Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

методичка

.pdf
Скачиваний:
66
Добавлен:
22.02.2015
Размер:
1.1 Mб
Скачать

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I»

Агроинженерный факультет

Кафедра технического сервиса и технологии машиностроения

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

для выполнения лабораторных работ по дисциплине

"Материаловедение"

для студентов дневного отделения, обучающихся по:

- направлению 23.03.03 (190600) " Эксплуатация транспортнотехнологических машин и комплексов",

профиль подготовки "Автомобили и автомобильное хозяйство" - специальности 23.05.01 (190109) "Наземные транспортно - технологические средства", специализация "Автомобильная техника в транспортных технологиях"

Воронеж

2014

Составители: кандидаты технических наук, доценты кафедры технического сервиса и технологии машиностроения В.С. Науменко, В.Г. Козлов

Рецензент: кандидат технических наук, доцент кафедры тракторов и автомобилей О.М. Костиков.

Методические указания по материаловедению рассмотрены и рекомендованы к изданию на заседании кафедры технического сервиса и технологии машиностроения (протокол №14 от 24 июня 2013 г.).

Методические указания по материаловедению рекомендованы к изданию на заседании методической комиссии агроинженерного факультета (протокол №9 от 29 июня 2013 г.).

2

Лабораторная работа № 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Цель работы: изучить методику определения твердости на приборах Роквелла и Бринелля. Приобрести навыки практической работы на приборах.

Впроцессе работы необходимо изучить устройство приборов для определения твердости, выбор условий испытаний, порядок подготовки образцов к испытанию, порядок определения твердости расчетным путем и по таблице.

Оборудование и материалы: 1. Прибор типа Бринелля. 2. Прибор типа Роквелла.

3. Таблица значений твердости.

4. Образцы отожженных сталей марок 45, 60, У 7.

5. Образцы закаленных сталей.

6. Образцы серого чугуна. Теоретические сведения

Влабораторных и заводских условиях применяют различные способы определения твердости металлов для характеристики их механических свойств. Твердость металлов измеряют при помощи воздействия на поверхность металла наконечника, изготовленного из малодеформирующегося материала (закаленная сталь, алмаз, сапфир или твердый сплав) и имеющего форму шарика, конуса, пирамиды или иглы. Существует несколько способов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника. Твердость можно измерять вдавливанием наконечника (способ вдавливания), царапанием поверхности (способ царапания), ударом или же по отскоку наконечника-шарика. Твердость, определенная царапанием, характеризует сопротивление разрушению (для большинства металлов путем среза), твердость, определенная по отскоку, характеризует упругие свойства, твердость, определенная вдавливанием, характеризует пластическую деформацию.

Наибольшее применение получило измерение твердости вдавливанием. В результате вдавливания достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи его, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Особенность происходящей при этом деформации заключается в том, что она протекает только в небольшом объеме, окруженном недеформированным металлом. В таких условиях испытания возникают главным образом касательные напряжения, а доля растягивающих напряжений незначительна по сравнению с получаемыми при других видах механических испытаний (на растяжение, изгиб, кручение, сжатие). При измерении твердости вдавливанием пластическую деформацию ис-

3

пытывают не только пластичные металлы, но и металлы (например чугун), которые при обычных механических испытаниях (на растяжение, сжатие, кручение, изгиб) разрушаются хрупко, почти без заметной пластической деформации.

Таким образом, твердость - это свойство материала оказывать сопротивление контактной деформации или хрупкому разрушению при внедрении в него другого более, твердого тела (индентора). Твердость представляет собой механическое свойство металла, отличающееся от других его механических свойств способом измерения.

Наибольшее применение получили статические методы испытания на твердость: методы Бринелля, Роквелла и Виккерса. Твердость обозначается буквой "Н" и буквами, указывающими метод испытания (B, R, V – методы Бринелля, Роквелла, Виккерса соответственно). Далее ставится числовое значение. Например, НВ 145...159.

Между пределом прочности ( в) и числом твердости (НВ) существует зависимость:

сталь с твердостью:

120 …175 НВ ………………………… в ≈ 3, 4 НВ 175… 450 НВ.………………………….. в ≈ 3, 5 НВ медь, латунь, бронза:

отожженная………………………………. в ≈ 5, 5 НВ наклепанная ……………………………… в ≈ 4, 0 НВ алюминий и алюминиевые сплавы…… .. в ≈ 3, 3…3, 6 НВ

Преимущества измерения твердости следующие:

1.Между твердостью пластичных металлов, определяемой способом вдавливания, и другими механическими свойствами (например, пределом прочности) существует количественная зависимость: возрастанию твердости обычно соответствует увеличение предела прочности на сжатие. По значениям твердости можно определять также и некоторые пластические свойства металлов. Твердость, определенная вдавливанием, характеризует также предел выносливости некоторых металлов,

вчастности меди, дюралюминия и сталей в отожженном состоянии.

2.Измерение твердости по технике выполнения значительно проще, чем определение прочности, пластичности и вязкости. Испытания твердости не требует изготовления специальных образцов и выполняются непосредственно на проверяемых деталях после зачистки на поверхности равной горизонтальной площадки, а иногда даже и без такой подготовки.

3.Измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения проверяемой детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению, в то время как для определения прочности, пластичности и вязкости необходимо изготовление специальных образцов из дета-

4

ли. Поскольку при измерении твердости детали не разрушаются, то эти измерения можно применять для сплошного контроля деталей.

4. Твердость можно измерять на деталях небольшой толщины, а также в очень тонких слоях. Многие способы измерения твердости пригодны для оценки различных структур и свойств слоев металла. Например, поверхностного слоя цементированной, азотированной или закаленной стали.

Методика измерения твердости по Бринеллю Метод Бринелля (ГОСТ 9012–59 (СТ СЭВ 468 – 77)) применяют

только для мягких материалов (отожжённая сталь, графитизированные чугуны, цветные металлы и сплавы).

По этому способу в испытываемый образец под действием нагрузки P вдавливают закалённый стальной шарик. Испытание проводят на приборе Бринелля. В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка). Схема испытания приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема испытания твердости по Бринеллю

Полученный отпечаток измеряют лупой или микроскопом в двух взаимно перпендикулярных направлениях, диаметр отпечатка определяется как среднее арифметическое из двух измерений. Лупа имеет шкалу, малое деление которой равно 0,1 или 0,05 мм. Лупу нижней опорной частью надо плотно установить на испытываемую поверхность образца над отпечатком. Если лупа не имеет специальной лампочки для освещения поверхности, вырез (окно) в нижней части лупы обратить к свету. Поворачивая окуляр, надо добиться, чтобы края отпечатка были резко очерчены. Затем, передвигая лупу, надо один край отпечатка совместить с началом шкалы и прочитать деление шкалы, с которым совпадает противоположный край отпечатка. Замеры делать с 3 – кратной повторностью.

Отношение давления Р к поверхности полученного отпечатка (шарового сегмента) F дает число твердости, обозначаемое НВ:

5

НВ = Р/ F = 2P / D(D - √( D2 - d2).

Выбор формы, размеров наконечника и величины нагрузки зависит от структуры, ожидаемых свойств, состояния поверхности и размеров испытуемого образца. Если металл имеет гетерогенную структуру с крупными выделениями отдельных структурных составляющих, различных по свойствам (например, серый чугун, цветные подшипниковые сплавы), то для испытания твердости следует выбирать шарик большого диаметра.

Нагрузку (Р) выбирают в зависимости от вида материала по форму-

ле:

Ошибка! Объект не может быть создан из кодов полей редактирования.,

где К – постоянная для данного материала величина;

D- диаметр шарика, мм.

Втаблице 1 приведены данные по выбору диаметру шарика и на грузки.

Таблица 1. Выбор диаметра шарика и нагрузки в зависимости от твердости и толщины образца

Материал

Минимальная

Диаметр

Нагрузка

Время вы-

 

толщина

шарика.

