Удк 620. 22

Методическое указание к лабораторным работам по дисциплине «Материаловедение» для студентов всех форм обучения, направлений бакалавриата: 131000, 140100, 140400, 141200, 151000.190700, 220700, 221700, 240100

/ Сост.: В.Н. Киприянова, С.А. Кобзева; Кубанский гос. технол. ун-т. Каф. материаловедения и автосервиса. – Краснодар: Изд. КубГТУ, 2012 – с.24

Изложены теоретические основы и методика проведения 3 лабораторных работ, выполняемых студентами при изучении курса «Материаловедение, раздела «Термическая обработка углеродистых сталей»

Рецензенты: д-р техн. наук, профессор А.Г. Соколов

Канд.техн.наук, профессор В.Г.Корниенко

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ…………………………………………………………….....4

Лабораторная работа 5

ВЛИЯНИЕ ЗАКАЛКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА

СТАЛИ………………………………………………………………………….5

Лабораторная работа 6

ВЛИЯНИЕ ОТПУСКА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА

ЗАКАЛЕННОЙ СТАЛИ………………………………………………………12

Лабораторная работа 7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ……………………………….16

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………….23

ПРЕДИСЛОВИЕ

Цель предлагаемого методического указания – оказать помощь в подготовке к лабораторным занятиям по курсу " Материаловедение", развить у студентов-бакалавров навык самостоятельной работы, в том числе исследовательской.

Прежде чем приступить к выполнению работы, нужно заранее ознакомиться с ее содержанием, т.е. с элементами теории, заданием и методикой проведения. Таким образом, изучив лекционный материал и данные руководства, студент обязан добросовестно подготовиться к проведению лабораторной работы.

После выполнения работы бакалавр составляет отчет по форме, приведенной в журнале лабораторных работ, который выдают ему одновременно с этим руководством. Преподаватель принимает работу в конце занятия, опрашивает студента по отчету, практической части и теории, относящейся к выполняемой работе. Контрольные вопросы помещены в конце работы.

Во время работы в лаборатории студент обязан строго соблюдать правила техники безопасности.

1. ПЕРЕД ВЫПОЛНЕНИЕМ ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА ВСЕ
СТУДЕНТЫ ПРОХОДЯТ ИНСТРУКТАЖ НА РАБОЧЕМ МЕСТЕ (В ЛАБОРАТОРИИ).

2. Не разрешается трогать приборы, установки и органы их управления, предварительно не ознакомившись с устройством и правилами работы на них, а также включать и трогать оборудование, не относящееся к выполняемой работе.

3. При неисправности оборудования следует немедленно прекратить работу на нем и сообщить об этом лаборанту или преподавателю.

4. Все детали приборов необходимо перемещать плавно, без рывков и больших усилий.

5.При измерении твердости образец должен устойчиво стоять на столе или в призме. Место контакта с индентером надо выбирать в средней части поверхности образца, которая должна быть ровной, плоской, расположенной горизонтально
Лабораторная работа №5

ВЛИЯНИЕ ЗАКАЛКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА
УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Цель работы – изучить теорию и практику закалки углеродистой стали и влияние закалки на структуру и свойства.

Задание и порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с теоретическими положениями, изложенными в работе, уяснить основные превращения, которые происходят в стали при быстром охлаждении.

2. Для углеродистой стали, указанной преподавателем марки, назначить режим закалки (температуру и продолжительность нагрева, скорость охлаждения).

3. Произвести закалку по выбранному режиму.

4. Определить твердость закаленной стали.

5. Изучить и зарисовать микроструктуру стали после закалки.

Приборы и материалы

Муфельная печь, клещи, бак с охлаждающей жидкостью, прибор Роквелла, образцы углеродистой стали.

Основы теории

Закалка состоит в нагреве стали до температуры выше критической точки A_С1 или A_С3, выдержке при этой температуре для завершения фазовых превращений и последующем быстром охлаждении со скоростью выше критической.

Для углеродистых сталей охлаждение чаще всего проводят в воде, а для легированных – в масле или других средах.

Цель закалки – получение высокой твердости, прочности, износостойкости.

Закалка не является окончательной операцией термической обработкой. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, сталь после закалки подвергают отпуску.

Одним из основных превращений в железоуглеродистых сплавах является превращение аустенита в перлит (при охлаждении):

Fе_γ (С) → Fe_α (С) + Fe₃C.

Это превращение состоит из двух процессов:

1) перекристаллизации Fе_γ → Fe_α

2) диффузии углерода в объемах аустенита, заканчивающейся выделением углерода в виде зерен цементита.

Температура распада аустенита с образованием ферритно-цементитной смеси и полнота этого процесса зависят от скорости охлаждения. Структуру стали после охлаждения ее с различными скоростями можно определить с помощью диаграммы изотермического превращения переохлажденного аустенита, или так называемой С-образной диаграммы (рис. 1). При весьма малой скорости охлаждения V₁ распад аустенита происходит при температуре, близкой к равновесной (727°С). Образующаяся при этом структура представляет собой механическую смесь довольно крупных пластин феррита и цементита, называемую перлитом.

Увеличение скорости охлаждения (V₂) сопровождается понижением температуры начала распада аустенита, т.е. ведет к его переохлаждению. Образующаяся при распаде переохлажденного аустенита смесь феррита и цементита состоит из более мелких частиц, чем перлит. Такая структура получила название сорбита закалки.

Рис. 1. Диаграмма изометрического распада аустенита стали У8 с наложенными на нее кривыми охлаждения.

Если скорость охлаждения увеличить (V₃), то появится еще более тонкая структура распада аустенита – троостит закалки.

Таким образом, перлит, сорбит, троостит являются продуктами распада аустенита при его охлаждении с различными скоростями и представляют собой механические смеси феррита и цементита. Различие этих структур состоит только в степени дисперсности составляющих их фаз. Увеличение дисперсности механических смесей сопровождается увеличением их твердости. Примерные скорости охлаждения при получении указанных структур и значения их твердости приведены на рис. 1 и в таблице 1.

Таблица 1

В основе распада аустенита на указанные механические смеси лежат диффузионные процессы, требующие для своего осуществления определенного времени. Можно настолько повысить скорость охлаждения, что диффузионные процессы станут невозможными, и тогда распад аустенита не успеет произойти. В этом случае из аустенита образуется новая структура, называемая мартенситом. При превращении аустенита в мартенсит происходит лишь бездиффузионная перестройка кристаллической решетки γ -железа в α -железо. Атомы углерода, растворенные в аустените, остаются в решетке α -железа и сильно ее искажают, так как известно, что растворимость углерода в γ -железе выше, чем в α -железе. Таким образом, мартенсит представляет собой пересыщенный раствор углерода в α -железе. Кристаллическая решетка мартенсита не кубическая, как у α -железа, а тетрагональная (рис. 2).

Чем больше углерода в стали, тем больше степень тетрагональности решетки мартенсита. Вследствие сильного искажения кристаллической решетки мартенсит имеет высокую твердость (600-650 НВ).

Минимальная скорость охлаждения, обеспечивающая образование из аустенита мартенситной структуры, называется критической скоростью закалки – V_кр. Размер этой скорости зависит от химического состава стали.

Для мартенсита характерна особая микроструктура (pис. 3).

Рис. 3. Микроструктура (фотография и схема) углеродистой стали после закалки, ´ 400.

Кристаллы мартенсита представляют собой " пластины", расположенные параллельно или пересекающиеся под определенным углом. В плоскости шлифа они имеют вид игл (" игольчатый" мартенсит).

Для соблюдения режима закалки необходимо правильно определить:

1. температуру нагрева стали,

2. время нагрева и выдержки в печи,

3. среду охлаждения.

выбор температуры закалки

По температуре нагрева закалка может быть:

· полной,

· неполной.

Нагрев стали на 30-50°С выше А_C3 с последующей закалкой на мартенсит называется полной закалкой. Доэвтектоидные стали всегда подвергают полной закалке. Структура после полной закалки доэвтектоидных сталей – мартенсит.

Ели сталь под закалку нагревать до температур, лежащих, между линиями
А_C1 – А_C3 или А_C1 – Асm (рис. 4), то в результате получим структуру в виде смеси мартенсит + феррит в доэвтектодных сталях и мартенсит + цементит – в заэвтектоидных. Такая закалка называется неполной.

В доэвтектоидных сталях неполная закалка недопустима, так как феррит, сохранившийся в структуре, снижает твердость закаленной стали и ухудшает механические свойства после отпуска. В заэвтектоидных сталях оптимальная температура закалки, наоборот, лежит в интервале между Ас₁ и Аcm. Наличие в закаленной заэвтектоидной стали избыточного цементита повышает твердость и износоустойчивость стали. Нагрев же выше Аcm опасен и не нужен, так как он не повышает твердости, наоборот, твердость даже несколько падает вследствие растворения избыточного цементита; при таком нагреве растет зерно аустенита, увеличивается возможность возникновения больших закалочных напряжений.

Рис. 3. Диаграмма состояния Fe-Fe₃C с указанием температур закалки.

время нагрева

Продолжительность нагрева стали при закалке должна быть достаточной для прогрева изделия по сечению и завершения фазовых превращений, но не слишком большой, чтобы не вызвать роста зерна и обезуглероживания поверхностных слоев стали.

Для ориентировочного определения продолжительности нагрева можно пользоваться данными, приведенными в таблице 2.

Таблица 2

Ориентировочная продолжительность нагрева изделий в различных печах для закалки от 800-850°С

среда охлаждения

Охлаждение при закалке должно обеспечивать получение структуры мартенсита в пределах заданного сечения изделия (определенную прокаливаемость) и отсутствие закалочных дефектов: трещин, коробления и т.д. Наиболее желательны высокая скорость охлаждения (выше критической скорости закалки) в интервале температур A₃ – М_H для подавления распада переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращения и замедленное охлаждение в интервале температур мартенситного превращения M_H – М_K. Обычно для закалки используют воду, водные растворы солей и щелочей, масла. В таблице 3 приведена относительная интенсивность охлаждения в различных средах.

Таблица 3

Относительная интенсивность охлаждения закалочных сред

Вода как охлаждающая среда имеет следующие недостатки:

· высокая скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения нередко приводит к образованию закалочных дефектов;

· с повышением температуры воды резко снижается ее закалочная способность.

Масло как охлаждающая среда имеет следующие недостатки:

· повышенная воспламеняемость (температура вспышки 165¸ 300°С);

· низкая охлаждающая способность в интервале перлитного превращения;

· необходимость замены после определенного срока (густеет);

· повышенная стоимость.

Преимущества масла:

· небольшая V_охл в мартенситном интервале температур и как следствие, уменьшение закалочных дефектов;

· постоянство закаливающей способности в широком интервале температур (20¸ 150°С).

Минеральное масло обычно применяют для легированных сталей.

Наиболее высокой к равномерной охлаждающей способностью отличаются водные растворы NaCl и NaOH, которые хорошо зарекомендовали себя на практике..

При выборе охлаждающей среды необходимо учитывать закаливаемость и прокаливаемость стали.

Закаливаемость – способность стали приобретать высокую твердость при закалке.

Закаливаемость определяется содержанием углерода (чем больше углерода, тем выше твердость). Стали с содержанием углерода менее 0, 20 % не закаливаются.

Прокаливаемость – способность получать закаленный слой с мартенситной и троосто-мартенситной структурой, обладающей высокой твердостью, на определенную глубину.

В процессе закалки могут возникнуть дефекты:

– закалочные трещины (наружные или внутренние) образуются вследствие высоких внутренних напряжений – неисправимый брак!;

– деформация и коробление – в результате внутренних напряжений, вызванных неравномерным охлаждением и фазовыми превращениями;

– мягкие пятна – образуются в местах, где имелась окалина, загрязнения, участки с обезуглерожинной поверхностью;

– низкая твердость – в результате несоблюдения режимов закалки – подвергаются высокому отпуску и повторной закалке;

– перегрев – образование крупного зерна в стали и как следствие, падение пластичности, образование трещин. Подвергают повторному отжигу и термической обработке;

– пережог – нагрев еще до более высоких температур и длительной выдержке. Сопровождается окислением, частичным оплавлением, и как следствие, металл становится хрупким. Неисправимый брак!

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется закалкой стали?

2. С какой целью проводят закалку стали?

3. Из каких основных процессов состоит превращение аустенита в перлит?

4. С какой целью строят диаграммы изотермического превращения аустенита (С-образные диаграммы)?

5. Назовите продукты распада аустенита при его охлаждении с различной скоростью.

6. Что представляют собой перлит, сорбит, троостит? Каковы их свойства?

7. Что такое мартенсит и в чем сущность и особенности мартенситного превращения?

8. Какова микроструктура мартенсита и его свойства?

9. Что называется критической скоростью закалки?

10. Что называется полной закалкой и неполной?

11. До какой температуры следует нагревать под закалку доэвтектоидные стали, заэвтектоидные?

12. Как определить продолжительность нагрева стали при закалке, на какие факторы она оказывает влияние?

13. Какие требования предъявляются к охлаждающим средам при закалке?

14. Каковы недостатки воды как охлаждающей среды?

15. Какая охлаждающая среда имеет наибольшую интенсивность охлаждения?

16. Что такое прокаливаемость стали?

17. Что такое закаливаемость?

18. Перечислите дефекты, которые могут возникнуть при закалке.

Лабораторная работа №6

ВЛИЯНИЕ ОТПУСКА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА
ЗАКАЛЕННОЙ СТАЛИ

Цель работы – изучить теории и практику отпуска закаленной стали, его влияние на ее структуру и свойства.

Задание и порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с теоретическими положениями, изложенными в работе, уяснить основные превращения, которые происходят в закаленной стали при отпуске.

2. Для данных образцов закаленной стали назначить режимы трех видов отпуска (низко-, средне- и высокотемпературного).

3. Произвести отпуск закаленной стали по выбранным режимам.

4. Определить твердость отпущенной стали по методу Роквелла и построить график изменения твердости отпущенной стали в зависимости от температуры отпуска.

Приборы и материалы

Муфельная печь, клещи, бак с охлаждающей жидкостью, прибор Роквелла, закаленные образцы стали.

Основы теории

Отпуск состоит в нагреве закаленной стали до температуры ниже А_C1, выдержке при заданной температуре и последующим охлаждением с определенной скоростью.

Отпуск является окончательной операцией термической обработкой, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска. Так, осевые напряжения в цилиндрическом образце из стали, содержащей 0, 3%С, в результате отпуска при 550 °С уменьшаются с 600 до 80 МПа.

Скорость охлаждения при отпуске оказывает большое влияние на величину остаточных напряжений. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения. Быстрое охлаждение в воде создает новые термические напряжения. Охлаждение на воздухе дает напряжения на поверхности изделия в семь раз меньшие, а в масле – в 2, 5 раза меньше по сравнении с напряжениями при охлаждении в воде.

При отпуске неравновесная структура, состоящая из мартенсита и остаточного аустенита, переходит в более устойчивое состояние. Этот переход связан с диффузионным распадом твердых растворов на ферритно-цементитную смесь и протекает тем полнее, чем выше температура нагрева. Температура отпуска оказывает, таким образом, основное влияние на свойства отпущенной стали.

Превращения при нагреве закаленной стали

В общем случае структура закаленной стали может состоять из мартенсита, остаточного аустенита и других структурных составляющих. В данном случае представляют интерес мартенсит и остаточный аустенит как метастабильные фазы. Их переход в стабильные фазы феррита и цементита может протекать только путем диффузии, поэтому при низких температурах они практически не распадаются.

Нагрев сталей со структурой из мартенсита и остаточного аустенита до Т_н в интервале 80 - 200 °С ведет к частичному выделению углерода из мартенсита. Углерод образует очень мелкие кристаллики ε - карбида (в несколько атомных слоев), который по составу близок к Fe₂C. В результате формируется структура отпущенного мартенсита (М_отп). Она состоит из смеси мартенсита с уменьшенной пересыщенностью углеродом (M_y) и ε - карбида, когерентно связанного с решеткой M_y.

При Т_н в интервале 200 - 300 °С А_ост. превращается в M_ОТП-: идет процесс снижения содержания углерода в M_y и увеличение количества карбидной фазы.

При температуре нагрева в интервале 300 - 400 °С содержание С в решетке Fe_α становится практически равновесным, а частицы Fe₂C превращаются в Fe₃C и окончательно обосабливаются от матрицы Fe_α

Благодаря осуществлению всех процессов, протекающих в интервале температур 80 - 400 °С, формируется структура - тростит отпуска (Т_отп). Он представляет собой структуру из мелких округлой формы частиц цементита, равномерно распределенных в феррите.

При Т_н более 400° С диффузионные процессы активизируются настолько, что цементитные образования укрупняются путем распада одних - более мелких, потому менее устойчивых, и роста других. При этом образуется более грубая, чем тростит, смесь глобулярного цементита и феррита - сорбит отпуска (С_отп.).

При Т_н, близких к А_I образуется еще более грубая смесь зернистого цементита и феррита, называемая зернистым перлитом.

Образование структур отпуска с зернистым цементитом улучшает многие свойства стали. Сталь с зернистым цементитом, по сравнению со сталью с пластинчатым цементитом, имеет более высокие пределы текучести, ударной вязкости и поперечного сужения при практически одинаковых значениях твердости и предела прочности из-за различий границ между Ф и Ц по форме и суммарной площади.

Различают следующие три вида отпуска:

Низкотемпературный (низкий) отпуск предусматривает нагрев до температур 150-250°С. При этом происходит частичное выделение избыточного углерода из мартенсита, сопровождающееся уменьшением его тетрагональности. После низкого отпуска получают структуру отпущенного мартенсита. За счет снижения внутренних напряжений при низком отпуске повышается прочность и несколько улучшается вязкость стали без заметного снижения ее твердости.

Низкий отпуск применяет при обработке инструмента из углеродистых и легированных сталей, для которых необходима высокая твердость (580-600 НВ) и износостойкость – токарных и строгальных резцов, фрез, зенкеров, сверл, измерительного инструмента и т.д.

Среднетемпературный (средний) отпуск выполняют при 350-450°С и назначают главным образом для пружин в рессор, а также для штампов. Такой отпуск обеспечивает высокие пределы упругости и выносливости. При среднем отпуске происходит распад отпущенного мартенсита на ферритно-цементитную смесь высокой дисперсности, называемую трооститом отпуска; твердость его 350-400 НВ.

Высокотемпературный (высокий) отпуск включает нагрев закаленной стали до температуры 500-650°С. При этом происходит укрупнение выделений цементита. Образующуюся структуру называют сорбитом отпуска. Высокий отпуск почти полностью снимает внутренние напряжения и значительно повышает ударную вязкость и пластичность стали, прочность и твердость при этом несколько снижаются.

Сочетание закалки с последующим высоким отпуском называют улучшением, так как при этом сталь приобретает оптимальное сочетание механических свойств: высокую пластичность, прочность и вязкость. Высокий отпуск применяют при термообработке разнообразных изделий из углеродистых и легированных конструкционных сталей.

Отличие сорбита и троостита отпуска от аналогичных структур, получаемых при закалке, состоит в том, что в первом случае цементит имеет зернистую форму, а во втором – пластинчатую. Это обусловливает получение в отпущенной стали более высоких механических свойств, чем в закаленной, имеющей такую же структуру.

Продолжительность выдержки при отпуске составляет обычно 1 – 2, 5 часа и зависит от габаритов изделия; с их увеличением назначают более длительный отпуск.

В интервале 200-300°С на шлифованной поверхности образца возникает тонкий слой окислов (цвета " побежалости"), по которым можно приближенно оценить температуру нагрева (таблица 1).

Таблица 1

Цвета побежалости (в зависимости от температуры образца
и толщины слоя окалины)

Для проведения низкого отпуска образец необходимо поместить в печь, нагретую до температуры не ниже 400°С, и выдержать там до появления соломенно-желтого цвета, при среднетемпературном отпуске нагрев ведут до появления синего цвета, а при высокотемпературном образец выдерживают при выбранной температуре в течение часа.

После отпуска поверхность образца зачищают и измеряют твердость на приборе Роквелла: по полученным данным строится график изменения твердости в зависимости от температуры отпуска.

КоНТРоЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется отпуском?

2. С какой целью проводят отпуск?

3. Какое влияние оказывает скорость охлаждения при отпуске на остаточные напряжения в стали?

4. Какие процессы происходят в сталях при нагревании ниже критических температур?

5. Перечислите основные виды отпуска.

6. Какая структура получается после низко-, средне- и высокотемпературного отпуска?

7. Какова цель низко-, средне- и высокотемпературного отпуска?

8. Какие детали подвергаются низко-, средне- и высокотемпературному отпуску?

9. Чем объясняется понижение твердости закаленной стали по мере повышения температуры отпуска?

10. Что называется улучшением стали?

11. Каково различие сорбита отпуска от сорбита закалки?

12. От чего зависит продолжительность отпуска?

Лабораторная работа №7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ

Цель работы – освоить методики определения твердости вдавливанием на приборах Бринелля и Роквелла, выбрать условия испытаний для различных материалов, установить связь твердости с другими механическими свойствами.

Задание и порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с сущностью методов измерения твердости по Бринеллю и Роквеллу.

2. Измерить твердость трех образцов стали, выбрав по табл. 1 и 3 условия испытания; на двух образцах отожженной стали различной толщины измерить твердость на приборах Бринелля и Роквелла; на образце закаленной стали произвести измерение твердости по Роквеллу. Результаты испытаний занести в протокол, сравнить полученные результаты.

3. Определить пределы прочности отожженных образцов стали, зная их твердость по Бринеллю.

Приборы и материалы

Автоматический рычажный пресс Бринелля, прибор типа Роквелла, лупа, стали после различных видов термической обработки.

Основы теории

Твердостью называют свойство материала оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии в поверхностном слое. Это одна из наиболее распространенных характеристик, определяющих качество металлов и сплавов, их применимость в различных конструкциях и условиях работы. Широкое распространение методов измерения твердости объясняется многими причинами:

1) между твердостью и другими механическими свойствами (главным образом пределом прочности), существует количественная зависимость;

2) простота измерения;

3) быстрота оценки качества полуфабрикатов независимо от размеров и формы заготовки;

4) возможностью оценки качества готовых изделий;

5) отсутствием разрушения металла (детали);

6) возможность измерения твердости на деталях небольшой толщины, а также в очень тонких слоях, не превышающих десятых долей миллиметра*.

Часто только по твердости определяют готовность полуфабрикатов и готовых изделий. Так, например, все виды режущего, мерительного инструмента, цементованные, цианирование, азотированные детали контролируют только на твердость. Определение твердости является почти единственным методом контроля качества штампов и металла для холодной штамповки. Твердость металла при необходимости определяют не только при комнатной температуре, но и при повышенной.

Твердость металлов измеряют при помощи воздействия на поверхность металла наконечника, изготовленного из малодеформирующегося металла (закаленная сталь, алмаз, твердый сплав). Существует несколько способов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника. Твердость можно измерять вдавливанием, царапанием, ударом или по отскоку наконечника-шарика. Наибольшее применение получило измерение твердости вдавливанием. В этом случае твердость характеризует сопротивление материалов местной пластической деформации, возникшей при внедрении в него более твердого тела – индентора. Наиболее распространенными способами определения твердости вдавливанием являются методы Бринелля и Роквелла.

Определение твердости по методу Бринелля

Сущность метода (ГОСТ 9012-59) заключается во вдавливании стального шарика диаметром D в образец под действием нагрузки P и измерением диаметра отпечатка d после снятия испытательной нагрузки (рис.1, а).

Испытуемый образец устанавливают на столик прибора (рис.1, б), затем с помощью маховика столик поднимают (поднимать столик следует до упора); затем нажатием кнопки включают двигатель. В течение определенного времени к образцу прикладывается выбранная нагрузка, после снятия которой, столик с образцом отводится, и на образце с помощью специальной лупы измеряют диаметр отпечатка (цена деления лупы – 0, 1 мм).

При определении твердости по Бринеллю индентором служит стальной закаленный шарик диаметром 2, 5; 5, 0 или 10 мм. Твердость по Бринеллю обозначается цифрами, характеризующими величину твердости и буквами НВ, например 185 НВ.

Число твердости по Бринеллю НВ определяется как отношение нагрузки к площади отпечатка:

(1)

В практике определения твердости не делают вычислений по формуле (1), а пользуются таблицей, составленной для установленных диаметров шариков, отпечатков и нагрузок (табл. 2).

При выборе диаметра шарика и нагрузки следует руководствоваться данными табл.1, при этом для получения сопоставимых результатов при измерении твердости образцов из одного материала, имеющих разную толщину, необходимо, чтобы отношение Р/D² оставалось неизменным.;

При измерении твердости на приборе Бринелля необходимо выполнить следующие требования:

1) поверхность образца должна быть плоской, чтобы края отпечатка были отчетливо видны при измерении его диаметра; давление прикладывается перпендикулярно поверхности образца. Поверхность образца в зоне нагружения должна быть свободной от окалины и других посторонних веществ;

2) расстояние от центра отпечатка до края образца не должно быть менее чем 2, 5d, а расстояние между центрами соседних отпечатков – 4d;

3) диаметры отпечатков должны находиться в пределах 0, 2D< d< 0, 6D;

4) минимальную толщину образцов выбирают не менее десятикратной глубины отпечатка; на обратной стороне испытуемого образца не должно быть заметно следов деформаций.

Как видно, большинство этих требований направлено на устранение влияния различных искажающих факторов и только при выполнении этих требований можно получить достоверные и воспроизводимые значения твердости

Образцы с твердостью более 450 НВ на приборе Бринелля испытывать
запрещается.

Таблица 1

Условия испытаний при измерении твердости по Бринеллю

Между числом твердости по Бринеллю НВ и пределом прочности при растяжении s_в (МПа) существуют соотношения:

Таблица 2

Соотношение чисел твердости, определенных различными методами

Определение твердости по методу Роквелла

Сущность метода заключается во вдавливании наконечника с алмазным конусом или со стальным шариком в испытуемый образец под действием последовательно прилагаемых предварительной Р₀ и основной Р₁ нагрузок и измерением глубины отпечатка, а точнее разности между глубиной отпечатков, полученных от вдавливания наконечника под действием основной нагрузки и от вдавливания под предварительной нагрузкой (рис. 2, а).

а б

Рис.3. общий вид прибора Роквелла

Испытуемый образец устанавливают на столик прибора (рис.2, б), поворотом маховика по часовой стрелке столик поднимают таким образом, чтобы наконечник мог вдавливаться в поверхность установленного образца; при дальнейшем подъеме столика начинают вращаться стрелки на циферблате. Подъем столика продолжают до тех пор, пока малая стрелка не примет вертикального положения, указываемого на циферблате красной точкой. Это означает, что наконечник вдавился в образец под действием определенной (предварительной) нагрузки, равной 10 кг. Предварительное нагружение проводят для того, чтобы исключить влияние упругой деформации и различной степени шероховатости поверхности образца на результаты измерений.

Когда образец получает предварительную нагрузку 10 кг, большая стрелка на циферблате принимает вертикальное положение или близкое к нему. Для точности измерения необходимо, чтобы большая стрелка указывала на цифру «0» на черной шкале циферблата. Если положение большой стрелки не совпадает точно с цифрой «0», то, не меняя величины предварительного нагружения и, следовательно, не вращая маховик, поворачивают шкалу индикатора (круг циферблата) таким образом, чтобы цифра «0» на черной шкале циферблата переместилась и совпала с большой стрелкой, отклонение которой от вертикали допускается в пределах ±5 единиц шкалы.

Затем освобождают рукоятку 2 и она плавно перемещается до упора. Такое перемещение рукоятки сообщает испытуемому образцу через рычаг основную нагрузку, определяемую грузом, привешенным к рычагу. При этом нагружении большая стрелка перемещается по циферблату против часовой стрелки. Время приложения основной нагрузки 5 – 7 с. Затем рукоятку прибора плавно переводят в исходное состояние и тем самым снимают дополнительную нагрузку, но оставляют предварительную. Большая стрелка перемещается по циферблату по часовой стрелке. Цифра, на которую указывает на шкале циферблата большая стрелка, представляет число твердости по Роквеллу. Эту цифру записывают и, поворачивая маховик против часовой стрелки, опускают столик прибора с образцом, снимая тем самым предварительную нагрузку.

Прибор измеряет разность между глубиной отпечатков, полученных от вдавливания наконечника под действием основной нагрузки и от вдавливания под предварительной нагрузкой. Каждое деление (единица шкалы) индикатора соответствует глубине вдавливания в 0, 002 мм.

Испытания повторяют на одном образце четыре раза, принимая среднее из трех последних.

Существуют три шкалы измерения твердости по методу Роквелла – А, В, С. Они отличаются прикладываемой нагрузкой и индентором (закаленный стальной шарик с диаметром 1, 59 мм или алмазный конус с углом при вершине 120º) и служат для определения твердости различных материалов (табл. 3) – от мягких цветных металлов до твердых сплавов (от 100 НВ до 1000 НВ).

Твердость по Роквеллу обозначается цифрами, характеризующими величину твердости и буквами HR с указанием шкалы твердости. Например, 61 HRC – твердость 61 по шкале С.

1) Шкала А. Измерения проводятся алмазным конусом с общей нагрузкой 60 кг (600 Н), в этом случае также пользуются черной шкалой, обозначают НRА. Шкалу HRA применяют для испытания твердых сплавов, тонкого листового материала, а также для определения твердости малых поверхностных слоев.

2) Шкала В. Измерения проводятся стальным закаленным шариком с общей нагрузкой 100 кг (1000 Н). Измеряют твердость отожженной стали и цветных металлов. Значение твердости оценивают по красной шкале " В" и обозначают HRB.

3) Шкала С. Измерения проводятся алмазным конусом с общей нагрузкой 150 кг (1500 Н) для определения твердости: закаленной и отпущенной стали – с твердостью больше 450 НВ; материалов средней твердости (больше 230 НВ); поверхности слоев толщиной более 0, 5 мм (например, цементированного). Значения твердости оценивают по черной шкале и обозначают HRC.

Таблица 3

Условия испытаний при измерении твердости на приборе Роквелла

Пользуясь таблицей 3, зная примерно твердость материала, легко выбрать индентор и прикладываемую нагрузку, например: углеродистая эвтектоидная сталь в отожженном состоянии характеризуется значением твердости ~200 НВ. Т.к. предел измерений твердости 100-240 НВ соответствует шкале «В» по Роквеллу, измерение твердости указанного материала будем производить при нагрузке 100 кг с помощью закаленного стального шарика.

При измерении твердости на приборе Роквелла необходимо выполнить следующие требования:

1) образец должен иметь тщательно зашлифованную плоскую поверхность, противоположная параллельная поверхность должна быть также ровной, зачищенной;

2) образец должен устойчиво лежать на столике прибора;

3) расстояние от центра отпечатка до края образца или до центра другого отпечатка должно быть не менее 1, 5 мм при вдавливании конуса и не менее 4 мм при вдавливании шарика;

4) минимальную толщину образцов выбирают не менее десятикратной глубины
отпечатка.

Числа твердости по Роквеллу можно приблизительно пересчитать на числа твердости по Бринеллю с помощью диаграмм и таблицы (см. табл. 2), построенных на основании многочисленных экспериментальных работ. Зависимость между этими числами, не имеет линейного характера.

Преимущества метода Роквелла:

· возможность определения твердости материалов с твердостью более 450 НВ;

· измерение твердости требует меньших временных затрат;

· результат измерения считывается по шкале;

· на поверхности детали остается меньший отпечаток;

· возможность определения твердости тонких поверхностных слоев (толщиной более 0, 5 мм).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется твердостью?

2. Чем объясняется широкое распространение измерения твердости в технике?

3. Как измеряют твердость на приборе Бринелля?

4. От чего зависит выбор диаметра индентора при испытаниях по Бринеллю?

5. Каково предельное значение твердости материала, которую можно измерить на приборе Бринелля?

6. Какова зависимость между пределом прочности и твердостью по Бринеллю для отожженной стали и других материалов?

7. Как измеряют твердость на приборе Роквелла?

8. Чем определяется выбор наконечника при испытаниях по Роквеллу?

9. Перечислите преимущества измерения твердости методом Роквелла.

10. Перечислите требования, которые необходимо соблюдать при измерении твердости по методам Бринелля и Роквелла.

Литература

1.Материаловедение и технология металлов: учеб. для вузов по машиностроит. спец./ [Фетисов Г.П. и др.]; по ред. Г.П. Фетисова. – Изд. 6-е, доп. – М.: Высш. шк., 2008. – 877 с.

2.Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учебник/ В.Б.Арзамасов, А.Н.Волчков. – М.:, Академия, 2009.- 448 с.

3.Сильман Г.И. Материаловедение: учеб. пособие для вузов по спец. напр. «Металлургия, машиностроение и материалоперераб.» /. – М.: Академия, 2008.- 335 с.