«методы определения твердости черных и цветных металлов и сплавов на их основе» методические рекомендации к выполнению практической работы

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ГОРОДА МОСКВЫ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ГОРОДА МОСКВЫ

«ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ ИМЕНИ П.А. ОВЧИННИКОВА»

«МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОСТИ ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ НА ИХ ОСНОВЕ»

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ К ВЫПОЛНЕНИЮ ПРАКТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ

по дисциплине ОП.04 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

специальность 23.02.03

Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта

(базовая подготовка среднего профессионального образования)

2022

Методические рекомендации по выполнению практической работы №2 «Методы определения твердости черных и цветных металлов и сплавов на их основе» по дисциплине ОП.04 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ составлены в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом СПО (приказ Министерства образования и науки от 22.04.2014 №383), рабочего учебного плана ГБПОУ ПК им. П.А. Овчинникова, типовой программы учебной дисциплины, разработанной Борисовой Г.А., преподавателем ГБОУ СПО Колледж автомобильного транспорта № 9, рекомендованной Методическим советом ГБОУ ДПО (повышения квалификации) специалистов города Москвы УМЦ по профессиональному образованию Департамента образования города Москвы, протокол № 9 от 20.09.2012 г. по специальности 23.02.03. Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта базовой подготовки среднего профессионального образования с учетом технического профиля.

Методические рекомендации содержат рекомендации для обучающихся по проведению и обработке результатов практической работы. Данные методические рекомендации помогут студентам более глубоко усвоить теоретический материал. приобрести практические навыки обработки экспериментальных данных. В методических рекомендациях определены цели и задачи практической работы, описание каждой работы включает в себя необходимые для выполнения работы теоретические сведения, указания по обработке результатов и их представлению в отчете.

Практическая работа №2

«МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОСТИ ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ НА ИХ ОСНОВЕ»

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Усвоить понятие твердости, изучить сущность ее определения различными методами.

ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ

Приборы Бринелля и Роквелла, образцы из горячекатаной и термически упрочненной углеродистой стали и цветных сплавов, эталонные бруски известной твердости.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Под твердостью материала понимают его способность сопротивляться пластической или упругой деформации при внедрении в него более твердого тела (индентора).

Этот вид механических испытаний не связан с разрушением металла и, кроме того, в большинстве случаев не требует приготовления специальных образцов.

Преимущества измерения твердости следующие:

1. Между твердостью пластичных металлов, определяемой спо­собом вдавливания, и другими механическими свойствами (главным образом пределом прочности), существует количественная зависимость.

Подобная количественная зависимость не наблюдается для хруп­ких материалов. По значениям твердости можно определять также и некоторые пластические свойства металлов. Твердость, определенная вдавливанием, характеризует также предел выносливости некоторых металлов, в частности меди, дуралюмина и сталей в отожженном состоянии.

2. Измерение твердости по технике выполнения значительно проще и быстрее по времени, чем определение прочности, пластичности и вязкости

3. Измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения проверяемой детали.

4. 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; в последнем случае измерения проводят способом микротвердости. Поэтому многие способы измерения твердости пригодны для оценки различных по структуре и свойствам слоев металла, например, поверхностного слоя цементованной, азотирован­ной или закаленной стали, имеющей разную твердость по сечению детали. Методом определения микротвердости можно также измерять твердость отдельных составляющих в сплавах

Твердость материалов измеряют, воздействуя на поверхность наконечником, изготовленным из малодеформирующегося материала (твердая закаленная сталь, алмаз, сапфир или твердый сплав) и имеющим форму шарика, конуса, пирамиды или иглы. Существует несколько способов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника. Твердость можно измерять вдавливанием наконечника (способ вдавливания), царапанием поверхности (способ царапания), ударом или же по отскоку наконечника-шарика. Твердость, определенная царапанием, характеризует сопротивление разрушению (для большинства металлов путем среза); твердость, определенная по отскоку, характеризует упругие свойства; твердость, определенная вдавливанием, — сопротивление пластической деформации.

Наибольшее применение получило измерение твердости вдавлива­нием. В результате вдавливания с достаточно большой нагрузкой поверхностные слои материала, находящиеся под наконечником и вбли­зи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Особенность происходящей при этом деформа­ции заключается в том, что она протекает только в небольшом объеме, окруженном недеформированным материалом. Поэтому при измерении твердости вдавливанием пластиче­скую деформацию испытывают не только пластичные, но также металлы (например, чугун), которые при обычных механических испытаниях (на растяжение, сжатие, кручение, изгиб) разрушаются практически без пластической деформа­ции.

Все методы измерения твердости можно разделить на две группы в зависимости от вида движения индентора: статические методы и динамические. Наибольшее распространение получили статические методы определения твердости.

Статическим методом измерения твердости называется такой, при котором индентор медленно и непрерывно вдавливается в испытуемый металл с определенным усилием. К статическим методам относят следующие: измерение твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу. (рис. 1).

Рис. 1. Схема определения твердости:

а) по Бринеллю; б) по Роквеллу; в) по Виккерсу

При динамическом испытании контролируется величина отскока испытательного инструмента от поверхности испытываемого образца. К динамическим методам относят следующие: твердость по Шору, по Польди.

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО БРИНЕЛЛЮ.

Сущность метода заключается в том, что шарик (стальной или из твердого сплава) определенного диаметра под действием усилия, приложенного перпендикулярно поверхности образца, в течение определенного времени вдавливается в испытуемый металл (рис. 1а).

Величину твердости по Бринеллю определяют исходя из измерений диаметра отпечатка после снятия усилия.

ТВЕРДОМЕР БРИНЕЛЛЯ TIME GROUP HB-3000B

ТВЕРДОМЕР ТКМ-359М

При измерении твердости по Бринеллю применяются шарики (стальные или из твердого сплава) диаметром 1,0; 2,0; 2,5; 5,0; 10,0 мм.

При твердости металлов менее 450 единиц для измерения твердости применяют стальные шарики или шарики из твердого сплава. При твердости металлов более 450 единиц - шарики из твердого сплава.

Величину твердости по Бринеллю рассчитывают как отношение усилия F, действующего на шарик, к площади поверхности сферического отпечатка А:

где НВ – твердость по Бринеллю при применении стального

шарика; (HBW твердость но Бринеллю при применении шарика из твердого сплава), МПа (кгс);

Р – усилие, действующее на шарик, Н (кгс);

F – площадь поверхности сферического отпечатка, мм2;

D – диаметр шарика, мм;

d – диаметр отпечатка, мм.

Одинаковые результаты измерения твердости при различных размерах шариков получаются только в том случае, если отношения усилия к квадратам диаметров шариков остаются постоянными. Исходя из этого, усилие на шарик необходимо подбирать по следующей формуле:

Диаметр шарика D и соответствующее усилие F выбирают таким образом, чтобы диаметр отпечатка находился в пределах:

Если отпечаток на образце получается меньше или больше допустимого значения d, то нужно увеличить или уменьшить усилие F и произвести испытание снова.

Коэффициент К имеет различное значение для металлов разных групп по твердости. Численное, же значение его должно быть таким, чтобы обеспечивалось выполнение требования, предъявляемого к размеру отпечатка (3).

Толщина образца должна не менее, чем в 8 раз превышать глубину отпечатка.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ

ТВЕРДОСТИ ПО БРИНЕЛЛЮ

Подготовка образца, выбор условий испытания, получение отпечатка, измерение отпечатка и определение числа твердости производится в строгом соответствии ГОСТ 9012-59 (в редакции 1990 г.). Необходимые для замера твердости значения выбираются из таблиц этого ГОСТа. Значение К выбирают в зависимости от металла и его твердости в соответствии с табл. 1.

Число твердости по Бринеллю по ГОСТ 9012 – 59 записывают без единиц измерения. На практике при измерении твердости расчет по указанной выше фор­муле не производят, а используют заранее составленные таблицы, указы­вающие значение НВ в зависимости от диаметра отпечатки и выбранной нагрузки. Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость.

Способ измерения по Бринеллю не является универсальным. Его ис­пользуют для материалов малой и средней твердости: сталей с твердо­стью

_В = 0,33 НВ — для низколегированных сталей в улучшенном состоянии углеродистых сталей

_В = 0,34 НВ — для низкоуглеродистых сталей,

_В = 0,55 НВ — для отожженной латуни, меди и бронзы

_В = 0,35 НВ — для алюминиевых сплавов.

Таблица 2

Усилие, F в зависимости от значения К и диаметра шарика D устанавливают в соответствии с табл. 1. Рекомендуемое время выдержки образца под нагрузкой для сталей составляет 10 с, для цветных сплавов 30 с (при K=10 и 30) или 60 с

Таблица 3

(при K=2.5).

Рисунок 2 – Наконечники с шариками диаметров 10; 5 и 2,5 мм для определения твёрдости по методу Бринеля

Рисунок 3– измерительная лупа МПБ-3

(цена деления шкалы 0,02 мм или 0,04 мм)

____________40 мм______________‌‌

Рисунок 4– Лунки после вдавливания шарика

ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ ПО РОКВЕЛЛУ

Этот метод измерения твердости (ГОСТ 9013-59) наиболее универсален и наименее трудоемок. Здесь не нужно измерять размеры отпечатка, так как число твердости отсчитывают не­посредственно по шкале твердомера. Число твердости зависит от глубины вдавливания наконечника, в качестве которого используют алмазный ко­нус с углом при вершине 120° или стальной шарик диаметром 1,588 мм. Нагрузку выбирают в зависимости от материала наконечника. Для раз­личных комбинаций нагрузок и наконечников прибор Роквелла имеет три измерительных шкалы: А, В, С. Твердость по Роквеллу обозначают ци­фрами, определяющими уровень твердости, и буквами HR с указанием шкалы твердости, например: 70 HRA, 58 HRC, 50 HRB.

Шкала А (наконечник — алмазный конус, общая нагрузка 600 Н). Эту шкалу применяют для особо твердых материалов, для тонких листо­вых материалов или тонких (0,5 - 1,0 мм) слоев. Измеренную твердость обозначают HRA. Пределы измерения твердости по этой шкале 70 - 85.

Шкала В (наконечник — стальной шарик, общая нагрузка 1000 Н). По этой шкале определяют твердость сравнительно мягких материалов (

Числа твердости по Роквеллу не имеют точных соотношений с чи­слами твердости по Бринеллю и Виккерсу.

Шкала С (наконечник — алмазный конус, общая нагрузки 1500 Н). Эту шкалу используют для твердых материалов ( 450 НВ), например закаленных сталей. Измеренную твердость обозначают HRC. Пределы измерения твердости по этой шкале 20 — 67.

Шкалу испытания (А, В или С) и соответствующие ей условия испытания (вид наконечника, общее усилие) выбирают в зависимости от предполагаемого интервала твердости испытуемого материала по табл.4.

Рисунок 5– общий вид твёрдомера Роквелла типа РТП-5011.

а б

а – алмазный конус; б – стальной шарик (d= 1,59 мм)

Рисунок 6 Наконечники для измерения твёрдости по методу Роквелла

____________10 мм______________‌‌

Рисунок 7 – Отпечатки алмазного конуса при измерении твёрдости по методу Роквелла

Таблица 4.

Выбор нагрузки и наконечника для испытания твердости по Роквеллу

Измерение твердости по Роквеллу осуществляется в строгом соответствии ГОСТ 9013-59.

ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ ПО ВИККЕРСУ

При стандартном методе измерения твердости по Виккерсу (ГОСТ 2999 - 75) в поверхность образца вдавливают четырехгранную ал­мазную пирамиду с углом при вершине 136°. Отпечаток получается в виде квадрата (рис.1.в), диагональ которого измеряют по­сле снятия нагрузки, число твердости вычисляют по формуле

HV = 0,189 Р/d², (4)

где Р в Н, d в мм.

На практике число твердости определяют по специаль­ным таблицам по значению диагонали отпечатка при выбранной нагрузке.

Метод Виккерса применяют главным образом для материалов, име­ющих высокую твердость, а также для испытания на твердость деталей малых сечений или тонких поверхностных слоев. Как правило, использу­ют небольшие нагрузки: 10, 30, 50, 100, 200, 500Н. Чем тоньше сечение детали или исследуемый слой, тем меньше выбирают нагрузку.

Числа твердости по Виккерсу и по Бринеллю для материалов, имею­щих твердость до 450 НВ, практически совпадают.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Название работы.

2. Цель работы.

3. Выписать данные для вычислений значений твердости по формуле из таблицы № 5 в соответствии со своим вариантом.

4. Определить твердость металла по Бринеллю по формуле:

где Р- нагрузка, F- площадь полученного отпечатка

Площадь сферического отпечатка

где D-диаметр шарика, мм

Таблица №5

5. Ответить на контрольные вопросы:

• Что такое твердость?

• Преимущества метода определения твердости

• Классификация методов измерения твердости.

• Сущность измерения твердости по Бринеллю.

• До какого значения твердости при испытании по Бринеллю ис-

• пользуются стальные шарики?

• Какого диаметра шарики используются при испытании на твер-

• дость по Бринеллю?

• Из каких условии выбирается диаметр шарика при испытании

• на твердость по Бринеллю?

• Пример записи твердости по Бринеллю?

• Сущность измерения твердости по Роквеллу?

• При замере какой твердости снимается отсчет показании по

• шкалам A, С, В?

• Пример формы записи твердости по Роквеллу

• Каким методом испытываются тонкие образцы и тонкие поверхностные слои металла после химико-термической обработки.

6. Решить задачи.

Выберите диаметр шарика, нагрузку и время выдержки при испытании на твердость по Бринеллю :

1. стального отожженного образца толщиной 4 мм ( НВ 130)

2. Медного образца толщиной 7 мм (НВ 40)

3. Алюминиевого образца толщиной 2мм (НВ 25)

Определите предел прочности:

1. Для низкоуглеродистой стали, если твердость НВ 135

2. Для оттоженной латуни, если ее твердость НВ 68

Перечень учебных изданий, дополнительной литературы, Интернет-ресурсов

Основные источники:

1. Моряков О.С. Материаловедение - М: Издательский центр Академия, 2016.

2. Фетисов Г.П., Гарифулин Ф.А. Материаловедение и технология металлов. учебник, 2-е изд., испр. - М.: Оникс, 2014.

3. Солнцев Ю.П., Вологжанинова С.А. Материаловедение: учебник для учреждений СПО. - М.: Академия, 2016.

4. Заплатин В.Н., Ю.И. Сапожников, А.В. Дубов, Е.М. Духнеев Основы материаловедения (металлообработка): учебник для студ. учреждений сред. проф. образования; под ред. В.Н. Заплатина. – М.: Издательский центр «Академия», 2018. - 272с.

Дополнительные источники:

1. Бернштейн М.Л., Займовский В. А. Структура и механические свойства металлов.–М.,1980.

2. Механические свойства металлов: учебное пособие/ М. Л. Берштейн, В. А. Займовский. – М., 1979. – 495 с.

3. Золоторевский В.С. Механические свойства металлов – М., 1983. – 352с.

4. Фетисов Г.П. Материаловедение и технология металлов. - М.: Высшая школа, 2008.

5. Схиртладзе А.Г., Ярушин С.Г. Технологические процессы машиностроительного производства. - М.: Высшая школа, 2009.

6. Никифоров В.М. Технология металлов и конструкционные материалы. - М.: Машиностроение, 2010.

7. Стуканов В.А. Материаловедение: учебное пособие. - М.: ИНФРА – М, Форум, 2008.

8. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П., Материаловедение - М.: Машиностроение, 1990.

Интернет ресурсы

1. Информационно-коммуникационные технологии в образовании // система федеральных образовательных порталов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ict.edu.ru

2. Материаловедение [Электронный ресурс]. – Режим доступа: ttp://materiology.info

3. Материаловедение [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.materialscience.ru