- Горшкова Татьяна Альбертовна

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
С.М. Шевченко, Т.А.Горшкова Н.В. Авдеева
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
Учебно-методическое пособие
Нижний Новгород
2008
3
Печатается по решению редакционно-издательского Совета
Нижегородского государственного педагогического университета
Механические свойства металлов
Учебно-методическое пособие. Н.Новгород,
НГПУ, 2008 г. – _____ с.
Учебно-методическое пособие содержит основные положения теории, контрольные
вопросы, основные сведения и порядок выполнения лабораторных работ по механическим
свойства металлов. В связи с отсутствием учебной литературы, адаптированной для студентов
педагогического вуза, материал пособия может использоваться и при подготовке к экзамену
по механическим свойствам металлов.
Рецензент
В.А. Васильев,
доктор техн.наук, профессор
(Нижегородский государственный технический
университет)
4
Учебное издание
Шевченко София Михайловна
Горшкова Татьяна Альбертовна
Авдеева Наталья Васильевна
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
Учебно-методическое пособие
Печатается в авторской редакции
Подписано в печать
Объем
Печать оперативная
п.л.
Тираж 100 экз.
Заказ
Нижегородский государственный педагогический университет
Полиграфический участок АНО «МУК НГПУ»
603950, Нижний Новгород, ГСП – 37, ул.Ульянова, 1
5
Федеральное агентство по образованию Российской Федерации
ГОУ ВПО «НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
Н.Новгород
2008 год
6
СОДЕРЖАНИЕ
1.
Основные свойства металлов__________________________________________________
2..
Механические испытания_____________________________________________________
2.1
Испытание на растяжение____________________________________________________
2.2
Испытание на твердость______________________________________________________
Схема испытания и величина твердости по
Бринеллю__________________________________________________________________
Схема испытания и величина твердости по
Роквеллу____________________________________________________________________
3.
Определение ударной вязкости_________________________________________________
4.
Контрольные вопросы_________________________________________________________
5.
Лабораторная работа №1 Испытание на растяжение________________________________
6.
Лабораторная работа №2 Измерение твердости металлов___________________________
Приложение_________________________________________________________________
7
1. Основные свойства металлов
Свойства металлов определяются их природой и строением. Различают следующие
основные свойства металлов: физические, механические, химические и технологические.
К ф и з и ч е с к и м с в о й с т в а м относятся: плотность, температура плавления, линейное
расширение, электро- и теплопроводность, магнитная проницаемость, способность светиться
при нагревании. Физические свойства играют важную роль при выборе металлов для
изготовления тел или иных деталей машин и механизмов.
М е х а н и ч е с к и м и с в о й с т в а м и являются следующие свойства: прочность, твердость,
упругость, пластичность и вязкость. Механические свойства характеризуют работоспособность
металла, его способность находиться под нагрузкой, не разрушаясь, и вместе с тем хорошо
деформироваться (изменять форму и размеры). Для определения механических свойств
металлов и сплавов испытывают специальные образцы.
Х и м и ч е с к и е с в о й с т в а металлов – способность сопротивляться различным
химическим воздействиям, в частности, коррозионному воздействию разных активных сред
(атмосферы, воды, кислот и т.п.)
Знание химических свойств металлов и сплавов позволяет правильно выбрать их для
конструирования аппаратуры, применяемой в пищевой промышленности. Разные металлы и
сплавы подвергаются коррозии в различной степени. Так, золото, серебро, медь, нержавеющая
сталь слабо поддаются коррозии, а обычная сталь легко корродирует. Поэтому для
металлических деталей пищевых машин и аппаратов применяются нержавеющие
кислотостойкие стали, а также различные защитные покрытия.
Т е х н о л о г и ч е с к и е с в о й с т в а металлов – свойства, которые характеризуют
способность металлов подвергаться различным способам обработки в холодном и горячем
состоянии. Они сочетают в себе одновременно физико-химические и механические свойства. В
отличие от точных испытаний металлов на физико-механические свойства определение
технологических особенностей поведения материалов производят менее точно, методами
технологических проб.
Например, металлы испытывают на изгиб (ГОСТ 14019-68), перегиб (ГОСТ 13813-68),
двойной кровельный замок (ГОСТ 13814-68), вытяжку сферической лунки (ГОСТ 10510-74),
осадку (ГОСТ 8817-73) и расплющивание (ГОСТ 8818-73) и т.п.
Технологическую пробу подвергают наружному осмотру. Признаком того, что образец
выдержал испытание, является отсутствие трещин, надрывов, расслоения или излома.
К основным
технологическим
с в о й с т в а м относят: обрабатываемость
резанием, свариваемость, ковкость, литейные свойства и др.
Обрабатываемость резанием – одно из важнейших технологических свойств, потому что
подавляющее большинство заготовок, а также деталей сварных узлов и конструкций
подвергается механической обработке. Одни материалы обрабатываются хорошо до получения
чистой и гладкой поверхности, другие же, имеющие высокую твердость, плохо. Очень вязкие
материалы с низкой твердостью также плохо обрабатываются: поверхность получается
шероховатой, с задирами. Улучшить обрабатываемость, например, стали можно путем
термической обработки, понижая или повышая твердость стали.
Свариваемость – способность материалов образовывать при сварке плотной шов, без
трещин. Сваривать можно почти все металлы.
Ковкость – способность металла обрабатываться давлением без признаков разрушения. К
обработке давлением относят: ковку, прокатку, штамповку в холодном и горячем состояниях.
Литейные свойства металлов характеризуют способность их образовывать отливки без
трещин, раковин и других дефектов. Основными литейными свойствами являются
жидкотекучесть, усадка и склонность к ликвации. Жидкотекучесть – способность
расплавленного материала хорошо заполнять литейную форму. Усадка – сокращение объема
расплавленного материала при его затвердевании и охлаждении до комнатной температуры.
Усадка выражается в процентах. Склонность к ликвации – неоднородность химического
состава в различных местах отлива.
8
Э к с п л у а т а ц и о н н ы е с в о й с т в а м а т е р и а л о в – это свойства, которые
определяют в зависимости от условий работы машины специальными испытаниями.
Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию, т.е.
постепенному изменению размеров и формы тела вследствие разрушения поверхностного слоя
изделия при трении. Испытание материалов на изнашивание проводят на образцах в
лабораторных условиях, а деталей – в условиях реальной эксплуатации. При испытаниях
образцов моделируются условия трения, близкие к реальным. Величину износа образцов или
деталей определяют различными способами: взвешиванием, микрометражем, методом
искусственных баз, изотопным и т.д.
Циклическая вязкость – это способность материалов поглощать энергию при повторнопеременных нагрузках. Материалы с высокой циклической вязкостью быстро гасят вибрации,
которые часто являются причиной преждевременного разрушения. Например, чугун, имеющий
высокую циклическую вязкость, в некоторых случаях является более ценным материалом, чем
углеродистая сталь.
К эксплуатационным свойствам следует также отнести хладостойкость, жаропрочность,
антифрикционность и др.
2. Механические испытания
Механические свойства металлов определяют при лабораторных исследованиях и
заводских испытаниях. В результате механических испытаний получают числовые значения
механических свойств, т.е. значения напряжений или деформаций, при которых происходят
изменения физического и механического состояний материала. Механические испытания
можно производить при статическом и динамическом нагружении.
Статическими называют испытания, при которых прилагаемая к образцу нагрузка
возрастает медленно и плавно. К таким испытаниям относятся испытания на растяжение,
сжатие, кручение, изгиб и определение твердости.
Динамическое нагружение – кратковременное (ударное) приложение нагрузки. Таким
путем обычно определяется ударная вязкость.
При выполнении лабораторных работ студентам необходимо будет ознакомиться с
методами механических испытаний металла:
1. На растяжение
2. На твердость
2.1 Испытание на растяжение
Испытание на растяжение относится к статическим испытаниям. При испытании на
растяжение определяют сразу несколько механических характеристик металла, определяющих
его качество и необходимых для конструкторских расчетов.
Прочность – способность сопротивляться деформации и разрушению под действием
внешних сил. Прочность характеризуется пределом текучести и пределом прочности.
Пластичность – способность тела деформироваться, не разрушаясь под действием сил, и
сохранять форму после прекращения действия сил. Характеристиками пластичности являются
относительное удлинение и относительное сужение.
Деформация металла делится на упругую и пластическую. Деформации, исчезающие после
снятия (восстановление материалом первоначальных формы и размеров) называются упругими,
а остаточные деформации, в результате которых материал сохраняет полученную форму после
снятия нагрузки – пластическими.
Упругость – способность металла менять свои формы и размеры под действием внешних
нагрузок и возвращаться в первоначальное положение после снятия нагрузок.
9
Проведение испытания.
Испытание проводят на образцах строго определенной формы. Согласно ГОСТу для
испытания применяют образцы круглого сечения, диаметром рабочей части d 0  3 мм (рис.1а)
и прямоугольного сечения (рис.1б)
Рис.1 Форма образцов для испытания
Длина расчетной части образца l 0 равна пяти или десяти диаметрам. Образцы с длиной
расчетной части, равной пяти диаметрам, называют пятикратными, с длиной расчетной части,
равной десяти диаметрам, - десятикратными. В практике заводских испытаний часто
используют пятикратные образцы диаметром 5,6 и 10 мм. Для определения характеристик
прочности листов металла и труб, которые в пищевом машиностроении находят большое
применение, используют образцы толщиной не менее 0,5 мм или образцы труб со
сплющенными концами (рис.1б). Плоские и круглые образцы имеют головки, которые
помещают в захваты испытательной машины. Для испытания металлов используются машины,
с растягивающей силой Р от 40 до 500 кН. Машины имеют специальный механизм,
позволяющий автоматически записывать на бумажной ленте диаграмму растяжения –
зависимость силы, растягивающей образец, от его удлинения.
Образец закрепляют между специальными захватами 5 и 6 (рис.2а). Движение через
систему зубчатых колес коробки скоростей 1, гайку и ходовой винт 7 от электродвигателя 2
передается к нижнему захвату 6. Захват опускается, вызывая растяжение образца. Усилия,
возникающие в образце, через верхний захват 5 и рычаг 4 передаются на маятниковый
силоизмеритель, связанный с самозаписывающим прибором 3, который вычерчивает
диаграмму растяжения.
Зависимость между нагрузкойРис.3.1
и линейными
размерами
образца показана на диаграмме
Форма образцов
для испытания
(рис.2б). Растяжение образца от точки О до точки Р происходит по прямой линии. В образце
возникают упругие деформации, которые после снятия нагрузки полностью исчезают. На
участке ОР металл сохраняет свои упругие свойства.
Испытанию могут подвергаться образцы различной формы и размеров, поэтому для
получения сравниваемых результатов введено понятие – напряжение.
10
Напряжением называется нагрузка на единицу площади поперечного сечения.
Напряжение  (кгс / мм 2 , МПа) определяют по формуле   P / F , где Р – нагрузка; F –
площадь поперечного сечения.
Рв
Рz
Ps
Pl
Pp
Рис.2 Разрывная машина для испытания на растяжение
Точка А соответствует напряжению l - пределу упругости. Выше точки А величина
удлинения начинает расти быстрее величины усилия, поэтому кривая диаграммы начинает
изгибаться, склоняясь к горизонту. Для некоторых металлов этот участок диаграммы
характеризуется явно выраженной горизонтальной линией и называется площадкой текучести.
При достижении точки Б в образце наблюдается заметное остаточное удлинение. Напряжение
в точке Б называется пределом текучести s.
Дальнейшее увеличение растягивающего усилия (выше предела текучести) приводит к все
большему удлинению и утонению образца. К этому моменту усилия достигнут наибольшего
значения. В образце образуется так называемая шейка (в каком-то месте сечения диаметр его
уменьшится больше, чем в других местах), в которой в дальнейшем произойдет его разрыв.
Диаграмма растяжения мягкой стали.
в
z
кгс
, ( МПа)
мм 2
- относительное удлинение  в %
Напряжение  в
s
l
p
О
О


11
При различных нагрузках, вследствие кристаллического строения металл
неодинаково деформируется. Поэтому на диаграмме можно отметить ряд характерных точек и
участков.
