Лабораторная работа № 1
Определение твердости металлов методами вдавливания.
1.1. Учебные цели:
Произвести испытание по определению твердости.
Исследовать зависимость твердости стали от содержания в ней углерода.
Научить студентов методам анализа полученных результатов.
1.2. Учебные вопросы:
Определение твердости методом Бринелля.
Определение твердости методом Роквелла
Исследование влияния углерода на твердость стали.
1.3.Учебно-справочные материалы определения твердости.
Под твердостью понимается сопротивление, оказываемое внедрению в материал другого, более твердого тела.
Твердость конструкционных и инструментальных материалов в большинстве случаев определяется методом вдавливания в них специальных наконечников (инденторов). Чем глубже наконечник проникает в материал, тем твердость этого материала меньше.
Наконечники изготавливаются из малодеформирующихся материалов (закаленная сталь, алмаз, твердые сплавы). Их форма и размеры стандартизированы. Стандартизированы также сила и время вдавливания.
Испытания на твердость получили широкое применение благодаря простоте, быстроте и портативности оборудования. Жестких требований к форме используемых образцов не предъявляется. Они изготавливаются так, чтобы их рабочая поверхность могла быть установлена перпендикулярно оси наконечника. Для выполнения этого условия часто используются различной формы приспособления, входящие в комплект твердомеров. В последние годы широкое применение нашли переносные твердомеры, с помощью которых можно определять твердость материалов непосредственно на крупногабаритных изделиях.
Наибольшее распространение для определения твердости материалов получили методы Бринелля и Роквелла.
Определение твердости методом Бринелля
Схема испытаний при определении твердости методом Бринелля приведена на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Схема испытаний по методу Бринелля
Стальной шарик диаметром D, силой P вдавливается в образец в течение времени τ. В результате на образце образуется сферический отпечаток (лунка) диаметром d.
Характеристикой твердости является число твердости, которое определяется по формуле и обозначается НВ:
HB = P/F,
где F – площадь поверхности отпечатка (шарового сегмента).
Если поверхность отпечатка выразить через D и d, то:
,
МПа (кгс/мм2).
Результаты измерений записываются: НВ2000МПа, НВ1500МПа и т.д. При использовании технической системы, единицы измерения не пишут: НВ200, НВ150и т.д.
Достоверность результатов определения твердости обеспечивается правильным выбором условий испытаний (табл. 1.1).
Таблица 1.1
Выбор нагрузки и диаметры шарика
Толщина испытуемого образца, мм |
Диаметр шарика D,мм |
Нагрузка, Р |
||
Чугун, сталь |
Медь 10D2 |
Алюминий 2,5D2 |
||
>6 |
10 |
3000 |
1000 |
250 |
от 3 до 6 |
5 |
750 |
250 |
62,5 |
3 |
2.5 |
187,5 |
62,5 |
15,6 |
Диаметры
полученных отпечатков должны находиться
в пределах
.
Кроме того, боковые стороны образца не
должны заметно деформироваться. В
противном случае испытание считается
недействительным.
Испытания производятся на твердомерах типа ТШ (твердомер шариковый), которые часто называют прессами Бринелля. Схема твердомера приведена на рис. 1.2.
В верхней части станины 5 твердомера расположен шпиндель 1, в который вставляется наконечник (индентор) (2) с шариком. В нижней части станины находится винт со столиком 3, на котором устанавливается образец. При вращении маховика 4 по часовой стрелке винт перемещается вверх, поднимает столик 3 и прижимает образец к шарику 2. Грузами 7, расположенными на подвеске 8, создается необходимая нагрузка, вдавливающая шарик в образец. Величина нагрузки устанавливается подбором числа грузов. Приложение и снятие нагрузки производится автоматически с помощью электродвигателя 6, снабженного реле времени.
Рис. 1.2. Твердомер типа «ТШ»
Диаметр лунки измеряется с помощью специальной лупы, имеющей измерительную шкалу с ценой деления 0,05 мм. Измерения производятся в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Твердость определяется по среднему значению d по вышеприведенной формуле или по таблице 2 приложения.
Достоинства метода:
1. Высокая точность.
2. Линейная зависимость между НВ и σв для пластичных материалов. Приблизительно σв =НВ/3.
Недостатки метода:
1. Ограниченный диапазон испытаний. Методом Бринелля можно испытывать материалы с НВ < 4500 МПа.
2. Невозможность испытаний тонких образцов (< 2 мм).
3. Значительный диаметр отпечатка, нарушающий поверхность детали и являющийся концентратором напряжений.