Вивчення зміни властивостей алюмінієвих сплавів у процесі природного старіння

У зразку залишається відбиток зі сферичною поверхнею (лунка). Діаметр відбитка вимірюють лупою, на окулярі якої нанесена шкала з розподілами, що відповідають десятим часткам міліметра. Діаметр відбитка вимірюють з точністю до 0,05 мм (при вдавленні кульки діаметром 10 й 5 (мм)) у двох взаємно перпендикулярних напрямках; для визначення твердості варто приймати середню з отриманих величин.

  Число твердості по Брінеллю НВ обчислюють по рівнянню:

де Р - навантаження на кульку, кг·с  (1кг·с – 0,1 Мпа);  D — діаметр вдавлюючого шарика, мм; d — діаметр відбитка, мм. Получаємо число твердості при прочих рівних умовах тим вище, чим менший діаметр відбитка.

Однак одержання постійної й однакової залежності між Р и d, необхідне для точного визначення твердості, досягається тільки при дотриманні певних умов. При вдавленні кульки на різну глибину, тобто з різним навантаженням для того самого матеріалу, не дотримується закон подоби між одержуваними діаметрами відбитка. Найбільші відхилення спостерігаються, якщо кулька вдавлюється з малим навантаженням і залишає відбиток невеликого діаметра або вдавлюється з дуже великим навантаженням і залишає відбиток з діаметром близьким до діаметру кульки. Тому твердість матеріалів вимірюють при постійному співвідношенні між величиною навантаження Р и квадратом діаметра кульки D2. Це співвідношення повинне бути різним для матеріалів різної твердості. 

В процесі вдавлення поряд із пластичною деформацією вимірюваного матеріалу відбувається також пружна деформація кульки, що вдавлює. Величина цієї деформації, що спотворює результати визначення, зростає при вимірі твердих матеріалів. Тому випробування вдавленням кульки обмежують виміром металів невеликої й середньої твердості (для сталі із твердістю не більше НВ = 450).

Відомий вплив робить також тривалість витримки металу під навантаженням. Легкоплавкі метали (свинець, цинк.), що мають низьку температуру рекристалізації, випробовують пластичну деформацію не тільки в момент вдавлення, але й протягом деякого часу після додатка навантаження. Зі збільшенням витримки під навантаженням пластична деформація цих металів практично стабілізується.

Для металів з високими температурами плавлення вплив тривалості витримки під навантаженням незначно, що дозволяє застосовувати більше короткі витримки (10 - 30 с).

При вимірі твердості кулькою певного діаметра й із установленими навантаженнями    на практиці користуються заздалегідь складеними таблицями, що вказують число НВ залежно від діаметра відбитка й співвідношення між навантаженням Р и поверхнею відбитка F. При вказівці твердості НВ іноді відзначають прийняті навантаження й діаметр кульки.

Між межею міцності й числом твердості НВ різних металів існує наступна залежність:

Сталь із твердістю НВ:

120—175                            b  0,34 HВ

175—450                            b  0,35 HВ

Мідь, латунь, бронза:

відпалена                            b  0,55 HВ

наклепання                                b  0,40 HВ

Алюміній й алюмінієві сплави із твердістю НВ:

20 - 45              b  (0,33 - 0,36) НВ

Дюралюмінь:

відпалений              b  0,36 HВ

після загартування й старіння              b  0,35 HВ

Таблиця 4.1

Норми ДЕРЖСТАНДАРТ для випробування по Брінеллю [20].

Вимір твердості вдавленням сталевої кульки не є універсальним способом. Цей спосіб не дозволяє:

а) випробовувати матеріали із твердістю більше НВ 450;

б) вимірювати твердість тонкого поверхневого шару (товщиною менш 1-2 мм), тому що сталева кулька продавлює цей шар і проникає на більшу глибину. Товщина вимірюваного шару (або зразка) повинна бути не менш 10-кратної глибини відбитка.

4.4.  Метод виміру твердості вдавленням конуса або кульки (твердість по Роквеллу)

       Принципова відмінність даного способу від розглянутого вище виміру по Брінеллю полягає в тому, що твердість визначають по глибині відбитка, одержуваного при вдавленні алмазного конуса або сталевої кульки, а не по площі відбитка.

Цей метод має такі перевага перед вимірами по Брінеллю, що дозволяє змінювати навантаження в широких межах, без зміни значень твердості, тому що при вдавленні конуса зберігається закон подоби, а умови деформації під вершиною конуса зі збільшенням тиску не змінюються.

Твердість вимірюють на приладі (Рис. 4.6.), у нижній частині нерухомої станини якого встановлений столик 1. У верхній частині станини укріплений індикатор 4, масляний регулятор 5 і шток 6, у якому встановлюється наконечник з алмазним конусом, що має кут у вершині 120, або зі сталевою кулькою діаметром 1,59 мм. Індикатор 4 являє собою циферблат, на якому нанесені дві шкали (чорна і червона) і є дві стрілки — більша (покажчик твердості), що обертається по шкалі, і маленька для контролю величини попереднього навантаження, повідомлюваного обертанням маховика 2.

Рис. 4.6. Схема приладу для вимірі твердості вдавленням алмазного конуса або сталевої кульки (вимір по Роквеллу): 1 - столик для установки зразка; 2 -і маховик; 3 - вантаж; 4 - шкала-індикатор; 5-масляний регулятор; 6 - шток з алмазним конусом (кулькою); 7 - рукоятка.

