CC BY
55
ТЕОРИТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СВЯЗИ ТВЕРДОСТИ С РАЗМЕРОМ ЗЕРНА И ИХ
КОНТРОЛЬ ПО ЭТИМ ПАРАМЕТРАМ
Кайраткызы Т. @
Магистрант, кафедра физики и технологий, Восточно-Казахстанский государственный университет имени С. Аманжолова
Аннотация
В статье исследуется взаимосвязь твердости с размером зерна для последующего создание возможности неразрушающего контроля этих параметров.
Ключевые слова: твердость; предел прочности; размер зерна; модуль упругости; упругие колебания.
Keywords: hardness; tensile strength; grain size; elastic modulus; elastic vibrations.
В статье исследуется взаимосвязь твердости с размером зерна для последующего создание возможности неразрушающего контроля этих параметров. Так как величина зерна важная характеристика свойств металла в его использовании, а также в увеличение его механических свойств посредством термообработки. Твердость же являясь механическим свойством твердого тела характеризует способность поверхностного слоя твердого тела сопротивления царапанию или же вдавливанию. Величина его по ГОСТ 5639-65, берется как среднее арифметическое число диаметра зерна, оценка произовдится в шкалах (по баллам). Для пояснения, если взять из шкалы балл 0 его показатель в мкм будет равна D = 352 мкм, а балл 14 - D = 2.7 мкм.
Величину зерна также можно определить по акустическим параметрам, так как он оказывает влияние на рассеяние упругих колебаний и его можно регулировать по затуханию частотных колебаний. Здесь за основу берется отношение 1 длины волны к среднему
диаметру зерна. Обычно он колеблется между шкалами от 4 до 14. Но как вы знаете определение коэффициента требует очень много труда и времени, а также имеет значительную погрешность от 10%. А также при лабораторных условиях его практически невозможно определить для проведения исследование его в отечественных вузах.
Модуль нормальной упругости пропорционален квадрату скорости: E = Ac2. Коэффициент А каждый раз по анализу результатов испытаний для выбранного типа материала, в основном на него оказывает воздействие плотность и коэффициент Пуассона. В отношении твердости, известно что для разных типов сплавов рассматривается двойная модель указывающая на увеличение скорости при росте твердости, и для некоторых видов цветных металлов наоборот увеличение скорости при уменьшении твердости.
Здесь был проведен эксперимент со сталью марки 5 ХНМ со струткурой зернистого перлита с небольшими участками феррита при интервале температур 820-900°С. Размер зерна возрастает и составляет от 5 до 22 мкм. По поводу определения остаточного аустенита значительно меняется в зависимости от температуры нагрева, и это требует определенной осторожности при выборе оптимальног режима термообработки. Так как остаточный аустенит в составе железа снижает твердость закаленной стали и является метастабильной фазой может распадаться в процессе эксплуатации, способствуя зарождению трещин. Для предотвращения данной пробелмы в производстве было осуществлено ряд испытаний для определения объема остаточного аустенита в составе стали. Для проведение испытаний использовали аустенитометр. При увеличении градуса нагрева аустенизаций в интервале 820-900°С составляет 2-7%[2].
® Кайраткызы Т., 2017 г.
Значение твердости в закаленной стали при росте градуса нагрева аустенизации в диапазоне 820-900°С медленно уменьшается в пределах 65-61 ИЯС. Значение микротвердости с зависимостью твердости коррелируют. Максимальная микротвердость металлической основы составляет 7570 Н/м2 минимальное - 5010 Н/м2[2].
Изначальное значение диаметра зрена оказывает воздействие на свойства-штамповых сталей следом за последней закалкой и последующей его эксплуатации. В последствий нескольких закалок под разными режимами термообработки стали был осуществлен отпуск при температуре 470°С . В соответсвии с приобретенными итогами по экспериментальной работе твердость стали с ростом размера зерна понижается с 45 до 35 ИЯС, но по аналитическим исследованиям в связи с распадом остаточного аустенита снижение значении твердости в сравнении с закаленной сталью более ярко выражена. Микротвердость, как и твердость находится фактический на равной стадие со связью с ограниченностью измерения без выявления границ зерна снижающих сопротивление пластической деформации [2].
Также важны условия выплавки стали, так как у одной и той же марки стали способность роста зерна аустенита неодинакова. Зерна металлов по их типу разделяются на крупно- и мелкозернистых, это свойство несет наследственный характер. Стали имеющие мелкие зерна при закалке под высокими температурами 1010-1050°С изменяют характер этого свойства на зерна крупного размера, но при температурах выше этого предела происходит резкое возрастание размера зерна (см. рис 1) [3].
Рис. 1 - Изменение диаметра зерна от температуры нагрева
Как показано на 2 рисунке влияние величины зерна аустенита да на ударную вязкость КСУ и вязкость разрушения К1с сталей после закалки низкого отпуска (по данным О.Н. Романцова и А. Н. Ткач) чем выше прочность (сге,ат,<7Ч), пластичность (5,у ) и вязкость (КСи,КСТ) ниже порог хладколомоксти и меньше склонность к хрупкому разрушению, тем меньше размер зерна.
кси,
мДж/м:
К 1с
кси
Рис. 2 - Влияние величины зерна аустенита да на ударную вязкость КСи и вязкость разрушения К1с сталей после закалки низкого отпуска
Механические и физические характеристики металлов определяются действительным размером зерна. Рост его размеров сравнительно незначительно влияет на твердость, относительное удлинение и предел прочности [4].
[5, 6] в работах также исследовалась взаимосвязь структурных видоизменений, в том числе величины зерна на механические свойства твердых тел. Предел текучести ау
ау -а, =Куй"1/2 (1)
где а, - напряжение трения препятствующее движению дислокации в матрице. ку -
мера растягивающих напряжений, требуемых для распространения пластической текучести от одного зерна до другого.
Для образцов с толщиной , меньше чем критическая ,с в работе[8] предложено
определять предел текучести тонких образцов ау (т) из уравнения
а*,) = &у(с) -d(1/, -1/ )куй"1/2 (2)
где ау(Т) - предел текучести стандартного образца. ё - средний размер зерна, ку -
постоянные коэффициенты.
Это уравнение можно вывести из уравнения Питца (3) и простого правила суммирования прочностных свойств зерна и границы зерен.
В работе [9] представлена модель связи твердости твердых тел, а именно твердости металлов и их сплавов на изменение величин их структурных частиц. По экспериментальным работам сделан расчет средней величины размера зерна, а также были взяты у данных образцов показатели твердости по Виккерсу НУ и твердость по Бринеллю на пределе текучести НВ02. Для измерений твердости по Бринеллю была использована
автоматизированный прибор МЭИ-Т7. Расчеты твердости по нему вычисляются таким образом:
HB02 = F0.2 /M02 (3)
где F02- нагрузка и M0 2 - поверхность отпечатка, соответствующие остаточной контактной деформации (уед )02 = 0.002 = 0.2%.
0.2 рассчитывается по следующей формуле:
У )0.2 = 1 - [1 - (¿0.2 / D 2]1/2 (4)
где d0 2 -диаметр отпечатка на пределе текучести; D —диаметр идентора. Если перевести его в уравнения Холла-Петча [9].:
HB0.2 = (HB0.2)0 + k ■ ¿3-1/2, (5)
где (HB02)0 - твердость монокристалла на пределе текучести; k- коэффициент, характеризующий напряжение активации дислокаций. Для стали 10 (HB02)0 = 43.9 кг/мм2, k = 5.63 кг/мм3/2, для меди М1 (HB02)0 = 12.3 кг/мм2, k = 1.57 кг/мм3/2 [9].
В данном ряду не стоит забывать что в исследованиях A. H. Chockshi, A. Rosen (1989 г.), Н. И. Носковой, Е. Т. Пономаревой, И. А. Перетуриной (19 94 г.), M. A. Meyers, D. J. Benson(2006 г.), А. М. Глезера (2009 г.) и других отечественных и з арубежных ученых было установлено что
при уменьшении d3 до 15-10 нм может происходить не повышение, а снижение
предела текучести и твердости металла. Одно из толкований данного рода неестественного проявления свойств стали заключаеся в преобладающим положением эффекта проскальзвания на границах зерен в механизме пластической деформации [10]. Для некоторых сталей и стальных сплавов, меди, латуни, бронзы уставновлена линейная зависимость между твердостью и обратной величиной корня квадратного из размера зерна:
HB = ^L
VD
Влияние на прочность размера зерен обусловлено воздействием их границ [10]. В [11, 12] показаны различные способы зависимости коэрцитивной силы Нс от размера зерна d3, причём Нс ~ d3. Там же приведены результаты экспериментального подтверждения этого соотношения. С другой стороны также имеется определённая связь между размером зерна, при котором напряжение разрушение равно пределу текучести, и которому соответствует определённая критическая температура хрупкости Тк (размер этого зерна обозначается d).
Методы измерения механических свойств по затуханию ультразвука практически не разработаны, хотя теоретически связь затухания с напряжениями, а следовательно, и с прочностными свойствами выяснена давно [13,14], применение этого связано с большими неточностями затухания и слабой экспериментальной проработкой этого вопроса.
Литература
1. Фирсова Н. В., Влияние величины зерна на прочность и вязкость штамповой стали. Орский ГТУ - Орск. 2009 г.
2. Геллер Ю. А. Инструментальные стали.-М: Металлургия, 1968 г. 568 с.
3. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений - 3 изд. М:-Машинастроение, 1990 г. 528 с.: ил.
4. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений - 3 изд. М:-Машинастроение, 1972 г.
5. Шмыков А. А. Справочник термиста.
6. Жарский М. М., Иванов Н. П., Куис Д. В., Свидунович Н. А. Материаловедение: учебное пособие - Минск: Высшая школа, 2015 - 557 с.: с ил.
7. Kohyama A., Hamada K. and Matsui H. Nuci Moter., 1991.
8. Марченко А. Ю. Влияние размеров элементов структуры и деформируемого объема на твердость металлов и сплавов. Автореферат. Москва, 2015 г.
9. Берштейн М. Л. Металловедение и термическая обработка стали. Том 1. изд 2.
10. Алешина Н. П. Методы акустического контроля металлов. М: Машиностроение. 1989 г. - 456 с.
11. Ботаки А. А., Воробьев А. А., Ульянов В. Л. Радиационная физика ионных кристаллов. М: Атомиздат. 1980 г. 208 с.
12. Бида Г.В. / Исследование возможности контроля механических свойств труб нефтяного сортамента неразрушающим методом. // Дефектоскопия, 1995. -№ 2. - С. 82-88.
13. Неразрушающий контроль качества изделий электромагнитными методами/ В.Г. Герасимов, Ю.Я. Останин, А.Д. Покровский и др. -М. : Энергия, 1978. -216 с.
14. Бугай Н.В., Шарко А.В. / Оценка действенности неразрушающего контроля механических свойств. // Дефектоскопия. -1989. -№ 12. - С.74 -79.
