испытание металлов на прочность

Лабораторная 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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:

1. по величине поверхности отпечатка от вдавливания стального

•

шарика при испытании на прессе Бринелля;

2. 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.

1. 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

2. 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.

3. 

4. а число твердости по Бринеллю будет выражаться формулой

6. 

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).

7. 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.

8. 

9. . Схема определения твердости

10. по способу Бринелля

12. 

13. 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 а_в существует количественная зависимость:

6_B - 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 а_в = 3,5 НВ, для дуралюмина отожженного о_в = 3,6 НВ, а после закалки и старения о_в= 3,5 НВ. НВ принимается в кгс/мм², тогда а_в 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:

14. металлов, имеющих твердость свыше 4500 МПа, при этом будет деформироваться сам стальной закаленный шарик и результаты испыта­ний будут неточны;

15. 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) Р_х = 900 Н; Р = 100 + 900 = 1000 Н;

алмазного конуса (шкала С) Р_{ = 1400 Н; Р = 100 + 1400 = 1500 Н;

алмазного конуса (шкала А) Р_у = 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; h_Q - 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:

16. изучить работу твердомера;

17. подготовить образцы к испытанию так же, как и при испытаниях

• ■

на приборе Бринелля;

18. подобрать наконечник и закрепить его в шпинделе при помощи

установочного винта;

19. подобрать и подвесить грузы соответственно выбранному наконеч­нику и шкале, по которой предполагается вести испытание (см. табл. 5.3);

20. установить испытуемый образец на столик прибора;

21. 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;

22. 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;

23. 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;

24. 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.