Материаловедение. Методические указания к лабораторным работам (стр. 1 )

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Волгоградский государственный технический университет

Камышинский технологический институт (филиал)

Волгоградского государственного технического университета

Кафедра «Общетехнические дисциплины»

Материаловедение

Методические указания

к лабораторным работам

РПК «Политехник»

Волгоград

2006

УДК 620.22

M 34

Материаловедение: Методические указания к лабораторным работам / Сост. , ; Волгоград. гос. техн. ун-т. – Волгоград, 2006. – 47 с.

Содержат краткую теорию, сведения об используемых в работах оборудовании, приборах и образцах, порядок проведения работ и форму отчета, а также перечень контрольных вопросов.

Методические указания разработаны в соответствии с рабочей программой по дисциплине «Материаловедение» и предназначены в помощь студентам, обучающимся по направлению «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств», код ОКСО 150900.

Ил. 22. Табл. 10. Библиогр.: 7 назв.

Рецензент:

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета

Составители: , .

Материаловедение.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

Под редакцией авторов.

Темплан 2006 г., поз. № 10. Подписано в печать г.

Формат 60×84 1/16. Бумага листовая. Гарнитура «Times».

Усл. печ. л.2,94. Усл. авт. л. 2,81. Тираж 100 экз. Заказ № 18.

Волгоградский государственный технический университет.

400131 Волгоград, просп. им. , 28.

РПК «Политехник»

Волгоградского государственного технического университета.

400131 Волгоград, ул. Советская, 35.

 

© Волгоградский

государственный

технический

университет, 2006

Лабораторная работа №1

Тема: определение твердости железоуглеродистых сплавов.

Цель работы:

·  изучение работы твердомеров;

·  определение величины твердости образцов методами Бринелля и Роквелла;

·  приобретение навыков проведения испытаний.

Время, отведенное на проведение работы: 2 часа.

Необходимое оборудование, материалы:

твердомер типа ТШ; твердомер типа ТК-14-250; образцы конструкционных сталей.

1.  Теоретическая часть

Металлы и сплавы, используемые в технике, обладают различными свойствами. Выбор материалов для изготовления деталей машин и приборов определяется действующими нагрузками (их видом и величиной), рабочей средой и механическими свойствами, к которым относят твердость, прочность, пластичность, вязкость, усталость и др. Характеристики механических свойств определяют путем испытания предварительно изготовленных образцов на специальных машинах.

Механические испытания в зависимости от способа приложения нагрузки могут быть:

1.  статические, если нагрузка на образец в процессе испытания возрастает медленно и плавно, при этом совершается медленная деформация испытуемого образца (испытания на растяжение, сжатие, кручение);

2.  динамические, при которых нагрузка на образец действует мгновенно или в течение незначительного времени (испытания на ударную вязкость);

3.  под повторно-переменной нагрузкой.

Указанные испытания свойств металла не отражают полностью его работоспособности в готовых деталях и реальных условиях. В процессе испытания обнаруживаются только те свойства, которые характерны для данного вида испытания, между тем готовая деталь или конструкция часто подвергаются совместному воздействию различных по характеру нагрузок. Например, коленчатый вал при работе воспринимает изгибающие, крутящие и повторно-переменные статические и динамические нагрузки.

Кроме того, так как форма испытуемого образца существенно отличается от формы детали, то некоторые механические свойства, особенно вязкость и пластичность, в готовой детали с резкими переходами по сечению будут отличаться от свойств, определенных при испытаниях гладкого образца. Также в деталях, имеющих большие размеры, чем испытуемый образец, может быть больше пороков (газовых раковин, пузырей, неметаллических включений, микротрещин), уменьшающих механические свойства.

Чтобы приблизить условия лабораторных испытаний к реальным эксплуатационным, наряду с обычными механическими испытаниями, проводят более сложные – на растяжение образцов, установленных с перекосом, на растяжение полых образцов, на ударную вязкость образцов с надрезами.

Твердостью называется свойство материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела, не получающего остаточной деформации.

Величина, характеризующая твердость, называется числом твердости.

Испытание образцов на растяжение и сжатие дает объективную оценку свойств материала, однако в производстве для оперативного контроля над качеством изготовляемых деталей эти методы не подходят, так как приводят либо к разрушению, либо к существенному изменению формы (например, трудно контролировать правильность термообработки готовых изделий).

