Определение ударной вязкости

 

Определение ударной вязкости производят на специальном маятниковом копре (рисунок 2.3). Для испытаний применяется стандартный надрезанный образец, который устанавливается на опорах копра. Маятник определенной массой поднимают на установленную высоту Н и закрепляют, а затем освобожденный от защелки маятник падает, разрушает образец и снова поднимается на некоторую высоту h. Удар наносится по стороне образца, противоположной надрезу. Для испытаний используют призматические образцы с надрезами различных видов: U-образный, V-образный, T-образный (надрез с усталостной трещиной).

Ударная вязкость КС (Дж/см2) оценивается работой, затраченной маятником на разрушение стандартного надрезанного образца, отнесенной к сечению образца в месте надреза.

По виду сплава различают черные металлы и сплавы цветных металлов. Черные металлы - стали и чугуны. Сталь представляет собой многокомпонентный железоуглеродистый сплав с содержанием углерода до 2,14 %. Стали делят на углеродистые и легированные. Углеродистые стали: низкоуглеродистые с содержанием углерода до 0,3 %, среднеуглеродистые - от 0,3 до 0,6 % углерода, высокоуглеродистые - более 0,6 % углерода. Легированные стали: низколегированные с общим количеством легирующих элементов до 2,5 %, среднелегированные - от 2,5 до 10,0 %, высоколегированные - содержание легирующих элементов более 10,0 %.

Чугун - многокомпонентный железоуглеродистый сплав с содержанием углерода более 2,14 % и затвердевающий с образованием эвтектики. Основная классификация чугунов - это классификация по степени графитизации. Согласно этой классификации, различают белые чугуны, графитизированные чугуны, половинчатые чугуны.

Графитизированнне чугуны: серые чугуны (СЧ), высокопрочные чугуны (ВЧ), ковкие чугуны (КЧ).

Углеродистая сталь. В зависимости от качества стали делят на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные.

Сталь углеродистая обыкновенного качества (ГОСТ 380-2005). Выплавляют стали марок Ст0, Ст1кп, Ст1сп, Ст1пс,. СтЗкп, СтЗсп, СтЗпс, СтЗГпс, СтЗГсп. Ст6пс, Ст6сп. Буквы "Ст" обозначают "сталь", цифры - условный номер марки в зависимости от химического состава стали, буквы марки "кп", "пс", "сп" - степень раскисленности ("кп" - кипящая, "пс" - полуспокойная, "сп" - спокойная). Сталь деформируемая поставляется потребителю в горячекатанном состоянии в виде сортового, фасонного, листового, широкополосного проката, а также в виде поковок, штамповок, труб, ленты и проволоки.

Сталь углеродистая качественная конструкционная (ГОСТ 1050-88). Стандарт включает 24 марки стали от 05 кп, 08 кп, 08 пс, 08.10, 15, 20.40, 45, 50. до 58 (55пп), 60. В обозначении марки цифры означают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы марки "кп" - стали кипящая, "пс" - полуспокойная, спокойные стали - без индекса, буквы в марке 55пп "пп" - сталь повышенной прокаливаемости. Сталь деформируемая, используется в виде сортового, листового проката, а также в виде поковок. Из сталей с низким содержанием углерода марок 08пс, 10пс, 15пс, 20пс производят листовой прокат для холодной штамповки. Пример условного обозначения сортового проката: сталь горячекатанная, полосовая, толщиной 36 мм и шириной 90 мм по ГОСТ 103-76, марки 45, термически обработанной - Т, для холодной механической обработки - подгруппы "б", категории 4:

Сталь легированная конструкционная (ГОСТ 4543-71). Настоящий стандарт распространяется на все виды проката, поковки и штамповки из легированной конструкционной стали. В зависимости от основных легирующих элементов сталь делится на группы: хромистая, марганцовистая, хромомолибденовая и т.п.

