Необходимые исходные сведении

Лабораторная работа 1.

Определение твердости металлов и сплавов.

 

 

Выполнил: ст. гр. ЭТ-51-11_____

___________________________

Проверил:__________________

___________________________

 

 

Г. Чебоксары 2012г.

Цель работы — ознакомление с основными методами опре­деления твердости металлов и сплавов и приобретение навы­ков в работе с приборами Бринелля и Роквелла.

 

Приборы, материалы

Твердомеры Бринелля, Роквелла; отсчетный микроскоп, отожженные и закаленные образцы сталей, образцы из сплавов меди, алюминия, наждачная бумага, наждачный круг.

 

Порядок выполнения работы

1. Получить образцы и записать их характеристики (марка ме­талла, размеры (толщина) образцов, состояние термообработки).

2. По характеристикам образцов выбрать метод измерения твердости.

3. Выбрать D, Р и т для определения твердости методом Бринелля.

4. Выбрать индентор, шкалу и нагрузку для определения твердости по методу Роквелла.

5. Зачистить образцы и определить (в трех точках) твер­дость образцов по выбранным методам и условиям.

6. Заполнить табл. 1.3 и 1.4.

7. Сделать анализ результатов и выводы.

Содержание отчета

1. Тема. Цель работы.

2. Краткий конспект теоретических положений.

3. Приборы, материалы.

4. Описание хода работ, результатов измерений по Бринел­лю; заполненная табл. 1.3.

5. Описание хода работ, результатов измерений по Роквел­лу; заполненная табл. 1.4.

6. Выводы.

4. Контрольные вопросы

1. Что понимают под твердостью металлов и сплавов?

2. Какие методы определения твердости имеются и какие из них чаще применяются?

3. Сущность метода определения твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу.

4. Как выбираются метод измерения твердости, тип инден- тора, нагрузки?

5. Как обозначаются числа твердости, определенные разны­ми методами?

Каковы преимущества и недостатки каждого из рассмот­ренных методов?

 

 

Необходимые исходные сведении

Металлы и сплавы являются основными конструкционны­ми материалами. Наиболее важными являются механические свойства: прочность, твердость, пластичность, ударная вяз­кость, износостойкость.

Твердостью называют сопротивление материала проник­новению в поверхностные слои другого более твердого тела определенной формы и размеров, не изменяющихся во время испытания. Внедряемое в металл более твердое тело называет­ся индентором.

При контактном воздействии индентора на поверхности испытуемого металла происходит пластическая деформация. Степень сопротивления деформации при измерении твердости и определяет твердость материала (металла).

Наиболее распространенными методами определения твердости металлов являются методы Бринелля, Роквелла; не­сколько меньше - метод Виккерса.

Отличаются эти методы друг от друга формой, размерами и материалом индентора, а также применяемой нагрузкой при внедрении индентора.

Определение твердости по Брипеллю. Измерение твердо­сти по этому методу производится согласно ГОСТ 9012-59*.

В испытуемый образец под определенной нагрузкой Р вдав­ливается стальной закаленный шарик диаметром D (рис. 1.1, а) (до 450 НВ измерение твердости производится стальным зака­ленным шариком; при 450...650 НВ - твердосплавным).

Испытуемые образцы (при всех методах измерения твердо.- сти) должны иметь ровную поверхность. После удаления на­грузки на поверхности образца остается отпечаток (лунка) диа­метром d.

 

Рис. 1.1. Схемы определения твердости: а - по Бринеллю; б- по Роквеллу; в - по Виккерсу

По диаметру отпечатка судят о твердости. За меру твердо­сти принимают среднее напряжение на поверхности лунки. Ус­реднение напряжение на сферической поверхности лунки оп­ределяют по формуле

HB=P/F

где НВ - число твердости по Бринеллю, МПа (кгс/мм²); Р - на­грузка, действующая на образец, Н (кгс); F - площадь сфериче­ской поверхности отпечатка (лунки) м² (мм);

 

 

Здесь D - диаметр вдавливаемого шарика, м, (мм); d - диаметр отпечатка, м (мм).

 

На практике этих вычислений не делают, пользуются гото­выми таблицами чисел твердости. Диаметр шарика D, нагрузку Р, продолжительность t под нагрузкой берут в табл. 1.1, в за­висимости от марки металла, толщины испытуемого образца, ожидаемой твердости, соотношению Р / D²) (коэффициента К).

Согласно ГОСТ 9012-59* стальные закаленные шарики мо­гут быть диаметром 1; 2; 2,5; 5; 10 мм. Усилия Р, Н (кгс), в за­ висимости от диаметра шарика и соотношения Р/ D² находятся в пределах от 9,807 Н (1 кгс) до 29420 Н (3000 кгс).

Твердость по Бринеллю можно определить только для тех образцов, у которых твердость НВ меньше 6370 МПа. При больших значениях твердости метод неприменим, так как шарик пластически деформируется или разрушается.

При диаметре шарика 10 мм, нагрузке 29420 Н (3000 кгс) и времени выдержки 10 с число твердости по Бринеллю обозна­чают НВ. Например: 300 НВ.

При других условиях измерения твердости НВ дополняется индексами. Например: 2600 НВ 2,5/1839/10 (число твердости 2600 МПа при испытании шариком диаметра 2,5 мм под на­грузкой 1839 Н за время выдержки т 10 с).

При определении твердости по Бринеллю широкое приме­нение нашли рычажные приборы (твердомер шариковый - ТШ) с электроприводом (ГОСТ 23677-79*).

Порядок измерения: на предметный столик устанавливается зачищенный образец с ровной поверхностью, с помощью махо­вика поднимается столик с образцом до соприкосновения с ша­риком и полного сжатия пружины. Включается электродвига­тель и создается полная нагрузка, выбранная по табл. 1.1.

По истечении времени выдержки с предметного столика об­разец снимают, опустив столик вращением маховика в обратном направлении..

Измеряют диаметр отпечатка с помощью измерительного микроскопа. Определяется среднее значение диаметра отпе­чатка в двух взаимно перпендикулярных направлениях. По диаметру отпечатка для выбранных условий испытаний в табл. 1.1 значений твердости находят соответствующее число твердости.

Определение твердости по Роквеллу. Измерение твердо­сти по этому методу производится согласно ГОСТ 9013-59*.

Для твердых образцов используют алмазный конус, а для мягких - шарик.

В образец вдавливается алмазный конус с углом при вер­шине 120° или стальной закаленный шарик диаметром 1,588 мм либо 3,175 мм.

Конус или шарик вдавливают в образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок - предварительной в 98,1 Н (10 кгс) и окончательной (предварительная + основная) (рис. 1.1,6).

При измерении твердости по данному методу судят о твер­дости металла по глубине вдавливания конуса или шарика, мм: И-H q. Глубина h₀ образуется при приложении предварительной нагрузки на индентор, h - при полной нагрузке.

Число твердости показывается сразу на индикаторе часово­го типа.

Современные приборы для измерения твердости по Роквел­лу имеют шкалы: А, В, С, D, Е, F, G, Н, К. Индентором для шкал А,С, D является алмазный конус (ГОСТ 9377-81), для шкал В, F, G - закаленный шарик диаметром 1,588 мм; для Е, Н, К - зака­ленный шарик диаметром 3,175 мм (ГОСТ 2789-73*).

Наиболее часто пользуются шкалами С, В и F. По шкале С измеряют твердость закаленных или закаленных и отпущен­ных сталей, а по шкале В и F - отожженных сталей, цветных металлов и сплавов, т.е. относительно мягких металлов.

Числа твердости по Роквеллу размерности не имеют, обо­значаются в зависимости от шкалы HRA, HRC, HRB, HRF и т.д. (табл. 1.2).

Условия выбора шкалы и индентора при измерении твердо­сти по Роквеллу: числа твердости при вдавливании алмазного конуса определяются по черной шкале индикатора, а при ис­пользовании шарика - по красной шкале.

Определение числа твердости по Роквеллу проводят на при­боре типа ТК (ГОСТ 23677-79*) в следующем порядке.

Вначале по табл. 1.2 определяют тип наконечника, нагрузку. Хорошо зачищенный образец устанавливается на предметный столик и вращением маховика по часовой стрелке поднимают образец до соприкосновения с наконечником (индентором).

Дальнейшим вращением маховика приводятся в движение малая и большая стрелки индикатора и создается предваритель­ная нагрузка, равная 10 кгс.

 

Малая стрелка должна совместиться с красной точкой инди­катора - вращение маховика с этого момента прекратить. Затем конец большой стрелки движением циферблата индикатора со­вмещается с нулевым делением черной шкалы (для случая поль­зования шкалой А или С) или делением 30 (для шкалы В). Включается основная нагрузка, время приложения нагрузки ре­гулируется автоматически. Число твердости показывает конец большой стрелки, которая останавливается после снятия основ­ной нагрузки.

Метод Роквелла прост в обращении, позволяет испытывать металлы и сплавы с широким диапазоном твердости и размеров.

Определение твердости по Виккерсу. Метод применяется для определения твердости деталей и образцов малой толщины, тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость.

Измерение твердости по этому методу производится соглас­но ГОСТ 2999-75* вдавливанием в испытуемый металлический образец четырехгранной алмазной пирамиды с углом при вер­шине 136°.

Число твердости по Виккерсу обозначают HV и определяют его (так же, как НВ) как среднее напряжение, приходящееся на единицу площади поверхности отпечатка, поэтому HV, как и НВ, выражается в мегапаскалях (МПа) или в устаревшей едини­це в килограмм-силах на квадратный миллиметр (кгс/мм²) (схему отпечатка, полученного на поверхности образца, см. на рис. 1.1, в).

Порядок определения числа твердости по этому методу: на шлифованной или полированной поверхности образца получают отпечаток. С помощью микроскопа (вмонтирован в прибор) из­меряют диагонали отпечатка, находят среднее значение.

По среднему значению диагонали в таблице (ГОСТ 2999-75*) находят число твердости. Метод Виккерса применяется в основ­ном в лабораторных условиях, так как требует специальной под­готовки поверхности; метод трудоемкий.