close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

287.Материаловедение

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Оренбургский государственный университет»
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Рекомендовано Ученым советом федерального государственного
бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального
образования «Оренбургский государственный университет» в качестве
учебного пособия для студентов, обучающихся по программам высшего
профессионального
образования
по
направлению
подготовки
24.03.04 Авиастроение
Оренбург
2013
1
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 620.22 (075.8)
ББК 30.3 я 73
Б74
Рецензент – профессор, доктор технических наук В.М. Кушнаренко
Авторы: С.И. Богодухов, А.Д. Проскурин, Е.А. Шеин, Е.Ю. Приймак
Б74
Богодухов, С. И.
Материаловедение : учебное пособие / С.И. Богодухов, А.Д. Проскурин,
Е.А. Шеин, Е.Ю. Приймак; Оренбургский гос. ун–т. – Оренбург: ОГУ,
2013. – 198 с .
ISBN
В учебном пособии изложены краткие теоретические сведения о
кристаллическом строении материалов, структуре и свойствах сплавов при
кристаллизации и обработке давлением, структурном и фазовом составе
железоуглеродистых сплавов, рассмотрены виды термической и химикотермической обработки, классификация, маркировка и основные свойства
сталей и сплавов на основе цветных металлов.
Кроме основных теоретических сведений в пособии даны лабораторные
работы по исследованию структуры и контролю сплошности материалов. В
лабораторных работах приведены основные сведения о приборах и методах
исследования структуры, рассмотрены основные характеристики приборов и
технология проведения дефектоскопии, дан порядок выполнения
практической части работы и составления отчета.
Учебное пособие предназначено для изучения теоретических основ и
выполнения лабораторных работ по курсу «Материаловедение» при
подготовке студентов по направлению подготовки 24.03.04 Авиастроение.
Учебное
пособие
подготовлено
в
рамках
проекта
«Совершенствование подготовки кадров для приоритетных направлений
развития экономики Оренбургской области на основе кластерной
модели»
УДК 620.22 (075.8)
ББК 30.3 я 73
© Богодухов С.И.,
Шеин Е.А.,
Проскурин А.Д.,
Приймак Е.Ю, 2013
© ОГУ, 2013
ISBN
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Содержание
Введение ............................................................................................................................... 6
1 Теоретические основы ..................................................................................................... 8
1.1 Электронное строение и классификация металлов ................................................... 8
1.2 Кристаллическое строение металлов и дефекты кристаллических структур ......... 9
1.3 Теория сплавов ............................................................................................................ 15
1.4 Механические свойства, деформация и рекристаллизация металлов ................... 22
1.5 Железоуглеродистые сплавы (структурный и фазовый составы) .......................... 26
1.6 Теория термообработки. Термическая и химико-термическая обработка сталей.... 31
1.7 Классификация и маркировка сталей и сплавов ...................................................... 37
1.8 Цветные металлы и сплавы ........................................................................................ 41
1.9 Металлы и сплавы с особыми свойствами, и электротехнические материалы .... 50
1.10 Сплавы атомной энергетики .................................................................................... 56
1.11 Инструментальные материалы................................................................................. 60
1.12 Неметаллические и композиционные материалы .................................................. 63
2 Лабораторная работа №1 Ознакомление и работа на микровизоре .......................... 70
2.1 Цель работы ................................................................................................................. 70
2.2 Описание и работа на микровизоре μVizo-МЕТ-221 .............................................. 70
2.3 Описание и работа составных частей....................................................................... 73
2.4 Настройка микровизора .............................................................................................. 79
2.5 Задание ......................................................................................................................... 87
2.6 Содержание отчета ...................................................................................................... 88
3 Лабораторная работа №2 Проведение фазового анализа на дифрактометре МД10 89
3.1 Цель работы ................................................................................................................. 89
3.2 Основные сведения ..................................................................................................... 89
3.3 Порядок выполнения работы ................................................................................... 105
3.4 Содержание отчета .................................................................................................... 105
3.5 Контрольные вопросы............................................................................................... 106
4 Лабораторная работа №3 Ультразвуковая дефектоскопия ...................................... 107
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4.1 Цель работы ............................................................................................................... 107
4.2 Основные сведения ................................................................................................... 107
4.3 Оборудование, применяемое при ультразвуковом контроле ............................... 111
4.4 Настройка дефектоскопа для контроля толщины .................................................. 127
4.5 Порядок выполнения работы ................................................................................... 128
4.6 Содержание отчета .................................................................................................... 129
4.7 Контрольные вопросы............................................................................................... 129
5 Лабораторная работа №4 Вихретоковая дефектоскопия ......................................... 130
5.1 Цель работы ............................................................................................................... 130
5.2 Основные сведения ................................................................................................... 130
5.3 Порядок выполнения работы ................................................................................... 145
5.4 Содержание отчета .................................................................................................... 146
5.5 Контрольные вопросы............................................................................................... 146
6 Лабораторная работа №5 Шероховатость поверхности и ее измерение ................ 147
6.1 Цель работы ............................................................................................................... 147
6.2 Основные сведения ................................................................................................... 147
6.3 Задание ....................................................................................................................... 165
6.4 Указания по выполнению работы............................................................................ 166
6.5 Содержание отчета .................................................................................................... 166
6.6 Контрольные вопросы............................................................................................... 167
7 Лабораторная работа №6 Нагревательные электрические печи ............................. 168
7.1 Цель работы ................................................................................................................ 168
7.2 Основные сведения .................................................................................................... 168
7.3 Устройство печей сопротивления............................................................................ 171
7.4 Порядок выполнения работы ................................................................................... 183
7.5 Содержание отчета .................................................................................................... 183
7.6 Контрольные вопросы............................................................................................... 184
8 Лабораторная работа №7 Конструкция и принцип работы индукционной
высокочастотной нагревательной установки ............................................................... 185
8.1 Цель работы ............................................................................................................... 185
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8.2 Основные сведения ................................................................................................... 185
8.3 Виды установок для нагрева токами высокой частоты ......................................... 188
8.4 Устройство установки LH-30кW-B ......................................................................... 193
8.5 Порядок включения и выключения установки LH-30 кW-B ................................ 195
8.6 Содержание отчѐта .................................................................................................... 195
8.7 Контрольные вопросы............................................................................................... 196
Список использованных источников ............................................................................ 197
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Введение
Задача данного учебного пособия – научить пользоваться и применять цикл
лабораторных работ по новому оборудованию кафедры материаловедения и
технологии материалов Оренбургского государственного университета, а также
использовать его, как необходимую предпосылку, для выработки способов и
методов
изучения
различных
материалов
и
технологий,
обеспечивающих
повышение эксплуатационных характеристик.
Металлы и сплавы обладают разнообразными свойствами. Используя один
метод исследования металлов, невозможно получить информацию о всех свойствах.
Для анализа состава сплавов используют несколько методов анализа. Для
определения химического состава используются методы количественного анализа.
Если не требуется большой точности, то используют спектральный анализ,
проводимый на стилоскопах, которые бывают стационарными и переносными.
Спектральный анализ основан на разложении и исследовании спектра
электрической дуги или искры, искусственно возбуждаемой между медным
электродом и исследуемым металлом.
Более точные сведения о составе даѐт рентгеноспектральный анализ.
Проводится на микроанализаторах. Позволяет определить состав фаз сплава,
характеристики диффузионной подвижности атомов.
Основными видами анализа являются структурный, рентгеноструктурный,
рентгеновский,
термический,
дилатометрический,
электрометрический,
магнитометрический, механический и д.р.
Наиболее распространенной оценкой материалов принимают разные
сочетания механических свойств. Для оценки механических свойств выделяют
следующие группы критериев:
- оценка прочностных свойств материалов, определяемых часто и независимо
от особенностей изготовляемых из них изделий и условий их службы. Обычно это
прочностные свойства и их определяют в условиях растяжения при статическом
нагружении (временное сопротивление, или предел прочности σв, пределы
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
текучести σ0,2 и пропорциональности σпц, характеристики пластичности –
относительное удлинение после разрыва δ и относительное сужение после разрыва
ψ);
- оценка свойств материалов, непосредственно связанных с условиями службы
изделий и определяющие их долговечность и надѐжность (усталостная прочность,
контактная выносливость, износостойкость, коррозионная стойкость и др.).
Разработка технологического процесса термической обработки является
комплексной задачей, для решения которой в конкретных условиях необходимо
найти оптимальный вариант, удовлетворяющий техническим
условиям, и его
начинают с изучения технических условий на изделие.
Обычно в технических условиях у сталей указываются твѐрдость поверхности
изделия, толщина слоя после химико-термической обработки, величина допустимой
деформации и другие показатели. После изучения технических условий выбирают
основные операции термообработки, тип оборудования, приспособлений и т.д.
Следует выбирать высокопроизводительное оборудование, которое позволяет вести
термическую обработку с максимальным объединением операций.
Принцип построения учебного пособия системно отражает необходимую
информацию о материале, как объекте производственного процесса, об общей
структуре изучения материалов, общей характеристике свойств материалов, методах
их получения и повышения различных свойств.
Характер изложения материала способствует самостоятельному изучению
проблем материаловедения. В конце каждой работы приведены вопросы для
самопроверки. Подготовка ответов на них, в ходе выполнения каждой лабораторной
работы способствует активации самоконтроля, помогает глубже систематизировать
и анализировать полученные данные, закрепить знания в памяти. В целом
внимательное выполнение лабораторных работ учебного пособия позволят
приобрести умения и навыки в области изучения проблем материаловедения.
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1 Теоретические основы
1.1 Электронное строение и классификация металлов
Металлы, или вещества, находящиеся в металлическом состоянии, обладают
электронным строением, характеризующимся наличием незаполненных подуровней
в валентной зоне. Валентные электроны не связаны с определенными атомами, а
принадлежат всему металлическому телу, образуя электронный газ, окружающий
каркас из положительно заряженных ионов.
Металлическая связь между атомами ненаправленная. Каждый атом стремится
окружить себя как можно большим числом соседних атомов, следствием чего
является высокая компактность металлов.
Электроны,
образующие
электронный
газ,
называют
электронами
проводимости, поскольку они легко перемещаются во внешнем электрическом поле,
создавая электрический ток.
Недостроенность валентных энергетических зон металлов определяет их
высокую электропроводность, теплопроводность, металлический блеск и др. Все
металлы имеют положительный температурный коэффициент электрического
сопротивления, т.е. при T 0 К R 0 (у полупроводников и неметаллов при T 0
К R ).
По ряду характерных признаков металлы делят на две группы черные и
цветные. К черным относят железо и его сплавы (стали, чугуны). Остальные
металлы и сплавы на их основе - цветные.
Нередко к металлам железной группы относят Ni, Co и Mn.
Металлы с температурой плавления выше температуры 1800 0С называют
тугоплавкими. К ним принадлежат Ti, Zr, Cr, V, Nb, Mo, W и др.
Металлы с низкой температурой плавления (Hg, Sn, Bi, Cd, Pb, Zn, Sb и др.)
относят к легкоплавким.
К легким относятся металлы с низкой плотностью. К ним принадлежат
нашедшие широкое техническое применение Mg, Be, Al, Ti.
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Металлы (Ag, Au, Os, Ir, Pt, Rh, Pd и др.) составляют группу благородных. Они
химически инертны. К благородным металлам часто относят медь, обладающую
химической стойкостью в сухой атмосфере.
К редкоземельным металлам (РЗМ) относят металлы группы лантана лантаноиды (Ce, Pr, Nd и др.) и сходные с ними Y и Sc.
Группу урановых металлов составляют используемые в атомной технике
актиноиды (Th, Pa, U и др.).
Li, Na, K и др. (их используют в качестве теплоносителей в ядерных
реакторах) составляют группу щелочноземельных металлов.
Ряд металлов (Fe, Ni, Co, Gd), в связи с особенностями их электронного
строения, обладает ферромагнетизмом - способностью сильно намагничиваться во
внешнем магнитном поле. Основные свойства ферромагнетиков определяются
доменной структурой их кристаллов. Домен - это область кристалла размером 10-4 10-6
м,
которая
при
отсутствии
внешнего
магнитного
поля
спонтанно
(самопроизвольно) намагничена до насыщения. Магнитные моменты отдельных
доменов направлены различно, поэтому полный магнитный момент ферромагнетика
равен нулю.
1.2 Кристаллическое строение металлов и дефекты кристаллических
структур
Все металлы - кристаллические материалы. Положительно заряженные ионы,
образующие каркас металлического тела, совершают непрерывные тепловые
колебания около точек, закономерно расположенных в определенных местах
пространства. Эти точки являются узлами воображаемой пространственной
кристаллической решетки.
Наименьший объем кристалла, при трансляции которого по координатным
осям воспроизводится вся кристаллическая решетка, называется элементарной
кристаллической ячейкой. Ячейка, характеризуется параметрами a, b и c периодами
кристаллической
решетки
9
(расстояниями
между
атомами,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
расположенными на ребрах ячейки, направленных по осям x, y и z соответственно) и
углами между координатными осями -  (между осями x и z),  (между y и z), 
(между x и y).
Различают простые и сложные кристаллические решетки. В элементарной
ячейке простой решетки атомы (ионы) расположены только в вершинах
образующего ячейку многогранника. В сложных - они могут находиться также
внутри многогранника или на его гранях.
Металлы имеют сложные кристаллические решетки. В большинстве случаев это кубическая объемно-центрированная (ОЦК), кубическая гранецентрированная
(ГЦК) (рисунок 1.1) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ).
А – примитивная кубическая; В – объемноцентрированная кубическая;
С – гранецентрированная кубическая.
Рисунок 1.1 – Типы элементарной ячейки
В элементарной ячейке ОЦК атомы находятся в вершинах куба и внутри него,
в точке пересечения пространственных диагоналей. В ячейке ГЦК атомы
расположены в вершинах куба и в центре каждой грани. В ячейке ГПУ атомы
находятся в вершинах правильной шестигранной призмы, в центре каждого ее
основания и, кроме того, три атома заключены внутри призмы.
Размеры элементарной ячейки определяются размерами образующих ее
атомов. При этом полагают, что атомы, представляемые в виде жестких шаров,
касаются друг друга в направлениях ячейки с наиболее плотным их расположением.
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Во многих случаях в разных температурных интервалах один и тот же металл
обладает различными кристаллическими решетками. Такое явление носит название
полиморфизм или аллотропия.
Важными характеристиками кристаллической решетки являются коэффициент
компактности, координационное число, базис.
Коэффициент компактности - это отношение объема принадлежащих
кристаллической ячейке атомов к объему всей ячейки. Следует иметь в виду, что в
кристаллической решетке часть атомов, составляющих ячейку, относится не только
к данной ячейке, но и к ячейкам, находящимся по соседству. Например, атом,
расположенный в вершине кубической ячейки (простая кубическая, ОЦК, ГЦК)
принадлежит еще семи соседним ячейкам, т.е. данной ячейке принадлежит лишь 1/8
атома.
Коэффициент компактности простой кубической решетки равен 52 %, ОЦК 68 %, ГЦК - 74 % (столь же компактна решетка ГПУ). Остальное пространство
занято порами. В ячейке ГЦК в центре расположена крупная октаэдрическая пора с
радиусом, равным 0,41 радиуса атома. В ячейке ОЦК больших пор нет. Поры,
расположенные на ребрах ячейки, имеют радиус, равный 0,16 радиуса атома.
Координационное число - это число атомов, находящихся в кристаллической
решетке на равном наименьшем расстоянии от данного атома. Каждый атом простой
кубической решетки имеет 6 ближайших соседей, расположенных на расстоянии
длины ребра куба (на расстоянии периода решетки). Координационное число такой
решетки обозначают К6. В ОЦК решетке у каждого атома 8 ближайших соседей и
координационное число равно 8 (К8). В ГЦК и ГПУ решетках каждый атом имеет 12
ближайших соседей. Соответственно координационные числа К12 и Г12.
Чем
выше
координационное
число,
тем
плотнее
пространственная
кристаллическая решетка материала.
Базис
кристаллической
решетки
-
это
таблица
координат
атомов,
принадлежащих элементарной ячейке, рассматриваемой в пространственных
координатных осях. Базис простой кубической решетки (0,0,0), ОЦК - (0,0,0;
1/2,1/2,1/2), ГЦК - (0,0,0; 1/2,0,1/2; 0,1/2,1/2; 1/2,1/2,0).
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Пространственное положение кристаллографических плоскостей (плоскостей,
проходящих через определенные группы атомов кристаллической решетки), а также
кристаллографических
направлений
характеризуется
кристаллографическими
индексами.
Индексы плоскости - это три целых числа, заключенных в круглые скобки и
представляющих собой приведенные к целым числам значения обратных величин
отрезков, отсекаемых плоскостью на осях x, y, z (рисунок 1.2). За единицы длины
принимают параметры решетки a, b, c. Например, плоскость, включающая
пространственные диагонали куба, имеет индексы (101). Если плоскость отсекает
отрицательные отрезки, то знак минус ставится над соответствующим индексом.
Кристаллографические индексы отражают положение не только данной плоскости,
но целого семейства плоскостей, ей параллельных.
Рисунок 1.2 – Обозначение плоскостей элементарной ячейки
Индексы направлений - это три числа, заключенных в квадратные скобки и
представляющих собой приведенные к целым значениям координаты любой точки
направления после его параллельного переноса в начало координат. За единицы
длины принимают параметры кристаллической решетки. Например, направление,
совпадающее с пространственной диагональю куба, имеет индексы [111]. Если
направление имеет отрицательные координаты, то над соответствующим индексом
ставится знак минус.
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В
различных
направлениях
кристаллической
решетки
плотность
расположения атомов различна, что влечет за собой различие в свойствах кристалла
в зависимости от направления, в котором это свойство измерено - анизотропию. В
поликристаллических телах в пределах отдельных зерен наблюдается явление
анизотропии. Однако поскольку ориентация кристаллической решетки в различных
зернах различна, в целом по куску материала свойства усредняются. Поэтому
реальные металлы являются изотропными, т.е. телами с примерно одинаковыми
свойствами по всем направлениям. Поскольку их изотропность является не
истинной, а усредненной, то их принято называть квазиизотропами. Если какимлибо способом, например давлением, сориентировать кристаллические решетки в
зернах одинаково (создать текстуру деформации), то такое поликристаллическое
тело станет анизотропным.
Реальные кристаллы всегда содержат дефекты - искажения правильного
расположения
атомов
в
пространстве.
Различают
точечные,
линейные,
поверхностные и объемные дефекты.
Точечные дефекты по размерам сравнимы с межатомными расстояниями. К
дефектам относятся вакансии (отсутствие атома в узле кристаллической решетки),
межузельные, или дислоцированные атомы (атом находится в межузельном
пространстве кристаллической решетки) и примесные атомы. Среди последних
различают
атомы
замещения
(чужеродный
атом
занимает
место
в
узле
кристаллической решетки) и атомы внедрения (чужеродный атом находится в
межузельном пространстве решетки) (рисунок 1.3).
Линейные дефекты по размерам в двух направлениях сравнимы с
межатомными расстояниями, а в третьем простираются на многие тысячи периодов
кристаллической решетки. Важнейшими видами линейных несовершенств являются
краевые (линейные) и винтовые дислокации.
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а
б
а – межузельный атом; б – дислокация.
Рисунок 1.3 – Дефекты кристаллического строения
Образование краевых дислокаций вызвано присутствием в кристаллической
решетке неполных кристаллографических плоскостей. Такие полуплоскости, не
имеющие продолжения в нижней или верхней частях кристаллической решетки,
называются экстраплоскостями. Краевая дислокация представляет собой область
упругих
искажений,
проходящих
вдоль
края
экстраплоскости.
Различают
положительные и отрицательные дислокации. Положительная дислокация (ее
отмечают знаком ) возникает, если экстраплоскость находится в верхней части
кристалла, если в нижней - отрицательная (ее отмечают знаком T).
Винтовая дислокация - это область упругих искажений кристаллической
решетки, проходящая вдоль линии, вокруг которой атомные плоскости изогнуты по
винтовой поверхности. В зависимости от направления изгиба различают правые и
левые винтовые дислокации.
Дислокации (краевые и винтовые) не могут обрываться внутри кристалла. Они
выходят на границы кристалла, прерываются другими дислокациями или образуют
дислокационные петли.
Поверхностные
дефекты
малы
только
в
одном
направлении.
Они
представляют собой упругие искажения кристаллической решетки по границам
зерен или их фрагментов (блоков мозаичной структуры). Различают большеугловые
(высокоугловые) и малоугловые (низкоугловые) границы.
Большеугловые границы представляют собой области в несколько периодов
кристаллической
решетки
на
протяжении
14
которых
решетка
одной
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
кристаллографической ориентации переходит в решетку другой ориентации. Такое
строение имеют межзеренные границы.
Малоугловые
границы
представляют
собой
цепочки
дислокаций
(дислокационные стенки), отделяющие одну часть кристаллической решетки от
другой (один блок мозаичной структуры от другого). Плотность расположения
дислокаций зависит от угла между кристаллографическими плоскостями в соседних
блоках. Чем угол больше (в пределах до нескольких угловых градусов), тем чаще
расположены дислокации.
Объемные дефекты представляют собой искажения решетки, вызванные
наличием пор, трещин, раковин и других макронарушений непрерывности
кристаллической решетки.
1.3 Теория сплавов
1.3.1 Кристаллизация металлов
Кристаллизация - это переход жидкости в твердое (кристаллическое)
состояние. Как всякий спонтанный процесс, кристаллизация протекает при
термодинамических условиях, обеспечивающих снижение энергии Гиббса системы.
Кристаллизация складывается из двух элементарных процессов - зарождения
центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров. Скорость каждого из
процессов зависит от степени переохлаждения (n) жидкости относительно
равновесной температуры, т.е. температуры, при которой энергии Гиббса жидкого и
кристаллического состояний равны (рисунок 1.4). При n=0 образование зародышей
кристаллов
(центров
кристаллизации)
невозможно,
поскольку
равен
нулю
движущий фактор процесса (разность энергий Гиббса жидкого и твердого
состояний). С увеличением переохлаждения эта разность растет, вызывая
увеличение скорости возникновения центров (числа центров - ч. ц.) и скорости роста
кристаллов (с. к.). Однако с увеличением n снижается диффузионная подвижность
атомов, что вызывает торможение обоих элементарных процессов. При некотором
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
переохлаждении атомы становятся столь малоподвижными, что кристаллизация
полностью подавляется. Следует отметить, что металлы, из-за выделяющейся
скрытой теплоты кристаллизации, не склонны к таким степеням переохлаждения.
При небольших значениях n (при малых величинах ч. ц. и больших с. к.)
образуются крупнозернистые структуры. С увеличением переохлаждения структуры
измельчаются (ч. ц. возрастает быстрее, чем с. к.).
От степени переохлаждения зависит критический размер зародыша, т. е. такой
минимальный размер, при котором рост зародыша сопровождается снижением
энергии Гиббса системы. Зародыши, мельче критического, к росту не способны и
растворяются в жидкости. Чем больше степень переохлаждения жидкости, тем
меньше критическая величина зародыша.
а
б
Рисунок 1.4 – Зависимость энергии Гиббса от температуры (а) и зависимость
размера критического зародыша от энергии Гиббса (б)
При кристаллизации кристаллы, окруженные со всех сторон жидкостью,
имеют более или менее правильную геометрическую форму. При столкновении
растущих кристаллов форма нарушается, становится неправильной, так как рост
граней на участках соприкосновения прекращается. Такие искаженные кристаллы
называют кристаллитами или зернами. Таким образом, форма и размер
образовавшихся в результате кристаллизации зерен определяются условиями
столкновения растущих кристаллов.
В реальных условиях форма и размер образующихся кристаллов, помимо
условий столкновения, зависят от направления и скорости отвода теплоты,
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
температуры жидкого металла, вида и количества примесей (при росте кристаллов
на частицах примесей, играющих роль готовых центров, образование зародышей
называют
гетерогенным
в
отличие
от
гомогенного
-
самопроизвольного
образования). Нередко при кристаллизации возникают разветвленные древовидные
кристаллы, называемые дендритами.
1.3.2 Виды сплавов
Сплавами называют вещества, полученные сплавлением двух или нескольких
компонентов. По характеру взаимодействия компонентов различают сплавы:
механические смеси, твердые растворы, химические соединения, промежуточные
фазы.
При
образовании
механических
смесей
компоненты
химически
не
взаимодействуют и не растворяются друг в друге. Металлографический анализ
структуры обнаружит зерна каждого из входящих в состав сплава компонентов.
Механические свойства смесей линейно зависят от соотношения компонентов и
являются промежуточными между свойствами чистых компонентов.
В твердых растворах компоненты растворяются друг в друге не только в
жидком, ни и в твердом состояниях. Микроструктура таких сплавов состоит из
однородных зерен, имеющих кристаллическую решетку элемента растворителя.
Аббревиатура вида A(B) означает твердый раствор, состоящий из компонентов A и
B, причем компонент B растворен в кристаллической решетке компонента A.
Механические свойства твердых растворов нелинейно зависят от соотношения
компонентов. Они могут быть существенно выше (ниже) свойств любого из
образующих сплав компонентов.
Твердые растворы могут быть растворами замещения и растворами внедрения.
В растворах замещения атомы растворенного элемента замещают атомы элементарастворителя в узлах его кристаллической решетки, в растворах внедрения внедрены
в
межузельное
пространство.
Растворы
замещения
могут
быть
ограниченными и неограниченными (непрерывными). В кристаллической решетке
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
неограниченных твердых растворов A(B) атомы растворенного элемента B могут
полностью заместить атомы растворителя A (компоненты A и B изоморфны)
(рисунок 1.5). В данном случае невозможно установить какой из элементов является
растворителем,
а
какой
растворенным
веществом.
Поэтому
аббревиатуры
неограниченных растворов A(B) и B(A) идентичны.
а
б
Рисунок 1.5 – Твердые растворы замещения (а) и внедрения (б)
Сплав "химическое соединение" образуется при определенном соотношении
компонентов. Ему может быть приписана химическая формула, например AmBn,
где m и n - количество атомов компонентов A и B, образующих соединение
(стехиометрические
коэффициенты).
Соединение
имеет
собственную
кристаллическую решетку, отличную от решеток образовавших его элементов.
Механические свойства сплава сильно отличаются от свойств каждого компонента.
1.3.3 Диаграммы состояния
Диаграммы состояния в графической форме показывают равновесный
фазовый состав сплавов в зависимости от температуры и концентрации
компонентов.
Общие закономерности существования фаз в равновесных условиях в
математической форме выражаются правилом фаз Гиббса:
C = K - F + 1,
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где K - число компонентов, образующих систему,
F - число фаз,
C - число степеней свободы.
Компонентами называют вещества, образующие систему. Фаза - это
однородная часть системы, отделенная от других частей (фаз) поверхностью
раздела, при переходе через которую свойства вещества меняются скачком.
Под степенями свободы понимают внешние и внутренние факторы
(температура, концентрация), которые можно изменять, не выводя систему из
данного фазового состава.
При построении диаграмм состояния используют кривые охлаждения сплавов,
полученные при термическом анализе. По точкам перегиба и температурных
остановок, вызванных тепловым эффектом превращений, определяют температуры
фазовых превращений.
Диаграммы состояния строят в координатах "температура-концентрация
компонентов".
Однокомпонентная диаграмма представляет собой температурную шкалу с
нанесенными на нее точками фазовых превращений.
Двухкомпонентная диаграмма помимо температурной оси (оси ординат),
имеет ось концентраций (ось абсцисс). Один конец оси абсцисс соответствует
чистому компоненту, например A, другой - B. Все промежуточные точки оси
соответствуют сплавам с различным соотношением компонентов.
Трехкомпонентные диаграммы имеют вид трехгранной равносторонней
призмы, в основании которой лежит концентрационный треугольник, а ребра
являются температурными осями. Вершины концентрационного треугольника
соответствуют чистым компонентам, стороны - концентрационным осям двойных
систем, точки внутри треугольника - тройным сплавам. При определении
концентрации компонентов в тройном сплаве через заданную точку (фигуративную
точку) треугольника проводят линии, параллельные его сторонам. Отрезок линии,
заключенный между фигуративной точкой и стороной треугольника, отнесенный к
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
длине стороны, равен содержанию компонента (в долях единицы), которому
соответствует вершина, противолежащая стороне.
Диаграмма, подобная представленной на рисунке 6а, называется диаграммой с
неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Линия
диаграммы AcB называется линией ликвидус. Выше этой линии все сплавы
существуют в виде однофазного жидкого раствора (L). Линия AfB - линия солидус.
Ниже нее все сплавы находятся в твердом состоянии (в данном случае в виде
неограниченного твердого раствора альфа). Между линиями AcB и AfB сплавы
имеют двухфазный состав (L + альфа).
На рисунке 1.6б представлена диаграмма с отсутствием растворимости
компонентов в твердом состоянии. Здесь линия ACB - ликвидус, DCE – солидус
(рисунок 1.6). Кристаллизация всех сплавов этой системы заканчивается на линии
DCE эвтектическим превращением остатка жидкой фазы в механическую смесь
кристаллов компонентов A и B. Образовавшаяся таким образом смесь называется
эвтектической или эвтектикой. Сплав, кристаллизация которого начинается
непосредственно
с
эвтектического
превращения
(в
данном
случае
сплав,
фигуративная линия которого проходит через точку C), называется эвтeктическим.
а
б
Рисунок 1.6 - Диаграмма состояния сплава с неограниченной растворимостью
компонентов в твердом состоянии (а) и с отсутствием растворимости компонентов в
твердом состоянии (б)
На рисунке 1.7 представлена диаграмма с ограниченной растворимостью
компонентов в твердом состоянии (диаграмма с эвтектикой). Помимо линий
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ликвидус и солидус (ACB и ADCEB) диаграмма содержит линии DF и EG
предельной растворимости компонента B в твердом растворе альфа (A(B)) и
компонента A в твердом растворе бета (B(A)) соответственно. Кристаллизация,
например сплава "c", начинается после пересечения линии ликвидус с выделения
кристаллов твердого раствора бета. Затем при пересечении линии DCE (линии
эвтектики) образуется эвтектическая смесь из твердых растворов альфа и бета. При
дальнейшем охлаждении, в связи с уменьшением растворимости компонента A в B
(A) выделяются кристаллы твердого раствора альфа, богатого компонентом A. В
конечном счете структура сплава представлена первичными кристаллами бета,
эвтектикой (альфа + бета) и вторичными кристаллами альфа.
Рисунок 1.7 - Диаграмма состояния сплава с ограниченной растворимостью
компонентов в твердом состоянии
На рисунке 1.8 представлена диаграмма с ограниченной растворимостью
компонентов в твердом состоянии (диаграмма с перитектикой). Перитектическое
превращение протекает на линии CDE. Существо его состоит в том, что кристаллы
твердого раствора альфа, выделившиеся при охлаждении ниже линии AE,
взаимодействуют с остатком жидкой фазы, следствием чего является образованием
твердого раствора бета.
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 1.8 - Диаграмма состояния сплава с ограниченной растворимостью
компонентов в твердом состоянии
Диаграммы с устойчивым химическим соединением имеют вид двух или
нескольких диаграмм, приложенных друг к другу по фигуративной линии
химического соединения. Диаграммы с неустойчивым химическим соединением
внешне напоминают диаграмму с перитектикой, однако вместо твердого раствора
здесь образуется химическое соединение (границы твердого раствора как бы
стягиваются в одну вертикальную линию).
Вид диаграмм состояния, в которых компоненты испытывают полиморфные
превращения, зависит от характера взаимодействия аллотропических модификаций
компонентов. В ряде случаев они напоминают обычные диаграммы, расположенные
этажами. Нередко в таких системах встречаются превращения, сходные по виду с
эвтектическим, но с распадом не жидкости, а твердого раствора.
Превращение подобного типа, в отличие от эвтектического, называют
эвтектоидным.
1.4 Механические свойства, деформация и рекристаллизация металлов
Материал при приложении к нему внешних сил деформируется. Деформация
может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической,
остающейся после прекращения действия приложенных сил. При упругом
деформировании атомы обратимо смещаются от положения равновесия. При
пластическом - атомы обмениваются местами, вследствие чего деформация
становится необратимой.
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При пластическом деформировании скольжение в кристаллической решетке
происходит по плоскостям с наибольшей плотностью расположения атомов (с
наибольшей ретикулярной плотностью). Например, в решетке ГЦК такими
плоскостями является {111}, в ОЦК - {110}. (Фигурными скобками обозначается
совокупность плоскостей с одинаковым атомным строением. Например, {110}
включает эквивалентные плоскости (110), (101), (011) и др.).
На свойства металлов большое влияние оказывает их дислокационная
структура. Прочность бездислокационных кристаллов (теоретическая прочность) в
сотни раз превышает прочность реальных материалов. При плотности дислокаций
порядка
106-108
см-2,
характерной
для
чистых
неупрочненных
металлов,
сопротивление деформированию наименьшее. При увеличении плотности сверх
указанных значений подвижность дислокаций снижается, что воспринимается нами
как рост прочности. Эффективными способами повышения плотности дислокаций
(и других дефектов) и снижения их подвижности являются легирование,
пластическое
деформирование
(деформационное
упрочнение),
упрочняющая
термическая и химико-термическая обработка.
Состояние
пластически
деформированного
металла
термодинамически
неустойчиво. Переход в более стабильное состояние происходит при нагреве.
Процессы, протекающие при нагреве, подразделяют на две основные стадии:
возврат и рекристаллизация.
Под возвратом понимают все изменения кристаллического строения и
связанных
с ним свойств. При возврате различают стадии: отдых и
полигонизация. Отдых охватывает изменения в тонкой структуре (в основном
уменьшение количества точечных дефектов). Полигонизация - процессы
образования субзерен с малоугловыми границами, возникшими при скольжении и
переползании дислокаций.
Под рекристаллизацией понимают группу явлений, охватывающих процессы
зарождения и роста новых зерен с меньшим количеством дефектов строения. Размер
рекристаллизованных зерен зависит от величины перегрева выше температурного
порога рекристаллизации и от степени предшествующей деформации. Степень
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
деформации (обычно от 3 % до 8 %), при которой нагрев деформированного тела
приводит к гигантскому росту рекристаллизованных зерен, называется критической.
Температура рекристаллизации зависит от температуры плавления металла и
определяется по формуле: Трекр = а  Тпл, где Трекр и Тпл - абсолютные температуры
рекристаллизации и плавления; а - коэффициент, зависящий от чистоты металла.
Чем чище металл, тем коэффициент меньше.
Если деформирование металла ведут при температуре, ниже температуры
рекристаллизации, то такую обработку называют холодной. При холодной
обработке металл деформационно упрочняется. При обработке ведущейся выше
температуры рекристаллизации упрочнение снимается рекристаллизационными
процессами. Такая обработка называется горячей.
Механическими
называют
свойства
материала,
определяющие
его
сопротивление действию внешних механических нагрузок.
Прочность
металла
при
статическом
нагружении
-
это
свойство,
определяющее его способность сопротивляться деформации и разрушению.
Стандартными характеристиками прочности являются предел упругости, предел
текучести и временное сопротивление.
Пределом упругости называют напряжение, при котором пластическая
деформация достигает заданной малой величины, установленной условиями
(например 0,005 % - 0,005).
Предел текучести (условный) - это напряжение, которому соответствует
пластическая деформация 0,2 % (0,2). Предел текучести физический устанавливают
по диаграмме растяжения, если на ней есть площадка текучести.
Временное сопротивление (в) характеризует максимальное напряжение,
предшествующее разрушению образца. Различают напряжения условные и
истинные. Условным напряжением называют отношение величины нагрузки к
исходному сечению образца; истинным - к сечению, которое образец приобрел к
моменту достижения данной нагрузки. Диаграммы растяжения пластичных
металлов с условными напряжениями отличаются от диаграмм с истинными
напряжениями.
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Конструктивную прочность материала характеризует комплекс механических
свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу в условиях эксплуатации.
Конструктивная прочность определяется критериями прочности, надежности и
долговечности.
К критериям прочности при статических нагрузках относят в (при оценочных
расчетах пластичных материалов используют твердость) или 0,2, модуль упругости.
В некоторых случаях имеют значение удельные характеристики, критерии
жаропрочности.
Твердость характеризует свойство поверхностного слоя материала оказывать
сопротивление упругой и пластической деформации при местных контактных
воздействиях.
Удельные механические свойства (удельная прочность, удельная жесткость)
характеризуют эффективность материалов по массе и представляют собой
отношение соответствующих характеристик материала к его плотности.