На участке ОРр удлинение l образца увеличивается прямо пропорционально
нагрузке Р; Рр называется нагрузкой предела пропорциональности  P . Пределом
пропорциональности  P называют наибольшее напряжение, до которого относительное
l l
удлинение   k 0 100% прямо пропорционально нагрузке P(кг).  P  Pp / F0 (кгc/мм2,МПа),
l0
2
где F0 ( мм ) - площадь поперечного сечения образца. Для предела пропорциональности
между напряжениями и удлинением существует следующая зависимость:    P / E (закон
Гука), где Е – коэффициент пропорциональности, называемый модулем упругости. Нагрузка
Рl, при которой образец получает остаточное удлинение, равное 0,05% расчетной длины,
называют нагрузкой предела упругости. Пределом упругости называют такое напряжение,
при котором остаточное удлинение равняется 0,05% первоначальной расчетной длины образца.
Выше точки Ps кривая диаграммы растяжения плавно переходит в горизонтальный участок,
металл как бы течет. Такая большая пластическая деформация обуславливается скольжением
частиц в кристаллической решетке по плоскостям наибольшего расположения атомов.
Пределом текучести называется наименьшее напряжение  S , при котором образец
деформируется без заметного увеличения нагрузки.  S  PS / F0 (кгс/мм2, МПа).
После сдвига элементарных частиц кристаллической решетки, происходит упрочение
металла, а вместе с тем, возрастание нагрузки относительно удлинения образца. Наибольшая
нагрузка Pв , предшествующая образованию шейки образца, называется нагрузкой предела
прочности. Пределом прочности при растяжении называют напряжение  в , соответствующее
наибольшей нагрузке Pв , предшествовавшей разрушению образца.  в  Pв / F0 (кгс/мм2,МПа)
Истинным сопротивлением разрыву называют напряжение, определяемое отношением
нагрузки Pz в момент разрыва к площади F1 поперечного сечения образца в месте разрыва.
 z  Pz / F1 (кгс/мм2,МПа).
Данными, полученными при испытании на растяжение, пользуются при определении
показателей пластичности, характеризующих способность металла деформироваться не
разрушаясь. К ним относят: относительное удлинение  и относительное сужение  .
С этой целью обе половинки складывают плотно вместе, измеряют длину l1 его рабочей
части и диаметр d1 образца в том месте, где произошел разрыв.
Относительное удлинение определяется по формуле   (l1  l 0 ) / l 0   100% ,
где l0 - первоначальна расчетная длина; l1 - расчетная длина после испытания.
Аналогично определяется относительное сужение:   ( F0  F1 ) / F0   100% ,
где F0 - площадь поперечного сечения образца до испытания; F1 - площадь поперечного
сечения образца в месте разрыва.
Таким образом, при испытании на растяжение одного образца можно определить
следующие пять характеристик механических свойств металлов: предел упругости  l , предел
текучести  s , предел прочности  в , относительное удлинение  и относительное сужение  .
В таблице 1, дана краткая характеристика механических свойств некоторых металлов.
2.2 Испытание на твердость.
Твердость характеризует способность металла сопротивляться проникновению в него более
твердого тела. Для определения твердости пользуются различными способами, основанными
на принципе вдавливания в испытуемый металл твердого шарика, конуса или пирамиды.
Твердость определяется либо по диаметру отпечатка стального закаленного шарика (метод
12
Бринелля), либо по глубине вдавливания алмазного конуса (метод Роквелла), либо по
величине отпечатка четырехгранной алмазной пирамиды (метод Виккерса).
Таблица 1
Марка металла
Ст.20-30
Ст.40-50
Ст.50-60
20Х
45Х
40 ХС
15Х
18ХГ
ЛС59-1Л
ЛМцЖ55-3-1
ЛА67-2,5
БрАЖ9-4
БрАЖ9-4Л
БрАМц9-2Л
БрАМц10-2
БрОФ10-1
АМг2М
АМг2Н
Д1А
Предел
прочности
 B , кгс / мм 2
40-50
57-60
63-65
75
100
125
70
90
20
50
40
50-70
35-45
40
50
25
17
27
36
Относительное
удлинение
 ,%
25-20
17-16
13-10
12
10
12
12
10
20
10
15
4-6
8-12
20
12
1-2
16-18
3-4
12
Твердость
НВ
100-120
140-170
170-250
Ударная
вязкость
кгм/мм2
12-10
9-8
8-7
7
6
80
100
90
160
90-100
80
110
100
Схема испытания и величина твердости по Бринеллю
Испытание на твердость по Бринеллю производится вдавливанием в испытуемый образец
стального шарика определенного диаметра под действием заданной нагрузки в течение
определенного времени. Схема испытания на твердость по Бринеллю дана на рисунке 3.
В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка).
Отношение нагрузки Р, Н (1Н  0,1 кгс) к поверхности полученного отпечатка (шарового
сегмента) F, мм2,дает число твердости, обозначаемое НВ:
НВ=Р/F
(Р/F, Н/мм2; 1Н/мм2=1 МПа  0,1кгс/мм2).
Поверхность F шарового сегмента
F  Dh ,
где D – диаметр вдавливаемого шарика, мм; h – глубина отпечатка, мм.
Так как глубину отпечатка h измерить трудно, а гораздо проще измерить диаметр
отпечатка d, то целесообразно величину h, мм выразить через диаметры шарика D и
отпечатка d:
D  D2  d 2
.
2
Тогда поверхность F шарового сегмента, мм2:
D
F
(D  D 2  d 2 ) ,
2 на твердость по способу Бринелля
Рис.4.1 Схема испытания
а число твердости по Бринеллю будет характеризоваться формулой
2P
.
HB 
Прибор для испытания
на
D( D  твердость
D 2  d 2 ) по Бринеллю
h
13
Рис.3 Схема испытаний на твердость по способу Бринелля
Между пределом прочности и числом твердости НВ различных металлов существует
следующая зависимость  b  k  HB
Таблица 2
Металлы
K
b
Сталь с твердостью НВ
120 –175
0,34
175 – 450
0,35
Медь, латунь, бронза
отожженная
0,55
наклепанная
0,4
 b  0,55  HB
 b  0.4  HB
Алюминий и его сплавы
0,33 – 0,36
 b  (0,33  0,36)  HB
 b  0,34  HB
 b  0.35  HB
Измерение твердости по Бринеллю не является универсальным способом. К недостаткам
этого способа следует отнести:
1) невозможность испытания металлов , имеющих твердость более НВ=450, так как шарик
будет деформироваться, и показания будут неточными;
2) невозможность испытания твердости тонкого поверхностного слоя (менее 1-2 мм), так как
шарик будет продавливать тонкий слой металла. Толщина измеряемого слоя или образца
должна быть не менее 10-кратной глубины отпечатка;
3) после испытания остаются заметные следы на поверхности образца или изделия.
Прибор для испытания на твердость по Бринеллю
Наиболее распространенным прибором для испытания на твердость по Бринеллю является
автоматический рычажный пресс. Схема автоматического рычажного пресса показана на
рисунке 4. В верхней части станины 1 имеется шпиндель 7, в который вставляется наконечник
с шариком 6. Может быть установлен один из трех наконечников - с шариком диаметром 10; 5
или 2,5 мм. Столик 4 служит для установки на нем испытываемого образца 5. Вращением по
часовой стрелке рукоятки 15 приводят в движение винт, который, перемещаясь вверх,
поднимает столик 4, и образец 5 прижимается к шарику 6. При вращении рукоятки 15 до тех
пор, пока указатель 14 не станет против риски, пружина 8 сжимается до отказа и создается
предварительная нагрузка 1000 Н (100 кгс)
Электродвигатель 13, который включают нажатием кнопки, расположенной сбоку пресса,
приводит во вращение эксцентрик 2. При вращении эксцентрика 2 шатун 9, перемещаясь вниз,
опускает рычаг 10 и соединенную с ним подвеску 11 с грузами 12, создавая этим нагрузку на
шарик, который вдавливается в образец. При дальнейшем вращении эксцентрика 2 шатун 9,
перемещаясь вверх, поднимает рычаг 10 и подвеску 11 с грузами 12, снимая этим нагрузку с
14
шарика. Когда рычаг и подвеска с грузами достигнут исходного положения, автоматически
дается сигнал звонком и выключается электродвигатель. Вращением рукоятки 15 против
часовой стрелки опускают столик 4. В зависимости от грузов, установленных на подвеске 11,
создается различная нагрузка (табл.3).
Рис.4 Схема автоматического рычажного пресса для определения твердости по Бринеллю
Выбор диаметра шарика и нагрузки
Шарики различного диаметра (D=10; 5 и 2,5 мм) применяют в зависимости от толщины
испытываемого материала.
Таблица 3
Нагрузка
Н
Подбор грузов для нагружения автоматического рычажного пресса
Наименование грузов,
обеспечивающих
Примечание
необходимую нагрузку
(см.рис.4.2)
1875
А
2500
А+Б
Здесь А – подвеска, создающая нагрузку в 1875 Н;
5000
А+Б+В
Б – малый груз, создающий нагрузку в 625 Н;
В – средний груз, создающий нагрузку в 2500 Н;
7500
А+Б+Г
Г – большой груз, создающий нагрузку в 5000 Н
10000
А+Б+В+Г
30000
А+Б+В+5Г
Нагрузку Р выбирают в зависимости от качества испытываемого материала по формуле
P  KD 2
где К – постоянная
для данного материала величина, равная 300; 100 или 25.
Рис.4.2 Схема автоматического рычажного пресса для определения твердости
В таблице 4 приведены данные по выбору диаметра шарика и нагрузки в зависимости от
твердости (в МПа) и толщины испытываемого образца. При испытании шариками разных
диаметров (10; 5 и 2,5 мм) применяют разные нагрузки; при испытании более мягких металлов
нагрузки меньше.
Материал образца, его толщину записать в графу 2 , а условия испытания (диаметр шарика
и нагрузку) – в графу 3 протокола испытаний (форму протокола испытаний см.ниже).
15
Таблица 4
Выбор диаметра шарика и нагрузки в зависимости от твердости и толщины испытуемого образца
Материалы
Пределы
измерения в
единицах
твердости
по Бринеллю
1400-4500
Черные
металлы
<1400
>1300
Цветные
металлы
350-1300
80-350
Минимальная
толщина
испытуемого
образца,
Мм
6-3
4-2
<2
>6
6-3
<3
6-3
4-2
<2
9-3
6-3
<3
>6
6-3
<3
Соотношение
между
нагрузкой Р и
диаметром
шарика D
P=300D2
P=100D2
P=300D2
P=100D2
P=25D2
Диаметр
шарика D,
мм
Нагрузка Р,
Н
10,0
5,0
2,5
10,0
5,0
2,5
10,0
5,0
2,5
10,0
5,0
2,5
10,0
5,0
2,5
30000
7500
1875
10000
2500
625
30000
7500
1875
10000
2500
625
2500
625
156
Выдержка
под
нагрузкой,
Мм
10
10
30
30
60
Подготовка образца для испытания
Перед испытанием поверхность образца, в которую будет вдавливаться шарик,
обрабатывают наждачным камнем или напильником, чтобы она была ровной, гладкой и не
было окалины или других дефектов.
При обработке поверхности образец не должен нагреваться выше 100-150ºС. Подготовка
поверхности образца необходима для получения правильного отпечатка и чтобы края его были
отчетливо видны для измерения.
Подготовка прибора и проведение испытания
1. Установить на подвеску 11 (см.рис.4) грузы 12, соответствующие выбранной для
испытания нагрузке.
2. Наконечник с шариком вставить в шпиндель 7 и укрепить.
3. На столик 4 поместить испытываемый образец 5. Образец должен плотно лежать на
столике. Центр отпечатка должен находиться от края образца на расстоянии не менее
диаметра шарика.
4. Вращением рукоятки 15 по часовой стрелке поднять столик и прижать образец 5 к
шарику 6, продолжать вращать рукоятку 15 до тех пор, пока указатель 14 не станет
против риски.
5. Нажатием кнопки включить электродвигатель.
6. После сигнала звонком вращением против часовой стрелки рукоятки 15 опустить
столик 4 и снять с него образец с полученным отпечатком.
7. Измерить полученный отпечаток.
8. Определить твердость.
Методика измерения отпечатка и определение твердости
Полученный отпечаток измеряют с помощью лупы или микроскопа в двух взаимно перпендикулярных направлениях; диаметр отпечатка определяется как среднее арифметическое из
16
двух измерений. Лупа (рис.5а) имеет шкалу (рис.5б), малое деление которой равно 0,1 мм.
Рис.5 Лупа для измерения отпечатков
Рис.6 Положение лупы при
измерении отпечатка
Лупу нижней опорной частью надо плотно установить на испытываемую поверхность
образца над отпечатком (рис.6); если лупа не имеет специальной лампочки для освещения
поверхности, вырез (окно) в нижней части лупы обратить к свету. Поворачивая окуляр,
необходимо добиться, чтобы края отпечатка были резко очерчены.
Затем, передвигая лупу, один край отпечатка совместить с началом шкалы (рис.7).
Прочитать деление шкалы, с которым совпадает противоположный край отпечатка. Данный
отсчет и будет соответствовать размеру диаметра отпечатка (на рис.7 диаметр отпечатка
Рис.4.4 Положение лупы при
d=4,30 мм). Затем лупу или образец надо повернуть на 90º и измерить
диаметр вторично.
измерении отпечатка
Среднее
арифметическое
значение
диаметра
отпечатка
записать
в графу
4 протокола
Рис.4.3 Лупа для измерения отпечатков
а – правильное
положение;
испытания.
а –внешний вид; б – шкала лупы
б – неправильное положение
Чтобы не прибегать к длительным вычислениям твердости по приведенной выше
формуле, на практике пользуются специальной
таблицей (см. Приложение), которая дает перевод
диаметра отпечатка в число твердости НВ.
Полученное число твердости НВ записать в графу
7 протокола испытания.
Для получения правильной характеристики
твердости
данного материала необходимо
провести еще два повторных испытания на
твердость того же образца; полученные
результаты записать в графы 5 и 6 (диаметры
отпечатков) и 8 и 9 (числа твердости), определить
средний результат и записать его в графу 10
протокола
испытания.
При
повторных
испытаниях центр отпечатка должен находиться
от центра соседнего отпечатка на расстоянии не
менее двух диаметров шарика.
Рис.7 Отсчет по шкале лупы
17
Схема испытания и величина твердости по Роквеллу
Испытание на твердость по Роквеллу производится вдавливанием в испытуемый образец
(деталь) алмазного конуса 1 с углом 120º или стального закаленного шарика диаметром 1,588
мм. Шарик и конус вдавливают в испытываемый образец под действием двух последовательно
прилагаемых нагрузок – предварительной Р0 и основной Р1. Общая нагрузка Р будет равна
сумме предварительной Р0 и основной Р1 нагрузок. (рис.8):
Р= Р0 + Р1
Таблица 5
Соответствие шкал, инденторов и прилагаемых нагрузок
Схема нагрузки, Н
Шкала
Индентор
Предварительная нагрузка Р0
Основная
нагрузка Р1
Общая
нагрузка Р
HRA
Алмазный
конус
98,1
(~ 100)
490,3
(~ 500)
588,4
(~ 600)
HRB
Шаровидный
индентор
98,1
(~ 100)
882,6
(~ 900)
980,7
(~ 1000)
HRC
Алмазный
конус
98,1
(~ 100)
1372,9
(~ 1400)
1471
(~ 1500)
Применяемые материалы
Твердые сплавы, твердые поверхностные слои (0,3-0,5мм) или тонкие пластины
Низкоуглеродистая сталь, алюминиевые сплавы, медные сплавы
Закаленная сталь, белые чугуны,
материалы повышенной твердости
Число твердости по Роквеллу – число отвлеченное и выражается в условных единицах.
За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника
на 0,002 мм. Число твердости по Роквеллу HR определяется по формулам: при измерении по
шкале В HR=130-е, при измерении по шкалам С и А HR=100-е.
Величина е определяется по следующей формуле:
h  h0
,
e
0,002
где h –глубина внедрения наконечника в
испытуемый материал под действием общей
нагрузки Р, измеренная после снятия основной
нагрузки Р1 с оставлением предварительной
нагрузки Р0; h0
- глубина внедрения
наконечника в испытуемый материал под
действием предварительной
нагрузки Р0.
(см. рис.8).
Рис.8 Схема определения твердости вдавливанием
В зависимости от того, применяют ли
алмазного конуса (на приборе Роквелла)
шарик или алмазный конус, и от нагрузки, при
которой проводят испытание, т.е. по какой шкале: В, С, или А, число твердости обозначают
HRB, HRC, HRA.
Определение твердости на приборе типа Роквелла имеет широкое применение, так как этот
прибор дает возможность испытывать мягкие, твердые,
также
тонкие материалы.
Отпечатки
Рис.5.1. аСхема
определения
твердости вдавливанием
алмазного
конуса (на
приборедетали
Роквелла)
от конуса или шарика очень малы, и поэтому можно
испытывать
готовые
без их порчи;
испытание легко выполнимо и занимает мало времени (несколько секунд); не требует никаких
измерений, и число твердости читается прямо на шкале. Значения твердости по Роквеллу
могут быть переведены в значения твердости по Бринеллю (см. Приложение).
Прибор Роквелла ТН 550
Область применения.
ТН 550 – прибор для определения твердости по Роквеллу, использует принципы
проведения испытаний Роквелла и может применяться для непосредственного определения
твердости по методу Роквелла. Также прибор имеет прекрасные эксплуатационные
1
Конус может быть не только алмазным, но и из твердого сплава
18
возможности, прост в обращении и обслуживании, оснащен цифровым дисплеем, способ
проведения измерений автоматический. Твердомер ТН 550 подходит для измерений твердости
таких материалов, как карбид, карбон, сталь, легированная сталь, чугун, цветной металл и др.
Прибор может использоваться в научно-исследовательских учреждениях, при проведении
исследований на производстве во многих отраслях промышленности, таких как
машиностроение, металлургия, строительство и т.д. Область измерения твердости: 0~100HRA,
0~130HRB, 0~1000HRC
Основные параметры.
 Предварительная нагрузка: 98,1 Н (10 кГ)
 Общая нагрузка: 588,4 Н (60 кГ), 980,7 Н (100 кГ), 1471 Н (150 кГ)
 Дискретность показаний дисплея: 0,1 ед. по Роквеллу
 Максимальная зона испытания в вертикальном направлении: 200 мм
 Расстояние между передней стороной и осевой линией индентора в горизонтальном
направлении: 160 мм
 Размеры: 580 мм  270 мм  740 мм
 Электропитание: Переменный ток 220 В, 50-60 Гц
 Вес нетто: 100 кГ
Структурное представление.
Внешний вид твердомера, дисплей и панель управления представлены на рисунке 9.
рис.9
Действие прибора
Подготовка к измерению
Согласно материалу образца для измерения и диапазону твердости, выбирают подходящую
шкалу твердости. В таблице 5 представлены измеряемые параметры шкал твердости в
зависимости от материала образца. Установка шкалы твердости осуществляется с помощью
клавиш и , расположенных на панели управления прибора (рис.9). Как показано на рисунке,
выбранная шкала подсвечивается светодиодным индикатором.
Внимание: На панели управления отображаются только шкалы HRB и HRC, если необходимо
проведение теста по шкале HRA, то установите значение тестовой нагрузки 588,4N
19
(светодиодный индикатор должен гореть напротив шкалы HRC), при проведении теста по
шкале HRC тестовая нагрузка составляет 1471 N.
рис. 10
Установка индентора
Индентор устанавливается в главный аксиальный вход. Во время установки индентора,
необходимо проверить, чтобы в главном аксиальном входе, на самом инденторе и т.д. не было
посторонних мелких предметов. Для крепления индентора используется фиксирующий болт
для индентора.
Выбор испытательной нагрузки
Выбор испытательной нагрузки осуществляется с помощью шарообразной ручки с правой
стороны твердомера (рис. 11). Всего три вида испытательной нагрузки: 588,4 Н (60 кГ), 980,7 Н
(100 кГ), 1471 Н (150 кГ).
Внимание: Переключение испытательной нагрузки должно производиться в
режиме снятой нагрузки. В противном случае возможно повреждение индентора.
рис. 11
Установка времени приложения нагрузки
Для установки времени приложения испытательного усилия используются клавиши и
(рис. 11). Последние две цифры на дисплее отображают время приложения испытательного
усилия. Для металлических образцов время приложения испытательного усилия должно
находиться в пределах 2-6 секунд.
20
Проведение испытания
Поместите образец для испытания на стол, удостоверьтесь, что образец лежит ровно,
осторожно и непрерывно вращайте ручное колесо по часовой стрелке, чтобы поднять стол.
После контакта образца с индентором на дисплее отобразится цифра «9» (см. рис. 12),
свидетельствующая о начале приложения предварительной нагрузки.
рис.12
рис.13
Продолжайте вращать ручное колесо, при этом на дисплее будет происходить обратный отсчет
цифр от «9» до «0» (см.рис.13). При достижении показаний дисплея «0» (величина
предварительной нагрузки достигнута) прибор издаст звуковой сигнал, в это время необходимо
прекратить вращение ручного колеса, прибор перейдет в режим тестирования, автоматически
произведет приложение основной нагрузки, удержание нагрузки, снятие нагрузки, после чего
на дисплее отобразится значение твердости испытуемого образца. В случае, если при
приложении предварительной нагрузки осуществить перегруз (при достижении показаний на
дисплее «0» ручное колесо продолжили вращать), прибор издаст три звуковых сигнала,
необходимо выбрать другую точку на образце и начать тест заново. После завершения теста
результат будет отображен на дисплее (см.рис.14).
рис.14
Для завершения испытания снимите испытательную нагрузку при помощи поворота
ручного колеса против часовой стрелки (при этом стол опустится вниз, и образец выйдет
из контакта с индентором).
21
Минимальная толщина в мм
Требования для минимальной толщины образца
Минимальная толщина образца зависит от твердости материала и используемой шкалы.
После проведения испытания на обратной стороне образца не должно быть заметно
никаких следов деформации.
Соотношения между минимальной толщиной образца, твердостью материала и
используемой шкалой приведены на рис.15.
1,6
1,5
1,4
1,3
1,2
1,1
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
20
30
40
50
60
70
80
90
HRC
HRD
HRA
рис.15 Измерение твердости с помощью алмазного конуса (шкалы HRA, HRC, HRD)
3. Определение ударной вязкости
Испытание на ударную вязкость основано на разрушении образца с надрезом
посередине одним ударом маятника массой Р, падающего с определенной высоты Н
(рис.16) При падении он разрушает образец и поднимается на высоту h. Работа
AH , Дж(кгс  м) , затраченная на разрушение образца, определяется по формуле
AH  Pl(cos   cos  ) ,
где l – длина маятника, т.е. а расстояние от его оси до центра тяжести, м; α и β – углы
подъема маятника соответственно до и после излома образца в градусах.
Ударная вязкость a H , Дж / м 2 (кгс  м / м 2 ) , т.е. работа, затраченная на разрушение
образца AH , отнесенная к площади поперечного сечения образца в месте надреза F,
A
определяется по формуле a H  H .
F
22
Рис.16 Схема испытания на ударную вязкость
Место надреза
Место удара
ножа маятника
б)
а)
Рис. 17 Маятниковый копер
а – общий вид; б – положение образца при испытании
Устройство маятникового копра
На станине 1 копра (рис.17а) на горизонтальной оси 2 подвешен маятник 3,
представляющий собой стержень с прикрепленным к нему тяжелым плоским диском с
ножом 4. Маятник, свободно качающийся вокруг оси 2, может быть поднят на
определенную высоту и задержан там специальной защелкой 5.
На станине имеются две опоры 10, предназначенные для установки на них испытываемого
образца 11. Стрелка 6 служит для указания на шкале угла подъема маятника после
разрушения им образца. При помощи рукоятки 8 натягивают ремень 9 и останавливают
раскачивающийся маятник.
Подготовка образца для испытания
Для испытания на ударную вязкость основным является образец, показанный на
рисунке 18. Материал образца записывают в графу 2 протокола испытания. Сечение образца в
месте надреза измеряют с точностью до 0,1 мм; данные измерения записывают в графу 3
протокола.
23
30о
R 2,5  0,5
55  0,5
10  0,1
8  0,1
40  0,5
10  0,1
Рис.18 Образец для испытания на ударную вязкость
1
3
2
3
1
2
Рис. 19 Шаблон для установки
опор симметрично относительно
ножа маятника
Рис.20 Шаблон для установки надреза
образца симметрично относительно опор
и ножа маятника
По данным измерения вычисляют площадь поперечного сечения образца и записывают в
графу 4 протокола испытания.
Подготовка копра и проведение испытания
1. При помощи шаблона 1 (рис.19) установить опоры 2 симметрично относительно
ножа маятника 3 и закрепить их.
2. Подвести стрелки к нулю до упора в штифт.
3. Поднять немного маятник и поместить образец 1 (рис.20) на опоры 3 копра надрезом
в сторону, противоположную удару ножа маятника. При помощи
шаблона 2
установить надрез образца симметрично относительно опор и ножа маятника.
4. Поднять маятник в верхнее положение и закрепить защелкой 5 (см. рис.17а), при
этом стрелка отклонится и будет указывать угол α подъема маятника . Этот угол
записать в графу 5 протокола.
24
Запрещается устанавливать образец, когда маятник поднят на
полную высот у и установлен на защелку. В этом положении маятник
представляет большую опасность для работающих, так как при
случайном освобождении защелки может причинить тяжелые увечья.
5. Подвести стрелку к нулю шкалы до упора в штифт.
6. Отпустить защелку и произвести удар по образцу.
7. Остановить качание маятника натяжением (при помощи рукоятки) ременного
тормоза.
8. Определить по шкале угол β подъема маятника после излома образца и записать в
графу 6 протокола испытания. Если образец не сломался, что может быть в случае
недостаточного запаса энергии копра или в случае очень вязкого материала, то в
протоколе испытания отмечается «не сломался». Для излома другого образца
увеличивается запас энергии маятника поднятием его на большую высоту.
9. Найти работу Ан, затраченную на разрушение образца. Чтобы не вычислять
величину Ан по формулу, пользуются специальной таблицей, в которой для каждого
угла α и β указана величина работы Ан.
10. Записать величину работы Ан в графу 7 протокола испытания.
A
11. Определить ударную вязкость образца по формуле a H  H и записать в графу 8
F
протокола испытания.
12. Характеристику излома (хрупкий, вязкий) записать в графу 9 протокола испытаний.
Протокол испытания на ударную вязкость образцов стали
на копре_____________________мощностью_______________________
№
п/п
1
Материал
образца
2
Размеры
поперечного
сечения
образца,
м(см)
3
Площадь
поперечного
сечения
образца,
Угол подъема
маятника,градусы
м 2 (см 2 )
до излома
образца α
после
излома
образца β
4
5
6
* Декаджоуль: 1 даДж  1 кгс х м; 1 МДж/м2  10 кгс х м/см2
Работа
удара Ан,
даДж*
(кгс х м)
7
Ударная
вязкость
ан,
МДж/м2
(кгс х м
/см2)
8
Характеристика
излома
9
25
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
4. Контрольные вопросы
Назовите основные свойства металлов.
Охарактеризуйте технологические и эксплуатационные свойства металлов.
Что характеризуют механические свойства металлов?
Перечислите механические свойства металлов и дайте им определения.
Назовите основные тиы механических испытаний.
Какие свойства определяются при испытании на растяжение?
Как связаны внешняя нагрузка и напряжения, возникающие в образце?
Как определить предел упругости в образце?
Что такое предел пропорциональности?
Что такое предел текучести и как он определяется?
Что такое предел прочности и как его определить?
Назовите количественные характеристики пластичности.
Назовите основные способы измерения твердости.
В чем заключается сущность измерения твердости по Бринеллю?
Какой тип индентора используется в прессе Бринелля?
Как выбирают нагрузку при проведении испытания?
Какие требования предъявляют к испытуемым образцам?
Какие преимущества и недостатки метода измерения твердости по Бринеллю?
В чем заключается сущность измерения твердости по Роквеллу?
Как определяется общая нагрузка при измерении твердости?
Что принято за единицу твердости по Роквеллу?
Какие типы инденторов применяются для измерения твердости твердых и мягких
материалов?
Назовите соответствующие инденторы и нагрузки при определении твердости по шкале
А, В, С?
Опишите методику проведения испытаний твердости по Бринеллю и по Роквеллу.
5. Лабораторная работа №1
Испытание на растяжение.
Цель работы: изучить диаграмму растяжения мягкой стали в общем виде и характерных ее
точках, научиться определять характеристики прочности и пластичности металлов.
Выполнение работы.
Каждый студент получает вариант задания согласно таблице 6.
Необходимо:
1. Определить предел прочности  в МПа
2. Определить относительное удлинение  в %
3. Определить относительное сужение  в %
4. Определить тип металла и дать его краткую характеристику.
5. Написать отчет.
Контрольные задания.
1. На диаграмме растяжения мягкой стали указать зоны упругой деформации, пластической
деформации и зону разрушения
2. Определить конечную длину образца lk после испытания на растяжение, если начальная
длина образца l 0  200 мм , а относительное удлинение   30%
3. Образец после испытания на растяжение имеет длину l 0  220 мм и   20% . Определить
начальную длину l0 образца.
4. Определить абсолютную длину образца l , если его начальная длина l 0  100 мм а
  10% .
5. Начертить диаграмму растяжения для хрупкого материала.
26
Таблица 6.
Варианты заданий
№
варианта
Рв
l0 (мм)
l1 (мм)
d0 (мм)
d1 (мм)
1.
9,5х103 кг
100
115
200
19
2.
100 кН
2200
265
22
17
3.
200 кН
90
130
18
13
4.
5650 кг
150
185
15
10
5.
550 кН
200
220
20
15,5
6.
15 кН
200
213
20
14,4
7.
37,5 кН
180
181,5
18
17,98
8.
12,550х103 кг
100
123
20
14,5
9.
7,5х103 кг
90
110
18
13,5
10.
2,95х103 кг
200
260
20
12,5
11.
11300 кг
150
171
15
12
12.
14,3х103кг=143кН
170
187
17
12,5
13.
2,95х103 кг
200
260
20
12,5
14.
11300 кг
150
171
15
12
15.
9,5х103 кг
100
115
20
19
16.
15250 кг
180
183,5
18
17,8
17.
150 кН
220
235
20
15,5
18.
9,5х103 кг
100
115
20
19
27
6. Лабораторная работа №2
Измерение твердости металлов.
Цель работы: Ознакомиться с методикой определения твердости металлов по Бринеллю и по
Роквеллу
Последовательность выполнения работы.
Для проведения работы необходимо иметь автоматический рычажной пресс Бринелля;
твердомер Роквелла ТН 550; образцы стали, цветных металлов и чугунов; лупу для измерения
диаметра отпечатка; наждачное точило; шлифовальную шкурку.
Каждый студент получает два образца различных металлов. Необходимо:
1. Измерить твердость по Бринеллю и по Роквеллу
2. Объяснить принцип измерения вдавливанием шарика, устройство пресса Бринелля, выбор
шарика и нагрузки.
3. Объяснить сущность метода Роквелла, принцип действия и устройство прибора ТН 550.
4. Обосновать выбор нагрузки и индентора.
5. Результаты испытания оформить в виде протоколов.
6. Написать отчет по работе в соответствии с пунктами 2, 3, 4, 5.
Протокол испытания на твердость по Бринеллю
Диаметр отпечатка, мм
Твердость
Отпечаток
1-й
2-й
Отпечаток
3-й
1-й
2-й
3-й
Среднее
№
п/п
Материал,
толщина
образца, мм
Условия
испытания
(диаметр
шарика,
мм,
нагрузка,
Н
Протокол испытания на твердость по Роквеллу
Твердость HR
№
п/п
Материал
Образца
Шкала
Первое
измерение
Второе
измерение
Третье
измерение
Среднее
Твердость
по
Бринеллю
НВ
(перевод)
Контрольные задания
1.
2.
3.
4.
5.
Указать, каким способом, по Бринеллю или по Роквеллу, надо измерять твердость мягких
сталей. Измерить твердость образца низкоуглеродистой стали 10 и на основании
известной закономерности между твердостью и прочностными свойствами определить
предел прочности данной стали.
Образец углеродистой стали 20, толщиной 20мм, был подвергнут цементации, а затем
закалке для повышения твердости и износостойкости поверхностного слоя. На каком
приборе, и по какой шкале следует определить твердость образца.
Измерить твердость двух образцов из инструментальной стали 9ХС и У11. Обосновать
выбор индентора, шкалы и нагрузки на приборе Роквелла. Объяснить, почему измерение
твердости по Бринеллю в данном случае не допустимо.
Объяснить, на каком приборе следует измерять твердость отожженной стали и серого
чугуна. Измерить твердость образцов стали с 0,1%С, стали с 0,45%С и серого чугуна.
Объяснить, как изменяется твердость обожженной стали с увеличением содержания в ней
углерода и почему эта зависимость не сохраняется для серого чугуна.
Измерить твердость образца из дуралюмина. Обосновать способ измерения твердости
алюминиевых сплавов и указать примерно предел прочности дуралюмина.
28
ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица перевода чисел твердости по Бринеллю и Роквеллу
Твердость по Роквеллу
Твердость по Бринеллю (шарик
D  10 мм, нагрузка 3000 кг )
Диаметр
отпечатка, мм
Число твердости
НВ
1
2,25
2,30
2,35
2,40
2,45
2,50
2,55
2,60
2,65
2,70
2,75
2,80
2,85
2,90
2,95
4,30
4,35
4,40
4,45
4,50
4,55
4,60
4,65
4,70
4,75
4,80
4,85
4,90
4,95
5,00
5,05
5,10
5,15
5,20
5,25
5,30
5,35
5,40
5,45
5,50
5,55
5,60
3,00
3,05
3,10
3,15
3,20
3,25
3,30
3,35
3,40
2
745
712
682
653
627
601
578
555
534
514
495
477
461
444
429
196
192
187
183
179
174
170
166
163
159
156
153
149
146
143
140
137
134
131
128
126
124
121
118
116
114
112
415
401
308
375
363
352
341
331
321
Стальной шарик D  1,588 мм
Нагрузка 100кг,
шкала В,
RB
3
Нагрузка 60кг,
шкала
93
92
91
89
88
87
86
85
84
83
82
81
80
78
76
76
75
74
72
71
69
69
67
66
65
64
62
110
4
Алмазный конус
Нагрузка 150кг,
шкала С
RC
5
70
68
66
64
62
60
58
56
54
52
50
49
48
46
45
109
108
107
106
105
104
103
101,5
100
98,5
98
97
97
95,5
95
94,5
94
93
44
42
41
40
39
38
37
36
35
Нагрузка 60кг,
шкала А,
RA
6
87
86
85
84
83
82
81
79
78
77
76
29
1
3,45
3,50
3,55
3,60
3,65
3,70
3,75
3,80
3,85
3,90
3,95
4,00
4,05
4,10
4,15
4,20
4,25
5,65
5,70
5,75
5,80
5,85
5,90
5,95
6,00
6,10
6,20
6,36
6,48
6,56
6,59
6,63
6,67
6,71
6,74
6,78
6,82
6,87
6,91
6,95
6,99
2
311
302
293
286
277
269
262
255
248
241
235
228
223
217
212
207
202
109
107
105
103
101
99
97
96
92
88
84
80
78
77
76
75
74
73
72
71
70
69
68
67
66
66
65
3
4
100
99
98
97
97
96
95
94
61
59
58
57
56
54
53
53
49,5
47
43,5
40,5
38,5
37
36
34
33
31
30
29
27
26
25
24
23
22
21
114
113,5
112
112
111
92,5
91
90,5
90
89,5
88,5
88
87
86
84,5
83
81
80
79
78,5
77,5
77
75,5
75
74,5
73,5
73
72,5
72
71,5
71
70
5
34
33
32
30
29
28
27
26
25
24
23
22
19
18
16
6