Министерство образования Российской Федерации



САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ



МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ

Лабораторный практикум

Санкт-Петербург

Издательство СПбГПУ

2003

УДК 669.017: 621.78: 661.78: 620.1 (076.5)

Металловедение: Лабораторный практикум. А.П. Петкова. СПб.: Изд-во Горного университета, 2012. 78 с.

Пособие соответствует государственному образовательному стандарту по дисциплине “Металловедение” (ОПД.Ф.03.01) всех направлений бакалаврской подготовки.

Курс “Металловедение” относится к той категории дисциплин, в которых до настоящего времени эксперимент является основным и решающим методом усвоения теоретического материала. Методические указания предназначены для того, чтобы помочь студентам овладеть техникой эксперимента при выполнении лабораторных работ по курсу. Проведение цикла предлагаемых работ дает представление о комплексном методе исследования свойств материалов и обучает технике построения эксперимента. Проведение лабораторных работ после лекционного курса обеспечивает лучшее усвоение теоретического материала и помогает установить неразрывную связь с экспериментом. Основой всех лабораторных работ является установление связи между строением металлов (сплавов) и их свойствами, так как только такое направление изложения материала дает неразрывную связь между основными его положениями: строение  термическая обработка  свойства.

Все лабораторные работы содержат краткое изложение теоретического материала, порядок их проведения и требования к содержанию отчета.

Предназначено для студентов механико-машиностроительного, энергомашиностроительного факультетов дневной и вечерней форм обучения и института интеллектуальных систем и технологии (ИИСТ) СПбГПУ, обучающихся в рамках бакалаврской подготовки.

Табл. 8. Ил. 56. Библиогр.: 13 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.

 Горный университет, 2012

Петкова Анна Петровна

apetkova@inbox.ru

Р А Б О Т А 1

ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ТВЁРДОСТЬ СТАЛЕЙ

При оценке механических характеристик металлов наиболее простым и легко применимым на практике является измерение их твёрдости. Измерение твердости, в основном, применяют для установления наиболее выгодного режима механической обработки изделий и оценки их износостойкости.

Под твёрдостью понимают сопротивление, оказываемое металлом, внедрению в его поверхность другого, более твёрдого тела определенной формы и размера.

Твёрдость определяют приборами  твёрдомерами, вдавливающими при стандартных нагрузках в поверхность испытуемого материала наконечник (индентор) заданной формы.

Твёрдость не характеризует конструктивную прочность материала. Обычное стекло обладает высокой твёрдостью, однако оно не годится для изготовления деталей машин. Тем не менее в определённой области испытание металла (сплава) на твёрдость имеет большое практическое значение. Так, например, режущий и мерительный инструменты должны быть достаточно твёрдыми, а заготовки, обрабатываемые на станках, наоборот, поставляют в механические цехи в умягчённом состоянии. Чтобы выполнить эти обязательные требования, все перечисленные материалы испытывают на твёрдость. Так как величина твёрдости в большинстве случаев предопределяет износостойкость изделий (зубья шестерён, шейки валов и пр.), то в этих случаях тоже прибегают к измерению твёрдости соответствующих (трущихся) поверхностей.

Испытание металлов на твёрдость характеризуется следующими особенностями.

1. При определении твёрдости деталь не разрушается и даже почти не повреждается, так как следы испытания на поверхности изделия в большинстве случаев не имеют значения для эксплуатации изделия или могут быть легко удалены.

2. Определение твёрдости является единственно возможным методом испытания материалов, не поддающихся обработке резцом для вырезки образцов на разрыв (например, инструмент, твёрдые сплавы и т. д.).

3. Приборы, служащие для испытания металлов на твёрдость, обладают весьма высокой производительностью (100 испытаний в час), значительно превышающей производительность других испытательных машин.

4. Обслуживание приборов для измерения твёрдости в большинстве случаев несложно.

5. Испытанию можно подвергать в условиях серийного и массового производства 100 % деталей, тогда как другими методами испытания может быть осуществлён лишь выборочный контроль.

6. Так как испытание металлов на твёрдость обычно сопровождается местной пластической деформацией металла, то эта характеристика определённым образом связана с пределом прочности на разрыв. Поэтому в ряде случаев ограничиваются определением твёрдости, не производя испытаний на растяжение.

По характеру приложения нагрузки существуют статические и динамические методы испытаний.

Основными статическими методами испытания на твёрдость являются:

метод Бринелля  вдавливание стального закалённого шарика (ГОСТ 9012-59);

метод Роквелла  вдавливание алмазного конуса (ГОСТ 9013-59);

метод Виккерса  вдавливание алмазной пирамиды (ГОСТ 2999-75).

Испытуемый образец должен иметь подготовленную (ровную и гладкую) поверхность. Толщину испытуемого образца или изделия выбирают такой, чтобы на обратной стороне образца (изделия) не было заметных следов деформации.

