Лабораторная работа № 3

Методы определения твердости материалов.

Цель работы

Ознакомиться с методикой определения твердости металлов.

Задание

1. Провести испытание на твердость образ­цов стали.

2. Изучить:

а) различные методы определения твердости

б) метод определения твердости по Бринеллю (с зарисовкой схемы испытания);

в) устройство прибора для определения твердости по методу Бринелля;

г) подготовку прибора и проведение испытания;

д) расчет твердости.

3. Результаты испытания оформить в виде таблицы результатов.

4. Написать отчет по работе.

Теоретическая часть

Твердость металлов. Твердостью называют свойство матери­ала оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии в поверхностном слое. Измерение твер­дости вследствие быстроты и простоты осуществления, а также возможности без разрушения изделия судить о его свойствах, получило широкое применение для контроля качества металла в металлических изделиях и деталях.

Определение твердости по Бринеллю. (J.A. Brinell (1849-1925) – шведский инженер). Метод основан на том, что в плоскую поверхность металла вдавливается с постоян­ной нагрузкой P твердый стальной шарик (рис. 1). После снятия нагрузки в испытуемом металле образуется отпечаток (лунка).

Рис. 1. Схема определения твердости по Бринеллю.

Если поверхность отпечатка выразить через диаметр шарика D и отпечатка d, то твердость по Бринеллю определяется по формуле 1:

кгс/мм² (1)

Используются шарики диаметром 10; 5; 2,5; 1,25 или 1 мм. В нашем случае D = 10мм. При испытании стали и чугуна устанавливают: D = 10 мм и P = 3000 кгс, при испытании меди и ее сплавов D = 10 мм и P = 1000 кгс и при испытании очень мягких металлов (алюминий, баббиты и др.) D = 10 мм и P = 250 кгс (при выдержке 30с). Для определения твердости измеряют диаметр лунки d и находят по нему твердость в прилагаемых таблицах. Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов твердостью более НВ 450, так как шарик может деформиро­ваться, что исказит результаты испытания.

Определение твердости по Роквеллу (S.P. Rockwell – Американский металлург). В этом методе твер­дость определяют по глубине отпечатка. Наконечником служит алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной зака­ленный шарик (d = 1,588 мм (1/16")). Алмазный конус применяют для испытания твердых металлов, а шарик — для мягких металлов.

Конус и шарик вдавливают двумя последовательными на­грузками (рис. 2): предварительной Р₀ =10 кгс и основной P₁.

Рис. 2 Схема определение твердости по Роквеллу.

Существует три шкалы A – для очень твердых и тонких деталей (вдавливается конус); B – для мягких металлов (вдавливается шарик) и C – для твердых деталей (вдавливается конус).

Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах. За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. Твердость по Роквеллу HR определяют по формулам:

HRA = 100 – e при Р₁ = 50 кгс

HRB = 130 – e при Р₁ = 90 кгс

HRC = 100 – e при Р₁ = 140 кгс

Величину е определяют по следующей формуле:

(2)

где h — глубина внедрения наконечника в испытуемый матери­ал под действием общей нагрузки Р = P₀ +P₁ измеренная после снятия основной нагрузки P₁ с составлением предвари­тельной нагрузки P₀;

ho — глубина внедрения наконечника в испытуемый матери­ал под действием нагрузки P₀.

Твердость по Роквеллу сразу указывается по шкале прибора (см. рис 3).

Рис 3. При­бор для определения твер­дости материала по методу Роквелла: 1 - маховик; 2 - подъемный винт, 3 - столик; 4 - испытываемый образец, 5 - индикатор, показывающий глубину вдавливания алмазного ко­нуса 7; 6 - рукоятка для освобождения груза 8, соз­дающего усилие для вдав­ливания алмазного конуса в материал.

Определение твердости при вдавливании алмазной пирамиды по Виккерсу (английский военно-промышленный концерн – Vickers Limited). Метод используют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имею­щих высокую твердость. Твердость определяют вдавливанием в испытуемую поверхность (шлифованную или даже полирован­ную) четырехгранной алмазной пирамиды (рис. 4).

Рис 4. Схема определение твердости по Виккерсу.

Твердость по Виккерсу HV определяют по формуле 3:

(3)

где Р—нагрузка, на пирамиду 5, 10, 20, 30, 50, 100 или 120 кгс; α - 136° - угол между противоположными гранями пирамиды; d—среднее арифметическое двух диагоналей отпечатка, измеряемых после снятия нагрузки, мм.

Чем тоньше материал, тем меньше должна быть нагрузка. Твердость по Виккерсу определяется по специальным таблицам по измеренной величине d (диагональ отпечатка).

Микротвердость. Определение микротвердости необходимо для изделий мелких размеров и отдельных структурных состав­ляющих сплавов. Прибор для определения микротвердости со­стоит из механизма для вдавливания алмазной пирамиды под небольшой нагрузкой и металлографического микроскопа. В испытуемую поверхность вдавливают алмазную пирамиду под нагрузкой 15-500 гс. Твердость H* определяют по той же фор­муле, что и твердость по Виккерсу, по формуле 3. Образцы для измерений должны быть подготовлены так же, как микрошлифы.

Порядок выполнения работы.

Для испытания на твердость по Бринеллю в настоящее время применяют в основном рычажные прессы (рис. 5).

Рис. 5 Схема прибора для определения твердости по методу Бринелля.

Образец помещают на столике 1 и с помощью винта 9 поднимают до соприкосновения с шариком 2 и выше, чтобы сжать пружину 3, определяющую предварительную нагрузку 100 кг. Затем включают электродвигатель, который приводит в движение эксцентрик 7. При вращении эксцентрика шатун 6 опускается, и грузы 8 через систему рычагов 5 и 4 создают давление на шарик. При дальнейшем вращении эксцентрика шатун поднимается и снимает давление грузов с образца; когда шатун находится в верхнем положении, электродвигатель автоматически выключается. Таким образом, время испытания определяется одним оборотом эксцентрика. После остановки электродвигателя снимают предварительную нагрузку, освобождают образец и с помощью специальной лупы измеряют диаметр отпечатка, по которому определяют твердость. Диаметр отпечатка d должен укладываться в интервале (0,2 - 0,7)D. Чтобы не выходить за эти пределы, необходимо изменять нагрузку. Испытания материалов с использованием шариков различной величины следует проводить при постоянном отношении P/D². Стандартными условиями испытаний являются: нагрузка 29420 Н (29420 · 0,102 = 3000кг) и длительность нагружения 10 - 15с.

Как показали исследования, между пределом прочности металлов при растяжении σ_В и твердости НВ существует зависимость:

1) для катаной и кованой стали σ_В = 0,36 · НВ;

2) для литой стали σ_В = (0,3 - 0,4) · НВ;

3) для серого чугуна σ_В = 0,1 · НВ.

Содержание отчета.

1. Тема лабораторной работы.

2. Цель лабораторной работы.

3. Схема испытаний по Бринеллю.

4. Порядок выполнения работы.

5. Таблица измерений.

6. Расчет твердости HB по среднему арифметическому значению d (формула 1).

7. Выводы.

Таблица измерений

Измерения	1- е измерение	2 - е измерение	3 - е измерение
d мм

Литература

1. Лахтин Ю.М.

Металловедение и термическая обработка металлов: Учебник. – М.: «Металлургия», 1977. – 408 с., ил.

2. Жуковец ИЛ.

Механические испытания металлов: Учебник. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: «Высшая школа», 1986. - 199с.: ил.

3. Основы материаловедения. Учебник для вузов. Под ред. И. И. Сидорина. М., «Машиностроение», 1976. 436 с., ил.

4. Самохоцкий А. И., Кунявский М. Н.

Лабораторные работы по металловедению и термической обработке металлов. Учеб. пособие для машиностроительных техникумов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1981. — 174 с., ил.