12

Лабораторна робота №5

Тема: фізико-хімічні властивості конструкційних матеріалів.

Вивчення твердості та мікротвердості

Мета роботи: набути навичок по визначенню твердості та мікротвердості.

Завдання до роботи

1. Проаналізувати теоретичні методи дослідження зразків на твердість та мікротвердість.

2. Зробити випробування на твердість та мікротвердість запропонованих зразків.

3. Визначити величину мікротвердості.

4. Скласти звіт по роботі.

Обладнання і матеріали

Прилади типу ТШ (метод по Бринелю), типу ТК (по Роквеллу), типу ТП (по Віккерсу), типу ПМТ-3 (визначення мікротвердості), зразки матеріалів, мікрокалькулятор, комп’ютер.

Теоретична частина

Випробовування на твердість

Схема випробування й величина твердості за Роквеллом

Випробовування на твердість за Роквеллом виконують шляхом втиснення у зразок, що випробовується (деталь) алмазного конуса з кутом 120⁰ або сталевої загартованої кульки діаметром 1,588 мм. Кульку й конус втискають у випробовуваний зразок під дією двох послідовно прикладених навантажень - попереднього Р₀ і основного Р₁. Загальне навантаження Р буде дорівнювати сумі попереднього Р₀ і основного Р₁ навантажень (рис. 5.1):

Рис. 5.1. Схема визначення твердості вдавлюванням алмазного конусу (на приладі Роквела)

Попереднє навантаження Р₀ у всіх випадках дорівнює 10 кг, а основне Р₁ і загальне Р навантаження визначають при втисненні сталевої кульки (шкала В): P₁=90 кг, P=10 кг+90 кг=100 кг ; при втисненні алмазного конуса (шкала В) P₁=140 кг, P=10 кг+140 кг=150 кг; при втисненні алмазного конуса (шкала А) P₁=50 кг, P=10 кг+50 кг=60 кг.

Число твердості за Роквеллом – число, яке відраховується та виражається в умовних одиницях.

За одиницю твердості прийнята величина, що відповідає осьовому переміщенню наконечника на 0,002 мм. Число твердості за Роквеллом НR визначається по формулах: при вимірюванні по шкалі В: НR = 130 - е, при вимірюванні по шкалах С и А HR = 130 - е.

Величина е визначається за наступною формулою:

(5.1)

де h₀ - глибина втиснення наконечника у випробовуваний матеріал під дією попереднього навантаження Р₀.

h - глибина втиснення наконечника у досліджуваний матеріал під дією загального навантаження Р, виміряна після зняття основного навантаження P₁ із з попереднього навантаження Р₀.

Залежно від того, застосовують кульку або алмазний конус, і від навантаження, при якому проводять випробування (тобто по якій шкалі: В, С або А), число твердості позначають НRВ, НRС, НRА.

Визначення твердості на приладі типу Роквелла має широке застосування, тому що цей прилад дає можливість випробовувати м'які, тверді, а також тонкі матеріали. Відбитки від конуса або кульки дуже малі, і тому можна випробовувати готові деталі без їхнього псування; випробування легко здійснюється й займає мало часу (кілька секунд); не потрібно додаткових вимірів і число твердості читається прямо на шкалі. Значення твердості по Роквеллу можуть бути переведені в значення твердості за Бринелем.

Схема випробовування на твердість за Бринеллем

Випробовування на твердість за Бринеллем проводиться шляхом втиснення у зразок сталевої кульки певного діаметра під дією заданого навантаження протягом певного часу.

Схема випробовування на твердість по Бринеллю представлена на рис.5.2. В результаті втиснення кульки на поверхні зразка отримується відбиток (лунка).

Відношення тиску P до величини отриманого відбитку (кульового сегмента) F дає число твердості, яке позначається HB:

(5.2)

Рис. 5.2. Схема випробування на твердість за способом Бринеля.

Поверхня кулькового сегменту:

, (5.3)

де D - діаметр втиснутої кульки в мм;

h - глибина відбитку в мм.

