Рыбинская государственная авиационная технологическая академия

имени П. А. Соловьева

Кафедра «Материаловедение, литье и сварка» Методические указания к лабораторной работе «Методы определения твердости материалов»

Для дисциплины

«Материаловедение»

специальность 150201 «Машины и технология обработки металлов давлением»

направление 150400 «Технологические машины и оборудование»

Разработал:

к. т. н., доцент Воздвиженская М. В.

вед. инж. Кудрякова Е. Р.

Рыбинск, 2009

Определение твердости материалов

Лабораторная работа

Цель работы: изучить методы определения твердости материалов по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу; ознакомиться с устройством прессов Бринелля, Роквелла; научиться определять твердость по методу Бринелля и Роквелла.

1. Теоретическая часть

1.1. Механические свойства материалов

Механические свойства определяют конструктивную прочность или работоспособность изделий в условиях внешних силовых нагрузок. Виды механических испытаний классифицируют по следующим признакам:

1. способ нагружения (растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез, циклическое нагружение);

2. скорость нагружения (статические испытания – медленное нагружение, динамические испытания – быстрое нагружение);

3) протяженность во времени (кратковременные, длительные).

При статическом нагружении изделий в условиях растяжения определяют временное сопротивление (предел прочности) _В , условный предел текучести _0,2, относительное удлинение , относительное сужение . Методика определения механических свойств при растяжении и сжатии регламентирована ГОСТ 1497-84 и ГОСТ 25.503-80 соответственно, напряжения измеряют в МПа, ,  и  – в %. Испытания на растяжение при повышенных температурах регламентируются ГОСТ 9651-84, при пониженных температурах – ГОСТ 11150-84.

В условиях динамических, ударных нагрузок проводят испытание материала на ударную вязкость (ГОСТ 9454-78). Ударная вязкость оценивается работой разрушения образца при ударе, отнесенной к начальной площади поперечного сечения образца, МДж/м². При испытании материалов используют образцы с концентратором (надрезом) вида U или V, а также с предварительно наведенной трещиной глубиной 2,5 мм, для обозначения этих видов ударной вязкости используют символы KCU, KCV, KСТ, соответственно.

В условиях знакопеременных нагрузок растяжение-сжатие проводят испытания на сопротивление материала усталостному разрушению: определяют предел выносливости при симметричном цикле нагружения _-1 или усталостную долговечность N_ (ГОСТ 25.502-79). Напряжение _-1 соответствует максимальному напряжению цикла, которое материал может выдерживать не разрушаясь, при достаточно большом числе циклов нагружения N  10⁶…10⁸, а N_ соответствует числу циклов нагружения, которое выдерживает образец до разрушения при заданном уровне напряжения .

В условиях контактных нагрузок (шестерни, опоры, валы) широко используются показатели твердости НВ, HRC, HV, которые характеризуют сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела  индентора.

Метод измерения твердости по Бринеллю (ГОСТ 9012-59): значение твердости НВ определяют путем деления нагрузки P на площадь поверхности сферического отпечатка d, полученного путем вдавливания в испытуемый материал шарика диаметром D. Твердость по Роквеллу (ГОСТ 9013-59) определяют в условных единицах по глубине вдавливания алмазного конуса при нагрузке P = 600 Н и 1500 Н (шкалы А и С)  HRА, HRС или шарика при P = 1000 Н (шкала В)  HRB. Измерение твердости по Виккерсу (ГОСТ 2999-75) осуществляется путем вдавливания в материал четырехгранной пирамиды под действием нагрузки P. Значение твердости HV определяют путем деления нагрузки P на квадрат диагонали отпечатка пирамиды d².

В настоящее время существуют следующие методы определения твердости: а) метод вдавливания; б) метод отскакивания; в) метод царапания; г) метод качания маятника.

Под твердостью металла при вдавливании по­нимается его сопротивление местной пластиче­ской деформации при контактном приложении нагрузки.

Испытание на твердость благодаря своей быстроте, простоте, а также возможности производить испытания на готовых изделиях без их разрушения и повреждения получило очень широкое распро­странение, как на заводах, так и в научно-исследовательских лабо­раториях. Для деталей, подвергнутых химико-термической обработ­ке (цементации, азотизации и т. д.), и закаленных инструменталь­ных сталей определение твердости является основным методом ис­пытания при оценке качества изделий.

1.2. Определение твердости по Бринеллю

Методика определения твердости по Бринеллю состоит в том, что, пользуясь специальным прессом (прессом Бринелля), в испы­туемый металл А (рис. 1) под определенной нагрузкой Р вдавли­вается стальной закаленный шарик диаметром D, и по величине полученного отпечатка d судят о твердости. Число твердости по Бринеллю определяется отношением нагрузки, действующей на ша­рик, к поверхности полученного отпечатка, т. е.

, (1)

где НВ – число твердости по Бринеллю;

Р – нагрузка в кгс;

S – площадь шарового отпечатка (сегмента).