Лабораторна робота № 1 визначення твердості металів

Мета та завдання:

Лабораторна робота має за мету засвоєння поняття твердості металів, як одної з головних механічних властивостей металів та сплавів. Студент повинен вивчити основні методи вимірювання твердості металів, знати, як позначаються числа твердості, визначені різними методами, та співвідношення їх між собою. Крім того, треба ознайомитися з будовою та принципом роботи приладів для вимірювання твердості різних зразків металу.

Після виконання даної роботи студент повинен чітко знати і використовувати поняття твердості металів та вміти визначати її за допомогою належних приладів.

Стислі теоретичні відомості

Твердість характеризує здатність металу чинити опір проникненню у нього твердішого тіла певної форми та розміру.

Методи визначення твердості дозволяють в більшості випадків без руйнування виробу і виготовлення спеціальних зразків судити про якість виробу. Пристрої прості, високої продуктивності, не потребують підвищеної кваліфікації робітників і можуть використовуватися безпосередньо на робочому місці.

Частіше твердість металів визначають за Брінелем, Роквелом та Вікерсом. Твердість металу в малих об’ємах оцінюють шляхом визначення мікротвердості. Існують також сучасні електронні прилади для вимірювання твердості металів та сплавів.

Метод Брінеля

Твердість визначають шляхом вдавлювання стальної загартованої кульки діаметром 10мм, 5мм або 2,5 мм у випробуваний матеріал під дією певного навантаження в ході певного часу.

Після вдавлювання в металі утворюється відбиток у формі кульового сегменту, розміри якого визначають за допомогою спеціальної лупи, яка представляє собою об’єктив з лінійкою ( рис.1).

Рис. 1 Лупа для вимірювання діаметру відбитка кульки

а) загальний вигляд; б) схема вимірювання відбитку

Число твердості визначається як відношення тиску Р (Н) до площі сферичної поверхні відбитку F (мм²) і позначається буквами НВ:

,

Поверхня кульового сегмента визначається по формулі:

де D – діаметр кульки, мм;

h – глибина відбитка, мм.

Число твердості, яке визначається через діаметр кульки та діаметр відбитку, характеризується формулою:

,

де Р – тиск, Н;

D – діаметр кульки, мм;

d – діаметр відбитка, мм

Для того, щоб не удаватися до складних рахувань по даній формулі, на практиці використовують спеціальну таблицю, яка дає переведення діаметру відбитку в числа твердості НВ.

Діаметр кульки та навантаження установлюють в залежності від випробуваного металу, твердості та товщини його. Наприклад, при випробуванні сталі та чавуну Р = 30D² ( D = 10 мм, Р = 29420 Н ), для мідних сплавів Р = 10D²

( D = 10 мм, Р = 9806 Н).

Твердість за Брінелем вимірюють на приладі типу

ТШ – 2. Будова його наведена на рис. 2. Він має такі основні частини: станину, маховичок, підйомний гвинт, опорний столик, кульку, важіль та змінні тягарі.

Послідовність виконання роботи на приладі:

1. вибрати діаметр кульки, величину навантаження і час витримування під дією навантаження (по таблиці довідника в залежності від матеріалу і товщини виробу);

2. підготувати зразок (зачистити напильником або шліфувальним кругом);

3. встановити зразок на стіл приладу;

4. підтискати зразок до кульки за допомогою маховика;

5. включити ел. двигун, який автоматично надасть навантаження і вимкнеться в кінці дії навантаження;

6. після зупинки ел. двигуна опустити столик поворотом маховика проти годинникової стрілки і вийняти зразок;

7. за допомогою лупи виміряти діаметр відбитка;

8. по таблиці визначити твердість випробуваного матеріалу.

Рис 2. Прилад ТШ – 2 для визначення твердості по Брінелю

1 – електродвигун, 2 – редуктор, 3 – кривошип, 4 – змінні тягарі, 5 – шатун, 6, 10 – важілі, 7 – коромисло, 8, 12 – призма, 9 – серга, 11 – подушка, 13 - сигнальна лампочка, 14 – шток, 15 – пружина, 16 – вісь, 17 – обмежник, 18 – шарик, 19 – зразок, 20 – столик, 21 – маховик

Визначена твердість позначається буквами НВ – твердість за Бринелем та трьох- або чотиризначними цифрами, які показують твердість у Н/мм² : НВ 4000.

Наведений метод вимірювання твердості має наступні переваги: простота конструкції, надійність в роботі, довговічність. Але він має і ряд недоліків, основні з них такі:

1. неможливість випробування металів, які мають твердість більше НВ4500, тому що кулька буде деформуватися і результати будуть неточними;

2. неможливість вимірювання твердості тонкого поверхневого шару виробу (менше 1-2 мм), тому що кулька деформує шар металу (щоб уникнути цього товщина шару повинна бути більше глибини відбитка в 10 разів);

3. після випробування залишаються сліди на поверхні виробу.