2018-03-09
174
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
Лабораторная работа № 1
Испытание материалов на твёрдость (2 часа)
Цель работы: определить твёрдость материалов (сплавов) по методу Бринелля и Роквелла.
Задачи работы:
1 усвоить сущность понятий «твёрдость», «индентор»;
2 ознакомиться с наиболее широко используемыми в промышленности и лабораторных исследованиях методами испытаний материалов на твёрдость;
3 изучить устройство и принципы работы твердомеров (прессов для измерения твёрдости);
4 освоить методику определения твёрдости материала на твердомерах Бринеля и Роквелла.
Обеспечивающие средства: твердомеры Бринелля и Роквелла, образцы стали (отожжённой и закалённой, алюминиевых и медных сплавов, баббитов), микролупа.
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Измерение твёрдости – распространённый вид испытания материалов. Его преимущества: не вызывает серьёзного повреждения испытуемого материала; не требует изготовления специальных образцов; для испытания на твёрдость достаточно иметь небольшой участок поверхности обработанный напильником, шлифовальным кругом или шлифовальной бумагой.
|
|
|
Твёрдостью называется способность материала сопротивляться внедрению в него постороннего более твердого тела. Индентором называется наконечник, определённой формы и размеров, вдавливаемый в испытуемый материал.
Существуют статические и динамические методы измерения твёрдости материалов. К статистическим методам относятся: а) методы вдавливания: Бринелля, Роквелла. Виккерса, Хрущёва – Берковича (определение микротвёрдости) и пр.; б) метод царапания. К динамическим методам относятся: 1) метод Польди; 2) метод Шора (упругого отскока бойка).
Наиболее широко применяемыми на производстве и в лабораторных исследованиях являются метод Бринеля и метод Роквелла.
Метод Бринеля (ГОСТ 9012-59) заключается в том, что в испытуемую деталь под определённой нагрузкой вдавливается стальной закаленный шарик. Число твёрдости определяется отношением нагрузки к площади поверхности отпечатка (шарового сегмента). Обычно твёрдость по Бринелю (НВ) не вычисляется, а находится по диаметру полученного отпечатка с помощью таблицы 1.1.
Твердомер Бринеля комплектуется закалёнными стальными шариками диаметрами 10, 5 и 2,5 мм. Диаметр шарика и нагрузку выбирают в соответствии с формой и размером образца, природой испытуемого материала.
Так, диаметр шарика (D) выбирают в зависимости от толщины образца (h):
а) D = 10 мм при h > 6 мм;
б) D = 5 мм при 3 мм > h > 6 мм;
в) D = 2,5 мм при h < 3 мм.
Величина нагрузки (Р) выбирают в зависимости от испытуемого материала:
|
|
|
а) Р = 30 · D 2 – незакалённые железоуглеродистые сплавы
(сталь и чугун);
б) Р = 10 · D 2 – медные сплавы (латунь и бронза),
алюминиевые сплавы (силумин, дюралюмин, и пр.);
в) Р = 30 · D 2 – сплавы на основе олова или свинца
(баббиты – антифрикционные сплавы).
Замер диаметра отпечатка проводят 2 … 3 раза лупами с ценой деления 0,05 или 0,01 мм. По методу Бринеля испытываются материалы с невысокой и средней твёрдостью (менее НВ 450): сплавы цветных металлов, отожжённая сталь.
Метод Роквелла (ГОСТ 9013-59) применяют для определения твёрдости материалов высокой твёрдости (более НВ 450) по шкалам «А», «В», «С» при комнатной температуре (20 … 10 ºC).
Индентор вдавливается в испытуемый образец под давлением двух последовательно прикладываемых нагрузок – предварительной и общей, которая равна сумме предварительной и основной нагрузок. Нагрузка может изменяться в широком диапазоне.
Наиболее часто используют нагрузки: ~ 1500 Н – шкала «С», 1000 Н – шкала «В», 600 Н – шкала «А». При всех видах испытаний даётся предварительная нагрузка в 100 Н, которая определяется положением малой стрелки на индикаторе против красного пятнышка при соприкосновением испытуемого образца с наконечником. Твёрдость определяется по шкалам, соответствующим установленным нагрузкам.
Таблица 1.1 – Определение твёрдости по диаметру отпечатка
| Диаметр отпечатка d, мм | Число твёрдости при нагрузке Р, равной | Диаметр отпечатка d, мм | Число твердости при нагрузке Р, равной | ||||
| 29400 Н | 9800 Н | 2450 Н | 29400 Н | 9800 Н | 2450 Н | ||
| 2, 90 | 444 | 4, 55 | 174 | 58, 1 | 14, 5 | ||
| 2, 95 | 429 | 4, 60 | 170 | 56, 8 | 14, 2 | ||
| 3, 0 | 415 | 34, 6 | 4, 65 | 167 | 55, 5 | 13, 9 | |
| 3, 05 | 401 | 33, 4 | 4, 70 | 163 | 54, 3 | 13, 6 | |
| 3, 10 | 388 | 129 | 32, 3 | 4, 75 | 159 | 53, 0 | 13, 3 |
| 3, 15 | 375 | 125 | 31, 3 | 4, 80 | 156 | 51, 9 | 13, 0 |
| 3, 20 | 363 | 121 | 30, 3 | 4, 85 | 152 | 50, 7 | 12, 7 |
| 3, 25 | 352 | 117 | 29, 3 | 4, 90 | 149 | 49, 6 | 12, 4 |
| 3, 30 | 341 | 114 | 28, 4 | 4, 95 | 146 | 48, 6 | 12, 2 |
| 3, 35 | 331 | 110 | 27, 6 | 5, 0 | 143 | 47, 5 | 11, 9 |
| 3, 40 | 321 | 107 | 26, 7 | 5, 05 | 140 | 46, 5 | 11, 6 |
| 3, 45 | 311 | 104 | 26, 0 | 5, 10 | 137 | 45, 5 | 11, 4 |
| 3, 50 | 302 | 101 | 25, 2 | 5, 15 | 134 | 44, 6 | 11, 2 |
| 3, 55 | 293 | 97, 7 | 24, 5 | 5, 20 | 131 | 43, 7 | 10, 9 |
| 3, 60 | 285 | 95, 0 | 23, 7 | 5, 25 | 128 | 42, 8 | 10, 7 |
| 3, 65 | 277 | 92, 3 | 23, 1 | 5, 30 | 126 | 41, 9 | 10, 5 |
| 3, 70 | 269 | 89, 7 | 22, 4 | 5, 35 | 123 | 41, 0 | 10, 3 |
| 3, 75 | 262 | 87, 2 | 21, 8 | 5, 40 | 121 | 40, 2 | 10, 1 |
| 3, 80 | 255 | 84, 9 | 21, 2 | 5, 45 | 118 | 39, 4 | 9, 86 |
| 3, 85 | 248 | 82, 6 | 20, 7 | 5, 50 | 116 | 38, 6 | 9, 66 |
| 3, 90 | 241 | 80, 4 | 20, 1 | 5, 55 | 114 | 37, 9 | 9, 46 |
| 3, 95 | 235 | 78, 3 | 19, 6 | 5, 60 | 111 | 37, 1 | 9, 27 |
| 4, 0 | 229 | 76, 3 | 19, 1 | 5, 65 | 109 | 36, 4 | 9, 10 |
| 4, 05 | 223 | 74, 3 | 18, 6 | 5, 70 | 107 | 35, 7 | 8, 93 |
| 4, 10 | 217 | 72, 4 | 18, 1 | 5, 75 | 105 | 35, 0 | 8, 76 |
| 4, 15 | 212 | 70, 6 | 17, 6 | 5, 80 | 103 | 34, 3 | 8, 59 |
| 4, 20 | 207 | 68, 8 | 17, 2 | 5, 85 | 101 | 33, 7 | 8, 43 |
| 4, 25 | 201 | 67, 1 | 16, 8 | 5, 90 | 99, 2 | 32, 4 | 8, 26 |
| 4, 30 | 197 | 65, 5 | 16, 4 | 5, 95 | 97, 3 | 31, 8 | 8, 11 |
| 4, 35 | 192 | 63, 9 | 16, 0 | 6, 0 | 95, 5 | 31, 2 | 7, 26 |
| 4, 40 | 187 | 62, 4 | 15, 6 | ||||
| 4, 45 | 183 | 60, 9 | 15, 2 | ||||
| 4, 50 | 179 | 59, 5 | 14, 9 | ||||
Примечание:
а) диаметры отпечатков в таблице 1.1. даны для шарика с D = 10 мм;
б) для определения по таблице 1.1 числа твёрдости при испытании шариком диаметром 5 мм диаметр отпечатка умножают на 2, а при испытании шариком в 2,5 мм – на 4.
