Краткие теоретические сведения. Составители: Киприянова Вера Николаевна
Составители: Киприянова Вера Николаевна Кобзева Светлана Александровна
Редактор А.В. Снагощенко
Компьютерная верстка С.А. Кобзева
Подписано в печать Формат 60х84/16 Бумага офсетная Офсетная печать Печ. л. Изд.№ Усл.печ. л. Тираж 50 экз. Уч. изд. л. Заказ № Цена руб
Кубанский государственный технологический университет Издательство КубГТУ: 350072,Краснодар, ул. Московская,2, корп. А Типография КубГТУ: 350058, Краснодар, ул.Старокубанская, 88/4
* справедливо для некоторых способов измерения твердости Федеральное агентство по образованию Волгоградский государственный педагогический университет Кафедра общетехнических дисциплин
ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Материаловедение»
Волгоград «Перемена»
УДК 669.017
С о с т а в и т е л ь – Л.Б. Воеводин, канд. техн. наук, доц. каф. ОТД ВГПУ
Р е ц е н з е н т – Н.В.Котов, канд. техн. наук, доцент кафедры ОТД ВГПУ
Измерение твердости металлов и сплавов: Метод. указ. к лаб.работе по курсу «Материаловедение» / сост. Л.Б.Воеводин. – Волгоград: Перемена, 2007.- 8 с.
Даны краткие теоретические сведения о свойствах сплавов и сталей. Сформулированы цель работы и рабочее задание. Приведен порядок ее выполнения. Для студентов факультета технологии и сервиса по специальности 03.06.00 «Технология и предпринимательство».
УДК 669.-17 © Л.Б.Воеводин, 2007 ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ Цель работы: 1. Изучение работы твердомеров. 2. Приобретение навыков определения величины твердости мягких, средней твердости и твердых материалов при помощи твердомеров типа ТК и ТШ.
Краткие теоретические сведения Твердость – это свойство материалов сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела определенной формы и размеров, не получающего остаточной деформации. Определение твердости является наиболее широко распространенным методом испытания металлов, позволяющим в большинстве случаев без разрушения изделия и изготовления специальных образцов судить о качестве изделия. Приборы для испытания на твердость просты, обладают высокой производительностью, не требуют высокой квалификации и могут использоваться непосредственно на рабочем месте. При испытании на твердость обычно определяется сопротивление металлов деформации при вдавливании наконечника. Эта характеристика тесно связана с пределом прочности (Табл.1) и поэтому в некоторых случаях производят испытания только на твердость и по ней судят о пределе прочности материала (для пластических металлов).
Таблица 1 Примерная зависимость между пределом прочности и числом твердости НВ (по данным Н.А. Минкевича, М.А. Одинга, Н.В. Говелинга).
Наиболее широко применяются следующие способы измерения твердости: 1) вдавливание стального закаленного шарика (метод Бринелля); 2) вдавливание алмазного конуса или стального закаленного шарика (метод Роквелла); 3) вдавливание четырехгранной пирамиды (метод Виккерса). В настоящее время имеются приборы для определения микротвердости (твердости металлов в малых объемах) вдавливанием четырехгранной пирамиды под небольшими нагрузками (метод Хрущева-Барковича).
Измерение твердости вдавливанием стального шарика (метод Бринелля, по ГОСТу 9012-59) Твердость по методу Бринелля определяют путем вдавливания стального закаленного шарика диаметром 10, 5 или 2,5 мм в испытуемую плоскую поверхность под давлением заданной нагрузки в течение определенного времени (рис. 1).
Рис. 1. Схема определения твердости по методу Бринелля
Диаметр шарика, нагрузку и время выдержки под нагрузкой выбирают в зависимости от материала и толщины испытуемого изделия или образца. В табл. 2 приведены установленные ГОСТом нормы испытаний по Бринеллю.
Таблица 2 Выбор диаметра шарика и нагрузки в зависимости от твердости и толщины испытываемого образца (по ГОСТу 9012-59)
Число твердости по Бринеллю определяется как отношение вдавливающей силы Р к площади сферической поверхности отпечатка и обозначается буквами НВ (рис. 1): НВ = Р / F = 2Р / πD(D - √D2 - d2), МПа Где D – диаметр шарика, мм; d - диаметр отпечатка, мм; Р- нагрузка на шарик, кН. Чем тверже металл, тем меньше диаметр отпечатка и тем выше число твердости по Бринеллю. Диаметр отпечатка измеряется при помощи специального микроскопа МПБ, имеющего в окуляре шкалу с ценой деления 0,05 мм (рис.2).
