Порядок выполнения работы.

3.1. Механически обработать образец для приготовления микрошлифа.

3.2. Изучить микроструктуру шлифа под микроскопом до травления.

3.3. Зарисовать схему увеличенной микроструктуры.

3.4. Протравить шлиф реактивом.

3.5. Изучить микроструктуру шлифа под микроскопом после травления.

3.6. Зарисовать схему микроструктуры после травления, сравнить с наглядны­ми пособиями, фотографиями. Определить структуру.

Отчет должен содержать:

а) сущность микроанализа и особенности строения металла, выявляемые им;

б) технологический процесс приготовления шлифа и соображения при выборе места его вырезки, назначение травления шлифа, реактив для стали и чугуна.

в) схемы рассмотренных микроструктур и их описание.

Контрольные вопросы.

5.1. Что такое микроструктура металла?

5.2. Дайте определение микрошлифа.

5.3. Зависят ли свойства металлов от их структур?

5.4. Какие операции включает технологический процесс приготовления микрошлифа?

Лабораторная работа № 3

Изучение методов и оборудования для определения твердости металлов

1. Цель работы: ознакомиться с устройством приборов Бринелля и Роквелла и ов­ладеть методикой определения твердости металлов.

Теоретические сведения.

2.1.Твердость - свойство металла оказывать сопротивление проникновению в не­го другого более твердого тела, не получающего при этом остаточной деформации.

Наибольшее применение получили методы определения твердости твердоме­рами ТШ (прибор Бринелля), ТК (прибор Роквелла), ТП (прибор Виккерса).

2.2.Метод Бринелля. Прибор Бринелля, или твердомер шариковый ТШ, предложен­ный в 1900 г. шведским ученым Бринеллем, предназначен для определения твердости вдавливанием стального шарика определенного диаметра D мм (рис. 3.1.) в испытуемый образец (под действием заданной нагрузки Р) за определенное время, и по величине диа­метра шарового отпечатка d (по глубине h) судят о твердости испытываемого образца.

Твердость по Бринеллю (НВ) определяется из выражения:

НВ = (3.1.)

где; P - нагрузка кН (кгс);

F - площадь поверхности шарового отпечатка мм*.

Рис.3.1. Схема измерения твердости по Бринеллю.

Выразив площадь поверхности отпечатка через диаметр шарика и диаметр от­печатка, получаем формулу:

HB = (3.2)

Нагрузка Р, диаметр шарика и продолжительность выдержки шарика под на­грузкой выбираются по специальным таблицам в зависимости от предполагаемой твердости и толщины образца.

Прибор имеет станину 1. Испытуемый образец устанавливают на предметный столик 4, вращая маховик 3, винтом 2 поднимают образец до соприкосновения, его с шариком 5, и до полного сжатия пружины 6. Пружина 6 создает предварительную нагрузку на шарик, равную 1 кН (100 кгс). Предварительная нагрузка обеспечивает надёжную фиксацию образца во время нагружения. Затем включается электродвига­тель 13 и через червячную передачу редуктора, шатун 11 и систему/ рычагов 8,9 с грузами 10 создают заданную полную на­грузку на шарик.

Рисунок 3.2. Схема рычажного прибора Бринелля (ТШ)

На образце после нагрузки остается отпечаток, диаметр которого определяется специальной измерительной лупой. За расчетный диаметр отпечатка принимают среднее арифметическое значение измерений в двух взаимно перпендикулярных на­правлениях. Значение твердости находят по таблице 3.1. или вычисляют по формуле (3.2.) и записывают, например НВ 302.

Недостатки метода Бринелля:

а) ограниченная твердость для замера (не более НВ 450);

б) при больших значениях твердости возможна деформация шарика.

в) на поверхности изделия остаются крупные следы деформации;

г) замер деталей толщиной менее 2 мм не допустим;

д) низкая производительность процесса замера твердости.

Таблица 3.1 Определение значения твердости (метод Бринелля D = 10мм, Р = 3000 кгс)

Диаметр отпечатка, мм	НВ	Диаметр отпечатка, мм	НВ
5,75 5,65 5,55 5,45 5,35 5,25 5,15 5,05 4,95 4,85 4,75 4,65 4,55 4,45 4,35 4,25 4,15 4,05		5,70 5,60 5,50 5,40 5,30 5,20 5,10 5,00 4,90 4,80 4,70 4,60 4,50 4,40 4,30 4,20 4,10 4,00
3,95 3,85 3,75 3,65 3,55 3,45 3,35 3,25 3,15 3,05 2,95		3,90 3,80 3,70 3,60 3,50 3,40 3,30 3,20 3,10 3,00 2,90

2.3. Метод Роквелла. В испытуемый образец вдавливается алмазный конус с углом при вершине 120° или (что бывает реже) закаленный стальной шарик диамет­ром 1.59 мм. Конус - для твердых, а шарик для мягких изделий, металлов.

Нагрузка на конус или шарик осуществляется через систему рычагов специ­альными грузами - сначала предварительная Р ₀ (рис. 3.3.) равной 0,1 кН (10 кгс), за­тем основной Р ₁. Если применяется алмаз, то нагрузка устанавливается равной 0,6 кН (60 кгс) или 15 кН (150 кгс), при вдавливании шарика - 1 кН (100 кгс). Соответ­ственно этим нагрузкам на индикаторе прибора имеются шкалы: черные А и С, а также красная В. При измерении очень твердых металлов пользуются шкалой А (де­тали после азотирования, цементации, твердые сплавы до HR_A 85). Шкала С предна­значена для замера твердости закаленных деталей (твердость до HRc 67). Шкалой В пользуются при измерении твердости незакаленных сталей, цветных металлов и сплавов, имеющих твердость до HR_B 100.

Число твердости по Роквеллу HR измеряется в условных единицах и опреде­ляется по формулам:

HRC = 100 - (3.3)

(при вдавливании алмазного конуса),

HRB = 130 - (3.4)

(при вдавливании шарика),

где: 100 - число черных делении шкалы С циферблата индикатора прибора, а 130 -число красных делений шкалы В;

h₀ - глубина внедрения алмаза (шарика), от предварительной нагрузки

Ро, мм;

h - глубина внедрения алмаза (шарика) под воздействием общей на­грузки, замеренная после снятия основной нагрузки Р₁ с оставлением предвари­тельной нагрузки Ро;

0,002 - глубина внедрения алмаза (шарика) мм, соответствующая пере­мещению стрелки индикатора на одно деление.

Рис. 3.3. Схема определенна твердости вдавливанием алмазного конуса (на приборе Роквелла)

Последовательность замера твердости с помощью твердомера Роквелла (тип ТК) следующая. Образец, предварительно хорошо зачищенный, устанавливают на предметный столик 2 (рис. 3.4.).

Рис.3.4. Схема прибора Роквелла (ТК)

Вращая штурвал 1, поднимают образец до сопри­косновения с алмазом (шариком) 3. После этого начинают вращаться большая и ма­лая стрелки индикатора 4 и создается предварительная нагрузка. Эта нагрузка необ­ходима для фиксации образца. Когда маленькая стрелка индикатора установится против риски, подъем образца следует прекратить. После этого нулевое деление шкалы С установить против конца большой стрелки. Поворотом рукоятки 5 (она может находиться и с другой стороны прибора) создают основную нагрузку Р₁ на алмаз. После 3-4 секундной выдержки основная нагрузка снимается, поворотом рукоятки 5 в направлении на себя. Результат считывается со шкалы по большой стрелке индикатора. Число твердости берется как среднее арифметическое трех замеров для одного изделия.

Метод Роквелла прост и производителен, меньше портит поверхность изде­лия, позволяет замерять твердость в большом диапазоне. Может быть использован при измерении тонких изделий (до 0,8 мм).

2.4. Метода Виккерса. При использовании этого метода (тип ТП) твердость металла определяют путем вдавливания четырехгранной алмазной пирамиды. С помощью оптических систем замеряются диагонали отпечатка, и твердость опре­деляется по формуле;

HV = 1.8544 + (3.5)

где: Р - нагрузка на пирамиду, Н,

d - диагональ отпечатка, мм.

В практике для определения значения твердости по диагонали отпечатка ис­пользуют специальные таблицы. Метод позволяет производить замеры на очень ма­лых площадях с достаточной точностью.

Относительно небольшие нагрузки (5 кгс и 10 кгс) и малая глубина вдавлива­ния индентора (пирамиды) обуславливают необходимость более тщательной подго­товки поверхности, чем при измерении другими методами. Образцы для замера должны быть отполированы. Для получения достоверных средних значений HV необходимо делать не менее пяти-шести замеров, причем замерять обе диагонали отпечатка.

Схема прибора представлена на рисунке (3.5).

Рисунок 3.5. Схема прибора Виккерса (ТП)

Прибор состоит из стакана 8, в котором размещена пружина, осуществляющая нагрузку. К стакану в нижней части крепится алмазная пирамида 10, которая приводится в рабочее положение рычагом 9. Сверху на стакан ставится оптическая система 5. По мере необходимости прибор крепится или к струбцине I или к магнит­ному захвату (на рисунке не показан), позволяющему устанавливать прибор на по­верхности крупных деталей. Работа на приборе производится в следующем поряд­ке:

- прибор устанавливается при помощи струбцины на рабочее место;

- при помощи предметного столика 12 необходимо подвести деталь (образец) II до упора с пирамидой 10;

- рычагом 7 привести в действие пружину, которая, осуществит вдавливание пира­миды в испытываемый образец;

- по истечении необходимой выдержки (отсчет производит сам оператор), нагрузка снимается поворотом рычага 7 до упора вверх;

- включить свет и вращением окуляра 4 добиться резкого изображения шкалы и поверхности образца;

- произвести измерение диагоналей отпечатка в 2-х взаимно перпендикулярных на­правлениях. Микрометрическим винтом 2 нулевой штрих шкалы подводится к левому краю отпечатка, отсчетным барабаном 6 сплошная риска подводится к левому краю отпечатка. Число целых делении шкалы, заключенных между нулевым штри­хом шкалы и сплошной риской даёт число десятых долей миллиметра. Число деле­ний барабана 6 дает число сотых и тысячных долей миллиметра; - по таблицам определяется число твердости. Так при нагрузке Р равной 5 кг с и длине диагонали d равной 0,175 мм число по средней арифметической величине двух диагоналей по твёрдости HV = 303.