Определение твердости является весьма распространенным испытанием. Объясняется это чрезвычайной его простотой, которое может быть произведено непосредственно в условиях производства на готовых изделиях, так как остающиеся отпечатки во многих случаях не портят изделия. Если для этой цели и изготовляются образцы, то они просты по форме и требуют небольшого количества материала. При указанных преимуществах по сравнению с другими видами испытания определение твердости позволяет также судить о прочности материала, из которого изготовляется изделие.

На практике контроль твердости осуществляется после термической обработки для установления оптимального режима механической обработки поковок и изделий.

Опытным путем установлено, что для некоторых материалов существует пропорциональность между числом твердости по Бринеллю (НВ) и пределом прочности при разрыве (σпч).

Например для малоуглеродистой стали:

σпч (0,34 - 0,36) НВ. (1)

Для меди, латуни и бронзы:

σпч (0,4 - 0,55) НВ. (2)

Для алюминия:

σпч (0,33 - 0,36) НВ. (3)

Таким образом, в результате пробы на твердость удается определить прочностные показатели материала, не разрушая детали.

Существует множество методов определения твердости. Самые распространённые из них:

1. Метод Бринелля. Твердость определяют вдавливанием в испытуемый образец стального шарика определенного диаметра под действием заданной нагрузки в течение определенного времени.

2. Метод Роквелла. В испытываемый образец вдавливают алмазный конус с углом 120° или стальной закаленный шарик диаметром 1,588 мм.

3. Метод Виккерса. В испытываемый образец вдавливают четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136°. Твердость определяют по величине диагонали отпечатка.

4. Метод Шора. За меру твердости принимают величину упругой энергии отскока бойка, падающего на образец.

5. Метод Хрущова-Берковича (испытание на микротвердость). Проводят так же как испытание по Виккерсу, но с применением малых нагрузок – от 0,02 до 5 Н. Это дает возможность испытывать на твердость мелкие и тонкие детали (ленту, фольгу, проволоку), тонкие слои, получающиеся в результате химико-термической обработки, изделий небольших размеров, отдельных структурных составляющих сплавов и гальванических покрытий.

6. Метод определения твёрдости путем динамического вдавливания стального шарика или специального наконечника в испытываемый материал.

7. Метод определения твёрдости царапанием металла алмазным конусом с углом заточки обычно 90°.

В лабораторной работе твердость определяется методами Бринелля и Роквелла.

1.1. Определение твердости по Бринеллю

В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром D 2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщины изделия.

Нагрузка Р (Н) зависит от диаметра шарика и измеряемой твердости. Для термически обработанной стали и чугуна:

. (4)

Для литой бронзы и латуни:

. (5)

Для алюминия и других очень мягких материалов:

. (6)

В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка). Отношение нагрузки к площади поверхности полученного отпечатка (шарового сегмента) F (мм2) дает число твердости по Бринеллю, обозначаемое НВ:

. (7)

Площадь поверхности F шарового сегмента:

F = π D h , (8)

где D – диаметр вдавливаемого шарика (мм);

h – глубина отпечатка (мм).

Так как глубину отпечатка h измерить трудно (рис. 1), а гораздо проще измерить диаметр отпечатка d, то целесообразно величину h выразить через диаметры D и d, тогда число твердости по Бринеллю будет определяться по формуле:

. (9)

На практике чаще используют табл. 4, во избежание сложных вычислений.

Рис. 2. Прибор типа ТШ

с механическим приводом

Твердость по Бринеллю определяют на приборе типа ТМ-2 или ТШ (рис. 2). На массивной литой чугунной станине 1 смонтирован поперечник с шариком 2. На столик 3 устанавливается испытываемый образец. Столики – сменные в зависимости от размеров образцов. Вращением по часовой стрелке вручную, столик поднимается вверх, и образец прижимается к шарику до упора. Дальнейшее нагружение и разгрузка осуществляется автоматически с помощью электродвигателя, червячного редуктора и механизма переключения движения (реверсирование). В зависимости от грузов 4, навешивающихся на рычаг, создается различная нагрузка. Механизм нагружения рычажного типа имеет передаточное отношение 1:50. Размер шарика, время выдержки и величину нагрузки выбирают в зависимости от толщины образца и материала. Включение механизма нагружения происходит следующим образом: при нажатии на пусковую кнопку включается магнитный пускатель, который своими контактами включает электродвигатель в сеть. Вращение ротора электродвигателя через червячный двухступенчатый редуктор передается на кривошипно-шатунный механизм нагружения. Шатун опускается и освобожденная рычажная система нагружения передает через шарик на испытуемое изделие заданную испытательную нагрузку. Возврат механизма нагружения в исходное положение осуществляется механизмом переключения вращения ротора электродвигателя (реверсированием).

Наиболее стандартными условиями при испытании являются: нагрузка 30 кН, диаметр шарика 10 мм и длительность выдержки 10 с.

К недостаткам метода Бринелля следует отнести:

а) невозможность испытания металлов, имеющих твердость более

НВ 450, так как шарик будет деформироваться и показания будут неточными;

б) невозможность испытания твердости тонкого поверхностного слоя (менее 1-2 мм), так как шарик будет продавливать тонкий слой металла;

в) после испытания остаются заметные следы на поверхности изделия;

г) достаточная длительность испытания.

Поверхности образца, как испытываемая, так и опорная, должны быть плоскими, параллельными друг другу и не должны иметь таких дефектов, как окалина, забоины, грязь, следы масла, различные покрытия (например, гальванические). Все дефекты поверхности должны быть удалены. Перед испытанием поверхность образца, в которую будет вдавливаться шарик, обрабатывают наждачным камнем (если материал твердый) или напильником (если материал мягкий).

Центр отпечатка должен находиться от края образца на расстоянии не менее диаметра шарика, а от соседнего отпечатка – на расстоянии, не менее двух диаметров шарика.

Полученный отпечаток измеряют с помощью лупы или микроскопа в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Микроскоп имеет шкалу (рис. 3). Передвигая микроскоп, надо один край отпечатка совместить с началом шкалы, и по шкале определить размер диаметра. Диаметр отпечатка определяется как среднее арифметическое из двух измерений.

1.2. Определение твердости по Роквеллу

Шарик или конус (из технического алмаза) с углом 120° вдавливается в испытываемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок – предварительной P0 и основной P1. Общая нагрузка – P равна сумме предварительной и основной нагрузок. Предварительная нагрузка во всех случаях равна 98,7 Н.

Общую нагрузку, вид наконечника и шкалу твердости выбирают в зависимости от предполагаемой твердости изделия (табл. 1).

Число твердости по Роквеллу – число отвлеченное и выражается в условных единицах.

За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм вглубь материала.

Определение твердости методом Роквелла имеет широкое применение, так как этот метод дает возможность испытывать мягкие, твердые, а также тонкие материалы. Отпечатки от конуса или шарика очень малы, и поэтому можно испытывать детали без их порчи (сохраняется качественная поверхность после испытания – можно испытывать готовые изделия); испытание легко выполнимо и занимает мало времени (высокая производительность), простота обслуживания, точность измерения; не требуется никаких измерений, и число твердости читается прямо по шкале.

Расстояние от центра отпечатка до края изделия или до центра другого отпечатка должно быть не менее 4 мм.

Этот метод не рекомендуется применять для определения твердости неоднородных по структуре сплавов (чугуна), для испытания криволинейных поверхностей с радиусом кривизны менее 5 мм и для испытания деталей, которые под действием нагрузки могут деформироваться, а также очень мягких материалов. Если при испытании твердость по Роквеллу получилась менее 18 единиц, то материал очень мягкий и его предпочтительнее испытывать методом Бринелля.

