close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

153.643 Основные механические свойства металлических материалов

код для вставкиСкачать
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет
ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
И МЕТОДЫ ИХ ОЦЕНКИ
Методические указания
к выполнению лабораторных работ по курсу «Материаловедение»
для студентов, обучающихся по направлению 190200
«Транспортные машины и транспортно-технологические комплексы»
всех форм обучения
Воронеж 2010
УДК 669.01 (075.8)
ББК 34.2
Составители
А.С. Орлов, Е.Г. Рубцова, И.Ю. Зиброва
Основные механические свойства металлических материалов
и методы их оценки: метод. указания к выполнению лабораторных работ по
дисциплине «Материаловедение» для студ. направл. 190200 / Воронеж. гос.
арх.-строит. ун-т; сост.: А.С. Орлов, Е.Г. Рубцова, И.Ю. Зиброва.- Воронеж,
2010.- 32 с.
Дается описание наиболее распространенных способов механических
испытаний металлических материалов и приводятся количественные характеристики механических свойств, которые могут быть определены при этих
испытаниях. Дана последовательность выполнения лабораторных работ раздела «Механические свойства» курса «Материаловедение»: цель работы,
краткие теоретические сведения, порядок проведения испытаний, описание
применяемых приборов и порядок оформления отчетов. Приведены справочные данные из нормативной литературы.
Предназначены для студентов, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов 190200 «Транспортные машины и
транспортно-технологические комплексы» всех форм обучения.
Ил. 8. Табл. 6. Библиограф.: 8 назв.
УДК 669.01 (075.8)
ББК 34.2
Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского
государственного архитектурно-строительного университета
Рецензент – Н.А. Барченкова, к.т.н., доц. кафедры
строительной механики Воронежского
государственного архитектурно-строительного
университета
2
ВВЕДЕНИЕ
Свойство – это количественная или качественная характеристика материала, определяющая его общность или различие с другими материалами.
Металлы и сплавы характеризуются комплексом физических, химических, механических и технологических свойств.
Физические свойства металлов и сплавов важны для самолетостроения, автомобилестроения, строительства, медицины и часто являются основными характеристиками, по которым определяют возможность использования того или иного металла или сплава:
 блеск – способность поверхности металла или сплава направленно отражать световой поток;
 плотность – масса единицы объема металла или сплава;
 температура плавления – температура, при которой металл или сплав
целиком переходит в жидкое состояние;
 электрические свойства – электрическая проводимость и электрическое сопротивление;
 магнитные свойства – магнитная проницаемость, коэрцитивная сила,
намагниченность и т.д.
Химические свойства металлов и сплавов определяют их способность сопротивляться воздействию окружающей среды.
Жаростойкость характеризует способность материала противостоять
химической коррозии, развивающейся в атмосфере сухих газов при высоких
температурах.
Коррозионная стойкость – это способность металла противостоять
электрохимической коррозии, которая развивается при наличии жидкой среды на поверхности металла и ее электрохимической неоднородности.
Технологические свойства металлов и сплавов характеризуют способность металлов и сплавов обрабатываться различными методами и позволяют определить, насколько экономически эффективно можно изготовить
изделие.
Ковкость – способность металла и сплава обрабатываться путем пластического деформирования.
Свариваемость – способность металла и сплава образовывать неразъемное соединение, свойства которого близки к свойствам основного металла
(сплава).
Обрабатываемость резанием – поведение металла и сплава под воздействием режущего инструмента.
Жидкотекучесть – способность расплавленного металла и сплава заполнять литейную форму.
Механические свойства характеризуют сопротивление материала деформации, разрушению или особенность его поведения в процессе разрушения.
3
Упругость – свойство материалов восстанавливать первоначальные
размеры и объем после снятия нагрузки. Упругость характеризуется пределом пропорциональности и пределом упругости.
Прочность – свойство материалов воспринимать, не разрушаясь, различного рода нагрузки. Прочность характеризуется пределом текучести и
пределом прочности (временным сопротивлением).
Пластичность – свойство материала под действием внешних нагрузок
изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять остаточные деформации после снятия этих нагрузок. Пластичность характеризуется относительным удлинением и сужением образца при механических испытаниях.
Вязкость – свойство материалов необратимо поглощать энергию при
их пластическом деформировании. Вязкость непосредственно не измеряется,
но косвенным показателем ее является ударная вязкость.
Хрупкость – способность твердых тел разрушаться при механических
воздействиях без заметной пластической деформации.
Твердость – это свойство металлов и сплавов оказывать сопротивление
местной пластической деформации или хрупкому разрушению в поверхностном слое при контактном приложении нагрузки.
Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в условиях трения.
Выносливость – свойство противостоять усталости. Усталость - процессы постепенного накопления повреждений в материале под действием
циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию
трещин, их развитию и разрушению. Критерии выносливости: циклическая
прочность (физический или ограниченный предел выносливости) и циклическая долговечность (число циклов, которые выдерживает материал до образования усталостной трещины определенной протяженности или до усталостного разрушения при заданном напряжении).
Жаропрочность – способность материала длительное время сопротивляться деформированию и разрушению, когда рабочие температуры деталей
превышают 0,3 tпл. Критериями жаропрочности являются предел ползучести,
предел длительной прочности, сопротивление релаксации.
Ползучесть представляет собой медленное нарастание пластической
деформации под действием напряжений, меньших предела текучести.
Механические свойства количественно определяют по результатам механических испытаний, при которых материалы подвергают воздействию
внешних сил (нагрузок). Механические испытания – определение механических свойств материалов и изделий на образцах в строго регламентированных условиях (скорость, среда, температура, время, схема приложения механической нагрузки и др.).
Классификацию механических испытаний проводят по следующим
признакам:
а) способу и времени действия нагрузки (статические, динамические,
циклические);
4
б) типу и схеме приложения нагрузки (на растяжение, сжатие, изгиб,
кручение);
в) температуре, при которой проводят испытания (при нормальной, пониженной или повышенной температуре).
Методы механических испытаний регламентированы государственными стандартами.
Нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию.
Напряжение – величина нагрузки, отнесенная к единице площади поперечного сечения испытуемого образца. Различают истинные напряжения и
условные. Истинное напряжение определяется делением действующей в определенный момент нагрузки на площадь, которую образец имеет в этот момент. Истинные напряжения в повседневной практике не определяют, а
пользуются условными, считая, что поперечное сечение образца остается неизменным, хотя на самом деле в процессе растяжения, например, она уменьшалась.
Деформация – изменение формы и размеров твердого тела под влиянием приложенных внешних сил.
В лабораторных работах данных методических указаний дается описание наиболее распространенных механических испытаний металлических
материалов, и приводятся количественные характеристики механических
свойств, которые могут быть определены при этих испытаниях.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ИСПЫТАНИЯ НА СТАТИЧЕСКОЕ РАСТЯЖЕНИЕ
1.1.
Цель работы
Изучение и освоение методики и оборудования для проведения испытаний на статическое растяжение, изучение основных количественных характеристик механических свойств, определяемых при испытаниях на статическое растяжение, и экспериментальное их определение для стальных образцов.
1.2.
Оборудование, приборы и материалы
Машина разрывная Р-5, образцы стальные цилиндрические, штангенциркуль, чертилка или кернер.
1.3.
Основные термины и определения
Рабочая длина образца l – часть образца с постоянной площадью поперечного сечения между его головками или участками для захвата (рис. 1.1).
5
Начальная расчетная длина образца lo – участок рабочей длины образца между нанесенными метками до испытания, на которое определяется удлинение (рис. 1.1).
Конечная расчетная длина образца lk – длина расчетной части после
разрыва образца.
Начальный диаметр образца do – диаметр рабочей части цилиндрического образца до испытания (рис. 1.1).
Диаметр образца после разрыва dк – минимальный диаметр рабочей
части цилиндрического образца после разрыва.
Начальная площадь поперечного сечения образца Fo – площадь поперечного сечения рабочей части образца до испытания.
Площадь поперечного сечения образца после разрыва Fк – минимальная
площадь поперечного сечения рабочей части образца после разрыва.
Предел пропорциональности пц – напряжение, которое материал образца выдерживает без отклонения от закона Гука.
Предел упругости 0,05 – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05% от первоначальной длины образца.
Предел текучести физический т – наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без увеличения нагрузки.
Предел текучести условный 0,2 – напряжение, при котором пластическая деформация образца достигает 0,2 % от рабочей длины образца l.
Предел прочности (временное сопротивление) в – напряжение, соответствующее наибольшему усилию Рmax, предшествующему разрыву образца.
Истинное сопротивление разрыву Sи- напряжение, определяемое отношением усилия в момент разрыва к минимальной площади поперечного
сечения образца после разрыва Fк.
Относительное удлинение  - отношение приращения расчетной длины
образца (lk - lo) после разрушения к начальной расчетной длине lo, выраженное в процентах.
Относительное сужение - отношение разности Fo и минимальной Fк
площади поперечного сечения образца после разрушения к начальной площади поперечного сечения образца Fo, выраженное в процентах.
1.4.
Краткие теоретические сведения
Нагрузка на образец при статических испытаниях возрастает медленно
и плавно или остается постоянной в течение длительного времени. К статическим испытаниям металлов и сплавов относятся испытания на растяжение,
сжатие, изгиб и кручение.
Методы испытаний на растяжение черных и цветных металлов и изделий из них регламентируется ГОСТ 1497-84. Испытание на растяжение является наиболее универсальным по сравнению с другими видами испытаний,
6
так как оно позволяет определять механические свойства материала на всех
стадиях его деформации (от упругой деформации до разрушения).
Размеры и типы образцов установлены ГОСТ 1497-84. Испытания на
растяжение проводят на образцах с гладкими зажимными головками (плоскими или цилиндрическими) (рис. 1.1), используя клиновые зажимные приспособления. Подготовка образцов к испытанию начинается с их контроля
(осмотр внешнего вида, оценка шероховатости их поверхности и измерение
размеров). Образцы с механическими повреждениями, заусенцами, неправильной маркировкой, а также с размерами, превышающими допустимые, к
испытанию не допускаются.
r
D1
lo
D
do
1,25
r1
Rz 80
l
h2 h1
L
Рис. 1.1. Цилиндрический образец
Испытание образцов осуществляют на серийно выпускаемых испытательных (разрывных) машинах, которые имеют три основных узла: механизм
нагружения, механизм силоизмерения и устройство для автоматической записи диаграммы растяжения – диаграммный аппарат.
Установив образец на машине и выбрав зазоры, медленно и плавно нагружают образец до момента его разрыва. Параллельно с этим записывается
диаграмма растяжения, показывающая зависимость между нагрузкой, действующей на образец, и вызываемой ею изменением длины образца. На рис.
1.2 показана диаграмма растяжения образца из стали. По оси ординат отложена нагрузка Р, Н, по оси абсцисс – удлинение образца l, мм.
На диаграмме отмечено несколько характерных участков: упругой деформации до точки В; равномерной пластической деформации от В до D и
сосредоточенной пластической деформации от D до Е. Прямолинейный участок сохраняется до точки А или нагрузки Рпц, что соответствует пределу
пропорциональности пц, который определяют по формуле
 пц 
Pпц
Fo
, МПа,
(1.1)
где Рпц – усилие, превышение которого вызывает появление остаточной деформации;
Fo – начальная площадь поперечного сечения образца.
7
Р, Н
D
Е
С
В
PE
Рт
Рпц
Руп
Рmax
А
l, мм
Рис. 1.2. Диаграмма растяжения образца
Тангенс угла наклона прямолинейного участка характеризует модуль
упругости первого рода Е.
На небольшом участке от А до В нарушается линейная зависимость
между Р и l из-за упругих несовершенств материала, связанных с дефектами решетки. Точке В соответствует усилие Рупр, при котором остаточная деформация станет равной 0,05 % от начальной расчетной длины образца. Ордината точки В служит для определения предела упругости:
 0,05 
Pупр
Fo
, МПа,
(1.2)
Предел пропорциональности и предел упругости определяют упругие
свойства материала.
Ордината точки С, соответствующей течению материала при пластическом деформировании, служит для определения физического предела текучести т:
P
 т  т , МПа,
Fo
(1.3)
где Рт - усилие при текучести.
Физический предел текучести определяют по диаграмме растяжений,
когда на ней имеется горизонтальный участок (площадка текучести). Такой
участок характерен только для малоуглеродистых сталей и латуней. Для остальных сплавов определяют условный предел текучести, который равен
напряжению Р0,2, при котором остаточное удлинение образца составляет
0,2 %:
8
P
 0,2  0,2 , МПа,
Fo
(1.4)
Выбранная пластическая деформация 0,2 % достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим, а напряжение 0,2
несложно определить при испытаниях независимо от того, имеется или нет
площадка текучести на диаграмме растяжения.
Пластическое деформирование выше точки С идет при возрастающей
нагрузке, так как металл в процессе деформирования упрочняется. Упрочнение металла при деформировании называется наклепом. До точки Д удлинение происходит равномерно по всей длине рабочей части рабочей части образца. Цилиндрическая форма образца сохраняется, хотя диаметр его уменьшается по мере удлинения. Ордината точки Д соответствует максимальному
усилию Ртах и служит для определения предела прочности или временного сопротивления:
P
 в  max , МПа,
Fo
(1.5)
Наклеп металла увеличивается до момента разрыва образца, хотя растягивающая нагрузка при этом уменьшается от Ртах до РЕ (см. рис. 1.2). Это
объясняется появлением в образце местного утонения – шейки, в которой в
основном сосредотачивается пластическая деформация. Несмотря на уменьшение нагрузки, растягивающие напряжения в шейке повышаются до тех
пор, пока образец не разорвется. В точке Е определяют истинное сопротивление разрыву Sи – напряжение, определяемое отношением усилия в момент разрыва РЕ к минимальной площади поперечного сечения образца после разрыва Fк:
P
Sи  E , МПа.
Fк
Напряжения
сти.
(1.6)
0,05, т и в - стандартные характеристики прочно-
Пластичность материала характеризуется относительным удлинением
и относительным сужением.
Относительное удлинение определяется по формуле:
l l
l
  к o  100%  100% .
lo
lo
(1.7)
Относительное сужение:
F  Fк
 o
 100% .
Fo
(1.8)
На рис. 1.3. представлены типовые диаграммы растяжения различных
материалов.
9
Рис. 1.3. Типовые диаграммы растяжения различных металлов:
а) - углеродистая сталь; б) – аустенитная сталь; в) – медь холоднодеформированная (1) и рекристаллизационная (2); г) – углеродистая закаленная сталь
(3), улучшенная (4) и отожженная (5); д) – высокопрочный чугун (6), ферритный ковкий чугун (7), серый чугун (8); е) – высокоуглеродистая сталь (9),
алюминий (10)
1.5.
Порядок проведения испытаний
Ознакомиться с устройством машины для испытаний на растяже1.
ние (Р-5) и принципом работы на ней.
Получить и подготовить образцы для испытания, замерить диа2.
метр. Вычислить площадь поперечного сечения образца и определить начальную расчетную длину (lo).
Произвести испытание образцов.
3.
Зафиксировать максимальную нагрузку, достигнутую в процессе
4.
испытания.
Сложив разорванные части, замерить конечную расчетную длину
5.
образца. Рассчитать относительное удлинение.
Замерить диаметр образца в месте разрыва. Рассчитать относи6.
тельное сужение.
Рассчитать предел прочности и истинное сопротивление разрыву.
7.
Занести все результаты измерений и расчета характеристик в
8.
протокол испытаний в виде табл. 1.1.
1.6.
Содержание отчета
Название, цель работы.
1.
Краткие сведения об основных характеристиках прочности и
2.
пластичности металлических материалов.
Эскиз образца.
3.
10
4.
Диаграмма растяжения.
Таблица с результатами эксперимента.
5.
Рассчитанные количественные данные о прочностных и пласти6.
ческих характеристиках испытанных образцов.
Выводы.
7.
Таблица 1.1
Протокол испытаний на разрыв металлических образцов на машине Р-5
1.7.
Относительное сужение,
, %
Относительное удлинение, , %
Истинное сопротивление разрыву, Sи, МПа
 в,
прочности,
Предел
МПа
Конечная площадь поперечного сечения, Fк, мм2
Минимальный диаметр
шейки, dк , мм
расчетная
Конечная
длина, lк, мм
Начальная площадь поперечного сечения, Fо, мм2
Диаметр рабочей части,
dо, мм
Рабочая длина, l, мм
Полная длина, L, мм
Марка стали
Номер образца
Размеры образца до Размеры образца Прочностные и пластиразрыва
после испытаний ческие характеристики
Контрольные вопросы для самопроверки
1. Какие испытания называют статическими?
2. Какие свойства металлов и сплавов определяют при испытаниях на
статическое растяжение?
3. Чем истинные напряжения отличаются от условных?
4. Что такое предел пропорциональности?
5. Что такое предел упругости?
6. Какая разница между физическим и условным пределом текучести?
7. Что такое предел прочности или временное сопротивление?
8. Как определяется истинное сопротивление разрыву?
9. Что такое относительное удлинение и относительное сужение, как они
определяются?
Литература
[1, c. 47-51, 2, c. 56-70, 3]
11
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
ИСПЫТАНИЯ НА УДАРНУЮ ВЯЗКОСТЬ
2.1. Цель работы
Изучение оборудования и методики испытаний на ударную вязкость,
определение ударной вязкости стальных образцов.
2.2. Оборудование, приборы и материалы
Маятниковый копер МК-30, штангенциркуль, призматические стальные образцы, лупа.
2.3. Основные термины и определения
Ударная вязкость – работа удара, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора (надреза). Ударную вязкость обозначают буквами КС (символ ударной вязкости), третья буква – вид
концентратора: KCU, KCV, KCT. Допускается обозначать ударную вязкость
двумя индексами (ai); первый (а) – символ ударной вязкости; второй (i) –
символ типа образца.
Работа удара – работа, затрачиваемая на разрушение образца, обозначается двумя буквами (KU, KV, или KT) и цифрами. Первая буква (К) - символ работы удара, вторая буква (U, V или Т) – вида концентратора. Допускается обозначать работу удара двумя буквами Аi: первый (А) – символ работы
удара, второй (i) – символ типа образца.
Хладноломкость – свойство металлического материала терять вязкость,
хрупко разрушаться при понижении температуры.
2.4. Краткие теоретические сведения
Испытания металлов и сплавов, из которых изготовлены механизмы и
оборудование, проводимые под действием статических нагрузок, не дают
объективных данных для оценки надежности устройств в целом. Важное значение имеет определение механических характеристик в условиях, близких к
реальным, когда под действием определенных факторов (действие концентраторов напряжений, увеличение скорости деформации, понижение температуры и др.) металлы переходят в хрупкое состояние и могут катастрофически (очень быстро) разрушаться. В связи с этим во многих технических условиях на изготовление различных изделий предусмотрены динамические испытания материалов – испытания на ударный изгиб (определение ударной
вязкости).
Метод испытания на ударный изгиб при температуре от минус 100 С
до плюс 1200 С регламентирован ГОСТ 9454-78. Метод основан на разрушении образца с концентратором посередине одним ударом маятникового
копра (рис. 2.1).
12
Рис. 2.1. Схема маятникового копра и образца
для определения ударной вязкости
Копер имеет тяжелый маятник, который свободно качается вокруг оси.
При помощи защелки маятник может быть свободно установлен на различной высоте. Если защелку освободить, то маятник упадет и по инерции взлетит на такую же высоту, на которую был поднят. Если на пути падения маятника встретится препятствие, то преодолев его, энергия падения маятника
уменьшится, и он взлетит на меньшую высоту. Препятствием является образец, который устанавливают на пути падения маятника, надрезом в сторону,
противоположную удару маятника. Падая, маятник ребром ломает образец.
Общий запас энергии маятника будет расходоваться на разрушение образца и на взлет маятника после разрушения. Поэтому если из общего запаса
энергии маятника вычесть часть, затраченную на взлет после разрушения образца, то получится работа удара, затраченная на излом образца.
Стандартный образец устанавливают на две опоры и посередине наносят удар, приводящий к разрушению образца. По шкале маятникового копра
определяют работу К, затраченную на разрушение, и рассчитывают основную характеристику, получаемую в результате этих испытаний – ударную
вязкость:
KC 
K
, Дж/см2,
F
(2.1)
где F- площадь поперечного сечения образца в месте концентратора
(надреза), см2, вычисляемая по формуле
F  hb ,
(2.2.)
где h – начальная высота рабочей части образца, см, (рис. 2.3, а);
b – начальная ширина образца, см.
13
В соответствии с ГОСТ 9454-78 предусмотрены испытания образцов с
концентратором напряжений трех видов: U-образным (радиус надреза r = 1 мм);
V-образным (r = 0,25 мм) и Т-образным (трещина усталости, созданная в
основании надреза). Соответственно ударную вязкость обозначают: KCU,
KCV, KCT.
Образцы с U-образным концентратором применяют при выборе и
приемо-сдаточных испытаниях металлов и сплавов конструкций общего назначения; V-образным концентратором – для конструкций повышенной степени надежности (летательные аппараты, транспортные средства, трубопроводы, сосуды давления и т.п.); Т-образным – для особо ответственных конструкций, для эксплуатации которых оценка сопротивления развитию трещины
имеет первостепенное значение.
