МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ФГБОУ ВО «ВГТУ», ВГТУ) КАФЕДРА «ТЕХНОЛОГИИ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА И ДИАГНОСТИКИ» ОТЧЕТ о прохождении педагогической практики с « » сентября по « » сентября в 202/ 2 учебном году Место прохождения практики ФГБОУ ВО ВГТУ кафедра ТСПД (наименование организации) Студент _ ___________________________ (ФИО) «___»______________________20 ____г. ________________________ (дата представления отчёта на кафедру) (подпись) Факультет машиностроения и аэрокосмической техники (полное наименование факультета/ института) Наименование (код) специальности или направления подготовки 15.04.01 «Машиностроение» магистерская программа «Технологии сварочного производства» Курс ___________, группа __________________ «_____»____________________20 ____г. (дата аттестации) _________________________ оценка, полученная при аттестации Руководитель практики от кафедры ___________ (подпись) (должность, ФИО) Воронеж 2022 Содержание 1 Цель работы .......................................................................................................... 3 2 Материалы и оборудование ................................................................................ 3 3 Общие сведения.................................................................................................... 4 3.1 Твёрдость по методу Бринелля ........................................................................ 7 3.2 Твёрдость по методу Роквелла ...................................................................... 10 3.4 Твёрдость по методу Виккерса ...................................................................... 11 4 Принцип действия портативных твердомеров ................................................ 13 5 Порядок выполнения работы ............................................................................ 14 5.1 Измерение твердости методом Бринелля на твердомере ТШ-2М ............. 14 5.2 Измерение твердости методом Роквелла на твердомере ТК-2................... 16 5. Типовые вопросы для контроля и самоконтроля........................................... 18 Список литературы ............................................................................................... 19 2 Дисциплина «Материаловедение» Лабораторная работа: «Исследование механической неоднородности сварных соединений» 1 Цель работы Определить механическую неоднородность сварных соединений. Для достижения поставленной цели необходимо: 1. Научиться измерять твердость металлических образцов различными методами. 2. Ознакомиться с условиями применения того или иного метода определения твердости; подготовкой образцов для измерения твердости. 3. Ознакомиться с устройством приборов для измерения твердости. 4. Исследовать распределение твердости в стыковых сварных соединениях при однопроходной сварке. 5. Исследовать распределение твердости в стыковых сварных соединениях при многопроходной сварке. 6. Используя аналитическую зависимость, существующую между пределом прочности и твердостью, определить прочность различных участков сварных соединений. 2 Материалы и оборудование Макрошлифы сварных соединений. Прибор для измерения твердости металлов по методу Виккерса модели ТПП-2. Прибор для измерения твердости металлов и сплавов по методу Роквелла модели ТК-14-250. Эталоны твердости. Линейка, карандаш. Персональный компьютер. 3 3 Общие сведения Поведение металлов под действием внешних нагрузок характеризуется их механическими свойствами. Характеристики механических свойств позволяют определить пределы нагрузки для каждого конкретного материала, произвести сопоставимую оценку различных материалов и осуществить контроль качества металла в заводских условиях. К испытаниям механических свойств предъявляется ряд требований. Температурно-силовые условия проведения испытаний должны быть по возможности приближены к служебным условиям работы материалов в реальных машинах и конструкциях. Вместе с тем методы испытаний должны быть достаточно простыми и пригодными для массового контроля качества металлургической продукции. При механических испытаниях получают числовые значения механических свойств. Существует множество стандартных методов определения механических свойств металлов. Это испытания на растяжение, испытания гладких образцов на статический изгиб и надрезанных образцов на ударный изгиб, испытание на длительную прочность, определение твердости металла и др. Практически все методы определения механических свойств являются разрушающими. Для проведения испытаний необходимы специальные машины, процессы испытания довольно длительны, особенно если учесть весьма продолжительный процесс изготовления специальных образцов. Механические свойства и физические свойства зависят от многих факторов: от состава материала, вида обработки (пластической деформации, термической обработки). Поэтому в процессе изготовления тех или иных деталей необходимо контролировать свойства, особенно механические. Как отмечено ранее, обычные методы испытания механических свойств не могут быть использованы на промежуточных стадиях изготовления деталей вследствие длительности и дороговизны 4 изготовления образцов, длительности самого процесса испытания. В этом случае пользуются методами определения твердости. Твердость имеет большое практическое значение, так как она отражает многие рабочие свойства материала, например, сопротивляемость истиранию, режущие свойства, способность обрабатываться шлифованием или резанием, выдерживать местные давления и т. д. Между твердостью металлов, определяемой способом вдавливания, и другими механическими свойствами, существует приближенная количественная зависимость: σВ=3,4·НВ где σВ – предел прочности при растяжении; НВ – твердость металла по Бриннелю. Широкое распространение испытаний материалов на твердость объясняется тем, что при этом не требуется изготовления специальных образцов; методика испытаний весьма проста и может осуществляться непосредственно на готовой детали без разрушения. Сварные соединения должны быть по возможности равнопрочными с основным металлом элементов конструкции при всех температурах во время эксплуатации, а также при всех видах нагрузок (статических, ударных, вибрационных). Сварное соединение в поперечном сечении имеет несколько участков, которые могут существенно различаться между собой по механическим свойствам (рис. 1). Рис. 1. Стыковое сварное соединение Это сам шов 1, околошовная зона 2, материал, который у ряда сталей претерпевает структурные превращения и может иметь повышенную 5 твердость и прочность, зона высокого отпуска 3, в которой у термически обработанных сталей прочность и твердость понижена в результате сварочного нагрева. Далее следует зона 4, нагревшаяся до более низких температур, материал которой по-разному изменяет свои свойства, в зависимости от марки стали или сплава. В той или иной мере для всех сварных соединений характерно различие механических свойств металла в разных участках, соизмеримыми с размерами соединений, главным образом с толщиной свариваемых элементов, называемое механической неоднородностью. Сварные соединения являются несущими элементами конструкции, в которых неоднородность свойств может быть весьма значительной. При установившемся режиме сварки ширина зон и их механические свойства мало меняются по длине сварного соединения. Обычно рассматривают неоднородность свойств и чередование зон в поперечном сечении сварного соединения. Участок сварного соединения, в котором металл имеет пониженные показатели твердости и (или) прочности по сравнению с металлом соседних участков называется мягкой прослойкой сварного соединения. Участок сварного соединения, в котором металл имеет повышенные показатели твердости и (или) прочности по сравнению с металлом соседних участков называется твердой прослойкой сварного соединения. Большинство методов определения твердости основано на принципе вдавливания в испытуемый материал твердых тел и последующего измерения размеров отпечатков. Поэтому часто твердость определяют, как способность материала сопротивляться внедрению в него другого тела индентора. Однако такое определение не является общим, так как существуют и другие методы определения твердости, основанные не на вдавливании, а на царапании, качании маятника, динамическом методе и других принципах. Наиболее широко практикуются испытания твердости по Бринеллю, по Роквеллу и по Виккерсу. Во всех перечисленных методах при 6 вдавливании индентора происходит пластическая деформация испытуемого материала под ним. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем на меньшую глубину проникает индентор и тем выше твердость. По Бринеллю определяют твердость относительно мягких материалов: цветных металлов и их сплавов, отожженных сталей и любых чугунов (кроме белого). По Роквеллу чаще всего определяют твердость очень твердых материалов: закаленных сталей, твердых сплавов, керамики, твердых покрытий, в том числе наплавленных слоев достаточной глубины на сталях и чугунах. Но на приборе Роквелла можно определять твердость и сравнительно мягких материалов. Метод Виккерса используется для испытания твердости деталей малой толщины или тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость. Реже этот метод применяется для измерения твердости мягких материалов. 3.1 Твёрдость по методу Бринелля Определение твердости по Бринеллю основано на вдавливании в испытуемый материал стального шарика и последующего измерения диаметра отпечатка (рис. 2). Твердость по Бринеллю (НВ) выражается отношением взятой нагрузки Р к площади поверхности отпечатка F [1]: Если вычислить поверхность отпечатка, имеющего форму шарового сегмента, то НВ определится формулой: 7 где Р - приложенная нагрузка, кгс; D - диаметр шарика, мм; d диаметр отпечатка, мм. Рисунок 2 - Схема измерения твердости по методу Бринелля: а поверхность отпечатка, б - шкала отсчетного микроскопа Диаметр отпечатка измеряется с помощью отсчетного микроскопа типа МБП-2 по схеме, показанной на рис. 1, в двух взаимно перпендикулярных направлениях и определяется как среднее арифметическое значение из этих измерений. Размер шарика выбирается в зависимости от толщины испытуемого образца: шарики стандартных размеров имеют диаметры 10 мм, 5 мм или 2,5 мм. Нагрузка на шарик выбирается в зависимости от рода материала и должна быть пропорциональна квадрату диаметра шарика (таблица 1). Как отмечалось ранее, между механическими свойствами (в частности, пределом прочности в и твердостью по Бринеллю) существует определенная зависимость, которая может быть представлена эмпирической формулой: 8 где С - коэффициент пропорциональности: - для сталей С = 3,3-3,6; - для алюминия С = 4,0; - для дюралюмина С = 3,7; - для меди С = 4,8; - для латуни, бронзы С = 5,3. Следует отметить, что для хрупких материалов (чугун, силумин) надежной корреляции между твердостью и пределом прочности получить не удается. В частности, для определения предела прочности серого чугуна пользуются следующей эмпирической формулой: Главным недостатком метода является ограниченность его использования: - метод не применяется к образцам толщиной менее 1 мм, так как возможно его продавливание; - метод не применяется к материалам с твердостью более 450 HB, так как возможна деформация индентора [2]. Таблица 1 - Соотношение между диаметром шарика, нагрузкой, временем выдержки под нагрузкой и толщиной испытуемого образца 9 3.2 Твёрдость по методу Роквелла Определение твердости по Роквеллу основано на вдавливании в исследуемый материал алмазного конуса с углом в вершине 120° (шкалы А и С) и последующим измерением глубины вдавливания (рис. 3) или стального шарика диаметром 1,5875 мм (шкала В). Шарик или конус вдавливается в испытуемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной и основной . Рисунок 3 - Схема определения твёрдости по Роквеллу Предварительно нагружают для того, чтобы исключить влияние упругой деформации и шероховатости поверхности образца на результаты измерений. Под действием предварительной нагрузки , она всегда равна 98 H (10 кгс), индентор погружается в поверхность образца на величину Затем на образец подается основная нагрузка равна сумме предварительной и основной . (общая нагрузка Р будет нагрузок). Глубина вдавливания h после снятия основной нагрузки индентор вновь действует только предварительная нагрузка , когда на , в условных единицах определяет число твердости по Роквеллу [2]. Твёрдость по Роквеллу выражается отвлеченной величиной, зависящей от глубины вдавливания h, и может быть вычислена по формуле, но в этом нет необходимости, так как твердость определяется по показаниям прибора, имеющего несколько шкал. 10 Шкала С служит для испытания твердых материалов, имеющих твердость по Бринеллю от 230 до 700 кгс/ . Алмазный конус вдавливается с усилием 150 кгс. Интервал измерения твердости по шкале С от 22 до 68 единиц, твердость обозначается HRС. Шкала А используется при испытании очень твердых материалов или тонких поверхностных слоев (0,5-1,0 мм). Применяют тот же алмазный конус, но сила вдавливания 60 кгс. Значение твердости определяют по шкале С, но обозначают НRА. Интервал измерения твердости по этой шкале от 70 до 85 единиц. Шкала В предназначена для испытания мягких материалов, имеющих твердость по Бринеллю от 60 до 230 кгс/ . Стальной шарик диаметром 1,5875 мм вдавливается с усилием в 100 кгс. Твердость измеряется в пределах от 25 до 100 единиц шкалы В и обозначается HRB. Метод Роквелла позволяет проводить испытания деталей после объемной закалки и поверхностного упрочнения достаточной глубины. Определение твердости по этому методу практически не связано с порчей поверхности изделия. 3.3 Твёрдость по методу Виккерса Метод заключается во вдавливании алмазного наконечника, имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды, в образец (изделие) под действием нагрузки Р и измерении диагонали отпечатка d, оставшегося после снятия нагрузки (рис. 4). 11 Рисунок 4 - Схема измерения твёрдости по методу Виккерса Нагрузка Р может меняться от 9,8 Н (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Твердость по Виккерсу: если Р выражена в Н, и если Р выражена в кгс. Метод используют в основном для определения твердости деталей малой толщины, тонких покрытий или твердости внешних слоев детали после неглубокого поверхностного упрочнения (например, после азотирования). При рациональном выборе нагрузки на приборе Виккерса можно проводить измерения, заменяя методы Бринелля и Роквелла [3]. Чем тоньше материал, покрытие или упрочненный слой, тем меньше должна быть нагрузка. Число твердости по Виккерсу HV определяют по специальным таблицам по измеренной величине d (диагонали отпечатка в миллиметрах) с учетом приложенной при измерении нагрузки. 12 4 Принцип действия портативных твердомеров Портативные твердомеры - серия приборов, предназначенная для оперативных измерений параметров твердости образцов по различным методам и шкалам. В зависимости от структуры и свойств материала, а также конструкции и габаритов контролируемой заготовки, используются портативные и стационарные твердомеры (дюрометры) различного принципа действия и конструкции. Приборы отличаются друг от друга методами измерений: ультразвуковой (контактно-импедансный), динамический (отскок индентора) и механический. При контактно-импедансном (ультразвуковом) методе контроля твёрдость определяется по изменению частоты колебаний индентора датчика, при его внедрении в контролируемую поверхность. Говоря научным языком, скорость распределения звуковых колебаний, генерируемых ультразвуковыми преобразователями (датчиками), прямо пропорциональна твердости исследуемого материала. Прибор излучает звуковые волны, а затем регистрирует время их прохождения через исследуемый образец и преобразовывает полученные данные в значение твёрдости. Динамический метод контроля основан на использовании так называемого метода Либа (Лейба): твёрдость материала (значение HL) напрямую связана с изменением скорости отскока бойка (индентора) от поверхности объекта. По величине скорости можно судить о значении твёрдости. Величина значения твердости является частным величины скорости отскока ударника к величине скорости удара, умноженным на 1000. В более твердых материалах возникает большая скорость отскока, чем в тех, у которых твердость меньше. Применительно к определенной группе материалов (например, сталь, алюминий и др.), значение HL совпадает со значением твердости, поэтому оно непосредственно и используется. 13 Эти два способа измерений чаще всего используются в работе портативных приборов. Механический же метод основан на вдавливании специального индентора из твердосплавного материала в испытуемый образец и последующем измерении глубины получившегося отпечатка. Такой метод используется в работе стационарных твердомеров. 5 Порядок выполнения работы Подготовить образцы сварных соединений для измерения твердости по схемам, представленным на рисунке 5. Сделать эскизы сварных соединений с координатной сеткой. а Рисунок 5 - Макрошлифы сварных соединений с координатной сеткой (1 - шов; 2 - ЗТВ; 3 - основной металл): а - сварка проводилась за один проход (размер ячеек 2× 2мм); б - сварка проводилась за несколько проходов (размер ячеек 3×3 мм) 5.1 Измерение твердости методом Бринелля на твердомере ТШ-2М 1. Подготовить твердомер ТШ-2М (рис. 6) к работе, для чего в зависимости от условий испытания (табл. 1) установить соответствующий индентор 3 и необходимый груз 4. 2. Испытуемый образец установить на столик 2. Вращением по часовой стрелке маховика 1 подвести образец до соприкосновения с шариком 3 и, 14 продолжая вращение маховика, довести до упора, создавая этим предварительную нагрузку. 3. Нажатием кнопки 5 включить электродвигатель. Приложение основной нагрузки, выдержка под нагрузкой и снятие нагрузки осуществляется автоматически. В момент начала приложения нагрузки загорается сигнальная лампа и горит в течение времени, соответствующего установленной длительности выдержки шарика под нагрузкой. Рисунок 6 – Твердомер Бринелля ТШ-2М: 1 – маховик; 2 – столик; 3 – индентор; 4 – грузы; 5 – кнопка включения электродвигателя; 6 – сигнальная лампа 4. После остановки электродвигателя вращением маховика 1 против часовой стрелки опустить столик 2 и освободить образец. 5. Замерить диаметр отпечатка отсчетным микроскопом МБП-2. Замеры производить в двух перпендикулярных плоскостях с определением средней величины. 6. Каждый образец испытать трижды. За конечный результат принять среднее арифметическое из трех измерений. Результаты занести в табл. 2. 15 Таблица 2 – Результаты эксперимента: измерение твердости по Бринеллю 7. Найти значения предела прочности, занести в табл. 2. 5.2 Измерение твердости методом Роквелла на твердомере ТК-2 1. Подготовить твердомер Роквелла ТК-2 (рис. 7) к работе, для чего в зависимости от условий испытаний установить соответствующий наконечник 1, необходимый груз 2, включить электродвигатель прибора, нулевое значение черной шкалы индикатора установить в строго вертикальное положение. Рисунок 7 – Твердомер Роквелла ТК-2: 1 – индентор; 2 – грузы; 3 – стол; 4 – образец; 5 – маховик; 6 – индикатор; 7 – барабан; 8 – пусковая клавиша 16 2. Установленный на столе 3 образец 4 вращением маховика 5 по часовой стрелке привести в соприкосновение с индентором 1 и дальнейшим подъемом стола вместе с образцом приложить предварительную нагрузку Р0 = 10 кгс. Установку предварительной нагрузки считать законченной при совмещении малой стрелки с красной точкой на индикаторе 6. При этом большая стрелка не должна отклоняться от вертикального положения более чем на 5 делений в ту или другую сторону. В случае большего отклонения предварительная нагрузка должна быть снята, а измерение твердости производится в другой точке образца. При отклонении большой стрелки индикатора от нулевого значения менее чем на 5 делений требуется их совместить перемещением барабана 7. 3. Создать общую нагрузку нажатием клавиши 8. После окончания вдавливания основная нагрузка автоматически снимается, большая стрелка индикатора указывает на соответствующей шкале число твердости по Роквеллу. 4. Вращением против часовой стрелки маховика 5 стол 3 опускается, освобождая образец 4. 5. Испытания каждого образца производится не менее трех раз. При этом значения твердости трех измерений не должны отличаться более чем на пять единиц. В случае большего отклонения замеры необходимо продолжить до соблюдения данного условия. 6. Пользуясь переводной таблицей (Приложение 1), сопоставить полученные данные со значениями твердости по Бринеллю. Данные внести в табл. 3. Таблица 3 – Результаты эксперимента: измерение твердости по Роквеллу 17 5.3 Типовые вопросы для контроля и самоконтроля 1. Что называется мягкой прослойкой? 2. Что такое твердая прослойка? 3. В результате чего появляется мягкая и твердая прослойка? 4. Представляет ли опасность мягкая прослойка? 5. Какие показатели характеризуют механические свойства сварных соединений? 6. Назовите причины возникновения механической неоднородности сварных соединений. 7. Перечислите способы и методы уменьшения механической неоднородности сварных соединений. 18 Список литературы 1. Материаловедение в машиностроении : учебник для вузов / А. М. Адаскин, Ю. Е. Седов, А. К. Онегина и др. - М. : Юрайт, 2012. - 535 с. 2. Материаловедение и технология материалов : учебное пособие для подготовки бакалавров технических направлений / под ред. А. И. Батышева, А. А. Смолькина. - М. : ИНФРА-М, 2013. - 288 с. 3. Материаловедение и технологические процессы в машиностроении : учебное пособие / С. И. Богодухов, А. Д. Проскурин, Р. М. Сулейманов и др. ; под общ. ред. С. И. Богодухова. - Старый Оскол : ТНТ, 2012. - 559 с. 19
