5. Определение твердости металлических образцов км по методу Польди

Метод Польди [4, 5], называемый также методом двойного отпечатказаключается в одновременном вдавливании индентора – стального закаленного шарика диаметром D = 10 мм в поверхность детали (или образца испытуемого материала) и в поверхность эталона. В результате получают 2 отпечатка – один на образце и второй на эталоне. Эталон представляет собой отрезок стального прутка квадратного сечения, твердость которого HB_э известна (заранее найдена методом Бринелля или Роквелла).

Для определения твердости HB материала образца или детали измеряют диаметры отпечатков d, мм на образце (детали) и на эталоне d_э, мм. Если оказывается, что d = d_э, следует вывод: HB = HB_э. Однако, наиболее вероятный результат измерений: d ≠ d_э. В этом случае делают несложный расчет. Исходя из соотношений:

HB = F ÷ S и HB_э = F ÷ S_э,

где S и S_э – площади отпечатков (см. метод Бринелля), получим

= HB_э (S_э ÷ S) = HB_э (d_э² ÷ d²)

Если d_э > d (величина дроби больше единицы), твердость испытуемого материала больше, чем твердость материала эталона и наоборот. Метод отличается простотой. Прибор Польди состоит из шести деталей: бойка, передающего при ударе молотком усилие вдавливания, крышки, корпуса, эталона, шарика и пружины, служащей для прижатия бойка к эталону. При испытаниях прибор ставят перпендикулярно поверхности испытуемого образца или детали и наносят по бойку молотком удар средней силы, в результате образуются два отпечатка: на эталоне и на образце. При слабом ударе размеры отпечатков получаются небольшими и увеличивается погрешность измерений. Для измерения диаметра отпечатков используют прилагаемое к прибору небольшое оптическое устройство со шкалой – так называемый микроскоп Бринелля, позволяющее проводить измерения с точностью до десятых долей миллиметра.

Незначительные размеры и масса прибора Польди делают этот метод незаменимым в случаях, когда требуется оценить твердость массивных крупногабаритных изделий – гребных винтов, судовых поковок и отливок – на месте, не перемещая их в лабораторию, не вырезая пробу.

Методу Польди, как разновидности метода Бринелля, присущи все преимущества и недостатки последнего, но есть весьма важное для производства преимущество – портативность и удобство пользования, что компенсирует невысокую точность измерений.

6. При выполнении лабораторной работы необходимо:

.1. получить у преподавателя прибор Польди и образец для испытаний.

.2. изучить прибор и сделать его эскиз с обозначением всех частей. Сделать другие эскизы и рисунки (см. форму отчета, Приложение № 1.7).

.3. убедиться, что на поверхности образца отсутствуют загрязнения и ржавчина. При необходимости образец очистить.

.4. поместить образец на жесткое основание.

.5. приставить прибор перпендикулярно поверхности образца, обеспечив касание шариком поверхности.

.6. нанести средней силы удар молотком по бойку.

.7. измерить троекратно диаметры отпечатков на образце d и эталоне

d_э, который для измерения отпечатка надлежит из прибора вытащить.

.8. занести результаты измерений в таблицу (см. форму отчета, Приложение № 1.7).

.9. вставить эталон в прибор так, чтобы против шарика не было старого отпечатка.

.10. повторить операции 5, 6, 7, 8, 9.

.11. найти среднеарифметические величины d и d_э.

.12. уточнив у преподавателя величину HB_э найти по приведенной выше формуле твердость HB образца.

.13. найти HB образца по таблице Приложения № 1.2 (по среднеарифметическому значению d).

.14. под руководством преподавателя произвести измерение твердости образца на приборе Роквелла (см. Приложение № 1.4).

.15. перевести найденное число твердости HRC в число твердости по Бринеллю, используя соотношение HB =10HRC.

.16. сопоставить результаты по п.п. 12, 13 и 14 и оценить погрешность при использовании метода Польди.

.17. найти предел прочности при растяжении σ_b материала образца по выражению

σ_в = к НВ (см. Приложение № 1.3).

.18. составить отчет по работе (см. Приложение № 1.7), включив в него Приложения № 1.1 и № 1.3.

7. Новые понятия – термины:

Процедура отбора

проб

Относительное удлинение

Деформация

Деформация пластическая

Деформация остаточная

Деформация упругая

Прочность

Твердость

Индентор

Предел текучести (физический) Предел прочности

Пластичность

Предел текучести условный

Упругость

Вязкость

Товарная форма

Метод Бринелля

Метод Шора

Проба

Метод УЗК

Разрывная машина

Закон Гука

Метод Виккерса

Метод Роквелла

Метод Польди

Метод царапания

Образец

Относительное сужение

Предел упругости

Ползучесть

Показатели

Хрупкость

Напряжение

8. Для защиты отчета необходимо как минимум усвоить информацию, содержащуюся в разделах данных указаний, знать ответы на все контрольные вопросы теста (см. Приложение № 1.6), знать определения всех новых терминов, усвоить обозначения, названия и размерность всех показателей механических свойств (см. таблицу, Приложение № 1.1.). Отчет по работе по содержанию и объему должен соответствовать прилагаемой форме (см. Приложение № 1.7.).

Список литературы

1. ГОСТ 1497–84. Металлы. Методы испытаний на растяжение.

2. ГОСТ 9454–78. Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах.

3. http://4108.ru/u/tverdost_-_metodyi_izmereniya_tverdosti

4. http://iron-lab.ru/opredelenie-tverdosti-po-poldi/

5. ГОСТ 18661–73. Сталь. Измерение твердости методом ударного отпечатка

6. ГОСТ 23273–78. Металлы и сплавы. Измерение твердости методом упругого отскока бойка (по Шору).

7. ГОСТ 9012–59. Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю.

8. ГОСТ 9013–59. Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу. .

9. ГОСТ 2999–75.Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу.

10.http://www.vevivi.ru/best/-Osnovnye-mekhanicheskie-kharakteristiki-materialov -ref228291.html

11. Зорин Ю.А. Материаловедение и технология конструкционных материалов. Основные термины и определения: учебн. Терминологический словарь. – Изд. 2-е, испр. и доп. – СПб.: Изд-во ГУМРФ им. адм. С.О. Макарова, 2014. –80 с.

Приложение № 1.1

Т а б л и ц а

Механические свойства конструкционных материалов

№ п/п	Наименование свойства	Наименование показателя (количественной характеристики)	Обозначение показателя	Размерность показателя
1	ПРОЧНОСТЬ (STRENGTH)	Предел прочности при растяжении Предел прочности при сжатии Предел прочности при изгибе Предел прочности при кручении Предел текучести физический Предел текучести условный	σв σсж σи στ σт σ0,2	МПа МПа МПа МПа МПа МПа
2	ПЛАСТИЧНОСТЬ (PLASTICITY)	Относительное удлинение Относительное сужение	δ (δ5 или δ10) ψ	Безразмерная величина, % Безразмерная величина, %
3	УПРУГОСТЬ (ELASTICITY)	Предел упругости	σуп	МПа
4	ТВЕРДОСТЬ (HARDNESS)	Число твердости по Бринеллю Твердость по Бринеллю Твердость по Роквеллу Твердость по Виккерсу	НВ НВ HRA, HRB, HRC HV	Безразмерная величина МПа Безразмерная величина МПа
5	ВЯЗКОСТЬ (TENACITY )	Ударная вязкость	КС	МДж / м2

Приложение № 1.2.

Т а б л и ц а

Фрагмент таблицы для определения числа твердости HB по диаметру отпечатка

при нагрузке 30 кН (числитель) и 10 кН (знаменатель), шарик ∅ 10 мм [7]

Диаметр отпечатка, мм	Число твердости	Диаметр отпечатка, мм	Число твердости
2,90	444 / –	3,45	311 / 104
2,95	430 / –	3,50	302 / 101
3,00	415 / –	3,55	293 / 97,7
3,05	401 / –	3,60	286 / 95
3,10	388 / 129	3,65	277 / 92,3
3,15	375 / 125	3.70	269 / 89,7
3,20	363 / 121	3,75	262 / 87,2
3,25	352 / 117	3,80	255 / 84,9
3,30	340 / 114	3,85	248 / 82,6
3,35	332 / 110	3,90	241 / 80,4
3,40	321 / 107	3,95	235 / 78,3

Приложение № 1.3.