Основным критерием ударной вязкости является KCU. Она состоит из
двух составляющих:
(2.3)
KCU = KCз + KCр,
где KCз – работа зарождения трещины; KCр  КСТ – работа распространения
трещины. Чем острее надрез, тем меньше KCз. Критерий КСТ является критерием трещиностойкости, оценивающим сопротивление материала распространению трещины.
Разрушение может быть двух видов: хрупкое и вязкое. Трещина при
хрупком разрушении острая, часто ветвящаяся, распространяется быстро, в
устье трещины зона пластической деформации небольшой протяженности.
При вязком разрушении пластическая зона, идущая впереди распространяющейся трещины велика, а сама трещина затупляется у своей вершины.
Оценить характер разрушения можно по виду излома. Волокнистый
(матовый) излом характеризуется наличием волокон, образующихся при пластической деформации зерен в процессе разрушения. Он имеет матовую шероховатую поверхность в случае распространения разрушения в плоскости,
перпендикулярной направлению действия максимальных растягивающих напряжений. Когда разрушение совпадает с направлением действия касательных напряжений, волокнистый излом приобретает более блестящий, шелковистый вид. Хрупкий (кристаллический) излом характеризуется наличием на
поверхности плоских блестящих участков (фасеток). Качественную оценку
характера разрушения можно сделать визуально по величине волокнистой
составляющей излома:
F
B  вяз  100% ,
F
(2.3)
где Fвяз – площадь поверхности излома, где проходило вязкое разрушение;
F - общая площадь поверхности излома.
Ударная вязкость из всех характеристик механических свойств наиболее чувствительна к снижению температуры. Поэтому испытания на ударную вязкость при пониженных температурах используют для определения
порога хладноломкости – температуры или интервала температур, в котором
происходит снижение ударной вязкости и разрушение становится преимуще14
ственно хрупким. Порог хладноломкости – количественная характеристика
хладноломкости.
Хладноломкость проявляется у железа, стали, металлов и сплавов,
имеющих ОЦК или ГП решетку. Она отсутствует у металлов с ГЦК решеткой.
Для определения температурного порога хладноломкости проводят
оценку ударной вязкости при различных температурах и строят так называемые сериальные кривые: кривую зависимости ударной вязкости от температуры испытаний и кривую зависимости процента волокна в изломе от температуры испытаний. Порог хладноломкости обозначают температурой t50, при
которой в изломе образца имеется 50 % волокнистой составляющей и КСТ
снижается наполовину (рис. 2.2.). Зная температурный порог хладноломкости можно определить температурный запас вязкости – интервал температур между порогом хладноломкости (t50) и рабочей температурой эксплуатации материала (tр):
t звяз  t  t р .
(2.4)
50
При этом, чем ниже температура перехода в хрупкое состояние по отношению к рабочей температуре, тем больше температурный запас вязкости
и выше гарантия от хрупкого разрушения.
Для ответственных деталей за критическую температуру хрупкости
принимают температуру, при которой в изломе 90 % волокна, ее называют
t90 – верхний порог хладноломкости. Нижнему порогу хладноломкости t10
соответствует не более 10 % волокна в изломе.
По изменению геометрических размеров поперечного сечения образцов
в месте надреза после испытаний можно оценить также деформационную
характеристику пластичности при ударном изгибе :
B B
  2 1 100 %,
(2.5)
b
где B2 – ширина образца в сечении с надрезом на стороне, с которой наносился удар;
B1 – ширина образца на стороне, противоположной той, на которую наносился удар (рис. 2.3);
b – ширина образца до испытаний.
По результатам испытания на ударный изгиб можно установить такие
свойства материалов, как хладноломкость, красноломкость, отпускную хрупкость и др., которые при статических испытаниях не всегда можно обнаружить. Известно, что деформируемые цветные сплавы меди, алюминия и др.
нецелесообразно подвергать испытаниям на ударный изгиб, так как они при
любых температурах не обнаруживают перехода в хрупкое состояние. Нет
необходимости в проведении ударных испытаний некоторых литых сплавов
(чугун, литые алюминиевые и магниевые сплавы), которые разрушаются
хрупко при статических испытаниях на растяжение.
15
В, %
100
50
Порог
хладноломкости
KCU,
КСТ
KCU
КСТ
Работа
зарождения
трещины
Работа
развития
трещины
tН
t
t50 tВ
Рис. 2.2. Влияние температуры испытаний на процент вязкой составляющей
в изломе (В) и ударную вязкость материала KCU, KCT
b1
h
h
b
b2
а)
б)
Рис. 2.3. Сечения образца для испытания на ударный изгиб:
а) до испытания; б) после испытания
2.5. Порядок проведения испытаний
Ознакомиться с устройством маятникового копра и принципом
1.
работы на нем. Особое внимание обратить на правила техники безопасности.
16
2.
Получить и подготовить образцы для испытаний: тщательно измерить поперечное сечение образца в месте надреза. Рассчитать площадь поперечного сечения.
Произвести испытания на копре серий образцов с разным исход3.
ным состоянием (после отжига, закалки, нормализации). Определить работу,
затраченную на разрушение надрезанного образца.
Вычислить величину ударной вязкости.
4.
Изучить структуру изломов и определить визуально долю вязкой
5.
составляющей в изломе (В, %).
Измерить образцы в плоскости разрушения после испытаний и
6.
определить деформационную характеристику пластичности при ударном изгибе (, %).
Занести все результаты экспериментов в протокол испытаний
7.
(табл. 2.1).
Таблица 2.1
Протокол испытаний образцов из стали на ударный изгиб
Номер
Размеры образцов
До испытаний
После испытаний
2
h, см b, см F, см
В1, см
В2, см
К,
КС,
2
Дж Дж/см
В,
%
,
%
2.6. Содержание отчета
1. Название, цель работы.
2. Краткие сведения о сущности и методике испытаний на ударный изгиб.
3. Эскиз образца (рис. 2.1).
4. Перечень характеристик механических свойств, определяемых данным испытанием
5. Сериальные кривые (рис. 2.2).
6. Таблица с экспериментальными данными.
7. Выводы.
2.7. Контрольные вопросы для самопроверки
1. Назовите цель испытаний металлов и сплавов на ударный изгиб и характеристики, определяемые при этом виде испытаний.
2. Чем отличаются динамические испытания металлов от статических?
3. На что затрачивается работа удара при испытаниях на ударную вязкость?
4. Что такое порог хладноломкости?
17
5. Как оценить температурный запас вязкости металлических материалов?
6. Какие признаки у хрупкого и вязкого разрушения? Какой характеристикой оценивается соотношение этих видов разрушения?
Литература
[1, c. 55-56, 2, c. 87-93, 4]
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
ОПРЕДЕНИЕ ТВЕРДОСТИ РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ
3.1. Цель работы
Изучение и освоение методики измерения твердости по Бринеллю и
Роквеллу, ознакомление с методикой измерения твердости по Виккерсу в соответствии с требованиями государственных стандартов; изучение областей
допустимого применения методов Бринелля, Роквелла и Виккерса и возможности сопоставления результатов.
