3. Определение твердости

Твердость характеризует сопротивление материала большим пластическим деформациям. Наиболее распространенные методы определения твердости связаны с внедрением в испытуемый материал специального тела, называемого индентором, с таким усилием, чтобы произошла пластическая деформация. В материале при этом остается отпечаток индентора, по которому судят о величине твердости. Определение твердости – наиболее распространенный метод исследования свойств материала. Это объясняется рядом причин: определение твердости является неразрушающим методом, так как деталь после такого измерения может быть использована по назначению; испытания на твердость не требуют высокой квалификации; зная твердость, можно судить и о других механических свойствах.

3.1Метод Бринелля.

В качестве индентора используется стальной закаленный шарик, который вдавливают в испытуемый образец на специальном прессе (рис. 1.6). В результате на поверхности образца образуется отпечаток в виде сферической лунки (рис. 1.7). Диаметр отпечатка измеряют в двух взаимноперпендикулярных направлениях с помощью микроскопа Бринелля – лупы со шкалой (рис.1.8).

Рис. 1.6. Схема пресса Бринелля: 1 – груз; 2 – электродвигатель;3 – маховик вращения винта для создания предварительной нагрузки; 4 – установочный стол; 5 – держатель индентора

11

помимо значений твердости указываются диаметр шарика, усилие и время выдержки под нагрузкой. Например, 185 НВ/5/750/20, здесь 5 – диаметр шарика в мм, 750 – нагрузка в кгс (7350 Н), 20 – время выдержки под нагрузкой в с.

Метод Бринелля не является универсальным. Он не позволяет испытывать материалы с твердостью более 450 НВ (может деформироваться шарик), а также образцы толщиной менее десятикратнойглубины отпечатка.

3.2.Метод Роквелла

Принципиальное отличие этого метода от рассмотренного ранее заключается в том, что твердость определяется не площадью поверхности отпечатка индентора, а глубиной его проникновения в исследуемый образец.

В качестве индентора используют алмазный конус при испытаниях твердых материалов и стальной закаленный шарик при испытаниях мягких материалов. Нагрузка при использовании алмазного конуса устанавливается 60 кгс (500 Н) или 150 кгс (1400 Н) в зависимости от твердости материала – большая для менее твердых материалов (например, закаленных сталей), меньшая для материалов с очень высокой твердостью (твердых сплавов, режущей керамики), с тем, чтобы избежать скола алмаза. Стальной шарик вдавливают с нагрузкой 100 кгс (900 Н).

Испытания выполняются на специальном приборе, имеющем черную (С) и красную (В) шкалы. Шкала С используется при испытаниях с помощью алмазного конуса при нагрузке 60 и 150 кгс, шкала В

–для шарика с нагрузкой 60 кгс. Числа твердости обозначаются: HRC

–алмазный конус, нагрузка 150 кгс; HRA – алмазный конус, нагрузка60 кгс; HRB – стальной шарик, нагрузка 100 кгс.

Число твердости в единицах HRC примерно в 10 раз меньше, чем в единицах НВ, т.е. твердость 30 HRC примерно соответствует 300 НВ. Между значениями твердости по шкалам С и А имеется следующая зависимость: HRC

=2HRA - 104.

3.3.Метод Виккерса

Метод основан на вдавливании четырехгранной алмазной пирамидки с углом между противоположными гранями, равным 136°. Число твердости обозначается HV (кгс/мм2) и определяется отношением нагрузки к площади поверхности отпечатка. Число твердости вычисляется по формуле HV = 1,854P/d2, где d – среднее значение длины диагоналей отпечатка.

Нагрузка может изменяться в пределах от 1 до 100 кгс (от 10 до1000 Н). Величина диагоналей определяется с помощью специального микроскопа, встроенного в прибор. Для измерения очень тонких слоев или отдельных фаз сплава используют метод измерения микро-твердости при нагрузке от 1 до 500

13

г (от 0,01 до 5 Н), которая также определяется в единицах HV. Значения твердости (до 450 НВ) по Бринеллю и Виккерсу практически равны.