По методу Роквелла испытания проводят на приборах типа ТК-14-250 (рис. 4). Все основные узлы прибора смонтированы в чугунном литом корпусе 1. Наконечник 2 с шариком или конусом вставляется в шпиндель. Подъемный винт 4 служит для подвода испытуемой детали к наконечнику, отвода ее после окончания испытания и способствует приложению предварительной нагрузки. На столик 3 устанавливается образец. Поворотом винта 4 столик (при испытании цилиндрических образцов пользуются столиками с V-образными канавками; при этом проверяют совпадение конца наконечника с центром столика) с образцом поднимается до упора и дальше, пока малая стрелка не установится на красную точку, а большая стрелка – на ноль черной шкалы (устанавливается вращением барабана). Основная нагрузка прикладывается к образцу с помощью электродвигателя, включаемого нажатием клавиши или поворотом рукоятки 5. Привод состоит из одноступенчатого червячного редуктора и кулачка, профиль которого рассчитан на проведение испытания с циклом нагружения 5 с. Число твердости отсчитывают по шкале индикатора, который представляет собой циферблат, на котором нанесены две шкалы – черная и красная и имеются две стрелки – большая и малая. Большая стрелка служит для указания твердости, а малая – для контроля величины предварительного нагружения, сообщаемого маховичком. Вращением маховика против часовой стрелки испытуемое изделие отводим от наконечника и снимаем его со стола.

Также как и в методе Бринелля применен механизм нагружения рычажного типа, но уже с передаточным отношением 1:20.

К образцам требования такие же, как и в методе Бринелля.

Таблица 1

Применение различных шкал в методе Роквелла

Обозначение шкалы	Вид наконечника	Общая нагрузка, Н	Обозначение числа твердости
В	Стальной шарик d = 1,588 мм	98,7	HRВ (для испытания мягких металлов, металлов средней твердости и изделий толщиной от 0,8 до 2 мм)
С	Алмазный конус	1471	HRС (для испытания закаленных сталей, обладающих твердостью до НRС 67, и для определения твердости тонких поверхностных слоев толщиной более 0,5 мм)
А	Алмазный конус	588,4	HRА (для испытания твердых и сверхтвердых сплавов, изделий с поверхностной термической обработкой, тонкого листового материала и для измерения твердости тонких поверхностных слоев (0,3-0,5 мм) или тонких пластинок)

На основании опытных работ установлена связь между числами твердости по Роквеллу и по Бринеллю, которая позволяет осуществлять перевод одних чисел твердости в другие (табл. 4).

2. Порядок выполнения работы

2.1. Определение твёрдости методом Бринелля

1.  Записать в отчет сведения об оборудовании.

2.  Нарисовать схему испытания (рис. 1).

3.  Записать параметры испытания D = 10 мм, Р = 30 кН.

4.  Провести три испытания.

5.  Измерить диаметр каждого отпечатка в двух направлениях (рис. 3).

6.  Записать результаты измерений табл. 2.

7.  Вычислить по формуле dср:

. (10)

8.  Определить НВ по формуле (9).

9.  По табл. 4 определить число твердости по Бринеллю и сопоставить результаты.

Таблица 2

Результаты испытаний методом Бринелля

№ отпечатка	d1	d2	dсрi	dср	НВ
1
2
3

2.2. Определение твёрдости методом Роквелла

1.  Записать в отчет сведения об оборудовании.

2.  Провести не менее 4-х испытаний.

3.  Записать результаты испытаний в табл. 3.

4.  Определить число твердости по Роквеллу как среднее арифметическое полученных 4-х результатов испытаний.

5.  Произвести сравнение по табл. 4 (если использовался одинаковый материал в 2-х методах).

6.  Написать выводы по работе.

Таблица 3

Результаты испытаний методом Роквелла

№ испытания	1	2	3	4	HRCср.
число твердости НRС

Таблица 4

Соотношение чисел твердости по Бринеллю и

Роквеллу и их зависимость от диаметра отпечатка

Диаметр отпечатка, мм	НВ	HRС	Диаметр отпечатка, мм	НВ	HRС
2,20	780	72	4,20	207	18
2,30	712	63	4,30	196	15
2,40	653	64	4,40	187	9
2,50	600	60	4,50	179	7
2,60	555	56	4,60	170	4
2,70	514	52	4,70	163	2
2,80	477	49	4,80	156	-
2,90	444	46	4,90	149	-
3,00	415	44	5,00	143	-
3,10	388	41	5,10	137	-
3,20	363	39	5,20	131	-
3,30	341	37	5,30	126	-
3,40	321	35	5,40	121	-
3,50	302	33	5,50	116	-
3,60	285	30	5,60	111	-
3,70	269	28	5,70	107	-
3,80	255	26	5,80	103	-
3,90	241	24	5,90	99	-
4,00	228	22	6,00	96	-
4,10	217	20

3. Содержание отчёта