3.2. Оборудование, приборы и материалы
Прибор для измерения твердости по методу Бринелля ТШ-2, прибор для измерения твердости по методу Роквелла ТК-2, набор образцов черных и цветных металлов и сплавов разной твердости, лупа для измерения отпечатков.
3.3. Основные термины и определения
Твердость - это свойство материала сопротивляться местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела
(индентора).
Твердость по Бринеллю обозначают символом НВ (при применении в
качестве индентора стального шарика) – Н – начальная буква от слова Hardness – твердость; В – от слова Brinell; HBW – при применении шарика из
твердого сплава.
Твердость по Роквеллу обозначают символом HRA, HRC, HRD: Н –
твердость; R – от слова Rockwell; A, C, D – шкалы твердости – при измерении
используется алмазный конус. HRB, HRF, HRG - при измерении используется стальной шарик диаметром 1,588 мм; HRE, HRH, HRK – при измерении
используется стальной шарик диаметром 3,175 мм.
Твердость по Виккерсу обозначают HV – при измерении в качестве индентора используется алмазная пирамидка.
3.4. Краткие теоретические сведения
Методы измерения твердости получили широкое применение благодаря быстроте и простоте, портативности оборудования, а также возможности
18
проводить испытания на готовых деталях (изделиях) без их разрушения. Испытание на твердость – основной метод оценки качества термической обработки изделия.
Твердость измеряют многими методами (например, вдавливанием наконечника, царапанием испытуемой поверхности алмазным острием и т.д.).
При вдавливании поверхностные слои материала испытывают значительную
пластическую деформацию. Особенность происходящей пластической деформации состоит в том, что она протекает в небольшом объеме и вызвана
действием значительных касательных напряжений, так как вблизи наконечника возникает сложное напряженное состояние, близкое к всестороннему
сжатию. По этой причине пластическую деформацию испытывают не только
пластичные, но и хрупкие материалы.
Наибольшее распространение на практике получили методы Бринелля,
Роквелла, Виккерса и метод микротвердости.
3.4.1. Измерение твердости по Бринеллю (ГОСТ 9012-59)
Сущность метода заключается во вдавливании шарика (стального или
из твердого сплава) диаметром D в образец (изделие) под действием усилия
F, приложенного перпендикулярно поверхности образца, в течение определенного времени, и измерении диаметра отпечатка d после снятия усилия
(рис. 3.1). Число твердости НВ определяют отношением нагрузки F к сферической поверхности отпечатка – лунки А диаметром d:
HB 
F
2F

A D( D  D 2  d 2 )
(3.1)
На практике для определения твердости расчеты по формуле (3.1)
обычно не производят, а пользуются таблицей, составленной на основании
этой формулы для различных диаметров отпечатков и приведенной в
ГОСТ 9012-59.
F
D
D
d
F1
FO
FO
FO
F
h
hO
d
б)
136
в)
а)
Рис. 3.1. Схемы определения твердости по Бринеллю (а), по Роквеллу (б),
по Виккерсу (в)
19
Диаметр шарика D = 10; 5; 2,5 мм выбирают в зависимости от толщины
изделия по табл. 3.1.
Таблица 3.1
Таблица для выборов параметров испытания при определении твердости
методом Бринелля
Материал
Интервал
твердости
в числах
Бринелля
140-450
Черные
металлы
< 140
> 130
Цветные
металлы
35-130
5-35
Минимальная
толщина испытуемого
образца, мм
От 6 до 3
От 4 до 2
<2
>6
От 6 до 3
<3
От 6 до 3
От 4 до 2
<2
От 9 до 3
От 6 до 3
<3
>6
От 6 до 3
<3
Соотношение Диаметр
между
на- шарика,
грузкой F и D, мм
диаметром
шарика
2
F = 30D
F = 10D2
F = 30D2
F = 10D2
F = 2,5D2
10,0
5,0
2,5
10,0
5,0
2,5
10,0
5,0
2,5
10,0
5,0
2,5
10,0
5,0
2,5
Нагрузка
F, кгс
3000
750
187,5
1000
250
62,5
3000
750
187,5
1000
250
62,5
250
62,5
15,6
Выдержка
под
нагрузкой, с
10
10
30
30
120-180
Для небольших изделий учитывают также размеры поверхности для
измерения, так как расстояние от центра отпечатка до края изделия должно
составлять не менее 2,5 мм. Нагрузку F выбирают в зависимости от диаметра
шарика и измеряемой твердости, которую приблизительно оценивают с учетом природы сплава и способа его обработки (табл. 3.1). Выбор времени приложения нагрузки также осуществляют по табл. 3.1. Оно зависит от твердости материала: для мягких материалов, особенно легкоплавких с низкой температурой рекристаллизации (свинца, цинка, антифрикционных сплавов), в
процессе испытаний при комнатной температуре может наблюдаться явление
ползучести. Поэтому время приложения нагрузки увеличивают по сравнению
с испытаниями стальных образцов.
После измерения твердости на обратной стороне образца не должно
наблюдаться пластической деформации от отпечатка.
Диаметр отпечатка измеряют с помощью микроскопа или других
средств измерения с предельной погрешностью 0,25 % от диаметра шарика.
Диаметры отпечатков измеряются в двух взаимно перпендикулярных на20
правлениях. За диаметр отпечатка d принимается среднее арифметическое
значение результатов измерений.
Так как значения D и F заранее известны, то для определения числа
твердости необходимо лишь измерить диаметр отпечатка d и найти соответствующую ему твердость по табл. 3.2.
Твердость по Бринеллю обозначают символом НВ (НВW), которому
предшествует числовое значение твердости, и после символа указывают диаметр шарика, значение приложенного усилия (в кгс), продолжительность выдержки, если отличается от 10 до 15 с:
250 НВ 5/750 – твердость по Бринеллю 250, определенная при применении
стального шарика диаметром 5 мм, при усилии 750 кгс и продолжительности
выдержки от 10 до 15 с.
575 НBW 2,5/187,5/30 – твердость по Бринеллю 575, определенная при применении шарика из твердого сплава диаметром 2,5 мм, при усилии 187,5 кгс
и продолжительности выдержки 30 с.
При определении твердости шариком диаметром 10 мм при усилии
3000 кгс и продолжительности выдержки от 10 до 15 с твердость по Бринеллю обозначают только числовым значением твердости и символом НВ или
НВW: например, 185 НВ, 600 HBW.
Прибор для измерения твердости ТШ-2 показан на рис. 3.2.
В массивной чугунной станине 19 закреплена втулка, в которую вмонтирован подъемный винт 17. На нем установлены сменные опорные столики
16 для закрепления испытуемых образцов. Винт 17 служит для подъема и
опускания столиков 16 с помощью маховика 18. Пружина 13 установлена в
головке прибора, которая предотвращает смещение образца с установленного
положения. Пружина 13 прижимает втулку 14 к конусному седлу, а шпиндель 11 – к средней призме рычага 10.
В верхней части станины прибора установлена рычажная система с передаточным отношением 1:50, которая под действием грузов 4 вдавливает в
поверхность испытуемого образца индентор-шарик, закрепленный в наконечнике 15 головки прибора. Рычаги 10 и 7 соединены между собой серьгой
9. К рычагу 7 подвешиваются сменные грузы 4. Для приложения и снятия нагрузок служит кривошипный механизм, состоящий из кривошипа 3, шатуна 5
и вилки 6. Кривошип 3 приводится во вращение электродвигателем 1 через
червячный редуктор 2. Время фиксируется сигнальной лампой 12, которая
включается с помощью микровыключателя 8, установленного на рычаге 7.
21
Рис. 3.2. Схема твердомера ТШ-2 для определения твердости по Бринеллю
Измерение твердости на приборе ТШ-2 осуществляется следующим
образом:
1. Закрепляют оправку с шариком нужного диаметра винтом в наконечнике 15.
2. На рычаг 7 навешивают сменные грузы 4 прорезями в разные стороны,
чтобы они не упали. На каждом грузе указано усилие, которое они создают на инденторе.
3. Проверяют правильность установки времени вдавливания на шкале прибора.
4. Проверить чистоту опорного столика 16 и образца. Не допускаются следы
грязи, смазки и т.д. Устойчиво уложить образец на столик, шлифованная
(полированная) поверхность должна быть обращена к индентору.
5. Вращая маховик 18, поднимают его к наконечнику 15 с шариком для
обеспечения контакта образца с шариком.
6. Нажатием кнопки включается электродвигатель 1 прибора. Вдавливание,
выдержка, разгрузка и выключение происходят автоматически. Во время
выдержки горит сигнальная лампочка.
7. Столик 16 вместе с образцом опускают вращением маховика 18 в обратном направлении.
22
Таблица 3.2
Таблица для определения чисел твердости НВ
23
Диаметр Число твердости при
отпечатка,
нагрузке, равной
мм
30D2 10D2 2,5D2
2,89
448
2,90
444
2,92
438
2,94
432
2,96
426
2,98
420
35,0
3,00
415
34,6
3,02
409
34,1
3,04
404
33,7
3,06
398
33,2
3,08
393
32,7
3,10
388
129
32,3
3,12
383
128
31,9
3,14
378
126
31,5
3,16
373
124
31,1
3,18
368
123
30,7
3,20
363
121
30,3
3,22
359
120
29,9
3,24
354
118
29,5
3,26
350
117
29,2
3,28
345
115
28,8
3,30
341
114
28,4
3,32
337
112
28,1
3,34
333
111
27,7
3,36
329
110
27,4
3,38
325
108
27,1
3,40
321
107
26,7
Диаметр
отпечатка,
мм
3,42
3,44
3,46
3,48
3,50
3,52
3,54
3,56
3,58
3,60
3,62
3,64
3,66
3,68
3,70
3,72
3,74
3,76
3,78
3,80
3,82
3,84
3,86
3,88
3,90
3,92
3,94
Число твердости при
нагрузке, равной
30D2 10D2 2,5D2
317
106
26,4
313
104
26,1
309
103
25,8
306
102
25,5
302
101
25,2
298
99,5
24,9
295
98,3
24,6
292
97,2
24,3
288
96,1
24,0
285
95,0
23,7
282
93,9
23,5
278
92,8
23,2
275
91,8
22,9
272
90,7
2,7
269
89,7
22,4
266
88,7
22,2
263
87,7
21,9
260
86,8
21,7
257
85,8
21,5
255
84,9
21,2
252
84,0
21,0
249
83,0
20,8
246
82,1
20,5
244
81,3
20,3
241
80,4
20,1
239
79,6
19,9
236
78,7
19,7
Диаметр Число твердости при
отпечатка,
нагрузке, равной
мм
30D2 10D2 2,5D2
3,96
234
77,9
19,5
3,98
231
77,1
19,3
4,00
229
76,3
19,1
4,02
226
75,5
18,9
4,04
224
74,7
18,7
4,06
222
73,9
18,5
4,08
219
73,2
18,3
4,10
217
72,4
18,1
4,12
215
71,7
17,9
4,14
213
71,0
17,7
4,16
211
70,2
17,6
4,18
209
69,5
17,4
4,20
207
68,8
17,2
4,22
204
68,2
17,0
4,24
202
67,5
16,9
4,26
200
66,8
16,7
4,28
198
66,2
16,5
4,30
197
65,5
16,4
4,32
195
64,9
16,2
4,34
193
64,2
16,1
4,36
191
63,6
15,9
4,38
189
63,0
15,8
4,40
187
62,4
15,6
4,42
185
61,8
15,5
4,44
184
61,2
15,3
4,46
182
60,6
15,2
4,48
180
60,1
15,0
23
Диаметр
отпечатка,
мм
4,50
4,52
4,54
4,56
4,58
4,60
4,62
4,64
4,66
4,68
4,70
4,72
4,74
4,76
4,78
4,80
4,82
4,84
4,86
4,88
4,90
4,92
4,94
4,96
4,98
5,00
5,02
Число твердости при
нагрузке, равной
30D2 10D2 2,5D2
179
59,5
14,9
177
59,0
14,7
175
58,4
14,6
174
57,9
14,5
172
57,3
14,3
170
56,8
14,2
169
56,3
14,1
167
55,8
13,9
166
55,3
13,8
164
54,8
13,7
163
54,3
13,6
161
53,8
13,4
160
53,3
13,3
158
52,8
13,2
157
52,3
13,1
156
51,9
13,0
154
51,4
12,9
153
51,0
12,8
152
50,5
12,6
150
50,1
12,5
149
49,6
12,4
148
49,2
12,3
146
48,8
12,2
145
48,4
12,1
144
47,9
12,0
143
47,5
11,9
141
47,1
11,8
Продолжение табл. 3.2
24
Диаметр Число твердости при
отпечатка,
нагрузке, равной
мм
30D2 10D2 2,5D2
5,04
140
46,7
11,7
5,06
139
46,3
11,6
5,08
138
45,9
11,5
5,10
137
45,5
11,4
5,12
135
45,1
11,3
5,14
134
44,8
11,2
5,16
133
44,4
11,1
5,18
132
44,0
11,0
5,20
131
43,7
10,9
5,22
130
43,3
10,8
5,24
129
42,9
10,7
5,26
128
42,6
10,6
Диаметр Число твердости при
отпечатка,
нагрузке, равной
мм
30D2 10D2 2,5D2
528
127
42,2
10,6
5,30
126
41,9
10,5
5,32
125
41,5
10,4
5,34
124
41,2
10,3
5,36
123
40,9
10,2
5,38
122
40,5
10,1
5,40
121
40,2
10,1
5,42
120
39,3
9,97
5,44
119
39,6
9,90
5,46
118
39,2
9,82
5,48
117
38,9
9,73
5,50
116
38,6
9,66
Диаметр Число твердости при
отпечатка,
нагрузке, равной
мм
30D2 10D2 2,5D2
5,52
115
38,3
9,58
5,54
114
38,0
9,50
5,56
113
37,7
9,43
5,58
112
37,4
9,35
5,60
111
37,1
9,27
5,62
110
36,8
9,20
5,64
110
36,5
9,14
5,66
109
36,3
9,07
5,68
108
36,0
9,00
5,70
107
35,7
8,93
5,72
106
35,4
8,86
5,74
105
35,1
8,79
Диаметр
отпечатка,
мм
5,76
5,78
5,80
5,82
5,84
5,86
5,88
5,90
5,92
5,94
5,96
5,98
Число твердости при
нагрузке, равной
30D2 10D2 2,5D2
105
34,9
8,70
104
34,6
8,66
103
34,3
8,59
102
34,1
8,53
101
33,8
8,46
101
33,6
8,40
99,9
33,3
8,33
99,2
33,1
8,26
98,4
32,8
8,20
97,7
32,6
8,14
96,9
32,3
8,08
96,2
32,1
8,02
Примечание. Диаметры отпечатков в таблице даны для шарика D = 10 мм. Для определения по таблице числа твердости при испытании шариком диаметром 5 мм диаметр отпечатка надо умножить на 2, а при испытании
шариком 2,5 мм надо умножить на 4.
24
8. Образец снимают и измеряют диаметр полученного на нем отпечатка с помощью лупы. По табл. 3.2. определяют числовое значение твердости и записывают результаты в табл.
3.4.2. Измерение твердости по Роквеллу (ГОСТ 9013-59)
Существенным недостатком метода Бринелля является необходимость
измерять отпечаток с переводом результатов в числа твердости. От этого свободен метод контроля твердости по Роквеллу, сущность которого заключается во внедрении в поверхность образца или изделия алмазного конусного (шкалы A, C, D) или стального сферического наконечника (шкалы B, E, F, G, H, K)
под действием последовательно прилагаемых усилий предварительного Fo и
основного F1 усилий и в определении глубины внедрения наконечника после
снятия основного усилия.
За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. Остаточную деформацию определяют после снятия основной нагрузки. Число твердости отсчитывают по шкале индикатора часового типа, стрелка которого автоматически показывает результат вычитания разности глубин в миллиметрах, на которые вдавливается наконечник
индентора под действием двух последовательно приложенных нагрузок, из некоторой постоянной, выраженной в миллиметрах.
Предварительная нагрузка во всех случаях равна 10 кгс, а основную нагрузку выбирают в зависимости от материала наконечника. Для различных
комбинаций нагрузок и наконечников в основном используют три измерительных шкалы: А, В, С. Твердость по Роквеллу обозначают цифрами, определяющими уровень твердости, и буквами HR с указанием шкалы твердости, например: 70 HRA, 58 HRC, 50 HRB.
Шкала А (наконечник алмазный конус с углом при вершине 120 и радиусом закругления при вершине 0,2 мм, основное усилие 50 кгс, общее – 60 кгс)
черного цвета. Эту шкалу применяют для особо твердых материалов, для тонких листовых материалов или тонких (0,5-1,0 мм) слоев. Пределы измерения
твердости по этой шкале 20-88.
Шкала В (наконечник стальной шарик диаметром 1,589 мм, основное
усилие 90 кгс, общее – 100 кгс) красного цвета. По этой шкале определяют
твердость сравнительно мягких материалов (< 400 НВ). Пределы измерений
твердости по шкале В 20-100.
Шкала С (наконечник – алмазный конус, основное усилие 140 кгс, общее
– 150 кгс) черного цвета. Эту шкалу используют для твердых материалов (> 450
НВ), например, закаленных сталей. Измеренную твердость обозначают HRC.
Пределы измерений твердости по этой шкале 20-70.
Измерение твердости по Роквеллу получило широкое применение, поскольку позволяет определять твердость быстро и просто. Получаемые отпечатки относительно малы, поэтому этот метод применяют в массовом произ-
водстве для контроля готовых штучных деталей. Этот метод применим для измерения твердости на выпуклых и вогнутых цилиндрических и сферических
поверхностях, с введением в результаты измерений поправок, приведенных в
ГОСТ 9013-59.
Прибор для измерения твердости по методу Роквелла (ТК-2) показан на
рис. 3.3.
Рис. 3.3. Схема твердомера ТК-2 для определения твердости
по методу Роквелла
Механизм нагружения состоит из подвески 12 с грузами 17, обеспечивающей с помощью рычага 15 создание необходимой нагрузки; шпинделя, на
конце которого с помощью винта закрепляется наконечник 8 с шариком или
алмазным конусом. Точная установка индикатора 13 на нуль производится с
помощью барабана 4, закрепленного в механизме подъема, и тросика 14, размещенного в пазу индикатора. Весь процесс измерения твердости проводится с
помощью однофазного электродвигателя 2.
Привод кулачков 20 и 21 осуществляется с помощью храпового механизма, который включается с помощью клавиши 3. Механизм подъема столика состоит из винта, маховика 5, направляющей втулки и сменного столика 7 и служит для подъема и опускания испытуемой детали или образца.
26
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Измерение твердости на приборе ТК-2 осуществляется следующим образом:
В зависимости от выбранной шкалы подбирают и устанавливают на подвеске 12 прибора соответствующие грузы 17 и закрепляют винтом соответствующий наконечник 8.
На столике 7 устанавливают образец и вращением маховика 5 поднимают
его к наконечнику 8 до тех пор, пока малая стрелка индикатора не остановится против красной точки, а большая – на нуле шкалы индикатора 13 прибора. При отклонении большой стрелки больше, чем на пять делений относительно штриха шкалы, необходимо опустить столик 7 с образцом и твердость измерять в новом месте образца.
Затем вращением барабана 4 установить ноль шкалы С (черный цвет) против большой стрелки индикатора 13.
Включить прибор и плавным нажатием руки на клавишу 3 включить механизм нагружения.
После остановки большой стрелки снять показания прибора с точностью до
половины деления шкалы.
Потом вращением маховика 5 против часовой стрелки испытуемое изделие
отвести от наконечника 8 и снять его с опорного столика 7.
Результаты измерений занести в табл.
3.4.3. Измерение твердости по Виккерсу (ГОСТ 2999-75)
Измерение твердости основано на вдавливании алмазного наконечника в
форме правильной четырехгранной пирамиды с углом при вершине  = 136 в
образец под действием нагрузки F, приложенной в течение определенного времени, и измерении диагоналей отпечатка d1 и d2, оставшихся на поверхности
образца после снятия нагрузки (рис. 3.1). Твердость по Виккерсу вычисляют по
формуле:
HV 
2 F sin  / 2
d
2
 1,854
F
d
2
,
(3.2)
где d – среднее арифметическое значение длин обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм.
На практике число твердости определяют по специальным таблицам по
значению диагонали отпечатка при выбранной нагрузке.
Символ HV сопровождается индексами, указывающими нагрузку и время
выдержки, если это время отличается от рекомендуемого стандартом (10-15 с).
Например, 30 HV означает число твердости, полученное при нагрузке 30 кгс и
времени выдержки 10-15 с; 220 HV 10/40 – твердость по Виккерсу, определенная при нагрузке 10 кгс, приложенной в течение 40 с.
В отличие от схемы Бринелля все отпечатки Виккерса геометрически подобны и поэтому число твердости не зависит от нагрузки. Это позволяет обнаружить особое состояние поверхностного слоя (наклеп, обезуглероживание,
27
цементация) по изменению твердости с уменьшением нагрузки. Из-за большого
угла в вершине наконечника – пирамиды даже при малой глубине ее внедрения
диагональ отпечатка имеет большое значение, что определяет высокую точность и чувствительность этого метода. Метод Виккерса применяют главным
образом для материалов, имеющих высокую твердость, а также при испытании
на твердость деталей малых сечений или тонких поверхностных слоев, особенно в научных целях. Недостатком его является трудоемкость измерений и необходимость тщательной подготовки поверхности образцов (полирование).
