Лабораторная работа № 2 Изучение механических свойств конструкционных материалов

Цель работы, изучить основные механические свойства конструкционных материалов и методы определения твёрдости.

Для характеристики технических материалов используют их физические, химические, технологические и механические свойства.

Механические свойства материалов характеризуют их поведение под воздействием разных нагрузок. Особенности строения материала, обнаруживаемые каким-либо методом исследования и определяемые агрегатным состоянием, называются структурой и характеризуют его конструктивную прочность. Механические свойства металлов опреде.яют их способность сопротивляться прилагаемым усилиям.

К таким свойствам относятся прочность, упругость, пластичность, твердость, хрупкость, вязкость, износостойкость.

Механические свойства материалов определяют при статических и динамических условиях нагружения.

В условиях статического нагружения происходит медленное, плавное нарастание прилагаемой нагрузки.

Динамические испытания характеризуются резким приложением максимальной нагрузки.

Наиболее часто определяют твердость материалов благодаря быстроте и простоте метода, а также возможности проведения испытания на готовых деталях без их разрушения. По величине твердости можно судить о других механических свойствах металлов: прочности, износостойкости.

Твердость — это свойство материалов сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела определенной формы и размеров, не получающего остаточной деформации.

Определение твёрдости относится к методам неразрушающего контроля механических свойств материала при статической нагрузке. Твердость оценивают по сопротивлению материалапроникновению в него при статической нагрузке инородного тела правильной геометрической формы, имеющего эталонную твердость. 1 [рпменяются следующие методы определения твердости: вдавливания (наиболее распространен), царапания, отскакивания (прибор Шора).

МЕТРА ВААВЛИВ АНИЯ

Вдавливание эталонного тела в испытуемый образец выполняется на специальных приборах. Наиболее широко используются приборы Бринелля, Роквелла, Виккерса (названы по фамилиям авторов методов измерения твердости). Все твердомеры работают по схемам, представленным на рисунке 2.1.

а — по Бринеллю; б— по Роквеллу; в — по Виккерсу; D — диаметр образца; d — диаметр отпечатка; Рр Р- предварительная и основная нагрузка;

b0, b — глубина отпечатка после действия предварительной и основной нагрузки.

Рисунок 2.1 — Схемы определения твёрдости

Способ Бринелля

Твердость по этому способу определяется путем вдавливания стального закаленного шарика определенного диаметра (D) в испытуемую поверхность под действием заданной нагрузки (Р) в течение определенного времени (рисунок 2.1 а).

Число твердости по Бринеллю обозначается НВ и определяется по формуле

р 2-Р

НВ=~ = --,<

F Tr-D-l<D-VD=-d=J

где Р — нагрузка, действующая на шарик, кге (I I);

F - площадь поверхности отпечатка, мм";

D — диаметр шарика, мм; d — диаметр отпечатка, мм.

Необходимые параметры для определения твёрдости: вид материала (твёрдые металлы, средней твёрдости, мягкие металлы); толщина образца; диаметр шарика; нагрузка; время выдержки.

К прибору прилагается комплект из трех шариков диаметром D — 2,5 мм; D — 5 мм и D = 10 мм. Диаметр шарика и прилагаемая нагрузка выбираются в зависимости от толщины испытуемой детали и предполагаемой твердости по таблице 2.1.

Таблица 2.1 — Режимы испытаний твердости по способу

Бринем^я

Толщина образца, мм

Диаметр шарика D, мм

1 [агрузка на шарик Р, кгс (Н)

Для твердых металлов

ЗОР 2

Для средней твердости 10 D 2

Для мягких металлов 2,5 D 2

Менее 3

2,5

187,5(1839)

62,5(613)

15,6(145)

От 3 до 6

5

750(7355)

250(2452)

62,5(613)

Более 6

10

3000(29421)

1000(9807)

250(2452)

Длительность выдержки под нагрузкой равна:

для твердых материалов (сталей и чугунов) — 10 с;

для материалов средней твердости (бронзы, латуни) — 30 с;

для мягких материалов (алюминия, магния) — 60 с.

Порядок определения твердости на приборе Бринелля

  • 1. Зачистить (при необходимости) образец наждачной бумагой, напильником пли шлифовальным кругом.
  • 2. Установить на рычаге заданную нагрузку.
  • 3. Установить образец (рисунок 2.2, 6) на столик 6 так, чтобы центр отпечатка располагался от края образца на расстоянии 2,5 D, а от центра соседнего отпечатка — на 4 D.
  • 4. Поджать образец к шарику, вращая маховичок 2 до срабатывания трещотки (при этом шпиндещ поднимается, сжимая пружину п создается предварительная нагрузка на шарик 100 кгс).
  • 5. Установить подвижный диск 7 в соответствии с временем выдержки (винт 8 должен быть отпущен).
  • 6. Включить электродвпгате.ь, нажав кнопку /, который через червячный редуктор, кривошипный вал и шатун отведет упор 9 от рычага с грузами 5. При этом нагрузка через систему рычагов сообщается шариковому наконечнику, что фиксируется загоранием контрольной лампочки 4. В этот момент винтом 8 зажать диск 7 на валу.
  • 8. После выдержки вращение электродвигателя автоматически переключается на обратное и упор возвращает рычаг с грузами в исходное положение.
  • 9. Снять образец, отведя стол прибора.
  • 10. Измерить диаметр отпечатка в двух взаимно перпендикулярных направлениях и взять среднее значение. Диаметр отпечатка измеряется специальным микроскопом МПБ-2 со шкалой измерения с точностью 0,1 или 0,05 мм (рисунок 2.3). Диаметр отпечатка должен находиться в пределах 0,3 D < d < 0,6 D, в противном случае испытания повторить с иным размером шарика.
  • 11. По формуле 2.1 найти значение твердости.

По методу Бринелля НВ можно приблизительно оцепить предел прочности металлических материалов с помощью ряда эмпирических зависимостей, например:

для стали

нв

для сплавов на основе меди

нв

для алюминиевых сплавов

нв

  • (2-2)
  • (2-3)
  • (2-4)

К достоинствам метода Бринелля относится также возможность проведения операции определения твердости на механически обработанной поверхности образца или машины.

любой детали

К недостаткам метода следует отнести ограничение нимости метода значением твердости поверхности около 4 500

прпмеНВ вследствие деформации шарика при большой твердости материала и необходимость пользования специальными таблицами. Кроме того, метод неприменим к образцам толщиной менее 2 мм из-за возможности их продавливания шариком.

а — общи й вид твердомера ТШ; 6 — схема твердомера ТШ; 1 - кнопка;

  • 2 — маховичок; 3 — наконечник; 4 — контро.чьная .чампочка; 5 — грузы;
  • 6 — столик; 7 — диск; 8 — винт

Рисунок 2.2 — Рвердомер Бринелля (ТШ)

— Схема измерения диаметра отпечатка

Рисунок 2.3 — Схема измерения диаметра отпечатка

Способ Роквелла

При определении твердости способом Роквелла используется прибор (рисунок 2.4, а), в котором индентор — твердыйнаконечник под действием нагрузки проникает в поверхность испытуемого металла, но измеряется при этом не диаметр, а глубина отпечатка (рисунок 2.1, 6).

а

а — внешний вид твердомера Роквелла; б — устройство прибора Роквелла;

  • 1 — рукоятка освобождения груза; 2 — груз; 3 — маховик; 4 — подъемный винт;
  • 5 — столик; 6 — наконечник прибора; 7 — образец испытуемого металла;
  • 8 - индикатор

Рисунок 2.4 — Прибор Роквелла (ТК)

Необходимые параметры для определения твёрдости: вид материала (очень твёрдые, твёрдые металлы, мягкие металлы); наконечник (для очень твёрдых и твёрдых материалов используется алмазный конус, для мягких материалов - стальной закалённый шарик диаметром 1,588 мм); нагрузка.

В таблице 2.2 приведены условия определения твердости.

Таблица 2.2 - Условия стандартного определения твердости.

I 1спытуемый материал

Применяемая шкала

Нагрузка, Н (кгс)

Обозначение твердости

Очень твердый

А черная шкала

588,4(60)

HRA

Твердый

С черная шкала

1471(150)

HRC

Мягкий

В красная шкала

980,7(100)

HRB

Порядок определения твердости на приборе Роквелла (рисунок 2.4 б)

  • 1. Подготовить образец и установить на столик 5.
  • 2. Установить необходимый груз 2 и наконечник прибора 6.
  • 3. Вращением маховика 3 прижать образец к наконечнику 6 так, чтобы маленькая стрелка индикатора остановилась против красной точки. Этим обеспечивается предварительная нагрузка на образец Р=10 кгс (для плотного соприкосновения алмаза или шарика с испытуемым материалом).
  • 4. Вращением шкалы индикатора 8 установить цифру 0 черной шкалы против большой стрелки (вращение осуществляется сектором).
  • 5. Включить электродвигатель прибора и нажатием рукоятки 1 создать нагрузку.
  • 6. После снятия нагрузки большая стрелка индикатора 8 укажет значение твердости. На каждом образце должно быть проведено не менее трех испытаний и определено его среднее значение.

Недостатки способа

Этот метод не рекомендуется применять для сплавов с неоднородной структурой (чугуны серые, ковкие, высокопрочные). Необходимость i щательной подготовки образца: создание плоскопараллельных поверхностей и шлифование рабочей поверхности образца.

Определение твёрдости по методу Роквейла широко распространено, так как иозво.яет испытывать твёрдые и мягкие металлы прямо на готовых деталях. Полученные значения твёрдости по методу Роквелла можно перевести в значения твёрдости по методу Бринелля, используя таблицу 2.3.

Способ Виккерса

При испытании на твердость по способу Виккерса (ГОСТ 2999—75) в поверхность материала вдавливается а.мазная четырехгранная пирамида с углом при вершине а — 136° (рисунок 2.1, (?)

Число твердости по Виккерсу обозначается символом HV с указанием нагрузки Р и времени выдержки под нагрузкой, причем размерность числа твердости (кгс/мм2) не ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой принимают для сталей 10—15 с, а для цветных металлов — 30 с.

Например, 450 HV10/15 означает, что число твердости по Виккерсу 450 получено при Р =10 ктс (98,1 Н), приложенной к алмазной пирамиде в течение 15 с. Преимущество метода Виккерса (рисунок 2.5) по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материалы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.

— 'Твердомеры Ъиккерса

Рисунок 2.5 — 'Твердомеры Ъиккерса

Кроме рассмотренных твердомеров в производстве применяют универсальные портативные электронные твердомеры ТЭМП-2, ТЭМП-3 (рисунок 2.6, а), предназначенные для измерения твердости разных материалов (стали, меди, алюминия, резины и др.) и изделий из них (трубопроводов, рельсов, шестерен, отливок, поковок и др.) с использованием шкал Бринелля (НВ), Роквелла (HRC), Шора (HSD) и Виккерса (НА7).

Таблица 2.3 — Соотношение чисел твердости по Бринеллю

и Роквеллу _

Твердость по

Твердость по

Твердость по

Роквеллу

Бринеллю

Роквеллу

Бринеллю

Роквеллу

Бринеллю

шкала

Д=10 мм Р=3000 кгс

шкала

Д=10 мм Р=3000 кгс

шкала

Д= 1 () мм Р—3000 кгс

С

С

В

В

HRC

Диаметр отпечатка мм

НВ

HRC

HRB

Диаметр отпечатка, мм

НВ

HRB

Диаметр отпечатка, мм

НВ

  • 72
  • 70
  • 68
  • 66
  • 64
  • 62
  • 60
  • 58
  • 56
  • 55
  • 52
  • 50
  • 49
  • 48
  • 46
  • 45
  • 43
  • 42
  • 41
  • 40
  • 39
  • 38
  • 36
  • 35
  • 2,20
  • 2,25
  • 2,30
  • 2,35
  • 2,40
  • 2,45
  • 2,50
  • 2,55
  • 2,60
  • 2,65
  • 2,70
  • 2,75
  • 2,80
  • 2,85
  • 2,90
  • 2,95 3,00 3,05 3,10
  • 3,15
  • 3,20
  • 3,25
  • 3,30
  • 3,35
  • 780 745 712 682 653
  • 627
  • 601
  • 578
  • 555
  • 534
  • 514
  • 495 477 461 444
  • 429
  • 415
  • 401
  • 388
  • 375
  • 363 352 341 331
  • 33 32 31 30 29 28
  • 27 26 25 24 23 21
  • 20 19 17 15 14 13
  • 12 И 9 8 7 6

102 101 100 99 98 97 95 94 93 92 91 90 88 87

  • 3,40
  • 3,45
  • 3,50
  • 3,55
  • 3,60
  • 3,65
  • 3,70
  • 3,75
  • 3,80
  • 3,85
  • 3,90
  • 3,95 4,00 4,05
  • 4,10
  • 4,15
  • 4,20
  • 4,25
  • 4,30
  • 4,35
  • 4,40
  • 4,45
  • 4,50
  • 4,55
  • 321
  • 311
  • 302
  • 293 285 277 269 262 255
  • 248
  • 241
  • 235
  • 229
  • 223
  • 217
  • 212
  • 207
  • 201
  • 197
  • 192
  • 187
  • 183
  • 179
  • 174
  • 86
  • 85
  • 84
  • 83
  • 82
  • 81
  • 80
  • 78
  • 77
  • 76
  • 75
  • 73
  • 72
  • 71
  • 70
  • 69
  • 68
  • 67
  • 65
  • 64
  • 63
  • 61
  • 59
  • 58
  • 4,60
  • 4,65
  • 4,70
  • 4,75
  • 4,80
  • 4,85
  • 4,90
  • 4,95 5,00 5,05
  • 5,10
  • 5,15
  • 5,20
  • 5,25
  • 5,30
  • 5,35
  • 5,40
  • 5,45
  • 5,50
  • 5,55
  • 5,60
  • 5,65 5,70 5,"5
  • 170
  • 167
  • 163
  • 159
  • 156
  • 152
  • 149
  • 146
  • 143
  • 140
  • 137
  • 134
  • 131
  • 128
  • 126
  • 123
  • 121
  • 118
  • 116
  • 114
  • 111
  • 109
  • 107
  • 105

Принцип работы твердомеров динамический, основан на определении отношения скорости удара и отскока ударника 6 (рисунок 2.6, 6) (шарика 7 диаметром 3 мм), которое преобразуется электронным блоком 1 в трехзначное число условной твердости, отображаемое па жидкокристаллическом (ЖК) индикаторе 2 (например, 462). По измеренному числу условной твердости с помощью переводных таблиц находят числа твердости, соответствующие известным шкалам твердости.

Окончательным значением измеренной условной твердости является среднее арифметическое пяти измерений. Один раз в год выпо.шяют периодическую поверку прибора, пользуясь образцовыми мерами твердости не ниже второго разряда соответствующих шкал твердости (Бринелля, Роквелла, Шора и Виккерса), соблюдая при этом нормированные условия. С помощью указанных приборов кроме твердости можно опреде-лять временное сопротивление (предел прочности на растяжение) и предел текучести.

а — общий вид твердомера; б — устройство твердомера; 7 — электронный блок;

  • 2 ЖК-нндикатор; 3 — толкатель; 4 — спусковая кнопка; 5 — датчик;
  • 6 — ударник; 7 — шарик; 8 — опорное кольцо; 9 — испытываемая поверхность изделия

Рисунок 2.6> — Универсальный портативный электронный твердомер ТЭМП-З

Порядок определения твердости на приборе ТЭМП-3 (рисунок 2.6 б)

Для измерения твердости этим методом прибор подготавливают следующим образом. Толкателем 3, расположенным на электронном блоке 1, заталкивают шарик 7, находящийся в датчике 5, в цанговый зажим и одновременно взводят спусковую кнопку 4, находящуюся сверху датчика 5. Далее датчик плотно прижимают опорным кольцом 8 к испытываемой поверхности 9 изделия и нажимают на спусковую кнопку 4. После соударения ударника 6 с испытуемой поверхностью изделия на ЖК-индикаторе появится результат в виде трехзначного числа условной твердости.

МЕТОД ОТСКАКИВАНИЯ

Известны другие способы испытаний металлов на твердость, например на приборе Шора и динамическим вдавливанием шарика. В тех случаях, когда твердость закаленной или закаленной и шлифованной детали необходимо определить, не оставив какого-либо следа от замера, пользуются прибором Шора, принцип работы которого основан на упругой отдаче — высоте отскока легкого ударника (бойка), падающего на поверхность испытываемого тела с определенной высоты.

Твердость па приборе Шора (рисунок 2.7) оценивается в условных единицах, (USD) пропорциона.хьных высоте отскока бойка с алмазным наконечником. Оценка приближенная, так как, например, степень упругости тонкой пластинки и массивной детали большой толщины при одинаковой твердости будет разной. Но, поскольку прибор Шора портативен, его удобно применять для контроля твердости значительных но размерам деталей.

Для ориентировочного определения твердости очень больших изделий (например, вал прокатного стана) можно использовать ручной прибор Польди (рисунок 2.8), действие которого основано на динамическом вдавливании шарика.

— Твердомеры Шора

Рисунок 2.7 — Твердомеры Шора

а 6

а — устройство, б — общий вид прибора; 1— молоток; 2 — боек; 3 — обойма;

4 — эталонная пластина; 5 — проверяемая деталь; 6 — шарик; 7 — пружина.

Рисунок 2.8 — Прибор Польди

Порядок определения твердости на приборе Польди (рисунок 2.8, а)

В специальной обойме 3 находится боек 2 с буртиком, в который упирается пружина 7. В щель, находящуюся в нижней части обоймы 3, встав.мнотся стальной шарик 6 и эталонная пластина 4 с известной твердостью. При определении твердости прибор устанавливают на проверяемую деталь 5 в месте измерения и по верхней части бойка 2 ударяют молотком 1 со средней силой один раз. После этого сравниваются размеры отпечатков лунок на проверяемой детали 5 и эталонной пластине 4, полученных одновременно от шарика при ударе по бойку. Далее по специальной таблице опреде.яют число твердости испытуемого изделия.

МЕТОД ЦАРАПАНИЯ

Наряду с твердомерами в производстве для определения твердости материала используют тарированные напильники. С их помощью контролируют твердость стальных деталей в тех случаях, когда нет твердомера пли когда площадь для измерения очень мала пли месго недоступно для индентора прибора, а также тогда, когда изделие имеет весьма значительные размеры. Тарированные напильники — это напильники с заведомо известной твердостью, изготовленные из стали У10, они бывают трехгранные, квадратные и круглые с определённой насечкой. Твёрдость испытуемого изделия определяется визуально и приблизительно по следам царапин на поверхности изделия ( принцип «твёрдый», «мягкий»).

Недостатки способа

Этот метод не даёт численного значения твёрдости.

Способ Мооса

Способ Мооса предназначен для оценки относительной твердости материалов с использованием минералогической шкалы, в которой эталонами служат определенные минералы

(таблица 2.4), расположенные в порядке возрастания твердости, с условным показателем твердости от 1 до 10 (самый мягкий тальк — 1, самый твердый а.маз — 10).

Таблица 2.4 — Минералогическая шкала твёрдости Мооса

Минерах

Характеристика твердости

11оказатель твёрдости

Цвет

Строение

тальк

легко чертится ногтем

1

от белого до серозеленого

чашуйто-крнсталлическое

гипс

чертится ногтем при большом нажиме

2

от прозрачного до бело

го п розового

зернистое или волокнисто-

крнсталлическое

кальцит

легко чертится стальным но

жом

3

прозрачный или белый

кристаллическое

плавиковый

шпат

чертится стальным ножом при небольшом

нажиме

4

прозрачный или белый

зернпсто-крнсталлическое

апатит

чертится стальным ножом при большом

нажиме

5

от белого до зеленого

зерннсто-крпсталлнческое

ортоклаз

слегка царапает

стекло

6

от светло-желтого до красного

кристаллическое

кварц

легко чертит

стекло

7

от прозрачного до фиолетового

кристаллическое

топаз

чертит стекло

8

от прозрачного до желто-красного

кристаллическое

корунд

чертит стекло

9

от голубовато-серого до красного

мелкокристаллическое

алмаз

чертит стекло

10

от прозрачного до черного

кристаллическое

Так как в эталонном ряду каждый последующий минерал царапает все предыдущие, твердость испытуемого материала оценивается но его сопротивлению царапанью эталонными минералами.

Твердость определяют следующим образом. На гладкой поверхности исследуемого образца пробуют нанести черту каждым пз минералов, указанных в шкале, начиная с самого мягкого. При этом устанавливают, какой минерал остав.шет черту (царапает образец).

Промежуточные степени твёрдости камня выражаются в виде дробей. Так, число 8 V2, относящееся к хризобериллу, означает, что он царапает топаз примерно так же, как сам царапается корундом. Гранат пироп несколько тверже кварца (7) и несколько мягче берилла (7 уД поэтому его твердость обозначается как 7 /4.

Важно помнить, что скрьггокристаллические, тонкопористые и порошковатые разности минералов обладают ложными малыми твёрдостями. Например, гематит в кристаллах имеет твердость 6, а в виде красной охры меньше 4, что говорит о практически отсутствии сцепления в тонкодиспергированной массе гематита. В целом главная масса природных соединений обладает твердостью от 2 до 6. Наиболее твердые минералы, как правило, принадлежат к окислам и некоторым (чаще всего островным) силикатам.

Наиболее широко шкала Мооса используется для характеристики твердости нсмета.одических материалов.

Последовательность выполнения работы

/. Изучить метод определения твёрдости — метод вдавливания.

  • 1.1. Изучить способ определения твёрдости на приборе Бринелля. Дать ответы на контрольные вопросы 1—4. Произвести замеры твёрдости различных образцов конструкционных материалов и результаты занести в таблицу (пример — таблица 2.5)
  • 1.2. Изучить способ определения твёрдости на приборе Роквелла. Дать ответы на контрольные вопросы 5—7. Произвести замеры твёрдости различных образцов конструкционных материалов п результаты занести в таблицу (пример — таблица 2.6)

Таблица 2.5 — Результаты измерения по методу Брине.лкя

Матерпа. образца

Режимы испытаний

Результаты испытаний

толщина образца

диаметр шарика, D, мм

нагрузка

Р, к ГС

(Н)

время выдержки, t, сек

диаметр отпечатка, d, мм

НВ

Таблица 2.6 — Результаты измерения по методу Роквелла

Матерна.! образца

Режимы 1 (спытаннй

Результаты испытаний

шкала

вид наконечника

нагрузка Р, кге (Н)

HRA

HRB

HRC

  • 1.3. Познакомиться со способом определения твёрдости по методу Виккерса. Дать ответы на контрольные вопросы 8-9.
  • 2. Изучить метод определения твёрдости— метод отскакивания. Нить ответ на контрольный вопрос / 0.
  • 3. Изучить метод определения твёрдости — метод царапания. Дать ответы на контрольные вопросы И-12.

Вопросы для контроля

  • 1. Что такое твердость? Методы определения твердости?
  • 2. Как определяется твердость по Бринеллю?
  • 3. От чего зависит выбор диаметра шарика, нагрузки, времени, выдержки?
  • 4. Недостатки способа Бринелля?
  • 5. Как определяется твердость по методу Роквелла?
  • 6. Когда применяется стальной шарик D — 1,588 мм?
  • 7. Недостатки прибора Роквелла?
  • 8. Сущность метода Виккерса?
  • 9. Когда применяется алмазная четырехгранная пирамида?
  • 10. Сущность метода отскакивания?
  • 11. Сущность метода царапания?
  • 12. Для измерения твёрдости каких материалов применяется метод Мооса?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >