Теоретические сведения. (направление подготовки

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

ПО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЮ И ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ

(направление подготовки

«Техносферная безопасность»)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ

Цель работы: усвоить знания о твердости материалов и взаимосвязи её с другими физико-механическими свойствами; приобрести умения в определении твердости материалов, навыков работы на приборах для измерения твердости методами Роквелла, Бринелля и Виккерса.

Задание

1. Изучить теоретические основы по твердости материалов.

2. Ознакомиться с устройством приборов для измерения твердости металлов по методу Роквелла, Бринелля и Виккерса.

3. Овладеть методикой определения твердости металлов.

4. Измерить твердость различных марок сталей на твердомере. Результаты измерений занести в протокол испытаний (табл.1.3).

5. Определить влияние содержания углерода на твердость углеродистых сталей и его механические свойства.

Теоретические сведения

Твердостью называют свойство материала оказывать сопротивление проникновению в него более твердого тела, не получающее при этом остаточной деформации. Для измерения твердости материалов применяют методы Бринелля, Роквелла, Виккерса.

Метод Бринелля основан на внедрении в металл под нагрузкой закаленного стального шарика определенного диаметра D, по величине шарового отпечатка d судят о его твердости. Этот метод применяется для определения твердости чугунов, цветных металлов и сплавов, сталей с твердостью менее НВ 450 (НВ – единицы твердости по Бринеллю). Твердость по Бринеллю (НВ) представляет собой отношение нагрузки Р, приложенной к шарику, к площади поверхности шарового отпечатка. Выразив площадь поверхности шарового отпечатка через диаметр шарика D и диаметр отпечатка d, получим формулу:

Нагрузку Р, диаметр шарика D и продолжительность выдержки шарика под нагрузкой выбирают в зависимости от металла, твердости и толщины испытываемого образца (табл. 1).

Твердость, измеренная по методу Бринелля (НВ) для ряда металлов, связана эмпирической зависимостью с пределом их прочности при растяжении σ_в (МПа).

Для углеродистых сталей σ_в=3,4 НВ, для легированных сталей σ_в=(3,3-3,5) НВ, для медных сплавов σ_в=4,5 НВ и для алюминиевых сплавов σ_в=3,5 НВ.

Таблица 1 – Зависимость диаметра шарика и нагрузки от твердости и толщины испытываемого образца

Материал	Твердость НВ	Минимальная толщина образца, мм	Диаметр шарика D, мм	Нагрузка Р, кН	Выдержка, с
Черные металлы	140-450	6-3 4-2 Менее 2	2,5	7,5 1,875
Менее 140	Более 6 6-3 Менее 3	2,5	2,5 0,625
Цветные металлы	35-130	9-3 6-3 Мене 3	2,5	2,5 0,625
8-35	Более 6 6-3 Менее 3	2,5	2,5 0,625 0,156

Метод Бринелля не позволяет испытывать материалы твердостью более НВ 450 и измерять твердость тонкого поверхностного слоя (толщиной менее 1-2 мм), так как стальной шарик продавливает этот слой и проникает на большую глубину.

Метод Роквелла основан на том, что в испытуемый образец вдавливается алмазный конус с углом при вершине 120⁰ или стальной закаленный шарик диаметром 1,59 мм. Алмазный конус применяют для твердых металлов, а шарик – для более мягких.

Этот метод отличается быстротой и высокой производительностью, обеспечивает сохранение качественной поверхности после испытаний, позволяет испытывать металлы, как низкой, так и высокой твердости, при толщине изделия не менее 0,4 мм. Он не рекомендуется для сплавов с неоднородной структурой (чугуны серые, ковкие и высокопрочные).

Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах в зависимости от глубины отпечатка. В связи с изменением государственного эталона, числа твердости НRC шкалы С Роквелла, ранее применявшиеся в промышленности, заменены на числа твердости НRC шкалы С Роквелла. Соотношение этих величин приведено в таблице 1.4.

Метод Виккерса основывается на измерении твердости с помощью четырехгранной алмазной пирамиды, вдавливаемый в испытуемый образец под давлением определенной нагрузки (10…1000Н) в течение заданного времени (обычно 15 с). Этот метод широко применяется для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость (цементированных, азотированных и т.д.)

Твердость по Виккерсу (НV) определяется по формуле:

HV=0,189(Р/d²),

где Р – нагрузка, Н;

d – длина диагонали отпечатка, мм.

Величина нагрузки выбирается в зависимости от размеров детали и твердости металла. Чем тоньше материал, тем меньше должна быть нагрузка, тем точнее результат испытания.