ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Белгородский государственный технологический университет

им. В.Г. Шухова

А.А. Стативко, Е.В. Шопина, А.С. Кунин

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Учебное пособие для студентов заочной формы обучения

с применением дистанционных технологий специальности

270101 – Механическое оборудование и технологические комплексы предприятий строительных материалов, изделий и конструкций

Белгород 2010

УДК 620.22 (075)

ББК 30.3я7

С 78

Стативко А.А., Шопина Е.В., Кунин А.С.

С 78	Материаловедение: Учеб. пособие / А.А. Стативко, Е.В. Шопина, А.С. Кунин. – Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2010. – 72 с.

Пособие содержит описание лабораторных работ по курсу «Материаловедение». В теоретических сведениях рассмотрены свойства металлов, современные методы испытаний, процессы пластической деформации и рекристаллизации. Описана диаграмма состояния Fe-Fe₃C. Большое внимание уделено теории и технологии термической обработки. Рассмотрены основные классы сталей и чугунов.

Учебное пособие предназначено для студентов заочной формы обучения с применением дистанционных технологий специальности 270101 – Механическое оборудование и технологические комплексы предприятий строительных материалов, изделий и конструкций.

УДК 620.22 (075)

ББК 30.3я7

Белгородский государственный

технологический университет

(БГТУ им В.Г. Шухова), 2010

Содержание

Лабораторная работа №1………………………………………………4

Лабораторная работа №2………………………………………………16

Лабораторная работа №3………………………………………………24

Лабораторная работа №4………………………………………………37

Лабораторная работа №5………………………………………………45

Лабораторная работа №6………………………………………………56

Контрольные тесты…………………………………………………….70

Библиографический список……………………………………………83

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Измерение твердости металлов

Цель работы: изучить устройство приборов для определения твердости металлов, научиться пользоваться приборами по измерению твердости металлов.

Приборы и оборудование: пресс Бринелля, пресс Роквелла, отсчетный микроскоп для определения диаметра отпечатка, образцы сталей, чугунов и цветных металлов.

Краткие сведения из теории

Определение твердости является широко распространенным способом испытаний для характеристики механических свойств металлов. В настоящее время существует несколько методов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника: метод вдавливания, метод отскакивания, метод царапания. Наибольшее применение получил метод вдавливания.

Под твердостью металла при вдавливании понимается его сопротивление местной пластической деформации при контактном приложении нагрузки.

Наиболее широкое распространение в машиностроительной промышленности получили методы Бринелля, Роквелла и Викерса, благодаря их простоте и возможности производить испытания деталей без разрушения.

Определение твердости по Бринеллю

Определение твердости по Бринеллю (ГОСТ 9012-59, 22761-77) состоит в том, что при использовании специального пресса (пресса Бринелля) в испытуемый материал в течение определенного времени вдавливается нагрузкой Р стальной закаленный шарик диаметра D.

Схема испытания на твердость по Бринеллю дана на рис. 1.

В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка).

Диаметр отпечатка измеряют специальным отсчетным микроскопом МПБ-2, на окуляре которого нанесена шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра (рис. 2).

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

, кгс/мм² (н/м²),

где F=Dh.

Рис. 1. Схема определения твердости методом Бринелля

Рис. 2. Измерение диаметра отпечатка

Так как удобнее измерять не глубину отпечатка, а его диаметр, то, выражая глубину отпечатка через его диаметр d и диаметр шарика, получаем:

.

Подставив значение F получим:

, кгс/мм² (н/м²).

Таким образом, зная диаметр шарика и нагрузку, замерив диаметр отпечатка, легко определить твердость.

Для получения одинаковых значений твердости металла при разных диаметрах шариков и различных нагрузках необходимо соблюдать закон подобия P/D² = const. В этом случае угол  = const, где  – угол вдавливания. Поэтому при испытании по Бринеллю, учитывая закон подобия, а также то обстоятельство, что диаметр шарика подбирается в зависимости от толщины испытуемого образца металла, и что для металлов разных твердостей нужно прилагать разные нагрузки, применяют соотношения по ГОСТ 9012-59. Кроме того, продолжительность выдержки образца под нагрузкой должна быть строго определенной, чтобы деформация образца шариком полностью завершилась.

Перед испытанием поверхность образца, в которую будет вдавливаться шарик, обрабатывают наждачным камнем или напильником, чтобы она была ровной, гладкой и не было окалины и других дефектов. При обработке поверхности образец не должен нагреваться выше 100–150°С. Подготовка поверхности образца необходима для получения правильного отпечатка и отчетливой видимости его краев для измерения.

При выборе диаметра шарика D, нагрузки P, продолжительности выдержки под нагрузкой и минимальной толщины испытуемого образца следует руководствоваться нормами ГОСТа для испытаний по Бринеллю (табл. 1).

Таблица 1

Соотношение диаметров шарика и нагрузки при испытании металлов по методу Бринелля

Материал	Число твердости	Толщина образца, мм	Диаметр шарика, мм	Нагрузка, кгс	Выдержка под нагрузкой, с
1	2	3	4	5	6
Черные металлы	140–450	Более 6 От 6 до 3 Менее 3	10 5 2,5	3000 750 187,5	10

Окончание табл. 1

1	2	3	4	5	6
Черные металлы	До 140	Более 6 От 6 до 3 Менее 3	10 5 2,5	3000 750 187,5	30
Цветные металлы и сплавы (медь, латунь, бронза, магниевые сплавы и др.)	31,8–130	Более 6 От 6 до 3 Менее 3	10 5 2,5	1000 250 62,5	30
Цветные металлы и сплавы (алюминий, подшипниковые сплавы и др.)	3–35	Более 6 От 6 до 3 Менее 3	10 5 2,5	250 62,5 15,6	60

При указании твердости НВ иногда отмечают, при каких условиях измерялась твердость, например: НВ 140 (10/3000/10) означает, что испытание производилось шариком диаметром 10 мм под нагрузкой 3000 кгс (30000 Н) в течение 10 секунд.

При измерении твердости шариком определенного диаметра и с установленными нагрузками расчет числа твердости по формуле НВ=Р/F почти не выполняют, а пользуются заранее составленными таблицами, указывающими число НВ, в зависимости от диаметра отпечатка d и соотношения между нагрузкой Р и D² (согласно табл. 2).

Таблица 2

Твердость по Бринеллю

Диаметр отпечатка, мм d10, или 2d5, или 4d2,5	Число твердости при нагрузке Р, кгс			Диаметр отпечатка, мм d10, или 2d5, или 4d2,5	Число твердости при нагрузке Р, кгс
	30D2	10D2	2,5D2		30D2	10D2	2,5D2
1	2	3	4	5	6	7	8
2,0	945	315	78,8	3,6	285	95	23,7
2,1	856	285	71,4	3,7	269	89	22,4
2,2	780	260	65,0	3,8	255	85	21,2
2,3	712	237	59,4	3,9	241	80	20,0
2,4	653	218	54,4	4,0	229	76	19,1

Окончание табл. 2

1	2	3	4	5	6	7	8
2,5	601	200	50,2	4,1	217	72	18,0
2,6	555	185	46,3	4,2	207	69	17,2
2,7	514	171	42,9	4,3	197	65	16,4
2,8	477	159	39,8	4,4	187	62	15,5
2,9	444	148	37,9	4,5	179	59	14,9
3,0	415	138	34,6	4,6	170	57	14,2
3,1	388	129	32,3	4,7	163	54	13,6
3,2	363	121	30,3	4,8	156	52	13,0
3,3	341	114	28,5	4,9	149	50	12,4
3,4	321	107	26,7	5,0	143	47	12,4
3,5	302	101	25,2	5,1	137	45	11,4

Существует примерная количественная зависимость между числами твердости и пределом прочности:

для стали с твердостью НВ 120–175...…………………_в=0,34 НВ;

для стали с твердостью НВ 175–450..…………………._в=0,35 НВ;

для меди, латуни и бронзы отожженной..…………….._в=0,55 НВ;

для меди, латуни и бронзы наклепанной..……….……._в=0,40 НВ;

для алюминия и алюминиевых сплавов

с твердостью НВ 20–45..........................................._в=(0,33÷0,36) НВ;

для дуралюминия отожженного...………………………_в=0,36 НВ;

для дуралюминия после закалки и старения………..…_в=0,35 НВ.

Измерение твердости вдавливанием стального шарика не является универсальным способом. Этот способ не позволяет: а) испытывать материал с твердостью более НВ 450; б) измерять твердость тонкого поверхностного слоя (толщиной менее 1–2 мм), так как стальной шарик продавливает этот слой.