3.4.Метод Шора

При измерении твердости по Шору используется принцип, отличный от рассмотренных ранее. Твердость оценивают по величине упругой, а не пластической деформации. На поверхность объекта с высоты НП падает специальный боек. При ударе часть энергии расходуется на пластическую деформацию исследуемого материала. Оставшаяся упругая деформация возвращается бойку в виде упругогоотскока на величину H0 (рис.1.9). При этом сам боек не деформируется, так как оснащен алмазным наконечником. Высота отскокабойка, определяемая величиной упругой деформации, тем больше, чем выше твердость материала.

Рис. 1.9. Измерение твердости по Шору

Твердость определяется по высоте отскока бойка Н0 (см. рис. 1. 9). Шкала твердости на приборе Шора разделена на 130 единиц. Она рассчитана таким образом, чтобы твердость закаленной эвтектоидной стали оказалась равной 100 единицам. Эти приборы часто используют для определения твердости непосредственно на деталях,особенно крупногабаритных.

В некоторых случаях, когда применение перечисленных методов невозможно, твердость металла определяют с помощью тарированных напильников из материала с известной максимальной твердостью, пока еще возможно снятие стружки (при большей твердости напильник скользит по поверхности). Этот метод менее точен, нопрост и легко применим в цеховых условиях.

4. Испытанияна усталость

Усталостное разрушение металлов происходит в условиях повторяющихся знакопеременных напряжений, значения которых меньше предела прочности. Этот процесс постепенного разрушения – усталость – заключается в том, что под действием большого числа циклов переменных нагрузок в наиболее нагруженном или ослабленном месте металла зарождается, а затем растет трещина, следовательно, площадь сплошного металла постепенно уменьшается, а напряжения возрастают, поскольку σ = P/F, при постоянной нагрузке Р уменьшение площади F приводит к росту напряжений о. Наступает момент, когда оставшаяся неповрежденной часть сечения уже не

14

может выдержать приложенной нагрузки, так как действующие напряжения превысили предел прочности (т.е. σ > B), поэтому происходит быстрое

разрушение металла.

Свойство материала противостоять усталости называется выносливостью. Наибольшее напряжение, которое выдерживает металл без разрушения при повторении заранее заданного числа циклов, называют пределом выносливости.

Испытание на усталость чаще всего проводят на вращающемся образце с приложением постоянной изгибающей нагрузки. Напряжения в каждой точке образца за один оборот изменяются от положительных (растяжение) до отрицательных (сжатие), т.е. меняются по закону синусоиды (рис.1.10). При таком нагружении отношение максимальной и минимальной величин напряжений равно – 1. Пределвыносливости в этом случае обозначается .

Рис. 1.10. Изменение напряжений в образце в зависимости от знакопеременной нагрузки в течение n циклов

Испытания выполняются следующим образом. При заданном напряжении определяется количество циклов до разрушения, полученное значение наносится на график n – σ, где n – число циклов. В результате получают кривую усталости (рис.1.11). Как видно на этой кривой, существует напряжение, которое вообще не вызывает разрушения, это и есть предел выносливости, т.е. при напряжениях ниже, чем σ-1 деталь может работать сколь угодно долго.

Рис. 1.11. Кривая усталости

5.Испытанияна ползучесть

Ползучесть – это деформация материала во времени под действием постоянного напряжения. У металлов ползучесть наблюдается лишь при

15

высоких температурах, у полимеров это может происходить и при комнатной температуре.

При ползучести в металле происходят следующие процессы. В результате приложенной нагрузки возникает пластическая деформация, вызывающая наклеп. Вследствие наклепа происходит упрочнение материала, предел текучести при этом повышается и деформация приостанавливается. Однако при высокой температуре начинается процесс рекристаллизации (снятие наклепа) и деформация возникает вновь. Таким образом, при ползучести происходят два процесса: упрочнение металла за счет наклепа и снятие упрочнения под действием высокой температуры. После снятия наклепа и понижениязначений предела текучести деформация развивается вновь.