Таблица 1.2 – Соотношение чисел твёрдости по Бринелю, Роквеллу и
Виккерсу
| Твёрдость по Виккерсу | Твёрдость по Бринелю (D = 10 мм; Р = 29400 Н) | Твёрдость по Роквеллу | Твёрдость по Виккерсу | Твёрдость по Бринелю (D = 10 мм; Р = 29400 Н) | Твёрдость по Роквеллу | ||||||
| Шкала | Шкала | ||||||||||
| d, мм | НВ | С | В | А | d, мм | НВ | С | В | А | ||
| 1224 | 2,20 | 780 | 72 | – | 84 | 228 | 4 | 229 | 20 | 100 | 61 |
| 1116 | 2,25 | 745 | 70 | – | 83 | 222 | 4,05 | 223 | 19 | 99 | 60 |
| 1022 | 2,30 | 712 | 68 | – | 82 | 217 | 4,1 | 217 | 17 | 98 | 60 |
| 941 | 2,35 | 682 | 66 | – | 81 | 213 | 4,15 | 212 | 15 | 97 | 59 |
| 868 | 2,40 | 653 | 64 | – | 80 | 208 | 4,2 | 207 | 14 | 96 | 59 |
| 804 | 2,45 | 627 | 62 | – | 79 | 201 | 4,25 | 201 | 13 | 95 | 58 |
| 746 | 2,50 | 601 | 60 | – | 78 | 197 | 4,3 | 197 | 12 | 94 | 58 |
| 694 | 2,55 | 578 | 58 | – | 78 | 192 | 4,35 | 192 | 11 | 93 | 57 |
| 650 | 2,60 | 555 | 56 | – | 77 | 186 | 4,4 | 187 | 9 | 92 | 57 |
| 606 | 2,65 | 534 | 54 | – | 76 | 183 | 4,45 | 183 | 8 | 91 | 56 |
| 587 | 2,70 | 514 | 52 | – | 75 | 178 | 4,5 | 179 | 7 | 90 | 56 |
| 551 | 2,75 | 495 | 50 | – | 74 | 174 | 4,55 | 174 | 6 | 90 | 55 |
| 534 | 2,80 | 477 | 49 | – | 74 | 171 | 4,6 | 170 | 4 | 89 | 55 |
| 502 | 2,85 | 461 | 48 | – | 73 | 166 | 4,65 | 167 | 3 | 88 | 54 |
| 474 | 2,90 | 444 | 46 | – | 73 | 162 | 4,7 | 163 | 2 | 87 | 53 |
| 460 | 2,95 | 429 | 45 | – | 72 | 159 | 4,75 | 159 | 1 | 86 | 53 |
| 435 | 3,00 | 415 | 43 | – | 72 | 155 | 4,8 | 156 | 0 | 85 | 52 |
| 423 | 3,05 | 401 | 42 | – | 71 | 152 | 4,85 | 152 | – | 84 | – |
| 401 | 3,10 | 388 | 41 | – | 71 | 149 | 4,9 | 149 | – | 83 | – |
| 390 | 3,15 | 375 | 40 | – | 70 | 148 | 4,95 | 148 | – | 82 | – |
| 380 | 3,20 | 363 | 39 | – | 70 | 143 | 5 | 143 | – | 81 | – |
| 361 | 3,25 | 352 | 38 | – | 69 | 140 | 5,05 | 140 | – | 80 | – |
| 344 | 3,30 | 341 | 36 | – | 68 | 138 | 5,1 | 138 | – | 79 | – |
| 334 | 3,35 | 331 | 35 | – | 67 | 134 | 5,15 | 134 | – | 78 | – |
| 320 | 3,40 | 321 | 33 | – | 67 | 131 | 5,2 | 131 | – | 77 | – |
| 311 | 3,45 | 311 | 32 | – | 66 | 129 | 5,25 | 129 | – | 76 | – |
| 303 | 3,50 | 302 | 31 | – | 66 | 127 | 5,3 | 127 | – | 75 | – |
| 292 | 3,55 | 293 | 30 | – | 65 | 123 | 5,35 | 123 | – | 74 | – |
| 285 | 3,60 | 285 | 29 | – | 65 | 121 | 5,4 | 121 | – | 73 | – |
| 278 | 3,65 | 277 | 28 | – | 64 | 118 | 5,45 | 118 | – | 72 | – |
| 270 | 3,70 | 269 | 27 | – | 64 | 116 | 5,5 | 116 | – | 71 | – |
| 261 | 3,75 | 262 | 26 | – | 63 | 115 | 5,55 | 115 | – | 70 | – |
| 255 | 3,80 | 255 | 25 | – | 63 | 113 | 5,6 | 113 | – | 68 | – |
| 249 | 3,85 | 248 | 24 | – | 62 | 110 | 5,65 | 110 | – | 67 | – |
| 240 | 3,90 | 241 | 23 | 102 | 62 | 109 | 5,7 | 109 | – | 66 | – |
| 235 | 3,95 | 235 | 21 | 101 | 61 | 108 | 5,75 | 108 | – | 65 | – |
Для измерения твёрдости по шкалам «А» и «С» используют алмазный конус с углом при вершине 120º и радиусом закругления при вершине 0,2 мм, по шкале «В» – стальной шарик диаметром 1/16'' (1,588 мм).
|
|
|
При способе Роквелла измеряется глубина отпечатка. Величина же твёрдости характеризуется условным числом и является обратной величиной от глубины вдавливания. Чем больше глубина вдавливания, тем меньше твёрдость. Твёрдость по Роквеллу обозначают НR с добавлением латинской буквы, обозначающей шкалу, по которой проводились измерения.
По шкале «С» измеряют твёрдость закалённых сталей, закалённых и отпущенных сплавов в диапазоне твёрдости НRС 20 … 67. По шкале «В» измеряют твёрдость сталей с низким и средним содержанием углерода, латуней, бронз и других материалов в диапазоне твёрдости НRВ 25 … 100. По шкале «А» измеряют твёрдость твёрдых хрупких материалов (покрытий) в диапазоне НRА 70 … 85.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1 Ознакомится с устройством и работой твердомеров Бринеля и Роквелла.
2 Измерить твёрдость предложенных образцов сплавов.
3 Занести полученные результаты измерений в сводную таблицу результатов испытаний материалов на твёрдость (см. ниже).
|
|
|
ТРЕБОВАНИЯ К СОДЕРЖАНИЮ ОТЧЁТА
1 Изложить основные понятия.
2 Дать таблицу результатов испытания материалов на твёрдость.
3 Представить выводы об использовании изученных методов испытания материалов на твёрдость в промышленности.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1 Каким методом и при каких условиях определяют твёрдость бронзовой детали?
2 Какова зависимость числа твёрдости по Бринелю от диаметра отпечатка?
3 Как влияет тип испытуемого материала на выбор нагрузки при испытании твёрдости по Бринелю?
4 Каким методом и при каких условиях испытывают на твердость стальную закалённую деталь?
5 Каково примерное соотношение чисел твёрдости п HB и HRC?
Таблица 1.3 – Результаты испытаний материалов на твёрдость
| № образца | Материал образца | Метод испытания | Условия испытания | Результаты испытания |
| 1 | Сталь отожжённая | d =? HB? | ||
| 2 | Медный сплав | d =? HB? | ||
| 3 | Алюминие-вый сплав | d =? HB? | ||
| 4 | Баббит | d =? HB? | ||
| 5 | Сталь закаленная | HRC? НВ? |
Примечание: D – диаметр шарика, мм,
d –диаметр отпечатка, мм,
Р – нагрузка, Н.