Нагрузку следует прилагать по оси вдавливаемого наконечника перпендикулярно к испытуемой поверхности.

При вдавливании наконечника с малыми нагрузками требуется более высокая чистота обработки поверхности.

Определение твёрдости по методу Бринелля

Индентором является стальной закалённый шарик диаметром 10, 5 или 2,5 мм (рис. 1.1).

Значение твёрдости определяют как среднее контактное давление на сферической поверхности:

,

где D  диаметр шарика, мм; Р  нагрузка на шарик, Н; d  диаметр отпечатка, мм.

Диаметр шарика выбирают в зависимости от толщины и площади поверхности испытуемого образца, а нагрузку и время выдержки  от материала по ГОСТ 9012-59.

Чтобы избежать длительных вычислений при определении значений НВ, на практике пользуются готовыми таблицами с заранее подсчитанными значениями твёрдости для отпечатков различных диаметров, полученных для определённых материалов при соответствующих нагрузках.

Между числом твёрдости по Бринеллю НВ и пределом прочности _в для сталей существует количественная зависимость в виде _в  (0,33  0,36)НВ, где 0,33 следует принимать для углеродистых сталей в нормализованном состоянии, а 0,36  для низколегированных конструкционных сталей в улучшенном состоянии.

Рис. 1.1. Схема определения твёрдости по методу Бринелля

Несмотря на широкое распространение метода Бринелля, в ряде случаев применять его нецелесообразно. Например, металл, имеющий твёрдость более HB 4500 МПа, нельзя испытывать указанным способом, так как при этом деформируется индентор и результаты испытания будут неточными. По Бринеллю нельзя испытывать образцы после химико-термической обработки (цементации, азотирования, хромирования и т. п.) из-за малой толщины поверхностного слоя, а также мелкие детали. Все эти обстоятельства вызвали необходимость создания других методов.

Определение твёрдости по методу Роквелла

При определении твёрдости этим методом индентором служит алмазный конус с углом при вершине 120 или стальной закалённый шарик диаметром 1/16" (1,588 мм). Алмазный конус применяют для испытания твёрдых материалов, а шарик  более мягких.

За меру твёрдости на этом приборе принята разность между глубиной отпечатков (h  h₁), полученной от вдавливания наконечника от общей и предварительной нагрузки (рис. 1.2). Предварительную нагрузку, равную 100 Н, прикладывают для того, чтобы исключить влияние различной степени чистоты измеряемой поверхности (её шероховатости) на результаты измерений. Величину же окончательной нагрузки Р выбирают в зависимости от применяемого наконечника и твёрдости испытуемого материала.

При определении твёрдости этим методом вдавливание в металл специального наконечника осуществляют действием двух последовательно прилагаемых нагрузок  предварительной и окончательной (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Схема определения твёрдости методом Роквелла:

предварительная (а) и окончательная (б) нагрузки

Для численного значения твёрдости введены условные шкалы А, В и С. Наконечник и нагрузки выбирают по табл. 1.1.

Шкалу А применяют для испытания металлов твёрдостью свыше HRC_э 70 (например, сверхтвёрдых сплавов, карбидов вольфрама и т. п.), для тонкого твёрдого листового материала, а также при испытаниях, когда требуется определить твёрдость лишь тонкого поверхностного слоя.

Шкалу С (наиболее распространённый способ) применяют главным образом для испытания термически обработанных сталей с твёрдостью HRC_э 2070.

Шкала В служит для испытания более мягких металлов и сплавов.

Число твёрдости по Роквеллу можно приближенно перевести в число твёрдости по Бринеллю. На основании экспериментальных данных установлена следующая зависимость:

где НВ  твёрдость по Бринеллю, МПа; НRC_Э  твёрдость по Роквеллу, шкала С.

Таблица 1.1

Рекомендуемые наконечники и нагрузки при определении твёрдости

методом Роквелла

Примерная твёрдость по Бринеллю HB, МПа	Обозначение шкалы Роквелла	Вид наконечника	Общая нагрузка, Н	Обозначение твёрдости
Свыше 7000 2300  7000 600  2300	А С B	Алмазный конус “ Стальной шарик D=1,558 мм	600 1500 1000	HRA HRCэ HRB

Для перевода числа твёрдости по Роквеллу с одной шкалы на другую пользуются таблицей, которая обычно приводится в справочной литературе.

Большим преимуществом метода Роквелла является быстрота испытаний (3060 с), причем результат измерения читается непосредственно на шкале прибора.

Определение твёрдости по методу Виккерса

Индентором служит правильная четырехгранная пирамида с углом между гранями, равным 136.

Поверхность отпечатка имеет форму пирамиды (рис. 1.3). Число твёрдости по Виккерсу HV определяется как отношение нагрузки P к площади поверхности отпечатка, которую рассчитывают по его диагонали. Твёрдость по Виккерсу HV определяют по формуле