Примеры обозначения марок: 15Х, 35Г2, 15ХМ, 20ХНЗА, 15ХГБ2ТА и т.п. В обозначении марок первые две цифры указывают среднюю массовую долю углерода в сотых долях процента, буквы за цифрами обозначают: X - хром, Г - марганец, Н - никель, Т - титан, Р - бор, Ю - алюминий, С-кремний, Ф - ванадий, М - молибден, В - вольфрам, А - азот. Цифры, стоящие после букв, указывают примерную массовую долю легирующего элемента в процентах. Отсутствие цифры означает, что в стали содержится до 1,5 % этого легирующего элемента. Буква "А" в конце марки означает "высококачественная сталь", буква "А" в середине марки - сталь, легированная азотом.

Пример условного обозначения сортового проката: сталь калиброванная, круглая, диаметром 15 мм, класс точности 4 по ГОСТ 7417-75 марки 40Х2МА, качества поверхности группы Б по ГОСТ 1051-73, с контролем механических свойств М, нагартованная Н:

Сталь нелегированная инструментальная ГОСТ 1435-99. Настоящий стандарт распространяется на углеродистую инструментальную горячекатаную, кованую, калиброванную сталь, сталь со специальной отделкой поверхности марок У7, У7А, У8, У8А. У12, У12А, У13, У13А. Буквы и цифры в обозначении марок стали означают: У - углеродистая, следующая за буквой цифра - средняя массовая доля углерода в десятых долях процента, А - сталь высококачественная. Используется в виде сортового проката и поковок. Пример условного обозначения поставляемой стали: сталь горячекатаная круглая диаметром 20 мм, обычной точности прокатки В, по ГОСТ 2590-88, марки У8А, 5-й группы, балл прокаливаемости 3, для холодной механической обработки:

Литейные стали. Требования к легированным и нелегированным конструкционным литейным сталям устанавливает ГОСТ 977-88. Согласно стандарту, в обозначение марок вводят букву Л. Например, 25Л, 20ГСЛ, 12Х7ГЗСЛ. Цифры и буквы русского алфавита в марке указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента - первые две цифры, легирующий элемент, его массовую долю в процентах - цифра за буквой, буква Л - сталь литейная.

Чугун. Используют только как литейный сплав для получения отливок. Наибольшее применение нашли графитизированные чугуны.

Серий чугун (ГОСТ 1412-85). Для серого чугуна характерна пластинчатая форма графита. В стандарт включены шесть марок чугунов СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ25, СЧ30, СЧ35. Буквы марки "СЧ" означают серый чугун, цифры - временное сопротивление разрушению при растяжении в кгс/мм2. Например, чугун марки СЧ35 должен иметь σв=20 кгс/мм2 или σв=200 МПа. Серый чугун - хрупкий материал, имеет среднюю твердость порядка НВ 1490.1970 МПа, хорошо обрабатывается резанием, обладает хорошими литейными свойствами. Серый чугун нашел широкое применение в станкостроении (станины, суппорты, бабки и т.п.), авто - и тракторостроении (блоки цилиндров, поршневые кольца, тормозные барабаны и т.п.), дизелестроении и других отраслях промышленности.

Высокопрочный чугун. В ГОСТ 7293-85 включены следующие марки: ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100. Цифры за буквами ВЧ - высокопрочный чугун означают временное сопротивление разрушению при растяжении. Например, чугун марки ВЧ 60 должен иметь σв=60 кгс/мм2 или σв=600 МПа. Для высокопрочного чугуна характерна шаровидная форма графита, получают его путем модифицирования низкозернистого серого чугуна чистым магнием или магнийсодержащими добавками. Высокопрочный чугун нашел широкое применение в автомобилестроении (коленчатые и распределительные валы, шестерни различных механизмов, блоки цилиндров и т.п.), тяжелом машиностроении (детали турбин, прокатные валки, шаботы молотов и т.п.), транспортном, сельскохозяйственном машиностроении (шестерни и звездочки, диски муфт, различного рода рычаги, опорные катки и т.п.) и во многих других отраслях.

