материаловедение вопросы. lab1_t теория материал. Определение твердости металлов и сплавов

• Название: Определение твердости металлов и сплавов
• Анкор: материаловедение вопросы
• Дата: 03.09.2021
• Размер: 192.89 Kb.
• Имя файла: lab1_t теория материал.docx
• Тип: Документы; #229180

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Цель работы

1. 
   Научиться измерять твёрдость металлических образцов различными методами.
   
2. 
   Ознакомиться с условиями применения того или иного метода определения твёрдости; подготовкой образцов для измерения твёрдости; устройством прибо- ров для измерения твёрдости.
   
3. 
   Проследить зависимость твёрдости металлов от состава сплава.
   

Оборудование и материалы для выполнения работы

Приборы Бринелля, Роквелла, Виккерса, микротвердомер. Образцы различ- ных железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов); образцы из меди, алюминия и сплавов на их основе; образцы из закалённой и отпущенной стали. Наждачные круги и абразивная бумага.

Порядок выполнения работы

1. 
   Изучить теоретический материал по теме занятия.
   
2. 
   Ознакомиться с приборами и методами определения твёрдости по Бринеллю, по Роквеллу, по Виккерсу и микротвердости.
   
3. 
   Измерить твердость предложенных образцов металлов и сплавов на приборах Бринелля и Роквелла. Данные внести в табл. 1 и 2 соответственно.
   
4. 
   Определить приблизительное значение предела прочности по данным измере- ния твёрдости по Бринеллю.
   
5. 
   Проанализировать результаты измерений и написать отчет.
   

Основные положения

При проектировании и производстве машин, механизмов, инструментов те или иные детали должны обладать определенными механическими свойствами. Механические свойства металлов характеризуют сопротивление материала де- формации и разрушению под действием внешних нагрузок. Практически все ме- тоды определения механических свойств являются разрушающими. Для проведе- ния испытаний необходимы специальные машины, процессы испытания довольно длительны, особенно если учесть весьма продолжительный процесс изготовления специальных образцов.

Механические свойства и физические свойства зависят от многих факторов: от состава материала, вида обработки (пластической деформации, термической обработки). Поэтому в процессе изготовления тех или иных деталей необходимо контролировать свойства, особенно механические. Как отмечено ранее, обычные методы испытания механических свойств не могут быть использованы на проме- жуточных стадиях изготовления деталей вследствие длительности и дороговизны изготовления образцов, длительности самого процесса испытания. В этом случае пользуются методами определения твёрдости.

Твёрдость имеет большое практическое значение, так как она отражает многие рабочие свойства материала, например, сопротивляемость истиранию, ре- жущие свойства, способность обрабатываться шлифованием или резанием, вы-

держивать местные давления и т. д. Кроме того, по твёрдости можно судить и о других механических свойствах (например, о прочности на разрыв). Следователь- но, между твёрдостью и другими свойствами материалов существует определен- ная связь, подтверждаемая практикой.

Широкое распространение испытаний материалов на твёрдость объясняется тем, что при этом не требуется изготовления специальных образцов; методика ис- пытаний весьма проста и может осуществляться непосредственно на готовой де- тали без разрушения.

Большинство методов определения твёрдости основано на принципе вдав- ливания в испытуемый материал твёрдых тел (закалённого стального шарика, ал- мазного конуса или алмазной пирамиды) и последующего измерения размеров отпечатков. Поэтому часто твёрдость определяют, как способность материаласопротивляться внедрению в него другого тела. Однако такое определение не яв- ляется общим, так как существуют и другие методы определения твёрдости, осно- ванные не на вдавливании, а на царапании, качании маятника, динамическом ме- тоде и других принципах.

Наиболее широко практикуются испытания твёрдости по Бринеллю, по Ро- квеллу, по Виккерсу и метод определения микротвердости. Во всех перечислен- ных методах при вдавливании индентора происходит пластическая деформация испытуемого материала под индентором. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем на меньшую глубину проникает индентор и тем выше твёрдость.

По Бринеллю определяют твёрдость относительно мягких материалов: цветных металлов и их сплавов, отожжённых сталей и любых чугунов (кроме бе- лого).

По Роквеллу чаще всего определяют твёрдость очень твёрдых материалов: закалённых сталей, твёрдых сплавов, керамики, твёрдых покрытий, в том числе наплавленных слоев достаточной глубины на сталях и чугунах. Но на приборе Ро- квелла можно определять твёрдость и сравнительно мягких материалов.

Метод Виккерса используется для испытания твёрдости деталей малой толщины или тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твёрдость. Реже этот метод применяется для измерения твёрдости твёрдых и мягких материалов.

Методом микротвердости обычно измеряется твёрдость в пределах отдель- ных зёрен или очень тонких слоев. Два последних метода чаще всего используют- ся в исследовательских работах.

Твёрдость по методу Бринелля. Определение твёрдости по Бринеллю ос- новано на вдавливании в испытуемый материал стального шарика и последующе- го измерения диаметра отпечатка (рис. 1).

Твёрдость по Бринеллю (НВ) выражается отношением взятой нагрузки Р к площади поверхности отпечатка F:

HB

^P . (1)

F

Если вычислить поверхность отпечатка, имеюще- го форму шарового сегмента, то НВ определится фор- мулой

HB

2P

, (2)

Рис. 1

где Р – приложенная нагрузка, кгс; D – диаметр шари- ка, мм; d – диаметр отпечатка, мм.

Размер шарика выбирается в зависимости от тол- щины испытуемого образца: шарики стандартных раз- меров имеют диаметры 10 мм, 5 мм или 2,5 мм.

