 |
Основные теоретические сведения
|
|
|
|
Лабораторная работа №1.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью работы является: ознакомление с методами определения твердости, выбора метода определения твердости, а так же получение навыков самостоятельно производить измерения твердости.
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Под твердостью понимают способность металла оказывать сопротивление местной пластической деформации.
В лабораторных и заводских условиях применяют различные способы определения твердости металлов для характеристики их механических свойств.
Наибольшее применение получило измерение твердости вдавливанием. Твердость металлов измеряют при помощи воздействия на поверхность металла наконечника, изготовленного из малодеформирующегося материала, имеющего форму шарика, конуса, пирамиды. В результате вдавливания с достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и в близи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток, по размеру которого и определяют твердость.
Различают два способа определения твердости вдавливания: измерение макротвердости и измерение микротвердости.
При измерении макротвердости в используемый материал вдавливается тело (наконечник) значительных размеров, поэтому полученный результат определяет среднюю твердость всего испытуемого материала, а не твердость отдельных структурных составляющих.
Измерение микротвердости применяют для определения твердости отдельных зерен, фаз и структурных составляющих.
Макротвердость измеряют по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу.
2.1. Измерение твердости по Бринеллю.
|
|
|
При определении твердости методом Бринелля в испытуемый образец вдавливают стальной закаленный шарик. Шарик вдавливают с помощью пресса под определенной нагрузкой (рисунок 1.1, а), приложенной перпендикулярно к 
поверхности образца в течение определенного времени. По величине отпечатка оставляемого шариком определяют значение твердости.
Диаметр отпечатка измеряют лупой в двух взаимно перпендикулярных направлениях (рисунок 1.1, б)и вычисляют как среднеарифметическое двух измерений. На окуляре лупы нанесена шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра.
Диаметры полученных отпечатков должны находиться в пределах от 0,2 до 0,6 диаметра шарика, в противном случае - испытание не действительно.
При измерении необходимо, чтобы расстояние от центра получаемого отпечатка до края образца было не менее диаметра отпечатка; каждое последующее измерение надо проводить на расстоянии не меньше двух диаметров от центра предыдущего отпечатка.
На поверхности испытуемого образца не должно быть окалины, грязи, краски, гальванических покрытий и т.д. При испытании шариком диаметра 2,5мм испытуемая поверхность должна быть особо тщательно отшлифована. Недопустимы наклеп и нагрев поверхности образца.
| Рисунок 1.1. Схема определения твердости по Бринеллю. |
Число единиц твердости по Бринеллю исчисляется по формуле, как частное от деления нагрузки, при которой происходит вдавливание, на площадь отпечатка, измеренного после снятия нагрузки;
 |
, (1)
где Р - нагрузка, кгс; D - диаметр шарика, мм; d - диаметр отпечатка, мм.
На практике твердость по Бринеллю не рассчитывают по приведенной формуле (1), а пользуются заранее рассчитанными по этой формуле таблицами (таблица 1.3)
Диаметр шарика и величину нагрузки для проведения испытаний выбирают по таблице 1.1
Таблица 1.1.Зависимость диаметра шарика и нагрузки от материала и толщины испытуемого образца
|
|
|
|
Толщина испытуемого образца должна быть не менее десятикратной глубины-отпечатка. На образцах с криволинейной поверхностью подготавливается площадка, ширина и длина которой должна быть не менее 2D.
Твердость по Бринеллю определяют на приборах с гидравлическим ручным приводом, либо рычажным с ручным или электрическим приводом. Описание прибора настольного типа с рычажным механизмом нагружения и электроприводом приводится в отдельном методическом пособии.
Твердость по Бринеллю при условии, когда диаметр шарика 10мм, нагрузка 3000 кгс (29 430Н) и продолжительность выдержки под нагрузкой 10 - 15 секунд, обозначается цифрами, характеризующими число твердости, и буквами НВ. Например, I75HB, где 175 - число твердости, кгс/мм 
; НВ - твердость по Бринеллю. При других условиях - после букв НВ указывают условия испытания в следующем порядке: диаметр шарика, мм; нагрузка, кгс; время выдержки под нагрузкой, секунд. Например, I75НB 5/750/20.
Измерение твердости вдавливанием стального шарика не является универсальным способом. Этот способ не позволяет испытывать материалы с твердостью более 450 НВ, измерять твердость тонкого поверхностного слоя (толщиной менее 1-2 мм); толщина измеряемого слоя или образца должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка.
2.2. Измерение твердости по Роквеллу.
Прибор измеряет глубину отпечатка алмазного конуса с углом 120° при вершине или стального шарика диаметром 1,59мм (в зависимости от используемой шкалы) или, точнее, разность между глубиной отпечатков, полученных от вдавливания наконечника под действием основной нагрузки и от вдавливания под предварительной нагрузкой.
Алмазный конус и стальной шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками (рисунок 1.2.): предварительной Р 
=10 кгс и основной
|
|
|
PI = 90 кгс для шарика (шкала В), 140 кгс для алмазного конуса при испытании очень твердая и более тонких материалов - (шкала А).
 |
Рисунок 1.2. Схема определения твердости по Роквеллу.
Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах. За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. Твердость по Роквеллу определяют по формулам:
-
|
- при измерении по шкале В HR= 130- е;
Величина е определяется по формуле:
 | |||
| |||
где h -глубина внедрения наконечника в испытуемый материал под действием общей нагрузки Р, измеренная после снятия основной нагрузки Р 
h -глубина внедрения наконечника в испытуемый материал под действием нагрузки Р .
Числа твердости по Роквеллу возрастают с увеличением твердости материала, что позволяет сравнивать твердость по Бринеллю и Роквеллу (таблица I.3).
Пределы измерения твердости (таблица 1.2) по шкалам устанавливаются следующие:
- шкала А-70-85 ед. (твердые сплавы, изделия с высокой поверхностной твердостью);
- шкала С-20-67 ед. (окончательно термообработанная сталь);
- шкала B-25-100 ед. (мягкие металлы и сплавы).
Таблица 1.2.Условия измерения по методу Роквелла
|
Твердость по Роквеллу сразу указывается по шкале прибора. Если изменяется вдавливанием алмазного конуса с общей нагрузкой 150 кгс, то значение твердости снимают по черной шкале (С) циферблата и обозначаются HRC.
Если вдавливают стальной шарик с общей нагрузкой 100 кгс, то числа твердости снимают по красной шкале (B) циферблата и обозначают HRB.
При вдавливании алмазного конуса с общей нагрузкой 60 кгс значения твердости характеризуются цифрой, указываемой стрелкой на черной шкале, но обозначаются HRA.
|
|
|
Схема прибора Роквелла и правила его эксплуатации приведены в отдельном описании.
С целью обеспечения единства измерений в стране с 01.07.1980 г. введен государственный специальный эталон и единая шкала твердости Cэ по Роквеллу. Все образцовые и рабочие средства настроены и проверяются по шкале Cэ, воспроизводимой этим эталоном, обозначают HRCэ, в отличие от обозначения HRC ранее применявшегося в промышленности. Например, если в чертеже изделия было указано «Калить 58-60 HRС», то для получения той же твердости в новом чертеже надо указать «Калить 59-61 HRCэ».
Для перевода чисел твердости HRС шкалы с Роквелла в числа НRСэ шкалы Сэ Роквелла, воспроизводимой государственным эталоном, следует руководствоваться специальной таблицей.
Твердость по Роквеллу измеряют не менее чем в трех точках, т.е. не менее чем три раза на одном образце. Для расчета лучше принимать среднее значение результатов второго и третьего измерений и не учитывать результаты первого измерения.
Расстояние между двумя отпечатками должно быть не менее 1,5мм при вдавливании конуса и 4мм при вдавливании шарика.
Толщина образца должна быть не меньше восьмикратной глубины внедрения наконечника.
Поверхность испытуемого изделия должна быть хорошо обработана (шлифована), без трещин, выбоин, грубых следов обработки. На испытуемой поверхности не должно быть изменения твердости вследствие нагрева или наклепа.
На опорной поверхности изделия не должно быть следов от предыдущих испытаний шариком или конусом.
Измерения алмазным конусом с нагрузкой 150 кгс (HRC) проводят:
- для закаленной или низкоотпущенной стали с твердостью более 450НВ, т.е. в условиях, когда вдавливание стального шарика (по Бринеллю или Роквеллу шкала B) в твердый материал может вызвать деформацию шарика;
- для материалов средней твердости (более 230 HB) как более быстрым способом определения, оставляющим, кроме того, меньший след на измеряемой поверхности, чем при испытании по Бринеллю;
- дляопределения твердости тонких поверхностных слоев, но толщиной более 0,5мм (например, цементованного слоя).
Измерение алмазным конусом с нагрузкой 60 кгс (HRA)применяют для очень твердых материалов (более HRC70) например, твердых сплавов, а также для измерения твердых поверхностных слоев (0,3-0,5мм) или тонких образцов (пластин).
Стальным шариком с нагрузкой 100 кгс твердость определяют для мягкой (отожженной) стали или отожженных цветных сплавов в деталях или образцах толщиной 0,8-2мм, т.е. в условиях, когда измерение по Бринеллю, выполняемое шариком большого диаметра, может вызвать смятие образца.
Твердость очень тонких слоев металла (толщиной менее 0,3мм) на приборе Роквелла измерять нельзя, в этом случае применяют суперроквеллы с предварительной нагрузкой 3 кгс.
|
|
|
2.3. Измерение твердости по Виккерсу.
Твердость определяют вдавливанием в испытуемый материал с полированной или шлифованной поверхностью правильной четырехгранной алмазной пирамиды с углом 136° между противоположными гранями. После снятия нагрузки с помощью микроскопа определяют длину диагонали полученного отпечатка, по которой рассчитывают число единиц твердости по Виккерсу.
Метод Виккерса позволяет определить твердость азотированных и цементированныхповерхностей, т.е. тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость, а такжетонких листовых материалов.
В обозначении твердости по Виккерсу указывается, кроме числа твердости, нагрузка и время выдержки. Например, HV30/20-420, где HV - твердость по Виккерсу; 30 - нагрузка, кгс; 20 - время выдержки, с; 420 - число твердости.
Числа твердости по Бринеллю иВиккерсу при небольшой твердости совпадают. При увеличении твердости числа твердости по Виккерсу превышают значения чисел твердости по Бринеллю. Соотношение между числами твердости, полученными на различных приборах, приведено в таблице 1.3.
ОБОРУДОВАНИЕ.
Прибор для определения твердости по Бринеллю, состоящий из пресса с электрическим приводом, комплекта стальных закаленных шариков диаметром 10 мм,5мм, 2.5мм.
Лупа для измерения диаметра отпечатка.
Штангенциркуль или микрометр.
Прибор для определения твердости по Рокквелу.
Вставки к прибору: с алмазнымконусом с углом 120° при вершине,
стальной шарик диаметром 1,59ммэ
Образцы: сталь отожженная, сталь закаленная, латунь, дюралюминий.
|
|
|
A) Основные микроэкономические показатели.
C - Мазхабы «итикади» (теоретические направления)
I уровень. Теоретические сведения
II. ВЫВОДЫ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СООБРАЖЕНИЯ
II. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ, ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА. ЖИДКОСТИ И ИХ ВИДЫ.
II. Основные теоретические положения
II. Основные теоретические положения
III. Основные требования к оформлению и выпуску типового санитарного бюллетеня
III. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ,
III. Теоретические основы.