Испытания на ползучесть выполняют на специальных установках при постоянной нагрузке. Образец устанавливают в захваты испытательной машины и помещают в печь. При этом автоматически производят измерение и запись длины образца, т.е. записывается кривая ползучести (рис.1.12). На этой кривой участок ОА соответствует деформации, возникшей в момент приложения нагрузки; АВ – участок неустановившейся ползучести; ВС – участок установившейсяползучести, когда металл деформируется с постоянной скоростью,которая характеризуется тангенсом угла наклона кривой; на участке CD процесс ползучести идет не просто с постоянной скоростью, а ускоряется, этот этап заканчивается разрушением в точке D.

В испытаниях на ползучесть определяют предел ползучести и длительную прочность. Предел ползучести – напряжение, вызывающее заданную деформацию при данной температуре, т. е. регламентирующее величину остаточной700 деформации за определенное время τ (участок ВС).

Например, 0,2/100=1000 МПа означает, что предел ползучести, т.е. допуск на

остаточную деформацию 0,2% за 100 ч при температуре испытаний 700°С

составляет 1000 МПа. Длительная прочность – напряжение, вызывающее

700

разрушение при1000определенной температуре за определенное время (точка D), например, > = 200 МПа означает, что при напряжении 200 МПа и температуре 700 °С разрушение образца произойдет через 1000 ч.

Рис. 1.12. Кривая ползучести

16

площадь поперечного сечения.

4. Рассчитать с точностью до 0,1 мм и отметить рисками на образце его расчетную начальную длину lo.

5. Зарисовать эскиз образца с указанием его размеров.

6. Установить образец в захваты машины.

7. Включить машину и установить необходимую скорость перемещения активного захвата машины.

8. Наблюдать за построением самопищущим механизмом графической зависимости ∆l от F. Записать характерные значения нагрузки, соответствующие Fуп, Fт , Fmax, Fк. Дождаться разрушения образца.

9. Выключить машину, извлечь из захватов части разрушенного образца, отделить с барабана прибора записанную зависимость.

10. Определить основные прочностные свойства материала образца: условный предел упругости , физический ( ) или условный ( 0,2) предел

текучести, условный предел прочности B

11.Определить конечную расчетную длину образца lк, приложив его части плотно друг к другу и замерив с точностью до 0,1 мм расстояние между исходными рисками. Рассчитать относительное остаточное удлинение образца при разрыве δ.

12.Определить площадь минимального поперечного сечения шейки образца в месте разрыва. Рассчитать относительное остаточное сужение образца при разрыве ψ.

13.Определить доли упругих ∆lуп и пластических ∆lост деформаций в абсолютной деформации образца ∆lполн перед разрывом.

14.Составить письменный отчет и сделать выводы по работе.

15.Представьте на проверку преподавателю отчет о выполнении работы. Ответьте на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1.Что называется деформацией?

2.Чем отличаются упругие и пластические деформации?

3.Что называется механическим напряжением?

4.Какова размерность механического напряжения?

5.В чём отличие нормальных и касательных напряжений?

7.Какие напряжения характеризуют поведение материала при растяжении – нормальные или касательные?

8.Какой формы образцы применяются при испытании металлических материалов на растяжение?

9.Что называется диаграммой растяжения материала? В каких осях она строится?

18

10. Чем отличаются деформация? Как они обозначаются? Какова их размерность?

11. Что называется жёсткостью материала? Какой характеристикой и размерностью она определяются?

12.Как формулируется закон Гука?

13.Что называется пределом упругости материала? Его обозначение и размерность? Как его определить?

14.Что называется физическим пределом текучести материала? Его обозначение и размерность? Как его определить?

15.Что называется условным пределом текучести материала? Его обозначение и размерность? Как его определить?

16.В чём суть наклёпа металла?

17.Что называется пределом прочности материала? Его обозначение и размерность? Как его определить?

18.Что называется пластичностью материала?

19.Какие показатели характеризуют пластичность материалов?

20.Что называется относительным остаточным удлинением при разрыве? Его обозначение и размерность? Как его определить?

21.Что называется относительным остаточным сужением при разрыве? Его обозначение и размерность? Как его определить?

22.Какое свойство противоположно пластичности?

23.Какие материалы можно отнести к пластичным?

