Выберите и обоснуйте методы определения твердости для следующих деталей: а) отливки из серого чугуна, б) цианированной шестерни.

а) Определение твердости отливки из серого чугуна проводится по Бринеллю.

Определение твердости по Бринеллю. При испытаниях по Бринеллю на специальном приборе с гидравлическим нагружающим устройством, позволяющим достичь нагрузки Р в несколько тонн, в поверхность испытуемого материала вдавливается шарик диаметром d = ?10 мм из твердого сплава, после снятия нагрузки измеряется диаметр отпечатка D. Твердость по Бринеллю НВ рассчитывается по формуле, аналогичной формуле прочности (нагрузка P на площадь отпечатка S):

HB = Р/S = 2 P / (D(D - (d2 - D2)^1/2 ) , кгс / мм²

где нагрузка выражена в кгс, а диаметры в мм.

При испытании стали и чугуна обычно принимают D = 10мм и F = 2943 (3000) Н (кгс), при испытании алюминия, меди, никеля и их сплавов D = 10мм и F = 9800 (1000) Н (кгс), а при испытании мягких металлов (сурьма, свинец и их сплавов) D = 10мм и F = 2450 (250) Н (кгс). Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость.

б) Определение твердости по Роквеллу. Твердость по Рокуэллу (Rockwell) HR определяется по глубине отпечатка, а точнее разностью между остаточной глубиной его внедрения после снятия основной нагрузки P₁ при сохранении предварительной нагрузки P₀ и глубиной проникновения индентора при предварительной нагрузке P₀.Твердость по Рокуэллу выражается в условных единицах. Индентором может быть алмазный конус с углом при вершине 120⁰ или стальной шарик диаметром 1,588 мм, т.е. 1/16 дюйма.Общая нагрузка Р при определении твердости HRHRА по шкале А - алмазный конус, Р = 588 Н (60 кгс ) HRВ по шкале В индентор - стальной шарик , Р = 980 Н ( 100 кгс), HRС по шкале С - алмазный конус, Р = 1470 Н (150 кгс).HRА - для испытаний твердых сплавов с твердостью HR>7000.HRВ - для испытаний цветных металлов и отожженных сталей с твердостью HR<2300, HRС - для испытания сталей, после термической или химико-термической обработки.

Согласно указанной выше классификации для определения твердости цианированной шестерни следует применить испытания НRC по шкале С.

Начертите диаграмму "Железо - цементит", укажите структуры во всех областях. Подробно опишите структуры белого чугуна, содержащего 2,5% углерода, при 20°С и 1000°С, укажите состав ледебурита при этих температурах.

Диаграмма состояния железо - цементит

Структурные составляющие белого чугуна, содержащего 2,5% углерода:

при температуре 20°С – перлит+цементитII+ледебурит.

при температуре 1000°С – аустенит+цементитII+ледебурит.

Характеристика структур:

Ледебурит имеет сотовое или пластинчатое строение. При медленном охлаждении образуется сотовый ледебурит, представляющий собой пластины цементита, проросшие разветвленными кристаллами аустенита. Пластинчатый ледебурит состоит из тонких пластин цементита, разделенных аустенитом, и образуется при быстром охлаждении. Сотовое и пластинчатое строение не редко сочетается в пределах одной эвтектической колонии. Заэвтектические чугуны (4,3 - 6,67 % С) начинают затвердевать с понижением температуры по линии ликвидус CD , когда в жидкой фазе зарождаются и растут кристаллы цементита, концентрация углерода в жидком сплаве с понижением температуры уменьшается по линии ликвидус. При температуре 1147⁰С жидкость достигает эвтектической концентрации 4,3 %С (точка С) и затвердевает с образованием ледебурита.

Сплавы, содержащие до 2,14% С, называют сталью, а более 2,14 % С - чугуном. Принятое разграничение между сталью и чугуном совпадает с предельной растворимостью углерода в аустените. Стали, после затвердевания, не содержат хрупкой структурной составляющей - ледебурита - и при высоком нагреве имеют только аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью. Поэтому стали легко деформируются при нормальных и пониженных температурах, т.е. являются в отличие от чугуна ковкими сплавами. По сравнению со сталью чугуны обладают значительно лучшими литейными свойствами и, в частности, более низкими и температурами плавления, имеет меньшую усадку, это объясняет присутствием в структуре чугуна легкоплавкой эвтектики (ледебурита).

Цементит - химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C), содержит 6,67% С, температура плавления точно не установлена и принимается примерно равной 1260°С. Цементит магнитен, характеризуется высокой твердостью (>НВ800) и очень низкой пластичностью. Цементит является метастабильной фазой и при определенных условиях распадается с выделением свободного графита. В зависимости от условий образования различают цементит первичный, который образуется из жидкости при затвердевании расплава, вторичный — образуется при распаде аустенита и третичный — образуется при выделении углерода из феррита.

Графит представляет собой свободный углерод, он мягок, обладает низкой прочностью и электропроводностью. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений. Форма графитовых включений оказывает влияние на механические и технологические свойства сплавов.

Перлит - эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,83% С; образуется при 727 °С в результате распада аустенита в процессе его охлаждения: Fe_g(C) ® Fe_a(C)+Fe₃C. Перлит может быть пластинчатым или зернистым. Это определяет механические свойства перлита. При комнатной температуре зернистый перлит имеет прочность sв = 800 МПа, пластичность d = 15 %, НВ 160...200.

Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в g-железе, имеет кубическую гранецентрированную решетку. Предельная растворимость углерода в g-железе при температуре 1147°С - 2,14%. Аустенит немагнитен. Он имеет твердость НВ 160 при s = 40...50 %.

Структура белых чугунов состоит из перлита, ледебурита и цементита. Свое название белые чугуны получили по виду излома — матово-белый цвет.

Рис. 1. Структуры чугунов (Х200):

а — доэвтектического; б — эвтектического; в — заэвтектического

Структура доэвтектического чугуна (рис. 1, а) при комнатной температуре состоит из ледебурита, перлита и вторичного цементита (ледебурит — светлые участки с расположенными на них зернами перлита; перлит — более крупные темные зерна; вторичный цементит — светлые участки, сливающиеся с цементитом ледебурита).