МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 1
Измерение твёрдости металлических материалов
по дисциплине
Материаловедение.
Технология конструкционных материалов
Направления подготовки: 140200, 140600, 200100, 200500, 220200
Форма обучения – дневная
Тула 2011 г.
Методические указания к лабораторной работе составлены доц. Г.В. Сержантовой и обсуждены на заседании кафедры ФММ ЕН факультета.
протокол № 6 от 2 марта 2011 г.
Зав. кафедрой ФММ Г.В. Маркова
Лабораторная работа №1
Измерение твёрдости металлических материалов
1. Цель работы:
1. Познакомиться с методами измерения твёрдости металлических материалов.
2. Приобрести навыки измерения твёрдости методами Роквелла (ГОСТ 9013-59) и Бринелля (ГОСТ 9012-59).
3. Освоить методику перевода единиц твёрдости в единицы характеристик механических свойств, получаемых при испытаниях на растяжение.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
2.1. Измерение твёрдости металлических материалов
Распространенность испытаний на твёрдость объясняется относительной простотой и низкой стоимостью их проведения, возможностью испытаний материалов различной пластичности и прочности, небольшим объемом образцов, возможностью проведения измерений непосредственно на деталях. При испытаниях на твёрдость могут быть получены оценки иных механических свойств, таких как предел текучести, предел прочности и другие.
Наибольшее практическое значение имеют статические испытания твёрдости вдавливанием в испытуемое тело другого, более твёрдого тела - индентора [от англ. indentor, от лат. in - в, внутрь и dens (dentis) - зуб] (методы Бринелля, Роквелла, Виккерса, метод микротвёрдости). Значительно реже используются динамические испытания твёрдости по отскоку шарика (методы Шора, Польди) и еще реже используется измерение твёрдости царапаньем (склерометрия). В машиностроении и приборостроении основным методом измерения твёрдости является измерение твёрдости вдавливанием - дюрометрия.
2.2. Измерение твёрдости методом Бринелля
Сущность метода Бринелля заключается во вдавливании шарика (стального или из твёрдого сплава) в образец (изделие) под действием усилия, приложенного перпендикулярно поверхности образца в течение определённого времени, и измерении диаметра отпечатка после снятия усилия.
В качестве индентора применяются:
- стальной шарик диаметром 10,0; 5,0; 2,5; 2,0 или 1,0 мм, имеющий твёрдость не менее 850 HV10 (850 единиц твёрдости по Виккерсу, измеренной при нагрузке 100 Н (10 кгс)).
- шарик из твёрдого сплава диаметром 10,0; 5,0; 2,5; 2,0 или 1,0 мм, имеющий твёрдость не менее 1500 HV10.
Твёрдость по Бринеллю при применении стального шарика обозначают символом НВ, а при применении шарика из твёрдого сплава - символом HBW. Числено твёрдость НВ (HBW) равна отношению приложенного усилия F к площади сферического отпечатка А и рассчитывается по формуле:
где F -усилие, Н; D - диаметр шарика, мм; d - диаметр отпечатка, мм.
Запись результата измерения состоит из числового значения твёрдости из трёх значащих цифр, символа твёрдости по Бринеллю HB(HBW), диаметра шарика, приложенного усилия и продолжительности выдержки под нагрузкой, если последняя отличается от (10...15) с. Например, запись 575 HBW 2,5/187/30 означает твёрдость по Бринеллю 575 единиц, измеренную при применении шарика из твёрдого сплава диаметром 2,5 мм, при усилии 1870 Н (187 кгс) и продолжительности выдержки под нагрузкой 30 с.
При измерении твёрдости индентором диаметром 10 мм при усилии 30000 Н и продолжительности выдержки от 10 до 15 с твёрдость по Бринеллю обозначают только числовым значением твёрдости и символом НВ или HBW, например 185 НВ, 620 HBW. При твёрдости металлов более 450 единиц по Бринеллю для измерения используют шарики только из твёрдого сплава, во избежание деформации индентора, а при твёрдости менее 450 единиц применяют стальные шарики или шарики из твёрдого сплава. Максимально допустимая твёрдость металлов при применении метода Бринелля равна 650 единиц.
Отбор и подготовка образцов к измерению твёрдости состоит из следующих этапов:
1. Определяется необходимая толщина образца, которая должна превышать глубину отпечатка не менее чем в 8 раз. В любом случае после испытаний на противоположной стороне образца не должно быть заметно следов деформации от индентора.
2. Поверхность образца (изделия) должна быть гладкой, ровной и свободной от окалины или оксидной плёнки. Обработку поверхности образца (изделия) допускается проводить шлифовкой на наждачной бумаге или мелким напильником. При использовании шарика диаметром 1 мм поверхность образца должна быть отполирована.
3. В зависимости от типа испытуемого материала и его ожидаемой твёрдости по таблице 1 выбирают значения коэффициента К, позволяющего выбирать оптимальные условия измерения (диаметр шарика, усилие, длительность выдержки).
Таблица 1 – Значения коэффициента К.
| Материал | Ожидаемая твёрдость по Бринеллю | Коэффициент К |
| Сталь, чугун, высокопрочные сплавы | > 40 ≤ 140 | |
| Титан и его сплавы | ≥ 50 | |
| Медь и сплавы на основе меди | < 35 ≥ 35 | |
| Подшипниковые сплавы | от 8 до 50 | 2,5 |
| Свинец, олово и другие мягкие материалы | ≤ 20 |
4. Оптимальное усилие F в зависимости от значения коэффициента К и диаметра шарика D выбирают в соответствии с таблицей 2. Продолжительность выдержки индентора под действием заданного усилия F выбирают в соответствии с таблицей 3.
Таблица 2 – Усилия F (Н) в зависимости от диаметра шарика и коэффициента К
| Диаметр шарика D, мм | К = 30 | К = 15 | К = 10 | К = 5 | К = 2,5 | К = 1 |
| 1,0 | 294,2 | - | 98,07 | 49,03 | 24,52 | 9,807 |
| 2,0 | 1177,0 | - | 392,30 | 196,10 | 98,07 | 39,230 |
| 2,5 | 1839,0 | - | 612,90 | 306,00 | 153,00 | 60,800 |
| 5,0 | 7355,0 | - | 2452,00 | 1226,00 | 612,90 | 245,200 |
| 10,0 | 29420,0 | 9807,00 | 4903,00 | 2452,00 | 980,700 |
Таблица 3 – Выбор времени выдержки
| Твёрдость по Бринеллю HB (HBW) | Продолжительность выдержки, с |
| ≤ 10 | |
| 10…35 | |
| 35…100 | |
| ≥ 100 | 10…15 |
Диаметр отпечатка d измеряют с помощью инструментального микроскопа или других сред измерения.
2.3. Измерение твёрдости методом Роквелла
Сущность метода Роквелла заключается во внедрении в поверхность образца (или изделия) алмазного конуса или стального закаленного сферического наконечника под действием последовательно прилагаемых предварительного Fo и основного F1 усилий и в определении глубины внедрения индентора после снятия основного усилия F1. Принципиальным отличием метода измерения твёрдости по Роквеллу от метода Бринелля заключается в том, что в методе Роквелла за меру твёрдости принимают глубину отпечатка, а в методе Бринелля - диаметр отпечатка.
Для измерения твёрдости используют специальные приборы (например, твёрдомер ТК – 2). Приборы должны обеспечивать приложение усилий, указанных в таблице 4.
Таблица 4 - Условия измерения твёрдости методом Роквелла на приборе ТК-2
(ГОСТ 9013-59)
| Шкала твёрдости | Обозначение единиц измерения | Предварительное усилие Fo, , Н | Основное усилие F1, Н | Общее усилие F, Н | Диапазон измерения единиц твёрдости |
| А | HRA | 20…88 | |||
| В | HRB | 20…100 | |||
| С | HRC | 20…70 |
В качестве индентора используют: алмазный конусный наконечник (шкалы А, С);стальной закалённый шариковый наконечник диаметром 1,588 мм (шкала В).
Численное значение твёрдости считывается со шкалы индикатора или показателя цифрового отсчётного устройства прибора с округлением результата до 0,5 единицы твёрдости. Запись результата измерения состоит из численного значения твёрдости из трех значащих цифр и символа твёрдости. Например, запись 65,0 HRC означает твёрдость по Роквеллу равную 65 условным единицам по шкале С, полученным при вдавливании алмазного наконечника в поверхность образца (изделия) с общим усилием F = 1500 Н.
Отбор и подготовка образцов к измерению твёрдости проводится аналогично рассмотренным в методе Бринелля.
Твёрдость по шкале А измеряют на твёрдых сплавах, на металлах после поверхностной упрочняющей обработки, на тонких и хрупких образцах. Твёрдость по шкале В измеряют на сталях в отожженном состоянии, на цветных металлах, если их твёрдость не превосходит 200 НВ. Твёрдость по шкале С измеряют на упрочненных термообработкой или пластическим деформированием сталях и тугоплавких металлах и сплавах.
Выбор шкалы осуществляется из следующих соображений:
- если твёрдость образца (изделия) неизвестна, то первое измерение следует проводить по шкале С;
- если твёрдость при этом окажется больше 20 HRC, то это число принимают за результат измерения;
- если твёрдость окажется менее 20 HRC, то следует повторно измерить твёрдость по шкале В.
В настоящее время получены зависимости, описывающих связь твёрдости с характеристиками механических свойств, получаемых при испытаниях на растяжение, ползучесть, сопротивление усталости, износ, некоторые из которых приведены в таблице 5.
Таблица 5 - Формулы перевода единиц твёрдости в характеристики прочности
при растяжении
| Формула перевода | Погрешность | Область применения |
| σ0,2 = 3,67∙НВ - 240 | ≈ 10 % | Легированные стали перлитного и мартенситного классов (НВ≥ 150) |
| σ0,2 = 2∙НВ | ≈ 10 % | Тоже (НВ < 150) |
| σВ = 3,45∙НВ | <10 % | Углеродистые и низколегированные стали (НВ ≥ 150) |
| σВ=325+207∙ехр(0,0377∙HRC ) | ≈ 2 % | Углеродистые и легированные конструкционные стали в литом, горячекатаном и термообработанном состояниях |
3. ОБЪЕКТЫИССЛЕДОВАНИЯ, ОБОРУДОВАНИЕ
Объекты исследования – образцы цветных сплавов и сталей в различных состояниях. Измерения твёрдости проводят на приборах типа ТК.
4. ЗАДАНИЕ НА РАБОТУ
1. Ознакомиться с методом измерения твердости по Роквеллу;
2. Провести измерения твёрдости образцов методом Роквелла;
3. Сравнить полученные результаты.
5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Измерить твёрдость образцов различных материалов. На каждом образце твёрдость измерить три раза и за результат измерений принять среднее арифметическое значение.
2. Заполнить таблицу 3. Для сравнения твёрдости разных образцов все результаты измерений, полученные при различных нагрузках и на различных шкалах перевести в твёрдость по Бринеллю, используя специальную таблицу перевода значений твёрдости, определяемой различными методами.
3. Сделать выводы о влиянии состава материала, термической, и механической обработок на твёрдость металлического материала. Указать, какой способ упрочнения сталей является наиболее эффективным.
6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1. Цель работы;
2. Краткие теоретические сведения;
3. Результаты измерений;
4. Выводы по работе.
Таблица 3 – Результаты измерений
| Материал | Тип индентора | Нагрузка, Н | Твёрдость | ||
| HRB | HRC | HB | |||
| Медь | |||||
| Латунь (Cu-Zn) | |||||
| Алюминий | |||||
| Дюралюмин (Al-Cu) | |||||
| Сталь в холоднокатаном состоянии | |||||
| Сталь в горячекатаном состоянии | |||||
| Сталь в отожженном состоянии | |||||
| Сталь в закалённом состоянии | |||||
| Сталь в отпущенном состоянии |
ВЫВОДЫ:
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
7. Контрольные вопросы
1. Что называется твёрдостью металлов?
2. Как обозначается твёрдость по Роквеллу и Бринеллю?
3. В чем разница методов измерения твёрдости по Бринеллю и Роквеллу?
4. Каким методом можно измерить твёрдость закаленной стали?
5. Каким методом следует измерять твёрдость алюминиевых деталей?
6. Как влияет на твёрдость металла термообработка, обработка давлением?
7. Запишите результат измерения твёрдости, если стрелка индикатора твёрдости остановилась на значении 46,75 HRB
8. Почему при измерении твёрдости неизвестного материала нужно использовать алмазный индентор?
8. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Материаловедение: Учебник для вузов // Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.- 648 с
2. Геллер Ю.А., Рахшадт А.Г. Материаловедение. - М.: Металлургия, 1980. – 447 с.
3. Материаловедение и технология металлов // Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др. – М.: Высш. шк., 2002. - 523 с.
4. Металловедение и термическая обработка стали и чугуна: Справочное изд. в 3-х томах. – М.: Интермет Инжиниринг.
Строение стали и чугуна. Т. 2 / М.Л. Бернштейн, Г.В. Курдюмов, В.С. Меськин и др.; Под общ. ред. А.Г. Рахштадта, Л.М. Капуткиной, С.Д. Прокошкина. 2005. – 528 с.
5. Материаловедение в машиностроении и промышленных технологиях: учебно-справочное руководство / В.А. Струк, Л.С. Пинчук, Н.К. Мышкин и др. - Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2010. - 536 с.
6. ГОСТ 9012-59 Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю.
7. ГОСТ 9013-59 Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу.