Методичка твердость

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

КАФЕДРА 104 «ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ»

УТВЕРЖДАЮ И.о. заведующего кафедры 104

Денискина А.Р. « » 2024 г.

Дисциплина

«Методы и средства измерений, испытаний и контроля»

Тема

«Исследование влияния дефектов на твердость образца»

Учебное время ___ часа

2

1 Цель работы

1.Изучить основные методы измерения твердости (Роквелла, Бринелля, Виккерса), включая их принципы действия и области применения.

2.Понять принципы работы каждого метода, а также их возможности и ограничения применительно к различным материалам.

3.Научиться выбирать подходящий метод измерения твердости в зависимости от материала и требований к контролю, опираясь на понимание преимуществ и недостатков каждого метода.

4.Освоить методику проведения измерений твердости одним из изученных методов, включая подготовку образцов, калибровку приборов и проведение измерений.

5.Научиться анализировать и интерпретировать результаты измерений, сравнивать их с требованиями конструкторской документации (КД) и делать выводы о соответствии материалов заданным критериям.

2 Материальное обеспечение

1. Твердомер:

Универсальный стационарный твердомер с набором сменных инденторов и грузов для методов Роквелла, Бринелля и Виккерса.

2. Эталонные образцы:

Набор эталонных образцов для калибровки твердомера по методам Роквелла, Бринелля и Виккерса.

3. Исследуемые образцы:

Набор образцов из различных материалов (сталь, алюминий, латунь, пластик и т.д.) с известной маркировкой.

4. Техническая документация:

Чертежи или технические условия (ТУ) на материалы с требованиями к твердости.

5.Инструменты для подготовки образцов:

Обезжиривающий раствор.

Салфетки/ветошь.

Шлифовальная бумага различной зернистости.

6.Измерительные инструменты:

Линейка.

Штангенциркуль.

7.Компьютерное оборудование:

Компьютер с программным обеспечением для обработки данных (например, Microsoft Excel).(Наличие ПК носит рекомендательный характер)

8.Сопутствующие материалы:

Инструкции по эксплуатации твердомера.

Инструктаж по технике безопасности.

3

3 Задание на работу

1.Изучить краткие теоретическиесведения по методамизмерения твердости (Роквелла, Бринелля, Виккерса) и схематично описать в протоколе лабораторной работы.

2.Ознакомиться с принципом работы универсального твердомера и методиками измерения твердости каждым из методов.

3.Подготовить протокол лабораторной работы (группа, ФИО).

4.Подготовить таблицу «Сведения об используемом оборудовании», включив туда сведения о твердомере и эталонах.

5.Изучитьтребованияктвердостиматериалов,указанныхвтехническойдокументации (чертежах, ТУ) на исследуемые материалы.

6.На основании конструкторской документации (КД) выбрать шкалу твердости (HRA, HRB, HRC) для измерения и контроля твердости на исследуемых образцах.

7.Определить допуски на твердость для исследуемых материалов, если они указаны в технической документации.

8.Определить допускаемую погрешность измерений твердости (Методику расчета см.

п.6).

9.Получить допуск к самостоятельной работе после инструктажа по технике безопасности.

10.Изучить и провести калибровку твердомера по инструкции (Пункт 4.3.1, Приложение 2, Руководство по эксплуатации - раздел 9), используя одну из 3 разных шкал твердости. Занести результаты в протокол лабораторной работы (Этап 1).

11.Получить образцы изделий для определения твердости.

12.Выбрать наиболее подходящий метод измерения твердости для исследуемого материала и обосновать свой выбор.

13.Выбрать наиболее подходящую нагрузку на материал. Обосновать свой выбор. 14.Провести сравнительный анализ полученных изделий с эталонным

изделием и определить класс шероховатости поверхности, зафиксировать дефекты (Этап 2). 15.Провести измерения твердости имеющегося образца выбранным

методом (образец 1-3).

16.Обработать результаты измерений твердости для образца, включая расчет средних значений, СКО и погрешностей.

17.Учитывая информацию из Приложения 3, провести анализ соответствия полученных результатов требованиям КД и сделать выводы о соответствии материалов.

18.Оформить отчет по лабораторной работе «Определение твердости различными методами и контроль соответствия требованиям конструкторской документации (КД)».

19.Защитить отчет по лабораторной работе у преподавателя (ответить на вопросы преподавателя по теоретической части и по выполненным практическим заданиям).

4

4 Краткие теоретические сведения

4.1 Основные сведения о твердомере 4.1.1 Назначение и принцип действия

Твердомер – это измерительный прибор, предназначенный для количественного определения твердости материалов. Твердость, в свою очередь, является важной физикомеханической характеристикой материала, которая определяет его способность сопротивляться пластической деформации или проникновению другого, более твердого тела. Этот показатель напрямую влияет на такие свойства, как износостойкость, прочность, долговечность и пригодность материала для конкретных применений.

Принципиальная схема устройства твердомера 1-Индентор 2-Исследуемый образец 3-Предметный столик 4-Регулировочное колесо

5-Грузики для регулировки усилия

6-Станина твердомера

5

Принцип действия твердомеров основан на создании на поверхности исследуемого материала отпечатка (углубления) посредством вдавливания специального наконечника — индентора. Индентор имеет определенную форму (сферическую, коническую, пирамидальную и т.д.) и изготавливается из высокотвердого материала (например, алмаз, карбид вольфрама или закаленная сталь). В процессе измерения к индентору прикладывается нормированная сила (нагрузка), под воздействием которой он проникает в материал.

Методы измерения твердости различаются по типу индентора, величине прикладываемой нагрузки и способу измерения параметров отпечатка. В зависимости от выбранного метода, измеряют глубину проникновения индентора, диаметр или площадь отпечатка, или другие геометрические параметры, которые затем преобразуются в числовое значение твердости.

В данной лабораторной работе мы рассмотрим наиболее распространенные методы измерения твердости: методРоквелла,метод Бринелля иметодВиккерса,которыеотличаются типом индентора, величиной нагрузки и способом обработки результатов.

6

4.1.2Устройство, характеристики и свойства

4.1.2.1Общее устройство твердомера

Твердомер ИТБРВ-187,5-М, используемый в данной лабораторной работе, представляет собой стационарный прибор, предназначенный для измерения твердости металлов по методам Бринелля, Роквелла и Виккерса. Конструктивно твердомер состоит из следующих основных узлов:

Механизм нагрузки и разгрузки: обеспечивает приложение и снятие нагрузки на индентор.

Аналоговая измерительная система: для определения твердости по методу Роквелла используется аналоговая стрелочная шкала.

Оптическая измерительная система: для измерения отпечатков по методам Виккерса и Бринелля используется оптическая система с увеличением 37,5х и 75х, с окулярным микрометром, цена деления которого 0,004 мм и 0,002 мм, соответственно.

Механизм перемещения предметного стола: обеспечивает вертикальное и горизонтальное перемещение образца для точного позиционирования.

Панель времени: Электронная панель для установки времени выдержки нагрузки.

Грузовая подвеска: С вилочным механизмом выбора нагрузки.

Система освещения: Два вида осветителей - внутренний и внешний (кольцевой).

Кнопка аварийной остановки: для немедленной остановки работы прибора в случае необходимости.

7

4.1.2.2 Основные характеристики твердомера ИТБРВ-187,5-М

Твердомер соответствует требованиям ГОСТ 23677, МРСЕ.441118.016ТУ и предназначен для измерения твердости металлов по методам Бринелля, Роквелла и Виккерса в соответствии с ГОСТ 9012, 9013, 2999, ISO 6507-2. Основные технические характеристики прибора:

Модель: ИТБРВ-187,5-М

Максимальная испытательная нагрузка: 187,5 кгс

Методы измерения: Роквелл (шкалы HRA, HRB(W), HRC), Бринелль (HB), Виккерс

(HV).

Диапазон измерений твердости:

•Роквелл: от 70 до 93 HRA, от 25 до 80 вкл. HRВ(W), св.80 до 100 вкл. HRВ(W), от 20 до 35 вкл. HRC, св.35 до 55 вкл. HRC, св.55 до 70 вкл. HRC.

•Бринелль: от 8 до 450 HB

•Виккерс: от 8 до 2000 HV

Основные испытательные нагрузки:

•Роквелл: 588,4 Н (60,0 кгс), 980,7 Н (100,0 кгс), 1471,0 Н (150,0 кгс)

•Бринелль: 306,0 Н (31,2 кгс), 612,9 Н (62,5 кгс), 980,7 Н (100,0 кгс), 1839,0 Н (187,5 кгс)

•Виккерс: 294,2 Н (30,0 кгс), 980,7 Н (100,0 кгс)

Предварительная испытательная нагрузка (Роквелл): 98,07 Н (10,0 кгс)

Пределы допускаемой относительной погрешности основных испытательных нагрузок: ±0,5% для Роквелла, ±1,0% для Бринелля и Виккерса.

Пределы допускаемой относительной погрешности предварительной нагрузки:** ±2,0%

Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерения твердости:

•Роквелл: от ±1,0 до ±3,0 ед.тв в зависимости от шкалы

•Бринелль: ±3,0 %

•Виккерс: ±3,0 %

Время выдержки: от 1 до 99 секунд.

Максимальное расстояние от стола до наконечника: 200 мм (Роквелл), 180 мм (Бринелль, Виккерс).

Расстояние от центра отпечатка до стенки твердомера: не менее 160 мм.

Увеличение оптической системы: 37,5х; 75х

Увеличение объектива/числовая апертура 2,5х/0,07; 5х/0,10

Увеличение окуляра: 15х

Номинальная цена деления микрометра: 0,004 (увеличение 37,5х); 0,002 (увеличение

75х)

Источник питания: 220±22 В / 50 Гц.

Потребляемая мощность: не более 400 Вт.

Габаритные размеры: 520×220×700 мм.

Масса: не более 85 кг.

8

4.1.2.3 Свойства твердомера ИТБРВ-187,5-М

Твердомер ИТБРВ-187,5-М разработан с учетом требований к точности, надежности и безопасности измерений. К его основным свойствам относятся:

Стационарное исполнение, обеспечивающее устойчивость и жесткость конструкции.

Механизированный рабочий цикл испытания с электроприводом автоматического приложения основной нагрузки.

Возможность работы по методам Роквелла, Бринелля и Виккерса, что расширяет область применения.

Наличие оптической системы измерения отпечатков по методам Виккерса и Бринелля, обеспечивающей точность измерений.

Определение значения твердости по методу Роквелла по аналоговой стрелочной шкале.

Наличие грузовой подвески с вилочным механизмом выбора нагрузки.

Механизм регулировки высоты стола и горизонтального перемещения «Кареткасалазки» для удобства позиционирования образца.

Электронная панель времени для точной выдержки нагрузки.

Два вида осветителей для улучшения видимости области измерения.

Наличие кнопки аварийного останова для безопасной эксплуатации.

Соответствие требованиям ГОСТ 23677, МРСЕ.441118.016ТУ, что гарантирует качество и надежность прибора.

9

4.2Методы измерения твердости

4.2.1Историческая справка

Интерес к определению твердости материалов возник в глубокой древности, когда люди столкнулись с необходимостью сравнивать свойства различных камней и металлов для изготовления инструментов, оружия и других предметов. Однако систематическое изучение и измерение твердости началось значительно позже.

Шкала Мооса (1812): Одним из первых подходов к сравнительной оценке твердости стала шкала Мооса, предложенная немецким минералогом Фридрихом Моосом. Эта шкала является качественной и основана на способности одного минерала царапать другой. Минералы располагаются в шкале по возрастанию твердости от 1 (тальк) до 10 (алмаз). Шкала Мооса была важна для минералогии и геологии, но она не предоставляла количественных данных и не подходила для технических целей.

Метод Бринелля (1900): В начале XX века, с бурным развитием промышленности и машиностроения, возникла потребность в количественных методах определения твердости материалов. Шведский инженер Юхан Август Бринелль предложил метод, основанный на вдавливании стального шарика в поверхность материала с определенной нагрузкой. После снятия нагрузки измерялся диаметр отпечатка, и твердость определялась по эмпирической формуле. Метод Бринелля стал первым стандартизированным методом измерения твердости и был широко распространен для контроля качества металлов.

Метод Роквелла (1908): Метод Роквелла, разработанный австрийским инженером Людвигом Роквеллом, стал более удобной и быстрой альтернативой методу Бринелля. Метод Роквелла отличается от метода Бринелля использованиеминденторовразных форм (алмазный конус или стальной шарик) и измерением глубины вдавливания, а не диаметра отпечатка. Метод Роквелла также позволяет использовать разные нагрузки и шкалы, что позволяет измерять твердость различных материалов, включая закаленные стали, мягкие металлы и полимеры.

Метод Виккерса (1921): В 1921 году британские инженеры Роберт Смит и Джордж Э. Сандленд предложили метод Виккерса, в котором в качестве индентора используется алмазный наконечник в форме четырехгранной пирамиды. Метод Виккерса позволяет измерять твердость на малых участках поверхности и подходит для широкого спектра материалов, включая тонкие покрытия, закаленные стали и керамику. Измерение твердости проводится путем измерения диагоналей отпечатка, и твердость рассчитывается по формуле. Метод Виккерса также считается одним из наиболее точных методов измерения твердости.

Дальнейшееразвитие: Развитие методов измерения твердости не остановилось на этих основных методах. В XX и XXI веках были разработаны новые методы, включая методы микротвердости, ультразвуковые методы, а также методы измерения твердости при высоких и низких температурах. Современные твердомеры оснащаются электронными системами сбора и обработки данных, что повышает точность и скорость измерений.

10