Жаропрочные
материалы
характеризуются
длительной
прочностью
и
ползучестью. Под пределом длительной прочности понимают напряжение,
вызывающее разрушение материала при заданной температуре за определенное
время. Пределом ползучести называют напряжение, вызывающее заданную
скорость деформации при заданной температуре.
Надежностью называют способность материала противостоять хрупкому
разрушению.
Важными
критериями
надежности
являются
пластичность
(относительное удлинение - , относительное сужение - ), вязкость разрушения
(К1с), ударная вязкость (KCU, KCV, KCT), хладноломкость.
 и  характеризуют изменения геометрических параметров стандартных
образцов при напряжении, вызывающем разрушение.
Критерий К1с показывает какой интенсивности достигает напряжение вблизи
вершины трещины в момент разрушения.
Ударная вязкость - это сопротивление разрушению при динамических
нагрузках.
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Хладноломкость определяет влияние снижения температуры на склонность
материала к хрупкому разрушению. Порог хладноломкости характеризуется
температурой или интервалом температур перехода металла в хрупкое состояние.
Хрупкий излом имеет кристаллическое строение. Обычно в изломе можно видеть
форму и размер зерен, так как излом происходит без значительной пластической
деформации и зерна при разрушении металла не искажаются.
Долговечностью называют способность материала детали сопротивляться
развитию постепенного разрушения, обеспечивая ее работоспособность в течение
заданного времени.
Одним из критериев долговечности является выносливость, под которой
понимают способность материала сопротивляться усталости, или постепенному
накоплению повреждений под действием циклически повторяющихся нагрузок.
Усталостный излом всегда имеет две зоны разрушения: усталостную зону
предварительного разрушения с мелкозернистым, часто ступенчатослоистым
строением, иногда с отдельными участками блестящей поверхности, и зону долома,
носящую характер вязкого или хрупкого (в зависимости от свойств металла)
разрушения.
При циклическом нагружении разрушение начинается в местах концентрации
напряжений (деформации), локализующихся на различного рода повреждениях
поверхностного слоя. Поверхностное упрочнение (химико-термическая обработка,
поверхностная закалка, пластическое деформирование) эффективно снижает роль
концентраторов, затрудняя деформацию поверхности деталей.
1.5 Железоуглеродистые сплавы (структурный и фазовый составы)
К железоуглеродистым относятся сплавы, основными компонентами которых
являются железо и углерод. Железо обладает температурным полиморфизмом и
может существовать в двух аллотропических модификациях: в виде железа-альфа с
ОЦК и железа-гамма с ГЦК кристаллическими решетками. С углеродом железо
образует твердые растворы и химическое соединение. Структурный и фазовый
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
состав железоуглеродистых сплавов описывается диаграммой железо-углерод.
Диаграмму отражают в координатах температура – массовая доля элемента (С) в
виде линий и точек границы областей устойчивости фаз в сплавах железа с
углеродом (рисунок 1.9). Они охватывает области твердого и твердо-жидкого
состояний. Фазовые превращения в сталях отражает диаграмма состояния Fe-Fe3C.
Фазовые превращения в высокоуглеродистых сплавах – чугунах – развиваются
согласно диаграмме Fe-C.
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 1.9 – Диаграммы состояний железо-цементит и железо-углерод.
Сплошные линии – метастабильная система железо-цементит (Fe – Fe3C),
пунктирные линии – стабильная система железо – углерод (Fe – C)
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Твердый раствор внедрения углерода в альфа - железе называется ферритом.
Растворимость углерода в нем очень мала (максимум 0,02 % при температуре
727 оС). Феррит обладает низкой твердостью и высокой пластичностью.
Твердый раствор внедрения углерода в гамма - железе называется аустенитом.
Максимум растворимости углерода в аустените 2,14 % (при t=1147
о
С). В
равновесном состоянии аустенит существует лишь выше 727 оС. Он обладает
высокой пластичностью и низкой твердостью.
Железо образует с углеродом химическое соединение Fe3C, называемое
цементитом. Цементит очень тверд и хрупок.
Железоуглеродистые сплавы с концентрацией углерода, не превышающей
2,14 %, называют сталями, с более высокой - чугунами. Кристаллизация сталей
завершается на линии AHIE диаграммы Fe-Fe3C. На линии HIB протекает
перитектическая реакция.
По равновесной структуре стали в зависимости от содержания углерода
подразделяют
на
техническое
железо
(С

0,02
%),
доэвтектоидные
(0,02 < С < 0,8 %), эвтектоидные (С = 0,8 %) и заэвтектоидные стали
(0,8 < С  2,14 %).
В структуре технического железа присутствуют феррит и третичный
цементит, выделяющийся при охлаждении сплава ниже 727 оС из феррита.
Структура доэвтектоидной стали состоит из феррита и перлита. Перлит - это
эвтектоид - механическая смесь феррита и цементита, образующаяся в результате
эвтектоидной реакции из аустенита при охлаждении сплавов ниже 727 оС (линии
PSK диаграммы Fe-Fe3C). Перлит содержит 0,8 % углерода. По относительному
количеству перлита можно судить о содержании углерода в сплаве. Для этого
достаточно перемножить долю видимой на микрошлифе площади, занятой
перлитом, на 0,8.
Эвтектоидная сталь содержит 0,8 % углерода. Структура ее полностью
состоит из перлита.
В структуре заэвтектоидной стали содержатся перлит и вторичный цементит,
выделяющийся при охлаждении сплава в интервале температур от 1147 оС до 727 оС
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
из аустенита в соответствии с линией предельной растворимости SE диаграммы FeFe3C.
Чугуны в системе Fe-Fe3C называют белыми. Эти сплавы содержат углерод
исключительно в химически связанном состоянии в виде Fe3C.
Кристаллизация белых чугунов завершается эвтектическим превращением при
температуре ниже 1147
о
С (линия ECF диаграммы Fe-Fe3C) с образованием
эвтектики, называемой ледебуритом и представляющей собой механическую смесь
аустенита и цементита. При охлаждении ниже 727
о
С аустенит претерпевает
эвтектоидное превращение и ледебурит становится смесью перлита и цементита.
По
равновесной структуре чугуны
подразделяют на доэвтектичекие,
эвтектические и заэвтектические.
Содержание углерода в доэвтектическом чугуне может находиться в пределах
от 2,14 % до 4,3 %. Структура его состоит из перлита, вторичного цементита и
ледебурита.
Эвтектический чугун содержит 4,3 % углерода. Структура его состоит
полностью из ледебурита.
В заэвтектическом чугуне содержится более 4,3 % углерода (до 6,67 %). Его
структура состоит из первичного цементита, выделившегося из жидкости, и
ледебурита.
Чугуны
геометрической
со
структурно
формы
свободным
графитных
углеродом
включений
в
называют:
зависимости
серыми
от
(графит
пластинчатой формы), ковкими (графит хлопьевидной формы), высокопрочными
(графит шаровидной формы). Металлическая основа чугунов может быть
ферритной, ферритно-перлитной и перлитной. В ферритных чугунах (чугунах с
ферритной металлической основой) нет углерода, связанного в Fe3C. В перлитных 0,8 % углерода связано в цементит. При одинаковой металлической основе
механические свойства чугунов возрастают от серого к высокопрочному.
Серые чугуны получают при охлаждении отливок с обычными скоростями,
характерными для песчаных форм (при больших скоростях получают белый чугун).
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Маркируют чугуны буквами СЧ и числом, обозначающем временное сопротивление
в в кг/мм2 (в десятых долях МН/м2).
Ковкие чугуны получают путем длительного графитизирующего отжига
белых чугунов. Маркируют ковкий чугун буквами КЧ и двумя числами, первое из
которых - в в кг/мм2, второе - относительное удлинение  в %.
Высокопрочные чугуны получают путем модификации жидкого сплава
магнием или церием. Маркируют чугуны буквами ВЧ и числом, обозначающим в в
кг/мм2.
1.6
Теория
термообработки.
Термическая
и
химико-термическая
обработка сталей
Термической называют обработку, связанную с нагревом и охлаждением
металла с целью изменения его структуры.
Температурные режимы термообработки сталей связаны с диаграммой FeFe3C. Равновесные температуры, отвечающие положению линий PSK, GS и SE
диаграммы, обозначают A1, A3 и Am соответственно. При нагреве неравновесные
температуры превращений обозначают: перлита в аустенит – Ac1, превращений,
связанных с получением однофазной аустенитной структуры, - Ac3 (для
доэвтектоидных сталей), Acm (для заэвтектоидных). При обычных скоростях
нагрева
неравновесные
температуры
на
30-50 оС
выше
соответствующих
равновесных.
В зависимости от склонности аустенитного зерна при нагреве к росту
различают наследственно крупнозернистые (зерно склонно к росту) и наследственно
мелкозернистые (зерно не склонно к росту) стали. Свойства стали, возникшие в
результате той или иной обработки, определяются реально образовавшимся зерном действительным зерном. Наследственная зернистость должна учитываться при
назначении режимов обработки, влияющей на размер получаемого действительного
зерна, например, при закалке, отжиге.
Основными видами термической обработки сталей являются отжиг (первого и
второго рода), закалка, отпуск.
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Отжиг состоит в нагреве металла, выдержке и последующем медленном
охлаждении (вместе с печью). Отжиг приближает металл к равновесию.
Отжиг первого рода проводят для получения более равновесной, чем
исходная, структуры, не связывая эту цель с наличием или отсутствием фазовой
перекристаллизации.
Примерами
отжига
первого
рода
являются
рекристаллизационный отжиг, диффузионный отжиг.
При рекристаллизационном отжиге деформационно упрочненный металл
нагревают несколько выше температурного порога рекристаллизации. В результате
отжига материал приобретает такие же механические свойства, какие он имел до
деформации.
Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг проводят при нагреве до высоких
температур (применительно к сталям - значительно выше Ac3 или Acm),
предполагающих интенсивную диффузию атомов. Такому отжигу подвергают,
например, отливки для устранения дендритной ликвации (гомогенизации сплава).
При отжиге второго рода непременно протекает, хотя бы частичная, фазовая
перекристаллизация. К отжигу второго рода относятся неполный отжиг, полный
отжиг.
При неполном отжиге нагрев ведут до температуры Ac1 (ниже Ac3 или Acm).
Происходит
частичная
перекристаллизация
сплава
(меняется
перлитная
составляющая). Чаще неполный отжиг применяют для заэвтектоидных сталей
(сфероидизирующий отжиг).
При полном отжиге сталь нагревают до Ac3 или Acm. Происходит полная
перекристаллизация сплава.
Закалка состоит в нагреве сплавов выше температур фазовых превращений и
последующем быстром охлаждении, фиксирующем их высокотемпературное
состояние
(истинная
закалка)
или
состояние,
промежуточное
между
высокотемпературным и равновесным, характерным для нормальной температуры.
Теоретическая возможность осуществления закалки определяется видом
диаграммы состояния системы, которой принадлежит сплав. Необходимо, чтобы
при
нагреве
он
испытывал,
хотя
32
бы
частичную,
твердофазовую
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
перекристаллизацию. При закалочных скоростях охлаждения диффузионные
процессы в металле в значительной степени подавлены, и, следовательно, фазовые
превращения не могут не отличаться от равновесных. (Отставание диффузионных
процессов в твердой фазе при неравновесном охлаждении даже при кристаллизации
из жидкого расплава приводит к разнородности состава кристаллов в центре и на
периферии).
Применительно к сталям нагрев при закалке обычно ведут до температуры Aс3
(доэвтектоидные стали) и Ac1 (заэвтектоидные стали). Если нагрев ведется до
температур Ac3 или Acm, то такая закалка называется полной, если до Ac1 неполной.
В зависимости от скорости охлаждения существуют два принципиально
различных способа закалки - закалка на ферритно-цементитные смеси и закалка на
мартенсит. При охлаждении со скоростью, ниже критической, т.е. такой
минимальной
скорости,
которая
необходима
для
образования
мартенсита,
возникают структуры перлитного типа (перлит, сорбит, троостит, бейнит). Сорбит и
троостит отличаются от перлита и друг от друга степенью дисперсности (троостит
дисперснее сорбита, а последний - перлита). Чем структура дисперснее, тем выше ее
механические свойства.
Охлаждение со скоростью выше критической ведет к превращению аустенита
в мартенсит. Суть превращения состоит в перестройке кристаллической решетки
аустенита (ГЦК) в решетку феррита (ОЦК). При этом углерод, растворенный в
аустените, оказывается полностью в решетке феррита. Таким образом, мартенсит
представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в феррите.
Кристаллическая решетка мартенсита - тетрагональная (искаженная решетка
феррита с увеличенным параметром с).
Если при полной закалке (полном отжиге) охлаждение нагретой заготовки
ведут на спокойном воздухе, то такая термическая обработка называется
нормализацией.
Большинство легирующих элементов, растворенных в аустените, повышают
его временную устойчивость, сдвигая С-образные кривые изотермического
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
превращения аустенита вправо по координатной оси времени. При этом критическая
скорость закалки уменьшается. (В сталях мартенситного типа этого уменьшения
оказывается достаточно, чтобы уже при нормализации получить мартенситную
структуру).
Мартенситное превращение протекает по бездиффузионному, сдвиговому
механизму. Под действием напряжений, возникающих при быстром охлаждении
сплава, в кристаллической решетке аустенита происходит сдвиг по плоскостям
легкого скольжения {111} с одновременной    перестройкой. Отличительными
особенностями мартенситного превращения являются бездиффузионность и
ориентированность (иглы мартенсита находятся под определенными углами
относительно друг друга в соответствии с расположением плоскостей легкого
скольжения в аустените).
Мартенситное превращение не захватывает всю аустенитную структуру. Часть
аустенита сохраняется в закаленной стали. Такой аустенит называют остаточным.
Количество остаточного аустенита определяется режимами термической обработки
и зависит от температур начала и конца мартенситного превращения.
Мартенсит - самая твердая структура, образующаяся при термообработке
сталей. Чем больше в нем углерода, тем он тверже.
Как отмечено ранее, заэвтектоидные стали, в отличие от доэвтектоидных,
подвергают неполной закалке. Это объясняется тем, что избыточная фаза
заэвтектоидных сталей (цементит) обладает высокой твердостью и наличие
дисперсных включений цементита повышает износостойкость стали. Нагрев до Acm
привел бы к растворению цементита и, кроме того, к укрупнению аустенитного
зерна,
а,
следовательно,
крупноигольчатого
к
мартенсита,
возникновению
обладающего
после
закалки
пониженными
структуры
механическими
свойствами. Если неполной закалке подвергнуть доэвтектоидную сталь, то
избыточная фаза (феррит), имеющая малую твердость, понизит механические
свойства закаленного сплава.
Температура начала мартенситного превращения не зависит от скорости
охлаждения, но определяется составом сплава. Углерод и большинство легирующих
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
элементов сдвигают точки начала и конца превращения к более низким
температурам.
Мартенсит - термодинамически неустойчивая структура. Нагрев, повышая
подвижность атомов, приводит к образованию более устойчивых структур
(троостит, сорбит, перлит). С повышением температуры снижается твердость и
возрастает пластичность сплава.
Термическая
обработка,
состоящая
в
нагреве
закаленной
стали
до
температуры ниже A1, выдержке и последующем охлаждении с произвольной
скоростью, называется отпуском. Чем выше нагрев, тем в большей степени
структура приближается к равновесной. Различают три вида отпуска: низкий (t =
150-250 оС), средний (t = 350-500 оС) и высокий (t = 500-680 оС).
Сочетание закалки и высокого отпуска называют улучшением, а стали,
предназначенные для такой обработки (среднеуглеродистые стали), - улучшаемыми.
В некоторых случаях нагрев при отпуске заменяют длительной выдержкой
при нормальной температуре. Такая обработка называется старением. Если старение
проводят с небольшим нагревом, то его называют искусственным.
Обычно при среднем отпуске образуется трооститная структура, при высоком
- сорбитная. От одноименных структур закалки троостит и сорбит отпуска
отличается тем, что цементитные частицы в них имеет зернистую форму (в
структурах закалки - пластинчатую).
Большинство легирующих элементов сдерживают мартенситное превращение,
сдвигая его в область более высоких температур.
Следует
различать
термины
"закаливаемость"
и
"прокаливаемость".
Закаливаемость - это способность металла повышать твердость при закалке.
Прокаливаемость - это глубина, на которую распространяется закаленная область.
При сквозной прокаливаемости свойства материала однородны и достаточно высоки
по всему сечению. Количественно прокаливаемость оценивается критическим
диаметром, под которым понимают наибольший диаметр прутка, прокаливающегося
насквозь (в центре возникает полумартенситная структура, состоящая на 50 % из
троостита и на 50 % из мартенсита) в данном охладителе. Чем больше скорость
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
теплоотвода (охлаждения), тем на большую глубину прокаливается изделие.
Поэтому критический диаметр при охлаждении в воде больше, чем в масле, и тем
более больше, чем на воздухе. Особенно сильно увеличивают прокаливаемость
сталей легирующие элементы (кроме кобальта), растворенные в аустените.
Критический диаметр зависит от критической скорости закалки. Чем скорость
меньше, тем больше диаметр.
В ряде случаев применяют закалку, при которой высокому нагреву
подвергают лишь поверхностный слой материала (поверхностная закалка). В
результате поверхностной закалки изделие приобретает высокую поверхностную
твердость, сердцевина же остается вязкой. Широко применяют закалку с
индукционным нагревом токами высокой частоты (ТВЧ). Чем выше частота тока,
тем тоньше слой, в котором индуцируются токи, и тем тоньше окажется закаленный
слой.
Обработка,
при
которой
металл
нагревают
в
специальных
средах,
изменяющих химический состав поверхностного слоя, называется химикотермической (ХТО). Распространенными видами ХТО сталей являются цементация
(насыщение поверхностного слоя изделия углеродом), азотирование (насыщение
азотом), нитроцементация и цианирование (насыщение азотом и углеродом
одновременно).
Режимы
химико-термической
обработки,
состоящей
в
диффузионном
насыщении металла А компонентом В определяются видом диаграммы состояния
системы А-В. Термодинамически такая обработка возможна, если в диаграмме
имеется высокотемпературная область значительной растворимости компонента В в
компоненте А.
Например, цементация сталей проводится в аустенитной области диаграммы
состояния Fe-Fe3C. Цементации подвергают низкоуглеродистые стали (цементуемые
стали). В качестве насыщающих сред (при цементации такие среды называют
карбюризаторами) используют древесный уголь с добавками углекислых солей;
углеродсодержащие газы; расплавы солей с добавками карбидов. Максимальное
возможное насыщение поверхностного слоя определяется линией SE диаграммы 36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
линией предельной концентрации углерода в аустените. При охлаждении
цементованной стали от температуры цементации сталь испытывает эвтектоидное
превращение вследствие чего насыщенный углеродом слой (диффузионный слой)
приобретает сложную структуру: на поверхности - перлит + цементит, глубже перлит и затем - перлит + феррит. Конечная цель цементации - получение
высокотвердого
поверхностного
слоя
при
сохранении
вязкой
сердцевины
достигается последующей (после насыщения углеродом) закалкой и низким
отпуском. После термообработки поверхностный слой изделия состоит из
высокоуглеродистого мартенсита, сердцевина - из низкоуглеродистого вязкого
мартенсита (при достаточной прокаливаемости) или сохраняет ферритно-перлитную
структуру доэвтектоидной стали.
ХТО, состоящую в диффузионном насыщении поверхностного слоя азотом и
углеродом и проводимую в расплавленных солях, содержащих группу CN,
называют цианированием.
Если насыщение азотом и углеродом осуществляется в газовой фазе,
состоящей из азот- и углеродсодержащих газов, то такая химико-термическая
обработка называется нитроцементацией.
1.7 Классификация и маркировка сталей и сплавов
По химическому составу стали классифицируют на углеродистые и
легированные. Последние в свою очередь подразделяют на хромистые, никелевые,
хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и т. д. Классификационным признаком
является наличие в стали тех или иных легирующих элементов.
По равновесному составу стали классифицируют на доэвтектоидные,
содержащие менее 0,8 % углерода, эвтектоидные (0,8 % С), заэвтектоидные (более
0,8 % С) и ледебуритные. Последние представляют собой высоколегированные
сплавы, в литой структуре которых имеется эвтектика.
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
По степени раскисленности стали классифицируют на кипящие (раскисленные
только марганцем), полуспокойные (раскисленные марганцем и кремнием) и
спокойные (раскисленные марганцем, кремнием и алюминием). Кипящие стали
характеризуются пониженной плотностью отливки, низким содержанием кремния и
повышенной
пластичностью.
Спокойные
стали
дают
плотную
отливку.
Полуспокойные - занимают промежуточное положение между кипящими и
спокойными. Кипящие стали обозначают индексом кп, полуспокойные - пс,
спокойные - сп.
По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного качества,
качественные,
высококачественные
и
особовысококачественные.
Основным
критерием качества является содержание в стали серы и фосфора. Например, в
качественных сталях предельное содержание S и P не должно превышать 0,035 %
(каждого элемента), в высококачественных - 0,025 %.
По
назначению
стали
классифицируют
на
конструкционные,
инструментальные и стали с особыми свойствами.
Стали обыкновенного качества маркируют буквами Ст и однозначным числом
0, 1, 2, ...6 - номером сплава. Чем число больше, тем выше среднее содержание
углерода в стали. Информацию о количественном химическом составе сплава марка
не содержит. После цифры может стоять индекс раскисленности. Например, Ст6сп сталь обыкновенного качества спокойная номер 6.
Углеродистые конструкционные качественные стали маркируют двузначным
числом, показывающим среднее содержание углерода, выраженное в сотых долях
процента. Например, сплав марки 30 соответствует качественной стали, содержащей
0,30 % углерода. Иногда марки низкоуглеродистых сталей содержат индекс
раскисленности кп или пс (спокойные стали маркируют без индекса). Например
08кп - углеродистая конструкционная качественная кипящая сталь, содержащая 0,08
% углерода.
Низкоуглеродистые листовые стали 05, 08, 10 используют, главным образом,
для изделий, получаемых холодной штамповкой (холоднодеформируемые стали).
Низкоуглеродистые стали 15, 20, 25 чаще применяют для деталей, упрочняемых
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
цементацией (цементуемые стали). Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50, 55
используют для самых разнообразных деталей машиностроения в улучшенном,
нормализованном или поверхностно закаленном состоянии (улучшаемые стали).
Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70, 75, 80, 85 преимущественно применяют для
изготовления силовых упругих элементов - плоских и круглых пружин, рессор,
упругих колец и других деталей пружинного типа (рессорно-пружинные стали).
Углеродистые инструментальные стали маркируют буквой У (углеродистая) и
числом, соответствующим содержанию углерода, выраженному в десятых долях
процента. Например У8А - углеродистая инструментальная сталь, содержащая 0,8 %
углерода. Буква А показывает, что сталь высококачественная.
Легированные конструкционные стали маркируют цифрами и буквами.
Двузначное число, стоящее в начале марки, соответствует среднему содержанию
углерода в сотых долях процента. Буквы указывают на наличие легирующих
элементов: Б - Nb, В - W, Г - Mn, Д - Cu, Е - Se, К - Co, М - Mo, Н - Ni, П - P, Р - B, С
- Si, Т - Ti, Ф - V, Х - Cr, Ц - Zr, Ч - редкоземельный элемент, Ю - Al. Число, стоящее
после буквы, показывает примерное процентное содержание легирующего элемента,
символизируемого этой буквой. Отсутствие числа указывает, что среднее
содержание соответствующего элемента не превышает 1,0-1,5 %. Буква А в конце
марки показывает, что сталь высококачественная (А внутри марки соответствует
легирующему элементу - азоту), буква Ш - особовысококачественная. Например,
сплав марки 20ХН3А - конструкционная высококачественная сталь, содержащая (в
среднем) 0,20 % С, 3 % Ni и не более 1,5 % Cr.
"А" в начале марки указывает, что сталь автоматная, т.е. обладающая хорошей
обрабатываемостью резанием. Такие стали имеют повышенное содержание серы.
Кроме того они могут быть дополнительно легированы свинцом, селеном или
кальцием. Например, А20 - сернистая автоматная углеродистая (~ 0,2 % С) сталь;
АЦ30 - углеродистая (~ 0,3 % С) кальцийсодержащая с добавками свинца и теллура
автоматная сталь; АС14ХГН - свинцовистая автоматная легированная сталь,
содержащая ~ 0,14 % С, повышенное количество серы, легированная свинцом, а
также хромом, марганцем и никелем (Cr, Mn и Ni не более 1,0-1,5 % каждого).
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Каждый
из
легирующих
элементов
вносит
определенный
вклад
в
характеристики сталей. Например, никель увеличивает прокаливаемость стали и
интенсивно снижает температуру перехода в хрупкое состояние. Хром увеличивает
прокаливаемость. При концентрации хрома 13 % и более сталь становится
нержавеющей. Ванадий и титан являются сильными измельчителями зерна.
Молибден и вольфрам предотвращают развитие отпускной хрупкости и т. д.
Металлы и сплавы, способные сопротивляться коррозионному воздействию
газообразной среды при высоких температурах, называются жаростойкими или
окалиностойкими. Жаростойкими являются, например, высокохромистые стали
08Х17Т, 15Х25Т, 20Х23Н18.
Металлы
и
сплавы,
способные
длительное
время
сопротивляться
деформированию и разрушению при повышенных температурах, называют
жаропрочными. Жаропрочными являются, например, алюминиевые сплавы АК4-1,
АЛ33, магниевые сплавы МА12, МЛ19, титановые сплавы ВТ3-1, ВТ-6, стали
10Х11Н20Т3Р, 45Х14Н14В2М и др.
Мартенситно-стареющими
сталями
называют
безуглеродистые
высоколегированные сплавы, упрочняющиеся после закалки и старения вследствие
выделения интерметаллидных фаз. Например, мартенситно-стареющими являются
стали 03Н18К9М5Т, 03Н12К15М10, 03Х11Н10М2Т.
Легированные инструментальные стали обычно маркируют однозначным
числом, указывающим на среднее содержание углерода, выраженное в десятых
долях процента, и буквами, обозначающими легирующие элементы. Например,
сплав 5ХНМ - качественная инструментальная сталь, содержащая в среднем 0,5 %
углерода; хром, никель и молибден в количествах, не превышающих 1,5 % каждого.
Если сплав содержит около 1 % углерода, то число в начале марки не ставится,
например, В2Ф (~ 1 % С, ~ 2 % W и не более 1 % V), Х12 (~ 1 % С и 12 % Cr).
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.8 Цветные металлы и сплавы
1.8.1 Медь и сплавы на ее основе
Медь - металл красноватого цвета с ГЦК кристаллической решеткой.
Плотность Cu равна 8940 кг/м3. При 1083 оС медь плавится. Она обладает высокой
электро- и теплопроводностью, коррозионностойка в сухой атмосфере (Cu
примыкает к группе благородных металлов). Механические свойства меди
характеризуются высокой пластичностью и невысокими прочностью и твердостью.
В технике наряду с чистой медью широко используются ее сплавы.
Наибольшее распространение получили сплавы меди с цинком, называемые
латунями, и сплавы с другими элементами (Sn, Si, Al, Be и т. д.), получившие
название бронзы.
Цинк растворяется в меди до концентрации 39 %, образуя твердый раствор
альфа (соответствующие ему сплавы называют альфа-латунями). Чем больше в латуни цинка, тем выше прочность и пластичность сплава. Увеличение
концентрации Zn сверх 39 % приводит к появлению в структуре сплава фазы бета твердого раствора на базе химического соединения CuZn с электронным типом
связи. Прочность сплавов  +  по мере возрастания содержания цинка
увеличивается, а пластичность убывает. При концентрации Zn более 45 % сплав
становится
однофазным
твердым
раствором
.
Такие
сплавы
хрупки
и
практического применения не имеют.
Кроме основных компонентов (Cu и Zn) латунь может содержать легирующие
элементы (Al, Fe, Pb, Sn и т. д.).
Деформируемые латуни маркируют буквой Л и следующими за ней
обозначениями легирующих элементов, если таковые имеются. Затем следуют
группы чисел, первое из которых указывает на концентрацию меди, а каждое из
последующих
-
на
содержание
соответствующего
41
легирующего
элемента.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Концентрация цинка определяется по разности. Например, сплав Л62 содержит 62 %
Cu и 38 % Zn; ЛАН59-3-2 содержит 59 % Cu, 3 % Al, 2 % Ni и 36 % Zn.
В марках литейных латуней в явной форме указывается содержание цинка
(содержание меди определяют по разности). Числа, соответствующие процентной
концентрации цинка и легирующих элементов, следуют непосредственно за
буквенными символами. Например, сплав ЛЦ40Мц3А содержит 40 % Zn, 3% Mn, 1
% Al, и 56 % Cu.
Принципы маркировки бронз в общем близки с маркировкой латуней.
Различия состоят в том, что на первом месте в марке пишут не Л, а Бр, кроме того,
ни в деформируемых, ни в литейных сплавах не указывают в явной форме
концентрацию меди, имея в виду, что она всегда является основой сплава.
Например, сплав БрОЦС 4-4-17 - деформируемая бронза, содержащая 4% Sn, 4 %
Zn, 17 % Pb, основа сплава - медь; сплав БрО3Ц12С5 - литейная бронза, содержащая
3 % Sn, 12 % Zn, 5 % Pb, основа сплава Cu.
Сплавы меди широко применяют для изделий, обладающих высокой
теплопроводностью (различная теплообменная аппаратура, например, сплавы Л62,
Л68), электрической проводимостью (контакты, детали реле, токопроводящая
арматура и др.), коррозионной стойкостью (паровая и водяная арматура, например,
морская
латунь
ЛО70-2,
бронзы
оловянистоцинково-свинцовистые,
БрО5Ц5С5,
алюминиевые,
БрО3Ц7С5Н).
Оловянистые,
свинцовистые
бронзы,
кремнистые и марганцовистые латуни, например, БрО10Ф1, БрС30, ЛЦ16К4
применяют для изготовления вкладышей подшипников скольжения. Бериллиевые
бронзы, например БрБ2, применяют для изготовления ответственных пружин,
мембран, пружинящих контактов.
1.8.2 Алюминий и сплавы на его основе
Алюминий - легкий металл (плотность 2700 кг/м3) белого цвета с ГЦК
кристаллической решеткой. Температура плавления Al 660 оС. Обладает высокой
электро- и теплопроводностью, высокой химической активностью и одновременно
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
исключительной
коррозионной
стойкостью,
объясняемой
образованием
на
поверхности тонкой прочной беспористой оксидной пленки Al 2O3, надежно
защищающей металл от дальнейшего окисления. Механические свойства алюминия
характеризуются низкими прочностью и твердостью и высокой пластичностью.
Сплавы на основе алюминия обладают малой плотностью, высокими
удельными механическими свойствами, высокой коррозионной стойкостью,
свариваемостью и т. д.
Алюминиевые сплавы классифицируют на деформируемые (в их структуре
отсутствует
эвтектика),
литейные
(сплавы
с
эвтектикой),
неупрочняемые
термической обработкой (нагрев таких сплавов не сопровождается твердофазными
превращениями), упрочняемые термической обработкой (сплавы с твердофазными
превращениями).
Кроме
того,
сплавы
подразделяют
на
жаропрочные,
высокопрочные, ковочные, сплавы для заклепок и т. д.
Деформируемыми сплавами, неупрочняемыми термообработкой, являются
сплавы на основе системы Al-Mg (магналии), например, АМг2 (1520), АМг3 (1530),
АМг6 (1560); сплавы системы Al-Mn, например, АМц (1400).
Важнейшими
деформируемыми
сплавами,
упрочняемыми
термической
обработкой, являются:
- сплавы на основе системы Al-Cu-Mg с добавками Mn (дуралюмины),
например, Д1 (1110), Д16 (1160), Д18 (1180), Д19, В65 (1165) (сплав ВД17
жаропрочный, Д18 и В65 - сплавы для заклепок);
- сплавы на основе системы Al-Mg-Si (авиали), например, АВ (1340), АД31
(1310), АД35 (1350);
- ковочные сплавы на основе системы Al-Mg-Si-Cu, например, АК6 (1360),
АК8 (1380), на основе системы Al-Cu-Mg с добавками Fe и Ni, например, АК4-1
(1141) (сплав жаропрочный);
- высокопрочные сплавы на основе системы Al-Zn-Mg-Cu, например, В93, В95
(1957), В96Ц. К высокопрочным сплавам относится сплав, на основе системы Al-CuLi, - ВАД23.
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Литейными сплавами являются сплавы, на основе систем Al-Si (силумины),
например, АЛ2, АЛ9; Al-Cu, например, АЛ19, АЛ33; AL-Mg, например, АЛ8, АЛ27.
В соответствии с новой цифровой системой маркировки Al сплавов единица,
стоящая в начале марки, характеризует основу сплава - алюминий. Вторая цифра
обозначает основной легирующий элемент или группу элементов. Третья или третья
и вторая цифры те же, что и в старой маркировке. Нечетное число или ноль,
стоящие на четвертом месте, обозначают деформируемый сплав. У литейных
сплавов четвертая цифра четная. При такой маркировке сплав Д16, например,
обозначается 1160.
Чистота сплавов по контролируемым примесям (Fe, Si и др.) обозначается
буквами: Пч (практически чистый), Ч (чистый), Оч (очень чистый), стоящими после
марки сплава, например, АМг5Оч.
Состояние
деформируемых
сплавов,
отражающее
термическое
и
термомеханическое воздействие, имеет обозначения: М - мягкий, отожженный; Т закаленный и естественно состаренный; Т1 - закаленный и искусственно
состаренный на максимальную прочность; Н - нагартованный (деформация 1-7 %);
Н1 или НН - усиленно нагартованный; ТН - закаленный, естественно состаренный и
нагартованный. Например, АК6Т1 - обозначение закаленного и искусственно
состаренного деформируемого (ковочного) алюминиевого сплава АК6, АМгН1 обозначение
усиленно
нагартованного
деформируемого
неупрочняемого
термической обработкой сплава АМг2.
Термическое упрочнение алюминиевых сплавов достигается закалкой и
последующим старением. Обосновать режимы термообработки таких сплавов как
дуралюмины можно, в первом приближении, рассматривая их как сплавы системы
Al-Cu (в дуралюминах медь главный легирующий элемент). Свежезакаленные
сплавы имеют довольно низкую твердость и прочность, высокую пластичность. При
длительном
пребывании
закаленного
сплава
при
нормальной
температуре
(естественное старение) или при сравнительно непродолжительном нагреве
(искусственное старение) атомы легирующих элементов (в сплавах системы Al-Cu атомы меди), расположенные в свежезакаленном сплаве случайно, собираются в
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
определенных местах кристаллической решетки, образуя участки повышенной
концентрации - зоны Гинье-Престона. В результате естественного старения
образуются зоны толщиной 0,5-1 и протяженностью 3-6 нм (их называют зоны ГП1), вызывая упрочнение сплава.
Если естественно состаренный сплав подвергнуть кратковременному нагреву
до 250-270 оС, то зоны ГП растворяются и сплав возвращается в свежезакаленное
состояние с характерными для него свойствами (низкой твердостью и высокой
пластичностью). Это явление получило название возврат. После возврата сплав
может быть вновь упрочнен при естественном или искусственном старении.
При искусственном старении зоны Гинье-Престона укрупняются, достигая 1-4
по толщине и 20-30 нм по протяженности (зоны ГП-2). Концентрация меди в них
приближается
к
стехиометрическому
соотношению
в
соединении
CuAl2.
Дальнейшее развитие процессов искусственного старения приводит к образованию
метастабильных когерентно связанных с твердым раствором, а затем стабильных
обособленных от раствора фаз. Скорость искусственного старения зависит от
температуры. Повышение температуры ускоряет процесс. Однако в сплавах
системы Al-Cu с 3-5 % меди получаемая при этом максимальная прочность тем
ниже, чем выше температура старения. Наибольшее упрочнение получают при
естественном старении в результате образования зон ГП-1. Не всегда максимум
прочности
достигается
естественным
старением,
более
того,
во
многих
высокопрочных сплавах (В93, В95 и др.) естественное старение не протекает
вообще (упрочнения при длительной выдержке при нормальной температуре не
происходит).
1.8.3 Титан и сплавы на его основе
Титан
существует
в
двух
аллотропических
модификациях.
Ниже
882 оС существует -титан, обладающий ГПУ кристаллической решеткой. При
более высоких температурах вплоть до температуры плавления (1665
о
С) Ti
существует в модификации бета с ОЦК решеткой. Титан может быть отнесен как к
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тугоплавким металлам (температура плавления выше, чем у Fe), так и к легким
(плотность Ti ~ 4500 кг/м3). По химической стойкости он не уступает нержавеющим
сталям, а в ряде случаев превосходит их.
