Лабораторная работа  №5 . « Методы измерения твердости металлов »

Лабораторная работа  №5. «Методы измерения твердости металлов»

Цель работы

Целью лабораторной работы является изучение основных свойств металлов, ознакомление с методами и приборами для измерения твёрдости металлов, приобретение навыков в определении твёрдости.

Оборудование и материалы

При выполнении лабораторной работы использовали следящее оборудование: твердомеры статические ТША-2М И ТК-2М, твердомер динамический

ТД-2, образцы из стали и цветных металлов, измерительный микроскоп МПБ-2.

Краткие сведения из теории

Свойства металлов и сплавов принято разделять на физические (плотность, температура плавления, тепловое расширение, теплопроводность, электропроводность и др.), механические (прочность, упругость, пластичность, твёрдость, вязкость, выносливость), химические (стойкость против коррозии) и технологические (вытяжка, изгиб, перегиб, резание, сварка и т.д.). Из большого количества свойств, которыми обладают металлы и сплавы, механические свойства в большинстве случаев являются важнейшими.

Механические свойства металлов определяют на специальных стандартных образцах. В зависимости от характера нагружения механические испытания могут быть статическими (скорость нагружения образца и динамическими (u >2 cм/мин). К статическим методам нагружения относятся испытания: на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, на срез, устойчивость, смятие, на твёрдость, на трещиностойкость. К динамическим относятся испытания: на ударную вязкость, хладноломкость и критическую температуру хрупкости, испытания на усталость, а также некоторые методы испытания металлов на твёрдость.

Из всех видов механических испытаний металлов испытание на твёрдость проводится чаще всего. Это объясняется простотой и быстротой испытания, портативностью приборов, а также тем, что по показателям твёрдости можно косвенно оценить прочность металла и прогнозировать его поведение при эксплуатации.

Твёрдость – это свойство материала оказывать сопротивление кон-тактной деформации или хрупкому разрушению при внедрении индентора в его поверхность.

Рисунок 5.1 – Схемы испытаний на твёрдость

а) по Бринеллю; б) по Виккерсу; в) по Роквеллу

Рисунок 5.2 – Схема устройства твердомера ТШ

д) определение показателя твёрдости. Для определения числа твёрдости НВ по диаметрам отпечатка d пользуются специальной таблицей. Максимальная твёрдость испытуемых образцов металлов и сплавов не должна превышать 450 НВ. Испытание более твёрдых металлов повлечёт за собой деформацию шарика, твёрдость которого 650 НВ.

Испытание на твёрдость одного и того же образца производится дважды, при этом при каждом испытании диаметр отпечатка измеряется в двух взаимно перпендикулярных направлениях с помощью специального отсчётного микроскопа МПБ-2 с точностью до сотых долей миллиметра. Схема измерения диаметров d ₁и d ₂ приведена на рисунке 3.3.

При Д = 10 мм, Р= 29400 Н и времени выдержки под нагрузкой 10 с твёрдость по Бринеллю обозначается символом НВ с указанием числа твёрдости. При этом размерность (кГс/мм²) не ставится, например 200 НВ.

При использовании шариков других диаметров (2,5 и 5 мм) изменяется нагрузка вдавливания, а символ твёрдости НВ дополняется тремя индексами.

Например, 180 НВ _2,5/187,5/30  обозначает, что при Д = 2,5 мм, Р= 187,5 кГс (1839 Н) и времени выдержки под нагрузкой 30 с число твёрдости по Бринеллю равно 180.

0 1 2 3 4 5 6 7

2

1

d 1

d 2

Рисунок 5.3 – Схема измерения диаметра отпечатка c помощью отсчётного микроскопа

Подготовка образцов к испытанию

Испытываемая поверхность образца должна быть параллельна опорной поверхности, не иметь царапин и забоин. С этой целью испытываемую и опорную поверхности образца обрабатывают наждачной бумагой или мелкозернистым шлифовальным кругом, не допуская нагревания образца более чем до 120–150 °С. После установки образца на приборе он не должен сдвигаться, качаться или деформироваться.

Минимальная толщина испытываемого образца в зависимости от его твёрдости составляет 0,7–2,0 мм при испытании по шкале В и 0,7–1,5 мм – по шкале С.

Подготовка прибора ТК к испытаниям

В соответствии с выбранной шкалой устанавливают в шпинделе индентор и закрепляют его с помощью винта. С помощью сменных грузов устанавливают необходимую величину основной нагрузки. В зависимости от формы испытываемого образца выбирают и устанавливают сменный предметный столик.

Измерение твёрдости

Образец помещают на столик прибора и вращением маховичка поднимают до соприкосновения с вдавливаемым наконечником до тех пор, пока малая стрелка шкалы индикатора не совместится с красной точкой на циферблате.

При этом пружина прибора обеспечит предварительную нагрузку Р_о =98,1Н. Затем циферблат поворачивают за накатной ободок индикатора до совмещения с нулевым делением шкалы С или, что то же самое, с цифрой 30 красной шкалы В.

Включив двигатель, прикладывают основную нагрузку Р ₁, которая затем автоматически снимается. Величина твёрдости определяется показаниями большой стрелки индикатора. При вдавливании алмазного конуса отсчёт производят по чёрной, а при вдавливании шарикового наконечника – по красной шкале. Для измерения твёрдости более тонких образцов, а также упрочнённых тонких поверхностных слоёв используют метод супер-Роквелла, отличающийся меньшими нагрузками: Р_о =29,4 Н, Р =147,2; 294,3 и 441,5Н.

Выполнение работы

Методы определения твердости металла в зависимости от скорости нагружения образца при испытаниях разделяют:

– на динамические:

а) метод тарированных напильников;

б) метод Шора;

в) метод Либа, и др.

– на статические:

а) метод Бринелля;

б) метод Виккерса;

в) метод Роквелла.

Статические методы испытания являются более точными, динамические используются при экспресс-анализах.

Метод Бринелля

Этот метод применяется при определении твердости металла до 450 НВ.

Методика проведения эксперимента по Бринеллю регламентируется ГОСТ 9012-59.

В таблице 5.3 приведены параметры испытаний по методу Бринелля.

 

Таблица 5.3 - Параметры испытаний для различных групп металлов

	Группа металла	Сталь, чугун, твердые сплавы	Сплавы на основе Al и Cu	Сплавы на основе Zn	Подшипниковые сплавы (баббиты)	Мягкие металлы (Pb, Sn)
	кгс/мм2	30	10	5	2,5	1
	МПа	294	98	49	24,5	9,8
t	с	10	10, 30	30	30, 60	60

Практическая задача:

;

;

;

.

Метод Виккерса

Метод Виккерса применяют для измерения твердости твердых, сверхтвердых и тонких образцов.

Регламентируется ГОСТ 2999-25.

Метод Роквелла

Это универсальная методика, позволяющая определить твердость мягких, твердых, сверхтвердых материалов и их тонких образцов.

Регламентируется ГОСТ 9013-59.

Инденторы:

– твердосплавный шарик, d = 1,588 мм;

– алмазный конус с углом .

HRC (A)  = 100 –
HRB = 130 –

 

где, 130 – число делений шкалы, б/р; 0,002 – цена одного деления, мм;

h – остаточная глубина проникновения индентора в образец под действием основной нагрузки F, мм.

Выбор параметров испытаний по Роквеллу производится в соответствии с таблицей 5.4

Таблица 5.4 - Параметры испытаний твёрдости по Роквеллу

Группы материалов	Шкала	Вид наконечника	Нагрузка, кгс			Обозначение твёрдости	Допускаемые пределы шкалы
					Р
мягкие	B	Стальной шарик, Д=1,588 мм	10	90	100	HRB	25–100
твердые	C	Алмазный конус с углом при вершине 120 + 1,5°. Радиус закругления вершины конуса 0,2 + 0,002 мм	10	140	150	HRC	20–67
сверхтвёрдые металлы и тонкие образцы	A	То же	10	50	60	HRA	70–85

Тестовый вопрос

Какие из перечисленных свойств относятся к физическим:

а) плотность, температура плавления, тепловое расширение, теплопроводность, электропроводность;

б) прочность, упругость, пластичность, твёрдость, вязкость, выносливость;

в) стойкость против коррозии;

г) вытяжка, изгиб, перегиб, резание, сварка.

Вывод

 

 

Лабораторная работа  №5. «Методы измерения твердости металлов»

Цель работы

Целью лабораторной работы является изучение основных свойств металлов, ознакомление с методами и приборами для измерения твёрдости металлов, приобретение навыков в определении твёрдости.

Оборудование и материалы

При выполнении лабораторной работы использовали следящее оборудование: твердомеры статические ТША-2М И ТК-2М, твердомер динамический

ТД-2, образцы из стали и цветных металлов, измерительный микроскоп МПБ-2.

Краткие сведения из теории

Свойства металлов и сплавов принято разделять на физические (плотность, температура плавления, тепловое расширение, теплопроводность, электропроводность и др.), механические (прочность, упругость, пластичность, твёрдость, вязкость, выносливость), химические (стойкость против коррозии) и технологические (вытяжка, изгиб, перегиб, резание, сварка и т.д.). Из большого количества свойств, которыми обладают металлы и сплавы, механические свойства в большинстве случаев являются важнейшими.

Механические свойства металлов определяют на специальных стандартных образцах. В зависимости от характера нагружения механические испытания могут быть статическими (скорость нагружения образца и динамическими (u >2 cм/мин). К статическим методам нагружения относятся испытания: на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, на срез, устойчивость, смятие, на твёрдость, на трещиностойкость. К динамическим относятся испытания: на ударную вязкость, хладноломкость и критическую температуру хрупкости, испытания на усталость, а также некоторые методы испытания металлов на твёрдость.

Из всех видов механических испытаний металлов испытание на твёрдость проводится чаще всего. Это объясняется простотой и быстротой испытания, портативностью приборов, а также тем, что по показателям твёрдости можно косвенно оценить прочность металла и прогнозировать его поведение при эксплуатации.

Твёрдость – это свойство материала оказывать сопротивление кон-тактной деформации или хрупкому разрушению при внедрении индентора в его поверхность.

Рисунок 5.1 – Схемы испытаний на твёрдость

а) по Бринеллю; б) по Виккерсу; в) по Роквеллу