаметру или диагонали отпечатка вытесненный объем, который при соблюдении закона подобия пропорционален пластически деформированному объему. При испытании разных материалов пропорциональность между деформированными и вытесненными объемами может нарушаться, однако точно так же нарушается и подобие формы отпечатков.
Пусть в испытуемый материал силой Р вдавливается наконечник в виде правильной остроконечной пирамиды с п гранями, наклоненными к оси под углом ф/2. Очевидно, что эта сила разложится на п нормальных к граням пирамиды сил N, каждую из которых в свою очередь можно разложить на вертикальную и горизонтальную составляющие. Так как вертикальная составляющая равна Pin, то нормальная сила N = Pin sin ср/2. Алгебраическая сумма всех нормальных сил
Таким образом, для наконечника в виде любой правильной пирамиды среднее давление на боковую поверхность выдавливаемого им отпечатка равно твердости, рассчитываемой в виде отношения вертикальной силы к площади проекции отпечатка. Это справедливо и для правильной пирамиды с бесконечно большим числом граней, т. е. для правильного конуса с любым углом заострения ф.

Испытание твердости по Виккерсу

Испытание твердости по ВиккерсуПри переходе к испытанию с микроиагрузками обычно наблюдается повышение твердости, однако это связано не с принципиальными недостатками самого метода, а с отклонениями от закона подобия при исследовании поверхностных слоев материала в силу особого состояния этих слоев, влияния трения и некоторых других причин. Определение твердости по Виккерсу является несложной и достаточно быстрой операцией. Углы квадратного отпечатка видны отчетливее, чем края круглого, поэтому измерение диагоналей квадратного отпечатка можно выполнить точнее, чем измерение диаметра. В результате точность определения твердости по Виккерсу выше, чем при испытании по Бринелю. Однако сам способ вычисления твердости по Виккерсу не выдерживает критики ни с теоретической, ни с практической точек зрения.
В самом деле, Смит и Сендленд, предложившие этот способ испытания, стремились сделать его близким к испытанию твердости по Бринелю. С этой целью был выбран угол между противолежащими гранями при вершине пирамиды таким, чтобы он соответствовал среднему стандартному углу вдавливания шарика. Последний же определяется из следующих соображений. При испытании твердости по Бринелю рекомендуется, чтобы отношение диаметра отпечатка d к диаметру шарика D лежало, в пределах 0,25-0,5 или в среднем равнялось 0,375.
Как известно, твердость любого материала, определенная путем вдавливания шарика, возрастает по мере увеличения нагрузки, причем это возрастание больше в том случае, когда твердость вычисляется в виде отношения нагрузки к площади проекции отпечатка. Бринель, предложив рассчитывать твердость в виде отношения нагрузки к площади поверхности сферического отпечатка, ценой отказа от концепции твердости как удельного давления, достиг уменьшения зависимости числа твердости от величины нагрузки и придал ей до некоторой степени черты материальной константы.
При измерении твердости пирамидальным наконечником число твердости, согласно закону подобия, не должно зависеть от нагрузки, безотносительно от того, делится ли нагрузка на площадь поверхности или на площадь проекции отпечатка, так как при всех глубинах вдавливания пирамидального наконечника отношение является постоянным.