Навантаження здійснюється у два етапи. Спочатку прикладається попереднє навантаження (10 кг·с) для щільного зіткнення наконечника зі зразком. Потім прикладається основне навантаження Р1. Протягом деякого часу діє загальне робоче навантаження Р. Після зняття основного навантаження визначають значення твердості по глибині залишкового вдавлення наконечника h під навантаженням .

Прилад вимірює глибину відбитка алмазного конуса (сталевої кульки) або, точніше, різниця між глибиною відбитків, отриманих від вдавлення наконечника під дією основного навантаження й від вдавлення під попереднім навантаженням.   Числа твердості по Роквеллу зростають зі збільшенням твердості матеріалу, що дозволяє зрівняти числа Роквелла із числами Брінелля. Однак числа твердості по Роквеллу можна перерахувати на числа твердості по Брінеллю за допомогою спеціальних діаграм і таблиці, побудованих на підставі численних експериментальних робіт. Залежність між цими числами не має лінійного характеру.

Вимір твердості по Роквеллу вимагає менше часу (30-60 с), чим по Брінеллю, причому результат виміру видний на шкалі (він зазначений стрілкою). Крім того, вимір твердості по Роквеллу залишає менший відбиток на поверхні деталі.

Твердість дуже тонких шарів металу (товщиною менш 0,3 мм) із зазначеними навантаженнями 60 й 150 кг·с  вимірювати не  можливо, так як алмазний конус проникає на глибину, яка перевищує товщину цих слоїв, и вказує, як  в  наслідок, твердість нищележачих об­ластей. Разом з тим с зростанням твердості вимірюваного матеріалу глибина відбитка зменшується, внаслідок чого знижується точність вимірювання (а саме для металів с твердістю більше HRC 60) [32].

    РОЗДІЛ 5

    Методи   вимірювання   електричного опору

5.1.           Вимір питомого електричного опору

   Електричні властивості речовин характеризуються величиною питомого електричного опору або питомої електропровідності. Питомий опір р визначається зі співвідношення:

                                                                                              (5.1)

де R - опір провідника, l - його довжина, S - площа поперечного переріза. Опір R структурно - чутливий коефіцієнт пропорційності між напругою й струмом у законі Ома. Питомий електричний опір від розмірів зразка не залежить, а визначається його хімічним складом і структурою всіх рівнів від атомно-кристалічної до макроструктури. Питома електропровідність а величина, зворотна питомому електричному опору (а — 1/ р).Залежно від величини питомої електропровідності тверді тіла ділять на три групи: діелектрики, напівпровідники й метали (Рис. 5.1).

Рис.5.1. Схема температурної (залежності питомого електричного опору (а) і залежність температурного коефіцієнта опорі нікелю від температури (б).

  При температурі на кілька градусів вище 00 С опір металів визначається домішками й дефектами решітки, практично не залежить від температури й називається залишковим опором р0. З підвищенням температури з'являються й підсилюються теплові коливання решітки, і опір багатьох металів зростає пропорційно Т, незалежно від типу решітки й валентності. Опір більшої частини перехідних металів при низьких температурах змінюється пропорційно Тn. де  n = 2,0...5,3. При температурах вище (0.1...1)θD опір зростає пропорційно температурі:

                                                               (5.2)

Тут — питомий опір при температурах t1 й t2 відповідно; - середній в інтервалі t1 й t2 температурний коефіцієнт питомого електричного опору. Звідси:

                                                                                           (5.3)

Щирий термічний коефіцієнт питомого електричного опору:

                                                                                                  (5.4)

Вимірюючи температурний коефіцієнт питомого електричного опору металів і сплавів, необхідно враховувати теплове розширення зразка:

                                                                       (5.5)

Тут a - середній температурний коефіцієнт загального електричного опору зразка; а - середній коефіцієнт лінійного розширення в інтервалі температур Δt, у якому визначається ар . З (Рис.5.2,а) треба, що температурний коефіцієнт електроопору змінюється з температурою. Найбільше істотно ця залежність проявляється у феромагнетиків в околиці температури Кюрі (Рис. 5.2,6).

Пластична деформація підвищує питомий електричний опір на кілька відсотків. Тільки електроопору вольфраму при значній деформації зростає на десятки відсотків. Відповідно до правила Маттіссепа, питомий електричний опір чистих металів і твердих розчинів низької концентрації можна представити у вигляді:

                                                                                             (5.6)

де p(t) - температурно-залежна частина його. Залишковий опір р0  від температури не залежить.  У феромагнітних металах коливання  системи атомних магнітних моментів викликають додаткове розсіювання електронів, що вносить вклад рт у величину питомого опору:

                                                                                   (5.7)

Уважається, що зростання опору при пластичній деформації обумовлено збільшенням р0 внаслідок перекручувань кристалічної решітки. З вищесказаного треба, що частка р0 збільшується зі зниженням температури. Тому вивчати вплив пластичної деформації на питомий електричний опір треба при можливо більше низьких температурах.

Тому що залишковий опір обумовлений домішками й дефектами кристалічної будови, той будь-який вплив, що підвищує щільність останніх, збільшує p0. До таких впливів, крім пластичної деформації, ставляться: фазовий наклеп; загартування  від високих температур (у тому числі чистих металів без поліморфних перетворень), що підвищує концентрацію вакансій; опромінення частками високих енергій. Наприклад, залишковий опір платини подвоюється в результаті швидкого охолодження від 1500 °С (температура плавлення Ft дорівнює 1773 °С).

Відпал чистих металів і деяких сплавів, підданих названим вище впливам, знижує електричний опір і може привести до повного його відновлення навіть при нагріванні нижче температури рекристалізації.