Лабораторная работа № 1. Определение твердости металлов и сплавов

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 s_В и числом твердости НВ существует зависимость: для стали и алюминиевых сплавов s_В ≈ 0,33 НВ, для медных сплавов s_В ≈ 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 F_o и основной F₁ нагрузок и измерений остаточного увеличения глубины внедрения наконечника е (е = (h – h_o) / 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 F_o индикатор прибора вдавливается в образец на глубину h_о. Затем на испытуемый образец подается полная нагрузка F = F_о + 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 136^о), 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