Рис.2 Измерение диаметра отпечатка по шкале микроскопа МПБ.
Во избежание сложных вычислений числа твердости для каждого Для определения твердости по Бринеллю пользуются твердомером типа ТШ (рис. 3). Прибор имеет станину I, внижней части которой помещен винт 2 со сменными столиками 4 для испытуемых образцов. Перемещения винта осуществляется вручную маховиком 3. В верхней части станины - шпиндель 6 со сменными наконечниками, в которые вставляются шарики 5. Основная нагрузка прикладывается к образцу посредством рычажной системы. На длинном плече основного рычага имеется подвеска 8 с грузом 9. Комбинацией грузов можно осуществить нагрузки I,875; 2,50; 7,50; 30,0 кН. Нагрузка прилагается автоматически с помощью электродвигателя II, находящегося внутри станины, при нажатии пусковой кнопки. Для установки продолжительности испытания служит передвижной упор переключателя 10, устанавливающийся до начала испытания в положение, соответствующее требуемой выдержке (10, 30 или 60 с).
Рис.3. Кинематическая схема пресса Бринелля (тип ТШ):
К недостаткам метода Бринелля следует отнести: а) невозможность испытания материалов, имеющих твердость более НВ 4500, так как шарик будет деформироваться и показания будут неточными; б) невозможность испытания твердости тонкого поверхностного слоя (менее 1-2 мм), так как шарик будет продавливать тонкий слой металла; в) после испытания остаются заметные следы на поверхности изделия.
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
При проведении испытаний необходимо выполнять следующие требования безопасности: 1. Навеску грузов должен производить один человек. 2. При включенном электродвигателе восприщается нажимать кнопку «Пуск», трогать маховик, грузы и т.п. 3. Работать можно только на заземленном прессе (проверяется периодически). 4. По окончании работы отключить пресс от сети - вынуть из розетки вилку с проводом. 5. Установку продолжительности выдержки под нагрузкой должен делать преподаватель.
ЗАДАНИЕ
1. Изучить работу твердомера типа TШ. 2. Ознакомиться с правилами по технике безопасности при работе на твердомерах типа ТШ. 3. Измерить твердость образцов из алюминиевого сплава и меди и сравнить полученные результаты. 4. По полученным числам твердости определить величины предела прочности, пользуясь соотношениями между НВ и σв (табл.1).
МАТЕРИАЛЬНОЕ ОСНАЩЕНИЕ
Твердомер типа TШ, стальной закаленный шарик выбранного диаметра, микроскоп МПБ, образцы из алюминиевого сплава и меди, таблица для определения твердости по Бринеллю.
ПОРЯДОК РАБОТЫ
1. Установить на столик испытуемый образец и вращением маховика поднять его к шариковому наконечнику, оказывая перпендикулярную нагрузку на образец. Нагрузка должна быть приложена в направлении, перпендикулярном к плоскости образца. Центр отпечатка должен находиться от края образца на расстоянии не менее диаметра отпечатка, а от центра соседнего отпечатка - на расстоянии не менее двух диаметров отпечатка. 2. Нажать на пусковую кнопку, приводя в движение электродвигатель и передавая нагрузку на образец. 3. После окончания испытания опустить столик, снять образец и измерить диаметр отпечатка в двух взаимно-перпендикулярных направлениях при помощи микроскопа МПБ (рис.2). 4. По величине диаметра отпечатка в таблице найти число твердости НВ. 5. Результаты испытания внести в протокол (табл.3).
Таблица 3 Протокол испытания на твердость по методу Бринелля
Измерение твердости вдавливанием алмазного конуса или стального шарика. (Метод Роквелла, по ГОСТу 9013-59) Твердость по методу Роквелла определяют по глубине вдавливания в испытуемую поверхность стального шарика диаметром 1,588 мм (1/I6") при нагрузке 980 Н или алмазного конуса с углом 120° при нагрузке 588 и 1470 Н. При испытании сначала прикладывает предварительную нагрузку Р0 равную 98 Н, а затем нормальную Р, разную 588, 980 или 1470H.
