Материаловедение. Ч.1. Лабораторный практикум

12

1

2

10

3

4

9

5

6

7

8

Рис. 2.2. Схема прибора марки ТШ-2 для измерения твердости по методу Бринелля: 1 – пружина;

2 – шпиндель; 3 – шаровой индентор; 4 – опорный столик; 5 – подъемный винт; 6 – маховик; 7 – станина; 8 – электродвигатель; 9 – сменные грузы; 10 – шатун; 11 – подвеска; 12 – основной рычаг; 13 – сигнальная лампа

Прибор смонтирован в массивной станине 7. На подъемном винте 5, перемещающемся при вращении маховика 6, установлен опорный столик 4, на котором устанавливается испытуемый образец. В верхней части станины имеется шпиндель 2, в который вставляются сменные наконечники 3 с шариками разных диаметров. Шпиндель опирается на пружину 1, предназначенную для приложения к образцу предварительной нагрузки для устранения смещений образца во время испытания. Основная нагрузка прилагается

31

через систему рычагов. На длинном плече основного рычага 12 имеется подвеска 11, на которую накладываются сменные грузы 9. Комбинацией грузов можно задать следующие нагрузки: 187,5; 250; 500; 750; 1000 и 3000 кгс. Вращение вала электродвигателя 8 посредством червячной передачи сообщается шатуну 10, при опускании которого нагрузка передается на шпиндель прибора с установленным шаровым индентором 3. Продолжительность испытания задается передвижным упором. Когда шатун 10 доходит до него, срабатывает концевой переключатель, и электродвигатель начинает вращаться в обратную сторону, вследствие чего шатун вновь поднимается, и нагрузка снимается со шпинделя. По возвращении шатуна в исходное положение электродвигатель автоматически выключается.

Контроль правильности показаний твердомера можно осуществить с помощью контрольных стальных плиток с известной твердостью, прилагаемых к прибору. Если при измерении твердости контрольной плитки полученное значение твердости отличается от истинной твердости (выгравировано на плитке) более чем на 4–5%, прибор необходимо оттарировать.

Диаметр шарового индентора и нагрузку выбирают в зависимости от испытуемого металла. Отношение d / D поддерживают в пределах 0,2–0,6. Обычно при испытании стали и чугуна устанавливают шарик диаметром D = 10 мм и нагрузку Р = 3000 кгс; при испытании большинства конструкционных сплавов цветных металлов D = 10 мм и Р = 1000 кгс и при испытании мягких металлов и некоторых их сплавов (алюминий, цинк, олово и др.) D = 10 мм, Р = 250 кгс. Толщина образца b должна существенно превышать глубину отпечатка.

Точность определения твердости сильно зависит от точности измерения диаметра отпечатка, поэтому рекомендуется использовать инструментальный микроскоп с ценой деления не менее 0,01 мм, а также обеспечивать достаточно высокое качество поверхности образца. Количество отпечатков, как правило, должно быть не менее 5, что позволяет оценить доверительный интервал.

32

Если основная нагрузка равна 1392 Н, то твердость определяется по шкале С и записывается с буквенным обозначением НRС, например 50 HRC.

Для обеих шкал число твердости определяется по формуле HRC (HRA) = 100 – е,

где е = h – h0 / 0,002 (0,002 мм – цена деления шкалы индентора твердомера Роквелла); h – глубина вдавливания под действием основной нагрузки.

При использовании в качестве индентора стального шарика Р0 = 98 Н, Р1 =882 Н и Р = 980 Н число твердости определяется по шкале В и записывается НRВ, например 50 НRВ. В этом случае НRВ = 130 – е. Ценность метода в том, что в заводских условиях достигается высокая производительность испытаний (число твердости считывается прямо со шкалы прибора).

На рис. 2.4 приведена схема прибора ТР 5006. Как и в ранее рассмотренных твердомерах, передача усилий к испытательному наконечнику 4 происходит посредством рычажной системы. Подъем и опускание рычагов с грузами осуществляется рукояткой 7. В верхней части прибора имеется цифровой индикатор 5 для замера глубины отпечатка.

