Федеральное агенство по образованию Российской Федерации
государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КУМЕРТАУСКИЙ ФИЛИАЛ
ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ МЕТОДОМ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторной работе №3
курса «Материаловедение» для студентов специальности 120100 – Технология машиностроения
КУМЕРТАУ 2010
Федеральное агентство по образованию Российской Федерации
государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КУМЕРТАУСКИЙ ФИЛИАЛ
Кафедра технологии производства летательных аппаратов
ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ МЕТОДОМ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторной работе №3 курса «Материаловедение»
для студентов специальности 120100 – Технология машиностроения
Кумертау 2010
Составитель: доцент В.П. Самоделкин
Изучение механических свойств металлов методом измерения твердости: Методические указания к лабораторной работе №3 по курсу «Материаловедение» для студентов специальности 120100 – Технология машиностроения/ Кум. филиал Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т;
Сост.: доцент В.П. Самоделкин – Кумертау, 2010. – 14 с.
Почти все материалы, используемые в технике, работают своими механическими свойствами, т.е. при конструировании деталей машин расчет ведется с учетом действующих напряжений и механических свойств материала. Наиболее распространенным методом оценки механических свойств является измерение твердости. В сборник включена работа – «Изучение механических свойств методом измерения твердости» в соответствии с рабочей программой курса материаловедения для механических специальностей.
Ил.4.
Рецензенты: доцент Б.С. Малышев
доцент А.Н. Алексеев
Лабораторная работа № 3
ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ МЕТОДОМ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ
1. Цель работы:
1.1. Получить навыки работы на приборах Бринелля и Роквелла для измерения твердости.
1.2. Оценить механические свойства металлов измерением твердости.
2. Твердость металлов
В числе многих методов механических испытаний особое место занимают измерения твердости как наиболее распространенный метод оценки свойств материала. Причины такого положения заключаются в следующем: с одной стороны, твердость непосредственно характеризует сопротивление материала истиранию, его режущие свойства, способность выдерживать местные давления, с другой стороны, она связана с механическими свойствами, определяемыми при стандартных испытаниях на растяжение. Кроме того, твердость можно определить быстро, на любой стадии технологической обработки металла, а также подвергнуть стопроцентному контролю готовые детали без их разрушения.
Наибольшее распространение и практическое значение имеет твердость при пластическом вдавливании.
Твердостью на вдавливание называется сопротивление материалов внедрению в него более твердого тела, не испытывающего остаточной деформации. В качестве такого тела, называемого индентером, используются стальной шарик, алмазные конус и пирамида.
Испытания на твердость имеют специфику, заключающуюся:
1) в местном воздействии на небольшую часть поверхности тела;
2) в малости объема металла, участвующего в деформации;
3) в создании в деформированном металле такого напряженного состояния, при котором растягивающие напряжения малы по сравнению с касательными, что дает возможность успешно испытывать и хрупкие материалы. При этих испытаниях определяются свойства материала в пластической области без разрушения.
8. Контрольные вопросы
1. Чем обусловлены ограничения в использовании метода Бринелля при измерении твердости очень твердых и очень мягких материалов?
2. Все методы измерения твердости
вдавливанием предусматривают размещение
отпечатков на расстоянии не менее
друг от друга. Чем обусловлены такие
ограничения?
3. На каком расстоянии от края образца можно нанести отпечаток при измерении твердости по Бринеллю? Почему?
4. Испытываются два образца по методу
Бринелля: первый - пластичный, второй
– хрупкий. Что будет в обоих случаях,
если отпечаток нанести слишком близко
к краю образца – на расстоянии меньше
?
Литература
-
Ю.П. Солнцев, Е.И. Пряхин. «Материаловедение».
Учебник для сузов. Изд. 4-е перераб. Спб. Химиздптельство – 2007, 487с.
2. Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. «Материаловедение». Учебник для машиностроительных вузов. 4-е изд., перераб. и дополненное. М.: Машиностроение. 2000, 493с.
Результаты измерений твердости и их статистическая обработка
|
Материал |
Метод измерения твердости |
Результат измерения |
Твердость по Бринеллю (с помощью таблиц) |
Среднее арифметическое
|
Среднеквадратичная ошибка
|
|
Сталь 45 отоженная |
|
1.
2.
3.
|
|
|
|
|
Сталь 45 нормализованная |
|
1.
2.
3.
|
|
|
|
|
Закаленная сталь У8 |
|
1.
2.
3.
|
|
|
|
|
Дуралюмин Д16 |
|
1.
2.
3.
|
|
|
|
На рис. 1 приведена схема вдавливания шарового индентора в испытуемый материал.
Рис. 1. Схема напряженного состояния в зоне пластической деформации (заштрихована) при вдавливании шарика
Под действием нагрузки
шарик вдавливается в поверхность
образца, при этом из зоны деформации
металл вытесняется наружу. В результате
в месте вдавливания образуется шаровая
лунка (отпечаток) диаметром
и глубиной
.
При статическом вдавливании шарика в
плоскую поверхность образца сначала
происходит упругая деформация. Глубина
упругого вдавливания зависит от
нагрузки, с ростом которой в какой-то
момент начинается пластическая
деформация. Снятие нагрузки после любой
деформации сопровождается упругим
восстановлением отпечатка, так что
,
(2.1)
где
- полная глубина вдавливания;
- доля упругой составляющей, снимающейся
при снятии нагрузки;
- глубина восстановленного отпечатка
(остаточная глубина).
Экспериментально установлено, что при
вдавливании шарика глубина восстановленного
отпечатка растет линейно с увеличением
нагрузки. Это позволяет построить
диаграмму пластического вдавливания
шарового индентора, проведя испытания
при двух нагрузках
и
.
Рис. 2. Диаграмма пластического вдавливания
шарового индентора 
(М.С. Дрозд)
Экстраполяция диаграммы вдавливания
до
дает нагрузку
,
по достижении которой в центре отпечатка
только начинается пластическая
деформация. Величина этой нагрузки
определяется пределом текучести
материала. Для развития пластической
деформации необходимо повышение
нагрузки относительно
.
Это – проявление деформационного
упрочнения или наклепа.
Угол наклона диаграммы вдавливания характеризует интенсивность деформационного упрочнения.
.
(2.2)
Испытание на вдавливание при значительных нагрузках (и, следовательно, при больших остаточных деформациях) дает информацию о временном сопротивлении.
Путем измерения твердости можно определить характеристику пластичности при вдавливании, сходную с сужением поперечного сечения при испытании на растяжение.
,
(2.3)
где
- площадь поверхности лунки;
- площадь проекции отпечатка;
- пластичность при вдавливании.
Как показано на рис. 2, глубина вдавливания зависит от нагрузки на индентор. Поэтому для оценки механических свойств по результатам измерения твердости условия испытания должны быть строго стандартизированы. ГОСТами определены форма и размеры инденторов, величины нагрузок на индентор, а также длительность нагружения. При всех измерениях нагрузки должны быть такими, чтобы обеспечить значительную пластическую деформацию в зоне вдавливания индентора.