24.Какие материалы можно отнести к хрупким?

25.Чем отличаются диаграммы растяжения пластичного, хрупкопластичного и хрупкого материала?

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 2 ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ РАЗЛИЧНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

ИШАТНГЕНИНСТРУМЕНТАМИ

Теоретическаячасть

1. Общиеположения

Штангенинструмент предназначен для измерения абсолютным методом абсолютной величины измеряемого размера.

К штангенинструментам общего назначения относятся: штангенциркуль, штангенрейсмус, штангенглубиномер. Измерение в штангенинструментах основано на применении нониуса, который позволяет отсчитывать дробные деления основной шкалы. Выпускают штангенинструменты с ценой деления нониуса 0,1, 0,05 и 0,02 мм. Пределы измерения выпускаемых штангенинструментов: штангенциркулей до 2000 мм; штангенглубиномеров – до 500 мм; штангенрейсмусов до 1000 мм. Интервал измеряемых

19

геометрических величин определяется типоразмером и назначением штангенинструмента. Точность отсчета равна цене деления шкалы нониуса.

Штангенциркуль (рис. 2.1) является наиболее распространенным инструментом для измерения линейных размеров.

Основным элементом штангенциркуля является штанга (рис. 2.2) (т.е. сравнительно толстая стальная линейка) со шкалой, цена деления которой равна 1 мм. На левом конце штанги имеются губки нижняя и верхняя. На штангу надета рамка, обхватывающая ее сверху, снизу и с задней стороны. Левой частью рамки являются две губки, имеющие такую же форму, как и губки штанги.

Рис. 2.1. Внешний вид штангенциркуля

Рис. 2.2. Элементы штангенциркуля

Рамка может свободно передвигаться по штанге и в любом положении может быть застопорена. Для этой цели служит стопор рамки. Передние верхняя и нижняя части поверхности рамки скошены; на нижней части имеется 10 делений; цена каждого деления зависит от точности прибора. Такая шкала с делениями называется нониусом.С задней стороны к рамке наглухо приделана узенькая стальная линейка, называемая линейкой глубиномера. Для

20

более точного обмера рабочие кромки верхних губок, так же как и нижние части рабочих кромок нижних губок, заострены. При любом положении рамки расстояния между рабочими кромками верхних и нижних губок и длина выдвинутой части линейки глубиномера всегда равны между собой.

2. Порядокпроведенияизмеренийштангенциркулем

При определении размера, обмеряемой штангенциркулем детали, смотрят, на каком месте шкалы штанги приходится крайний левый (нулевой) штрих нониуса (рис.2.3). Исходя из этого, определяют по шкале штанги, сколько миллиметров содержится в данном размере. Затем замечают, какой штрих нониуса точно совпадает со штрихом шкалы штанги. Количество делений на нониусе до совпадающего штриха соответствует количеству десятых долей миллиметра.

Рис. 2.3. Отсчетное устройство штангенинструментов

Штангенциркуль может быть использован для измерений, если при совмещении губок между ними не просматривается просвет, а нулевые штрихи нониуса и шкалы штанги совпадают.

Штангенциркули с электронным отсчетом. Основой этих инструментов, как и штангенциркулей с нониусным отсчетом, является линейка-штанга, на которой нанесены две штриховые шкалы: одна – с интервалом деления 1 мм (метрическая система мер), другая – с интервалом деления 1 дюйм (королевская система мер). Общий вид инструментов изображен на рисунке 1 (справа).

Штанга выполнена с верхней и нижней неподвижными губками и пазом. По штанге перемещается рамка с верхней и нижней подвижными губками, глубиномером и аттестованным роликом. На рамке располагаются микропроцессор, блок питания, дисплей, зажимной винт и два переключателя. Один служит для установки показаний «на ноль», второй – для проведения измерений в метрической или королевской системах.

С помощью этих инструментов можно измерять размеры валов, отверстий, глубин и высот, они имеют точность измерений до 0,01 мм.

Перед началом измерений необходимо произвести поверку инструмента. Если инструмент имеет деформированные губки, игру рамки, забоины,

21