Порядок работы на приборе следующий. В зависимости от материала образца выбирают и устанавливают индентор 4 (алмазный конус или шарик) и необходимую нагрузку (шкалу твердости) переключателем 6. Образец устанавливают на столик 3 и плавно вращают маховик 2 до тех пор, пока индентор не окажется вдавленным в образец предварительной нагрузкой Р0 = 10 кгс. Этот момент будет достигнут, когда большая стрелка индикатора 5 совместится с нулем, а малая – с черной риской. Точную установку нуля производят вращением ручки на передней панели прибора. После этого нажимают рукоятку 7 и прибор автоматически в течение 3–6 с производит нагружение. Через 1–3 с после остановки большой стрелки снимают нагрузку, затем плавно переводят рукоятку в начальное положение и считывают число твердости.

34

5

4

3

6

2

1

7

Рис. 2.4. Внешний вид прибора типа ТР 5006 для измерения твердости по Роквеллу: 1 – станина;

2 – маховик; 3 – столик; 4 – испытательный наконечник; 5 – цифровой индикатор; 6 – переключатель нагрузки; 7 – рукоятка

Проверка твердомеров производится по контрольным плиткам с известной твердостью, как и прибора для измерения НВ.

Универсальные твердомеры

Помимо специализированных твердомеров в настоящее время широко распространены твердомеры универсальные, предназначенные для определения твердости по Бринеллю и Роквеллу. Современные модели отличаются простотой в управлении и, что особенно характерно, автоматизацией испыта-

35

ния. На рис. 2.5 приведен внешний вид универсального цифрового твердомера модели 930 фирмы Wolpert (Нидерланды).

Отличительной особенностью этого прибора является наличие пульта управления 3, состоящего из клавиатуры и дисплея, на который выводится информация по процедуре и результатам испытания. С помощью пульта управления можно задавать различные параметры испытания (метод, нагрузка, время выдержки и др.), сохраняя их в отдельные программы. Цифровой штангенциркуль 5 предназначен для автоматического определения размеров отпечатка.

После включения твердомера штангенциркуль смыкают в нулевое положение и нажимают специальную клавишу, находящуюся над ручкой раскрытия штангенциркуля. Далее на пульте управления выбирают метод определения твердости путем нажатия соответствующей кнопки, а также программу испытания. Там же нажатием кнопки LIGHT включают осветитель 8 для проецирования поверхности образца на экран 6. Сам образец устанавливают на испытательном столике 3 и, вращая маховик 10, поднимают винтовой шпиндель 2 до тех пор, пока поверхность образца не окажется резко сфокусированной на экране прибора. Для поддержания расстояния между объективом 9 и образцом и для защиты объектива от повреждений предусмотрено зажимное устройство 4. Начинают испытание путем нажатия клавиши START на пульте управления 7. Далее индентор 9 автоматически устанавливается в рабочее положение и производится нагружение. В случае определения твердости по методу Роквелла непосредственно в конце процедуры испытания значение твердости отображается в цифровом виде на дисплее пульта управления. В случае измерения по Бринеллю после заданного времени выдержки нагрузка снимается, и индентор возвращается в исходное состояние – объектив устанавливается над образцом, при этом на экране 6 отображается проекция отпечатка. Затем с помощью штангенциркуля проводят измерение длин двух диагоналей (или диаметров) отпечатка. Для этого перемещают измерительные метки штан-

36

генциркуля в два противоположных угла отпечатка таким образом, чтобы они располагались в точности под прямым углом к подлежащей измерению диагонали. Затем нажимают на клавишу подтверждения на штангенциркуле. Эту же процедуру повторяют для измерения второй диагонали. После завершения процедуры измерения значение твердости отображается на пульте управления. В приборе имеется возможность проводить серии измерений, для чего осуществляется автоматический расчет среднего арифметического значения и погрешности.