Нагрузка на шарик выбирается в зависимости от рода материала и должна быть пропорциональна квад- рату диаметра шарика. Условные стандартные нормы, принятые для различных материалов:

для стали и чугуна Р= 30D²,

для меди и медных сплавов P= 10D²,

для баббитов и свинцовистых бронз Р = 2,5D².

Более подробные сведения по выбору нагрузки и времени ее приложения для различных материалов приводятся в соответствующей таблице в лаборатории испытания твёрдости.

Для получения достоверных данных при измерениях твёрдости размер от- печатка должен находиться в пределах

0,2D< d < 0,6D. (3)

Диаметр отпечатка измеряют с помощью лупы Бринелля или микроскопа в двух взаимно перпендикулярных направле-

ниях и определяют как среднее арифметиче- ское из двух измерений. Лупа имеет шкалу, малое деление которой равно 0,05 мм (цена деления). На рис. 2 показано измерение диа- метра отпечатка с помощью лупы.

По результатам измерения диаметра отпечатка на данном материале твёрдость по Бринеллю определяется с помощью форму- лы (2) или по таблице определения чисел твёрдости по Бринеллю (таблица приводится в Приложении 1).

Как отмечалось ранее, между механи-

ческими свойствами (в частности, пределом

Рис. 2

прочности _в

и твёрдостью по Бринеллю)

существует определенная зависимость, которая может быть представлена эмпи- рической формулой:

_в С HB_[МПа],

где С– коэффициент пропорциональности.

Для сталей (при 0,1–0,7 % C)	С= 3,3…3,4
Для сталей (при 0,8–1,3 % C)	С= 3,5…3,6
Для алюминия	С= 4,0
Для меди	С= 4,8
Для дуралюмина	С= 3,7
Для латуни, бронзы	С= 5,3

Следует отметить, что для хрупких материалов (чугун, силумин) надежной корреляции между твёрдостью и пределом прочности получить не удаётся. В ча- стности, для определения предела прочности серого чугуна пользуются следую- щей эмпирической формулой:

_{ } 10(HB40)

в ₆

[МПа].

Твёрдость_по_методу_Роквелла'>Твёрдость по методу Роквелла. Определение твёрдости по Роквеллу осно- вано на вдавливании в исследуемый материал алмазного конуса с углом в верши- не 120° (шкалы Аи С) и последующим измерением глубины вдавливания h(см.

рис. 3) или стального шарика диаметром 1,5875 мм

(шкала В).

h
P

Рис. 3

Твёрдость по Роквеллу выражается отвлеченной величиной, зависящей от глубины вдавливания h, и мо-

жет быть вычислена по формуле, но в этом нет необхо- димости, так как твёрдость определяется по показаниям прибора.

Метод Роквелла позволяет проводить испытания деталей после объёмной закалки и поверхностного уп- рочнения достаточной глубины. Определение твёрдости по этому методу практически не связано с порчей по- верхности изделия.

Шкала Сслужит для испытания твёрдых материалов, имеющих твёрдость по Бринеллю от 230 до 700 кгс/мм². Алмазный конус вдавливается с усилием 150 кгс. Интервал измерения твёрдости по шкале С – от 22 до 68 единиц, твёрдость обозначается HRС.

Шкала А используется при испытании очень твердых материалов или тон- ких поверхностных слоев (0,5–1,0 мм). Применяют тот же алмазный конус, но си- ла вдавливания 60 кгс. Значение твердости определяют по шкале С, но обознача- ют НRА. Интервал измерения твёрдости по этой шкале от 70 до 85 единиц.

Шкала В предназначена для испытания мягких материалов, имеющих твёр- дость по Бринеллю от 60 до 230 кгс/мм². Стальной шарик диаметром 1,5875 мм вдавливается с усилием в 100 кгс. Твёрдость измеряется в пределах от 25 до 100 единиц шкалы Ви обозначается HRB.

Твёрдость по Виккерсу. Метод заключается во вдавливании алмазного наконечника, имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды, в об- разец (изделие) под действием нагрузки Р и измере- нии диагонали отпечатка d, оставшегося после сня- тия нагрузки (рис. 4).

Нагрузка Рможет меняться от 9,8 Н (1 кгс) до

980 Н (100 кгс). Твёрдость по Виккерсу

HV 0,189 ^P

_d2

если Рвыражена в Н, и

[МПа],

Рис. 4

HV 1,854 ^P

_d2

если Рвыражена в кгс.

[кгс/мм²],

Метод используют в основном для определе- ния твёрдости деталей малой толщины, тонких по-

крытий или твёрдости внешних слоев детали после неглубокого поверхностного упрочнения (например, после азотирования). При рациональном выборе нагрузки на приборе Виккерса можно проводить измерения, заменяя методы Бринелля и Роквелла.

Чем тоньше материал, покрытие или упрочнённый слой, тем меньше долж- на быть нагрузка. Число твёрдости по Виккерсу HV определяют по специальным таблицам по измеренной величине d (диагонали отпечатка в миллиметрах) с учё- том приложенной при измерении нагрузки.

Микротвёрдость. Определе- ние микротвёрдости (твердости в микроскопически малых объемах) необходимо для тонких покрытий, отдельных структурных состав- ляющих сплавов (рис. 5). Прибор для определения микротвёрдости состоит из механизма для вдавли- вания алмазной пирамиды с не- большой нагрузкой и металлогра- фического микроскопа. В испыты- ваемую поверхность вдавливают

алмазную пирамиду под нагрузкой 0,05…5,00 Н. Твёрдость Н опреде- ляют по той же формуле, что и твердость по Виккерсу:

Рис. 5

если нагрузка Рвыражена в (Н).

H 0,189 ^P,

_d2