 

держки

Черные

Менее 2,5 мм

2,5 мм

Р = 30 D2

 

металлы

3,0…6,0 мм

5,0 мм

10

НВ 140-450

Свыше 6,0 мм

10,0 мм

 

 

Черные

Менее 3,0 мм

2,5 мм

Р = 10 D2

 

металлы

3,0…6,0 мм

5,0 мм

10

НВ менее 140

Свыше 6,0 мм

10,0 мм

 

 

Цветные

Менее 3,0 мм

2,5 мм

Р = 10 D2

 

металлы

3,0…6,0 мм

5,0 мм

60

НВ 80-350

Свыше 6,0 мм

10,0 мм

 

 

Число твердости по Бринеллю записывается без единиц измерения В условиях производства, чтобы не прибегать к вычислениям по приведенной выше формуле, пользуются специальной таблицей, которая дает перевод диаметра отпечатка в число твердости НВ (приложение,

таблица 1).

Прибор для испытания на твердость по Бринеллю Схема автоматического рычажного пресса приведена на рис. 2.

В верхней части станины имеется шпиндель 2, в который вставляется наконечник с шариком 3. Может быть установлен один из трех наконечников с шариком диаметром 10,5 или 2,5 мм. Столик 4 служит для установки на нем испытываемого образца 5. Вращением по часовой стрелке рукоятки 6 приводят в движение винт 7, который, перемещаясь

6

вверх, поднимает столик 4, и образец 5 прижимается к шарику 3. При вращении рукоятки 6 до тех пор, пока указатель 8 не станет против риски, пружина Р сжимается до отказа, и создается предварительная нагрузка в 1,0 кН.

Рис. 2. Схема автоматического рычажного пресса для определения твердости по Бринеллю

Электродвигатель 10, который включают нажатием кнопки, расположенной сбоку пресса, приводит во вращение эксцентрик 11. При вращении эксцентрика 10 шатун 12, перемещаясь вниз, опускает рычаг 13 и соединенную с ним подвеску 14 с грузами 15, создавая этим нагрузку на шарик, который вдавливается в образец. При дальнейшем вращении эксцентрика 11 шатун 12, перемещаясь вверх, поднимает рычаг 13 и подвеску 14 с грузами 15, снимая этим нагрузку с шарика. Когда рычаг и подвеска с грузами достигнут исходного положения. автоматически дается сигнал и автоматически выключается электродвигатель. Вращением рукоятки 6 против часовой стрелки опускают столик.

2. Методика измерения твердости на приборе Роквелла

Определение твердости на приборе Роквелла имеет широкое применение, так как этот прибор позволяет испытывать мягкие, твердые, а также тонкие материалы.

Испытание проводят вдавливанием индентора под действием нагрузки в шлифованную поверхность образца. Мерой твёрдости в этом методе является глубина отпечатка.

Отпечатки от конуса или шарика очень малы, и поэтому можно испытывать готовые детали без их порчи; испытание легко выполнимо и занимает мало времени (несколько секунд); не требуется никаких измерений и число твердости читается прямо на шкале. Значения твердости

7

по Роквеллу могут быть переведены в значения твердости по Бринеллю. Условия для испытания по Роквеллу установлены ГОСТом 9013-59

(СТ СЭВ 469 – 77).

Твердость на приборе Роквелла можно измерять:

1.Алмазным конусом с общей нагрузкой 1,5 кН (150 кг). В этом случае значения твердости характеризуются цифрой, указываемой стрелкой на черной шкале С циферблата, и обозначаются НRС. Например, НRС 65 означает, что твердость материала составляет 65 единиц по Роквеллу по шкале С.

2.Алмазным конусом с общей нагрузкой 0,60 кН (60 кг). В этом случае значения твердости также характеризуются цифрой, указываемой стрелкой на черной шкале С циферблата, но обозначаются НRА.

3.Стальным шариком с общей нагрузкой 1,0 кН (100 кг). В этом случае значения твердости характеризуются цифрой, указываемой стрелкой по красной шкале В циферблата, и обозначаются НRВ.

Измерения алмазным конусом с нагрузкой 1,5 кН проводят:

– для закаленной или низкоотпущенной стали с твердостью более

450 НВ;

– для материалов средней твердости (более 230 НВ) как более быстрый способ определения, оставляющий, кроме того, меньший след на измеряемой поверхности, чем при испытании по Бринеллю;

Измерения алмазным конусом с нагрузкой 0,6 кН проводят:

для очень твердых металлов (более НRС 70), например твердых сплавов, когда вдавливание алмазного конуса с большой нагрузкой может вызвать выкрашивание алмаза;

для измерения твердых поверхностных слоев (0,3-0,5 мм) или тонких образцов (пластинок).

