Материаловедение.
Материаловедение и технология
Материалов. Конструкционные и биоматериалы
Методические рекомендации к лабораторным работам для студентов технических специальностей, обучающихся по российским и белорусским образовательным программам
Исследования структуры и свойств сплавов
Могилев 2018
УДК 669.01
ББК 30.3
М 34
Рекомендовано к опубликованию
учебно-методическим управлением
ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет»
Одобрено кафедрой «Технологии металлов».,
протокол № 9
Составители: д-р техн. наук, проф. Ф. Г. Ловшенко,
канд. техн. наук., доц. А. И. Хабибуллин.
Рецензент канд. техн. наук, доц. А.В. Капитонов
В первой части лабораторного практикума содержатся основные теоретические положения и методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Материаловедение».
Учебное издание
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ. КОНСТРУКЦИОННЫЕ И БИОМАТЕРИАЛЫ
Исследования структуры и свойств сплавов
Ответственный за выпуск Д. И. Якубович
Технический редактор А. Т. Червинская
Компьютерная верстка И. А. Алексеюс
Подписано в печать . Формат 60х84/16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс.
Печать трафаретная. Усл.-печ. л. . Уч.-из. л. . Тираж 180 экз. Заказ №
Издатель и полиграфическое исполнение
Государственное учреждение высшего профессионального образования
«Белорусско-Российский университет»
ЛИ № 02330/375 от 29.06.2012 г.
212005, г. Могилев, пр. Мира, 43
© ГУ ВПО «Белорусско-Российский
университет»
С одержание
| 1 Лабораторная работа № 1. Определение твердости металлов и сплавов…………………………………… | 4 | |
| 2 Лабораторная работа № 2. Макроскопический метод исследования металлов и сплавов …………………..... | 7 | |
| 3 Лабораторная работа № 3. Микроскопический метод исследования металлов и сплавов……………… | 15 | |
| 4 Лабораторная работа № 4. Построение диаграммы состояния методом термического анализа……… | 21 | |
| 5 Лабораторная работа № 5. Анализ диаграмм состояния двойных сплавов ………….. | 27 | |
| 6 Лабораторная работа № 6. Определение критических точек стали методом пробных закалок………… | 36 | |
| Правила техники безопасности при проведении лабораторных работ | 39 | |
| Список литературы………………………………………….. | 40 | |
Лабораторная работа № 1. Определение твердости металлов и сплавов
Цель работы
1 Ознакомление с основными методами измерения твердости и микротвердости.
2 Приобретение навыков в работе с приборами для измерения твердости.
Оборудование и инструмент: твердомерБринелля (ТБ-3000), твердомер Роквелла (ТР 5014), твердомер Виккерса (ИТ 5010-01).
Твердостью называют свойство материала оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии в поверхностном слое.
Измерение твердости вследствие быстроты и простоты осуществления, а также возможности без разрушения изделия судить о его свойствах получило широкое применение для контроля качества металла в металлических изделиях и деталях. Наибольшее применение в промышленности нашли статические методы по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу, схема реализации которых приведена на рисунке 1.1.
 |
Рисунок 1.1 – Схема определения твердости по Бринеллю (а), Роквеллу (б), Виккерсу (в)
Определение твердости по Бринеллю. Сущность метода заключается во вдавливании стального шарика диаметром D, мм, в образец (изделие) под действием нагрузки F, Н, и измерении диаметра отпечатка d, мм, после снятия испытательной нагрузки (рисунок 1.1, а).
Твердость определяют, как отношение приложенной нагрузки к площади поверхности сферического отпечатка по формуле
HB = 
,
Где: F – прилагаемая нагрузка, Н;
D – диаметр шарика, мм;
d – диаметр отпечатка, мм.
Для железа, стали, чугуна и других прочных сплавов рекомендуются следующие условия испытаний, таблица 1.1.
Таблица 1.1 – Зависимость между диаметром шарика и рекомендуемой нагрузкой
| Диаметр шарика, мм | Рекомендуемая нагрузка, Н (кг) |
| 1,0 | 294,2 (30) |
| 2,0 | 1177 (120) |
| 2,5 | 1839 (187,5) |
| 5,0 | 7355 (750) |
| 10,0 | 29420 (3000) |
Чем меньше толщина испытуемого изделия, тем меньший диаметр шарика можно использовать, но, в любом случае, толщина образца должна превышать глубину отпечатка в 10 раз.
Минимальная толщина испытуемого образца – 0,09 мм. При этом испытания проводятся шариком диаметром 1,0 мм при нагрузке 49,03 Н.
Обычно определение твердости осуществляется шариком диаметром 10,0 мм при нагрузке 29420 Н и продолжительностью выдержки под нагрузкой 10 с. В этом случае твердость обозначается цифрами, характеризующими ее величину, и буквами НВ, например: 170 НВ. При других условиях испытаний после букв НВ указываются условия испытания в следующем порядке: D, F – и время выдержки под нагрузкой (в секундах), например: 190 НВ 5/7350/20.
Между временным сопротивлением sВ и числом твердости НВ существует зависимость: для стали и алюминиевых сплавов sВ ≈ 0,33 НВ, для медных сплавов sВ ≈ 0,45 НВ.
Метод Бринелля не рекомендуется применять для стали с твердостью более 450 НВ, а для цветных металлов – более 200 НВ. При использовании вместо стального шарика твердосплавного предельное значение твердости не должно превышать 650 единиц. В этом случае в обозначение твердости вводится дополнительно буква W, например: 570 HBW.
Определение твердости по Роквеллу. Сущность метода заключается во вдавливании наконечника с алмазным конусом с углом у вершины 120° (шкалы А и С) или со стальным шариком диаметром 1,58 мм (шкала В) в испытуемый образец под действием последовательно прилагаемых предварительной Fo и основной F1 нагрузок и измерений остаточного увеличения глубины внедрения наконечника е (е = (h – ho) / 0,002) после снятия основной нагрузки в единицах измерения 0,002 мм. При испытании с использованием шкалы А нагрузка составляет 588 Н, шкалы В – 980 Н, шкалы С – 1470 Н.
Схема определения твердости по Роквеллу приведена на рисунке 1, б. Под предварительной нагрузкой Fo индикатор прибора вдавливается в образец на глубину hо. Затем на испытуемый образец подается полная нагрузка F = Fо + F1, и глубина погружения наконечника возрастает. После снятия основной нагрузки F1 прибор показывает число твердости по Роквеллу HR. Твердость является величиной, обратной глубине вдавливания. Единица твердости по Роквеллу – безразмерная величина, соответствующая осевому перемещению индикатора на 0,002 мм.
Числа твердости определяются по формулам:
HRC (A) = 100 – е; HRB = 180 – e.
Шкала А используется для измерения твердости очень твердых, но хрупких материалов, а также для тонких и твердых поверхностных слоев (0,5–1,0 мм). По шкале В определяют твердость сравнительно мягких (незакаленных) материалов (< 400 HB). Шкала С используется для испытания материалов, имеющих высокую твердость (после закалки) (> 450 НВ).
Пределы измерения твердости по шкале А – 70–85 единиц, шкале В – 25–100 единиц, шкале С – 22–63 единицы. Условная запись твердости для разных шкал – HRА, HRB, HRC. Например, 60 HRC (твердость 60 единиц по шкале С). В настоящее время применяется обозначение HRCэ – это твердость, воспроизводимая государственным специальным эталоном.
Твердость по Виккерсу. Метод заключается во вдавливании алмазного наконечника, имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды (угол при вершине 136о), в образец под действием нагрузки F и измерении диагонали отпечатка d (в миллиметрах), оставшегося после снятия нагрузки (рисунок 1, в). Нагрузка может изменяться в пределах 9,8–980 Н.
Твердость по Виккерсу определяется по формуле
HV = 0,189 
.
Метод используют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость. Чем тоньше материал, тем меньше должна быть нагрузка.
В стандартных условиях испытаний (при нагрузке 294Н, времени выдержки 15с) обозначение твердости по Виккерсу выглядит как, например, 430 HV. При других условиях испытаний указывается нагрузка и продолжительность выдержки под нагрузкой (например, 250 HV 10/40).
Методы НВ и HRB применяются для мягких материалов, HRC – для твердых, HRA – для твердых и тонких покрытий. Метод Виккерса является универсальным.
Твердость типовых изделий из углеродистых сталей приведена в таблице 1.2. Если твердость указанных изделий не соответствует рекомендуемым значениям, можно сделать вывод о браке термической обработке или особых условиях их эксплуатации.
Таблица 1.2 – Твердость типовых изделий из углеродистых сталей
| Изделия | Рекомендуемая твердость, HRC |
| Ответственные детали машин (валы, оси, шатуны, тяги…) | 25 |
| Упругие элементы (пружины, рессоры) | 40 |
| Инструменты, подвергаемые ударным нагрузкам (зубила, топоры, молотки…) | 50 |
| Ножи общего назначения | 52-58 |
| Металлорежущий инструмент (сверла, фрезы, метчики, резцы, пилы) | 60-65 |
Контрольные вопросы
