Презентации к урокам по дисциплине "Основы материаловедения"
презентация урока для интерактивной доски на тему

Лабораторная работа № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ

 ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

Ознакомиться с методикой определения твердости металлов по методам Бринелля, Роквелла, Виккерса, Шора.

ЗАДАНИЕ:

Расчёт твёрдости по Бринеллю (по вариантам)

Определение твердости по универсальному твердомеру.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.

Твердость материала - это сопротивление проникновению в его поверхность стандартного тела - наконечника (индентора), например шарика, конуса, пирамиды и т.д. не деформирующегося при испытании.

Твердость измеряют многими методами, например вдавливанием наконечника, царапаньем испытуемой поверхности алмазным острием под определенной нагрузкой и т.д. Общим для всех методов является создание местных контактных напряжений при воздействии стандартного наконечника на испытуемую поверхность.

Наибольшее распространение на практике получили методы Бринелля, Роквелла, Виккерса

Метод Бринелля

Метод Бринелля — один из основных методов определения твёрдости.

Метод предложен шведским инженером Юханом Августом Бринеллем (1849—1925) в 1900 году, и стал первым широко используемым и стандартизированным методом определения твёрдости в материаловедении.

Методика проведения испытаний и расчёт твёрдости

Этот метод относится к методам вдавливания. Испытание проводится следующим образом: вначале дают небольшую предварительную нагрузку для установления начального положения индентора на образце, затем прилагается основная нагрузка, образец выдерживают под её действием, измеряется глубина внедрения, после чего основная нагрузка снимается. При определении твёрдости методом Бринелля, в отличие от метода Роквелла, измерения производят до упругого восстановления материала. Индентор (полированный закалённый стальной шарик) вдавливают в поверхность испытуемого образца (толщиной не менее 4 мм) с регламентированным усилием. Через 30 с после приложения нагрузки измеряют глубину отпечатка. В другом варианте усилие прилагается до достижения регламентированной глубины внедрения. Твёрдость по Бринеллю НВ рассчитывается как «приложенная нагрузка», делённая на «площадь поверхности отпечатка»:

, МПа                                        (1)

где Р — приложенная нагрузка, Н

D — диаметр шарика, мм;

d— диаметр отпечатка, мм,

или по формуле:

, МПа                                                (2)

где h — глубина внедрения индентора, мм.

Отпечаток индентора на эталонном образце. Твёрдость 96,5 НВ 10/1000/10

В России регламентированные нагрузки 49 Н, 127 Н, 358 Н, 961 Н, диаметр шарика 5 мм, глубины внедрения от 0.13 до 0,35 мм.

В разных спецификациях эти значения различны.

Наиболее распространённые диаметры шарика— 10, 5, 2.5 и 1 мм и нагрузки 187,5 кгс, 250 кгс, 500 кгс, 1 000 кгс и 3 000 кгс.

Для выбора диаметра шарика обычно используют следующее правило: диаметр отпечатка должен лежать в пределах 0,2—0,7 диаметра шарика.

Твёрдость по шкале Бринелля выражают в кгс/мм2.

Для определения твёрдости по методу Бринелля используют различные твердометры, как автоматические, так и ручные.

Преимущества и недостатки

Метод можно применять только для материалов с твердостью до 450 НВ, если применять стальной закаленный шарик. Как альтернатива, применяют шарики из твёрдого сплава на основе карбида вольфрама (АС), это позволяет повысить верхний предел измерения твёрдости до 600 НВА.

Твёрдость по Бринеллю зависит от нагрузки, так как изменение глубины вдавливания не пропорционально изменению площади отпечатка.

При вдавливании индентора по краям отпечатка из-за выдавливания материала образуются навалы и наплывы, что затрудняет измерение как диаметра, так и глубины отпечатка.

Из-за большого размера тела внедрения (шарика) метод неприменим для тонких образцов. Преимущества

Зная твёрдость по Бринеллю, можно быстро найти предел прочности и текучести материала, что важно для прикладных инженерных задач.

Данный метод является более точным по сравнению с методом Роквелла на более низких значениях твёрдости (ниже 30 НК.С).

Также метод Бринеля менее критичен к чистоте подготовленной под замер твёрдости поверхности.

Метод Роквелла

Метод Роквелла устанавливает числа твердости трех градаций HRA, HRB и HRC путем вдавливания в поверхность испытываемого материала алмазного наконечника (шкалы А и С) или стального шарика (шкала В).

При измерении числа твердости по Роквеллу наконечник вдавливается в образец под действием двух последовательно прилагаемых сил:

-предварительной Ро 

-общей P=P1 + Р0

Твердость по Роквеллу:

- при измерении по шкалам А и С

HR = 100-е,

при измерении по шкале В

HR= 130-е

где е =(h-h0 ) /0,002,

h0 - глубина внедрения наконечника (шарика) в металл под действием предварительной нагрузки Р0

h - общая глубина внедрения наконечника (шарика) после снятия основной нагрузки с оставлением предварительной нагрузки Р0.

Шкала С применяется для определения твердости закаленных металлов.

Шкала В - для мягких материалов.

Шкала А -для очень твердых материалов (твердых сплавов).

Пример обозначения твердости закаленной стали: HRC 60.

Метод Виккерса

Метод основан на вдавливании четырехгранной алмазной пирамидки с углом между противоположными гранями, равным 136°. Число твердости обозначается HV (кгс/мм2) и определяется отношением нагрузки к площади поверхности отпечатка. Число твердости вычисляется по формуле

 , кгс/мм2

к =1,854 -постоянная, d - среднее значение длины диагоналей отпечатка,

F- нагрузка, используемая при измерении.

Нагрузка может изменяться в пределах от 1 до 100 кгс (от 10 до 1000Н). Величина диагоналей определяется с помощью специального микроскопа, встроенного в прибор. Для измерения очень тонких слоев или отдельных фаз сплава используют метод измерения микротвердости при нагрузке от 1 до 500 г (от 0,01 до 5 Н), которая также определяется в единицах НУ Значения твердости (до 450 НВ) по Бринеллю и Виккерсу практически равны.

Метод Шора

При измерении твердости по Шору используется принцип, отличный от рассмотренных ранее. Твердость оценивают по величине упругой, а не пластической деформации. На поверхность объекта с высоты H0 падает специальный боек. При ударе часть энергии расходуется на пластическую деформацию исследуемого материала. Оставшаяся упругая деформация возвращается бойку в виде упругого отскока на величину h0. При этом сам боек не деформируется, так как оснащен алмазным наконечником. Высота отскока бойка, определяемая величиной упругой деформации, тем больше, чем выше твердость материала. На испытуемый образец «1» с высоты Н падает груз «2» с алмазным шариком «3» на конце. Диаметр шарика D=2,5 мм.

Твердость определяется по высоте отскока бойка. Шкала твердости на приборе Шора разделена на 130 единиц. Она рассчитана таким образом, чтобы твердость закаленной эвтектоидной стали оказалась равной 100 единицам. Эти приборы часто используют для определения твердости непосредственно на деталях, особенно крупногабаритных.

В некоторых случаях, когда применение перечисленных методов невозможно, твердость металла определяют с помощью тарированных напильников из материала с известной максимальной твердостью, пока еще возможно снятие стружки (при большей твердости напильник скользит по поверхности). Этот метод менее точен, но прост и легко применим в цеховых условиях.

 Определить твердость образца на УНИВЕРСАЛЬНОМ ТВЕРДОМЕРЕ

Занести данные в таблицу с размерностью:

 Выводы:

Порядок оформления отчёта

Цель работы и задание по её выполнению.

По заданному варианту и данным из таблицы произвести расчёт твёрдости по формуле 2.

Определить твердость выданного образца металла на Универсальном твердомере и занести данные в таблицу.

Сделать выводы по данной лабораторной работе.