Материаловедение (стр. 4 )

Общие сведения

Деформация сжатия возникает в материале при действии сил, направленных перпендикулярно его плоскости.

Основными характеристиками свойств материалов при поперечном сжатии являются:

сила - Р , даН (Н);

напряжение - s, МПа (Па):

s = Р / F ,

(5.1)

где F - площадь сжатия;

прочность - Р* даН, (Н); сила, действие которой приводит к разрушению материала;

предел прочности - s* , МПа (Па), максимальное напряжение, при котором материал разрушается;

s* = Р* / F ,

(5.2)

Dh - абсолютная деформация образца материала при сжатии (рис. 5.2):

Dh = h - h1 ,

(5.3)

где h - толщина образца материала до испытания; h1 - толщина образца материала при действии внешней силы Р или s;

относительная деформация при сжатии - e, %:

e = 100×(h - h1)/h ,

(5.4)

где h - толщина образца материала до испытания; h1 - толщина образца материала при действии внешней силы Р (s);

относительная деформация при разрушении - e*, %:

e* = 100×(h - h*)/h ,

(5.5)

где h - толщина образца материала до испытания; h* - толщина образца материала при действии разрушающей силы Р* (s*) ;

Если при испытании образца материала s < s* , определяют дополнительные показатели свойств материалов при сжатии:

пластичность материала - П, %, характеризует способность материала принимать соответствующий размер (форму) после действия внешней силы (напряжения). Определение пластичности материалов проводится при условии, что Р(s) < Р *(s*) и вычисляется по формуле:

П = 100×(eО /eПОЛ) ,

(5.6)

где eО - остаточная деформация образца материала после действия внешней силы (напряжения) и отдыха: eПОЛ - полная деформация образца материала при сжатии при заданной силы (напряжении);

остаточная деформация, %:

eО = 100×(h - h3)/h ,

(5.7)

где h - толщина образца материала до испытания, h3 - толщина образца материала после сжатия и отдыха (рис. 5.2);

полная деформация, %:

eПОЛ = 100×(h - h2)/h ,

(5.8)

где h - толщина образца материала до испытания, h2 - толщина образца при действии заданной силы Р (s) (рис. 5.2);

упругость - У, %, показатель, характеризующий способность материала восстанавливать исходные размеры (форму) после действия внешней силы:

У = 100 - П. .

(5.9)

Методика определения прочностных свойств материалов

Для определения показателей прочностных свойств материалов при сжатии применяют не менее трех образцов диаметром 20¸30 мм или 30¸50 мм. Если на поверхности материала было рифление, его следует удалить (срезать и выравнить поверхность путём шлифования).

Толщину образцов материалов измеряют: для образца диаметром 15¸30 мм в центре; для образца диаметром 30¸50 мм толщиномером с ценой деления ±0,1 мм в трёх точках.

Определение прочностных свойств материалов при сжатии проводят на разрывной машине РТ-250М.

С целью определения показателей прочностных свойств материалов при сжатии, используют приспособление, изображенное на рис. 5.1.

Устройство состоит из плоскопараллельных траверс: верхней 2 и нижней 4. Для установки устройства в разрывную машину верхние и нижние тиски снимают, предварительно вынув шпильки из верхнего и нижнего штоков разрывной машины. Затем, учитывая габаритные размеры устройства, вынимают соединительную шпильку между нижним штоком и подвижной тягой. Опускают нижний шток на требуемое расстояние. Вставляют хвостовики траверс 2 и 4 в верхний и нижний штоки и фиксируют их шпильками.

Рис. 5.1. Схема устройства для деформирования образца материала при сжатии

Образец 3 помещают в центре между верхней и нижней траверсами. При помощи регулятора устанавливают скорость движения нижних тисков 10 мм/мин и проводят испытание с регистрацией P* и Dl*. Определив нагрузку и абсолютное удлинение при разрыве, вычисляют предел прочности и относительное удлинение при разрушении образцов материалов в результате их сжатия.

Методика определения пластичности и упругости

Пластичность и упругость материалов определяется при одноцикловом испытании. Определение данных показателей осуществляется на разрывных машинах с упругим силоизмерителем типа FT-100/1 и др. Применение разрывных машин рычажно-маятникового типа некорректно, так как при остановке машины верхний шток под действием веса маятника перемещается и процесс деформирования пробы материала продолжается, что искажает результаты измерений деформации пробы h3 .

Испытание по определению П и У проводят на образцах из синтетических материалов (резина, полиуретан, ТЭП и др.). Образцы для испытания имеют диаметр 15¸30 мм, количество образцов - не менее трёх.

Испытуемый образец помещается между подвижными траверсами приспособления (рис. 5.1) по центру. Образцу сообщают требуемую силу сжатия Р (помня, что детали низа обуви при носке обуви испытывают напряжение в пределах от 104 Па до 20×106 Па) и по истечении 30 секунд определяют толщину образца - h2 с погрешностью ±0,1 мм по шкале динамометра или измеряют расстояние между траверсами штангельциркулем.

Затем образец разгружают, вынимают из устройства и по истечении 30 секунд замеряют толщину образца - h3 (рис. 5.2) с погрешностью ±0,1 мм.

Рис. 5.2 Схема деформирования пробы материала при сжатии

Внимание! В том случае, если отсутствует разрывная машина с упругим симоизмерителем, то данное испытание можно осуществить на разрывной машине РТ-250М, при условии, что в момент приложения нагрузки Р на пробу верхний шток необходимо зафиксировать арретиром. После определения h2 арретир открывают и разгружают образец материала.

Вопросы для самопроверки:

1. Какие характеристики определяют при сжатии материала?

2. Как найти пластичность материала?

3. Как между собой связаны пластичность и упругость материала?

Литература:[3,5,6].

Лабораторные работы № 6,7

Определение твердости материалов

Общие сведения

Твёрдость — свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твёрдого тела. Твёрдость определяется как величина нагрузки, необходимой для начала разрушения материала. Различают относительную и абсолютную твёрдость.

Относительная — твердость одного материала относительно другого.

Абсолютная или инструментальная — изучается посредством вдавливания твёрдого тела в другие материалы.

Высокой твердостью должны обладать металлорежущие инструмен­ты: резцы, сверла, фрезы, а также поверхностно-упрочненные детали.

Методы измерения твёрдости

Для измерения твёрдости существует несколько методов измерения:

Метод Бринелля — твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому шариком из закаленной стали, вдавливаемым в поверхность. Диаметр отпечатка измеряют с помощью лупы со шкалой. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части сферы, а не как площадь круга)- на практике используются таблицы; размерность единиц твердости по Бринеллю кгс/мм². Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H = hardness (твёрдость, англ.), B — Бринелль;

Можно использовать для материалов твердостью до 4500. Толщина образца должна быть не менее 2 мм, иначе он будет продавлен шариком.

Метод Роквелла — твёрдость определяется по глубине вдавливания металлического шарика (шкала В) или алмазного конуса (шкалы А и С) в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, определённая по этому методу, является безразмерной и обозначается HR, HRB, HRC и HRA; твёрдость вычисляется по формуле HR = 100 − kd, где d — глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а k — коэффициент. Таким образом, максимальная твёрдость по Роквеллу соответствует HR 100.

Необходимо тщательно готовить поверхность образца.

Метод Виккерса — твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к пирамидке, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части поверхности пирамиды, а не как площадь ромба); размерность единиц твёрдости по Виккерсу кгс/мм². Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HV; используются таблицы, по которым твердость определяется по расстоянию диагоналей отпечатка.

Необходимо тщательно готовить поверхность образца.

Рис. 6 Определение твердости металла методами Бринеллн (а), Роквелла (б) и Виккерса (в)

Метод Шора — при определении твердости металлов и сплавов боек определенной массы с алмазным наконечником свободно и вертикально падает с определенной высоты на испытуемую поверхность. Высота отскока бойка принимается за характеристику твердости и измеряется в условных единицах. Твёрдость менее твердых материалов (резины, пластмассы и т. п.) определяется по глубине введения закаленной стальной иглы под действием пружины. Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HSD;

Шкала твердости разделена на 130 единиц (твердость закаленной эвтектоидной стали = 100 ед.).

Величина твердости по Шору не имеет точного метода перевода ее на другие величины твердости или прочности при растяжении.

Метод Кузнецова — Герберта — Ребиндера — твёрдость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл;

Метод Польди (двойного отпечатка шарика) — твердость оценивается в сравнении с твердостью эталона, испытание производится путем ударного вдавливания стального шарика одновременно в образец и эталон;

Шкала Мооса — твердость определяется по тому, какой из десяти стандартных минералов царапает тестируемый материал, и какой материал из десяти стандартных минералов царапается тестируемым материалом.

Шкала́ Мо́оса (минералогическая шкала твёрдости) — набор эталонных минералов для определения относительной твёрдости методом царапания. В качестве эталонов приняты 10 минералов, расположенных в порядке возрастающей твёрдости.

Предложена в 1811 году немецким минералогом Фридрихом Моосом. Значения шкалы от 1 до 10 соответствуют 10 достаточно распространённым минералам от талька до алмаза. Твёрдость минерала измеряется путём поиска самого твёрдого эталонного минерала, который он может поцарапать; и/или самого мягкого эталонного минерала, который царапает данный минерал. Например, если минерал царапается апатитом, но не флюоритом, то его твёрдость находится в диапазоне от 4 до 5.

Предназначена для грубой сравнительной оценки твёрдости материалов по системе мягче-твёрже. Испытываемый материал либо царапает эталон и его твёрдость по шкале Мооса выше, либо царапается эталоном и его твёрдость ниже эталона. Таким образом, шкала Мооса информирует только об относительной твёрдости минералов. Например, корунд (9) в 2 раза твёрже топаза (8), но при этом почти в 4 раза менее твёрдый, чем алмаз (10).

В представленной ниже таблице приведено соответствие твёрдости по шкале Мооса с абсолютной твёрдостью, измеренной склерометром.