Титановые сплавы наиболее широко применяют в авиации и ракетной технике
для изготовления деталей, работающих при температурах от 250 оС до 550 оС, когда
легкие алюминиевые сплавы уже не могут работать, а стали и никелевые сплавы
уступают им по удельной прочности.
Для повышения прочности титановые сплавы легируют марганцем, железом,
алюминием, молибденом, хромом, ванадием, оловом и другими элементами.
Элементы, расширяющие область существования -модификации титана и
повышающие температуру    перехода, называют альфа-стабилизаторами.
Важнейшим элементом этой группы является Al. Элементы, расширяющие область
существования -модификации титана и снижающие температуру полиморфного
превращения, называют -стабилизаторами. Важнейшими из них являются Mo, V,
Cr, Mn, Fe, Ni и др. Способность -фазы к переохлаждению лежит в основе
термической обработки титановых сплавов. Элементы, практически не влияющие на
температуру полиморфного превращения, называют нейтральными. Наибольшее
практическое значение из них имеют Sn и Zr.
По структуре в отожженном состоянии титановые сплавы подразделяют на
пять групп: альфа-сплавы (ВТ1-0, ВТ5 и др.); псевдо альфа-сплавы (ОТ4, ВТ4, ВТ18
и др.); альфа+бета-сплавы (ВТ6, ВТ3-1, ВТ22 и др.); псевдо бета-сплавы (ВТ15,ТС6
и др.); бета-сплавы (4201 и др.).
Альфа-сплавы характеризуются однофазной структурой. Они не упрочняются
термической
обработкой.
Повышение их
прочности
достигается
холодной
пластической деформацией.
Псевдо -сплавы могут закаливаться с образованием титанового мартенсита
, представляющего собой твердый раствор легирующих в -титане. Мартенсит в
псевдо -сплавах имеет малую степень пересыщения. Упрочнение сплава при этом
незначительно.
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Альфа+бета-сплавы
подвергают
упрочняющей
термической
обработке,
состоящей из закалки и старения. Закалка состоит в нагреве до температур,
несколько ниже полного превращения  +    (в  - состоянии происходит
интенсивный рост зерна), выдержке и последующем быстром охлаждении. В
зависимости от содержания -стабилизаторов в закаленном сплаве возможно
образование мартенситных фаз  и , а также метастабильной фазы . При
высоком содержании -стабилизаторов и при малых и средних скоростях
охлаждения может образоваться фаза , сильно охрупчивающая сплав. Появления
этой фазы стремятся не допускать. При старении (искусственном) происходит
распад закалочных структур (, , ). Конечные продукты - дисперсные  и
-фазы, близкие к равновесному состоянию, образование которых вызывает
дисперсионное упрочнение (твердение) сплава.
При закалке псевдо -сплавов фиксируется метастабильная -фаза. При
старении из  выделяется тонкодисперсная -фаза, повышающая прочность и
твердость сплава.
Бета-сплавы при всех температурах имеют структуру -фазы. Термической
обработкой не упрочняются.
1.8.4 Магний и сплавы на его основе
В ряду технических легких металлов (Al, Be, Mg, Ti) наиболее легким
является магний. Его плотность - около 1740 кг/м3, температура плавления 651 оС.
Он обладает ГПУ кристаллической решеткой. Mg - активный металл, энергично
взаимодействующий с кислородом воздуха. Тонкая пленка оксида MgO при
температуре, ниже 450 оС, предохраняет поверхность от дальнейшего окисления,
однако при более высоких температурах защитные свойства оксида нарушаются и
при 623 оС магний сгорает ослепительно ярким пламенем. Магний обладает весьма
низким, особенно в литом состоянии, комплексом механических свойств
(в = 100-120 МПа; 0,2 = 20-30 МПа;  = 6-8 %; HB = 300 МПа; Е = 45 ГПа).
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Прочностные свойства в значительной мере зависят от зернистости и дефектности
литой структуры. Низкая пластичность Mg объясняется тем, что в металлах с
гексагональной
кристаллической
структурой
при
температуре,
близкой
к
нормальной, скольжение происходит только по базисным плоскостям и лишь при
нагреве появляются дополнительные плоскости скольжения и двойникования.
К
достоинствам
механические
магниевых
свойства,
хорошая
сплавов
относятся
обрабатываемость
высокие
удельные
резанием,
отличные
демпфирующие свойства, высокая коррозионная стойкость в щелочах, керосине,
бензине, минеральных маслах (для предотвращения воздушной коррозии магниевые
сплавы оксидируют или покрывают лакокрасочными пленками, эпоксидной
смолой).
Сплавы магния легируют марганцем, алюминием, цинком, цирконием,
литием, бериллием, редкоземельными элементами. Mn повышает коррозионную
стойкость сплава и одновременно увеличивает его прочность. Al и Zn увеличивают
прочность и модифицируют (измельчают) структуру литых сплавов. Наиболее
интенсивно измельчает зерно Zr, кроме того, он увеличивает пластичность.
Значительно увеличивает пластичность Li, к тому же он снижает плотность сплава.
Введение малых количеств Be (от 0,005 % до 0,02 %) почти полностью исключает
воспламенение магния при нагреве. РЗЭ увеличивают сопротивление ползучести
сплава при высоких температурах (до 250 оС).
Для
упрочнения
магниевых
сплавов
широко
используется
эффект
дисперсионного твердения с выделением дисперсных фаз типа Mg 4Al3, MgZn2 и др.,
протекающего при искусственном старении закаленных сплавов. Диффузионные
процессы в магниевых сплавах протекают чрезвычайно медленно, поэтому
операции термообработки имеют большую продолжительность (время выдержки
при температуре закалки доходит до 24 часов). Охлаждение при закалке ведут в
горячей воде или на воздухе.
Основные виды термической обработки имеют определенные условные
обозначения. Отжиг обозначают Т2, закалку - Т4, закалку и старение для получения
максимальной твердости - Т6, закалку и стабилизирующий отпуск - Т7 и т. д.
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Например,
МА11Т4
означает
деформируемый
магниевый
сплав
МА11,
подвергнутый закалке.
По технологии изготовления магниевые сплавы подразделяют на литейные и
деформируемые (литейные маркируют буквами МЛ, деформируемые - МА). По
применению сплавы классифицируют на конструкционные (большинство сплавов) и
сплавы
со
специальными
свойствами
(например,
МА17
применяют
для
изготовления звукопроводов ультразвуковых линий задержки). По плотности
сплавы подразделяют на легкие и сверхлегкие. К сверхлегким относятся сплавы,
легированные литием (МА18, МА21), остальные - легкие.
Сплавы, легированные значительным количеством иттрия, например, ИМВ5,
ИМВ7 отличает высокая прочность и пластичность при температурах, выше 250 оС.
1.8.5 Бериллий и сплавы на его основе
Бериллий
относится
к
группе
легких
металлов
(плотность
1800 кг/м3). Он имеет две аллотропические модификации. Be обладает ГПУ
кристаллической решеткой и существует до 1250 оС. От 1250 оС до температуры
плавления (1284 оС) бериллий существует в модификации бета с ОЦК решеткой.
У бериллия очень высокие удельные прочность и жесткость. По этим
характеристикам, особенно по удельной жесткости, Be значительно превосходит
высокопрочные стали и сплавы на основе алюминия, магния, титана. Бериллий
обладает большой скрытой теплотой плавления и очень высокой скрытой теплотой
испарения. Высокие тепловые и механические свойства позволяют использовать
бериллий в качестве теплозащитных и конструкционных материалов космических
летательных аппаратов (головные части ракет, тормозные устройства космических
челноков, оболочки кабин космонавтов, камеры сгорания ракетных двигателей и
т.д.). Высокая удельная жесткость в сочетании со стабильностью размеров, высокой
теплопроводностью и др. свойствами дают возможность использовать бериллий при
создании высокоточных приборов (детали инерциальных систем навигации гироскопов и др.).
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Широкое применение бериллия сдерживается высокой стоимостью, связанной
с малой распространенностью в природе, сложностью технологии переработки руд
и изготовления деталей, токсичностью металла.
1.9 Металлы и сплавы с особыми свойствами, и электротехнические
материалы
По
электрическим
свойствам
материалы
могут
быть
проводниками,
полупроводниками и диэлектриками.
Проводниковые материалы классифицируют в зависимости от удельного
электрического сопротивления на металлы и сплавы высокой проводимости,
криопроводники
и
сверхпроводники,
сплавы
с
повышенным
электросопротивлением.
Среди
металлов
высокой
электрической
проводимости
широко
распространены медь (удельное электросопротивление  = 0,017 мкОм  м),
алюминий ( = 0,028 мкОм  м) и железо ( = 0,098 мкОм  м). Имеют практическое
значение также Ag ( = 0,006 мкОм  м) и Au ( = 0,022 мкОм  м).
Электрические и механические характеристики меди в значительной степени
определяются
наличием
примесей
и
напряженностью
структуры
металла.
Наименьшим электрическим сопротивлением обладает чистая медь. Любые примеси
снижают
ее
электропроводность.
Деформационное
упрочнение
ухудшает
проводниковые свойства меди, но увеличивает ее механическую прочность.
Холоднотянутая (твердая) медь - МТ применяется в основном там, где необходимы,
наряду с достаточной электрической проводимостью ( = 0,018 мкОм  м),
прочность, твердость, высокое сопротивление истирающим нагрузкам (например,
контактные провода, коллекторные пластины электрических машин). Отожженная
(мягкая) медь - ММ имеет высокую электрическую проводимость ( не более
0,01724 мкОм  м) и применяется в виде проволок для изготовления
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
токопроводящих жил кабелей, обмоточных и монтажных проводов, в производстве
волноводов и т. д.
Алюминий как проводниковый материал занимает второе место после меди.
Для электротехнических целей используют специальные марки алюминия А5Е
(общее содержание примесей 0,5 %) и А7Е (примесей 0,3 %), в которых содержание
железа и кремния находится в определенном соотношении, а концентрация Ti, V, Cr
и Mn снижена до тысячных долей процента. Удельное электрическое сопротивление
проводникового алюминия не более 0,0289 мкОм  м.
Железо
значительно
уступает
меди
и
алюминию по
электрической
проводимости, но оно обладает более высокими механическими характеристиками.
В
качестве
проводникового
материала
железо
(низкоуглеродистые
стали)
применяют в тех случаях, когда прочностные свойства имеют решающее значение,
например для рельсов подвижного состава с электрической тягой.
К криопроводникам относятся материалы, приобретающие при глубоком
охлаждении (ниже минус 173С) высокую электрическую проводимость, но не
переходящие в сверхпроводниковое состояние. Одним из таких материалов является
алюминий особой чистоты А999 (99,999 % Al). При температуре жидкого азота
минус 195,6 оС удельное электрическое сопротивление его равно ~ 0,003 мкОм  м, а
при температуре жидкого водорода минус 252,6 оС - ~ 0,00005 мкОм  м.
К сплавам с повышенным удельным электрическим сопротивлением (не менее
0,3 мкОм  м) относятся медноникелевые сплавы: манганин (МНМц 3-12),
константан (МНМц 40-1,5); сплавы на основе никеля: нихромы (Х20Н80, Х15Н60);
на железной основе: фехраль (Х13Ю4), хромель (0Х23Ю5) и др.
Манганин - сплав на основе Cu, легированный ~ 3 % Ni и 12 % Mn, обладает
стабильным удельным электрическим сопротивлением в интервале температур от
минус 100 оС до + 100 оС. Низкое значение термоЭДС в паре с медью и высокая
стабильность электросопротивления во времени позволяют широко использовать
манганин при изготовлении резисторов и электроизмерительных приборов высоких
классов точности.
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Константан (~ 40 % Ni, ~ 1,5 % Mn, основа - Cu) по стойкости к нагреву
превосходит
манганин,
что
позволяет
использовать
его
в
реостатах
и
электронагревательных приборах, работающих при температуре до 500 оС. Высокая
термоэлектродвижущая сила константана в паре с медью и железом исключает
возможность применения его в электроизмерительных приборах, однако, она
позволяет применять константан при изготовлении термопар.
Сплавы высокого электросопротивления (нихромы, фехраль, хромель и др.)
применяют для изготовления нагревательных элементов электрических приборов и
печей. Рабочие температуры таких сплавов от 900 оС до 1200 оС.
Диэлектриками называют материалы, основным электрическим свойством
которых
является
способность
поляризоваться
в
электрическом
поле.
В
диэлектриках электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или
ионами и в электрическом поле лишь несколько смещаются относительно
положения равновесия. Происходит разделение центров положительного и
отрицательного зарядов, т. е. поляризация. Для диэлектриков характерно высокое
сопротивление
поляризуемости
прохождению
диэлектрика
постоянного
является
электрического
относительная
тока.
Мерой
диэлектрическая
проницаемость, равная отношению емкости конденсатора с диэлектриком к емкости
такого же конденсатора с вакуумом. Важнейшей характеристикой диэлектрических
материалов является электрическая прочность. При превышении в объеме
диэлектрика некоторой критической величины напряженности электрического поля
происходит пробой. (Под напряженностью электрического поля понимают
отношение приложенного к диэлектрику напряжения к расстоянию между
подводящими напряжение электродами). Значение напряжения в момент пробоя
называют пробивным напряжением, а достигнутую к этому моменту напряженность
- электрической прочностью.
В приборостроении в ряде случаев требуются материалы с минимальным или
заданным по величине температурным коэффициентом линейного расширения,
материалы с малым температурным коэффициентом модуля упругости и др.
Сплавы, имеющие подобные свойства, принадлежат системе Fe-Ni.
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Минимальное значение температурного коэффициента линейного расширения
(1,5  10-6 1/оС) в интервале температур от минус 60 оС до + 100 оС имеет сплав с
36 % никеля - 36Н, называемый инвар. Малое значение температурного
коэффициента
линейного
расширения
сплавов
инварного
типа
имеет
ферромагнитную природу и связано с большой магнитострикцией, т.е. изменением
размеров ферромагнетика при его намагничивании. Размеры изделий инварного
сплава определяются двумя составляющими: нормальной, зависящей от энергии
связи между атомами, и магнитострикционным увеличением размера, вызванным
внутренним магнитным полем ферромагнетика. С увеличением температуры размер
любого тела растет вследствие ослабления межатомных связей, но в сплавах
инварного типа этот рост компенсируется уменьшением магнитострикционной
составляющей, поскольку увеличение тепловых колебаний атомов влечет за собой
снижение намагниченности, а, следовательно, и магнитострикции.
Частичная замена в инваре никеля на кобальт и дополнительное легирование
медью уменьшает коэффициент линейного расширения сплава в том же
температурном интервале до 1,0  10-6 1/оС (32НКД - суперинвар). Сплав 29НК
(ковар) имеет такой же коэффициент, как термостойкое стекло, вольфрам и
молибден. У сплава 47НД (платинит) коэффициент линейного расширения такой же,
как у обычного стекла и у платины.
Сплавы с малым температурным коэффициентом модуля упругости называют
элинварными, например 36НХ (элинвар), 42НХТЮ, 44НХТЮ.
Ферромагнитные материалы в зависимости от конфигурации их петли
магнитного гистерезиса подразделяют на магнитотвердые и магнитомягкие.
Магнитотвердые сплавы используют для изготовления постоянных магнитов.
Они
имеют
широкую
петлю
гистерезиса
с
большой
коэрцитивной
(размагничивающей) силой Кс, равной от 5,103 А/м до 5,106 А/м, и обладают
значительной магнитной энергией, пропорциональной величинам Кс и остаточной
магнитной индукции Вr.
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Увеличение
получением
коэрцитивной
неоднородной
силы
магнитотвердых
напряженной
сталей
структуры,
достигается
представленной
высокоуглеродистым мартенситом с высокой плотностью дефектов строения.
Для постоянных магнитов небольшой мощности могут быть использованы
углеродистые инструментальные стали. Обычно применяют высокоуглеродистые
стали, легированные хромом и кобальтом (ЕХ3, ЕХ5К5 и др.). Легирующие
элементы увеличивают прокаливаемость стали, повышают ее коэрцитивную силу и
магнитную энергию. Широкое применение получили литые сплавы типа алнико,
например
ЮНДК15,
ЮНДК40Т8АА,
обладающие
значительно
большей
коэрцитивной силой и магнитной энергией, чем легированные стали. В качестве
материалов постоянных магнитов применяют сплавы системы Fe-Ni-Al, сплавы на
основе РЗМ (Sm, Pr, Y), получаемые методом порошковой металлургии.
Из магнитомягких сплавов изготавливают электромагниты, магнитопроводы
электрических машин, трансформаторов, электрических приборов и аппаратов.
Основные требования, предъявляемые к магнитомягким материалам, - низкая
коэрцитивная сила (узкая петля гистерезиса), высокая магнитная проницаемость,
высокая индукция насыщения, малые потери на вихревые токи и перемагничивание.
Низкие значения Кс и высокая магнитная проницаемость  достигаются в
ферромагнетиках при однофазной близкой к равновесию структуре с минимумом
внутренних напряжений.
Магнитомягким материалом является, например, техническое железо. Оно
обладает
достаточно
высокой
начальной
и
максимальной
магнитной
проницаемостью (н=0,3 и max=9 мГн/м) и низкой коэрцитивной силой (Нс=64 А/м).
Недостатком железа является низкое удельное электросопротивление ( не более
0,1 мкОм  м), обусловливающее значительные тепловые потери, связанные с
вихревыми токами, возникающими при перемагничивании. Поэтому применение
железа ограничено устройствами, работающими на постоянном токе.
Наиболее широкое распространение в качестве магнитомягких материалов,
работающих в полях промышленной частоты (низкочастотные поля), получили
кремнийсодержащие (электротехнические) стали. Основное назначение кремния 54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
увеличение удельного электросопротивления стали, и, следовательно, сокращение
потерь
при
перемагничивании.
Дальнейшее
уменьшение
тепловых
потерь
достигается изготовлением магнитопроводов (роторов и статоров двигателей,
сердечников трансформаторов и т. д.) из набора тонколистовых деталей с
прослойкой изоляции (полимеров, оксидов).
Электротехнические стали маркируют четырехзначными числами. Первая
цифра характеризует вид и структуру проката: 1 - горячекатанная изотропная сталь,
2 - холоднокатанная изотропная, 3 - холоднокатанная анизотропная с ребровой
текстурой. Вторая цифра указывает на содержание кремния: 0 - менее 0,4 %,
1 - более 0,4 до 0,8 %, 2 - более 0,8 до 1,8 %, ... 5 - более 3,8 до 4,8 %. Третья цифра
определяет тепловые потери при определенных значениях индукции В и частоты f.
Например, единица указывает, что потери нормированы при В=1,5 Тл и f=50 Гц
(Р1,5/50). Четвертая цифра - код числового значения нормируемого параметра. Чем
цифра больше, тем потери меньше.
В радиотехнике, в телефонии для достижения больших значений индукции в
слабых магнитных полях для магнитопроводов применяют железоникелевые сплавы
- пермалои, содержащие от 45 % до 83 % Ni и отличающиеся высокой магнитной
проницаемостью (н до 88 мГн/м и max до 310 мГн/м). К пермалоям относятся,
например, сплавы 45Н, 50Н (низконикелевые); 79НМ, 81НМА (высоконикелевые).
Пермалои применяют при частотах до 25 кГц. Наряду с пермалоями применяют
литейные сплавы системы Fe-Al-Si (альсиферы), обладающие свойствами, близкими
к пермалоям. Альсиферы не содержат дорогостоящих легирующих элементов, но
они менее технологичны.
Для работы в высокочастотных полях в качестве магнитопроводов применяют
магнитодиэлектрики
композиционные
и
ферриты.
материалы,
Магнитодиэлектрики
состоящие
из
представляют
конгломерата
собой
тонкодисперсных
низкокоэрцитивных частиц, например, размолотого альсифера, скрепленных
прослойками органического или неорганического диэлектрика. Высокое удельное
электросопротивление
магнитодиэлектрика
55
обусловливает
малые
потери
на
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вихревые токи и определяет возможность его применения в высокочастотной
проводной связи, радиоэлектронике и т. д.
Ферриты представляют собой материалы, состоящие из оксидов Fe, Zn, Mn,
Ni, получаемые методом порошковой металлургии. Ферриты широко применяют в
устройствах, работающих в слабых полях на низких и высоких радиочастотах.
1.10 Сплавы атомной энергетики
Ядерная энергетика предъявляет повышенные требования к используемым
конструкционным
материалам,
технологии
их
работоспособности. Конструкционные материалы
производства
и
контролю
под действием облучения
испытывают структурные превращения, оказывающие отрицательное влияние в
первую очередь на механические свойства и коррозионную стойкость. Из всех
видов облучения (нейтроны, α- и β-частицы, γ-излучение) наиболее сильное влияние
оказывает нейтронное облучение.
Радиационно стойкими материалами называют материалы, сохраняющие
стабильность структуры и свойств в условиях нейтронного облучения (таблица 1.1).
Скорость коррозии сплавов на основе алюминия в водной среде в условиях
облучения возрастает в 2-3 раза. Аустенитные хромоникелевые стали во влажном
паре подвержены межкристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию.
Наиболее опасным следствием облучения является радиационное распухание.
Строительство атомных электростанций, атомных кораблей требует самых
разнообразных материалов: конструкционных сталей, нержавеющих и жаропрочных
сталей и сплавов, цветных металлов и других металлических материалов.
Для атомной техники требуются особые материалы и с высокой способностью
к поглощению нейтронов (для биологической защиты) и с малой (оболочки
топливных элементов в атомных реакторах). Способность разных металлов
поглощать нейтроны колеблется в очень широких пределах (таблица 1.2).
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 1.1 – Воздействие нейтронного облучения на различные материалы
Интегральный
поток
быстрых
нейтронов,
Материал
Воздействие облучения
Керамические
Уменьшение
материалы
кристалличности
нейтрон/м2
1024
Углеродистые
1024
стали
Значительное
удвоение
стойкие стали
предела
пластичности,
текучести,
повышение
Трехкратное увеличение предела текучести
Алюминиевые Снижение
1025
снижение
плотности,
перехода от вязкого разрушения к хрупкому
Коррозионно-
1024-1025
теплопроводности,
сплавы
пластичности
без
полного
охрупчивания
Таблица 1.2 – Эффективное сечение захвата тепловых нейтронов и температура
плавления некоторых металлов
Свойства
Be
Zr
Fe
Ni
Hf
B
Cd
0,01
0,18
2,4
4,5
115
720
2400
1280
1845
1539
1455
2130
2000
321
Эффективное
сечение
захвата
тепловых
нейтронов, барн*
Температура
плавления, ºС
* 1 барн – 10-28 м2, внесистемная единица измерения площади.
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для атомной энергетики используют бериллий и цирконий.
Технический бериллий представляет собой хрупкий металл с прочностью около
300 н/мм2 и удлинением от 1 % до 2 %. Его низкая пластичность может быть
обусловлена недостаточной чистотой, так как этот металл особенно чувствителен к
загрязнениям. Коррозионная стойкость бериллия высокая.
Цирконий. Благодаря
малому
сечению
захвата, высокой температуре
плавления, пластичности и высокой коррозионной стойкости цирконий получил
преимущественное применение для покрытия тепловыделяющих элементов и труб
(малое эффективное сечение захвата нейтронов в реакторе). Цирконий имеет две
аллотропические модификации: α – с решеткой ГПУ и β – с решеткой ОЦК.
Температура перехода α ↔  равна 862 °С. Механические свойства циркония
колеблются в зависимости от чистоты, структурного состояния и других факторов в
следующих
пределах:
σв = 200-400 Н/мм2; σ0,2 = 50-200 Н/мм2; δ = 20-40 %;
твердость НВ = 30-60. Отсюда видно, что это весьма мягкий и непрочный металл.
Технический цирконий содержит в некотором количестве (обычно около 2 %)
примесь гафния, металла – соседа в периодической системе и близкого ему по
свойствам. Однако гафний резко отличается по ядерным свойствам от циркония –
эффективное сечение захвата гафния почти в 1000 раз больше. Поэтому для
основного назначения цирконий должен быть очищен от гафния.
Теплоносители, Для активного теплообмена в ядерных реакторах применяют
металлические теплоносители, имеющие более высокую теплопроводность, чем
вода или газы. В качестве теплоносителей следует применять металлы с низкой
температурой плавления. В зависимости от принципа действия реактора в качестве
теплоносителя можно применять висмут (и его сплавы) или натрий.
В реакторах одних типов теплоноситель должен содержать в растворенном
состоянии ядерное топливо – уран, поэтому следует выбирать металл с низкой
температурой плавления, способный растворять уран.
Данные, приведенные в таблице 1.3, показывают, что из всех легкоплавких
металлов для этого больше всего подходит висмут.
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 1.3 – Физические свойства цветных металлов
Свойства
In
Tl
Sn
Pb
Sb
Bi
Температура плавления, °С
156
303
232
327
630
271
0,51
0,13 0,2
0,52
1,5
12,3
190
3,3
6,40
0,03
Растворимость
урана
при
900 °С, % (ат)
Эффективное сечение захвата тепловых
нейтронов, барн*
0,65 0,17
* 1 барн – 10-28 м2
Интенсивный отвод тепла, выделяющегося в реакторе при ядерном
расщеплении, может быть осуществлен эффективно с помощью легких металлов;
они по своим тепловым свойствам значительно превосходят воду, так как имеют
более высокую скрытую теплоту испарения, более низкую упругость пара, более
высокий коэффициент теплопроводности и т.д. (таблица 1.4).
Таблица 1.4 – Физические свойства щелочноземельных металлов
Физические свойства
Вещество
Тпл,
Ткип,
ºС
ºС
Литий
179
Натрий
теплота
давление коэффициент
плотность,
испарения, пара1,
теплопроводности2, кг/м3,
ккал/кг
кПа
Вт/(м·К)
при 20 °С
1317
4680
53,3
40,7
530
98
883
1005
53,3
87,2
970
Калий
64
760
496
53,3
46,5
860
Рубидий
39
688
212
53,3
34,9
1530
Вода
0
100
539
101,3
0,67
1000
1
При температурах порядка от 600 ºС до 1000 ºС (кроме лития и воды).
2
При температурах порядка от 100 ºС до 200 ºС
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Из числа приведенных в таблице 1.4 легких металлов не находит пока
применения рубидий. По-видимому, потому, что он редко встречается в природе.
Применяют в основном, натрий, а также калий, похожий по свойствам на натрий.
Данных об использовании лития мало.
Натрий при комнатной температуре очень мягкий (деформируется пальцами),
легко режется ножом.
Уран в том виде, в каком он существует в природе, является смесью по
крайней мере двух изотопов – 99,3 % U238 и 0,7 % U235. Распад ядра атома урана –
его изотопа U235 ведет к освобождению громадного количества энергии.
Уран представляет собой металл с серебристым блеском, его плотность около
19,0 · 103 кг/м3, т. е. уран является одним из самых тяжелых металлов.
При комнатной температуре уран на воздухе не окисляется, но при нагреве
сгорает уже при 170 °С. Температура плавления урана 1132 °С.
Уран имеет три аллотропические модификации; Uα – с орторомбической
кристаллической решеткой, устойчив
ниже 668 °С; Uβ – с тетрагональной
кристаллической решеткой, интервал устойчивости 668 – 720 °С; Uγ – с ОЦК
решеткой, устойчив выше 720 °С.
Уран обладает сравнительно низкими механическими свойствами: твердость
около 220 HB, σв≈ 360 Н/мм2, σт≈ 230 Н/мм2. Обращает на себя внимание очень
низкий предел пропорциональности урана – всего лишь 20 Н/мм2. Различие в
ориентации зерен, размер зерна, чистота и другие факторы могут оказать
существенное влияние на механические и другие свойства урана.
1.11 Инструментальные материалы
Быстрорежущие
стали
представляют
собой
высоколегированные
инструментальные сплавы ледебуритного класса. Для повышения структурной
однородности литую сталь подвергают горячей обработке давлением, дробящей
сетку эвтектики. В структуре прокованной и отожженной стали просматриваются
крупные первичные карбиды - осколки ледебуритной эвтектики, мелкие вторичные
60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
карбиды, выделившиеся в литой стали из аустенита при охлаждении сплава в
интервале температур между эвтектическим и эвтектоидным превращениями, и
очень мелкие эвтектоидные карбиды, входящие в сорбитный фон.
Высокая
достигается
теплостойкость
термической
(красностойкость)
обработкой
с
быстрорежущих
получением
сталей
высоколегированного
мартенсита, способного сопротивляться отпуску вплоть до 600-650
о
С и,
следовательно, сохранять до этих температур высокую твердость, прочность,
износостойкость. Степень легированности мартенсита определяется составом
исходного аустенита. Чем выше температура нагрева, тем больше легирующих
элементов (W, Mo, V), входящих в состав вторичных карбидов, растворяется в
аустените. Поэтому быстрорежущие стали нагревают при закалке до 1200-1300 оС.
Первичные карбиды в аустените не растворяются, но сдерживают рост аустенитных
зерен, блокируя их границы. Быстрорежущие стали обладают весьма низкой
теплопроводностью, поэтому их нагрев до температуры закалки ведут ступенчато с
одной-двумя температурными остановками, что позволяет предупредить появление
трещин. Высокая легированность аустенита предопределяет довольно низкие
температуры начала и конца мартенситного превращения, обусловливающие, в
свою очередь, сохранение при закалке значительных количеств (более 30 %)
остаточного аустенита, понижающего режущие свойства стали. Уменьшение
содержания остаточного аустенита достигается двух - трехкратным высоким
отпуском. При отпуске из остаточного аустенита выделяются карбиды легирующих
элементов,
что
влечет
за
собой
повышение
температуры
мартенситного
превращения, и при охлаждении аустенит превращается в мартенсит. Для
уменьшения количества остаточного аустенита иногда закаленную сталь охлаждают
в область отрицательных температур (-80 оС), что также способствует увеличению
количества мартенсита.
Быстрорежущие стали маркируют буквой Р, после которой следует число,
указывающее на содержание вольфрама в процентах. В остальном маркировка такая
же, как у легированных инструментальных сталей. Например, Р18 (18 % W), Р6М5
(6 % W, 5 % Mo), Р18К5Ф2 (18 % W, 5 % Co, 2 % V).
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Твердые сплавы - это инструментальные материалы, состоящие из частиц
карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC), объединенных металлическим
связующим компонентом (кобальтом), изготавливаемые методом порошковой
металлургии. Твердые сплавы обладают высокой твердостью (до 90-92 HRA),
износостойкостью, красностойкостью (900-1100 оС).
Существуют сплавы следующих групп: вольфрамовые, титановольфрамовые и
титанотанталовольфрамовые.
Вольфрамовые сплавы, например, ВК2, ВК8, ВК15, ВК25 состоят из карбидов
вольфрама и металлического кобальта (число, стоящее в марке сплава после буквы
К, указывает на процентное содержание кобальта). Чем больше в сплаве карбида
вольфрама, тем сплав тверже, но тем более он хрупок. Вязкость сплава, дающая
возможность воспринимать ударные нагрузки, обеспечивается кобальтом. Сплав
ВК2, содержащий всего 2 % кобальта, обладает весьма низкой вязкостью. Им можно
вести
лишь
чистовую
обработку,
не
сопровождающуюся
динамическими
нагрузками. Твердость же и износостойкость сплава настолько высоки, что
позволяют обрабатывать закаленные стали. Сплав ВК8 более вязок, но менее тверд,
менее износостоек и красностоек. Этим сплавом можно обрабатывать отливки по
литейной корке. Сплав ВК15 может быть использован для армирования бурового
инструмента, работающего по крепким породам со значительными ударными
нагрузками. Сплав ВК25 настолько вязок, что из него можно изготавливать детали
штампов, воспринимающих удары, возникающие при работе молота.
Титановольфрамовые сплавы, например, Т5К10, Т15К6, Т30К4 изготавливают
из карбидов титана, карбидов вольфрама и металлического кобальта. В марке сплава
число, стоящее после буквы Т, указывает на содержание в шихте сплава карбида
титана в процентах, число, после К, - содержание кобальта. Содержание карбида
вольфрама определяют по разности. Так, в шихте твердого сплава Т5К10
содержится 5 % ТiC, 10 % Co и 85 % WC. Карбид титана обладает еще более
высокой твердостью, чем карбид вольфрама. Чем больше в сплаве TiC (точнее
твердого раствора карбида вольфрама в карбиде титана), тем большей твердостью и
износостойкостью обладает сплав. Наиболее тверд сплав Т30К4. Сплавы с большим
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
содержанием кобальта (Т15К6, Т5К10) менее тверды, но обладают большей
эксплуатационной прочностью. Применяют титановольфрамовые сплавы главным
образом для обработки сталей.
Титанотанталовольфрамовые сплавы изготавливают из карбидов титана,
карбидов тантала, карбидов вольфрама и металлического кобальта. Например,
шихта сплава ТТ7К12 содержит 7 % карбидов титана и тантала, 81 % карбида
вольфрама и 12 % кобальта. Применяют титанотанталовольфрамовые сплавы для
черновой (например, сплав ТТ7К12) и чистовой (например, сплав ТТ8К6) обработки
труднообрабатываемых материалов (жаропрочных сталей, титановых сплавов и др.).
1.12 Неметаллические и композиционные материалы
Пластмассами называют искусственные материалы на основе природных или
синтетических полимеров, способные принимать заданную форму при нагревании
под давлением и устойчиво сохранять ее после охлаждения.
Основным компонентом пластмасс, обеспечивающим работу всей композиции
как единого целого, являются полимерные материалы, или смолы, представляющие
собой высокомолекулярные соединения, молекулы которых (макромолекулы)
состоят из большого числа (нескольких тысяч) мономерных звеньев.
Полимеры получают в результате синтеза из низкомолекулярных соединений
методами полимеризации или поликонденсации.
Наиболее многочисленную группу соединений составляют органические
полимеры,
например,
полиолефины,
фторопласты,
полиамиды,
полиимиды,
фенолформальдегидные смолы, полисилоксаны, эпоксидные смолы.
Основу неорганических полимерных материалов составляют соединения SiO2,
CaO, MgO, Al2O3 и др. Представителями таких полимеров являются силикатные
стекла, керамика, асбест, слюда.
Свойства полимерных материалов определяются как их химическим составом,
так и строением макромолекул.
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Присутствие в основных молекулярных цепях атомов других, кроме углерода,
элементов сообщает полимеру те или иные специфические свойства. Например,
фосфор
и
хлор
повышают
огнестойкость,
атомы
серы
увеличивают
газонепроницаемость, кислород способствует повышению эластичности, фтор
обеспечивает высокую химическую стойкость пластмасс.
По строению различают следующие основные типы макромолекул: линейные,
разветвленные, ленточные, пространственные.
Полимерные
материалы
с
ленточной
или
разветвленной
структурой
макромолекул высокоэластичны. Они обладают термопластичностью, т. е.
способностью обратимо размягчаться при нагреве и затвердевать при охлаждении
без участия химических реакций. Такие материалы называют термопластами.
Процесс размягчение-затвердевание может протекать многократно.
Полимеры с ленточными и особенно с пространственными макромолекулами
имеют повышенную тепловую и химическую стойкость. Образование подобной
структуры и связанное с ним необратимое затвердевание материала протекает при
участии химических реакций. Такие полимеры, а также пластмассы на их основе
называют термореактивными (реактопласты). Перевести однажды затвердевшую
термореактивную смолу в вязкотекучее или высокоэластичное состояние нельзя.
Пространственной (редкосетчатой) структурой обладают также резины - продукт
вулканизации природного или синтетического полимера - каучука.
В
зависимости
надмолекулярной
от
химического
структуры
(степени
состава,
строения
кристалличности)
макромолекул,
полимеры
по
электрическим и физическим свойствам могут быть полярными и неполярными. У
полярной молекулы пространственные положения центров тяжести положительного
и отрицательного зарядов не совпадают. У неполярной молекулы скрепляющее ее
электронное облако распределяется равномерно и центры тяжести разноименных
зарядов находятся в одной точке. Полярные полимеры обладают повышенной
жесткостью и теплостойкостью, высокой адгезионной способностью, пониженной
морозостойкостью.
Неполярные
являются
64
высококачественными
и
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
высокочастотными диэлектриками. Их свойства мало изменяются при понижении
температуры. Они отличаются высокой морозостойкостью.
Наряду
со
связующим
веществом
большинство
пластмасс
содержат
наполнители и добавки, улучшающие их технологические и эксплуатационные
свойства.
Наполнители
придают
пластмассовым
изделиям
высокую
прочность,
химическую стойкость, теплостойкость, улучшают диэлектрические качества,
снижают (повышают) плотность, повышают фрикционные (антифрикционные)
свойства и т. д. Наполнители могут быть как органическими, так и неорганическими
веществами. По структуре наполнители бывают порошкообразными, волокнистыми,
листовыми и газообразными. Пластмассы с ориентированным волокнистым
наполнителем и с листовым наполнителем (слоистые пластмассы) обладают ярко
выраженной анизотропией механических свойств. По виду наполнителей различают
пластмассы ненаполненные, или простые и наполненные. К последним относятся
материалы с наполнителями: порошкообразными (пресс-порошки и литьевые
пластмассы);
волокнистыми
(волокниты,
асбоволокниты,
стекловолокниты);
листовыми (гетинаксы, текстолиты, асботекстолиты, древесно-слоистые пластики ДСП, стеклотекстолиты); газообразными (пено- и поропласты).
По назначению пластмассы подразделяют на ряд групп: конструкционные,
электроизоляционные,
химически
стойкие,
фрикционные,
тепло-
звукоизоляционные, светотехнические и др.
Конструкционные пластмассы характеризуются высокими механическими
свойствами. К ним относятся, например, ударопрочный полистирол, фенопласты,
стеклопластики
(стекловолокниты,
стеклотекстолиты),
используемые
в
нагруженных узлах и деталях конструкций. Стеклопластикки на основе эпоксидных
смол
обладают
высокими
прочностными
свойствами,
на
основе
кремнийорганических смол (полисилоксанов) - высокой теплостойкостью.
Электроизоляционные пластмассы являются хорошими диэлектриками. Их,
например, полиэтилены высокого (ПЭВД) и низкого (ПЭНД) давления, полистирол,
фторопласты (фторопласт-3 и фторопласт-4), гетинакс, текстолит используют при
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
изготовлении электроизолирующих и диэлектрических деталей, пленок, шлангов,
изолирующих покрытий на металлах и т. д.
Химически стойкие пластмассы, например, фторопласт-4, полиэтилен,
поливинилхлорид (винипласт), асбоволокниты способны сопротивляться действию
влаги и различных химических соединений. Из них изготавливают химическую
аппаратуру, емкости, трубы, химически стойкие покрытия на металлах и др.
Фрикционные пластмассы обладают в условиях сухого трения высоким
коэффициентом трения и высокой износостойкостью. К ним относятся, например,
асбоволокниты, асботекстолиты, асбокаучуковые материалы. Такие пластмассы
работают в узлах, передающих кинетическую энергию (например, фрикционные
диски муфт сцепления) или рассеивающих ее (например, накладки, колодки
тормозных устройств).
Антифрикционные пластмассы имеют малый коэффициент трения и высокую
износостойкость. В эту группу входят пластмассы, работающие в узлах трения.
Высокими антифрикционными свойствами обладают, например, фторопласт-4,
полиамиды
(капрон), лавсан, текстолиты, древесно-слоистые пластики. Из
пластмасс изготавливают вкладыши подшипников скольжения, зубчатые колеса и
др. детали, образующие пары трения. Зубчатые колеса из текстолита работают
бесшумно при частотах вращения до 30 000 об/мин, шестерни из ДСП могут
передавать значительные нагрузки, сравнимые с деталями из цветных металлов.
Тепло-
и
пенополиуретан,
звукоизоляционные пластмассы, например, пенополистирол,
пенополиэпоксид,
пенополисилоксан
обладают
низким
коэффициентом теплопроводности, высокой звукопоглощающей способностью. Их
используют для теплоизоляции холодильников, труб; тепло- и звукоизоляции кабин
и др. Пластмассы применяют также в качестве легкого заполнителя силовых
элементов конструкций; для изготовления труднозатопляемых изделий.
Светотехнические и оптические пластмассы применяют для изготовления
оптических деталей и арматуры осветителей. Они стойки к воздействию света и
обладают высокими оптическими свойствами. Например, полиметилметакрилат
(органическое стекло) применяют для остекления автомобилей, судов, самолетов,
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
для
изготовления
рассеивателей
и
других
светотехнических
изделий;
из
полистирола изготавливают прозрачные колпаки приборов, часовые стекла и т. п.
Декоративные пластмассы, например гетинакс, применяют для отделки
(облицовки) мебели, салонов автобусов, самолетов, кабин судов, пассажирских
железнодорожных вагонов, вагонов метро и др.
Под действием внешней среды полимерные материалы претерпевают
необратимые изменения - стареют. При старении происходит деструкция и
структурирование полимерных цепей, сопровождающиеся изменением физических,
химических, механических характеристик пластмассы. Различают атмосферное,
тепловое, радиационное и др. виды старения.
Разрушение материала, сопровождающееся уносом его массы при воздействии
горячего
газового
определяется
потока,
называется
устойчивостью
материала
абляцией.
к
Абляционная
механической,
стойкость
термической
и
состоящие
из
термоокислительной деструкции.
Композиционные
нерастворимых или
материалы
сложные
-
материалы,
малорастворимых друг в друге компонентов, сильно
отличающихся по свойствам и разделенные в матрице ярко выраженной границей.
Свойства композиционных материалов зависят от свойств компонентов и
характера связи между ними. В таких материалах проявляются достоинства каждого
из компонентов, а также положительные свойства, которыми каждый из
компонентов в отдельности не обладает.
Основа (матрица) композиционного материала может быть металлической
(композиционные материалы на металлической основе) и неметаллической
(композиционные
материалы
на
неметаллической
основе).
В
качестве
металлической основы широко применяют алюминий, магний, никель, титан, сталь.
Неметаллическая основа может быть полимерной, углеродной, керамической.
Матрица объединяет все компоненты композиционного материала в единое
целое. От свойств матричного материала зависят такие эксплуатационные свойства
композиции как рабочая температура, сопротивление воздействию окружающей
среды, сопротивление усталостному разрушению.
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В
матрице
равномерно
распределены
компоненты,
наполняющие
и
упрочняющие композиционный материал (упрочнители и армирующие материалы).
Упрочняющие компоненты должны обладать высокой прочностью, твердостью,
модулем
упругости.
По
этим
характеристикам
они
должны
значительно
превосходить материал матрицы. По геометрическим параметрам армирующие
материалы могут быть нуль - мерными, одномерными и двумерными.
Материалы, армированные нуль - мерными упрочнителями, называют
дисперсно-упрочненными. В качестве дисперсных частиц чаще используют
тугоплавкие оксиды, карбиды, нитриды, бориды (Al2O3, ThO2, SiC, BN и др.).
Изготавливают дисперсно-упрочненные материалы с металлической матрицей
главным образом методом порошковой металлургии. При работе дисперсноупрочненных материалов основную нагрузку воспринимает матрица. Дисперсные
частицы, эффективно тормозя движение дислокаций, препятствуют развитию
пластической деформации и, таким образом, упрочняют композиционный материал.
Степень упрочнения определяется дисперсностью частиц и расстоянием между
ними. Большое упрочнение достигается при размере частиц от 0,01 до 0,1 мкм и
расстоянии между ними от 0,05 до 0,5 мкм.
Среди
дисперсно-упрочненных
материалов
широкое
распространение
получили, например, спеченные алюминиевые пудры (САП) - материалы с
алюминиевой матрицей, упрочненные чешуйками Al2O3. Содержание оксида в САП
находится, в зависимости от марки, в пределах от 6 % до 18 %. САП обладают
прочностью до 400 МПа (САП-3), низкой плотностью, высокой коррозионной
стойкостью. Длительная прочность б100 при температуре 500 оС материалов САП-1 и
САП-2 составляет от 45 до 55 МПа. Наиболее высокую жаропрочность имеют
материалы на основе никеля с от 2 % до 3 % двуокиси тория (ВДУ-1) или двуокиси
о
гафния (ВДУ-2). При температуре 1200
С ВДУ-1 имеет 100=75 МПа, а
1000=65 МПа.
Материалы
наполнителями
с
одномерными
называют
или
одномерными
волокнистыми
и
нуль
композиционными
-
мерными
материалами.
Упрочнителями в них могут быть проволока из металлов и сплавов (Mo, W, B, Ta,
68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
высокопрочная сталь), волокна или нитевидные кристаллы чистых элементов и
тугоплавких соединений (C, B, SiC, Al2O3, борсик - волокна бора с выращенными на
них в целях улучшения сцепления с матрицей кристаллами карбида кремния и др.).
В качестве матричных материалов могут выступать полимеры (эпоксидные,
фенолформальдегидные, полиамидные и др. смолы), керамические и углеродистые
материалы, металлы (Al, Mg, Ti, Ni и др.). Например, материалы с алюминиевой
матрицей армируют стальной проволокой (материалы КАС), борным волокном
(материалы ВКА), углеродным волокном (материалы ВКУ).
При растяжении композиционного материала вдоль направления армирования
нагрузку в основном воспринимают волокна, матрица же служит средой для
передачи усилия. Чем больше соотношение Ев/Ем (Ев - модуль упругости волокна,
Ем - модуль упругости материала матрицы) и чем выше объемное содержание
волокон, тем большая доля нагрузки приходится на волокна.
Временное сопротивление композиционного материала, в общем, тем выше,
чем больше в нем упрочняющего компонента. Однако при очень малых (< 5 %) и
очень больших (> 80 %) содержаниях волокна наблюдается обратная зависимость.
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2 Лабораторная работа №1 Ознакомление и работа на
микровизоре
2.1 Цель работы
2.1.1 Иметь представление о существующих методах исследования строения
металлов и сплавов;
2.1.2 Ознакомиться с принципом действия и правилами эксплуатации
микровизора металлографического μVizo-МЕТ-221;
2.1.3
Научиться
пользоваться
микровизором
для
исследования
микроструктуры и получения фотографий при различных увеличениях.
2.2 Описание и работа на микровизоре μVizo-МЕТ-221
2.2.1 Общие сведения о методах исследования строения металлов и сплавов
Свойства
металлов
и
особенно
сплавов
весьма
разнообразны
и
обусловливаются, прежде сего, химическим составом, а затем строением или
структурой.
Для изучения структуры металлов и сплавов применяются прямые и
косвенные методы. К числу прямых методов относятся:
- исследование макроструктуры невооруженным глазом по виду изломов или
шлифованных и протравленных макрошлифов;
- исследование микроструктуры при помощи оптического микроскопа с
увеличением до 1500 крат, а также с применением электронного микроскопа с
увеличением до 200 тыс. крат;
-
исследование
атомно-кристаллической
структуры
с
помощью
рентгенографического анализа, позволяющего различать расстояния порядка 0,1 нм.
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К числу косвенных методов относятся магнитный, дилатометрический,
измерение электросопротивления и другие физические методы исследования,
которые, хотя и не дают прямого изображения структуры, но все же позволяют
вскрыть кинетику происходящих в них превращений.
Кроме того существуют методы исследования структуры путем определения
твердости, микротвѐрдости, механических и технологических свойств, а также
проведения химического и спектрального анализов и пр.
2.2.2 Назначение микровизора
Микровизоры представляют собой новое поколение микроскопов с оптикоцифровым каналом наблюдения, регистрации и обработки микроизображений.
Микровизоры обеспечивают:
− визуальное наблюдение на экране встроенного монитора цветного прямого
увеличенного изображения микроструктуры металлов, сплавов и других объектов
(далее – объект) в отраженном свете по методам светлого и темного поля,
дифференциально-интерференционного контраста (далее – ДИК), в поляризованном
свете, методом сравнения микроструктуры металлов и сплавов с эталонными
шкалами;
− запись изображения объекта на карту памяти;
− возможность подключения принтера, внешнего компьютера, VGA монитора
или видеопроектора для работы в режиме реального времени.
Области применения микровизоров:
− материаловедение, исследование структуры и анализ дефектов технических
шлифованных и нешлифованных материалов, масел, смазок и др.
Потребительские характеристики микровизора представлены в таблице 2.1.
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 2.1 - Потребительские характеристики микровизора
Микровизор
Характеристики
µVizo-МЕТ-221
Линейное увеличение
– цифровой масштаб «х1»
– цифровой масштаб «х2»
– цифровой масштаб «х4»
50, 100, 200, 500, 1000
100, 200, 400, 1000, 2000
200, 400, 800, 2000, 4000
Револьвер
Четырехгнездный
Диапазон перемещения
предметного столика, мм
Видеосистема
50х70
(в поперечном и продольном направлениях)
Матрица, 1/2", 3,2 Мпкс
Монитор, 6,5 (диагональ 166 мм) , 1024х768 пкс
Регулируемые параметры Яркость, контрастность, резкость, насыщенность,
множитель, фон, фильтр, оттенок, масштаб
качества изображения
Сохранение данных
Карта памяти стандарта SD, 2 Гб;
встроенная карта памяти − «внутренний диск», 4 Гб
Внешний выход
USB – компьютер, принтер,
VGA – монитор, видеопроектор
2.2.3 Технические данные
Габаритные размеры микровизоров, мм, не более………….330х350х265
Масса микровизоров, кг, не более………………………………………10
Полная потребляемая мощность микровизоров, В·А, не более……….30
Общий вид микровизора представлен на рисунке 2.1.
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1 – штатив; 2 – тубус; 3 – манипулятор «мышь»; 4 – видеонасадка;
5 – фонарь; 6 – револьвер; 7 – объективы; 8 – предметный столик.
Рисунок 2.1 – Микровизор металлографический μVizo-МЕТ-221
2.3 Описание и работа составных частей
2.3.1 Штатив
Общий вид штатива, на который устанавливаются составные части
микровизора, показан на рисунке 2.2.
В верхней части штатива расположена направляющая 3 «ласточкин хвост» для
установки предметного столика 8 (рисунок 2.1). В средней части штатива
расположен
фокусировочный
механизм,
обеспечивающий
вертикальное
перемещение тубуса 2 с установленным на него револьвером 6 с объективами 7.
Перемещение
тубуса
фокусировки 4 (рисунок
осуществляется
с
помощью
рукояток
грубой
2.2) – большего диаметра и рукояток точной
микрометрической фокусировки 5 – меньшего диаметра.
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1 – основание; 2 – корпус штатива; 3 – направляющая для установки
предметного столика; 4 – рукоятка грубой фокусировки; 5 – рукоятка точной
фокусировки; 6 – направляющая для установки тубуса.
Рисунок 2.2 – Штатив микровизора
Рукоятки грубой и точной фокусировки расположены на одной оси и выведены с
обеих сторон штатива. Одна из рукояток точной фокусировки имеет шкалу ценой
деления 0,002 мм, диапазон точной фокусировки – не менее 2,5 мм.
2.3.2 Предметный столик
Кронштейн 3 (рисунок 2.3) с предметным столиком 1 устанавливается на
направляющую 3 (рисунок 2.2) штатива до упора и закрепляется винтом 4 (рисунок
2.3) с помощью ключа из комплекта микровизора.
Предметный столик перемещается в горизонтальной плоскости в двух
взаимно
перпендикулярных
направлениях.
Продольное
перемещение
осуществляется с помощью рукоятки 6 поперечное перемещение – с помощью
рукоятки 5. Отсчет перемещений производится по шкалам 7 и 9 с ценой деления 1
мм и нониусам 8 и 10 с ценой деления 0,1 мм.
74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1 – предметный столик; 2 – пружинные клеммы; 3 – кронштейн; 4 – винт;
5 – рукоятка поперечного перемещения; 6 – рукоятка продольного перемещения;
7 – шкала поперечного перемещения; 8 – нониус шкалы поперечного перемещения; 9 –
шкала продольного перемещения; 10 – нониус шкалы продольного перемещения.
Рисунок 2.3 – Предметный столик
2.3.3 Револьвер
Револьвер (рисунок 2.4) с объективами устанавливается в гнездо 1 (рисунок
2.4) тубуса и закрепляется винтом 2.
1 – объективы (х10; х20; х50; х100); 2 – револьвер; 3 – кольцо с рифлением.
Рисунок 2.4 – Револьвер
При смене увеличения четырехгнездный револьвер обеспечивает установку в
рабочее положение объективов увеличением 10, 20, 50 и 100.
Переключение объективов осуществляется вращением револьвера за кольцо с
рифлением 3 до фиксированного положения.
75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.3.4 Тубус
Тубус (рисунок 2.5) устанавливается на направляющую 6 (рисунок 2.2)
штатива и закрепляется винтом 4 (рисунок 2.5) с помощью ключа.
В нижней части тубуса установлен видеоадаптер 6. Винт 7 предназначен для
закрепления видеонасадки, винт 12 – для закрепления фонаря.
1 – гнездо для установки револьвера с объективами или модуля ДИК;
2 – винт крепления револьвера или модуля ДИК; 3 – рукоятка отражателя «СП»;
4 – винт крепления тубуса на штативе; 5 – паз для поляфильтраанализатора или
заглушки «ТП», или заглушки «СП»; 6 – видеоадаптер; 7 – винт для крепления
видеонасадки; 8 – рукоятка ирисовой диафрагмы; 9 – направляющая для смены
методов исследования объектов в светлом и темном поле; 10 – паз для установки
светофильтра или поляфильтраполяризатора; 11 – гнездо для установки фонаря, 12 –
винт крепления фонаря.
Рисунок 2.5 –Тубус
2.3.5 Видеонасадка
Изображение объекта принимается матрицей видеонасадки и после обработки
микропроцессорной системой передается на экран жидкокристаллического цветного
цифрового монитора (далее – экран), формируя прямое изображение объекта.
Размеры
активной
зоны
экрана
132,1
166 мм, матрицы − 6,4 х 4,8 мм, диагональ 8 мм.
76
х
99,1
мм;
диагональ
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Управление режимами и параметрами работы видеонасадки (далее –
параметры) осуществляется по пунктам меню с помощью манипулятора «мышь»
(далее – мышь).
Посадочный фланец 5 (рисунок 2.6) видеонасадки устанавливается в гнездо
видеоадаптера 6 (рисунок 2.5) и закрепляется винтом 7.
1 – паз с разъемом для подключения карты памяти; 2 – кнопка включения
(выключения) видеонасадки; 3 – разъем для подключения VGA монитора или
видеопроектора; 4 – разъем для подключения кабеля светодиодного осветителя;
5 – посадочный фланец видеонасадки; 6 – разъем для подключения кабеля
USB 2.0 при работе с внешним компьютером и принтером; 7 – разъем для
подключения манипулятора «мышь»; 8 – разъем для подключения кабеля сетевого
адаптера.
Рисунок 2.6 - Вид передней и задней панелей видеонасадки
На передней и задней панели видеонасадки (рисунок 2.6) расположены:
− паз 1 с разъемом для подключения карты памяти; − кнопка 2 включения
(выключения) видеонасадки;
77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
− разъем 3 с маркировкой «VGA» для подключения внешнего монитора или
видеопроектора;
− разъем 4 с маркировкой «LED» для подключения кабеля светодиодного
осветителя микровизора;
− разъем 6 с маркировкой «USB» для подключения кабеля USB 2.0 при работе
с принтером или внешним компьютером;
− разъем 7 с маркировкой «MOUSE» для подключения мыши;
− разъем 8 с маркировкой «12 V» для подключения кабеля сетевого адаптера.
Оптико-электронная система, конструкция и ПО видеонасадки обеспечивают:
− настройку параметров качества изображения в режиме реального времени;
− изменение цифрового масштаба изображения объекта: режим «х1» −
цифровой масштаб 20, режим «х2» − 40, режим «х4» − 80;
− фиксацию изображения в режиме «Стоп кадр»;
− запись изображения объекта (далее – файл) на карту памяти (далее − SDкарта) и на «внутренний диск» – встроенную карту памяти;
− создание комментария к файлам с использованием изображения клавиатуры
на экране (далее – виртуальная клавиатура);
− чтение файлов, записанных ранее, копирование, удаление файлов;
− анализ микроструктуры металлов и сплавов методом сравнения с
изображениями эталонных шкал по ГОСТ 5639-82, ГОСТ 1778-70, ГОСТ 3443-87 и
др.
2.3.6 Объективы
Все
объективы,
входящие
в
комплект
микровизора,
рассчитаны
на
оптическую длину тубуса «бесконечность», имеют парфокальную высоту 45 мм,
обеспечивают плоское изображение объекта без аберрационной окраски и работают
с объектами без покровного стекла.
78
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В таблице 2.2 представлены технические характеристики микровизора при
изменении увеличения объективов и цифрового масштаба.
Таблица 2.2 - Технические характеристики микровизора при изменении
увеличения объективов и цифрового масштаба
Маркировка объектива
ПЛАН 10/0,20 ЭПИ ∞/0
ПЛАН 20/0,35 ЭПИ ∞/0
Линейное увеличение микровизора
при цифровом масштабе
«х1»,«х2», «х4»
«х1» 100
«х2» 200
«х4» 400
«х1» 200
«х2» 400
«х4» 800
2.4 Настройка микровизора
2.4.1 Настройка освещения и фокусировка
Настройку освещения и фокусировку микровизора необходимо производить в
следующем порядке:
− закрепить объект на вкладыше предметного столика либо пружинными
клеммами 2 (рисунок 2.3), либо с помощью зажима из комплекта микровизора;
− установить предметный столик в среднее положение с помощью рукояток 5
и 6; установить в рабочее положение объектив наименьшего увеличения; при
необходимости установить в револьвер вместо объектива увеличением 10 объектив
увеличением 5 из комплекта микровизора;
− поднять тубус в верхнее положение с помощью рукояток грубой
фокусировки 4 (рисунок 2.2); ввести в ход лучей отражатель «СП», вдвинув
рукоятку 3 (рисунок 2.4) в тубус до упора; открыть ирисовую диафрагму поворотом
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
рукоятки 8; вдвинуть направляющую 9 в тубус до упора; установить заглушку с
гравировкой «СП» из комплекта микровизора в паз 5 тубуса;
− нажать на кнопку 2 (рисунок 2.6) включения (выключения) видеонасадки,
нажать на колесико мыши для автоматической установки заданного уровня яркости
экрана;
− сфокусировать микровизор на резкое изображение объекта в поле зрения
экрана с помощью рукояток 4 и 5 (рисунок 2.2) грубой и точной фокусировки;
− привести в центр экрана участок объекта, выбранный для исследования, с
помощью рукояток 5 и 6 (рисунок 2.3) поперечного и продольного перемещения
предметного столика; при смене увеличения этот участок объекта останется в поле
зрения объектива большего увеличения; установить объектив требуемого увеличения;
− для получения оптимального контраста изображения при необходимости
прикрыть ирисовую диафрагму вращением рукоятки 8 (рисунок 2.5) и использовать
функциональные возможности видеонасадки по настройке качества изображения.
2.4.2 Управление видеонасадкой
Управление параметрами работы видеонасадки осуществляется с помощью
мыши по пунктам основных меню: «Управление видеонасадкой», «Параметры»,
«Настройки», «Работа с изображением».
Переход от одного пункта меню к другому и перемещение курсора в
плоскости экрана осуществляется перемещением мыши по плоскости лабораторного
стола (далее – перемещение мыши).
Для определения числовых значений параметров используется система
условных единиц. Изменение числовых значений параметров осуществляется
вращением колесика мыши, быстрое изменение – вращением колесика при
одновременном нажатии на него.
При нажатии на левую клавишу мыши происходит обнуление числовых
значений параметров, осуществляется вход в меню и пункты всех меню, кроме
80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
меню «Работа с изображением». Для входа в меню «Работа с изображением»
необходимо закрыть окна других меню и нажать на правую клавишу мыши.
При нажатии на правую клавишу мыши осуществляется выход из всех меню и
пунктов этих меню.
Нажатием на колесико мыши при закрытых окнах меню осуществляется
автоматическая установка заданного уровня яркости.
При закрытых окнах меню осуществляется изменение цифрового масштаба
быстрым поворотом колесика мыши.
2.4.3 Настройка параметров качества изображения
Качество изображения объекта в режиме реального времени регулируется
настройкой параметров «Яркость», «Контрастность», «Насыщенность», «Резкость»,
«Фон», «Множитель», «Фильтр», «Оттенок», входящих в меню «Управление
видеонасадкой» и «Параметры» (таблица 2.3).
Таблица 2.3 – Регулировка параметров изображения
Управление видеонасадкой
Яркость
47,0
Объектив
Контрастность 0
Ч/Б
Насыщенность 0
Стоп кадр
Резкость
0
Параметры
Параметры
Масштаб
х2
Уровень яркости
Фон
0
Оттенок
0
Множитель 0,97
Видеонасадка ХТ
Фильтр
RGB Настройки
«Яркость» − параметр «Яркость» обеспечивает изменение яркости свечения
светодиода в диапазоне значений от 0 до 409,5 единиц, при этом спектральные
характеристики излучения остаются неизменными.
«Контрастность» − параметр «Контрастность» позволяет регулировать
контраст изображения объекта в диапазоне ± 30 единиц; при положительных
значениях контраст усиливается и наоборот.
«Насыщенность» − параметр «Насыщенность» позволяет изменять степень
чистоты −сочности цвета, выявлять тонкие цветовые нюансы изображения. Параметр
81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«Насыщенность» изменяется в диапазоне ± 50 единиц, при положительных значениях
цвета
более
насыщенные,
приближающиеся
к
монохроматическим,
при
отрицательных значениях цвета более тусклые, слабые − «вымытые».
«Резкость» − изменение параметра «Резкость» в диапазоне ±10 единиц
позволяет повысить резкость, четкость изображения, а при дальнейшем изменении
до ±30 единиц дополнительно получить эффект рельефности, псевдообъемности,
подобный методу косого освещения объекта то с одной, то с другой стороны.
«Объектив» − установка значения увеличения используемого объектива с
помощью
параметра
«Объектив»
обеспечивает
корректность
работы
всех
параметров, связанных с определением размеров.
«Ч/Б» −
режим черно-белого изображения предусмотрен для повышения
качества изображения не цветных объектов.
«Стоп кадр» − с помощью параметра «Стоп кадр» можно зафиксировать −
«заморозить» изображение объекта на экране.
«Масштаб» − изменение режимов цифрового масштаба осуществляется
либо при закрытых окнах меню быстрым поворотом колесика мыши, либо с
помощью параметра «Масштаб».
«Фон» и «Множитель» − параметры, обеспечивающие повышение качества
изображения объекта за счет математических операций с исходным сигналом,
получаемым от матрицы.
Параметр «Фон» позволяет повысить (ослабить) контраст изображения путем
вычитания (добавления) фона − некоторой постоянной составляющей уровня
исходного сигнала. Диапазон изменения параметра «Фон» − ±500 единиц.
Параметр «Множитель» позволяет усилить (ослабить) уровень исходного
сигнала − путем умножения (деления) его на некоторый коэффициент. Диапазон
изменения параметра «Множитель» −от 0,03 до 31,9 единиц.
«Фильтр» −параметр «Фильтр» применяется для цветового контрастирования
изображения объекта и обеспечивает следующие варианты наблюдения: «RGB» –
без фильтра; «R» – с красным фильтром; «G» – с зеленым фильтром; «RG» – с
82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
желтым фильтром; «B» – с синим фильтром; «RB» – с пурпурным фильтром; «GB»
– с сине-зеленым фильтром.
Для введения нового «имени» объектива необходимо: войти в пункт «Имена
объективов»; в окне «Объектив» с перечнем увеличений объективов, входящих в
комплект микровизора, выбрать значение увеличения объектива, вместо которого
установлен дополнительный объектив; в выбранном положении нажать на левую
клавишу мыши; в следующем окне «х» нажать на левую клавишу мыши в
положении увеличения дополнительного объектива; при отсутствии в перечне
значения увеличения дополнительного объектива − выбрать значение «др.»;
впечатать значение увеличения дополнительного объектива с помощью виртуальной
клавиатуры, появившейся на экране; для выхода − нажать на левую клавишу мыши
в положении «Enter».
«Настройка» – параметр «Настройка VGA» используется при работе с
внешним монитором для приведения в соответствие цветопередачи внешнего
монитора и микровизора.
VGA
Красный 100.0
Зеленый 100.0
Синий
100.0
2.4.4 Работа с изображением
Для входа в меню «Работа с изображением» необходимо закрыть окна других
меню и нажать на правую клавишу мыши, для выхода − повторно нажать на правую
клавишу мыши.
Работа с изображением
Сохранить
Прочитать
Инструменты
Метки
Файлы (SD-карта)
Альбомы
Указка
Выйти
Файлы
Выбрать носитель
Копировать
Удалить
Форматировать
Выйти
83
Выбор носителя
SD-карта
Внутренний диск
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«Сохранить» – параметр «Сохранить» реализует возможность записи файлов
с изображениями объектов и комментариями к ним на SD-карту или на «внутренний
диск».
Выбор
носителя
информации
осуществляется
при
последовательном
обращении к пунктам «Файлы» и «Выбрать носитель».
Для записи файлов на SD-карту необходимо: вставить SD-карту в паз на
передней панели корпуса видеонасадки (поверхность SD-карты с контактами
должна располагаться слева, со стороны экрана); войти в пункт «Сохранить»;
навести курсор на строки «Объект», «Комментарий» или «Оператор»; напечатать
необходимую информацию с помощью виртуальной клавиатуры; выбрать значение
увеличения установленного объектива; для выхода из режима работы с виртуальной
клавиатурой нажать на клавишу «Enter»; выбрать режим «Продолжить» для
сохранения файла или «Отменить» − для выхода из режима без сохранения файла.
После выбора режима «Продолжить» начинается процесс записи изображения
объекта с набранными строками названия объекта, комментария, значением
увеличения используемого объектива, порядковым номером, который программа
автоматически присваивает сохраняемому файлу, датой и временем записи и др.
Нумерация файлов не обнуляется и продолжается до значения 9999999.
Файлы записываются по выбору в формате экрана с расширением «BMP» или
«JPG» либо в формате матрицы с расширением «BMP+» или «RAW».
Процесс записи файла отображается на экране прогресс-индикатором.
Клавиатура содержит цифровые, буквенные и функциональные клавиши.
Выбор клавиш клавиатуры осуществляется с помощью мыши, при этом
выбранная клавиша выделяется курсором. Обозначение клавиш виртуальной
клавиатуры и их функциональное назначение представлены в таблице 2.4.
84
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 2.4 - Обозначение клавиш виртуальной клавиатуры и их функциональное
назначение
Обозначение
клавиш
виртуальной
клавиатуры
Esc
Ins/Ovr
Ins
Ovr
Lat/Rus
Shift

End
Пробел
Enter
Функциональное
клавиатуры
назначение
клавиш
виртуальной
Выход из режима работы с виртуальной клавиатурой без
сохранения текста комментария
Набор и корректировка текста комментария
Набор текста Вставка в текст символа перед символом,
зафиксированным курсором
ВНИМАНИЕ!
Положение
курсора
фиксируется
нажатием на левую клавишу мыши
Замена в тексте символа, зафиксированного курсором
Переключение на латинский или русский алфавит
Переключение заглавных и прописных букв, цифровых и
символьных клавиш
Удаление набранного комментария, начиная с последнего
символа или с символа, зафиксированного курсором
Перевод курсора в конец строки
Введение пробела в тексте
Выход из режима работы с виртуальной клавиатурой для
дальнейшей записи файла на SD-карту
«Прочитать» – параметр «Прочитать» реализует чтение файлов на экране
микровизора, записанных ранее в формате 1024х978 пкс с расширением «BMP».
Чтение файлов с расширением «JPG», «BMP+» и «RAW» производится с помощью
стандартных программ на внешнем компьютере.
При входе в пункт меню «Прочитать» появляется перечень файлов,
сформированный «по дате» записи. Поиск нужного файла, переход на другую
страницу перечня осуществляется перемещением курсора по полю справа. В
верхней строке отображается название «Объекта» выбранного файла, дата и время
записи. Для открытия файла необходимо нажать на левую клавишу мыши в
положении файла, выбранного для просмотра.
При нажатии на правую клавишу мыши в следующем окне «Файл» можно
перейти к просмотру других файлов, сохранить копию или удалить файл.
85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При выборе пункта «Показать информацию» появляется окно с полной
информацией о файле: наименованием объекта, увеличением объектива, номером
файла, датой и временем записи, значениями цифрового масштаба, яркости,
резкости, контрастности и др.
При выборе пункта «Инструменты» в окне «Файл» реализуются возможности
этого параметра при работе с записанными файлами, при этом не забывайте в окне
«Объектив» устанавливать значение увеличения, при котором производилась запись
файла.
SD-карта для передачи данных во внешний компьютер устанавливается в
устройство чтения и записи карты со стандартным разъемом USB 2.0 из комплекта
микровизора.
«Метки» – параметр «Метки» обеспечивает наложение на изображение
объекта вспомогательных изображений «Масштабного отрезка», «Перекрестия»,
«Экранной шкалы», «Окружности» или «Прямоугольника».
«Файлы» – параметр «Файлы» позволяет выбрать носитель информации − для
записи изображений либо на SD-карту, либо на «Внутренний диск». При
необходимости SD-карту можно форматировать, файлы − копировать, удалять.
2.4.5 Работа с принтером, внешним компьютером, VGA монитором и
видеопроектором
В
микровизоре
реализована
возможность
подключения
принтера,
поддерживающего стандарт «PictBridge», внешнего компьютера, VGA монитора или
видеопроектора для работы в режиме реального времени.
Для подключения принтера или внешнего компьютера используется разъем 6
видеонасадки и стандартный кабель USB 2.0 (в комплект микровизора не входит).
Принтер и компакт-диск для работы микровизора совместно с внешним компьютером
в режиме реального времени поставляются по дополнительному заказу.
При подключении к микровизору внешнего компьютера дальнейшая работа с
файлами возможна, если внешнее программное обеспечение использует интерфейс
86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Microsoft DirectShow. Внешний компьютер должен иметь операционную систему
Windows xp.
Для подключения VGA монитора или видеопроектора используется разъем 3
(рисунок 2.6) видеонасадки микровизора и стандартный кабель VGA (в комплект
микровизора не входит).
Качество изображения объекта, наблюдаемое на экране внешнего VGA
монитора или компьютера в значительной степени зависит от настроек монитора и
может несколько отличаться по контрасту и цветопередаче от изображения на
экране микровизора.
2.4.6 Завершение работы
Для завершения работы на микровизоре необходимо:
– закрыть все окна нажатием на правую клавишу мыши;
– нажать кнопку 2 включения (выключения) видеонасадки (рисунок 2.6);
– отключить вилку кабеля сетевого адаптера от сети.
При этом последние установленные значения параметров всех меню
автоматически сохранятся до следующего сеанса работы.
2.5 Задание
2.5.1 Ознакомиться с конструкцией микровизора металлографического
μVizo-МЕТ-221. предназначенного для изучения микроструктуры материалов.
2.5.2
Изучить
принцип
работы
на микровизоре
металлографическом
μVizo-МЕТ-221.
2.5.3 Произвести фотографирование микроструктуры стали и чугуна при
различных увеличениях (х 200 и х 500).
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.6 Содержание отчета
2.6.1 Цель работы.
2.6.2
Краткое
описание
устройства
и
работы
микровизора
металлографического μVizo-МЕТ-221.
2.6.3 Представить фотографии микроструктур с указанием структурных
составляющих.
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3 Лабораторная работа №2 Проведение фазового анализа на
дифрактометре МД10
3.1 Цель работы
Изучить конструкцию, область применения и принцип работы рентгеновского
дифрактометра общего назначения.
Ознакомиться с методами рентгенографического фазового анализа и
приобрести практические навыки проведения качественного и количественного
фазового анализа однофазных и многофазных материалов.
3.2 Основные сведения
3.2.1 Устройство и принцип работы минидифрактометра
Рентгеновский
дифрактометр
МД-10
применяется
для
проведения
рентгеноструктурного анализа поликристаллических веществ. Метод основан на
явлении дифракции рентгеновских лучей на кристаллической решетке. Измеряя
углы и интенсивности дифракционных пиков можно определить параметры и тип
кристаллической решетки, провести качественный и количественный фазовый
анализ вещества. Качественный фазовый анализ проводится с использованием базы
данных ICDD и программного обеспечения.
В дифрактометре используется трехлучевая рентгенооптическая схема,
показанная на рисунке 3.1. В сочетании с позиционно-чувствительным детектором
(ПЧД) она полностью заменяет гониометрическое устройство классических
дифрактометров, принцип работы которых основан на том, что рентгеновское
излучение, сфокусированное на образце, установленном по оси спектрометра
(гониометра), дифрагируется образцом (рисунок 3.2). Дифракция рентгеновских
лучей в кристалле подчиняется точному закону: лучи определѐнной длины волны
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
отражаются от граней кристалла только при определѐнных углах падения на него
(рисунок 3.2). При этом лучи взаимно усиливают или ослабляют друг друга, т. е.
интерферируют между собой. Интерференция возможна, когда разность хода лучей,
отраженных от двух соседних плоскостей, составит целое число, n, длин волн
(рисунок 3.3). Эта разность равна пути BCD.
BC  CD  d sin( ) ,
(3.1)
BCD  2d sin( ) .
(3.2)
Отсюда получаем уравнение (3.3), называемое законом Вульфа - Брегга:
n  2d sin  ,
где
(3.3)
λ – длина волны рентгеновского излучения, нм;
d – межплоскостное расстояние, нм;
θ – угол дифракции рентгеновских лучей, ˚;
n – порядок отражения.
Поскольку длина волны рентгеновского излучения величина известная, то
задача определения межплосткосных расстояний сводится к нахождению углов θ
для всех линий дифрактограммы.
d

 d HKL 
n
2Sin
90
(3.4)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 3.1 - Рентгенооптическая схема дифрактометра МД10
Рисунок 3.2 - Схема фокусировки по Брэггу-Брентано
91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 3.3 – Схема дифракции рентгеновского излучения на образце
Исследования на минидифрактометре МД10 проводят по схеме ДебаяШеррера при фиксированных положениях источника излучения и позиционно
чувствительного
детектора
(ПЧД)
в
монохроматическом
излучении.
Дифракционный спектр регистрируется детектором в диапазоне углов от 15° до
70° или от 65° до 120° по 2θ. Третий немонохроматизированный луч от источника
излучения
может
быть
использован
для
дополнительных
исследований
фотометодом с регистрацией двумерного спектра на фотокасету.
Конструктивно
дифрактометр
представляет
собой
приборный
каркас,
разделенный на три секции. Блок-схема минидифрактометра изображена на
рисунке 4. В первой секции «А» на несущей вертикальной плите размещен
моноблок источника рентгеновского излучения с принудительным воздушным
охлаждением, блоком монохроматоров и двумя электромагнитными заслонками
рентгеновских пучков (рисунок 3.4). На той же плите закреплены ПЧД, держатель
образцов, ловушка первичного пучка, подсветка образца, светодиод индикации
открытого рентгеновского пучка и видеокамера. За несущей плитой находится
секция «Б» (рисунок 3.5), в котором размещены: платы управления МИТ (HVS10);
источник питания низковольтный LVS4; преобразователь сигналов PSA-3; АЦП
VADCPP5, плата регулировок BR3. На задней панели секции размещены: разъем
USB для подключения дифрактометра к USB-порту компьютера, элементы
92
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
управления платы регулировок BR3, гнезда «PSD» для контроля высокого
напряжения ПЧД. Справа от секций «А» и «Б» за разделительной перегородкой
находится отсек «В», в котором размещены: плата управления дифрактометром PUA5, высоковольтный источник питания ПЧД HVS-3kV. На лицевой панели
секции размещены: выключатель сети и выключатель рентгеновского излучения,
кнопка включения вращения образца, кнопки переключений электромагнитных
заслонок, переключатель режимов работы МИТ, светодиоды состояний системы.
На
заднюю
панель
выведен
разъем
подключения
сетевого
предохранители и клемма заземления.
Рисунок 3.4 - Секция «А» минидифрактометра «МД-10». Общий вид
93
питания,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 3.5 - Блок-схема рентгеновского минидифрактометра МД-10
Позиционно-чувствителъиый
детектор
(ПЧД).
ПЧД
служит
для
регистрации интенсивности и пространственного распределения рентгеновского
спектра, полученного при рассеянии рентгеновского излучения от образца. ПЧД
состоит из собственно детектора и двух предусилителей, собранных в одном
корпусе. Принцип работы ПЧД основан на RC- кодировании зарядов, собираемых
на аноде детектора при регистрации квантов рентгеновского излучения. С ПЧД на
PSA-3 поступают два импульсных сигнала "старт" и "стоп", передние фронты
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
которых несут информацию о координате места поглощения кванта рентгеновского
излучения.
Преобразователь
сигналов
«время-амплитуда»
(PSA-3).
PSA-3
обеспечивает анализ длительности фронтов нарастания (ДФН) сигналов «Старт» и
«Стоп», поступающих с двух предусилителей ПЧД, и выработку амплитудномодулированного
импульсного
сигнала,
пропорционального
разности
ДФН
(координате места поглощения кванта в ПЧД). В PSA-3 имеется дополнительный
амплитудный канал, обеспечивающий суммирование сигналов «Старт» и «Стоп»
для анализа спектров по энергиям. В режиме амплитудного анализа (АА) имеется
возможность дискриминации энергетического спектра по нижнему и верхнему
порогам «LL» и «HL». С помощью регулировок «HL» и «LL» выбирается
энергетическое окно для минимизации фона при регистрации дифракционного
спектра (позиционный анализ РА).
Аналого-цифровой преобразователь VADCPP5 (АЦП). Аналого-цифровой
преобразователь осуществляет двоичное кодирование амплитуды импульсов Ux,
вырабатываемых PSA-3. Полученные 12-ти разрядные коды являются кодами
адресов ячеек ОЗУ ЭВМ, в которых происходит накопление числа импульсов
одинаковой амплитуды, т.е. реализуется функция многоканального анализатора
амплитуда-код (номер канала или координата).
Моноблок излучателя с рентгеновской трубкой (МИТ). Моноблок МИТ
обеспечивает получение рентгеновского излучения с энергией сплошного
спектра до 25 кэВ, содержащего характеристическое излучение CuKα или FeKα в
зависимости от мишени анода рентгеновской трубки. МИТ представляет собой
монолитный блок генераторного устройства, внутри которого установлена
рентгеновская трубка. Генераторное устройство размещено в кожухе, на несущей
плите которого крепится блок монохроматоров (БМ). На кожухе имеется разъем
для подключения кабеля связи с платой автоматики.
Блок монохроматоров (БМ). БМ предназначен для формирования трех
пучков
рентгеновского
излучения:
двух
монохроматизированных
пучков,
сходящихся под углом 50 градусов в одну точку на образце, и одного
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
немонохроматизированного пучка, являющегося «биссектрисой» двух первых
пучков.
БМ
состоит
из
модуля
с
двумя
автоматическими
заслонками
монохроматизированных пучков и сменной головки с двумя монохроматорами и
ручной заслонкой первичного пучка.
Высоковольтный источник питания ПЧД. Источник питания с плавной
регулировкой напряжения в диапазоне от 300 до 3000 В предназначен для питания
ПЧД
стабилизированным
высоковольтным
напряжением.
Высоковольтное
напряжение получается путем выпрямления выбросов напряжения на вторичной
обмотке трансформатора и последовательного умножения до необходимой
величины на диодно-конденсаторной схеме.
Плата регулировок и коммутации BR-3. Плата BR-3 обеспечивает
коммутацию режимов работы РА/АА, установку нижнего и верхнего порогов
дискриминации (LL, HL) в PSA-3.
Плата управления и автоматики PUA5. Плата управления и автоматики
PUA5 обеспечивает: управление электромагнитами заслонок и электродвигателем
привода вращения образцов, работу системы блокировки дверцы защиты и
индикаторного светодиода "X-RAY", питание фонаря подсветки образца, работу
исполнительных
устройств
дифрактометра
в
автоматическом
режиме
под
управлением от ЭВМ.
Низковольтный источник питания LVS-4. Источник питания обеспечивает
низковольтным напряжением платы и представляет собой многоканальный
компенсационный источник, вырабатывающий необходимые для плат напряжения
питания; ±15 В (PSA-3); +5 В, ±12 В (VADCPP5); ±15 В (HVS-3kV). Источник
содержит сетевой трансформатор с двумя выходными обмотками, выпрямительные
мосты, фильтры и интегральные стабилизаторы с единым радиатором охлаждения.
Каждый источник потребления напряжения имеет на плате LVS-4 свой
индивидуальный разъем.
96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.2.2 Качественный фазовый анализ на дифрактометре МД10
Фазовым анализом называется установление наличия фаз в исследуемом
образце, их идентификация (качественный анализ) и определение относительного
содержания фаз (количественный анализ).
Качественный фазовый анализ на дифрактометре МД10 проводят путем
съемки дифракционной картины исследуемого образца и сравнения полученных
результатов с имеющейся базой данных с помощью программы «LookPDF».
Исследуемое вещество желательно в виде порошка с размером частиц от 10 до
40 мкм помещают в кювету, уплотняют под прессом и устанавливают в держатель
образцов. Расстояние от основания секции до плоскости кюветы (образца) должно
быть (82±0,1) мм.
Затем осуществляют съемку дифракционного спектра поочередно в первом и
втором диапазоне углов регистрации (рисунок 3.6).
Время
экспозиции
выбирается
в
зависимости
от
рассеивающей
способности образца и от поставленной задачи. Чем больше время экспозиции,
тем меньше статистическая составляющая погрешности измерения и выше
точность эксперимента. В случае корунда, при калибровке прибора, набор
импульсов в спектре, достаточный для проведения качественной калибровки в
первом диапазоне регистрации, обеспечивается при экспозиции 600 с и более. Для
калибровки второго диапазона время экспозиции необходимо увеличить до 1200 с
и более. Спектр для оценки качества приготовления образца можно получить за
300 с.
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 3.6 – Окно программы управления дифрактометром
После нажатия кнопки «Старт» если включен автоматический режим
управления дифрактометром начинается регистрация дифракционного спектра. По
окончании времени экспозиции набор спектра прекращается и можно записать
спектр в архив спектров или приступить к его обработке. Обработать полученный
спектр, нажав соответствующую кнопку «Обработать спектр» на панели управления
страницы «Измерение» (рисунок 3.7). При этом в окне программы активной стане
вкладка
«Обработка»
на
которой
представлен
исходный
и
обработанный
дифракционный спектр, углы отражения и интенсивности дифракционных пиков.
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 3.7 – Обработанный спектр
При необходимости можно уточнить угловые положения дифракционных
пиков,
ческом
а
также
или
в
выполнить
ручном
разделение
режимах
наложенных
обработки.
При
пиков
в
разделении
автомати
пиков
в
автоматическом режиме можно воспользоваться процедурой разделения с
аппроксимацией пиками различной или одинаковой ширины; в ручном режиме
ширина пика на полувысоте подбирается оператором. Рекомендуется выполнить
несколько итераций путем последовательного нажатия кнопки «Обработать спектр».
Дифракционные спектры вещества отснятые в первом и втором диапазонах
регистрации можно совместить с помощью функции «Сшить спектры» меню
«Сервис» (рисунок 3.8).
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 3.8 – Результат сшивания спектров отснятых в первом и втором диапазоне
регистрации
При обработке спектров от плоских порошковых образцов, снятых в
двух фиксированных диапазонах по схеме Дебая - Шеррера, необходимо
корректировать
интегральные интенсивности пиков на геометрию съемки.
Поправки обеспечивают приведение интенсивностей пиков в соответствие со
стандартной геометрией съемки «тета-два тета» и возможность использования
базы данных ICDD при фазовом анализе.
Для первого диапазона регистрации, для которого угол падения первичного
пучка на плоский образец α = 8°, поправочный коэффициент имеет вид:
K1  0,51  Sin8 / Sin2  8
Для второго диапазона регистрации угол α = 58° и поправочный коэффициент
имеет вид:
K1  0,51  Sin58  / Sin2  58 
В
таблице
интенсивности
данных
пиков,
скорректированные
обработки
спектра
полученные
интенсивности.
в
приводятся
геометрии
дифрактометра
Скорректированные
100
интегральные
и
интенсивности
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
используются для расчета относительных интенсивностей дифракционных пиков
и для фазового анализа.
Для получения монохроматизированных пучков для двух диапазонов
регистрации используются два монохроматора, которые дают рабочие пучки
излучения различной интенсивности. При "сшивании" спектров двух диапазонов
необходимо приведение интенсивностей дифрагированных пучков к одной шкале
интенсивностей.
Для этого оператор подбирает соответствующий коэффициент К3 для
каждого блока монохроматоров при съемке эталонного образца (стандарта из
ICDD). Коэффициент КЗ подбирается таким образом, чтобы относительные
(приведенные к шкале интенсивностей 1-го диапазона) интенсивности пиков 2-го
диапазона регистрации имели максимально возможное совладение с табличными
данными для данного стандартного образца. Время экспозиции при съемке спектра
во втором диапазоне обычно в 2-3 раза больше, чем в первом диапазоне
регистрации. Разница времен экспозиции при "сшивании" спектров учитывается
автоматически.
Для обработки дифрактограмм многофазных материалов или смесей веществ в
программе предусмотрены функции совмещения, добавления и вычитания спектров.
Функцию совмещения спектров удобно использовать для анализа изменений
дифракционной картины материала после разных видов термической, химикотермической обработки или обработки давлением. Функции добавления и
вычитания спектров удобны для отделения дифракционных максимумов разных
фазовых составляющих в материале (рисунок 3.9).
101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 3.9 – Совмещение спектров двух веществ
После
обработки
дифрактограммы
в
программе
MD-10
проводят
качественный фазовый анализ. Программу работы с базой данных, Powder
Diffraction Database Search, запускают с помощью функции «Фазовый анализ
(LookPDF)» меню «Сервис». Вид окна работы с программой показан на рисунке
3.10.
Рисунок 3.10 – Вкладка установления критериев поиска
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Во вкладке «Search/Match Criteria» определяем критерии поиска и сравнения
данных. В данной вкладке можно:
- установить минимальное количество совпадений значений углов 2θ
дифракционных пиков исследуемого вещества со значениями углов отражения
веществ записанных в базе данных, а также установить величину отклонения этих
значений;
- установить в качестве критерия поиска наличие определенного химического
элемента, выбрав его из периодической таблицы;
- ограничить поиск и сравнение выбором определенных групп веществ и
соединений, например, керамика, полимеры и т.д.;
- установить параметры решетки искомого вещества;
- проводить поиск по основной или пользовательской базе данных.
Результат поиска отображается во вкладке «Search/Match Result» (рисунок
3.11). В таблице результатов поиска может присутствовать большое количество
веществ, параметры которых удовлетворяют установленным ранее критериям, из
которых, основываясь на имеющейся информации, можно выбрать необходимое
соединение. При необходимости можно просмотреть дифракционную карточку
предлагеемого вещества, в которой содержится информация о дифракционной
картине (углы дифракции, интенсивность пиков, индексы миллера), параметрах
элементарной ячейки, дате съемки дифракционной картины и длине волны
рентгеновского излучения.
103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 3.11 – Результат поиска
3.2.3 Количественный фазовый анализ на дифрактометре МД10
В основу методики количественного анализа положен метод ПетераКальмана, заключающийся в измерении и обсчете дифракционных пиков всех
обнаруженных в пробе веществ.
Для определения содержания соответствующего вещества используют
экспериментально установленные корундовые числа. Для определения корундового
числа производят съемку дифрактограммы смеси 1:1 корунда (синтетический
корунд (Al2O3) - альфа-форма с содержанием основного вещества не менее 98 %) и
соответствующего минерала, по которой определяют максимальную интенсивность,
Imax, и угол 2θHKL дифракционного пика вещества и пика корунда с индексами 110
(2θ110 = 37,785º, на излучении CuKα, d = 0,2379 нм). Корундовое число равно
отношению Imax пика вещества к Imax пика корунда.
Массовую
долю
соответствующего
вычисляют по формуле:
Ci  ( Ji / Ki)  100
104
вещества
«Сi»
в
процентах
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где Jj – интенсивность, Imax (в импульсах), аналитического пика i - того
вещества;
Kj- корундовое число i- того вещества.
3.3 Порядок выполнения работы
Ознакомиться с принципом работы рентгеновских дифрактометра МД10.
Изучить устройство дифрактометра и функциональное назначение его основных
блоков. Усвоить правила безопасности при работе с источниками высокого
напряжения и ионизирующим (рентгеновским) излучением. Изучить порядок
включения и выключения дифрактометра.
Получить у преподавателя образцы однофазного и многофазного вещества.
Провести качественный и количественный фазовый анализ данных вещества.
Пользуясь справочными данными, приписать каждому пику на рентгенограмме
соответствующую фазу и индекс Миллера, зарисовать полученные рентгенограммы.
В отчете указать цель занятия, включить описание общих сведений, отразить
особенности конструкции дифрактометра МД10.
3.4 Содержание отчета
3.1 Цель работы.
3.2 Краткое описание сущности рентгеноструктурного анализа.
3.3 Конструкция дифрактометра МД10.
3.4 Методика проведения фазового анализа.
3.5 Дифрактограмма образца.
3.6 Выводы.
105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.5 Контрольные вопросы
3.1 Объясните устройство и принцип работы рентгеновских трубок.
3.2 Охарактеризуйте непрерывный рентгеновский спектр излучения, связь
интенсивности рентгеновского излучения с параметрами рентгеновской трубки.
3.3
Охарактеризуйте
линейчатый
спектр
рентгеновского
излучения,
необходимые условия для возникновения характеристических линий.
3.4
Поясните
принципы
обозначений
характеристических
линий
рентгеновского излучения.
3.5 Каков спектр поглощения рентгеновского излучения, края поглощения?
3.6 Назовите основные способы монохроматизации рентгеновского излучения.
3.7 Назовите способы регистрации рентгеновского излучения. Детекторы
рентгеновского излучения.
3.8 Опишите устройство дифрактометра, назначение основных блоков
дифрактометра.
3.9
В
чем
рентгеновского
заключается
излучения,
метод
необходимость
фокусировки
фокусировки
рассеянного
рассеянного
излучения
на
дифрактометрах.
3.10 Что называется фазой? Какие задачи можно решить с помощью фазового
анализа?
3.11 В чем состоит преимущество метода РФА перед остальными методами?
3.12 В чем заключается качественный фазовый анализ?
3.13 В чем заключается количественный фазовый анализ?
3.14 Что понимается под чувствительностью метода фазового анализа и
каковы пути ее повышения?
3.15 Какова погрешность метода РФА?
106
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4 Лабораторная работа №3 Ультразвуковая дефектоскопия
4.1 Цель работы
Изучить
оборудование
ультразвуковым
методом
с
и
технологию
применением
измерения
толщины
универсального
изделий
ультразвукового
дефектоскопа УД2В-П46.
4.2 Основные сведения
4.2.1 Сущность и виды методов ультразвукового контроля
Ультразвуковая дефектоскопия основывается на способности ультразвука
распространяться в материале контролируемого изделия и отражаться от
внутренних дефектов и границ материала.
Многообразие
неразрушающего
задач,
контроля
возникающих
различных
при
изделий,
необходимости
привело
к
проведения
разработке
и
использованию ряда различных акустических методов контроля. Наиболее широкое
распространение в практике ультразвуковой дефектоскопии нашли импульсные
методы, в том числе – эхо-метод и метод звуковой тени (теневой метод). Реже
применяют другие методы: резонансный, акустического импеданса, свободных
колебаний и акустической эмиссии.
Наиболее распространенные методы ультразвуковой дефектоскопии, которые
позволяет реализовать любой дефектоскоп общего назначения, описаны ниже.
107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4.2.1.1 Теневой метод
Теневой метод заключается в сквозном прозвучивании изделия импульсами
ультразвуковых колебаний (рисунок 4.1). Для излучения и приема ультразвука
используют два соосно-расположенных пьезоэлектрического преобразователя
(ПЭП), а о наличии дефектов судят по уменьшению амплитуды принимаемых
колебаний.
Излучатель ультразвуковых волн, проверяемая деталь и приѐмник образуют
«акустический тракт», по которому распространяется ультразвуковая волна.
Решение о дефектности проверяемой детали принимают по величине амплитуды
(уровню) принятого сигнала на выходе принимающего преобразователя. Если на
пути ультразвуковых волн от излучателя до приѐмника нет препятствий
(несплошностей), отражающих или рассеивающих ультразвуковые волны, то
уровень принятого сигнала максимален. Однако он резко уменьшается или падает
почти до нуля, если на пути ультразвуковой волны есть несплошность (дефект).
Решение принимается при соблюдении требований соосного расположения
преобразователей и стабильного их акустического контакта с контролируемой
деталью.
а
б
1 - контролируемая деталь; 2, 3 - излучающий и приемный ПЭП, соответственно;
4 - дефект; 5, 6 - донные сигналы при наличии и отсутствии дефекта
а – схема контроля; б – регистрируемый сигнал.
Рисунок 4.1 - Схема контроля теневым методом
108
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Метод наиболее часто применяют для контроля тонкостенных изделий, так
как при его использовании отсутствуют мертвые зоны. Недостатками метода
являются необходимость двустороннего соосного доступа к изделию, низкая
чувствительность при контроле изделий средней и большой толщины и
невозможность определения глубины залегания дефекта.
4.2.1.2 Эхо - импульсный метод
Эхо - импульсный метод основан на явлении отражения ультразвуковых волн
от поверхности дефекта и регистрации отражѐнных сигналов (рисунок 4.2).
а
б
1 - контролируемая деталь; 2 - ПЭП; 3 - дефект; 4 - зондирующий импульс;
5 - эхо сигнал от дефекта; 6 - донный сигнал;
а – схема контроля; б – регистрируемый сигнал.
Рисунок 4.2 - Схема контроля эхо-импульсным методом
Этим методом контролируют оси колѐсных пар, поковки, штамповки, прокат,
сварные швы, детали из пластмассы, а также измеряют толщину изделия и
оценивают структуру материала. Для этой цели в контролируемое изделие
излучается последовательность коротких ультразвуковых импульсов. Излучаемые
ультразвуковые
импульсы
называют
«зондирующими».
Признаком
дефекта
является наличие эхо-сигнала, отражѐнного от несплошности. Отражѐнные
ультразвуковые импульсы несут информацию о наличии какого-то отражателя, его
удалѐнности от излучателя и о его размерах. Размеры и местоположение дефекта
оценивают по амплитуде и времени задержки (положению на экране) отражѐнного
109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
эхо-сигнала. Широкое распространение метода обусловлено простотой его
реализации, высокой чувствительностью к выявлению многих типов дефектов и
возможностью одностороннего доступа к изделию. К недостатку данного метода
можно отнести наличие неконтролируемой мертвой зоны, расположенной под ПЭП.
Расстояние до отражателя при контроле эхо-методом может быть определено с
высокой степенью точности. Поскольку заранее известны тип ультразвуковой волны
и скорость еѐ распространения в материале контролируемой детали, то путь,
пройденный ультразвуковым импульсом от излучателя до отражателя и обратно,
составляет:
2r = Ct,
(4.1)
где t – время «задержки» принятого отражѐнного импульса относительно
зондирующего, с;
r – расстояние от излучателя до отражателя, м;
С – скорость распространения ультразвуковой волны в материале, м/с.
Полное время задержки t складывается из нескольких составляющих. Такими
составляющими, кроме времени пробега ультразвука в изделии, являются время
пробега ультразвука через протектор (или призму) преобразователя, через слой
контактной жидкости, а также время задержки в электронном блоке дефектоскопа.
Однако практически величинами этих задержек можно пренебречь по сравнению с
временем пробега ультразвукового импульса в контролируемом изделии.
4.2.1.3 Зеркально-теневой метод
Зеркально-теневой метод является комбинацией эхо - импульсного и теневого
методов (рисунок 4.3). Он принципиально не отличается от теневого, но удобен,
когда к детали имеется только односторонний доступ.
При контроле этим методом используют один или два ПЭП, размещенные на
одной поверхности изделия. Признаком дефекта является ослабление амплитуды
(уровня ультразвуковой волны), прошедшей через контролируемое изделие и
110
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
отражѐнной от его противоположной поверхности. Размеры дефекта оценивают по
уменьшению амплитуды «донного» сигнала. Этот метод применяется, например,
при контроле железнодорожных рельсов, а также при контроле различных деталей
(осей колесных пар вагонов, валов двигателей и т. д.) на прозвучиваемость.
а
б
1 - контролируемая деталь; 2 - ПЭП; 3 - дефект; 4 - зондирующий импульс;
5, 6 - донные сигналы при наличии и отсутствии дефекта;
а – схема контроля; б – регистрируемый сигнал.
Рисунок 4.3 - Схема контроля зеркально-теневым методом
4.3 Оборудование, применяемое при ультразвуковом контроле
4.3.1 Ультразвуковой дефектоскоп УД2ВП45-Light
При проведении ультразвукового контроля используются:
- ультразвуковые дефектоскопы (УЗД);
- ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП);
- стандартные образцы предприятия (СОП);
- вспомогательные устройства, приспособления и расходные материалы.
Дефектоскоп
УД2ВП45-Light
предназначен
для
ультразвуковой
дефектоскопии и толщинометрии. Вид прибора представлен на рисунке 4.4.
Структура меню дефектоскопа позволяет оператору изменить большое
количество параметров работы и включает в себя главное и дополнительное меню.
Главное меню используются для настройки прибора перед контролем, в т. ч.
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
изменения характеристик генератора, усилителя, установки зон контроля, системы
АСД и пр.
Рисунок 4.4 – Универсальный ультразвуковой дефектоскоп УД2ВП45-Light
Дополнительное
меню
позволяет
оператору
провести
специфические
регулировки – частоты посылки импульсов, задать предустановки скорости,
развертки и пр. Функции меню дефектоскопа представлены в таблице 4.1.
Меню ОСНОВНЫЕ:
- СКОРОСТЬ – позволяет ввести скорость УЗК. Нажатие кнопки, когда
функция активна, позволяет выбрать одно из четырех предварительно заданных в
дополнительном меню значений;
- РАЗВЕРТКА – регулирует диапазон развертки от 3 мм дo 3000 мм (в стали).
Нажатие кнопки, когда функция активна, позволяет выбрать одно из четырех
предварительно заданных значений;
- ЗАДЕРЖКА – позволяет сдвигать А-сигнал в окне индикатора влево или
вправо;
- ОТСЕЧКА – определяет выборочный вывод А-сигнала на экран. Выводятся
только сигналы с амплитудой, большей указанной в процентах от всей высоты экрана.
112
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 4.1 – Функции главного меню дефектоскопа
Главное меню
Функции
ОСНОВНЫЕ
Скорость
Развертка
Задержка
Отсечка
a-ЗОНА
a- порог
а-начало
а- ширина
а- режим
б-ЗОНА
б-порог
б-начало
б-ширина
б- режим
АСД
Режим
Звук
Свет
ВРЧ
Точка
Положение
Усиление
ТРАКТ
Частота
Ан. Фильтр
ГЗИ
Демпфер
Ширина ЗИ
ДАТЧИК
Совм.режим
R входа
Угол ввода
Протектор
ИЗМЕРЕНИЕ
Величина
Время
Импульс
Образец
ЭКРАН
Контраст
Подсветка
а – Масштаб
График ВРЧ
НАСТРОЙКИ
Загрузить
Сохранить
Цифр.
Фильтр
Согл.
Элемент
Включить
Детектор
Част. повт.
Загрузить рабочую
Меню а-ЗОНА:
- а-ПОРОГ - устанавливает высоту порога а-зоны;
- а-НАЧАЛО – устанавливает начало а-зоны;
- а-ШИРИНА – устанавливает протяженность а-зоны;
- а-РЕЖИМ – определяет режим срабатывания.
АСД – если сигнал пересекает порог или если сигнал ниже порога
Меню б-ЗОНА:
- б-ПОРОГ - устанавливает высоту порога б-зоны;
- б-НАЧАЛО – устанавливает начало б-зоны;
- б-ШИРИНА – устанавливает протяженность б-зоны.
- б-РЕЖИМ – определяет режим срабатывания автоматической сигнализации
дефектов (АСД) – если сигнал пересекает порог или если сигнал ниже порога АСД;
113
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- РЕЖИМ – определяет логику срабатывания АСД : когда сигнал только в
а-зоне, только б-зоне, одновременно в обеих зонах, хотя бы в одной из зон или по
АРК;
- ЗВУК – разрешает подавать звуковой сигнал при срабатывании АСД;
- СВЕТ – разрешает световой сигнал при срабатывании АСД.
Меню временной регулировки чувствительности (ВРЧ):
- ТОЧКА – может быть записано до 10 точек на кривой ВРЧ;
- ПОЛОЖЕНИЕ – регулирует положение для каждой точки;
- УСИЛЕНИЕ – регулирует усиление для каждой точки;
- ВКЛЮЧИТЬ – включает ВРЧ.
Меню ТРАКТ:
- ПОЛОСА – выбирает верхний диапазон полосы частот;
- ФИЛЬТР – выбор аналогового фильтра;
- ДЕТЕКТОР – выбирает тип детектирования для отображения А-сигнала на
экране;
- R ВХОДА – включение демпфирования входа приемника 50 Ом.
Меню ГЕНЕРАТОР:
- НАПРЯЖЕНИЕ – устанавливает амплитуду зондирующего импульса 50 В
или 200 В;
- ЧАСТОТА ЗИ – регулирует частоту зондирующего импульса (для
оптимального возбуждения преобразователя);
- ПЕРИОДОВ – регулирует число периодов импульса возбуждения (для
оптимальной работы преобразователя);
- ЧАСТ. ПОВТ. – при нажатии кнопки показывает реальную частоту посылок
импульсов.
Меню ДЕМПФЕР:
- R ВЫХОДА - позволяет демпфировать выход генератора 50 Ом;
-
ДЛИТ.
ЭД
–
позволяет
выбирать
демпфирования зондирующего импульса;
114
длительность
электрического
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- ЗАДЕРЖ. ЭД – позволяет установить задержку перед началом включения
электрического демпфера;
- L ВЫХОДА – позволяет подобрать индуктивный согласующий элемент для
оптимального возбуждения ПЭП.
Меню ДАТЧИК:
- СОВМ.РЕЖИМ – переключает режим для работы с совмещенными или
раздельно- совмещенными (раздельными) датчиками;
- УГОЛ ВВОДА – ввод угла преобразователя;
- ПРОТЕКТОР – ввод задержки времени, обусловленной прохождением
сигнала в призме преобразователя, протекторе, линии задержки и пр.
Меню НАСТРОЙКИ:
- ЗАГРУЗИТЬ НАСТРОЙКУ – вызывает ранее сохраненную настройку из
памяти;
- СОХРАНИТ НАСТРОЙКУ – сохраняет настройку в памяти;
- ЗАГРУЗИТЬ РАБОЧУЮ – вызывает рабочую настройку (настройка с
которой включился прибор);
- СОХРАНИТЬ РАБОЧУЮ – сохраняет текущую рабочую настройку меню
ИЗМЕРЕНИЕ:
- ВЕЛИЧИНА – выбор измеряемой величины показываемой на дисплее;
- ВРЕМЯ – выбирает способ измерения времения – по пику сигнала или по
фронту;
- ИМПУЛЬС – выбирает режим измерения времени от 0 до а-зоны или между
зонами;
- ОБРАЗЕЦ- позволяет ввести толщину образца для расчета скорости УЗК.
Меню РЕЖИМ:
- Б-СКАН – вкл/выключает отображение сигнала в виде Б-скана;
- ОГИБАЮЩАЯ– вкл/выкл отображение огибающей сигнала;
- А-МАСШТАБ – вкл/выключает масштабирование сигнала в а-зоне до
размеров экране («электронная лупа»).
115
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4.3.2 Параметры зондирующего импульса
Зондирующим
импульсом
(ЗИ)
называется
акустический
импульс,
излучаемый преобразователем. Форма зондирующего импульса зависит от формы
приложенного напряжения и сопротивления демпфера пьезопреобразователя. Без
подключенного преобразователя импульс представляет собой односторонний
толчок напряжения, убывающий по экспоненциальному закону. Для повышения
эффективности
возбуждения
пьезокристаллов
используют
генераторы
прямоугольных импульсов.
Длина импульса определяет колебательные характеристики пьезоэлемента.
Теоретически для наиболее эффективного возбуждения колебаний длительность
импульса возбуждения должна быть равна половине периода основной частоты
пьезопластины: для 5 МГц это 100 нс, для 2,5 МГц - 200 нс. Возбуждение
импульсами несоответствующей длительности может привести к искажению формы
эхо-импульсов,
увеличению
их
длительности.
Наибольшая
эффективность
генератора прямоугольных импульсов и возрастание амплитуды эхо-сигналов
наблюдается на частотах ниже 5 МГц. На частотах выше 10 МГц разница между
ударным возбуждением и возбуждением импульсами прямоугольной формы
практически отсутствует.
Частота следования ЗИ является одной из основных характеристик,
определяющих производительность контроля, т. е. максимальную скорость
сканирования поверхности объекта контроля, при которой еще возможно выявление
дефекта.
Кроме частоты следования ЗИ на реальную производительность влияют:
диаметр излучающей поверхности преобразователя, условия контроля, геометрия и
состояние поверхности и т. д. Поэтому такая характеристика является весьма
относительной. Однако максимальная частота следования ЗИ позволяет оценить
предельную производительность самого дефектоскопа в определенных условиях.
Например,
если
условно
принять
ширину
диаграммы
направленности
преобразователя на определенной глубине, равной 5 мм, тогда, учитывая, что для
116
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
регистрации дефекта по стандарту необходимо не менее 3-х импульсов на дефект,
можно приблизительно оценить максимально возможную для контроля скорость
движения преобразователя.
Таким
образом,
при
частоте
следования
500
Гц
максимальная
производительность такого прибора составит около 50 м/мин, что вполне
достаточно даже для автоматизированного контроля. Наоборот, при частоте
следования 10 Гц, максимальная скорость движения составит около 1 м/мин.
Многие
приборы
имеют
переключаемую
частоту
посылок
ЗИ
«высокая/низкая» с тем, чтобы можно было проводить контроль материалов с
различным затуханием, т. к. в материалах с малым затуханием при высокой частоте
посылок
ЗИ
может
произойти
наложение
эхо-импульса
на
собственный
зондирующий импульс.
Кроме
того,
частота
следования
зондирующих
импульсов
обычно
автоматически регулируется в зависимости от длительности развертки и других
параметров настройки.
4.3.3 Параметры развертки дефектоскопов
Длительность развертки представляет собой интервал времени прохождения
импульса, в течение которого отраженный эхо-сигнал может быть выведен на экран.
Обычно указывается в микросекундах или миллиметрах. Говоря о развертке в
миллиметрах, всегда имеют в виду какой-то конкретный материал с известной
скоростью звука (обычно это сталь 45 со скоростью примерно от 5950 до 6000 м/с).
Глубина прозвучивания (т. е. максимальное расстояние в материале, при
котором можно получить сигнал от отражателя с заданным соотношением
сигнал/шум) зависит в первую очередь от амплитуды зондирующего импульса, от
коэффициента преобразования ПЭП, от затухания звука в материале объекта
контроля, анизотропии его свойств, его геометрии и т. д.
Под минимальной разверткой понимается наименьший интервал времени,
который можно растянуть на весь экран дефектоскопа. Соответственно, чем меньше
117
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
такой интервал, тем более удобно работать с малыми толщинами и близко
расположенными дефектами, поскольку можно отобразить малую зону контроля на
весь экран. Также следует обратить внимание на нижний диапазон толщин
контролируемого материала, т. е. диапазон от 2 до 3000 мм подразумевает, что
развертка до 2 мм на экране дефектоскопа не будет отображаться и, следовательно,
прямым ПЭП без призмы/линии задержки проконтролирована быть не может.
Еще один важный параметр дефектоскопа - величина задержки развертки.
Задержка развертки - начальный временной интервал, который не будет
отображаться на экране дефектоскопа. Он указывается обычно в микросекундах.
Таким образом, чтобы контролировать изделие на наличие дефектов на глубине от
900 до 1000 мм достаточно установить развертку более 1 м, но тогда работать с
таким сигналом совершенно неудобно, так как на экране он будет выглядеть как
тонкая линия. В этом случае удобнее выставить задержку развертки порядка 300 мкс
(что для стали составит как раз около 900 мм) и длительность развертки всего 100
мм.
4.3.4 Параметры приемного тракта дефектоскопов
Под частотным диапазоном понимают минимальную и максимальную
границу принимаемых приемником частот, при которых уровень амплитуды
принятого сигнала падает не более, чем на заданную величину от истинного
значения. Обычно такой уровень устанавливают равным 3 дБ или 6 дБ.
Усилители приемного тракта дефектоскопов делятся на резонансные (с
заранее согласованными на определенную «резонансную» частоту контурами) и
широкополосные (работающие во всем указанном диапазоне частот). Для получения
высокой разрешающей способности при использовании высокодемпфированных
преобразователей необходимо иметь дефектоскоп с широкой полосой частот, чтобы
обеспечить получение эхо-импульсов с малой длительностью (не содержащих
переходных колебаний) и, соответственно, возможность выявления мелких и близко
расположенных дефектов. С другой стороны чрезмерное увеличение полосы частот
118
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ведет к возрастанию уровня шумов и ухудшению чувствительности, поэтому в
широкополосных дефектоскопах с высокой верхней границей (от 15 до
25 МГц) как правило, устанавливают несколько частотных поддиапазонов,
выбираемых пользователем.
В случае дефектоскопа с резонансным усилителем приемного тракта
разрешающая способность значительно ниже, кроме того, для подключения
преобразователя требуется переключение прибора на конкретную частоту, что ведет
к ограничению номенклатуры используемых преобразователей в рамках заранее
установленных частот приемника. Обычно это 1,25; 1,8; 2,5; 5 и 10 МГц. Для
широкополосного дефектоскопа номенклатура частот ограничена только верхней и
нижней границей частотного диапазона.
Немаловажной является также возможность электрического демпфирования
сигнала (входа приемника и выхода генератора). Такая функция позволяет повысить
разрешающую способность слабо демпфированного преобразователя электрическим
способом, уменьшить размер мертвой зоны и, в отдельных случаях, повысить
соотношение сигнал/шум.
4.3.5 Динамический диапазон усиления, регулировка усиления
Один из самых основных параметров приемника дефектоскопа - это диапазон
принимаемых сигналов. Динамический диапазон усиления определяет отношения
максимальной и минимальной границы принимаемых сигналов. Динамический
диапазон усиления и реальная величина усиления это разные понятия, т.к. в
динамический диапазон входит еще и ослабление сигнала с помощью встроенных
аттенюаторов и усилителей с отрицательным коэффициентом. Например, у прибора
УД2В-П46 динамический диапазон 110 дБ, а реальное усиление 80 дБ. Т. е. при 0 дБ
реальное усиление входящего сигнала отрицательное и равно минус 30 дБ.
119
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4.3.6 Временная регулировка чувствительности
Функция временной регулировки чувствительности (ВРЧ) предназначена для
выравнивания амплитуд эхо-сигналов от дефектов с равной отражательной
способностью, расположенных на разной глубине в контролируемом материале.
Поскольку амплитуда эхо-сигналов убывает по глубине ввиду затухания
ультразвука в материале и физики звукового поля, оценивать сигналы при
одинаковом усилении не имеет смысла. Для этого есть два взаимосвязанных пути:
1) выравнивание амплитуд сигналов, путем построения кривой ВРЧ. Усиление
изменяется по глубине с таким расчетом, чтобы сигналы от одинаковых
отражателей имели на экране одинаковую амплитуду независимо от глубины их
расположения (рисунок 4.5);
2) сроится кривая амплитуда-расстояние (АРК), обратная кривой ВРЧ, и все
оценки сигналов производятся по отношению не к фиксированному порогу, а к
кривой линии, изменяющейся по глубине.
Рисунок 4.5 - Выравнивание амплитуд эхо-сигналов с помощью ВРЧ и контроль
с помощью АРК
В случае достаточно больших зон контроля первый способ предпочтительней
ввиду большего диапазона настройки, так как определение по АРК неизбежно будет
ограничено отношением сигналов в пределах 20 дБ, т. е. в пределах от 10 % до
100 % высоты экрана.
Основной характеристикой ВРЧ является - глубина ВРЧ, т.е. величина,
определяющая соотношение реальных амплитуд сигналов, которые можно
выровнять с помощью ВРЧ.
120
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Зачастую объект контроля имеет сложную форму, анизотропию свойств по
глубине и пр., и форма кривой ВРЧ далека от прямолинейной. Тогда имеют
значение еще две характеристики ВРЧ: количество точек построения кривой и
максимальная крутизна кривой ВРЧ. Количество точек кривой ВРЧ, используемое
на практике, редко превышает 10.
4.3.7 Форма отображения эхо-импульсов на экране дефектоскопов
На сегодняшний день существует достаточно много способов отображения
сигналов. Наиболее распространенный из всех - в виде А-развертки (А-scan), т. е.
двухмерное отображение изменения амплитуды на входе дефектоскопа в течении
времени. Более информативны В-развертка (изображение в виде точек разной
яркости, чем больше амплитуда, тем темнее точка), С-развертка, TOFD-построение
и
3D-развертка. Изображение В, С и других разверток требует использования
дефектоскопа совместно с компьютером, датчиками пути и пр.
В дефектоскопах отображаются, как правило, квази-В-развертки, т. е.
строящиеся по времени, заданному оператором (без координатного устройства).
А-развертка в свою очередь встречается в четырех видах:
1) высокочастотный реальный сигнал (радиосигнал);
2)
полностью
детектированный
сигнал
(сумма
положительной
и
отрицательной полуволны радиосигнала);
3) положительный детектированный сигнал;
4) отрицательный детектированный сигнал.
Однополупериодное детектирование необходимо, в основном, тогда, когда
нужно точно определять время прохождения сигнала (измерение толщины стенок,
локализация дефекта и пр.), так как при таком виде развертки получаются более
строгие фронта импульса. Полное детектирование имеет преимущества при
определении амплитуды сигналов, т. к. изображает все эхо от фазы. Радиосигнал
обладает преимуществами всех остальных способов и, кроме того, незаменим тогда,
когда необходимо измерять расстояние до отражателей с различной полярностью
121
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(включения с разными акустическими свойствами), для определения частоты
преобразователя, а также для выявления малых отражателей вблизи больших эхоимпульсов (например, мелких подповерхностных дефектов).
4.3.8 Погрешности измеряемых величин
Все современные дефектоскопы измеряют только два типа величин: время
прихода сигнала и его амплитуду. Остальные величины расстояние (толщина) и
скорость звука являются производными от времени. Таким образом, теоретическая
точность измерения прибором всех величин зависит от всего двух параметров:
погрешности
измерения
временных
интервалов
и
погрешности
измерения
амплитуды. Реальная же точность измерения зависит от большого количества
факторов: температуры окружающей среды, акустического контакта, качества
поверхности и т. п. Поэтому, говоря о точности измерений, обычно имеют в виду
точность самого прибора, а реально достижимая точность измерений уже
определяется методикой и условиями контроля.
4.3.9 Конструкция пьезопреобразователей
Пьезоэлектрические материалы — материалы, обладающие пьезоэффектом,
используются для изготовления пьезоэлементов, служащих в акустических
приборах НК для преобразования электрических колебаний в упругие и упругих
колебаний в электрические.
Наиболее широкое применение в ультразвуковой дефектоскопии получили
контактные
преобразователи.
Конструкции
на рисунке 4.6.
122
преобразователей
приведены
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а
б
в
а – прямой; б – наклонный; в – раздельно-совмещенный.
Рисунок 4.6 – Конструкция пьезопреобразователей
Пьезопластина 1 приклеена или прижата с одной стороны к демпферу 2, с
другой — к протектору 3. Пьезопластину демпфер и протектор, склеенные между
собой, называют резонатором. Резонатор размещен в корпусе 6. С помощью
выводов 7 пьезопластину соединяют с электронным блоком дефектоскопа.
Контактная жидкость (смазочный материал) 4 обеспечивает подачу упругих
колебаний ультразвуковой частоты преобразователя к контролируемому изделию5 и
наоборот.
Прямые преобразователи предназначены для возбуждения продольных волн.
В контактных наклонных совмещенных преобразователях для ввода ультразвуковых
колебаний под углом к поверхности контролируемого изделия применяют призму 8.
Эти колебания предназначены для возбуждения сдвиговых, поверхностных и
нормальных волн.
Резонатор контактных раздельно-совмещенных преобразователей служит для
предотвращения прямой передачи ультразвука от излучающей пьезопластины,
подключенной к генератору, к приемной пьезопластине, подключенной к усилителю
электронного блока дефектоскопа.
Демпфер служит для ослабления свободных колебаний пьезопластины,
управления
добротностью
преобразователя
123
и
защиты
пьезопластины
от
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
механических повреждений. Демпферы обычно изготавливают из искусственных
смол (эпоксидных) с добавками порошковых наполнителей с высокой насыпной
плотностью,
необходимой
для
получения
требуемого
характеристического
импеданса. Для уменьшения многократных отражений демпфер выполняют в виде
конуса,
либо
тыльную
поверхность
демпфера
выполняют
непараллельной
пьезопластине, либо в материал демпфера вводят рассеиватели.
Протектор служит для защиты пьезопластины от механических повреждений
и воздействия иммерсионной или контактной жидкости, согласования материала
пьезопластины с материалом контролируемого изделия или средой, улучшения
акустического контакта при контроле контактным способом. Материал протектора
должен отличаться высокой износостойкостью и высокой скоростью звука, которая
определяет необходимую его толщину. Обычно толщина протектора составляет от
0,1 до 0,5 мм. Для изготовления протекторов применяют кварц, сапфир, бериллий,
сталь, твердые сплавы, минералокерамику, а также материалы на основе
эпоксидных смол с порошковыми наполнителями (кварцевый песок, бериллиевый
или корундовый порошок) и т. п.
Для получения произвольных углов ввода применяют универсальные (с
переменным углом ввода) преобразователи, в которых с помощью простого
механизма пьезоэлемент перемещают по окружности полуцилиндра либо изменяют
его положение внутри призмы или локальной ванны.
В раздельно-совмещенных преобразователях призма должна удовлетворять
дополнительным требованиям. Например, в толщинометрии важно, чтобы время
прохождения колебаний сквозь призму не зависело от температуры, поэтому в этом
случае призму изготовляют, например, из плавленого кварца, имеющего малые
температурные коэффициенты линейного расширения и изменения скорости
ультразвука.
Принята система обозначения ПЭП буквенно-цифровым кодом, в котором
первый символ «П» обозначает преобразователь.
Второй символ - обозначение типа преобразователя. Цифра 1 - контактный;
2 -иммерсионный, 3 – контактно-иммерсионный.
124
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Третий символ - Цифра: 1 - прямой; 2 - наклонный.
Четвертый символ – Цифра 1 - совмещенный,2 - раздельно - совмещенный;
3 - раздельный.
Пятый символ - Буква: Н-неплоский; Ф-неплоский фокусирующий (для
плоских преобразователей буква не пишется).
Шестой символ - номинальная частота, МГц.
Седьмой символ - Вид защиты пьезоэлемента (Б - бериллий, П - пленка,
К - минералокерамический и т.д.).
Восьмой символ – диаметр демпфера.
4.3.10 Стандартные образцы
Стандартные образцы предназначены для обеспечения достоверности и
единообразия при проведении ультразвукового контроля на предприятии, как при
серийном выпуске продукции, так и при отработке технологий производства.
Все стандартные образцы ультразвукового контроля подразделяются на
государственные — ГСО, отраслевые — ОСО и стандартные образцы предприятий
– СОП. Стандартные образцы в ультразвуковой дефектоскопии и толщинометрии
предназначены для определения скорости распространения ультразвука затухания
ультразвука или коэффициента затухания, эффективной площади дефекта,
эффективной толщины материала.
Государственные стандартные образцы (СО1, СО2, СО3, СО4, СО3Р)
предназначены
для
хранения
и
передачи
единиц
измерения
скорости
распространения ультразвука, затухания ультразвука, эффективной толщины и
эффективной площади ультразвуковых отражателей отраслевым стандартным
образцам, ультразвуковым дефектоскопам и толщиномерам. Вид стандартных
образцов представлен на рисунке 4.7.
Отраслевые стандартные образцы предназначены для измерения параметров
ультразвуковых импульсных дефектоскопов (чувствительности и погрешности
125
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
измерения
координат),
получения
опорного
сигнала
от
цилиндрических
отражателей при аттестации и поверке стандартных образцов предприятий.
При ультразвуковом контроле конкретных материалов, изделий и соединений,
опорные сигналы для настройки ультразвуковых импульсных дефектоскопов, как
правило, получают от искусственных отражателей в стандартных образцах
предприятий, изготавливаемых из материалов близких по своим акустическим
характеристикам (скорости распространения и коэффициенту затухания).
Рисунок 4.7 – Стандартные образцы СО1, СО2, Образец-ступенька
В диапазоне толщин до 20 мм включительно используются СОП с одним
плоскодонным отражателем диаметром 5 мм.
При толщине изделий от 20 до 60 мм применяются ступенчатые СОП с тремя
плоскодонными отражателями диаметром 5 мм, по эхосигналам от которых
проводится выравнивание чувствительности УЗД и установка браковочного уровня.
Если толщина изделия более 60 мм для уменьшения веса ступенчатые СОП
заменяются на комплект образцов СОП1, СОП2, СОП3. Кроме того, при толщине
изделий от 60 до 100 мм в СОП изготавливаются плоскодонные отверстия
диаметром 8 мм, а для контроля толщин более 100 мм используются плоскодонные
отверстия диаметром 11 мм.
К стандартным образцам предприятия предъявляются следующие требования.
Материал СОП по акустическим характеристикам должен соответствовать
материалу контролируемого изделия. Для контроля изделий из низкоуглеродистых и
малолегированных сталей допускается использовать образцы, изготовленные из
126
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сталей марок Сталь 10 – Сталь 20. Для контроля изделий из высокоуглеродистых,
легированных сталей, а также сталей аустенитных классов материал СОП должен
соответствовать материалу изделия.
Заготовки СОП должны проходить ультразвуковой контроль с поверхности
прозвучивания плоскодонного отражателя и с боковых поверхностей. Браковочный
уровень устанавливается +12 дБ от уровня собственных шумов УЗД или от уровня
структурного шума (для сталей аустенитного класса). Система временной
регулировки чувствительности УЗД не используется. В СОП должны отсутствовать
несплошности, формирующие эхосигналы с амплитудой, превышающей данный
браковочный уровень.
4.4 Настройка дефектоскопа для контроля толщины
4.4.1
Устанавливаем
режим
работы
в
соответствии
с
выбранным
преобразователем (прямой совмещенный). Датчик → Совм. Режим = нет.
4.4.2 Подключаем ПЭП к разъему дефектоскопа, устанавливаем ПЭП на
образец и настраиваем параметры прибора для работы с ПЭП типа 2,5-К12 А001
(либо 5-К6 А701): «Ширина ЗИ» - 50 нс (т. е. половина периода основной частоты
2,5 МГц). ГЗИ → ШИРИНА ЗИ = 50 нс.
4.4.3 Устанавливаем широкополосный режим работы (частота тракта 10МГц).
В данном режиме обеспечивается наибольшая точность измерений. ТРАКТ →
ЧАСТОТА = 10 МГц.
4.4.4 Настройка развертки. Настройка проводится в соответствии с зоной
контроля изделия, с тем чтобы сигналы от наименьшей возможной и наибольшей
возможной толщины отображались на экране.
ПЭП устанавливается на образец с минимальной толщиной. Для регулировки
положения
сигнала
на
экране
используются
РАЗВЕРТКА и ОСНОВНЫЕ → ЗАДЕРЖКА».
127
функции
«ОСНОВНЫЕ
→
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ПЭП устанавливается на образец с максимальной толщиной. Положение эхосигнала регулируется функцией «ОСНОВНЫЕ → РАЗВЕРТКА».
4.4.5 Настройка зоны контроля. Включить зону контроля «а-зона» с
использованием функции «а-ЗОНА → а-Режим =
». Отрегулировать начало и
ширину зоны контроля так, чтобы сигналы от минимальной и максимальной
толщины пересекали а-зону. Для этого используются функции «а-ЗОНА →
Начало» и «а-ЗОНА → Ширина». Функцией «а-ЗОНА → Порог» устанавливается
высота зоны контроля. Чем ниже порог, тем точнее проводятся измерения.
Устанавливаем значение функции меню ИЗМЕРЕНИЕ. «ИЗМЕРЕНИЕ →
Величина = S, мм», «ИЗМЕРЕНИЕ → Время = по фронту», «ИЗМЕРЕНИЕ →
Импульс = а-ЗОНА».
4.4.6
Устанавливаем
скорость
УЗК
в
объекте.
ОСНОВНЫЕ
→
Скорость = 5950 м/с.
4.4.7 Устанавливаем ПЭП на образец известной толщины. Компенсируем
задержку в призме ПЭП функцией «ДАТЧИК → Протектор», изменяя значение до
момента совпадения показаний прибора и истинной толщины образца.
4.5 Порядок выполнения работы
4.5.1 Настроить дефектоскоп в соответствии с пунктом 1.3 для ПЭП 2,5-К12
А001. Произвести измерение толщины образца.
4.5.2 Настроить дефектоскоп в соответствии с пунктом 1.3 для ПЭП5-К6 А701.
Произвести измерение толщины образца.
4.5.3 По результатам выполненной работы заполнить таблицу 4.2.
Таблица 4.2 – Результаты измерений
Режим
Теневой
Эхо
контроля
ПЭП
П111-2,5-К12
П111-5-К6
Толщина, мм
128
П111-2,5-К12 П111-5-К6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4.6 Содержание отчета
4.6.1 Цель работы.
4.6.2 Краткое описание сущности методов ультразвукового контроля.
4.6.3. Конструкция пьезопреобразователей.
4.6.4 Характеристика стандартных образцов.
4.6.5 Таблица результатов экспериментальной работы.
4.6.6 Выводы.
4.7 Контрольные вопросы
4.7.1 Назовите основные методы ультразвуковой дефектоскопии и поясните
их сущность.
4.7.2 Какова конструкция и принцип работы пьезоэлектрического
преобразователя?
4.7.3 Назовите назначение и виды стандартных образцов.
4.7.4 Каковы основные параметры ультразвуковых дефектоскопов?
4.7.5 От чего зависит глубина прозвучивания?
4.7.6 Каково назначение функции временной регулировки чувствительности?
4.7.7 Назовите способы отображения эхо-импульсов на экране дефектоскопов,
поясните в каких случаях применяют эти способы.
4.7.8 Каков порядок настройки дефектоскопа для контроля толщины?
129
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5 Лабораторная работа №4 Вихретоковая дефектоскопия
5.1 Цель работы
Изучить принцип работы вихретокового дефектоскопа ВД132ОКО, а также
методику настройки прибора и проведения дефектоскопии.
5.2 Основные сведения
5.2.1 Общие сведения о вихретоковом методе контроля
Вихретоковый контроль проводят в целях выявления поверхностных и
подповерхностных
дефектов
в
металлических
конструкциях
и
деталях.
Вихретоковый контроль позволяет выявлять трещины, выходящие на поверхность и
имеющие ширину раскрытия более 0,01 мм, глубину более 0,1 мм и длину более 2
мм. Эта чувствительность достигается при использовании преобразователей для
ручного сканирования с диаметром измерительной катушки не более 2 - 3 мм на
поверхностях с шероховатостью не более Ra 2,5 мкм.
При вихретоковом контроле могут быть выявлены ковочные, штамповочные,
шлифовочные трещины, надрывы, волосовины, поры, неметаллические и шлаковые
включения в элементах конструкций и деталях, а также трещины, возникшие в
элементах конструкций и деталях при эксплуатации технических устройств и
сооружений.
Объектами вихретокового контроля конструкций являются основной металл,
клепаные и болтовые соединения и стыковые сварные швы (при условии снятия
усиления сварного шва и обеспечения шероховатости не более Ra 2,5 мкм).
Вихретоковым контролем не могут быть проконтролированы элементы
конструкций и детали с резкими изменениями магнитных или электрических
130
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
свойств;
с
несплошностями,
плоскости
раскрытия
которых
параллельны
контролируемой поверхности или составляют с ней угол менее 10°; сварные швы.
При вихретоковом контроле могут не быть обнаружены дефекты в элементах
конструкций и деталях с поверхностями, на которые нанесены электропроводящие
защитные покрытия, если дефект не выходит на поверхность покрытия, с
дефектами,
заполненными
электропроводящими
частицами,
а
также
с
поверхностями, покрытыми коррозией.
При контроле объектов из ферромагнитных материалов максимальная
достоверность контроля обеспечивается в тех случаях, когда магнитные свойства
однородны. Локальные изменения магнитных свойств, созданные наклепом,
прижогами, местной намагниченностью, могут вызывать ложные индикации,
которые вызывают затруднения при интерпретации результатов контроля. В этом
случае для повышения достоверности результатов контроля целесообразно провести
контроль другими видами контроля.
5.2.2 Конструкция и принцип работы вихретокового дефектоскопа ВД132ОКО
Работа дефектоскопа основана на использовании эффекта возбуждения
вихревых токов в металле, которые возбуждаются в результате воздействия
возбуждающего электромагнитного поля. Возбуждающее электромагнитное поле
формируется вихретоковым преобразователем (ВТП), на который от генератора
поступает напряжение возбуждения. Вихревые токи, протекая в металле,
формируют вторичное электромагнитное поле. Поле, сформированное в результате
сложения возбуждающего и вторичного электромагнитных полей, в ВТП наводит
ЭДС. Полученное напряжение поступает на предусилитель (при несимметричном
входе), предварительно усиливается, а затем поступает на усилитель. При
симметричном входе напряжение сразу поступает на усилитель. На выходе
усилителя напряжение попадает на вход АЦП, оцифровывается и запоминается в
оперативной памяти, затем выводится на экран дефектоскопа. По сформированному
131
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
на экране изображению дефектоскопист может судить о наличии дефектов в
контролируемой области изделия.
При отсутствии в объекте контроля дефектов сигнал на экране дефектоскопа
остается без изменений. Если в объекте контроля есть дефект (трещина), то линии
вихревых токов искажаются, изменяя тем самым вторичное электромагнитное поле.
Как следствие, изменяется и результирующее электромагнитное поле, что приводит
к изменению напряжения, формируемого на выходе ВТП. Соответствующее
изменению сигнала изображение будет сформировано на экране и дефектоскопист
имеет
возможность
визуально
определить
наличие
дефекта.
Общий
вид
дефектоскопа представлен на рисунке 5.1. Структурная схема представлена на
рисунке 5.2.
1 - разъем для программирования дефектоскопа (RS 232); 2 - разъем для
подключения карты памяти compact-flash; 3 - разъемы для подключения датчиков
пути (ДП 1, ДП 2); 4 - порт USB; 5 - разъѐм для подключения сканера; 6 - разъѐм для
подключения параметрического ВТП; 7 - разъѐм для подключения ВТП.
Рисунок 5.1 – Дефектоскоп ВД132-ОКО-01
132
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Дефектоскоп одновременно формирует в ВТП сигналы возбуждения с
разными частотами. Таким образом, для одного ВТП формируется два виртуальных
канала - по одному для каждой частоты и появляется дополнительный механизм
отстройки от мешающих факторов.
Рисунок 5.2 - Структурная схема дефектоскопа ВД 132ОКО
Блок
центральный
(БЦ)
является
специализированным
компьютером,
предназначенным для хранения настроек и данных вихретоковой дефектоскопии,
сбора вихретоковых данных и отображения их на экране.
Блок вихретоковый — основное исполнительное устройство системы
вихретокового контроля, генерирует в соответствии с настройками напряжение
возбуждения ВТП, принимает с ВТП напряжение отклика, усиливает его,
преобразовывает в цифровую форму и передаѐт в блок электронный.
Сканер является устройством, в котором располагается блок вихретоковых
преобразователей (БВТП) и предназначен для облегчения процесса сканирования
объекта контроля (ОК).
Блок
вихретоковых
преобразователей
(БВТП)
-
содержит
восемь
дифференциальных ВТП.
Датчик пути (ДП) - предназначен для отсчета пути, пройденного сканером при
проведении контроля.
133
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Коммутатор позволяет подключать восемь дифференциальных ВТП к одному
физическому входу вихретокового блока.
Разъѐм
подключения
предусматривает
вихретокового
возможность
подключения
преобразователя
вихретоковых
дефектоскопа
преобразователей
различной конструкции (рисунок 5.3).
1 - дифференциальный ВТП, включение по схеме моста; 2 - абсолютный ВТП
трансформаторного типа; 3 - дифференциальный ВТП, включение по схеме моста; 4 дифференциальный ВТП, трансформаторного типа, с заземлѐнной средней точкой; 5 абсолютный (параметрический) ВТП; 6 - дифференциальный ВТП,
трансформаторного типа.
Рисунок 5.3 - Схемы подключения ВТП
Дисплей дефектоскопа после включения разделен на шесть основных областей
(рисунок 5.4): информационную панель, область визуализации ВТ сигналов, панель
134
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
настроек, панель АСД, нижнюю информационную панель и панель управления
процессом вихретокового контроля.
1 - информационная панель; 2 - область визуализации ВТ сигналов; 3 - панель
настроек; 4 - панель АСД; 5 - нижняя информационная панель; 6 - панель управления.
Рисунок 5.4 - Внешний вид экрана после включения дефектоскопа
Информационная панель - отображается в каждой зоне. Содержит номер
зоны, номер ВТ канала, который отображается в данной зоне, масштаб в данной зоне
и отношение горизонтали к вертикали. На каждой странице постоянно отображается
шесть зон от нулевой до пятой.
Область визуализации ВТ сигналов - воспроизводятся две временные
диаграммы зависимости сигнала от времени и вихретоковый сигнал, который для
выбранного канала отображается в комплексной плоскости. На экране дефектоскопа
может одновременно отображаться четыре зоны с разными ВТ каналами.
135
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Возможны следующие типы отображения ВТ сигнала в зоне (рисунок 5.5):
а) комплексная плоскость (XY) - позволяет выделять дефекты на фоне помех
путем анализа формы сигнала;
б) 2D - режим двухмерного отображения дефектов;
в) MULTY – в одной зоне отображаются ленточные диаграммы, каждая из
которых соответствует определенному каналу.
Рисунок 5.5 - Типы отображения ВТ сигнала на экране дефектоскопа
Возможен следующий режим отображения ВТ сигнала в зоне:
– HOR - режим многоканального отображения, при котором по вертикали
откладывается
время
(номер
измерения), а по
горизонтали
откладывается
горизонтальная составляющая комплексного сигнала;
– VERT - это такой режим многоканального отображения, при котором по
вертикали откладывается время (номер измерения), а по горизонтали откладывается
вертикальная составляющая комплексного сигнала;
– АМР - это такой режим многоканального отображения, при котором по
вертикали откладывается время (номер измерения), а по горизонтали откладывается
амплитуда комплексного сигнала;
– DEF - это такой режим многоканального отображения, при котором по
вертикали откладывается время (номер измерения), а цвет отображения сигнала
зависит от состояния АСД (красный - если АСД сработал).
136
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Панель настроек содержит меню управления настройками дефектоскопа
(Рисунок 5.6).
Рисунок 5.6 - Меню управления настройками дефектоскопа
В данном меню можно изменять значения следующих параметров:
-
«Позиция»
-
позиция
измерительного
курсора на
временной
дефектограмме;
- «Ширина» - ширина измерительного курсора;
- «Тип измерения» - тип измерения в курсоре; доступно четыре типа
измерения:
- Пик-Пик - измерение проводится между двумя максимально
удаленными друг от друга точками в створе курсора;
- Центр-Пик - измерения проводятся между центром курсора и
максимально удаленной от центра точки в створе курсора;
- Центр-Курс. - измерения проводятся между центром и точкой
пересечения сигнала центра курсора;
137
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- Верт.-Макс - вертикальный максимум - измерение проводится
между двумя максимально удаленными друг от друга точками в створе курсора в
вертикальной проекции;
- «Канал N» - номер настраиваемого (активного) ВТ канала;
- «Частота» - рабочая частота ВТП, изменяется в пределах от 500 Гц до
6 МГц с шагом 1, 10, 100, 1000, 10000, 1000000 Гц;
- «Коэф. ус. 1 (дб)» - коэффициент усиления, для усиления полезного
сигнала разбаланса, изменяется в пределах от 0 до 40 дБ, с шагом 1,10 дБ;
- «Коэф. ус. 2 (дб)» - коэффициент усиления, для усиления полезного
сигнала; изменяется в пределах от 0 до 36 дБ, с шагом 1,10 дБ;
- «Напр. ген. (В)» - напряжение питания ВТП, установка фиксированных
значений напряжения 0,5; 1; 2; 4; 8 В (значение удвоенной амплитуды);
- «Поворот (градус)» - изменение фазы ВТ сигнала в комплексной
плоскости; изменяется в пределах от 0 до 360 °, с шагом 1, 10, 100 °;
- «ФИЛЬТРЫ» - выбор типа фильтра: нижних частот, верхних частот,
полосовой, дифференцирующий, усредняющий;
- «СТРАНИЦА» - номер страницы для настройки;
- «ЗОНА» - номер зоны для настройки;
- «Масштаб» - масштаб в выбранной зоне;
- «Н/V» - отношение горизонтали к вертикали.
Панель АСД - поканальная цифровая индикация о превышении ВТ сигналом
порогового уровня (красный индикатор свидетельствует о пересечении ВТ сигналом
порогового уровня).
Нижняя информационная панель - отображает текущие параметры ВТ
сигнала (измеренные амплитуда и фаза ВТ сигнала, условная глубина обнаруженного
дефекта), некоторые настройки и состояние дефектоскопа (номер выбранного ВТ
канала, пройденный путь, частоту выборок, заполнение внутренней памяти прибора,
заряд аккумуляторной батареи, несбалансированность входного тракта, загрузка
электронного тракта).
138
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Панель управления - управление процессом контроля:
– «СТАРТ/СТОП» - нажатие кнопки позволяет начать и завершить контроль;
– «Очистка» - очистка временной памяти прибора;
– «Центрирование» - центрирование сигналов активных ВТ каналов в центре
комплексной плоскости;
– «Баланс» - балансировка активных ВТ каналов; Балансировка, Центровка,
переключение между страницами, режимы работы экрана при работе с ВТ каналами);
– «Страница», «Страница «N» (-)», «Страница +» - переключение между
страницами прибора при работе с большим количеством ВТ каналов;
– «Режим 1» - возможность отображения выбранной зоны в полноэкранном
режиме. Для работы в полноэкранном режиме необходимо нажать кнопку «Режим 1»
и выбрать зону для отображения, для возврата к органам панели управления
необходимо нажать кнопку «Режим 0». Возврат в обычный режим отображения
осуществляется нажатием кнопки «Режим 1» и повторным выбором зоны, которая
была выбрана для полноэкранного отображения.
5.2.3 Настройка дефектоскопа. Создание калибровочной кривой
Калибровочная кривая предназначена для условной оценки глубины реальных
дефектов. Создание калибровочной кривой осуществляется с применением
стандартного образца Стандартный образец представляет стальной собой брусок в
виде параллелепипеда на поверхностях которого нанесено семь искусственных
дефектов глубиной 0,1, 0,3, 0,5, 0,7, 2,8, 3,0, 3,2 мм. (рисунок 5.7).
Для создания калибровочной кривой необходимо настроить все параметры
дефектоскопа для работы с конкретным преобразователем (т.е. выбрать рабочую
частоту ВТП из диапазона указанного в паспорте, необходимое напряжение
возбуждения ВТП, коэффициент усиления, масштаб и т.д.) взять стандартный
образец.
139
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Установить ВТП на бездефектном участке перед первым искусственным
дефектом (при работе с ВТП направленного типа, метка на корпусе ВТП должна
совпадать с траекторией сканирования). Нажать кнопку контекстного меню
«СТАРТ/СТОП» для начала контроля и кнопку контекстного меню «Баланс» для
выполнения процедуры балансировки. После завершения процедуры балансировки
пересечь все дефекты, подобрав такую скорость сканирования, чтобы все сигналы
от дефектов были правильной формы, т.е. максимально симметричные относительно
пика сигнала, на ленточных диаграммах.
Рисунок 5.7 – Стандартный образец для поверки дефектоскопа
После того как дефектограмма снята, необходимо нажать кнопку контекстного
меню «СТАРТ/СТОП» для завершения процесса контроля и зайти в подменю
«Создание калибровочной кривой». В данном меню создать точки калибровочной
кривой, указав позицию искусственных дефектов на дефектограмме и паспортное
значение глубины дефектов. После создания калибровочной кривой можно
приступать к проведению вихретокового контроля.
140
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.2.4 Проведение вихретокового контроля
Контроль осуществляют последовательным сканированием контролируемой
поверхности преобразователем.
Сканирование осуществляют перпендикулярно направлению ожидаемого
развития
дефекта.
Шаг
сканирования
выбирают
с
учетом
требуемой
чувствительности и направления сканирования. При неизвестной ориентации
возможных дефектов для достижения максимальной чувствительности зону
контроля необходимо сканировать в двух взаимно перпендикулярных направлениях
с шагом сканирования не более 2 мм. При влиянии мешающих факторов шаг
сканирования выбирают минимально возможным.
Для дефектоскопов с запоминающей сигнализацией скорость контроля не
ограничивается и полностью определяется их техническими характеристиками.
О
наличии
дефектов
соответствующей
дефектоскопа
в
при
сигнализации.
момент,
когда
контроле
Дефект
он
свидетельствует
регистрируется
находится
срабатывание
индикаторами
непосредственно
в
зоне
чувствительности преобразователя.
Характер срабатывания сигнализации зависит от угла между направлением
трещины и траекторией движения преобразователя. Если траектория совпадает с
направлением трещины, то длительность срабатывания сигнализации (при
постоянной скорости перемещения преобразователя) пропорциональна длине
трещины.
Если
траектория
перпендикулярна
направлению
трещины,
то
длительность сигнала определяется зоной чувствительности преобразователя и
обычно весьма мала. Повторным сканированием в этой зоне нужно удостовериться
в наличии дефекта.
Перемещением
преобразователя
в
направлении,
где
поддерживается
сигнализация о дефекте, можно определить конфигурацию трещины. Для уточнения
конфигурации
следует
периодически
перемещать
преобразователь
поперек
трещины, чтобы убедиться в выключении сигнализации при выходе трещины из
зоны чувствительности преобразователя.
141
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Если контроль проводится с применением преобразователя большого
диаметра,
то
уточнение
преобразователем с
границ
трещины
минимальным диаметром,
дополнительно
являющимся
проводится
основным для
большинства дефектоскопов.
Качество проконтролированных элементов оценивают по двухбалльной
системе:
- балл 1 - неудовлетворительное качество;
- балл 2 - удовлетворительное качество.
Баллом 1 оценивают элементы с дефектами, имеющими признаки трещин.
Баллом 2 оценивают элементы, в которых не обнаружены дефекты или
обнаружены дефекты, не имеющие признаков трещин.
При обнаружении дефектов, оцененных баллом 1, могут быть рекомендованы
другие виды контроля, в зависимости от конструктивных особенностей и материала
объектов контроля, позволяющие оценить параметры несплошностей.
Краевые зоны объекта контроля выделяют в отдельную зону контроля.
Контроль края конструкции и детали, выделенного в отдельную зону
контроля, следует проводить при перемещении преобразователя вдоль края при
обязательном поддержании постоянства расстояния от края. Для этой цели
рекомендуется использовать специально изготовленные насадки (рисунок 5.8).
1 - деталь; 2 - специальная насадка из диэлектрического материала;
3 - преобразователь.
Рисунок 5.8 - Схемы позиционирования преобразователя с помощью
специальных насадок
142
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Приближение преобразователя к краю детали ближе чем на 1 - 1,5 диаметра
сердечника преобразователя приводит к нарушению настройки дефектоскопа. В
ряде дефектоскопов имеется сигнализация о приближении к краю. В других
дефектоскопах влияние краевой зоны приводит к срабатыванию сигнализации об
изменении зазора.
При контроле галтелей следует применять преобразователь карандашного
типа, установка которого перпендикулярно криволинейной поверхности в зоне
контроля требует внимания и навыков специалиста.
Применение направляющих насадок к преобразователям целесообразно в
случаях массового контроля однотипных деталей. В этих случаях целесообразно
применять для каждого участка постоянной кривизны отдельную насадку.
При проведении контроля преобразователь перемещают зигзагообразно по
траектории (рисунок 5.9) с шагом сканирования, не превышающим диаметр
преобразователя, и, удерживая преобразователь перпендикулярно контролируемой
поверхности, выявляют участки галтели, где появляется сигнал о дефекте.
1 — зона контроля; 2 — траектория перемещения преобразователя;  — шаг
сканирования преобразователя.
Рисунок 5.9 - Траектория перемещения преобразователя при контроле галтели
143
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При контроле края отверстий выделяют не менее трех зон контроля примерно
через 120° (рисунок 5.10).
Настраивают дефектоскоп в каждой из зон контроля, выполняя следующие
операции:
- устанавливают преобразователь в одной из зон контроля по нормали к
поверхности на расстоянии от 2 до 3 мм от края отверстия и настраивают
дефектоскоп в соответствии с руководством по его эксплуатации;
- производят сканирование вдоль края отверстия во всех выделенных зонах
контроля, удерживая преобразователь на расстоянии от 2 до 3 мм от края.
1 - траектория перемещения преобразователя; 2 - отверстие; 3 - границы
участков зоны контроля и траектория перемещения преобразователя.
Рисунок 5.10 - Выделение участков в зоне контроля
При контроле ступиц на ступице по окружности через 10 - 40 мм в
зависимости от диаметра выделяют зоны контроля путем нанесения прямых линий
длиной от 15 до 20 мм в направлении образующей цилиндра (рисунок 5.11).
Преобразователь устанавливают в одной из зон контроля перпендикулярно к
поверхности и на расстоянии не ближе 5 - 10 мм к торцу ступицы и настраивают
дефектоскоп.
Контроль выбранной зоны контроля проводят, перемещая преобразователь
зигзагообразно с шагом сканирования, не превышающим диаметр преобразователя.
Преобразователь располагают не ближе 2 - 3 мм от торца ступицы.
144
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1 - границы выделенных участков; 2 - области контроля (I, II, III и IV);
3 - торец ступицы.
Рисунок 5.11 - Выделение участков на ступице для настройки и контроля
5.3 Порядок выполнения работы
5.3.1 Используя вихретоковый дефектоскоп ВД132-ОКО, стандартный образец
и преобразователь Пн-12-МДФ01, создать калибровочную кривую.
5.3.2
Получить
у
преподавателя
образец
с
дефектами.
Используя
преобразователь Пн-12-МДФ01, произвести контроль образца на наличие дефектов.
5.3.3 Результаты контроля отразить в отчете. В отчете представить форму,
размеры образца, схему вихретокового контроля, используемые приборы. При
обнаружении дефектов, указать их тип, количество, форму, размеры и место
расположение. Дать заключение о возможности эксплуатации изделия с данными
дефектами.
145
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.4 Содержание отчета
5.4.1 Цель работы.
5.4.2 Принцип работы и структурная схема вихретокового дефектоскопа.
5.4.3. Классификация, конструкция и области применения вихретоковых
преобразователей.
5.4.4 Техника проведения вихретокового контроля.
5.4.5 Результаты вихретокового контроля.
5.4.6 Выводы.
5.5 Контрольные вопросы
5.5.1 Поясните сущность метода вихретокового контроля.
5.5.2 Какова конструкция и принцип работы вихретокового дефектоскопа?
5.5.3 Каково назначение стандартного образца?
5.5.4
Каковы
основные
регулируемые
параметры
вихретоковых
дефектоскопов?
5.5.5 Какова максимальная глубина вихретокового контроля, от чего она
зависит?
5.5.6 Как классифицируют вихретоковые преобразователи, каково их
назначение?
5.5.7 Как оценивают качество проконтролированных элементов?
5.5.8 Перечислите типы отображения вихретокового сигнала на экране
дефектоскопа?
146
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6 Лабораторная работа №5 Шероховатость поверхности и ее
измерение
6.1 Цель работы
Ознакомиться с шероховатостью поверхности и конструкцией приборов для
измерения шероховатости, изучить принцип их работы. Приобрести практические
навыки работы с профилометрами (модели 253 и TR100).
6.2 Основные сведения
6.2.1 Характеристики шероховатости
Шероховатость относится к микрогеометрии твѐрдого тела и определяет его
важнейшие
эксплуатационные
свойства.
В
машиностроении
шероховатость
поверхности – совокупность микронеровностей обработанной поверхности.
Шероховатость – совокупность неровностей, образующих микрорельеф
поверхности детали. Возникает главным образом вследствие пластической
деформации поверхностного слоя заготовки при еѐ обработке из–за неровностей
режущих кромок инструмента, трения, вырывания частиц материала с поверхности
заготовки, вибрации заготовки и инструмента и т.п.
Шероховатость
поверхности
–
важный
показатель
в
технической
характеристике изделия, влияющий на эксплуатационные свойства деталей и узлов
машин – износостойкость трущихся поверхностей, усталостную прочность,
коррозионную устойчивость, сохранение натяга при неподвижных посадках и т.п.
Требования
к
функционального
шероховатости
назначения
поверхности
поверхностей
устанавливают,
деталей
и
их
исходя
из
конструктивных
особенностей.
Шероховатость поверхности является одним из существенных факторов,
определяющих технические и эксплуатационные свойства машин. Она оказывает
147
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
влияние на трение, износ, усталостную прочность, сопротивление ударным нагрузкам,
прочность прессовых соединений, антикоррозионную стойкость металлов и т.п., и в
значительной степени определяет надежность и долговечность работы машин.
Шероховатость
поверхности
–
размерная
характеристика
поверхности.
Количественно шероховатость можно оценить по тем или иным показателям.
Шероховатость поверхности отображается профилограммой, еѐ вид и характеристики
показан на рисунке 6.1. В соответствии с ГОСТ 2789–73 предусмотрено шесть
параметров, характеризующих шероховатости поверхности: три высотных – Rа, Rz и
Rmax; два шаговых – S и SK и относительная опорная длина профиля t.
Рисунок 6.1 – Профиль шероховатости поверхности и его характеристики
Ra – среднее арифметическое отклонением абсолютных значений отклонений
профиля в пределах базовой длины 1.
где l – базовая длина, мм,
y – расстояние от точки профиля до средней линии, мм,
n – число точек, шт.
148
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Rz – представляет собой сумму средних абсолютных значений высот
неровностей профиля по десяти точкам (пяти высот наибольших выступов профиля и
пяти глубин наибольших впадин профиля) в предела базовой длины.
Rmaх – наибольшая высота неровностей профиля является полной высотой
профиля, т. е. расстоянием между линией выступов профиля и линией впадин профиля
в пределах базовой длины.
На профилограмме положение средней линии профиля определяют так, чтобы
площади F по обе стороны от нее до контура профиля были равны.
Длину
базовой
линии,
используемую
для
выделения
неровностей,
характеризующих шероховатость поверхности, называют базовой длиной l.
Параметр tp характеризует форму неровностей профиля, давая представление о
распределении высот неровностей по уровням сечения профиля.
Свойства поверхности определяются не только высотными характеристиками
неровностей. Кроме шести рассмотренных параметров ГОСТ 2789–73 предусматривает использование еще двух характеристик – направление неровностей (шесть
типов – параллельное, перпендикулярное (рисунок 6.2), перекрещивающееся,
произвольное, кругообразное и радиальное) и вид обработки, дающий различный
профили (рисунок 6.2), эксплуатационные свойства которых различны, хотя значении
высотных параметров для них одинаковы.
Рисунок 6.2 – Направление и профили поверхности с одинаковыми параметрами
Обозначения
шероховатости
поверхности
на
чертежах
ГОСТ 2.309–73 и указываются в ее обозначении (рисунок 6.3).
149
устанавливает
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 6.3 – Значения параметров шероховатости
Обработанные поверхности подразделяют на следующие группы:
1) черновые – Ra находится в диапазоне от 100 до 12,5 мкм (обтачивание,
растачивание,
фрезерование,
строгание
черновое,
сверление,
обработка
напильниками);
2) получистовые – Ra находится в диапазоне от 12,5 до 1,6 мкм (точение,
растачивание, фрезерование получистовое, зенкерование);
3) чистовые – Ra находится в диапазоне от 1,6 до 0,2 мкм (обтачивание,
растачивание тонкое, шлифование, развертывание, протягивание);
4) весьма чистые – Ra находится в диапазоне от 0,2 до 0,06 мкм (шлифование
чистовое, хонингование, притирка, полирование, суперфиниширование).
В соответствии с ГОСТ 2789 –73 различают 14 классов (см. таблицу 6.1)
шероховатости.
Таблица 6.1 – Элементы классов шероховатости
Классы
Разряды
1
2
–
–
а
б
в
а
б
в
7
14
Параметры шероховатости, мкм
Ra
Rz
–
320–160
–
160–80
1,25–1,0
–
1,0–0,80
–
0,80–0,63
–
–
0,050– 0,040
–
0,040–0,032
–
0,032–0,025
Базовая длина l, мм
8
0,8
0,8
Шероховатость поверхности зависит от метода и режима обработки, качества
применяемого режущего инструмента, жесткости технологической системы, физико–
150
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
механических свойств обрабатываемого материала, вида применяемой смазывающе–
охлаждающей жидкости, вибраций технологической системы и др.
1–3–й классы обеспечивают обдирочной обработкой (точением, фрезерованием,
строганием);
4–6–й классы – получистовой обработкой;
7–9–й классы – чистовой обработкой (шлифованием, тонким точением,
протягиванием, развертыванием и т.п.);
10–14–й классы – доводочной обработкой (притирка, суперфиниш,
хонингование и др.).
Каждому методу обработки (точение, шлифование и др.) соответствует свой
диапазон получаемой шероховатости поверхности. В таблице 6.2 приведена
шероховатость поверхности при различных методах обработки стали и серого чугуна и
сопоставлены параметры шероховатости с параметрами средней экономической
точности.
Таблица 6.2 – Шероховатость поверхности при различных методах обработки
Метод обработки
Точение:
предварительное
чистовое
тонкое, алмазное
Фрезерование:
предварительное
чистовое
тонкое (торцо–
выми фрезами)
Сверление
Зенкерование:
предварительное
чистовое
(после
чернового)
Квалите
т
точност
и
Rа, мкм
12–13
10–11
6–7
12,5
2,5–1,25
0,63–0,32
11–12
8–10
6–7
12,5
2,5–1,25
0,63–0,32
11–12
6,3–2,5
12
2,5–12,5
11
6,3–2,5
Метод обработки
Прошивание (для
коротких отверстий
Шлифование:
обдирочное*
предварительное
чистовое
тонкое
Хонингование
отверстий
диаметром
до 80 мм
Развертывание:
предварительное
чистовое
тонкое
Притирка (доводка)
Квалите
т
точност
и
Rа, мкм
7
0,63–0,32
–
8–10
7–8
6–7
2,5–1,25
1,25–0,63
0,63–0,32
0,32–0,08
6–7
0,32–0,08
8–9
7
6–7
5–6
2,5–1,25
1,25–0,63
0,63–0,32
меньше 0,1
Протягивание
Полирование **
–
0,032–0,012
отверстий
7–8
1,25–0,63
* Обдирочное шлифование применяют в качестве предварительной обработки поверхностей отливок и поковок, не выдерживая допуска на размер.
** Этот метод не повышает точности размера предшествующей обработки.
151
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Грубо обработанные поверхности более подвержены коррозии, особенно в
атмосферных условиях, так как коррозия наиболее интенсивно протекает на дне
микронеровностей и мелких надрезов.
Кроме шероховатости, качество поверхности характеризуется волнистостью и
отклонением формы. Шероховатостью поверхности (микрогеометрией) называют совокупность неровностей с относительно малыми шагами на базовой длине, образующих
рельеф поверхности детали. Волнистостью поверхности называют совокупность
периодически чередующихся неровностей с относительно большим шагом, превышающим базовую длину, принимаемую при измерении шероховатости. На рисунке
6.4 приведено схематическое изображение шероховатости и волнистости поверхности.
Рисунок 6.4 – Схематическое изображение шероховатости и волнистости поверхности
Разграничением понятий шероховатости, волнистости и отклонением формы
является отношение шага к высоте неровностей:
– для шероховатости l/H < 50;
– для волнистости L/HB – от 50 до 1000;
– для отклонения формы L/HB > 1000.
Шероховатость поверхности уменьшает площадь фактического касания двух
сопрягаемых поверхностей, что ухудшает условия смазки. Следовательно, одним из
существенных вопросов в изучении шероховатости поверхности является еѐ
правильная оценка, которую можно осуществить с помощью приборов.
152
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Методы измерения и оценки качества поверхности
Шероховатость поверхности оценивают качественным методом, сопоставляя
еѐ визуально с эталонами шероховатости на токарные, шлифовальные и другие
виды работ. Для количественного метода измерения шероховатости обработанной
поверхности применяют различного вида приборы, основанные на использовании
контактного
(профилометры,
профилографы)
и
бесконтактного
(двойной
микроскоп).
Профилометр (от профиль и ...метр) – прибор, определяющий размер
неровностей обрабатываемой поверхности изделия. В профилометре сигнал от
датчика с алмазной иглой, перемещаемого вдоль контролируемой поверхности.
Профилометр
с
автоматической
записью
показаний
на
ленте
называют
профилографом.
Профилограммы обработанной поверхности, как правило, имеют вид острой
пилы; это является результатом того, что вертикальное увеличение во много раз
больше горизонтального (например, 40 000 и 400 соответственно). Иногда создается
представление, что при трении обработанные поверхности зацепляются как две
пилы своими зубцами. В действительности профиль поверхности выглядит иначе
(рисунок 6.5).
а – вертикальное увеличение 40 000, горизонтальное увеличение 400;
б – действительный профиль поверхности при одинаковом вертикальном и
горизонтальном увеличении.
Рисунок 6.5 – Профилограмма стальной поверхности после шлифования
Визуальная оценка поверхности невооруженным глазом возможна в пределах
шероховатости, соответствующей Rz = 320 до 10 мкм. Применение микроскопа
сравнения (модель М–49) расширяет возможности этого метода контроля. Оценка
153
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
шероховатости поверхности методом сравнения субъективна и может вызвать
разногласия.
Для непосредственных измерений высоты микронеровностей пользуются
приборами: оптическими (двойной микроскоп, микроинтерферометр), щуповыми
(профилометры, профилографы), пневматическими, лазерными.
6.2.2 Устройство и принцип работы профилометров
6.2.2.1 Устройство и принцип работы лазерного профилометра
Лазерный профилометр применяют для исследования рельефа местности,
например,
высотомер
на
гелий–неоновом
лазере
непрерывного
излучения
устанавливают на самолете. Длина оптического резонатора лазера равна 150 см.
Лазер излучает на волне 0,6328 мкм, средняя мощность излучения 50 мВт. Вес
высотомера в целом 80 кг, причем большая часть веса приходится на различные
крепления, обеспечивающие стабильное положение высотомера на самолете.
Излучаемый
лазером луч модулируется с помощью
кристаллов КДР
радиочастотными колебаниями. Модуляция в зависимости от выбранного диапазона
высот осуществляется тремя различными частотами (25, 5 и 1 МГц). Режим модуляции
(диапазон высот) выбирается с помощью переключателя. Луч лазера просматривает
земную поверхность под самолетом. Отраженное от земли лазерное излучение
попадает на зеркало Ø152 см рефракционного телескопа, расположенное коаксиально с
оптикой передатчика, затем проходит интерференционный фильтр, селектор поля
зрения и попадает на светочувствительную поверхность фотоумножителя.
6.2.2.2 Устройство и принцип работы профилографа – профилометра модели
201
Профилограф – профилометр модели 201 предназначен для измерения
шероховатости по параметру Ra для классов шероховатости поверхности от 6 до 12,
154
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
т.е. среднее арифметическое отклонение профиля, Ra, может составлять от 2,5 до
0,03 мкм.
Блок–схема профилографа–профилометра показана на рисунке 6.6.
9
5
6
8
7
1
3
2
4
1 – алмазная игла; 2 – воздушный зазор; 3 – якорь; 4 – сердечник и катушка
преобразователя; 5 – дифференциальный трансформатор; 6 – электронный блок;
7 – записывающий прибор; 8 – показывающий прибор; 9 – генератора звуковой
частоты.
Рисунок 6.6 – Блок – схема профилографа–профилометра
В основу работы профилографа–профилометра положена мостовая схема
индукционных катушек дифференциального трансформатора. При перемещении
измерительного устройства прибора (с помощью индивидуального привода
смонтированного в корпусе преобразователя) поперечные колебания алмазной иглы
1 вызывают изменение воздушного зазора 2 между якорем 3 и сердечником
преобразователя
4.
Вследствие
этого
изменяется
напряжение
на
выходе
дифференциального трансформатора 5, две части первичной обмотки которого и
катушки
преобразователя
4
образуют
мост.
Питание
балансного
моста
осуществляется от генератора звуковой частоты 9. Изменения напряжения
усиливаются
электронным
блоком
6,
на
выходе
которого
подключаются
записывающий 7 или показывающий 8 приборы.
Прибор состоит из самостоятельно выполненных блоков I, II, III (рисунок 6.7).
155
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1 – профилограмма; 2 – стойка; 3 – привод; 4 – датчик; 5 – деталь;
6 – измерительный столик; 7 – показывающее устройство электронного блока.
Рисунок 6.7 – Общий вид профилографа – профилометра модели 202 для
определения высот неравномерностей от 0,03 до 80 мкм на трассе ощупывания до
36 мкм
На столе стойки 2 крепится столик 6, позволяющий перемещать испытуемую
деталь в двух взаимоперпендикулярных направлениях и осуществлять поворот еѐ.
Мотопривод 3 с жестко закрепленным на нем датчиком 4 перемещается по стойке с
помощью рейки и шестерни. Кроме того, в состав прибора входят электронный блок
с показывающим прибором 7 и записывающий прибор 1.Основой датчика 4 является
алмазная игла, расположенная на конце коромысла, качающегося на ножевой опоре,
что создает дисбаланс мостовой схемы. Полученный электрический сигнал
проходит через усилитель электронного блока 7 и подается на показывающее или
записывающее устройство. Привод 3 предназначен для перемещения датчика 4 по
исследуемому образцу 5. В зависимости от рода работы прибора и исследуемого
образца используют одну из четырех скоростей перемещения датчика (0,2; 1,0; 10 и
0,7 мм/с) и одну из трѐх длин участков измерения (6; 3,2; 1,6 мм).
В качестве показывающего прибора используют микроамперметр постоянного
тока.
Отсчет
показаний
прибора
осуществляется
по
неподвижной
стрелке,
останавливающейся автоматически в конце хода датчика. Записывающий прибор
156
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
представляет собой самопишущий магнитоэлектрический миллиамперметр постоянного
тока. Запись производится электротермическим способом на специальной диаграммной
бумаге в прямоугольной системе координат с восемью ступенями увеличения по
вертикали (от 1000 до 200000 крат), при 18 горизонтальных увеличениях (от 2 до
4000 крат).
Порядок работы с прибором в режиме профилографа следующий:
1) установить испытуемую деталь на основании прибора в приспособление;
2)
установить
датчик
на
испытуемую
поверхность,
причем
датчик
устанавливают горизонтально. Проверка горизонтальности обеспечивает вращением
маховиков на приводе и проверяется положением стрелки контрольного прибора
(должна
находиться
в
участке
нижнего
прямоугольника),
причем
перо
записывающего прибора должно находиться посередине бумажной ленты. Тумблер
включения электронного прибора должен находиться в положении «выход
усилителя»;
3) установить требуемое вертикальное увеличение, скорость трассирования и
скорость перемещения бумаги, которая обеспечивает желаемое горизонтальное
увеличение;
4) переключатель режима работы установить в положение «ЗП» –
записывающий прибор;
5) включить движение бумаги;
6) включить движение датчика;
7) после окончания измерения переключатель режима работы установить в
положение «ЗАГР» – загрубленно и выключить движение бумаги.
Оценку шероховатости рассматриваемой поверхности производят в основном по
численному значению параметра Ra, представляющее среднеарифметическое отклонение
профиля исследуемой поверхности от средней линии. На профилограмме выделяют
участок трассирования и на нем рассчитывают величину шероховатости Ra, но
предварительно устанавливают и проверяют горизонтальное и вертикальное увеличение.
В зависимости от скорости датчика и скорости бумаги записывающего
прибора устанавливают требуемое увеличение, причем эта величина есть частное от
157
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
деления скорости перемещения бумаги записывающего прибора на скорость
перемещения датчика. Значение горизонтального увеличения задают исходя из
таблицы 6.3.
Таблица 6.3 – Горизонтальное увеличение профилографа
Скорость бумаги записывающего прибора, мм/мин
Скорость
датчика,
мм/мин
0,2
20
40
80
200
400
800
100
200
400
1000
2000
4000
1,0
20
40
80
200
400
800
10,0
2
4
8
20
40
80
Проверка горизонтального увеличения при записи производится сравнением
длины трассы датчика с длинной профилограммы, снятой при этой трассе.
Требуемое вертикальное увеличение профилограммы задают с помощью
переключателя. Проверка вертикального увеличения производится с помощью
оптического стекла следующим образом.
На оптическом стекле протираются рядом две концевые меры, создающие
ступеньку, величина которой должна быть точно аттестована. Аттестация
производится вблизи граней, которыми плитки соприкасаются. Погрешность
аттестации рисок не должна превышать 3 % от величины ступеньки.
Для проверки различных ступеней увеличения желательно иметь несколько
блоков плиток с разницей размеров между плитками порядка 0,35 мкм, 5 мкм и 30 мкм.
Датчик устанавливают на большую концевую меру так, чтобы игла
находилась
вблизи
стыка
концевых
мер.
Перо
записывающего
прибора
устанавливается с левого края бумаги. После установки переключателя в
положение,
соответствующее
проверяемому
вертикальному
увеличению,
включается движение датчика со скоростью 0,2 мм/мин для увеличений: 200000,
100000 и 40000 и 1 мм/мин для – 20000, 10000, 4000, 2000 и 1000 и производится
запись
профилограммы
(величина
горизонтального
увеличения
не
регламентируется). При движении датчика игла переходит с большей концевой
158
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
меры на меньшую, а опора датчика остается на большей. Такой переход на
профилограмме выражается в смещении средней линии профиля на определѐнную
величину.
Отношение величины смещения средней линии профиля на профилограмме к
величине ступеньки между концевыми мерами есть фактическое вертикальное
увеличение
профилографа.
При
отклонении
фактического
вертикального
увеличения от номинального на всех ступенях в одну и ту же сторону следует
поворотом винта и регулировки вертикального увеличении отрегулировать
увеличение. Во избежание выбрасывания пера следует в момент перехода иглы с
большей концевой меры на меньшую перевести переключатель в положение
«ЗАГР».
Порядок работы с прибором в режиме профилометра следующий:
1) установить деталь на основании или в приспособлении;
2) установить требуемый предел измерения от 8 до 0,08 мкм и режим работы
на приводе «ПП» – показывающий прибор;
3) перевести датчик в левое положение рычагом до упора (стрелка
показывающего прибора должна вернуться на «0»;
4)
установить
датчик
на
исследуемую
поверхность
вертикальным
перемещением привода с датчиком (выводится стрелкой контрольного прибора и
она должна находиться в участке нижнего прямоугольника);
5) переключатель скорости установить на «ПП» при этом автоматически
включается скорость 0,7 мм/с;
6) установить длину трассы интегрирования (1,6; 3,2 или 6 мм);
7) установить режим работы на усилителе ПП (показывающий прибор) и
соответствие длин трасс интегрирования;
8) установить необходимую базовую длину – отсечка шага (0,08; 0,25; 0,8 или 2.5 мм);
9) нижним маховиком зафиксировать положение каретки с мотоприводом на стойке;
10) включить движение датчика большим рычагом на приводе вправо до
упора. После остановки стрелки произвести отсчет значения шероховатости на
показывающем приборе.
159
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
После окончания измерений переключатель режима работы установить в
положение «ЗАГР» – загрублено. В этом положении должен и находиться прибор
при всех операциях по установке образца и подготовке к измерению или записи.
Для определения классов и разрядов на шкале нанесены зоны, обозначающие класс,
в котором находятся полученные значения шероховатости измеряемой поверхности.
Например,
если
переключатель
диапазонов
измерения
установлен
в
положение «7кл», а стрелка находится в положении 1 (рисунок 6.8), то при
определении класса нужно пользоваться зоной, условное обозначение которой
находится под цифрой «7» в левой нерабочей части шкалы.
Таким
образом,
для
определения
класса
шероховатости
измеряемой
поверхности необходимо в левой нерабочей части шкалы найти обозначение зоны,
соответствующее положению переключателя режимов работы. Если стрелка
находится в пределах этой зоны, то класс шероховатости поверхности измеряемой
детали соответствует установленному переключателем классу. Если стрелка
остановится левее этой зоны, то это будет соответствовать более высокому классу,
если правее зоны – более низкому классу.
Рисунок 6.8 – Показание прибора
160
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Отсчет числовых значений производят в соответствии с положением
переключателя и ценой деления шкалы, приведенной в таблице (см. рисунок 6.8).
6.2.2.3 Устройство и принцип работы профилометра модели 253
В основу работы данного прибора также положен принцип ощупывания
алмазной иглой датчика исследуемой поверхности и преобразования колебаний
иглы в изменения напряжения при помощи механотронного преобразователя. На
рисунке 6.9 показана блок – схема портативного профилометра.
1 – алмазная игла; 2 – механотрон; 3 – привод; 4 – усилитель;
5 – показывающий прибор; 6 – исследуемая поверхность.
Рисунок 6.9 – Блок – схема портативного профилометра
Алмазная игла 1 с помощью привода 3 перемещается по исследуемой
поверхности 6. При этом механические колебания иглы с помощью механотрона 2
преобразуются в электрические сигналы, которые, пройдя через усилитель 4,
подают на показывающий прибор 5.
Общий вид портативного профилометра представлен на рисунке 6.10.
161
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1 – станина; 2 – привод; 3 – стойка; 4 – датчик; 5 – деталь; 6 – измерительный
столик; 7 – электронный блок с показывающим устройством.
Рисунок 6.10 – Общий вид портативного профилометра модели 253
В приводе 2 крепится датчик 4 с алмазной иглой. Датчик представляет собой
механически управляемую электронную лампу (механотрон), подвижный анод
который посредством тонкой мембраны связан со щупом, на котором укреплена
алмазная игла, производящая «ощупывание» исследуемой поверхности.
Для перемещения датчика по исследуемой поверхности с постоянной
скоростью используют привод 2. После пуска прибора привод осуществляет
возвратно–поступательное перемещение датчика на пути интегрирования 3,2 мм,
при этом скорость трассирования датчика равна 0,62 мм/с.
Порядок работы на портативном профилометре следующий:
1) установить прибор на рабочее место и подготовить его к работе (включить в
сеть, вставить датчик, соединить привод с электронным блоком, привод с датчиком
устанавливают исходя из условий удобства измерения (на столе, на стойке, на детали));
2) опустить датчик рукояткой на измеряемую деталь, установить корпус
параллельно измеряемой поверхности;
3) установить переключатель диапазонов на электронном блоке в положение
предполагаемого класса шероховатости измеряемой поверхности;
162
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4) нажать кнопку «Пуск» на электронном блоке. Датчик проходит от 5 до 6 мм
(предварительный ход, после реверсирования датчик возвращается в исходное
положение (рабочий ход), стрелка показывающего прибора показывает величину
шероховатости). После остановки стрелки производят отсчет по шкале, если стрелка
уходит за пределы шкалы, то следует изменить положение переключателя
диапазонов
измерения.
Шкала
показывающего
прибора
градуирована
в
микрометрах по параметру Ra. Отсчет производят по показанию прибора с учетом
положения переключателя диапазонов измерения;
5) для определения класса шероховатости измеряемой поверхности необходимо в
левой нерабочей части шкалы найти обозначение зоны, соответствующее положению
переключателя. Если стрелка находится в пределах этой зоны, то класс шероховатости
поверхности измеряемой детали соответствует установленному переключателем классу.
В том случае, если стрелка остановится левее этой зоны, то это будет соответствовать
более высокому классу, если правее зоны – более низкому классу.
6.2.2.4 Устройство и принцип работы профилометра модели TR100
Из серии приборов нового поколения для измерения шероховатости поверхности
рассмотрим измеритель шероховатости TR 100 – портативный прибор, разработанный
TIME Group Inc. (рисунок 6.11), имеет высокую точность, широкий диапазон
применения, прост и надежен в эксплуатации.
163
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1
3
2
4
5
1 – кнопка запуска измерения; 2 – экран; 3 – кнопка выбора измеряемого параметра;
4 – кнопка выбора диапазона измерений; 5 – датчик.
Рисунок 6.11 – Измеритель шероховатости TR 100
Его применяют для измерения шероховатости поверхностей всех видов металлов
и неметаллов в шкалах Ra и Rz. Объединение в одном корпусе датчика с центральным
процессором делает портативный профилометр TR 100 особенно подходящим для
использования на производственных участках и в цехах. Действие профилометра TR
100, как и ранее рассмотренных профилометров основано на принципе ощупывания
неровностей исследуемой поверхности алмазной иглой щупа и преобразования,
возникающих при этом механических колебаний щупа в изменения напряжения,
пропорциональные этим колебаниям. Профилометр TR 100 снабжен современным
микропроцессором для сбора и обработки данных с отображением всех результатов
измерений. В измерителе шероховатости TR 100 результаты измерения параметров
шероховатости выводятся на жидкокристаллический дисплей.
164
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Измеритель шероховатости TR 100 соответствует требованиям стандартов
ISO (Международная организация по стандартизации) и др. и его технические
характеристики приведены в таблице 6.4.
Таблица 6.4 – Технические характеристики измерителя шероховатости TR 100
Параметры
1
Измеряемые параметры шероховатости
Длина трассы сканирования, мм.
Скорость перемещения щупа, мм/с
Значения отсечек шага, мм
Длина оценки значений параметров шероховатости, мм
Диапазон измерений по параметрам, мкм
Повторяемость результатов измерений, %
Тип датчика
Диапазон рабочих температур, оС
Относительная влажность воздуха, %
Степень точности
Электрическое питание
2 никель–металогидридных аккумулятора, В
Зарядное устройство
Время перезарядки, ч
Габаритные размеры, мм
Масса электронного блока, г
Величина
2
Ra, Rz
6
1.0
0,25 / 0.8 / 2,5
1.25 / 4.0 / 5.0
Ra: 0.05 – 10.0
Rz: 0.1 – 50
< 12.
пьезоэлектрический
от 0 до 40
< 80
класс 3
3,6
9 В постоянного тока
10 – 15
125×73×26
200
Перед началом измерения необходимо выбрать параметр шероховатости
поверхности (Ra или Rz) и необходимую длину сканирования (0,25, 0,8 или 2,5 мм). Для
калибровки прибора используют стандартный образец со значением Ra от 2 до 4,5 мкм.
6.3 Задание
Ознакомиться с конструкцией приборов для измерения шероховатости
поверхности (профилометрами).
Изучить устройство и принцип работы приборов.
165
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Произвести измерения шероховатости поверхности
Ra стандартного и
обработанных образцов.
6.4 Указания по выполнению работы
Пользуясь
разобраться
в
методическими
конструкции
и
указаниями
уяснить
и
технической
принцип
действия
документацией,
профилографа–
профилометра, портативного профилометра и измерителя шероховатости TR 100.
6.4.1 Настроить профилограф модели 253 и произвести проверку показаний с
эталонным образцом. Произвести съемку профилограммы поверхности образца. По
полученной профилограмме определить значение параметра Ra.
6.4.2 Провести измерение шероховатости предложенного образца.
6.4.3 Провести измерение шероховатости эталонного образца с помощью
профилометра TR100.
6.4.4 Провести измерение шероховатости предложенного образца с помощью
профилометра TR100.
6.4.5 Повторить измерения по 3 раза и оценить воспроизводимость показаний.
6.4.6 Сравнить результаты измерений, полученные на различных приборах и
сделать вывод о точности измерения.
6.5 Содержание отчета
6.5.1 Цель работы.
6.5.2 Краткое описание сущности измерения шероховатости с помощью
профилографа.
6.5.3. Краткое описание сущности измерения шероховатости с помощью
профилометра.
6.5.4 Результаты экспериментальной работы.
6.5.5 Выводы.
166
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.6 Контрольные вопросы
6.6.1 Какие параметры используют для оценки шероховатости поверхности?
6.6.2 Как определяется средняя линия профиля на профилограмме?
6.6.3 Как определяется наибольшая высота неровностей профиля Rmax?
6.6.4 Опишите принцип работы профилометра модели 253.
6.6.5 Опишите принцип работы профилографа–профилометра модели 201.
6.6.6 Опишите принцип работы измерителя шероховатости TR 100.
167
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7 Лабораторная работа №6 Нагревательные электрические печи
7.1 Цель работы
7.1.1 Ознакомиться с устройством нагревательных электрических печей.
7.1.2 Приобрести практические навыки работы на электрических печах.
7.2 Основные сведения
Электронагрев используется во многих отраслях народного хозяйства и в быту.
Электротермическим
предназначенное
для
оборудованием
(ЭТО)
технологического
называется
процесса
тепловой
оборудование,
обработки
с
использованием электроэнергии в качестве основного энергоносителя. В качестве
нагревателей в печах с рабочей температурой не выше 1100 °С применяют
металлические нагреватели, а в печах с более высокой температурой
-
карборундовые нагреватели.
К электротермическому оборудованию относятся:
1) электрические печи (электропечи) – оборудование, предназначенное для
преобразования электрической энергии в тепловую и имеющие нагревательную
камеру, в которую помещается нагреваемое тело. Понятие электропечь может
охватывать как
собственно печь,
специфицированным
так и
оборудованием,
в некоторых случаях печь со
входящим
в
комплект
поставки
(трансформаторами, щитами управления и пр.).
Под нагревательной камерой понимается конструкция, образующая замкнутое
пространство и обеспечивающая в нем заданный тепловой режим;
2) электротермические устройства – оборудование без нагревательной камеры,
предназначенное для преобразования электрической энергии в тепловую;
168
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3) электротермические агрегаты – совокупность конструктивно связанных
электропечей,
устройств
и
другого
технологического
оборудования
(транспортирующего, охлаждающего, моечного и др.), обеспечивающих проведение
комплексного технологического процесса.
Понятие электротермические установки характеризует электротермическое
оборудование в комплексе с элементами сооружений, приспособлениями и
коммуникациями (электрическими, газовыми, водяными, транспортными и др.),
обеспечивающими его нормальное функционирование.
7.2.1 Классификация нагревательных электрических печей
Электротермическое
оборудование
разнообразно
по
назначению,
конструктивному исполнению, размерам и характерным признакам.
По способу превращения электрической энергии в тепловую электрические
печи классифицируют на печи: сопротивления, индукционные, дуговые, электроннолучевые, диэлектрические, ионные, лазерные.
1 Печи сопротивления подразделяют на печи косвенного нагрева и печи
прямого нагрева (с выделением теплоты в твердых или жидких телах, включенных
непосредственно в электрическую цепь при протекании по ним электрического тока).
В печах косвенного нагрева (рисунок 7.1 а) электрическая энергия
превращается в тепловую при прохождении тока через элементы с большим
омическим сопротивлением (нагреватели) и передается нагреваемому телу в
основном за счѐт конвекции и лучеиспускания по законам теплопередачи. При
нагреве конвенцией теплопередача может осуществляться газом (воздух, защитный
газ и т.п.) и псевдокипящим слоем (тепло от нагревателей к изделиям переносится
множеством мелких твердых тел, непрерывно движущихся и контактирующих с
нагревателями и нагреваемым телом). В печах прямого нагрева (рисунок 7.1 г)
электрическая энергия превращается в тепловую при прохождении тока через
нагреваемое тело, которое непосредственно или через понижающий трансформатор
включается в питающую электрическую сеть.
169
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2 В индукционных печах нагреваемое тело (рисунок 7.1 б) или охватывающий
это тело экран-нагреватель (рисунок 7.1 в) помещают в переменное электромагнитное
поле и нагревают циркулирующими в них вихревыми токами.
3 В дуговых печах электрическая энергия превращается в тепловую в плазме
дугового разряда, существующего в пространстве между двумя электродами, одним из
которых может быть нагреваемое тело (рисунок 7.1д, е).
4 В электронно-лучевых печах энергия пучка (потока) ионов или электронов,
ускоряемых и фокусируемых электромагнитным полем, преобразуется в тепловую
благодаря торможению ионов или электронов в массе нагреваемого тела (рисунок 7.1 ж, з) в
вакууме.
5 Диэлектрическое – с выделением теплоты в диэлектриках и полупроводниках,
помещенных в переменное электрическое поле, за счѐт перемещения электрических
зарядов при электрической поляризации.
6 Ионное – с выделением теплоты в нагреваемом теле потоком ионов,
образованным электрическим разрядом в вакууме.
7 Лазерное – с выделением теплоты в нагреваемом теле при воздействии на него
лазерных лучей. Этот вид нагрева в настоящее время практически еще почти не
применяется.
170
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1 – теплоизоляционная футеровка; 2 – нагреваемое изделие или среда;
3 – источник силового питания; 4 – нагреватели; 5 – индукторы; 6 – экран-нагреватель;
7 – электроды; 8 – фокусирующая система; 9 – катод; 10 – источник ионов.
Рисунок 7.1 – Основные конструкции нагревательных печей
7.3 Устройство печей сопротивления
Печи сопротивления подразделяются на печи периодического и непрерывного
действия.
171
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7.3.1 Печи периодического действия
Печи периодического действия применяют при изготовлении изделий в
условиях мелко- и среднесерийного производства и при выполнении научноисследовательских и опытно-конструкторских работ, а также для исследования
физико-химических свойств жидких и твердых металлов, взаимодействия металлов
со шлаком и газом при высоких температурах.
По конструктивным признакам и связанными с ними способами загрузки и
выгрузки изделий печи периодического действия подразделяют на камерные,
шахтные, элеваторные и колпаковые (рисунок 7.2).
а – колпаковая; б – элеваторная; в – камерная; г – шахтная; 1 – стенд; 2 – камера
печи; 3 – жаропрочный муфель; 4 – нагревательные элементы; 5 – нагреваемое
изделие (садка); 6 – опускающийся под; 7 – подъемное устройство; 8 – свод;
9 – механизм подъема свода.
Рисунок 7.2 – Печи периодического действия
В камерных печах (рисунок 7.2 а) загрузку и выгрузку изделий осуществляют
в горизонтальной плоскости через дверцу, расположенную в передней стенке печи.
172
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В шахтных печах (рисунок 7.2 б) загрузку изделий в цилиндрическую
вертикальную шахту – рабочую зону печи – осуществляют сверху, опуская изделие
на стационарную подставку, находящуюся в нижней части шахты.
В элеваторных печах (рисунок 7.2 в) изделие вдвигают в цилиндрическую
вертикальную рабочую зону снизу, на подставке, конструктивно объединенной со
съемным днищем печи.
В колпаковых печах (рисунок 7.2 г) изделие перед началом нагрева
устанавливают на стационарной подставке и накрывает колпаком -крышкой, внутри
которого смонтированы нагреватели, тепловая изоляция и другие конструктивные
элементы печи. Печи периодического действия могут оснащаться камерами
загрузки-выгрузки (рисунок 7.3), отделенными от камеры нагрева герметичной
заслонкой (затвором).
1 – загрузочный стол; 2 – разгрузочный стол; 3 – толкатель; 4 –толкатель;
5 – загрузочный шлюз; б – разгрузочный шлюз; 7 – нагревательная камера;
8 – поддоны; 9 – холодильная камера.
Рисунок 7.3 – Схема толкательной вакуумной электропечи (план)
Печи с камерами загрузки-выгрузки могут эксплуатироваться в полунепрерывном режиме, поскольку в период загрузки и выгрузки силовое питание камеры
нагрева не отключается и температура в ней не снижается.
Электрические
снабжаются
печи,
выпускаемые
буквенно-цифровым
отечественной
обозначением
173
модели
промышленностью,
печи,
в
котором
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
закодирована информация об основных технических характеристиках печи. Цифры
и буквы в условном обозначении печи расшифровываются так:
1) цифра, стоящая перед буквой – условное обозначение предприятияразработчика;
2) первая буква – метод нагрева: Д – дуговой. И – индукционный, К –
контактный (прямого нагрева), С – сопротивлением, СЭ – сопротивления с
применением электронного нагрева;
3) вторая буква – для дуговых и индукционных плавильных электропечей –
назначение (С – сталеплавильная), для. электропечей сопротивления и контактного
нагрева – основной конструктивный признак (Б – барабанная, Ш – шахтная, Э –
элеваторная, Ю – с шагающим подом, Н – камерная, П – периодического действия);
4) третья буква – для дуговых и индукционных плавильных электропечей
основной конструктивный признак: П – с поворотным .сводом, Т – тигельная (для
электропечей сопротивления и контактного нагрева – среда в рабочем пространстве:
А – азотирующая, В – вакуум, 3 – защитная, Н – водород, К – защитная,
компрессионная,.
О
–
окислительная,
Ц
–
цементационная
или
нитроцементационная);
5) четвертая буква – дополнительный конструктивный признак (А – агрегат,
М–муфельная, У – для сыпучих материалов, X– с камерой охлаждения);
6) цифры, стоящие за буквами: первая цифра – для дуговых и индукционных
плавильных печей – емкость печи в тоннах, для электропечей сопротивления –
ширина или диаметр рабочего пространства в дм, для электропечей контактного
нагрева – ширина спекаемого штабика в дм; вторая цифра – для электропечей
сопротивления –длина рабочего пространства в дм, для электропечей контактного
нагрева – высота спекаемого штабика в дм; третья цифра – для электропечей
сопротивления – высота рабочего пространства в дм, для электропечей контактного
нагрева – длина спекаемого штабика в дм; цифра – стоящая в знаменателе – для
дуговых и индукционных плавильных печей – мощность печи в МВт, для
электропечей сопротивления – температура в сотнях градусов в стоградусной
174
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
шкале; буква и цифра, стоящие за цифрой, обозначающей температуру для
электропечей сопротивления – длина камеры охлаждения в дм.
Анализ технических характеристик печей периодического действия позволяет
выявить следующие особенности рассматриваемой группы печей:
1)
рабочей
средой
печей
является
вакуум,
восстановительные
или
нейтральные газы; печи с воздушной средой в порошковой металлургии не
применяют;
2) основную массу печей составляют печи косвенного нагрева.
Отмеченными
особенностями
определяется
конструкция
печей
рассматриваемой группы.
Основными элементами конструкции являются камеры нагрева и охлаждения,
теплоизоляция (выполняемая в виде массивной кладки-футеровки или набора
экранов), нагреватели с токоподводами, откачные вакуумные системы, системы
автоматического управления режимом нагрева.
Камеры нагрева и охлаждения (рисунок 7.4) изготовляют герметичными. Они
представляют собой тонкостенные сосуды, составляемые из нескольких элементов
(корпуса, дна, крышки и т.д.), элементы соединяют между собой с помощью
разъемных вакуумных уплотнений. Камеры изготовляют из полированной
нержавеющей стали для уменьшения газовыделения и упрощения очистки от
загрязнений в процессе эксплуатации. В камерах, работающих с давлением более
133,322 · 10-6 Па, уплотнения выполняют из резины, при более низких давлениях
применяют уплотнения из алюминия, меди, никеля, благородных металлов. Камеры
средне- и высокотемпературных вакуумных печей имеют двойные стенки, между
которыми циркулирует вода. В сверхвакуумных печах камеры охлаждают водой,
циркулирующей внутри трубки, привариваемой к поверхности камеры.
В компрессионных печах периодического действия применяют в качестве
теплоизоляции массивную кладку – футеровку из блоков графита или шамота,
свободно насыпанную крупку графита или другого изоляционного материала,
возможно
сочетание
экранов
из
графита
или
тугоплавких
металлов
высокотемпературной зоне с футеровкой или засыпкой в низкотемпературной.
175
в
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1 – ввод термопары; 2, 5 – сводовые экраны; 3 – высокотемпературный огнеупор;
4 – среднетемпературный огнеупор; 6– опорные ребра подовой плиты, 7– подовая
плита, 8 – низкотемпературная теплоизоляция, 9 – металлический кожух.
Рисунок 7.4 – Типовая конструкция теплоизоляции-футеровки
Основным видом тепловой изоляции в вакуумных печах является экранная
изоляция, выполняемая из листов тугоплавких металлов (внутренние экраны) и
нержавеющей стали (внешние экраны). Конструкция экранной изоляции зависит от
материала экранов и конфигурации нагревательной камеры.
Основным недостатком нагревателей на изоляторах является конденсация
токопроводящих материалов на поверхности изолятора и замыкание нагревателя на
корпус, а также ограничения по температуре, связанные с реакцией материалов
нагревателя и изолятора.
Недостатком нагревателей второго типа является увеличение тепловых потерь
через водоохлаждаемые токоподводы и резкое понижение температуры в зонах,
примыкающих к токоподводам. Длина (высота) зоны с равномерной температурой
(±1,5 % от номинального значения) в печах с такими нагревателями не превышает
30 % общей длины (высоты) нагревателя. На базе таких нагревателей возможно
создание только однозонных печей.
176
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Основным достоинством печей периодического действия по сравнению с
печами непрерывного действия является относительная простота их конструкции и
связанная с этим простота и экономичность эксплуатации, возможность быстрой
переналадки с режима на режим, возможность обработки в одной печи изделий из
различных
материалов
и
различной
конфигурации.
Недостатком
печей
периодического действия является их малая производительность, связанная с
простоем печей в период загрузки-выгрузки, а также их малая долговечность,
связанная с частым чередованием циклов разогрева – охлаждения печей.
7.3.2 Печи непрерывного действия
В связи с тем, что получение изделий из порошков наиболее экономично, в
условиях
массового
промышленных
печей
или
крупносерийного
сопротивления
с
производства,
косвенным
основным
нагревом
типом
являются
в
порошковой металлургии печи непрерывного действия (методические печи),
(рисунок 7.5).
Из числа многочисленных печей непрерывного действия в порошковой металлургии для спекания и термической обработки изделий наиболее широко
применяют печи толкательные, конвейерные, с шагающей балкой (подом).
Кроме того, толкательные печи применяют для спекания, термической и
химико-термической обработки спеченных изделий из материалов на основе железа
и его сплавов при температурах до 1150 °С и для спекания изделий из тугоплавких
материалов
при
температурах
до
2800
°С.
Основными
конструктивными
особенностями печей, предназначенных для выполнения этих операций, являются
следующие:
1) укладка деталей
в короба или на поддоны, перемещаемые по
направляющим;
2) применение толкателей на разгрузочном конце печи, обусловленное
значительной массой поддонов с деталями (до 50 кг);
177
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3) наличие в печи, как правило, не более двух пар направляющих,
размещенных в общем рабочем пространстве, и, соответственно, одновременное
проталкивание не более двух "поездов", коробов или поддонов;
4) наличие на разгрузочном конце печей для термической и химикотермической обработки закалочных баков, моечных и сушильных устройств;
5) наличие в составе рабочей зоны камеры выжигания пластификатора
(смазки) с системой улавливания продуктов выжигания.
1 - температура верхней поверхности металла; 2 - температура нижней
поверхности металла; 3 – толкатель; 4 – свободная высота; 5 – полезная длина;
6 – горелки; 7 – выдача нагревательных заготовок; 8 – глиссажные трубы.
Рисунок 7.5 - Схема методической печи для одностороннего нагрева
тонких заготовок
Конвейерные печи, предназначенные для термической и химико-термической
обработки так же, как и другие печи непрерывного действия, могут оснащаться на
разгрузочном конце закалочными устройствами (рисунок 7.6).
Основным недостатком конвейерных печей является малая долговечность
конвейерной ленты, связанная с совместным воздействием на нее высоких
температур, нагрузок и агрессивных компонентов атмосферы и материалов
спекаемых изделий.
178
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Недостатков толкательных и конвейерных печей в значительной степени
лишены печи с шагающим подом (шагающей балкой), являющиеся наиболее
перспективным типом печей непрерывного действия для порошковой металлургии,
по крайней мере, при температурах нагрева изделий меньше 1300 °С.
а – для мелких деталей; б – для массивных деталей; 1 – запальник; 2 – труба свечи;
3 – жидкостная завеса; 4 – насос;5 – фильтр.
Рисунок 7.6 – Закалочные устройства конвейерных печей
Оборудование для работы с жидкой средой подразделяют на:
1) электродное – тепло выделяется в жидкой ванне при прохождении тока,
подводимого электродами;
2) с обогревом среды – тепло выделяется в специальных нагревателях,
расположенных вне или внутри ванны;
3) электрошлаковое – тепло выделяется в жидкой шлаковой ванне при
прохождении тока, подводимого электродами, и расходуется в основном на нагрев и
расплавление концов электродов.
179
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7.3.3 Печь муфельная
7.3.3.1 Общие сведения
Муфельная печь — это нагревательное устройство, предназначенное для
нагрева самых разнообразных материалов, до определѐнной температуры. Главной
особенностью таких печей является наличие т. н. муфеля, являющимся главным
рабочим пространством муфельной печи. Муфель из жаропрочных керамических
материалов
защищает
обрабатываемый
материал
от
прямого
излучения
нагревателей, а нагреватели - от возможного воздействия летучих и агрессивных
паров различных веществ.
Типы муфельных печей.
Муфельные печи подразделяются по температурному рабочему диапазону на
следующие типы:
- умеренные температуры: от 100 °С до 500 °C;
- средние температуры: от 400 °С до 900 °C;
- высокие температуры: от 400 °С до 1400 °C;
- сверхвысокие температуры: от 400°С до 1650 °С (2000 °C).
По типу нагрева:
- электрические муфельные печи;
- газовые муфельные печи;
- по защитному режиму обработки;
- воздушные - нагрев в воздушной среде (общее назначение);
- с защитной газовой атмосферой: нагрев в специальной газовой среде
(водород, аргон, гелий, азот, восстановительные газы, азотирующие газы и др.);
- вакуумные - нагрев в вакууме.
По конструкции:
- вертикальной загрузки (горшковые);
- колпаковые (с отделением от пода;);
- горизонтальной загрузки (простые);
180
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- трубчатые (поверка термопар).
Печь муфельная серий ПМ-12 предназначена для проведения термической
обработки материалов (рисунок 7.7). Электрическая схема муфельной печи
приведена на рисунке 7.8.
2
4
3
1
1 – регулятор; 2 – панель; 3 – кнопка стоп; 4–кнопка пуск.
Рисунок 7.7– Печь муфельная серий ПМ-12
Изделие
изготовлено
в
климатическом
исполнении
УХЛ
4.2
ГОСТ 15150-69.
Класс защиты от поражения электрическим током I по ГОСТ 12.2.007.9-93.
181
по
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МП - магнитный пускатель; Т-1-терморегулятор; ЛС- лампа сигнальная;
ДС -добавочное сопротивление; Н-нагреватель; С- конденсатор; МП-1-контакты
магнитного пускателя.
Рисунок 7.8 - Электрическая схема включения печи
7.3.3.2 Технические характеристики
Таблица 7.1 – Технические характеристики муфельной печи ПМ-12
Параметры ПМ-12
Объѐм камеры (ШхВхГ, мм),л
Максимальная
рабочая
температура
в
камере, °C
Потребляемая мощность в режиме разогрева не
более, кВт
Тип терморегулятора
Точность поддерживания температуры
установившемся режиме не хуже, %
Габариты (ШхВхГ), мм
Масса не более, кг
Тип термопары.
Время разогрева до 900 °C без загрузки
не менее, мин
182
в
8 (190х110х350)
1250
4
Микропроцессорный
ПИД
3
475х520х600
55
ТХА
90
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7.3.3.3 Порядок работы с регулятором
1. Включить прибор в сеть с напряжением 220 В, 50 Гц, при этом должен
засветиться индикатор температуры.
2. Выставить нужную температуру на сенсорном экране (рисунок 7.9).
3. Нажать кнопку ―ПУСК‖. Прибор начнѐт осуществлять нагрев до
установленной температуры. При этом горит постоянно точка слева от второго
старшего разряда.
О подаче напряжения на ТЭН сигнализирует загорание точки слева от первого
старшего разряда.
Рисунок 7.9 – Регулятор температуры муфельной печи
7.4 Порядок выполнения работы
7.4.1 Замерить рабочее пространство печи.
7.4.2 Определить время нагрева печи до 300 °С.
7.4.3 Задать температуру на регуляторе температуры.
7.4.4 Ознакомиться с электрической схемой управления печи.
7.4.5 Промерить температуру в печи и на поверхности каркаса.
7.5 Содержание отчета
7.5.1 Цель работы.
7.5.2 Описание работы каменной печи.
7.5.3 Контроль температуры печи.
183
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7.6 Контрольные вопросы
7.6.1 Где применяются нагревательные устройства?
7.6.2 Сущность нагрева.
7.6.3 Классификация печей.
7.6.4 Назовите основные виды печей.
7.6.5 Опишите технологический процесс нагрева.
7.6.6 Устройство муфельной печи ПМ-12.
184
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8 Лабораторная работа №7 Конструкция и принцип работы
индукционной высокочастотной нагревательной установки
8.1 Цель работы
8.1.1 Ознакомиться с конструкцией и основными узлами индукционной
высокочастотной нагревательной установки LH-30кW-B.
8.1.2 Приобрести практические навыки по работе на установке LH-30кW-B.
8.2 Основные сведения
Промышленное применение индукционного нагрева металлов токами высокой
частоты (ТВЧ) появилось в 30-х годах прошлого века. Основоположником метода
индукционной термической обработки и промышленного использования токов
высокой частоты для нагрева металла является профессор В. П. Вологдин, который
разработал теорию индукционного нагрева и создал первые установки.
Использоваться этот метод начал из-за своего уникального свойства –
интенсивного нагрева поверхностного слоя металлической детали, находящейся в
мощном электромагнитном поле с частотой 1 кГц и выше. Причем, чем выше
частота и мощность излучения, тем тоньше слой металла, нагреваемый этим полем.
Толщина слоя, в котором выделяется основная часть тепловой энергии, при частоте
1 кГц составляет около 10 мм и уменьшается с увеличением частоты.
К примеру, при проведении ТВЧ закалки на частоте 66 кГц возможно
получить закаленный поверхностный слой 1 – 3 мм.
Сущность индукционного нагрева заключается в следующем. Заготовка
(деталь) помещается в переменное магнитное поле проводника, несущего ток
промышленной или повышенной частоты. Этот проводник называется индуктором и
обычно изготовляется из медных трубок, которые навиваются в виде спиралей
круглого или другого сечения (в зависимости от формы нагреваемой заготовки).
Ему может быть придана любая другая форма, если это необходимо для получения
заданного
температурного
поля
детали.
185
При
прохождении
переменного
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
электрического тока высокой частоты по индуктору, вокруг него образуется
переменное электромагнитное поле, пронизывающее деталь, помещенную в
индуктор (рисунок 8.1). При этом в поверхностных слоях детали возникают
вихревые токи (токи Фуко), вызывающие нагрев этих слоев материала детали до
высокой температуры. Количество выделившегося тепла (Q), можно вычислить по
формуле (8.1) Джоуля-Ленца:
Q = I2-R-t, Дж,
(8.1)
где I - сила тока, А;
R - электрическое сопротивление материала заготовки, Ом;
t - время нахождения детали в переменном магнитном поле индуктора, с.
Изменяя силу тока I, можно получить любое количество тепла и,
следовательно, любую температуру и любую скорость нагрева.
2
1
1 – индуктор; 2 – нагреваемая заготовка; 3 – токи Фуко.
Рисунок 8.1 - Схема индукционной системы нагрева детали (заготовки)
Величина слоя в котором сравнительно равномерно в основном выделяется
тепло называется глубиной проникновения тока и определяется:
  5030

 f
,
где ρ – удельное сопротивление, Ом·м;
μ – магнитная проницаемость нагреваемой заготовки;
f – частота тока подаваемого на индуктор, Гц.
186
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Индукционный нагрев металла происходит в индукторе, который является
одним из основных элементов высокочастотной установки, в значительной мере
определяющий КПД установки и форму закалѐнного слоя. Индуктор представляет
собой катушку из медных трубок круглого или прямоугольного сечения.
Необходимо, чтобы толщина стенки трубки была больше глубины проникновения
тока в медь. Для индуктора, охлаждаемого водой в течение всего периода работы,
толщина стенок составляет от 1,5 до 2 мм. При спрейерной закалке, когда вода в
трубки поступает только в момент охлаждения, толщину стенок активной части
индуктора принимают равной от 4 до 6 мм; индуктор в этом случае делают литым
или сварным из отдельных листов. Чтобы избежать замыкания витков индуктора,
их изолируют асбестовым шнуром, пропитанным жидким стеклом.
Ряд конструкций индукторов для высокочастотного нагрева деталей показан на
рисунке 8.2.
Индукционный нагрев, имея ряд преимуществ по сравнению с другими
способами нагрева (нагрев в печи газовым пламенем, электросопротивлением и др.),
широко применяется в технологических процессах, связанных с нагревом деталей:
термическая обработка (закалка), сварка, пайка, наплавка, нагрев заготовок под
ковку и штамповку и т.п.
Главным преимуществом индукционного нагрева является высокая скорость
нагрева изделия за счет использования больших удельных мощностей при
предельных концентрациях энергии, что обеспечивает высокую производительность
процесса и возможность механизации к автоматизации.
Скорость нагрева зависит от теплофизических свойств нагреваемого металла и
параметров магнитного и электрических полей. Одним из основных параметров
магнитного поля является его напряженность. Чем выше напряженность поля, тем
интенсивней нагревается металл. В зависимости от профиля нагреваемой детали
применяются индукторы, соответствующей формы, обеспечивающие необходимое
значение напряженности магнитного поля на поверхности детали.
187
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а,в - одновитковые индукторы для нагрева наружных и внутренних
поверхностей цилиндрических деталей; б,г - многовитковые индукторы для нагрева
наружных и внутренних поверхностей цилиндрических деталей; д - петлевой
индуктор для нагрева плоских поверхностей деталей; е - индуктор фасонной формы
для нагрева шестерѐн.
Рисунок 8.2 - Индукторы для нагрева ТВЧ
Для получения необходимой напряженности магнитного поля обычно или
изменяют силу тока и число витков индуктора, или применяют магнитопроводы из
трансформаторной стали и ферритов.
8.3 Виды установок для нагрева токами высокой частоты
Первые ТВЧ установки были разработаны на базе электромеханических
генераторов, но добиться рабочей частоты выше 10 кГц на них было невозможно.
На рисунке 8.3 показана схема установки с машинным генератором.
188
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кроме машинного генератора 2 с возбудителем 3 и двигателя 1, установка
содержит понижающий трансформатор 5, конденсаторные батареи 4 и индуктор 6.
Трансформатор понижает напряжение до безопасного (30 - 50 В) и одновременно
увеличивает силу тока в 25 - 30 раз, доводя еѐ до 5000 - 8000 А.
Часто генератор и двигатель соединяют в одном агрегате (мотор-генераторе).
Это даѐт возможность упростить конструкцию, сократить расход материалов на их
изготовление, а при наличии водяной рубашки – уменьшить шум от работы
машины.
На свободном конце вала генератора устанавливается возбудитель для питания
обмотки возбуждения генератора. Машинные генераторы имеют мощность от 55 до
1500 кВт; КПД, равный 0,7-0,8. Они сравнительно просты в обслуживании, что
позволяет успешно использовать их в массовом производстве.
Рисунок 8.3 - Схема высокочастотной установки с машинным генератороми
С
развитием
радиоэлектронной
промышленности
появились
мощные
радиолампы, которые позволили применять ТВЧ нагрев на более высоких частотах
и, соответственно, раскрыли новые широкие возможности применения ТВЧ. Но
недостатком ТВЧ оставалась очень высокая стоимость оборудования из-за его
громоздкости и необходимости применения сети напряжением от 6 до 10 кВ.
Принципиальная схема установки с ламповым генератором представлена на
рисунке 8.4.
В установку входят повышающий трансформатор 1, выпрямитель 2 с анодным
трансформатором, генераторный блок 3, колебательный контур 4 и система
управления. Напряжение питающей сети U1 = 220/380 В с частотой 50 Гц повышается
189
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
трѐхфазным трансформатором 1 до U2 = 8000-10000 В. Это напряжение подаѐтся на
газотронный выпрямитель 2, преобразующий переменный ток высокого напряжения
в постоянный с напряжением U3. Выпрямленный ток поступает в ламповый
генератор, работающий на самовозбуждение, с автотрансформаторной сетчатой
связью, в котором постоянный ток высокого напряжения U4 преобразуется в
переменный ток высокой частоты напряжением U5. Высокочастотный трансформатор понижает напряжение U5 до U6. Это напряжение используется в индукторе 5
для нагрева под закалку.
Рисунок 8.4 - Принципиальная схема лампового генератора и диаграмма
напряжений
Развитие
современной
радиоэлектроники
дало
промышленности
новые
электронные компоненты – Mosfet транзисторы и IGBT модули, которые позволили на
порядок уменьшить габариты и увеличить КПД ТВЧ установок. Это привело к
удешевлению технологии в десятки раз и новые, еще более широкие, возможности
применения ТВЧ в промышленности для нагрева, закалки, пайки, сварки и т.д.
Установка с тиристорным преобразователем (рисунок 8.5) состоит из следующих
основных частей: выпрямителя 1 на управляемых тиристорах; фильтра 2, включающего
индуктивность L и конденсатор С для сглаживания пульсации выходного напряжения
выпрямителя; инвертора 3, который преобразует постоянный ток в переменный
заданной частоты (он собран на четырѐх управляемых тиристорах). Индуктор 5
подключается через трансформатор 4 в диагональ вентильного моста Т1-Т4 и Т3-Т2.
190
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Если открыты вентили Т1 и Т2, ток течѐт в направлении J1, а при открытых вентилях
Т3 и Т4 - в обратном направлении. Коммутация вентилей осуществляется ѐмкостью Ск.
Импульсы на тиристоры подаются попеременно со сдвигом на 180° по диагонали
инвертора. Поскольку ѐмкость Ск включена параллельно первичной обмотке
трансформатора 4, то на вторичной его обмотке возникает переменное напряжение с
частотой коммутации вентиля от 1000 до 66000 Гц. Конденсатор Ск также
компенсирует реактивную мощность индуктора, повышая коэффициент мощности cos р.
Полупроводниковые тиристорные преобразователи частоты по сравнению с
машинными имеют более высокий КПД (на 10 - 15 %), меньшие габариты и
возможность регулирования рабочей частоты. Тиристорные преобразователи имеют
мощность от 5 до 500 кВт и частоту от 1000 до 66000 Гц.
Рисунок 8.5 - Схема установки с тиристорным преобразователем и
диаграмма напряжений
Индукционный нагрев, широко применяемый в настоящее время в различных
отраслях
промышленности,
обеспечивает
высокую
производительность,
экономичность, автоматизацию производства, улучшение условий труда и
повышение качества нагреваемых заготовок. Индукционный нагрев с последующей
закалкой является одним из наиболее совершенных и рациональных методов
поверхностного упрочнения стальных деталей. Однако индукционный нагрев имеет
также некоторые недостатки, ограничивающие его применение. Использование
191
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
индукционных установок экономично только для нагрева изделий одинаковых
сечений. При нагреве деталей сложной формы коэффициент полезного действия
(КПД) таких установок очень низок (0,1-0,2). При сквозном индукционном нагреве
изделий трудно обеспечить высокую равномерность их нагрева. Индукционные
установки мало пригодны для низкотемпературного нагрева.
Практически для индукционного нагрева при термической обработке
используют три частоты:
1)
f = 60000-80000 Гц - для деталей диаметром меньше 30 мм при источнике
тока от ламповых генераторов и тиристорных преобразователей. Большие частоты не
применяют, так как они входят в диапазон радиочастот;
2)
f = 1000-10000 Гц - для деталей диаметром от 30 до 150 мм и толщиной
нагретого слоя свыше 20 мм. Используются машинные или тиристорные
преобразователи;
3)
f = 50 Гц - для поверхностного нагрева деталей диаметром больше
150 мм, а также для сквозного нагрева с питанием от электрической сети.
В зависимости от конфигурации детали и мощности установки применяют
следующие способы нагрева деталей с помощью токов высокой частоты (способы
закалки ТВЧ):
1) одновременный. Здесь одновременно нагревают всю поверхность
обрабатываемой детали, после чего еѐ сразу охлаждают. Поэтому этот способ
применяют
в
основном
в
термической
обработке
небольших
деталей
-
мелкомодульных шестерѐн, валиков, втулок и др. деталей малого сечения, а также
при местной закалке части детали. Обычно при такой закалке ширина закалѐнной
полосы детали оказывается примерно на 10-20 % меньше высоты индуктора;
2) непрерывно-последовательный. Сначала нагреву подвергается небольшой
участок поверхности детали; по мере перемещения детали или индуктора происходит
нагрев последующих участков, а ранее нагретые участки детали охлаждаются
(закаливаются) с помощью спрейера. Такой способ позволяет осуществлять закалку
крупногабаритных изделий при небольшой мощности генератора, в связи с чем, его
192
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
широко применяют при термической обработке деталей металлургического и
горнорудного оборудования;
3) последовательный. Применяют в основном для крупномодульных
зубчатых колѐс в тех случаях, когда мощность генератора не позволяет производить
одновременный нагрев всех зубьев шестерни. В этом случае закалку осуществляют
путѐм последовательного нагрева и охлаждения отдельных зубьев или группы зубьев;
4)
непосредственного
включения.
Нагрев
осуществляют
при
непосредственном пропускании тока высокой частоты через деталь. Этот метод
применяют при закалке деталей сложной формы или закалке отдельной зоны детали
у отверстий малого диаметра (звенья цепей, фильеры, матрицы и другие детали).
8.4 Устройство установки LH-30кW-B
Индукционная высокочастотная установка предназначена для нагрева, пайки и
закалки металлических изделий из чѐрных и цветных металлов.
Нагрев, пайка и закалка производятся путѐм обработки изделия токами высокой
частоты. Основные технические характеристики установки приведены в таблице 8.1.
Таблица 8.1 – Основные технические данные
Наименование параметра
Значение параметра
Тип установки
Транзисторная на IG BT модулях
Максимальная выходная мощность, кВт
30
Напряжение питающей сети
~3ф / 380 В / 50 Гц
Рабочая частота тока, кГц
20 – 80
Ток индуктора (на выходе) регулируется, А 300 – 1500
Давление охлаждающей воды, МПа
0,2, не менее
Температура охлаждающей воды, °С
40, не более
Время нагрева, с
1 – 99
Масса, кг
- преобразователь
30
- трансформаторный блок
34
Габаритные размеры, мм
- преобразователь
600 х 250 х 540
- трансформаторный блок
500 х 255 х 420
Примечание - Максимальная выходная мощность преобразователя регулируется автоматически и зависит от
добротности контура, а также загруженности системы индуктор – нагревательный элемент (деталь)
193
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Установка LH-30кW-B состоит из следующих основных узлов:
- преобразователь транзисторный высокочастотный;
- трансформатор;
- индукционная катушка;
- устройство дистанционного управления (педаль);
- станция охлаждения.
Электропитание установки LH-30кW-B осуществляется от современного
высокочастотного транзисторного преобразователя частоты (ТПЧ), который
выполнен по схеме регулируемого выпрямителя с последующим инвертированием.
Система защиты преобразователя предохраняет силовую электронику от
перенапряжения, срыва инвертирования, фазовой ошибки, нарушения подачи
охлаждающей воды. Общий вид установки показан на рисунке 8.6.
Рисунок 8.6 – Общий вид установки LH-30кW-B
Принципиальная схема установки показана на рисунке 8.7.
194
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 8.7 – Принципиальная схема установки
8.5 Порядок включения и выключения установки LH-30 кW-B
8.5.1 Включением вентиля подать воду и убедиться в нормальном давлении
воды.
8.5.2 Включить автомат АП-50.
8.5.3 Установить деталь в индуктор.
8.5.4 Включить тумблер на преобразователе транзисторном высокочастотном.
8.5.5 Включить инфракрасное устройство измерения температуры Laser A03 и
направить луч на нагреваемую деталь. Выставить необходимую температуру
8.5.6 Нажать педаль дистанционного устройства и контролировать нагрев
детали до заданной температуры с необходимой выдержкой времени.
8.5.7
Отключить
тумблер
на
преобразователе
высокочастотном.
8.5.8 Отключить автомат АП-50.
8.5.9 Через 20 минут закрыть вентиль подачи воды.
8.6 Содержание отчѐта
195
транзисторном
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8.6.1 Цель работы.
8.6.2 Зарисовать электрическую схему установки.
8.6.3 Описать устройство установки.
8.6.4 Описать порядок включения и выключения установки.
8.6.5 Нагреть заготовку до температуры 800-900 °С.
8.6.6 Записать время и ток нагрева детали до заданной температуры.
8.7 Контрольные вопросы
8.7.1 Сущность индукционного нагрева.
8.7.2 Как происходит процесс индукционного нагрева.
8.7.3 Преимущества и недостатки индукционного нагрева.
8.7.4 Состав установки индукционного нагрева.
8.7.5 Порядок включения и выключения установки.
196
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Список использованных источников
1 Руководство по эксплуатации. - СПб: Открытое акционерное общество
«ЛОМО», 2010. - 42 с.
2 Материаловедение и технологические процессы в машиностроении:
учебное пособие / С.И. Богодухов, А.Д. Проскурин, Р.М. Сулейманов,
А.Г. Схиртладзе; под общ. ред. проф., д-ра техн. наук, С.И. Богодухова. – Старый
Оскол : ТНТ, 2013. – 560 с.
3 Богодухов, С.И. Материаловедение: учебник / С.И. Богодухов, Е.С.
Козик. - Старый Оскол : ТНТ, 2013. – 536 с.
4 Горелик, С.С. Рентгенографический и электроннооптический анализ /
С.С. Горелик, Ю.А. Скаков, Л.Н. Расторгуев. – М.: МИСИС, 2002. - 360 с.
5 Храмов, А.С. Рентгеноструктурный анализ поликристаллов: учебнометодическое пособие для студентов физического факультета: в 2 ч. – Ч.1.
Элементы теории, руководство и задания к лабораторным работам / А.С. Храмов.,
Р.А. Назипов. - Изд. 2-ое, испр. и доп. – Казань: [б.и.], 2009.- 64 с.
6 Панова, Т.В. Определение фазового состава поликристаллического
вещества: Описание лабораторной работы по курсу «Рентгеноструктурный анализ» /
сост. Т.В. Панова, В.И. Блинов. – Омск: Омск. гос. ун-т, 2004. – 19 с.
7 Пахомов, Л.Г. Физические методы исследования неорганических веществ и
материалов:
квалификации
учебно-методический
«Новые
материалы
материал
по
электроники
программе
и
повышения
оптоэлектроники
для
информационно-телекоммуникационных систем» / Л.Г. Пахомов - Нижний
Новгород: [б.и.], 2006. - 84 с.
8 Троицкий, В. А. Ультразвуковой контроль: дефектоскопы, нормативные
документы, стандарты по УЗК / В. А. Троицкий. – Киев: Феникс, 2006. – 224 с. –
ISВN 966-651-275-0.
9 Клюев, В. В. Приборы для неразрушающего контроля материалов и
изделий: справочник : в 2-х книгах / В. В. Клюев. – М.: Машиностроение, 1986. –
Кн. 2 – 352 с.
197
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
10
ГОСТ
2789–73.
Единая
система
конструкторской
документации.
Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики. – Введ.01.01.75, – М.:
Изд-во стандартов, 1990. – 9 с.
ГОСТ
11
2.309–73.
Единая
система
конструкторской
документации.
Обозначение шероховатости поверхностей - Введ.01.01.75, – М.: Стандартинформ,
2007. – 7 с.
12
Приборы измерение шероховатости. Профилографы и профилометры. -
Режим доступа: http://www.devicesearch.ru/article/8499
13 Академик.
Словари
и
энциклопедии.
–
Режим
доступа:
Режим
доступа:
http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/46584/профилометр
14
Дистрибьютор
TIME
Group
Incс.:
–
http://timegrouprus.ru/katalog/izmeritelnye–pribory/izmeriteli–sherohovatosti–profilometry.html
15
TR 100
Портативный измеритель шероховатости: инструкция по
эксплуатации. ЗАО «Промдиаоборудование». – Режим доступа: http://www.p-d-o.ru
16
Материаловедение:
учеб.
для
вузов
/
С.
И.
Богодухов,
Е. С. Козик; Оренбургский гос. ун-т. - Оренбург : ИПК "Университет", 2011. - 649 с.
17 Материаловедение : учеб. для вузов / С. И. Богодухов, Е. С. Козик;
Оренбургский гос. ун-т. - Оренбург : ГОУ ОГУ, 2011. – Режим доступа:
http://artlib.osu.ru.
18 Курс материаловедения в вопросах и ответах: учеб. пособие для вузов /
С.
И.
Богодухов,
и
доп.
-
М.
А.
В.
Синюхин,
Е.
:
Машиностроение,
С.
Козик.-
2010.
–
изд.,
3-е
Режим
перераб.
доступа:
http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_cid=25&pl1_id=718.
19 Современные нагревательные и термические печи (конструкции и
технические характеристики): справочник/под ред. А.Б. Усачева. –М.: Теплотехник,
2007. – 656 с.
20 Слухоцкий, А. Е. Установки индукционного нагрева/ А.Е. Слухотский. –
М.: Энергоиздат, 1981 – 328 с.
21
Руководство
по
эксплуатации
индукционной
нагревательной установки LH-30кW-B. Паспорт. 2012. – 22 с.
198
высокочастотной
Документ
Категория
Физико-математические науки
Просмотров
104
Размер файла
4 361 Кб
Теги
287, материаловедению
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа