испытание металлов на прочность
.docЛабораторная работа № 5
ИСПЫТАНИЕ МЕТАЛЛОВ НА ТВЕРДОСТЬ
Цель лабораторной работы - освоить методику и получить навыки испытания металлов на твердость.
При выполнении лабораторной работы необходимо:
1)усвоить сущность метода испытания металлов на твердость, его преимущества перед другими методами определения механических
свойств;
2)изучить устройство приборов для измерения твердости;
3) определить твердость стали, чугуна, цветных металлов (алюминия, меди и других), по значениям твердости НВ определить предел прочности металлов.
Оснащение участка лабораторной работы:
оборудование - пресс Бринелля, твердомер Роквелла, наконечники со стальными закаленными шариками выбранного диаметра, наконечник с алмазным конусом, лупа с градуированной шкалой, настольные тиски, напильники и шлифовальный круг;
материалы - образцы углеродистой стали, чугуна и цветных сплавов;
плакаты - таблицы значений твердости.
Твердость - это свойство металла сопротивляться проникновению в него другого, более твердого, тела определенной формы и размеров. Определение твердости является наиболее широко распространенным методом испытания металлов, позволяющим без разрушения изделия и изготовления специальных образцов судить о качестве изделий. Приборы для испытания на твердость обладают высокой производительностью (до 100 испытаний в час), значительно превышающей производительность других испытательных машин.
Твердость характеризует сопротивление пластической деформации и представляет собой механическое свойство металла, отличающееся от других его
Преимущества метода измерения твердости:
1. Между твердостью пластичных металлов, определяемой способом вдавливания,(и другими механическими свойствами (главным образом, пределом прочности) существует количественная зависимость.
Величина твердости характеризует предел прочности металлов, получающих в испытаниях на растяжение сосредоточенную пластическую деформацию (образование шейки). Такая пластическая деформация аналогична деформации, создаваемой в поверхностных слоях металла при измерении твердости вдавливанием наконечника. В ряде случаев и у хрупких металлов (например, серых чугунов) наблюдается качественная зависимость между пределом прочности и твердостью.
-
По значениям твердости можно определять и некоторые пластические свойства металлов. Твердость, определенная вдавливанием, характеризует также предел выносливости некоторых металлов, в частности меди, дуралюмина и сталей в отожженном состоянии.
-
Измерение твердости по технике выполнения значительно проще, чем определение прочности, пластичности и вязкости. Испытания твердости не требуют изготовления специальных образцов и могут выполняться непосредственно на проверяемых деталях.
-
Измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения контролируемой детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению, в то время как для определения прочности, пластичности и вязкости необходимо изготовление специальных образцов из детали.
-
Твердость можно измерять на деталях небольшой толщины, а также в очень тонких слоях, не превышающих (для некоторых способов измерения твердости) десятых долей миллиметра, или в микрообъемах металла (метод измерения микротвердости). В последнем случае можно измерять твердость отдельных структурных составляющих в сплавах.
Поскольку при измерении твердости в большинстве случаев детали не разрушаются, то эти измерения можно применять для сплошного контроля деталей, в то время как определение характеристик прочности и пластичности проводят в качестве выборочного контроля.
Методы испытания на твердость - вдавливание, царапание, качание, упругая отдача, магнитный.
Наиболее распространенным является метод вдавливания, при котором твердость определяют:
-
по величине поверхности отпечатка от вдавливания стального
•
шарика при испытании на прессе Бринелля;
-
по глубине отпечатка при вдавливании алмазного конуса или стального шарика при испытании на приборе Роквелла.
Испытуемый образец или деталь должны иметь подготовленную гладкую плоскую площадку. Толщину испытуемого образца или изделия выбирают такой, чтобы на обратной стороне образца (изделия) не было заметных следов деформаций. Нагрузку следует прилагать по оси вдавливания наконечника перпендикулярно к испытуемой поверхности. При вдавливании наконечника с малыми нагрузками требуется более совершенная обработка поверхности.
-
Определение твердости способом Бринелля
1вердость по способу Ьринелля определяют путем вдавливания в испытуемый образец стального закаленного шарика диаметром D под действием заданной нагрузки Р в течение определенного времени
-
В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка). Отношение давления Р к поверхности полученного отпечатка (шарового сегмента) дает число твердости обозначаемое НВ, кг/мм2. НВ = P/F. Поверхность шарового сегмента, мм2.
-
-
а число твердости по Бринеллю будет выражаться формулой
-
-
Диаметр отпечатка измеряют специальной лупой, имеющей шкалу с ценой деления 0,1 мм.
Диаметр шарика может быть различным и выбирается в зависимости от толщины испытуемого материала; твердость измеряют при постоянном соотношении между величиной нагрузки Р и сР (табл. 5.1).
-
Важные факторы, влияющие на полученный результат, - скорость приложения нагрузки и время выдержки образца под нагрузкой, ини должны быть строго определенными. Диаметр шарика, нагрузку продолжительность ее приложения и время выдержки определяют по у.
-
-
. Схема определения твердости
-
по способу Бринелля
-
-
Условия испытания записывают следующим образом: ИВ 10/30 000/30 означает, что испытание проводили шариком D = 10 мм под нагрузкой 30 000 Н и с выдержкой t = 30 с. Как уже указывалось, между твердостью по Бринеллю НВ и пределом прочности ав существует количественная зависимость:
6B - 3,5 HB (МПа) для углеродистых сталей в нормализованном состоянии;
6в=3,6 НВ дня низколегированных конструкционных сталей в улучшенном состоянии;
6в= 5,5 НВ для меди, латуни и бронзы в отожженном состоянии;
6в = 4,0 НВ для тех же сплавов в наклепанном состоянии.
Для алюминия и его сплавов с твердостью 20...45 НВ ав = 3,5 НВ, для дуралюмина отожженного ов = 3,6 НВ, а после закалки и старения ов= 3,5 НВ. НВ принимается в кгс/мм2, тогда ав выражается в МПа.
Чтобы избежать длительных вычислений, на практике пользуются готовыми таблицами с заранее подсчитанными значениями твердости для отпечатков разных диаметров, полученных при разных нагрузках. Перед испытанием поверхность образца обрабатывают, чтобы она была гладкой, без окалины и других дефектов.
К недостаткам способа Бринелля следует отнести невозможность испытаний:
-
металлов, имеющих твердость свыше 4500 МПа, при этом будет деформироваться сам стальной закаленный шарик и результаты испытаний будут неточны;
-
твердости мелких деталей и тонкого поверхностного слоя (менее 1 ...2 мм), так как шарик будет продавливать тонкий слой металла.
Практическую часть раздела рекомендуется выполнять в такой последовательности:
1.изучить работу твердомера;
2.очистить поверхность образцов от загрязнения и окалины с помощью напильника или на шлифовальном круге;
3.выбрать в зависимости от заданных условий испытаний диаметр шарика, нагрузку и время выдержки под нагрузкой;
4.закрепить наконечник с шариком в шпинделе пресса установочным винтом;
5.установить на подвеску твердомера требуемое для испытания
количество сменных грузов;
6.установить упор на нужную продолжительность выдержки и закрепить стопорным винтом;
7.установить на столик испытуемый образец и вращением маховика
поднять его до упора в наконечник с шариком, прикладывая этим предварительную нагрузку, равную 1 ООО Н, при этом центр будущего отпечатка должен находиться на расстоянии не менее диаметра шарика от края образца, а от центра соседнего отпечатка - не менее двух диаметров шарика;
8.нажать на спусковую кнопку и привести в действие электродвигатель, передавая нагрузку на образец;
9.после автоматического выключения электродвигателя опустить столик, снять образец и измерить диаметр отпечатка при помощи лупы в двух взаимно перпендикулярных направления. Диаметр отпечатка измеряют с точностью до 0,5 мм при испытании шариком диаметром 10,5 мм и с точностью до 0,01 мм при испытании шариком диаметром 2,5 мм;
10.по величине диаметра отпечатка в таблице найти число твердости НВ;
11.результаты испытания занести в протокол испытаний (табл. 5.2)..
Таблица 5.2.
2 Определение твердости способом Роквелла
Измерение твердости по способу Роквелла производят путем вдавливания алмазного конуса с углом при вершине 120° или стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм в испытуемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной Р0 и основной Р . Общая нагрузка Р равна сумме предварительной и
основной: Р = Р0+ Р^ (рис. 5.2).
" -
Предварительная нагрузка Р0 во всех случаях равна 100 Н, а основная Р и общая Р при вдавливании:
стального шарика (шкала В) Рх = 900 Н; Р = 100 + 900 = 1000 Н;
алмазного конуса (шкала С) Р{ = 1400 Н; Р = 100 + 1400 = 1500 Н;
алмазного конуса (шкала А) Ру = 500 Н; Р = 100 + 500 = 600 Н.
Рис. 5.2. Схема определения твердости по способу Роквелла
-
Предварительная нагрузка дается для того, чтобы исключить влияние различной степени частоты измеряемой поверхности на результаты измерений. Величина окончательной нагрузки выбирается в зависимости от применяемого наконечника и твердости испытуемого материала (табл. 5.3).
-
Таблица 5.3
-
За меру твердости по Роквеллу принята разность между глубиной отпечатков, полученных от вдавливания шарика или конуса под действием предварительной и общей нагрузок. Для численной характеристики твердости введена условная шкала с цифрами, нанесенными в порядке, обратном движению стрелки в момент приложения нагрузки.
-
За едини цу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм (цена одного деления).
-
Таким образом, твердость по Роквеллу при вдавливании алмазного конуса выражается числом делений условной шкалы по формуле:
-
-
а при вдавливании шарика число твердости определяется по формуле
I
-
где h - глубина внедрения шарика или конуса в испытуемый металл под действием общей нагрузки Р; hQ - глубина внедрения шарика или конуса в испытуемый металл под действием предварительной нагрузки Р0; с - постоянная, равная 0,002 мм.
-
Индикатор прибора имеет две шкалы: черную - для испытаний алмазным конусом при различных основных нагрузках и красную - для испытаний шариковым наконечником. Красная шкала смещена относительно нулевого деления черной шкалы на 30 делений в направлении, противоположном движению стрелки индикатора при внедрении наконечника. Это смещение сделано по той причине, что глубина вдавливания шарика часто превышает 0,2 мм, т. е. стрелка при вдавливании делает поворот более чем на 100 делений (при очень мягком материале). Определение твердости на приборе Роквелла имеет широкое применение, поскольку на нем можно испытать как мягкие, так и твердые, а также тонкие материалы.
-
Шкала С используется при испытаниях сталей твердостью HRC = 20...70 и тонких поверхностных слоев толщиной свыше 0,5 мм, шкала А - при испытании твердых сплавов твердостью свыше HRC = 70, тонкого листового материала и для измерения твердости тонких поверхностных слоев (0,3...0,5 мм). Число HRA можно перевести в число HRC
-
по формуле:
-
HRC = 2HRA - 104. (5-5)
Шкала В применяется при испытании металлов средней твердости и изделий толщиной от 0,8 до 2 мм. Числа твердости по Роквеллу можно приближенно пересчитать в числа твердости по Бринеллю. На основании экспериментальных данных установлена следующая зависимость:
НВ = 100 HRC (5.6)
в интервале твердости 2000...4500 МПа по Бринеллю, где НВ -твердость по Бринеллю; HRC - твердость по Роквеллу (шкала С).
Для перевода числа твердости по Роквеллу с одной шкалы на другую пользуются специальными справочными таблицами. Поверхности образцов (как испытуемая, так и опорная) должны быть плоскими, параллельными друг другу, отшлифованными, без окалины, забоин и т. п.
К достоинствам способа Роквелла следует отнести высокую производительность (время испытания 30...60 с, результат испытания считается прямо на шкале прибора), простоту обслуживания, точность измерения и сохранение качественной поверхности после испытания. Этот способ не рекомендуется применять для определения твердости неоднородных по структуре сплавов, криволинейных поверхностей и для испытания деталей, которые под действием нагрузки могут деформироваться.
Практическую часть раздела рекомендуется выполнять в такой последовательности:
-
изучить работу твердомера;
-
подготовить образцы к испытанию так же, как и при испытаниях
• ■
на приборе Бринелля;
-
подобрать наконечник и закрепить его в шпинделе при помощи
установочного винта;
-
подобрать и подвесить грузы соответственно выбранному наконечнику и шкале, по которой предполагается вести испытание (см. табл. 5.3);
-
установить испытуемый образец на столик прибора;
-
вращением маховика постепенно подвести испытуемую поверхность образца до соприкосновения с наконечником, а затем дальнейшим его вращением произвести предварительное нагружение Р0 до тех пор, пока малая стрелка индикатора не совпадет с красной точкой на шкале. Если она значительно перейдет за красную точку (влево), то необходимо загрузить прибор, выбрать на испытуемой поверхности другое место и начать испытание заново. Затем необходимо повернуть ободок индикатора до совпадения нулевой отметки черной шкалы с большой стрелкой;
-
слегка нажать на платформу и тем самым произвести нагруже- ние образца через наконечник общей нагрузкой (предварительная Р плюс основная Р{). В это время большая стрелка поворачивается против часовой стрелки после секундной выдержки в полностью нагруженном состоянии, происходит автоматическое снятие нагрузки />,, во время которого большая стрелка движется по часовой стрелке;
-
после полной остановки стрелки произвести отсчет числа твердости по соответствующей шкале индикатора: в случае применения алмазного наконечника - по черной шкале С или А, при шариковом наконечнике - по красной шкале В;
-
результаты испытаний внести в протокол испытаний (табл. 5.4);
10) вращением маховика против часовой стрелки опустить столик и снять образец.
Содержание отчета
1.Цель и задачи работы.
2.Краткое описание способов измерения твердости.
3. Схемы иллюстрирующие способы проведения испытаний.
4.Таблицы значений твердости по результатам измерений.
5.Определение предела прочности металла по значениям твердости
-;- , • . lurja-jAfe^
6.Выводы по работе.