Число твердости по Виккерсу и Бринеллю имеет одинаковые единицы
измерения, а до твердости 450 единиц – одинаковые значения. Перевод чисел
твердости, определенных разными методами, представлен в табл. 3.3.
Таблица 3.3
Соотношение чисел твердости, определенных разными методами
Диаметр отпечатка d,
мм
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
3,40
3,45
на приборе
типа Бринелля, НВ
780
745
712
682
653
627
601
578
555
534
514
495
477
461
444
429
415
401
388
375
363
352
341
331
321
311
При испытании вдавливанием
на приборе типа Роквелла
HRC
HRA
HRB
72
70
68
66
64
62
60
58
56
54
52
50
49
48
46
45
43
42
41
40
39
38
36
35
33
32
84
83
82
81
80
79
78
78
76
75
74
74
73
73
72
72
71
71
70
70
69
68
67
67
66
66
28
-
на приборе
типа Виккерса, HV
1124
1116
1022
941
868
804
746
694
650
606
587
551
534
502
474
460
435
423
401
390
380
361
344
334
320
311
Диаметр отпечатка d,
мм
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
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
на приборе
типа Бринелля, НВ
302
293
285
277
269
262
255
248
241
235
229
223
217
212
207
201
197
192
187
183
179
174
170
167
163
159
156
152
149
146
143
140
137
134
131
128
126
123
121
118
116
114
111
109
Продолжение табл. 3.3.
При испытании вдавливанием
на приборе типа Роквелла
на приборе
типа ВикHRC
HRA
HRB
керса, HV
31
65
303
30
65
292
29
64
285
28
64
278
27
63
270
26
63
261
25
62
255
24
62
249
23
61
102
240
21
61
101
235
20
60
100
228
19
60
99
222
17
59
98
217
15
59
97
213
14
58
95
208
13
58
94
201
12
57
93
197
11
57
92
192
9
56
91
186
8
56
90
183
7
55
90
178
6
55
89
174
4
54
88
171
3
53
87
166
2
53
86
162
1
52
85
159
0
84
155
83
152
82
149
81
148
80
143
79
140
78
138
77
134
76
131
75
129
74
127
73
123
72
121
71
118
70
116
68
115
67
113
66
110
29
3.5. Порядок выполнения испытаний
1.
Изучить с помощью настоящего методического указания конструкции приборов для измерения твердости, технические возможности и области
применения методов оценки твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу.
Под руководством преподавателя получить навыки работы на твер2.
домерах.
Получить наборы образцов из черных и цветных металлов и спла3.
вов для определения твердости.
На образцах для измерения твердости по Бринеллю сделать по три
4.
измерения тремя шариками разных диаметров, соответственно меняя нагрузку.
Сопоставить рассеяние результатов в зависимости от диаметра шарика. Занести
результаты измерений в табл. 3.4.
На образцах для измерения твердости по Роквеллу сделать по три
5.
измерения. Все результаты измерений занести в табл. 3.4.
Числа твердости, измеренные по методу Бринелля и Роквелла, пе6.
ревести на числа твердости Виккерса и занести в табл. 3.4.
Таблица 3.4
Условия испытания
Метод
испытаний
Характеристика
образца
Номер
Ожидаемая
образца твердость
индентор
усилие,
кгс
время
вдавливания, с
Размер
отпечатка, мм
Твердость испытуемых образцов
Твердость
НВ HRC
HV
3.6. Содержание отчета
1.
2.
3.
4.
5.
Название, цель работы.
Краткие сведения о сущности и методиках измерения твердости
Схемы определения твердости различными методами (рис. 3.1).
Таблица с условиями измерения и полученными экспериментальными данными.
Выводы
3.7. Контрольные вопросы для самопроверки
1. Что такое твердость?
2. В чем заключается сущность измерения твердости по методу Бринелля?
30
3. Можно ли сравнивать между собой величины твердости по Бринеллю,
измеренные с помощью шариков различных стандартных размеров?
4. Почему значения твердости по Виккерсу не зависят от усилия вдавливания?
5. Каким методом можно измерить твердость на криволинейных поверхностях?
6. Для чего в методе и приборе Роквелла используется двухступенчатое
приложение нагрузки?
7. Как выбирается индентор и усилие вдавливания при измерении твердости по Бринеллю и Роквеллу?
8. Каковы единицы измерения значений твердости по Бринеллю, Роквеллу
и Виккерсу?
9. Почему в заводских условиях для контроля твердости чаще используют
метод Роквелла, а в исследовательских лабораториях – метод Виккерса?
Литература
[1, 2, с. 52-55, 3, с. 98-104, 6, 7, 8]
Библиографический список
Болдырев, А.М. Сварочные работы в строительстве и основы тех1.
нологии металлов: учеб./ А.М. Болдырев, А.С. Орлов.- М.: Изд-во АСВ, 1994.432 с.
Арзамасов, Б.Н. Материаловедение / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макаро2.
ва, Г.Г. Мухин.- М: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.- 648 с.
Костин, П.П. Физико-механические испытания металлов, сплавов и
3.
неметаллических материалов: учеб./ П.П. Костин.- М.: Машиностроение, 1990.256 с.
ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение.- М.:
4.
Изд-во стандартов, 1984.- 25 с.
5.
ГОСТ 9454-78. Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при
пониженной, комнатной и повышенных температурах.- М.: Изд-во стандартов,
1978.- 11 с.
ГОСТ 9012-59. Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю.
6.
-М.: Изд-во стандартов, 1959.- 27 с.
ГОСТ 9013-59. Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу.
7.
- М.: Изд-во стандартов, 1959.- 7 с.
ГОСТ 2999-75. Металлы. Метод измерения твердости по Виккерсу.8.
М.: Изд-во стандартов, 1975.- 19 с.
31
Оглавление
Введение ………………………………………………………………………..
Лабораторная работа № 1
Испытание на статическое растяжение ……………………………….
Лабораторная работа № 2
Испытания на ударную вязкость .……………………………………...
Лабораторная работа № 3
Определение твердости различными методами ………………………
Библиографический список …………………………………………………..
3
5
12
18
31
Основные механические свойства металлических материалов
и методы их оценки
Методические указания
к выполнению лабораторных работ по курсу «Материаловедение»
для студентов, обучающихся по направлению 190200
«Транспортные машины и транспортно-технологические комплексы»
всех форм обучения
Составители: Орлов Александр Семенович
Рубцова Елена Григорьевна
Зиброва Ирина Юрьевна
Подписано в печать 23.09. 2010. Формат 60х84 1/16. Уч.-изд. л. 2,0.
Усл.-печ. л. 2.1. Бумага писчая. Тираж 150 экз. Заказ № ________.
__________________________________________________________________
Отпечатано: отдел оперативной полиграфии издательства учебной литературы и учебнометодических пособий Воронежского государственного архитектурностроительного университета
394006, Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84
32
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
24
Размер файла
716 Кб
Теги
металлических, основные, 153, свойства, материалы, механической, 643
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа