Описание лабораторной установки. Лабораторная установка включает в себя нагревательную плитку, тигели для расплавленных металлов и сплавов; термопару

Лабораторная установка включает в себя нагревательную плитку, тигели для расплавленных металлов и сплавов; термопару, милливольтметр; секундомер. Исследуемыми металлами являются олово, свинец, припой ПОС с известным процентным содержанием.

Задания к работе

1. Построить кривые охлаждения чистых металлов и их сплавов.

2. По кривым охлаждения определить температуру фазовых превращений.

3. Построить диаграмму состояния сплава.

4. Оценить количественно состав твердой и жидкой фазы при температурах Т ₁ и Т ₂.

5. Определить количественное соотношение фаз при кристаллизации в сплавах, содержащих свинца соответственно 20%, 40%, 60%, 80% при температурах Т ₁ и Т ₂.

Указания к выполнению работы

1. Тигели с металлом поставить на плитку и расплавить металлы, нагрев плитку до необходимой температуры.

2. Снимая поочередно с плитки тигели с металлами и сплавом с помощью градуированной термопары снять зависимость температуры металла (сплава) от времени Т = f (τ).

3. По критическим точкам построить диаграммы состояния, используя одну ось температур.

4. Для количественной оценки состава жидкой и твердой фазы сплава при заданной температуре воспользоваться правилом концентрации, определив проекции соответствующих точек на линиях ликвидус и солидус.

5. Соотношение фаз при кристаллизации определить с помощью правила отрезков:

Содержание твердой фазы в сплаве:

 

 

Содержание жидкой фазы:

 

 

где Т _iж Т _i – расстояние вдоль оси концентрации от точки пересечения линий заданной температуры и заданной концентрации до линии ликвидус;

Т _i Т _iс – расстояние вдоль оси концентраций от указанной точки до линии солидус.

Контрольные вопросы

1. Почему наибольшее распространение в качестве конструктивных материалов получили сплавы?

2. Что называется диаграммой состояния сплавов и каков принцип их построения?

3. Как можно проверить правильность построения диаграммы состояния сплава?

4. Одинакова ли физическая сущность появления на диаграммах состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов и сплавов, компоненты которых практически не растворимы в твердом состоянии, горизонтальных участков, параллельных оси концентрации.

Лабораторная работа № 3

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО БРИНЕЛЮ

(Продолжительность лабораторной работы 2 ч;

домашняя подготовка ─ 2 ч)

1 Краткие прикладные и теоретические сведения
по изучаемым вопросам

Твердость – это свойство материалов оказывать сопротивление при местных контактных воздействиях пластической деформации или хрупкому разрушению в поверхностном слое в определенных условиях испытания.

Для оценки твердости металла предложено несколько методов. Так, применяют царапанье острым наконечником при давлении с определенным усилием. Ширину этой царапины используют как критерий для оценки твердости. Распространен также метод отскока, когда стальной шарик сбрасывают с определенной высоты на подготовленную нужным образом поверхность используемого материала; по высоте отскока шарика судят о твердости. Иногда вместо шарика применяют боек с алмазным наконечником определенной формы. Наибольшее распространение получили методы оценки твердости по сопротивлению испытуемого материала внедрению в него другого более твердого тела, называемого индентором.

Существующие методы измерения твердости значительно отличаются друг от друга по форме применяемого индентора, условиям приложения нагрузки и способы расчета чисел твердости. Выбор метода зависит от различных факторов: твердости материала, его размеров, толщины слоя, твердость которого необходимо измерить, и т.д.

Способы определения твердости делят на статические и динамические в зависимости от скорости приложения нагрузки, по способу же ее приложения – на методы вдавливания, царапания. Наиболее распространены методы определения твердости, в которых используется статическое вдавливание индентора перпендикулярно поверхности образца.

Во всех методах испытания на твердость очень важно правильно подготовить поверхностный слой образца. Он должен по возможности полно характеризовать тот материал, твердость которого необходимо определить. Все поверхностные дефекты (окалина, выбоины, вмятины, грубые риски и т.д.) должны быть удалены. Требования к качеству испытуемой поверхности зависят от применяемого индентора и величины прилагаемой нагрузки. Чем меньше глубина вдавливания индентора, тем выше должна быть чистота поверхности и тем более строго нужно следить за тем, чтобы свойства поверхностного слоя не изменились вследствие наклепа или разогрева при шлифовании и полировке.

При определении твердости всеми методами, кроме метода микротвердости, измеряют суммарное сопротивление металла внедрению в него индентора, усредняющее твердость всех имеющихся структурных составляющих. Поэтому получающийся после снятия нагрузки отпечаток должен быть по размеру значительно больше размеров зерен отдельных структурных составляющих. Неизбежные различия в структуре отдельных участков образца приводят к разбросу значений твердости.

Измерение твердости по Бринеллю [метод назван по имени шведского инженера Ю. А. Бринелля (J. A. Brinell; 1849—1925)]. При стандартном измерении твердости по Бринелю стальной шарик диаметром Д вдавливают в испытуемый образец под нагрузкой Р, приложенной в течение определенного времени, и после снятия нагрузки измеряют диаметр d оставшегося на поверхности образца отпечатка (рисунок 4).

Число твердости по Бринелю (НВ) определяется как отношение нагрузки Р, действующей на шаровой индентор диаметром Д, к площади F шаровой поверхности отпечатка:

НВ= (1)

 

Площадь отпечатка может быть определена и по глубине вдавливания индентора:

F = π Dh. (2)

 

Число твердости имеет размерность напряжения (Па), однако в соответствии со стандартом она не пишется. При определении твердости НВ шариком с Д =10 мм под нагрузкой Р =3000 кгс (≈30000Н) и временем выдержки τ =10 с число твердости записывают: НВ 400, НВ 250 и т.д. При использовании других условий испытания индекс НВ дополняют цифрами, указывающими диаметр использованного шарика (мм), нагрузку (кгс) и продолжительность выдержки (с). Например, НВ 5/750/30–350 – это число твердости по Бринелю (350), полученное при вдавливании шарика с D = 5 мм нагрузкой Р = 750 кгс в течение τ = 30 с.

При определении твердости по Бринелю используют шаровые инденторы диаметром 2,5; 5 или 10 мм. Их изготовляют из стали твердостью не менее 850 кгс/мм². С помощью метода Бринеля можно испытывать материалы твердостью от НВ 8 до НВ 450. Минимальная толщина испытуемого образца должна быть не менее 10–кратной глубины отпечатка. При известной НВ примерная глубина отпечатка

h = Р /(π× D × НВ). (3)

Диаметр отпечатка измеряют с точностью (0,01–0,05 мм) с помощью измерительной лупы. Средние значения НВ определяются по 3–5 отпечаткам. Расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 2,5 d, а расстояние между центрами двух соседних отпечатков – не менее 4 d (для металлов с НВ<35 соответственно 3 d и 6 d);

В зависимости от толщины испытываемого материала применяют шарики различного диаметра. Нагрузку Р выбирают в соответствии с качеством испытываемого материала по формуле

Р = к × D, (4)

где к – постоянная для данного материала величина, равная 30, 10 или 2,5.

В таблице 5 приведены данные по выбору диаметра шарика и нагрузки в зависимости от материала и толщины испытываемого образца. При испытании более мягких металлов применяют меньшие нагрузки.

Таблица 5 – Выбор диаметра шарика и нагрузки в зависимости от твердости и толщины испытываемого образца

Материал	Интервал твердости в числах Бринеля	Минимальная толщина испытуемого образца, мм	Соотношение между нагрузкой Р и диаметр. шарика D	Диаметр шарика D, мм	Нагрузка Р, кгс (х9,8 Н)	Выдержка под нагрузкой, с
Черные металлы	140–450	От 6 до 3 «4» 2 Менее 2	Р =30 D 2	10,0 5,0 2,5	187,5
То же	<140	Более 6 От 6 до 3 Менее 3	Р =10 D 2	10,0 5,0 2,5	62,5
Цветные металлы	>130	От 6 до 3 «4» 2 Менее 2	Р =30 D 2	10,0 5,0 2,5	187,5
То же	35–130	От 9 до 3 «6» 3 Менее 3	Р =10 D 2	10,0 5,0 2,5	62,5
То же	8–35	Более 6 От 6 до 3 Менее 3	Р =2,5 D 2	5,0 2,5	62,5 15,6

Для определения твердости по Бринелю применяют прибор ТШ-2М (рисунок 5).

Прибор ТШ–2М имеет следующие технические данные:

– пределы измерения НВ: от 8 до 450;

– испытательная нагрузка, кгс 187,5; 250; 750; 1000; 3000;

– погрешность нагрузок, %: не более ±1;

– продолжительность выдержки испытуемого образца под нагрузкой, с: 10±2;

– диаметры стальных шариков, мм: 2,5; 5; 10.

2 Описание лабораторной
установки

Для исследований используются образцы заготовок из различных металлов и сплавов с отпечатками, сделанными с помощью прибора ТШ–2М. Диаметр шарика, нагрузка, выдержка образца под нагрузкой известны.

Для измерений образца-отпечатка используется микроскоп МБС–9.

3 Задания и порядок
выполнения работы

1. Определить твердость образцов стали и чугуна.

2. Определить твердость образцов различных марок цветных металлов и сплавов различной толщины.

3. Обосновать условия выбора диаметра шарика и нагрузки.