10

1

Рис. 2.5. Внешний вид универсального твердомера модели 930 фирмы Wolpert: 1 – аварийный выключатель;

2 – винтовой шпиндель; 3 – испытательный столик;

4 – зажимное устройство; 5 – цифровой штангенциркуль; 6 – экран; 7 – пульт управления; 8 – осветитель;

9 – поворачивающийся блок с индентором и объективом;

10 – маховик

Статические испытания на растяжение

Испытание на одноосное растяжение (ГОСТ 1497–84) является основным источником информации о характеристи-

37

ках прочности и пластичности металлических материалов. Используют плоские и цилиндрические образцы (рис. 2.6), головки которых вставляют в захваты разрывной машины, но чаще всего – цилиндрические образцы (их называют также круглыми). Плоские образцы применяют главным образом для оценки свойств листового материала.

l0

l

L

Рис. 2.6. Стандартный круглый образец для испытаний на растяжение

Цилиндрический образец характеризуется диаметром рабочей части d0, длиной рабочей части l, начальной расчетной длиной l0. Расчетную длину l0, которая меньше l, выбирают так, чтобы исключить влияние головок образца на результаты испытаний.

Размеры образца не влияют на результат определения относительного удлинения после разрыва, если соблюдается условие геометрического подобия образцов:

l0 / F0 = const,

где F0 – площадь поперечного сечения в рабочей части образца.

В соответствии с ГОСТом l0 = 11,3 F0 и l0 = 5,65 F0 , т.е. соответственно l0 = 10d0 и l0 = 5d0 (так называемые десятикратные и пятикратные образцы).

На рабочей длине образца l, мм, наносится расчетная длина l0. По увеличению l0 определяют удлинение образца. Наиболее широко используют образцы с диаметром на рабочей длине d0 = 6 мм и расчетной длиной l0 = 30 мм.

38

Характеристикой пластичности при растяжении является относительное удлинение d, %, которое определяется непосредственно по растянутому образцу по формуле

d= lk − l0 100, l0

где lk – длина образца после разрушения, мм.

Основным результатом испытания на растяжение яв­ ляется первичная диаграмма растяжения в координатах «нагрузка Р (сопротивление деформации) – абсолютная де­ формация Dl (удлинение)». Диаграмма растяжения описывает поведение материала образца в процессе испытания, начиная с упругой деформации и кончая разрушением. По этой диаграмме рассчитывают все основные характеристики сопротивления деформации и разрушению. Вид первичных диаграмм растяжения различен у разных материалов. На рис. 2.7 показана диаграмма растяжения образцов, разрушающихся после образования шейки в результате сосредоточенной деформации. Рассмотрим на примере этой диаграммы методику расчета характеристик прочностных свойств.

Рис. 2.7. Диаграмма растяжения пластичного образца, разрушающегося после образования шейки

39

По Рпц (точка p на рис. 2.7) определяют предел пропорциональности:

sпц = Рпц / F0.

Предел пропорциональности характеризует то на­ пряжение, до которого соблюдается закон пропорциональ­ ности между нагрузкой и деформацией. Для определения sпц параллельно оси абсцисс диаграммы растяжения проводят прямую АВ, пересекающую кривую растяжения в области упругой деформации на произвольной высоте. Прямую АВ продолжают на ВС = 0,5 АВ и через концевую точку С из начала координат проводят прямую 0C. Затем параллельно прямой 0C проводят касательную к кривой растяжения, точка касания которой р определяет значение нагрузки Рпц, по которому и рассчитывают sпц.

Точка т на кривой растяжения определяет условный предел текучести – условное напряжение, при котором остаточная деформация равна 0,2%:

s0,2 = Р0,2 / F0.

Для определения s0,2 по оси деформаций от начала координат (см. рис. 2.7) откладывают отрезок от 0 до L, равный 0,2l0 / 100, и через точку L проводят прямую, параллельную прямолинейному участку диаграммы растяжения. Ордината точки т будет соответствовать Р0,2, определяющей условный предел текучести.

По точке максимума b на диаграмме растяжения определяют временное сопротивление (условный предел прочности):

sb = Рb / F0,

где sb характеризует условное максимальное напряжение, до которого происходит равномерная пластическая де­ формация.

Для испытаний на растяжение, сжатие и изгиб предназначена машина разрывная ИР 5057-50 (рис. 2.8).

40