Методические указания для выполнения лабораторной работы по дисциплине Материаловедение на тему Испытание материалов на твёрдость

Методические указания для выполнения лабораторной работы.

Методические указания для выполнения лабораторной работы являются частью основной профессиональной образовательной программы Государственного бюджетного образовательного учреждения среднего профессионального образования Тольяттинского Машиностроительного колледжа по специальности 140448 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям)
Методические указания по выполнению лабораторной работы адресованы студентам очной формы обучения.
Методические указания включают в себя учебную цель, перечень образовательных результатов, заявленных во ФГОС СПО третьего поколения, задачи, обеспеченность занятия, краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме, вопросы для закрепления теоретического материала, задания для лабораторной работы студентов и инструкцию по ее выполнению, методику анализа полученных результатов, порядок и образец отчета о проделанной работе.

Раздел 1 Классификация и свойства материалов

Тема 1.1 Физико-химические свойства материалов


Лабораторная работа 2
Испытание материалов на твердость

Цель работы:
Закрепить теоретические знания по теме. Приобрести практические навыки по изучению твердости металлов по методам: Бринелля и Роквелла.
Образовательные результаты, заявленные во ФГОС третьего поколения:
Студент должен
уметь:
- определять свойства конструкционных и сырьевых материалов, применяемых в производстве, по маркировке, внешнему виду, происхождению, свойствам, составу, назначению и способу приготовления и классифицировать их;
- определять твердость материалов;
- подбирать конструкционные материалы по их назначению и условиям эксплуатации.
знать:
- виды механической, химической и термической обработки металлов и сплавов;
- классификацию, основные виды, маркировку, область применения и виды обработки конструкционных материалов, основные сведения об их назначении и свойствах, принципы их выбора для применения в производстве;
- методы измерения параметров и определения свойств материалов;
- основные сведения о назначении и свойствах металлов и сплавов, о технологии их производства.
Задачи лабораторной работы:
1. Ознакомится с устройством и работой автоматического рычажного пресса по Бринеллю.
2. Ознакомится с методикой измерения твердости по Бринеллю.
3. Построить график зависимости твердости стали от процентного содержания в ней углерода по Бринеллю.
4. Ознакомится с устройством и работой прибора Роквелла.
5. Ознакомится с методикой измерения твердости по Роквеллу.
6. Построить график зависимости твердости стали от процентного содержания в ней углерода по Роквеллу.
7. Выполнить лабораторную работу;
8. Оформить отчёт по лабораторной работе;
Обеспеченность занятия (средства обучения)
Учебно-методическая литература:
- Вишневецкий Ю.Т. Материаловедение для технических колледжей: Учебник. – М.: Дашков и Ко, 2008;
- Ржевская С.В. Материаловедение: Практикум / В.И. Городниченко, Б.Ю. Давиденко, В.А. Исаев и др., Под редакцией С.В.Ржевской. - М.: Университетская книга, Логос, 2006.
2. Презентация по теме «Методы определения твердости».
3.Лист писчей бумаги формат А4 (210x297мм) с нанесенной
ограничительной рамкой, отстоящей от левого края листа на 20мм и от остальных на 5мм со штампом основной надписи 15х185 мм (ГОСТ 2.104-2006).
Ручка с чернилами черного или синего цвета.
Карандаш простой.
Чертежные принадлежности: линейка, циркуль.
Схемы: «Измерение твердости вдавливанием стального шарика (метод Бринелля), « Прибор для испытания на твердость по Бринеллю».

Краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме
Твердостью называется способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела.
Определение твердости является наиболее часто применяемым методом испытания металлов. Для определения твердости не требуется изготовление специальных образцов, т.е. испытание проводится без разрушения детали. От степени твердости зависит возможность использования металла для изготовления различных деталей или инструментов.
На практике контроль твердости осуществляется после термической обработки для установления наивыгоднейшего режима механической обработки поковок и изделий. Твердость влияет также на обрабатываемость металла: чем тверже металл, тем больше усилий требуется для его обработки. Кроме того, зная твердость, можно судить и о других механических свойствах.
При испытании на твердость обычно определяется сопротивление металлов деформации при вдавливании наконечника. Эта характеристика тесно связана с пределом прочности, поэтому в некоторых случаях производят испытания только на твердость и по ней судят о пределе прочности материала (для пластических металлов).
Существуют различные методы определения твердости – вдавливанием, царапаньем, упругой отдачей магнитный метод. Наиболее распространенным является метод вдавливания в металл стального шарика, алмазного конуса или алмазной пирамиды. Для испытания на твердость применяют специальные приборы, несложные по устройству и простые в обращении.

Измерение твердости вдавливанием стального шарика (метод Бринелля) по ГОСТу 9012-59.
Твердость по методу Бринелля определяют путем вдавливания стального закаленного шарика диаметром 10; 5 или 2,5 мм в испытуемую плоскую поверхность под действием заданной нагрузки в течение определенного времени.
Схема определения твердости по Бринеллю дана на рис. 1.

Р









Рис.1

В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка).
Отношение давления Р к поверхности полученного отпечатка F дает число твердости, обозначаемое HB.

HB=
Р
(кг/мм2),


F





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 рис. 2.



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 3, 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 3. 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 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 (таблица 1).
Таблица 1

Нагрузка, Н
Наименование грузов, обеспечивающих необходимую нагрузку

Примечание

1875
2500
5000
7500
10000
30000

А
А + Б
А + Б + В
А + Б + Г
А + Б + В + Г
А + Б + В + 5Г

Здесь А – подвеска, создающая нагрузку в 1875 Н;
Б – малый груз, создающий нагрузку в 625 Н;
В – средний груз, создающий нагрузку в 2500 Н;
Г – большой груз, создающий нагрузку в 5000 Н



Выбор диаметра шарика и нагрузки. Шарики различного диаметра (D= 10, 5 и 2,5 мм) применяют в зависимости от толщины испытываемого материала.
Нагрузку Р выбирают в зависимости от качества испытываемого материала по формуле: Р = КD2, где К – постоянная для данного материала величина, равна 30; 10, или 2,5.
В таблице 2, приведены данные по выбору диаметра шарика и нагрузки в зависимости от материала и толщены испытываемого образца.
Выбранные условия испытания (диаметра шарика и нагрузку) надо записать в графы 3, 4, 5 протокола испытаний.


Таблица 2
Материал
Интервал твердости в числах Бринеля
Минимальная толщина испытуемого образца в мм
Соотношение между нагрузкой Р и диаметром шарика D
Диаметр шарика D
в мм
Нагрузка Р в кГ
Выдержка под нагрузкой в сек

Черные металлы

140 - 450
От 6 до 3
> 4 > 2
менее 2
Р = 30D2
10,0
5,0
2,5
3000
750
187,5
10

То же

<140
Более 6
От 6 до 3
Менее 3
Р = 10D2
10,0
5,0
2,5
1000
250
62,5
10

Цветные металлы

>130
От 6 до 3
> 4 > 2
Менее 2
Р = 30D2
10,0
5,0
2,5
3000
750
187,5
30


То же

35 – 130
От 9 до 3
> 6 > 3
Менее 3
Р = 10D2
10,0
5,0
2,5
1000
250
62,5
3
·0


То же

8 - 35
Более 6
От 6 до 3
Менее 3
Р = 2,5D2
10,0
5,0
2,5
250
62,5
15,6
60


Методика измерения отпечатка и определение твердости.
Полученный отпечаток измеряют лупой или микроскопом в двух взаимно перпендикулярных направлениях, диаметр отпечатка определяется как среднее арифметическое из двух измерений. Лупа (рис. 3а) имеет шкалу (рис. 3б), малое деление которой равно 0,1 мм.
Лупу нижней опорной частью надо плотно установить на испытываемую поверхность образца над отпечатком.
Передвигая лупу, надо один край отпечатка совместить с началом шкалы (рис.4). Прочитать
Деление шкалы, с которым совпадает противоположный край отпечатка. Данный отсчет и будет соответствовать размеру диаметра отпечатка (на рис. 4 диаметр отпечатка d = 4,20 мм). Затем лупу или образец надо повернуть на 900 и измерить диаметр отпечатка второй раз.

Рис. 3 Лупа для измерения отпечатков: Рис. 4. Отсчет по шкале лупы.
а – внешний вид; б – шкала лупы

Значение диаметров первого и второго измерений занести в протокол испытаний в графы 7 и 8.
Средние арифметическое задание диаметра отпечатка записать в графу 9 протокола испытаний.
Число твердости НВ расчетная подсчитывается по формуле и записывается в графу 10 протокола испытаний.
Кроме этого, число твердости НВ определяется по диаметру отпечатка из таблицы ГОСТ 9012 – 59 и записывается в графу 11 протокола испытаний.
На приборе Бринеля нельзя испытывать металлы с твердостью выше НВ450, т.к. шарик будет деформироваться. Нельзя также испытывать тонкие материалы, которые будут продавливаться под действием шарика. После испытания остаются заметные следы на поверхности изделия.
Число твердости по Бринелю дает представление о другой важной величине, характеризующей металл, - о пределе прочности при растяжении:
для стали
·в = НВ
для алюминиевых сплавов
·в = 0,362 НВ
для медных сплавов
·в = 0,26 НВ

Испытание на твердость вдавливанием алмазного шарика на приборе Роквелла.
Принципиальное отличие этого метода от Бринелля заключается в том, что твердость определяется не площадью поверхности отпечатка стального шарика, а глубиной проникновения в исследуемый образец.
В поверхность испытываемого металла вдавливается алмазный конус с углом 1200 или стальной закаленный шарик диаметром 1,59 мм. Испытание шариком применяют при определении твердости мягких материалов, а алмазным конусом – при испытании твердых материалов.
Индикатор прибора Роквелла имеет 3 основных шкалы: В, С, А. Шкала В красного цвета применяется для определения твердости мягких сплавов (незакаленных сталей, цветных металлов). Шкала С черного цвета применяется для металлов средней твердости (закаленные стали). Шкала А (то же шкала С, но с другой нагрузкой на алмазный конус) применяется для особо твердых сплавов (сталей после цементации, цианирования и твердых сплавов).
Определение твердости металлов прибором Роквелла производится под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной 10 кГ и общей 60, 100 и 150 кГ.
Предварительная нагрузка Р0 во всех случаях равна 10 кГ (98н), а основная Р1 и общая нагрузки составляют (см. рис. 5):
при вдавливании стального шарика (шкала В): Р1 = 90 кГ (883 н); Р = 100 кГ (981 н);
при вдавливании алмазного конуса(шкала С): Р1 = 140 кГ (1373 н); Р =150 кГ (1471 н);
при вдавливании алмазного конуса (шкала А): Р1 = 50 кГ (490 н); Р = 60 кГ (588 н);

Шкала измерению твердости HRC изменена в связи с изменением эталона, поэтому в измеряемые значения следует вносить поправку. Твердость в этом случае обозначается HRCэ, она меньше HRC на 1- 2 единицы.

Р1
Р0 Р Р0
Р0





h0 h



Рис.5. Определение твердости металла методом Роквелла

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 НR определяется по формулам при измерении по шкале В: HR = 130 – е, при измерении по шкалам С и А: HR = 100 – е.
h – глубина внедрения наконечника в испытываемый материал под действием общей нагрузки Р, измеренная после снятия основной нагрузки Р1 с оставлением предварительной нагрузки Р0.

В зависимости от того, применяют шарик или алмазный конус, и от нагрузки, при которой проводят испытания (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, а также тонкие материалы. Отпечатки от конуса или шарика очень малы, и поэтому можно испытывать готовые детали без их порчи; испытание легко выполнимо и занимает мало времени (несколько секунд); не требуется никаких измерений и число твердости читается прямо на шкале. Значения твердости по Роквеллу могут быть переведены в значения по Бринелю.


Порядок выполнения работы на приборе Роквелла.

Для определения твердости применяют твердомер типа ТК (рис. 6). В нижней части станины 7 установлен винт вращаемый маховиком 1, оканчивающийся столиком 2 для помещения испытуемых образцов. В верхней части станины укреплены индикатор 4, шпиндель, в котором устанавливается наконечник 3 с алмазным конусом или со стальным шариком. Индикатор представляет собой циферблат, на котором нанесены две шкалы – черная и красная и имеются две стрелки – большая и малая (рис. 7). При испытании шариком отсчет производится по красной шкале В, при испытании алмазным конусом – по черной шкале С. Циферблат разделен на 100 делений, каждое из которых соответствует глубине вдавливания 0,002 мм.



Подвесить груз, соответствующий наконечнику и шкале. Выбрать в зависимости от формы образца столик, установить его и, положив на него образец, медленно приблизить последний к шарику. Поджимать постепенно шарик до тех пор, пока маленькая стрелка не установится против красной точки 2(рис. 7б) - это означает, что предварительная нагрузка 10 кг на образец дана, Большая стрелка 3 индикатора должна указывать при этом вверх (+5 делений от вертикали) (рис. 7в). Вращением лимба индикатора установить 0 шкалы С против большой стрелки независимо от школы измерений.
Независимо от того, что вдавливается в испытываемый образец – алмазный конус или шарик, с большой стрелкой индикатора всегда совмещается нуль черной шкалы со значком «С». Большую стрелку с нулевым штрихом красной шкалы со значком «В» не совмещают ни в коем случае.
Под действием основной нагрузки шарик, или алмазный конус, все глубже проникает в испытываемый образец, при этом большая стрелка индикатора поворачивается против часовой стрелки (рис. 7г). После окончания вдавливания основная нагрузка, действовавшая на образец, автоматически снимается и остается предварительная нагрузка. При этом большая стрелка индикатора перемещается по часовой стрелке и указывает на шкале индикатора число твердости по Роквеллу (рис. 7д).

Выбор нагрузки и наконечника.
Выбор наконечника для испытаний на твердомере Тк (прибор Роквелла) производится по таблице.

Шкала
Вид наконечника
Общая нагрузка Р в кГ
Обозначение твердости
Допускаемые пределы шкалы

В
Стальной шарик, 1,588 мм
100
HRB
25 – 100

С
Алмазный конус
150
HRC
20 – 67

А
Алмазный конус
60
HRA
70 - 85


Подготовка образца для испытания. Поверхности образца, как испытываемая, так и опорная, должны быть плоскими, параллельными друг другу и не должны иметь таких дефектов, как окалина, забоины, грязь, различные покрытия.

Вопросы для закрепления теоретического материала к лабораторной работе:
Как обозначается твердость по методу Бринелля?
Сущность способа измерения отпечатка твердости.
Перечислить преимущества и недостатки метода Бринелля.
Перечислить преимущества и недостатки метода Роквелла.
Как измеряется твердость стали с увеличением диаметра отпечатка?
Как измеряется твердость стали с увеличением содержания углерода?
Как обозначается твердость по методу Роквелла?

Задания для лабораторной работы:

Ознакомится с устройством и работой автоматического рычажного пресса по Бринеллю и работой прибора Роквелла.
Ознакомится с методикой измерения твердости по Бринеллю и Роквеллу
Построить график зависимости твердости стали от процентного содержания в ней углерода.
Выполнить лабораторную работу.
Оформить отчет по лабораторной работе (приложение А)















Приложение А
Пример оформления отчета по лабораторной работе 2

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №______

Тема «.»

Вариант №________

Цель: Развить навыки
1. Записать обозначение твердость по методам:

- Бринелля.

-Роквелла..

2. Описать методику измерения твердости по методу:

- Бринелля.


-Роквелла..


3. Построить график зависимости твердости стали от процентного содержания в ней углерода.

Рисунок 1Рисунок 2НђЗаголовок 1Заголовок 415