Оскільки глибину відбитку виміряти важко, а простіше виміряти діаметр відбитку d, то бажано величину h виразити через діаметри кульки D та відбитку d:

(5.4)

Тоді поверхня F кулькового сегменту розраховується

, (5.5)

а число твердості за Бринелем буде описуватися формулою

(5.6)

Приладом для випробовування на твердість за Бринеллем є автоматичний важільний прес. Існують кульки різного діаметру (D - 10,5 і 2,5 мм) і застосовують залежно від товщини досліджуваного матеріалу. Навантаження Р вибирають залежно від якості досліджуваного матеріалу по формулі

(5.7)

де К - постійна для даного матеріалу величина, яка дорівнює 30; 10, або 2,5.

Твердість за Віккерсом

Випробовування на твердість за Віккерсом здійснюють через втиснення у досліджуваний зразок чотиригранної алмазної піраміди з кутом при вершині 136⁰. По навантаженню, що нормується по відношенню до одиниці поверхні відбитку, визначається число твердості, яке позначається НV

(5.8)

де Р - навантаження на піраміду в кг;

d - середнє аріфметичне довжини обох діагоналей відбитку після зняття навантаження в мм;

α - кут між протилежними гранями піраміди при вершині, рівний 136°.

Випробування на мікротвердість

Випробування на мікротвердість застосовують при визначенні твердості таких зразків деталей, які не можуть бути випробувані звичайними методами (за Бринеллем, Роквеллом, Віккерсом), а саме, дрібних деталей приладів, тонких напівфабрикатів (стрічок, фольги, дроту), окремих структурних складових сплавів, тонких шарів, що виходять як результат хіміко-термічної обробки (азотування та ін.) і гальванічних покриттів, поверхневих шарів металу, які змінили свої властивості в результаті зняття стружки, після тиску, тертя.

Для випробування на мікротвердість застосовують прилад ПМТ-3.

Будова приладу ПМТ-3

Вимірювання мікротвердості здійснюється через втиснення чотиригранної алмазної піраміди (за методом Хрущова - Берковича) з кутом при вершині 136°, під навантаженням від 2 до 200 Г.

Число мікротвердості визначають за формулою

(5.9)

де Р - навантаження в г; d - діагональ відбитка в мкм. Практично мікротвердість визначають по величині діагоналі відбитка, користуючись спеціальними таблицями (див. таблиці додатку).

Для вимірювання мікротвердості застосовують прилад ПМТ-3 (рис. 5.3).

Рис.5.3. Прилад ПМТ-3 для вимірювання металів на мікротвердість

Прилад містить штатив, предметний столик, гвинтовий окулярний мікрометр, що навантажує механізм і спеціальний освітлювач. Штатив складається з основи 1 та колонки 6, по якій гайкою 7 можна переміщати у вертикальному напрямку кронштейн 8 з тубусом. Переміщення тубуса мікроскопа вверх й вниз здійснюють обертанням гвинта 10 (груба подача) і гвинта 9 (мікроподача). Предметний столик 16 закріплений на основі трьома гвинтами. Верхня частина столика, на яку встановлюють зразок, переміщується у двох взаємо - перпендикулярних напрямках мікрометричними гвинтами 17 і 18. Поворот столика навколо осі приблизно на 180° здійснюють ручкою 2. Гвинтовий окулярний мікрометр 12, призначений для вимірювання діагоналі отриманого відбитка, закріплений на трубці насадки гвинтом 14. Подвійний штрих (перехрестя ниток) окулярного мікроскопа переміщують барабаном 11 мікрометра.

До тубуса прикріплений механізм навантаження 5, який представляє собою шток, закріплений на двох пружинах. У нижній кінець штока вставляється оправлення 3 з алмазним наконечником, а на потовщену частину штока встановлюються вантажі 4 у формі шайб із вирізом, вагою 2; 5; 10; 50; 100 і 200 г. Для отримання відбитка опускають шток обертанням рукоятки 15 аретиру проти годинникової стрілки.

Центрування приладу

Центрувати прилад необхідно для того, щоб відбиток алмазної піраміди потрапляв при випробовуванні саме в те місце зразка, яке обрано для його нанесення.

Для центрування приладу необхідно:

1. Подвійний штрих (перехрестя ниток) окулярного мікрометра встановити в центрі поля зору на розподілі 4 шкали (рис. 5.4, а).

