Определение твердости по Бринеллю

Стативко А.А., Шопина Е.В., Кунин А.С.

С 78	Материаловедение: Учеб. пособие / А.А. Стативко, Е.В. Шопина, А.С. Кунин. – Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2010. – 72 с.

Пособие содержит описание лабораторных работ по курсу «Материаловедение». В теоретических сведениях рассмотрены свойства металлов, современные методы испытаний, процессы пластической деформации и рекристаллизации. Описана диаграмма состояния Fe-Fe₃C. Большое внимание уделено теории и технологии термической обработки. Рассмотрены основные классы сталей и чугунов.

Учебное пособие предназначено для студентов заочной формы обучения с применением дистанционных технологий специальности 270101 – Механическое оборудование и технологические комплексы предприятий строительных материалов, изделий и конструкций.

УДК 620.22 (075)

ББК 30.3я7

ÓБелгородский государственный

технологический университет

(БГТУ им В.Г. Шухова), 2010

Содержание

Лабораторная работа №1………………………………………………4

Лабораторная работа №2………………………………………………16

Лабораторная работа №3………………………………………………24

Лабораторная работа №4………………………………………………37

Лабораторная работа №5………………………………………………45

Лабораторная работа №6………………………………………………56

Контрольные тесты…………………………………………………….70

Библиографический список……………………………………………83

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Измерение твердости металлов

Цель работы: изучить устройство приборов для определения твердости металлов, научиться пользоваться приборами по измерению твердости металлов.

Приборы и оборудование: пресс Бринелля, пресс Роквелла, отсчетный микроскоп для определения диаметра отпечатка, образцы сталей, чугунов и цветных металлов.

Краткие сведения из теории

Определение твердости является широко распространенным способом испытаний для характеристики механических свойств металлов. В настоящее время существует несколько методов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника: метод вдавливания, метод отскакивания, метод царапания. Наибольшее применение получил метод вдавливания.

Под твердостью металла при вдавливании понимается его сопротивление местной пластической деформации при контактном приложении нагрузки.

Наиболее широкое распространение в машиностроительной промышленности получили методы Бринелля, Роквелла и Викерса, благодаря их простоте и возможности производить испытания деталей без разрушения.

Определение твердости по Бринеллю

Определение твердости по Бринеллю (ГОСТ 9012-59, 22761-77) состоит в том, что при использовании специального пресса (пресса Бринелля) в испытуемый материал в течение определенного времени вдавливается нагрузкой Р стальной закаленный шарик диаметра D.

Схема испытания на твердость по Бринеллю дана на рис. 1.

В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка).

Диаметр отпечатка измеряют специальным отсчетным микроскопом МПБ-2, на окуляре которого нанесена шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра (рис. 2).

Отношение давления Р к поверхности полученного отпечатка (шарового сегмента) дает число твердости обозначаемое НВ:

, кгс/мм² (н/м²),

где F=pDh.

Рис. 1. Схема определения твердости методом Бринелля

Рис. 2. Измерение диаметра отпечатка

Так как удобнее измерять не глубину отпечатка, а его диаметр, то, выражая глубину отпечатка через его диаметр d и диаметр шарика, получаем:

Подставив значение F получим:

, кгс/мм² (н/м²).

Таким образом, зная диаметр шарика и нагрузку, замерив диаметр отпечатка, легко определить твердость.

Для получения одинаковых значений твердости металла при разных диаметрах шариков и различных нагрузках необходимо соблюдать закон подобия P/D ² = const. В этом случае угол j = const, где j – угол вдавливания. Поэтому при испытании по Бринеллю, учитывая закон подобия, а также то обстоятельство, что диаметр шарика подбирается в зависимости от толщины испытуемого образца металла, и что для металлов разных твердостей нужно прилагать разные нагрузки, применяют соотношения по ГОСТ 9012-59. Кроме того, продолжительность выдержки образца под нагрузкой должна быть строго определенной, чтобы деформация образца шариком полностью завершилась.

Перед испытанием поверхность образца, в которую будет вдавливаться шарик, обрабатывают наждачным камнем или напильником, чтобы она была ровной, гладкой и не было окалины и других дефектов. При обработке поверхности образец не должен нагреваться выше 100–150°С. Подготовка поверхности образца необходима для получения правильного отпечатка и отчетливой видимости его краев для измерения.

При выборе диаметра шарика D, нагрузки P, продолжительности выдержки под нагрузкой и минимальной толщины испытуемого образца следует руководствоваться нормами ГОСТа для испытаний по Бринеллю (табл. 1).

Таблица 1

Соотношение диаметров шарика и нагрузки при испытании металлов по методу Бринелля

Материал	Число твердости	Толщина образца, мм	Диаметр шарика, мм	Нагрузка, кгс	Выдержка под нагрузкой, с

Черные металлы	140–450	Более 6 От 6 до 3 Менее 3	2,5	187,5

Окончание табл. 1


Черные металлы	До 140	Более 6 От 6 до 3 Менее 3	2,5	187,5
Цветные металлы и сплавы (медь, латунь, бронза, магниевые сплавы и др.)	31,8–130	Более 6 От 6 до 3 Менее 3	2,5	62,5
Цветные металлы и сплавы (алюминий, подшипниковые сплавы и др.)	3–35	Более 6 От 6 до 3 Менее 3	2,5	62,5 15,6

При указании твердости НВ иногда отмечают, при каких условиях измерялась твердость, например: НВ 140 (10/3000/10) означает, что испытание производилось шариком диаметром 10 мм под нагрузкой 3000 кгс (30000 Н) в течение 10 секунд.

При измерении твердости шариком определенного диаметра и с установленными нагрузками расчет числа твердости по формуле НВ=Р/F почти не выполняют, а пользуются заранее составленными таблицами, указывающими число НВ, в зависимости от диаметра отпечатка d и соотношения между нагрузкой Р и D ²(согласно табл. 2).

Таблица 2

Твердость по Бринеллю

Диаметр отпечатка, мм d ₁₀, или 2 d ₅, или 4 d _2,5	Число твердости при нагрузке Р, кгс	Диаметр отпечатка, мм d ₁₀, или 2 d ₅, или 4 d _2,5	Число твердости при нагрузке Р, кгс
30 D ²	10 D ²	2,5 D ²	30 D ²	10 D ²	2,5 D ²

2,0			78,8	3,6		23,7
2,1			71,4	3,7		22,4
2,2			65,0	3,8		21,2
2,3			59,4	3,9		20,0
2,4			54,4	4,0		19,1

Окончание табл. 2


2,5	50,2	4,1	18,0
2,6	46,3	4,2	17,2
2,7	42,9	4,3	16,4
2,8	39,8	4,4	15,5
2,9	37,9	4,5	14,9
3,0	34,6	4,6	14,2
3,1	32,3	4,7	13,6
3,2	30,3	4,8	13,0
3,3	28,5	4,9	12,4
3,4	26,7	5,0	12,4
3,5	25,2	5,1	11,4

Существует примерная количественная зависимость между числами твердости и пределом прочности:

для стали с твердостью НВ 120–175...…………………s_в=0,34 НВ;

для стали с твердостью НВ 175–450..………………….s_в=0,35 НВ;

для меди, латуни и бронзы отожженной..……………..s_в=0,55 НВ;

для меди, латуни и бронзы наклепанной..……….…….s_в=0,40 НВ;

для алюминия и алюминиевых сплавов

с твердостью НВ 20–45...........................................s_в=(0,33÷0,36) НВ;

для дуралюминия отожженного...………………………s_в=0,36 НВ;

для дуралюминия после закалки и старения………..…s_в=0,35 НВ.

Измерение твердости вдавливанием стального шарика не является универсальным способом. Этот способ не позволяет: а) испытывать материал с твердостью более НВ 450; б) измерять твердость тонкого поверхностного слоя (толщиной менее 1–2 мм), так как стальной шарик продавливает этот слой.