Твёрдость по Моосу	Минерал	Абсолютная твёрдость	Изображение	Обрабатываемость
1	Тальк (Mg3Si4O10(OH)2)	1		Царапается ногтем
2	Гипс (CaSO4·2H2O)	3		Царапается ногтем
3	Кальцит (CaCO3) Известковый шпат медь	9		Царапается медной монетой
4	Флюорит (CaF2)	21		Царапается ножом, оконным стеклом
5	Апатит (Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-)) Никель	48		Царапается ножом, оконным стеклом
6	Ортоклаз (KAlSi3O8) Полевой шпат	72		Царапается напильником
7	Кварц (SiO2) Кремний фарфор	100		Поддаётся обработке алмазом, царапает стекло
8	Топаз (Al2SiO4(OH-,F-)2) Наждак	200		Поддаётся обработке алмазом, царапает стекло
9	Корунд (Al2O3) Хром	400		Поддаётся обработке алмазом, царапает стекло
10	Алмаз (C)	1600

Различные шкалы твёрдости нельзя однозначно соотнести друг с другом. Практикой приняты несколько более точных систем измерения твёрдости материалов, ни одна из которых не покрывает весь спектр шкалы Мооса.

В России стандартизированы четыре первые шкалы твёрдости. Первые три перечисленных метода относятся к методам вдавливания, методы Шора и Кузнецова — Герберта — Ребиндера — к динамическим методам определения твёрдости. Значения твёрдости, определённые по методам вдавливания, можно пересчитать из одной шкалы в другую. Конкретный способ определения твёрдости выбирается исходя из свойств материала, имеющейся аппаратуры и др.

Вопросы для самопроверки:

1.  Что такое твердость?

2.  Какие существуют методы измерения твердости?

3.  Как определяется твердость по методу Бринелля?

4.  Каким образом производится выбор диаметра шарика при измерении твердости по методу Бринелля?

5.  Какова зависимость между числами твердости НВ и пределом прочности металлов σв?

6.  Недостатки метода Бринелля.

7.  Как определяется твердость по методу Роквелла?

8.  Каким образом производится выбор наконечника при измерении твердости по методу Роквелла?

9.  Достоинства метода Роквелла по сравнению с методом

Бринелля.

10. Какова зависимость между числами твердости HRC и НВ?

Литература: [1,2,6,8].

Лабораторная работа № 6

Определение твердости материалов методом Бринелля

Цель работы: ознакомление с основными методами определения твердости материалов; с устройством и работой твердомеров.

Оборудование и материалы: твердомеры, образцы материалов;

ГОСТ «Метод измерения твердости по Бринеллю переносными твердомерами статического действия».

По методу Бринелля твердость металла определяют вдавливанием в испытуемый образец (изделие) закаленного стального шарика (рис. 6, а) диаметром 10, 5 или 2,5 мм под действием заданной нагрузки в течении определенного времени и выражают числом твердости НВ, полученный путем деления приложенной нагрузки Р в кг на поверхность образовавшегося на образце отпечатка шарика (шарового сегмента) F в мм:

, [кг / мм2 ]

где Р - нагрузка в кг; D - диаметр шарика в мм; d - диаметр отпечатка шарика в мм.

Диаметр шарика, нагрузку и длительность выдержки под нагрузкой выбирают в зависимости от твердости и толщины образца (табл. 6.1).

Чем тверже металл, тем меньше диаметр отпечатка и тем выше число твердости по Бринеллю.

Диаметр отпечатка измеряется при помощи специальной лупы, имеющей шкалу с ценой деления 0,1 мм или 0,05мм (рис. 6.2 б).

При диаметре шарика 10 мм и нагрузке 3000 кг твердость обозначается цифрами перед символом HB, например 250 HB, что означает твердость по Бринеллю 250 кг / мм2.

Во избежание сложных вычислений числа твердости для каждого отпечатка на практике используются готовыми таблицами.

Таблица 6.1

Материал	Интервал твердости в числах Бринелля	Минимальная толщина испытуемого образца, мм	Соотношение между нагрузкой Р и диаметром шарика D	Диаметр шарика D, мм	Нагрузка Р, кг	Выдержка под нагрузкой, сек
Черные металлы	140-450	От 6 до 3	Р=30D2	10	3000	10
От 4 до 2	5	750
Менее 2	2,5	187,5
Черные металлы	Менее 140	Более 6	Р=10D2	10	1000	10
От 6 до 3	5	250
Менее 3	2,5	62,5
Цветные металлы	Более 130	От 6 до 3	Р=30D2	10	3000	30
От 4 до 2	5	750
Менее 2	2,5	187,5
Цветные металлы	35-130	0т 9 до 5	Р=10D2	10	1000	30
От 6 до 3	5	250
Менее3	2,5	62,5
Цветные металлы	8-35	Более 6	Р=2,5D2	10	250	60
От 6 до 3	5	62,6
Менее3	2,5	15,6

Между числами твердости по Бринеллю и пределом прочности σв металлов существует следующая приближенная зависимость: