Методические указания по курсу "Материаловедение " для студентов очного обучения по направлению "Технологическое образование"

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Новгородский государственный университета имени Ярослава Мудрого МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по курсу "Материаловедение " для студентов очного обучения по направлению "Технологическое образование" Часть 1 Авторы-составители: Л. Б. Доржиев, канд. техн. наук, ст. преподаватель; В. Е. Мельников, ст. преподаватель; Рецензент: В. А. Мигунов, доцент, канд. техн. наук. Редактор: В.Е. Высотин, доцент, канд. техн. наук ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1. ИСПЫТАНИИ НА ТВЁРДОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ. Цель работы: ознакомиться с устройством приборов Бринелля, Роквелла и Виккерса. Ознакомиться с методикой определения твёрдости металлов по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу. Определение твердости образцов на приборах Роквелла, Бринелля и Виккерса. Твёрдостью называется способность металла оказывать сопротив­ление проникновению в него другого, более твердого тела. Измерение твёрдости заключается в наиболее распространенных методах во вдавливании наконечника (называемого также индентором) ив более твёрдого материала (например, алмаз, закалённая сталь, твёрдые сплели, эльбор) в испытуемый материал. Индентор представляет собой твёрдое малодеформируемое тело (алмаз, твёрдый сплав, закалённая сталь) определённой геометри­ческой формы (вар, пирамида, конус, игла), вдавливаемое в поверх­ность образца или изделия. Твёрдость определяется созданием контактных напряжений» т.е. местных напряжений, которые возникают при нажатии тел друг на друга по небольшой площади соприкосновения их между собой. О величине твёрдости судят по полученной деформации, В зависи­мости от метода испытания, свойств наконечника и испытуемого ма­териала твёрдость оценивается различными критериями. Твёрдость можно определить различными способами. Наибольшее применение получили статические испытания: - вдавливание стального закалённого шарика (твёрдость по Бринеллю) - вдавливание вершины алмазного конуса (твёрдость по Роквеллу), - вдавливание вершины алмазной пирамиды (твёрдость по Виккерсу). Динамические испытания: - метод упругого отскока бойка (твёрдость по Шору) и др. В результате измерения твёрдости вдавливанием с достаточно большой нагрузкой поверхностные сдои металла» находящиеся под наконечником и вблизи, него получают пластическую деформацию. После снятия нагрузки на образце (детали) остаётся отпечаток. Особен­ность этой деформации в том, что она протекает в небольшом объё­ме окружённом недеформированным материалом. При измерении твер­дости вдавливанием пластическую деформацию испытывают не только пластичные материалы, но и непластичные. Таким образом, твёр­дость характеризует сопротивление пластической деформации и пре­дставляет собой механическое свойство материала. Кроме определения макротвёрдости существует определение мик­ротвёрдости. При определении микротвёрдости определяется твёр­дость отдельных зёрен, фаз и структурных составляющих сплава, поэтому прилагаемая нагрузка должна быть небольшой от 147 до 4905 мН (от 15 до 500 гс). Индентором служит алмазная пирамида с углом между гранями при вершине 136. Микротвёрдость характери­зуется малыми размерами отпечатка, т.е. позволяет оценивать сво­йства отдельных структурных составляющих, очень тонких поверхно­стных слоев, покрытий, фольги, тонкой проволоки, мелких деталей часов и приборов, металлических нитей, искусственных оксидных плёнок, а также очень хрупких тел (стёкол, эмалей и др.), кото­рые растрескиваются при обычных методах измерения. Для определе­ния микротвёрдости существует прибор микротвёрдомер ПМТ-3. Существуют общие требования к подготовке образцов и проведе­нию испытания при определении твердости: - изготовление образцов и подготовка поверхности должны осущест­вляться способами, исключающими изменения свойств металла из-за нагрева или наклёпа, - поверхность образца должна быть чистой, без оксидных плёнок, следов ржавчины или окалины, трещин прочих дефектов, - образцы должны быть определённой толщины. После нанесения отпе­чатка на обратной стороне образца не должно быть следов деформа­ции, - образец на подставке должен лежать жёстко иустойчиво. В про­цессе испытания образец не должен смещаться или прогибаться, - прилагаемая нагрузка должна действовать перпендикулярно поверх­ности образца, - нагрузка должна прилагаться и возрастать плавно до заданного значения, а далее поддерживаться постоянной в течение, определён­ного времени. От степени твёрдости зависит возможность использования металла для изготовления различных деталей и инструментов. Твёрдость влияет на обрабатываемость металла: чем тверже металл, тем больше усилий требуется для его обработки. . Испытание на твёрдость благодаря своей быстроте, простоте, а также возможности проводить испытания на готовых изделиях без их разрушения и повреждения получило очень широкое распространение. Аля деталей, подвергнутых химико-термической обработке (цементации, азотированию и т.д.) и закалённых инструментальных сталей оп­ределение твердости является основным методом испытания при оценке качества изделий. Сравнение методов. Метод Бринелля. Число твёрдости по Бринеллю даёт представление о пределе проч­ности при растяжении (предел прочности при испытании на растяже­ние численно равен 0,36 величины твёрдости, полученной испытанием по Бринеллю). σв = 0,36НВ Ограничение метода. 1. Невозможно определение твёрдости металлов более 450 НВ или имеющих толщину менее 2 мм. При испытании металлов с твердостью более 450 НВ возможна деформация шарика и результаты будут неточными, возможно и разрушение шарика. 2. Для измерения твёрдости нужны специальные таблицы. Метод Роквелла. 1. Даёт возможность испытывать как мягкие, так и твёрдые, а также тонкие материала. 2. Можно испытывать готовые детали без порчи, так как отпечатки от конуса и шарика очень малы; 3. Испытание легко выполнимо и занимает несколько секунд. 4. Число твёрдости читается прямо по шкале прибора. Ограничения метода. 1. Прибором типа ТК-2 не разрешается производить испытания а) неоднородных по структуре сплавов (чугун), б) хрупких изделий и изделий, имеющих на поверхности раковина, следы грубой обработки, в) изделий, которые могут пружинить или деформироваться под действием нагрузки (тонкостенные трубы). Метод Виккерса. 1. Отпечатки получаются всегда геометрически подобными, вследст­вие чего значения твёрдости для одного и того же материала оказы­ваются постоянными и не зависящими от силы вдавливания. 2. Отпечатки получаются в форме квадрата с резко очерченным контуром; диагональ квадрата может быть легко и с большой точностью измерена. Полученные числа твёрдости почти полностью совпадают с числом твёрдости НВ, т.е- НВ + НV при значениях твёрдости до НВ + 450. Можно испытывать очень твёрдые материалы, имеющие очень малое сечение, а также твёрдость тонких наружных цементированных, хро­мированных слоев. Ограничение метода. 1.Для измерения твёрдости нужны специальные таблицы или надо проводить расчёты. 2.Зависит от правильно выбранной нагрузки. При небольшой нагруз­ке отпечаток пирамиды может быть недостаточно отчётливым, что вы­зовет ошибку в определении твердости, ИЗМЕРЕНИЕ ТВЁРДОСТИ ПО БРИНЕЛЛЮ Приборы, материалы, инструменты: автоматический рычажный пресс типа ТШ-2М. образец, лупа для измерения диаметра отпечатка, наж­дачное точило, напильник. Схема испытания и величина твёрдости по Вринеллю. Испытание на твёрдость по Бринеллю производится вдавливанием в испытуемый образец стального шарика определенного диаметра под действием заданной нагрузки в течение определённого времени. Схема испытания на твердость по Бринеллю дана на рис. I. В результа­те вдавливания шарика на поверхности образца образуется отпечаток (лунка). Рис. I. Схема испытания на твёрдость по способу Бринелля Отношение нагрузки Р/Н к поверхности полученного отпечатка шарового сегмента; F (мм ) даёт число твёрдости, обозначаемое НВ: (1) (1 Н/мм2 = 1 МПа) Поверхность шарового сегмента (2) Где D – диаметр вдавлимаего шарика (мм), H – глубина отпечатка (мм). Так как глубину отпечатка измерить трудно, легче измерить диаметр отпечатка, причём: (3) Тогда поверхность шарового сегмента (мм2) (4) А число твердости по Бринеллю определяется по формуле: (5) 1. 1 Прибор для испытания на твёрдость по Бринеллю. Наиболее распространённым прибором для испытания на твёрдость по Бринеллю является рычажно-механический прибор типа T-2M (рис.2) Рис. 2. Схема прибора Бринелля 1 - станина; 2 - винт; 3 - маховик; 4 - предметный столик; 5 -шарик; 6 - шпиндель; 7 - пружина; 8,9 - система рычагов; 10 -грузы; II - шатун; 12 - редуктор; 13 - электродвигатель. 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 испытуемого материала по формуле: Р + кD2 где к - постоянная для данного материала величина, равная 300, 100 или 25. Для подбора диаметра и нагрузки использовать таблицу I. ПОДГОТОВКА ПРИБОРА И ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ. 1. Установить на подвеску грузы 10, соответствующие выбранной для испытания нагрузке, 2. Наконечник с шариком 5 вставить в шпиндель 6 и укрепить. 3. На предметный столик 4 поместить испытываемый образец. Образец должен плотно лежать на столике. Центр отпечатка должен находить­ся от края на расстоянии не менее диаметра шарика. 4. Вращая маховик 3 винтом 2, поднять образец до соприкосновения его с шариком и далее до полного сжатия пружины 7, надетой на шпиндель 6. Пружина создает предварительную нагрузку на шарик, размером 1 кН (100 кГс ), что обеспечивает устойчивое положение образца во время нагружения. 5. Включить электродвигатель 13 и через червячную передачу редуктора 12, шатун 11 и систему рычагов 8,9 с грузами 10 создать за­данную полную нагрузку на шарик. 6. После регулировки прибора снять образец. 7. Определить диаметр отпечатка специальной лупой. 8. Определить твёрдость. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ОТПЕЧАТКА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЁРДОСТИ. Полученный, отпечаток измеряют с помощью лупы или микроскопа в двух взаимно перпендикулярных направлениях; диаметр отпечатка оп­ределится как среднее арифметическое двух измерений. Лупа (рис.З.) имеет скалу, малое деление которой равно 0,1 мм. Лупу нижней опорной частью надо плотно установить на испытываемую поверхность об­разца над отпечатком; если лупа не имеет специальной лампочки для освещения поверхности, вырез (окно) в нижней части лупы обратить Рис. 3. Лупа; отсчёт по шкале лупы к свету. Поворачивая окуляр, нужно добиться, чтобы края отпечатка были резко очерчены. Затем, передвигая лупу, надо один край отпечатка совместить с началом шкалы. Прочитать деление шкалы с которым совпадает противоположный край отпечатка. Затем лупу или образец повернуть на 90о и измерить диаметр отпечатка второй раз. Определяют твёрдость HR по формуле (5). По результатам измерения заполнить протокол. ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЯ НА ТВЁРДОСТЬ ПО БРИНЕЛЛЮ Тип пресса ______________________________________ № п/п Материал, марка, характер термообработкт, толщина образца (мм) Условия испытания (диаметр шарика,мм и нагрузкуа,Н Диаметр отпечатка, мм Измеренное значение НВ, НПа Значение НВ из справочника 1-ый отпечаток 2-ый отпечаток 3-ый отпечаток 1-ый отпечаток 2-ый отпечаток 2-ый отпечаток Среднее значение ЗАДАНИЕ 1. Изучить: a) схему испытания твёрдости по Бринеллю, б) устройство прибора Бринелля, в) выбор диаметра шарика и нагрузки, г) подготовку образца для испытания, д) подготовку прибора и проведение испытания, е) методику измерения диаметра отпечатка с помощью лупы, ж) определение твёрдости расчётным путем и по таблице 2. 2. Провести испытание образцов на твёрдость по Бринеллю Определить твёрдость этих образцов. Сравнить измеренные числа твёрдости материалов со справочными данными. Результаты испытания оформить в виде протокола испытания. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЁРДОСТИ ПО РОКВЕЛЛУ. Приборы и материалы, инструменты: прибор Роквелла типа ТК-2М (ТК-2); образцы металлов и сплавов; наждачное точило; напильник; шлифовальная шкурка СХЕМА ИСПЫТАНИЯ И ВЕЛИЧИНА ТВЁРДОСТИ ПО РОКВЕЛЛУ. Испытание на твёрдость по Роквеллу производят вдавливанием в испытуемый образец (деталь) алмазного конуса с углом 120о или стального закалённого шарика диаметром 1,588 мм. Шарик и конус вдавливается в испытуемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок - предварительной P0 и основной Р1. Общая нагрузка Р = P0 + Р1 Предварительная нагрузка P0 во всех случаях равна 100 Н, основная Р1 и общая Р-нагрузки при вдавливании стального шарика (шкала В) составляет Р1 = 900 Н, Р = 100 + 900 = 1000 Н, а при вдавливании алмазного конуса (шкала Cэ ) Р1= 1400Н, Р = 100 + 140О = 1500 Н, при вдавливании алмазного конуса (шкала A) Р1 = 500 Н, Р = 100 + 500 = 600 Н. За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. Число твёрдости по Роквеллу HR определяется по формуле: при измерении по шкале В: НR = 130 - e, при измерении по шкале Сэ и шкале A: HR = 100 - е Величина е определяется по формуле: 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 P0 (см. рис. 4). В зависимости от того, применяют ли шарик или алмазный конус, и от нагрузки, при которой проводят испытание (т.е. по какой шкале: В, Сэ или А), число твердости обозначают HRA, HRB, HRC. ПРИБОР ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ НА ТВЁРДОСТЬ ПО РОКВЕЛЛУ. Для испытания на твёрдость по Роквеллу использует прибора типа ТК-2М и ТК-2. Принципиальной разницы в устройстве и проведении испытания на твердость у приборов нет. Однако, они отличаются продолжительностью цикла приложения и снятия основной нагрузки: ТК-2М- 5+1с; ТК-2 - на кулачке "Н" - 4 + I с; ТК-2 - на кулачке "У" - 2 + I с. Схема прибора типа ТК-2М дана на рис.5. Рис. 4. Схема определения твердости вдавливанием алмазного Рис. 5. Схема прибора Роквелла конуса (на приборе Роквелла). 1 - штурвал; 2 - предметный столик; 3 - шарик или алмаз; 4 - инди-катор; 5 - рукоятка; 6 - масляный демпфер; 7 - грузы. ВЫБОР НАГРУЗКИ И НАКОНЕЧНИКА. Нагрузку и наконечник выбирают в зависимости от твёрдости испытуемого материала (табл.4). KOHTPOЛЬ ПРИБОРА. Контроль прибора производят при помощи контрольных брусков, твёрдость которых заранее известна. Показания прибора должны находиться в пределах чисел твёрдости, обозначенных на контрольных брусках. Если твердость по прибору не соответствует твердости контрольных брусков, то к показаниям прибора при испытании образцов вводятся соответствующие поправки. Порядок проведения контроля аналогичен порядку проведения испытания. ПОДГОТОВКА ПРИБОРА И ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЯ. 1) Хорошо зачищенный испытуемый образец устанавливают на предметный столик 2. 2) Вращением штурвала 1 по часовой стрелке поднимают образец до соприкосновения с алмазом или шариком 3. При дальнейшем вращении штурвала начинают начинают перемещаться малая и большая стрелки циферблата индикатора 4 и создаётся предварительная нагрузка, равная 0,1 кН (10 КГС), препятствующая смещению образца во время испытания. При совмещении малой стрелки с красной точкой вращение штурвала прекратить. Циферблат индикатора повернуть так. чтобы нулевое деление черной шкалы С стало против конца большой стрелки и соответственно против 30 деления красной шкалы В. 5) Поворотом рукоятки 5, расположенной с правой стороны прибора, в направлении от себя или включением электрического привода, посредством грузов 7 создать основную нагрузку Р на алмаз (шарик). 6) После остановки большой стрелки через 1 - 3 с поворотом рукоятки 5 в направлении от себя (у электрического прибора автоматически) снять основную нагрузку. При этом большая стрелка поворачивается в обратном направлении и останавливается против деления, показывающего значение твёрдости испытываемого материала. 7) Испытание провести три раза, за число твёрдости принять среднее арифметическое этих испытаний. 8) Число твёрдости по Роквеллу перевести на число твёрдости по Бринеллю (см. табл.3). 9) По результатам измерения заполнить протокол. Протокол испытания на твёрдость по Роквеллу. № п\п Материал образца Шкала Твердость HR Твердость по Бринеллю (перевод) 1-ще измерение 2-ще измерение 3-ще измерение Среднее значение ЗАДАНИЕ. Изучить: а) схему испытания на твёрдость по Роквеллу, б) устройство типа Роквелла, в) выбор нагрузки и наконечника, г) подготовку образца для испытания, д) контроль прибора, е) подготовку прибора и проведению испытания. Провести испытания на твёрдость по Роквеллу образцов. Определить твёрдость. Результаты испытания оформить в виде протокола. ИЗМЕРЕНИЙ ТВЁРДОСТИ ПО ВИККЕРСУ. Приборы, материалы, инструменты: автоматический рычажный прибор типа ТБ, образцы металлов и сплавов, напильник, шлифовальная шкурка. СХЕМА ИСПЫТАНИЯ И ВЕЛИЧИНУ ТВЁРДОСТИ ПО ВИККЕРСУ. Испытание на твёрдость по Виккерсу производят вдавливанием в испытуемый образец правильной четырёхгранной пирамиды с углом между гранями, равными 136о . Поверхность отпечатка, имеющего форму пирамиды, подсчитываете по его диагонали (рис, 6). Число твёрдости НУ, получаемое при испытания, является частным от-делении величины нагрузки на поверхность отпечатка. где Р- нагрузка на пирамиду, кГ, λ- угол между противоположными гранями пирамид, d - среднее арифметическое длины двух диагоналей отпечатка, из­меренных после снятия нагрузки, мм. При вдавливании пирамиды соотношения между диагонали получающегося отпечатка при изменении нагрузки остаётся постоянным это позволяет в широких пределах в зависимости от целей испытания увеличивать или уменьшать нагрузку. . Величины нагрузки могут быть в пределах 10 - 1000 Н (1 - 100 кгс) Чем больше нагрузка, тем более точным получается результат. Продолжительность выдержки образца под нагрузкой обычно составляет 10 -15 с. Величины нагрузки выбирают в зависимости от размеров детали и твердости материалов. Чем больше выбирается нагрузка тем глубже проникает индентор в испытуемым материал. Поэтому чем тоньше материал, тем меньше должна быть нагрузка. Рис. 6. Схема измерения отпечатка по ш

Похожие:

	Контрольная работа по дисциплине Материаловедение Методические указания предназначены для студентов заочной формы обучения специальности		Методические указания по выполнению лабораторных и учебно-исследовательских... Методы определения показателей физико-механических свойств (качества) тампонажного раствора и камня
	Методические указания по курсу “Эксплуатация систем электроснабжения”... Методические указания предназначены для студентов заочной формы обучения специальности 10. 04 “Электроснабжение”		Российской федерации Содержание: умк по дисциплине Психология семьи и семейного воспитания для студентов направления подготовки 44. 03. 01 Педагогическое...
	Методические указания по патологической анатомии животных для студентов... Методические указания к проведению учебной практики по патологической анатомии животных		Методические указания по подготовке и защите выпускной квалификационной... Методические указания утверждены на заседании кафедры «Государственного и муниципального управления»
	Методические указания к выполнению срс по дисциплине «Автоматизированное... Методические указания предназначены для выполнения самостоятельной работы студентов (срс) по дисциплине «Автоматизированное проектирование...		Методические указания для студентов-магистрантов 1 года обучения... Методические указания предназначены для практических занятий со студентами-магистрантами 1 года обучения нефилологических специальностей...
	Методические указания по практике для студентов дневного и заочного обучения Самара 2014 Методические указания по практике для студентов специальности «автомобильные дороги», дневной и заочной формы обучения / Составители:...		Методические указания и задания к контрольной работе по дисциплине «Экономика строительства» Настоящие указания предназначены для студентов заочной формы обучения специальности «Промышленное и гражданское строительство» для...