Т а б л и ц а

Значения коэффициента пропорциональности «к» в эмпирической формуле σ_в = к НВ для разных КМ

Металл	Коэффициент «к»
Сталь: с твердостью НВ = 1250 – 1750 МПа с твердостью НВ > 1750 МПа Чугун Цветные сплавы: медные алюминиевые цинковые	0,343 0,362 0,12 0,55 0,26 0,09

Приложение № 1.4.

Т а б л и ц а

Фрагмент таблицы перевода чисел твердости, найденных разными методами [7]

Бринелль (HB, F=3 kH, D= 10 мм), МПа МПа	Роквелл (HRC, F= 1,5 kH), ед	Виккерс (HV), МПа МПа	Шор (HSD), ед
187	9	186	30
207	14	208	33
229	20	228	36
255	25	255	40
302	31	303	46
363	39	380	54
444	46	474	64
555	56	650	78
653	64	868	91

Примечание: Допустимо использование приближенных формул : HB ≈ 10 HRC, HB ≈ 7 HSD

Приложение № 1.5.

Порядок измерений на приборе ТК -14-250 в лаборатории

Материаловедения

1. Снять ограничитель, вставить и закрепить индентор, поставить ограничитель.

2. Установить образец (деталь) на опорный столик.

3. Вращением маховика медленно перемещать деталь к индентору и добиться положения «0» всех стрелок. При необходимости добиться положения «0» черной стрелки при помощи ручки настройки.

4. Приложить нагрузку, освободив боковую рукоятку.

5. После короткой выдержки снять нагрузку, поставив рукоятку в гнездо.

6. Сделать отсчет.

7. Сместив образец (деталь) повторить измерения (п.п. 3, 4, 5, 6) для двух других точек на поверхности детали.

8. Записать и осреднить результаты измерений.

9. Опустить опорный столик, снять деталь и индентор.

Примечание: до начала измерений установить рычагом на задней панели нужную шкалу (А, В или С).

Приложение № 1.6.

Контрольные вопросы по теме лабораторной работы

1. Пять групп свойств конструкционных материалов ( КМ ) (перечислить).

2. Пять механических свойств (перечислить).

3. Что такое деформация?

4. Упругая и пластическая деформация (объяснить разницу).

5. Что такое пластичность (дать определение и примеры).

6. s _0,2, s_в, s_т, s_сж, s_и, НV, Y, d. Какие из этих восьми величин являются:

- показателями прочности?

- показателями пластичности?

- как они читаются?

- какую имеют размерность?

7. Какая связь существует между пределом прочности при растяжении КМ и его твердостью?

8. Назвать три известных метода оценки твердости КМ вдавливанием индентора. Что используют в качестве индентора в каждом методе?

9. Назвать 2-3 способа оценки твердости, где не используется индентор.

10. Указать преимущества и недостатки оценки твердости по методу Польди.

11. Какой метод используют для определения 1) твердости закаленной стали? 2) твердости тонкого листа или тонкой пластины?

12. Что означают аббревиатуры: НВ, НRC, HRB, HV, KC?

13. Дать несколько примеров технологических свойств КМ.

14. Указать примерное соотношение чисел твердости HB и HRC.

15. Дать несколько примеров физических и эксплуатационных свойств КМ.

16. Стальной гвоздь при забивании загнулся. Гвоздь выпрямили. Какое механическое свойство демонстрирует этот случай?

17. Какие механические свойства КМ важны для следующих инструментов: 1)нож, сверло, резец, 2) кернер, зубило?

18. В результате неумелого маневрирования судно ударилось бортом о пирс, образовалась вмятина на обшивке корпуса. Какое механическое свойство материала корпуса проявилось в этом случае?

19. Какими механическими свойствами должен обладать материал для рессор, плоских пружин и торсионных валов?

20. Какие механические свойства предъявляются к материалу 1) кувалды? 2) напильника?

21. Какой параметр является аргументом (независимой переменной) при оценке эксплуатационных свойств КМ?

22. Что характеризуют технологические свойства материала?

Приложение № 1.7.

Форма отчета.

ГУМРФ им.адм. С.О. Макарова

Кафедра технической эксплуатации флота