Ковкий чугун. Получают его путем отжига белого чугуна, в результате образуется хлопьевидная форма графита. ГОСТ 1215-79 устанавливает требования к маркам ковкого чугуна от КЧ 30-6, КЧ 38-8, КЧ 35-10 до КЧ 65-3, КЧ 70-2, КЧ 80-1,5. Цифры за буквенным обозначением ковкого чугуна КЧ означают: первая группа цифр - временное сопротивление разрушению при растяжении (σв в кгс/мм2), вторая группа цифр - относительное удлинение (δ в %). Например, чугун марки КЧ 65-3 должен иметь σв = 65 кгс/мм2 (650 МПа) и δ =3 %. Ковкие чугуны применяют в сельскохозяйственном машиностроении (шестерни, ступицы, рычаги и т.п.), авто - и тракторостроении (задние мосты, ступицы, тормозные колодки, рычаги, катки и т.п.), вагоно - и судостроении (кронштейны, детали тормозной системы, детали сцепки и т.п.), для изготовления санитарно-технического и строительного оборудования.

 

Пример.

Материал	Предел прочности МПа	Твердость НВ, МПа	Относительное удлинение %
Сталь	400-900	1500-3500	24-10
Серый чугун	100-400	1200-2000	1-0,1

металл азотирование сталь бензин

Характеристика линий и точек диаграммы железо-цементит (индекс линий и точек, температура, % углерода)

 

Рис. 4

 

Равновесное состояние железоуглеродистых сплавов в зависимости от содержания углерода и температуры описывает диаграмма состояния железо - углерод. На диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов (рис.1) на оси ординат отложена температура, на оси абсцисс - содержание в сплавах углерода до 6,67%, то есть до такого количества, при котором образуется цементит Fе3С. По диаграмме состояния системы железо - углерод судят о структуре медленно охлажденных сплавов, а также о возможности изменения их микроструктуры в результате термической обработки, определяющей эксплуатационные свойства. На диаграмме состояния Fe - Fе3С приняты международные обозначения. Сплошными линиями показана диаграмма состояния железо - цементит (метастабильная, так как возможен распад цементита), а пунктирными - диаграмма состояния железо - графит {стабильная).

Рассматриваемую диаграмму правильнее считать не железоуглеродистой (Fe - С), а железоцементитной (Fe - Fе3С), так как свободного углерода в сплавах не содержится. Но так как содержание углерода пропорционально содержанию цементита, то практически удобнее все изменения структуры сплавов связывать с различным содержанием углерода.

Компоненты системы железо и углерод - элементы полиморфные. Основной компонент системы - железо.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может образовать химическое соединение - цементит Fе3С или присутствовать в сплавах в виде графита.

В системе железо-цементит (Fe - Fе3С) имеются следующие фазы: жидкий раствор. твердые растворы - феррит и аустенит, а также химическое соединение - цементит.

Феррит может иметь две модификации - высоко - и низкотемпературную. Высокотемпературная модификация d-Fe и низкотемпературная - a-Fe представляют собой твердые растворы углерода, соответственно, в d - и a - железе.

Предельное содержание углерода в a-Fe при 723°С - 0,02%, а при 20°С - 0,006%. Низкотемпературный феррит a-Fe по свойствам близок к чистому железу и имеет довольно низкие механические свойства, например, при 0,06% С: s = 250 МПа; d - 50%; y= 80%; твердость - 80.90 НВ.

Аустенитg-Fe - твердый раствор углерода в g-железе. Предельная растворимость углерода в g-железе 2,14%. Он устойчив только при высоких температурах, а с некоторым примесями (Мn, Сг и др.) при обычных (даже низких) температурах. Аустенит обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности. Твердость аустенита 160.200 НВ.

Цементит Fе3С - химическое соединение железа с углеродом, содержащее 6,67% vглерода. Между атомами железа и углерода в цементите действуют металлическая и ковалентная связи. Температура плавления ~1250°С. Цементит является метастабильной фазой; область его гомогенности очень узкая и на диаграмме состояния он изображается вертикалью. Время его устойчивости уменьшается с повышением температуры: при низких температурах он существует бесконечно долго, а при температурах, превышающих 950°С, за несколько часов распадается на железо и графит. Цементит имеет точку Кюри (210°С) и обладает сравнительно высокими твердостью (800 НВ и выше) и хрупкостью. Прочность его i растяжение очень мала (s =40 МПа).

В системе железо - цементит имеются две тонкие механические смеси фаз - эвтектическая (ледебурит) и эвтектоидная (перлит).

Ледебурит является смесью двух фаз g-Fe + Fе3С, образующихся при 1130°С в сплавах, содержащих от 2,0 до 6,67%С, и наблюдается визуально как структурная составляющая железоуглеродистых сплавов, главным образом, чугунов. Ледебурит обладает достаточно высокими прочностью (НВ>600) и хрупкостью.

Перлит (до 2,0%С) представляет собой смесь a-Fe + Fе3С (в легированных сталях - карбидов), образующуюся при 723°С и содержании углерода 0,83% в процессе распада аустенита, и наблюдается визуально как структурная составляющая железоуглеродистых сплавов. Механические свойства перлита зависят от формы и дисперсности частичек цементита (прочность пластинчатого перлита несколько выше, чем зернистого): s=800.900 МПа; d< 16%; НВ 180.,220.

Диаграмма состояния Fe - Fе3С (рис.1) является комбинацией диаграмм простых типов. На ней имеются три горизонтали трехфазных равновесий: перитектического (1496°С), эвтектического (1147°С) и эвтектоидного (727°С).

Все линии на диаграмме состояния соответствуют критическим точкам, то есть температурам, при которых происходят фазовые и структурные превращения в железоуглеродистых сплавах.

Линия ABCD - линия начала кристаллизации сплава (ликвидус), линия AHJECF - линия конца кристаллизации сплава (солидус).

В области диаграммы HJCE находится смесь двух фаз: жидкого раствора и аустенита, а в области CFD - жидкого раствора и цементита. В точке С при содержании 4,3%С и температуре 1130°С происходит одновременная кристаллизация аустенита и цементита и образуется их тонкая механическая смесь - ледебурит. Ледебурит присутствует во всех сплавах, содержащих от 2,0 до 6,67%С (чутуны).

Точка Е соответствует предельному насыщению железа углеродом (2,0%С).

В области диаграммы AGSF находится аустенит. При охлаждении сплавов аустенит распадается с выделением по линии GS феррита, а по линии SE - вторичного цементита. Линии GS и PS имеют большое практическое значение для установления режимов термической обработки сталей. Линию GS называют линией верхних критических точек, а линию PS - нижних критических точек.

В области диаграммы GSP находится смесь двух фаз - феррита и распадющегося аустенита, а в области диаграммы SEE' - смесь вторичного цементита и распадающегося аустенита.

В точке S при содержании 0,8%С и при температуре 723°С весь аустенит распадается и одновременно кристаллизуется тонкая механическая смесь феррита и цементита - перлит.

Линия PSK соответствует окончательному распаду аустенита и образованию перлита. В области ниже линии PSK никаких изменений структуры не происходит.

Структурные превращения в сплавах, находящихся в твердом состоянии, вызваны следующими причинами: изменением растворимости углерода в железе в зависимости от температуры сплава (QP и SE), полиморфизмом железа (PSK) и влиянием содержания растворенного углерода на температуру полиморфных превращений (растворение углерода в железе способствует расширению температурной области существования аустенита и сужению области феррита).

Диаграмма стабильного равновесия Fe - Fе3С, обозначенная на рис.1 пунктиром, отображает возможность образования высокоуглеродистой фазы - графита - на всех этапах структурообразования в сплавах с повышенным содержанием углерода. Диаграмма состояния стабильной системы железо - графит отличается от метастабильной системы железо-цементит только в той части, где в фазовых равновесиях участвует высокоуглеродистая фаза (графит или цементит).

На диаграмме состояния различают две области: стали и чугуны. Условия принятого разграничения - возможность образования ледебурита (предельная растворимость углерода в аустените):

стали - до 2,14% С, не содержат ледебурита;

чугуны - более 2,14%С, содержат ледебурит.

В зависимости от содержания углерода (%) железоуглеродистые сплавы получили следующие названия:

менее 0,83 - доэвтектоидные стали;

,83 - эвтектоидные стали;

,83.2 - заэвтектоидные стали;

,3 - доэвтектические чугуны;

,3.6,67 - заэвтектические чугуны.