2. Вибрати на зразку місце для нанесення відбитку й підвести його переміщенням столика двома гвинтами 17 і 18 (див. рис. 5.3) під перехрестя ниток (рис. 5.4,б).

3. Зробити відбиток (рис. 5.4, в). Отримається відбиток х, а внаслідок того, що прилад не центрований, він, розташовується не на обраному місці, а осторонь від перехрестя ниток.

Рис. 5.4. Центрування приладу ПМТ-3

4. Обертанням центрувальних гвинтів 19,20 (див. рис. 5.3) сполучити центр відбитку х з перехрестям ниток (рис. 5.4, г).

5. Переміщенням столика двома гвинтами 17, 18 знову встановити під перехрестя ниток те місце зразка, на якому бажано зробити відбиток (рис. 5.6, д).

6. Нанести відбиток (рис. 5.6, е). Нанесений відбиток розташується на обраному місці зразка й в межах перехрестя ниток.

Порядок виконання роботи

1. Підготувати зразки до випробування. Відповідні зразки шліфують і полірують. Для визначення твердості структурних складових створюється мікрошліф.

2. Закріпити зразки пластиліном на планці й вирівняти досліджувану поверхню паралельно робочої площини столика за допомогою ручного преса.

3. Повернути столик у крайнє праве положення до упору.

4. Помістити на стовщену частину штока обраний вантаж.

5. Навести на фокус поверхня зразка обертанням гвинтів 9 і 10.

6. Встановити на різкість нитки окулярного мікроскопа обертанням лінзи окуляра 13.

7. Вибрати на зразку місце для нанесення відбитку й переміщенням столика підвести його до перехрестя подвійного штриха.

8. Плавно, без поштовхів повернути предметний столик проти годинникової стрілки до упору.

9. Повернути рукоятку 15 проти годинникової стрілки (поворот на 180° роблять протягом 10-15 сек) і вдавити алмазну піраміду у випробувану поверхню. Після п’ятисекундної витримки під навантаженням рукоятку 15 аретира повернути у вихідне положення.

10. Плавно, без удару, повернути предметний столик у крайнє праве положення до упору.

11. Виміряти діагональ отриманого відбитка за допомогою окулярного мікрометра. Для виміру діагоналі правий кут перехрестя ниток підвести до лівого кута відбитка обертанням барабана 11. Зробити перший відлік показів шкали з вимірювального барабана окуляра-мікрометра. Цифра на шкалі, розташована ліворуч від перехрестя ниток (подвійний штрих, рис. 5.5, в), показує соті, а цифри на вимірювальному барабані - десятки й одинці. Сума цих чисел дає відлік. Наприклад, подвійний штрих перебувають між цифрами 4 і 5 на шкалі (рис. 5.5, б), що відповідає числу 400, а на лімбі барабана - 15. Тоді відлік буде дорівнює сумі 400 + 15=415. Після зняття відліку, обертанням барабана 11 (рис. 5.3) окулярного мікроскопа лівий кут ниток підводять до правого кута відбитка (рис. 5.5, в). Потім роблять другий відлік показів шкали й вимірювального барабана окуляр- мікрометра аналогічно першому відліку.

Різниця відліків, яка помножується на ціну поділки вимірювального барабана (0,3 мк), дає величину діагоналі відбитка d.

12. По довжині діагоналі відбитка d визначити величину мікротвердості (H) за формулою (5.9) і зрівняти з табличними даними.

13. Результати вимірів внести до протоколу випробування.

Рис. 5.4. Схема вимірювання діагоналі відбитка окуляр-мікрометром: а - положення ниток і відбитку у полі зору окулярного мікроскопа після отримання відбитку; б - положення ниток і відбитку для здійснення першого відліку; в- положення ниток і відбитку для здійснення другого відліку

Контрольні питання

1. Перерахувати основні механічні властивості матеріалів.

2. Дати визначення твердості та мікротвердості.

3. Перерахувати основні методи випробовування металів на твердість та мікротвердість.

4. Описати будову приладу ПМТ-3, визначити принцип його центрування.

5. З’ясувати фізичні властивості досліджуваного матеріалу.

Список літератури