Разность глубин проникновения шарика или конуса (под нагрузками характеризует твердость (рис.4). Чем меньше эта разность, тем тверже испытуемый материал, и наоборот, чем больше эта разность, тем мягче материал. Число твердости до Роквеллу определяют по формуле НR = [К – (h – h0)] / с, где h0 - глубина внедрения наконечника под действием предварительной силы Р0, мм; h - глубина внедрения наконечника под действием общей нагрузки, мм; К - коэффициент, зависящий от формы внедряемого тела: для шарика К=0,26мм, для конуса К=0,2мм; с -цена деления циферблата индикатора, с = 0,002 мм.
Рис.4. Схема определения твердости по Роквеллу: 1 - углубление конуса под предварительной нагрузкой Р0; 2 - под общей нагрузкой Р; 3 - глубина внедрения конуса под действием нагруки Р0 (после снятия основной нагрузки).
Схема прибора ТК душ определения твердости по Роквеллу приведена на рис.5. Этот прибор состоит из рычажного устройства с индикатором 17, механизма подъема, привода с электродвигателем 6, смонтированных в закрытом чугунном литом корпусе 2. В приборе использован механизм рычажного типа, состоящий из подвески с грузом 3, обеспечивающий с помощью рычага I создание необходимой испытательной нагрузки, шпинделя 15, на конце которого винтом крепится наконечник 14 с шариком или алмазным конусом 13, пружины, создающей предварительную нагрузку в 98 Н. Установку индикатора на нуль проводят с помощью барабана 10, смонтированного в механизме подъема и троса 16, закрепленного на ранте индикатора. Привод прибора включает электродвигатель, одноступенчатый червячный редуктор 7 и кулачки, профили которых рассчитаны на проведение испытаний с циклом 5 с. Передача от привода к грузовому рычагу осуществляется штоком 4, который верхней частью удерживает рычаг I в исходном положении, а нижний упирается в толкатель. Механизм подъема состоит из винта 8, маховика II, направляющей втулки, пусковой педали 9, стола 12 и служит для подъема и опускания испытываемого образца. При испытании глубина вдавливания наконечника отражается на индикаторе 17, имеющем две стрелки (большую и маленькую) и циферблат (рис.6). Циферблат разделен на 100 делений, каждое из которых соответствует глубине вдавливания 0,002 мм. Циферблат двушкальный - черный С и красный В. Для точной установки большой стрелки с нулем черной шкалы С кольцо может вращаться при повороте барабана 10 (рис.5), смонтированного в механизме подъема. Большая стрелка служит для указания твердости, малая - для контроля величины предварительного нагружения.
Рис. 5. Кинематическая схема прибора Роквелла (типТК): I - грузовой рычаг, 2 – конус, 3 – грузы, 4 - шток, 5 - пружина, 6 - электродвигатель, 7 – редуктор, 8 – винт, 9 - пусковая педаль, 10 - барабан, II - маховик, 12 – стол, 13 -конус, 14 – наконечник, 15 – шпиндель, 16 - трос, 17 – индикатор.
Рис.6. Циферблат индикатора.
Предварительная нагрузка при испытании создается вращением маховика II, когда стрелка маленькая дойдет до красной точки на циферблате, а большая установится приблизительно в вертикальном положении (рис.6). После этого циферблат индикатора поворачивают до совмещения большой стрелки с нулевым делением шкалы С. Приложение основной нагрузки на образец при испытании осуществляется с помощью привода, который получает движение от электродвигателя. Включают двигатель тумблером расположенным на передней стороне прибора. В зависимости от твердости материала, выбирают нагрузку, шкалу и наконечник (табл.4).
Таблица 4. Ориентировочный выбор наконечника и нагрузки при испытании на приборе типа ТК (ГОСТ 9013-59)
Если работают по шкале С и А, то устанавливают алмазный наконечник, если по шкале В - стальной шарик.диаметром 1,588 мм. Наконечник закрепляют винтом в шпинделе 15 прибора (рис.5). Твердость на приборе типа ТК можно измерить: 1)алмазным конусом с общей нагрузкой 1470 Н (предварительная 98 и основная 1372 Н), в этом случае значения твердости определяют по черной шкале С и обозначают HRC. Эта шкала применяется для испытания закаленных сталей, обладающих твердостью до НRС 67 и для определения твердости тонких поверхностных слоев толщиной более 0,5 мм; 2)алмазным конусом с общей нагрузкой 588 Н, в этом случае значение твердости также определяют по черной шкале С, но обозначает НRА. Шкала применяется для испытания сверхтвердых сплавов (например, карбидов вольфрама), тонкого листового материала и для измерения твердости тонких поверхностных слоев (0,3 - 0,5 мм) или тонких пластинок; 3) стальным шариком с общей нагрузкой 980 Н, в этом случае значение твердости определяют по красной шкал В и обозначают НRВ, шкала В служит для испытания металлов средней твердости и для испытания изделий толщиной от 0,8 до 2 мм (когда испытание методом Бринелля не может быть выполнено). На основании опытных работ установлена связь между числами твердости по Роквеллу и по Бринелля, что позволяет осуществлять перевод одних чисел твердости в другие по справочным таблицам. К достоинствам метода Роквелла следует отнести высокую производительность, простоту оборудования, точность измерения и сохранение качественной поверхности после испытания. Не рекомендуется применять этот метод для определения твердости неоднородных по структуре материалов (например, чугуна), для испытания криволинейных поверхностей с радиусом кривизны менее 5 мм и для испытания деталей, которые под действием нагрузки могут деформироваться.
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
При проведении испытаний необходимо выполнять следующие требования безопасности: 1. Навеску грузов должен производить один человек с осторожностью без посторонней помощи; 2. Прибор дожжен устанавливаться на прочном столе с ровной горизонтальной поверхностью; 3. Шкалы прибора должны находиться на уровне глаза; 4. В.процессе испытания воспрещается производить какие-либо действия с прибором, передвигать образец под нагрузкой и т.п. ЗАДАНИЕ
1.Изучить работу твердомера типа ТК. 2.Измерить твердость образцов из различных материалов. 3.Перевести числа твердости по Роквеллу в числа твердости по Бринеллю, пользуясь справочными таблицами.
МАТЕРИАЛЬНОЕ ОСНАЩЕНИЕ
Твердомер типа ТК, образцы различных материалов, справочные таблицы.
ПОРЯДОК РАБОТЫ
1. На стол (плоский или призматический} устанавливают изделие и вращением маховика поднимают его к наконечнику до тех пор, пока малая стрелка индикатора не встанет против красной точки, а большая (с погрешностью ± 5 делений) на нуль шкалы индикатора. 2. Установить нуль индикатора по шкале С. 3. Плавным нажатием руки на клавишу включить в работу привод механизма, нагружения. 4. Отсчитать числа твердости по шкале индикатора. В случае применения алмазного наконечника отсчет производить по наружной черной шкале С, при шариковом наконечнике - по внутренней красной шкале В. 5. Опустить столик вращением маховика и снять образец. 6. Результаты испытаний внести в протокол испытаний (табл. 5).
Таблица 5. Протокол испытаний на твердость по методу Роквелла
ОТЧЕТ ПО РАБОТЕ В отчете необходимо указать цель работы, привести схемы испытания, формулы определения твердости, протоколы испытаний, вывода по работе.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.. Что такое твердость материала? 2. Почему испытания на твердость очень широко используют как при исследованиях, так и в производстве? 3. Какой формы тело вдавливают при испытании твердости по методу Бринелля? 4. Какой формы тело вдавливают при испытании твердости по методу Роквелла? 5. В зависимости от чего выбирают диаметр шарика, нагрузку и время выдержки под нагрузкой при испытании на твердость по методу Бринелля? 6. Как определяется число твердости по Бринеллю? 7. Как обозначается число твердости по Бринеллю? 8. Как обозначается число твердости по Роквеллу? 9. Какова размерность твердости по Бринеллю? 10 Как изменяется твердость пластических материалов с ростом их прочности? 11.Каким образом изменяется нагрузка на приборе Бринелля? 12. Каким образом измеряется диаметр отпечатка при испытании твердости по Бринеллю? 13. Какой недостаток присущ испытанию на твердость по методу Бринелля? 14. Какова размерность твердости по Роквеллу? 15. Как практически определяется число твердости по Роквеллу? 16. Имеет ли недостаток метод испытания на твердость по методу Роквелла?
Приложение 1. Таблица для определения твердости по Бринеллю НВ (МПа)
Приложение 2 Соответствие между числами твердости, определенными различными методами
Приложение 3 Таблица твердости по Бринеллю НВ для различных отпечатков шарика с диаметром D = 5 мм
|