Измерения стальным шариком с нагрузкой 1,0 кН проводят:

– для мягкой (отожженной) стали или отожженных цветных спла-

вов;

– для деталей или образцов толщиной 0,8-2,0 мм, т. е. в условиях, когда измерение по Бринеллю, выполняемое шариком большого диаметра, может вызвать смятие образца.

Примечание: Для испытания листовых материалов, тонких деталей используется метод Супер-Роквелла, который отличается от метода Роквелла использованием малых нагрузок.

Порядок выполнения работы и содержание отчета:

1.Под руководством преподавателя ознакомиться с работой приборов Бринелля и Роквелла.

2.Привести схему испытания на твердость по Бринеллю.

3.Определить условия испытания исследуемых образцов.

8

4.Измерить твердость образцов отожженной стали с различным содержанием углерода на приборе Бринелля. Замеры делать с 3 – кратной повторностью.

5.Построить график измерения твердости в зависимости от содержания углерода.

6.Измерить твердость чугунного образца на приборе Бринелля.

7.Измерить твердость закаленных образцов на приборе Роквелла.

8.Заполнить таблицу 2.

Таблица 2. Результаты испытаний образцов

Материал

Условия

Прибор Бринелля

Прибор

Предел

Роквелла

образца

испыта-

 

 

 

 

прочности

диаметр

 

 

 

 

ния

НВ

НRС

НВ

0,34 НВ

 

 

отпечатка

 

 

 

 

1.

 

 

 

 

 

 

2.

 

 

 

 

 

 

Контрольные вопросы:

1.Что такое твердость металла, ее физическая сущность?

2.Какое значение имеет твердость при выборе материала для деталей машин и инструмента?

3.В чем принципиальное отличие определения твердости от испытания других механических свойств

4.Единица измерения твердости.

5.Обозначение твердости на чертежах.

6.Существует ли корреляция между значениями твердости и прочности?

7.По какой шкале измеряется твердость закаленных сталей?

8.Как проверяется правильность показания твердомеров?

Лабораторная работа № 2 ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ "СВИНЕЦ - СУРЬМА"

Цель работы: освоить методику проведения термического анализа и построения диаграмм состояния по критическим точкам, полученным экспериментально. В процессе работы необходимо изучить работу термоэлектрического пирометра и установки для определения температур кристаллизации металлов и сплавов

Оборудование и материалы:

1.Лабораторные электропечи.

2.Сплавы свинец – сурьма с различной концентрацией.

9

3.Потенциометры с термопарами.

4.Кварцевые наконечники.

5.Секундомеры.

Теоретические сведения

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение фазового состава сплавов данной системы в функции температуры и химического состава сплавов. Диаграмму состояния строят в координатах температура – химический состав сплава. Для экспериментального построения диаграммы состояния сплавов необходимо иметь серию сплавов с различным содержанием компонентов. Для каждого сплава экспериментально определяют критические точки. Критические точки – это температуры, при которых в сплавах происходят фазовые превращения. Полученные значения температуры (критические точки) откладывают на вертикальных линиях в соответствии с химическим составом сплавов. Соединяя критические точки, получают линии диаграммы состояния.

Одна из простейших диаграмм состояния приведена на рис. 1. Линия ликвидус – геометрическое место всех точек, которые определяют температуру начала кристаллизации сплавов ("ликва" по – латыни означает жидкий), а линия солидус – геометрическое место точек, определяющих температуру конца кристаллизации сплавов ("солид" – твердый)

а)

б)

Рис. 1. Кривые охлаждения (а) и диаграмма состояния сплавов (б)

Известно, что любое изменение состояния металлов и сплавов (фазовые или структурные) вызывает изменение энтальпии, а потому должно сопровождаться тепловым эффектом – выделением или поглощением тепла. Таким образом, если при нагреве или охлаждении удается зафик-

10