Порядок выполнения лабораторной работы

5.4.1. Ознакомиться с содержанием настоящих методических указаний и с рекомендуемой литературой.

5.4.2. По указанию преподавателя выбрать из таблицы 5.1 вариант задания, изучить по литературным и справочным источникам характеристики исследуемого материала.

5.4.3. С помощью микрометра определить геометрические размеры выбранного образца и записать результаты измерений в таблицу 5.1.

5.4.4. Рассчитать площадь обкладок конденсатора с исследуемым диэлектриком, его емкость (для случая воздушного диэлектрика) по формуле (5.1). Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 5.1.

5.4.5. Включить прибор Е7-8 и дать ему прогреться в течении 15 минут.

5.4.6. Подключить конденсатор с диэлектриком к прибору Е7-8. Печь включить и измерять значение исследуемой емкости и в диапазоне температур от 20 ºC до 100 ºC через каждые десять градусов. Результаты измерений поместить в таблицу 5.2.

Таблица 5.1 — Варианты материалов и результаты измерений

Исследуемый диэлектрик	Марка	Геометрические размеры конденсатора и его емкость для воздушного диэлектрика
Расстояние d, мм	Длина А, м	Ширина B, м	Площадь обкладок S, м2	СВ, пФ
1 Фторопласт	Фт-3	1,5
2 Слюда	СО
3 Стекло	С-35-9
4 Керамика	VI-а-4	2,5
5 Полистирол	ПС-С	1,2
6 Полипропилен
7 Стеклотекстолит	СВФЭ	1,5
8 Текстолит	Вч	1,5
9 Гетинакс	Дв
10.Фторопласт фольгированный	ФАФ

5.4.7. Для каждого материала рассчитать значение диэлектрической проницаемости по результатам измерения емкости в диапазоне температур по формуле (5.2). Результаты расчётов и измерений занести в таблицу 5.2.

Таблица 5.2 — Результаты исследования температурных зависимостей

Температура, ºС	Температурные зависимости параметров исследуемого диэлектрика
, пФ

5.4.8. Построить графики зависимостей диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь от температуры для исследуемых материалов.

5.4.9. Сравнить значения найденных параметров со справочными данными и сделать выводы о причинах расхождения полученных результатов исследований с ожидаемыми.

Порядок оформления отчета

5.5.1. Оформить титульный лист по установленному образцу.

5.5.2.Кратко изложить результаты анализа влияния химического состава, технологии производства на электрические, механические и другие свойства диэлектриков.

5.5.3Кратко изложить результаты экспериментальных исследований.

5.5.4. Изобразить принципиальную схему лабораторного макета и описать принцип его работы.

5.5.5. Привести результаты расчетов, таблицы, графики, полученные при выполнении лабораторной работы.

5.5.6.Сформулировать выводы по результатам выполнения лабораторной работы.

Содержание выводов

5.6.1. Анализ результатов теоретических исследований.

5.6.2. Анализ результатов экспериментальных исследований.

4.6.3. Сравнительный анализ теоретического и экспериментального исследований с указанием причин расхождения ожидаемых теоретически и полученных на практике результатов.

Контрольные вопросы

Вопросы для подготовки к выполнению работы

5.7.1.1. Как строится классификация диэлектриков по виду поляризации?

5.7.1.2. Какие существуют основные виды поляризации диэлектриков?

5.7.1.3. Какие наблюдаются различия в частотных характеристиках диэлектрической проницаемости твердых и газообразных диэлектриков?

5.7.1.4. Какова область применения исследуемого материала?

5.7.1.5. Что такое влагопроницаемость диэлектриков?

5.7.1.6. Что такое вязкость диэлектриков?

5.7.1.7. Что такое нагревостойкость диэлектриков?

5.7.1.8. Что такое холодостойкость диэлектриков?

5.7.1.9. Что такое теплопроводность диэлектриков?

5.7.1.10. Что такое температурный коэффициент линейного расширения материала?

5.7.1.11 Что такое электрическая прочность диэлектрика?

5.7.1.12. Какие внешние факторы влияют на электрическую прочность диэлектрика?

5.7.1.13. Как выглядят векторная диаграмма и эквивалентная схема диэлектрика с потерями для последовательной схемы замещения?

5.7.1.14. Как выглядят векторная диаграмма и эквивалентная схема диэлектрика с потерями для параллельной схемы замещения?

5.7.1.15. Какие виды потерь существуют в диэлектриках?

Вопросы для подготовки к защите лабораторной работы

3.7.2.1. Чем отличаются между собой экспериментальные зависимости и для текстолита и стеклотекстолита?

5.7.2.2. Как менялось значение диэлектрической проницаемости и полярного диэлектрика полиметилметакрилата (органического стекла) при увеличении температуры окружающей среды от двадцати до ста градусов?

5.7.2.3. Чем отличаются между собой экспериментальные зависимости и гетинакса и слюды?

5.7.2.4. Как менялось значение диэлектрической проницаемости и политетрафторэтилена при увеличении температуры окружающей среды от двадцати до ста градусов?

двадцати до ста градусов?

Лабораторная работа №6

Исследование твердости конструкционных материалов

6.1. Цель работы

Ознакомление с методикой исследование твердости по методу Роквелла и определение механических свойств стали по ее твердости.

Содержание работы

Студенту выдаются образцы сталей в отожженном и закаленном состояниях и сплавов цветных металлов. Он изучает устройство прибора, готовит образцы, выбирает нагрузку и наконечники, готовит прибор, проводит испытания, оформляет отчет.

Теоретическая часть

Твердостью называется свойство материала оказывать сопротивление местной пластической деформации при контактном воздействии в поверхностном слое. Измерение твердости вследствие быстроты и простоты осуществления, а также возможности без разрушения изделия суждения о его свойствах, получило широкое применение для контроля качества металлических изделий.

Существует несколько методов определения твердости.

Определение твердости по Бринеллю HB (ГОСТ 9012-59). Метод основан на том, что в плоскую поверхность металла вдавливается под постоянной нагрузкой P закаленный стальной шарик (рис.6,1 а).

После снятия нагрузки в испытуемом материале образуется отпечаток (лунка). Твердость по Бринеллю, в МПа, определяется по формуле

,

где P — нагрузка, H; D — диаметр шарика, мм; d — диаметр отпечатка, мм.

Диаметр шарика и нагрузка P выбираются в зависимости от вида испытуемого материала:

— для стали и чугуна D = 10 мм, Р = 30000 Н (Р = 300D²);

— для меди и сплавов D = 10 мм, Р = 10000 Н (Р = 100D²);

— для очень мягких сплавов (алюминий, баббиты и др.) D = 10 мм, Р = 2500 Н (Р = 25D²).

При расчете твердости HB измеряют диаметр лунки d и по нему находят твердость по прилагаемым к прибору таблицам. Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов с твердостью более 450, так как шарик может деформироваться, что исказит результаты измерений.

Определение твердости по Роквеллу HR (ГОСТ 9013-59 и ГОСТ 22975-78). При этом методе твердость определяют по глубине отпечатка. Наконечником служит алмазный конус с углом при вершине 120º или стальной закаленный шарик (D = 1,588 мм). Алмазный конус применяют для твердых, а шарик — для мягких металлов. Конус и шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками (рис.3.1, б): предварительной Р₀ = 100 Н и общей Р = Р₀ + Р_ (где Р_ — основная нагрузка). Основная нагрузка для шарика 900 Н (шкала В), для алмазного конуса 1400 Н (шкала С) и 500 Н при испытании очень твердых и тонких металлов (шкала А). Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах. За единицу твердости принято значение осевого перемещения наконечника на 0,002 мм. Твердость по Роквеллу HR определяют по формулам

HR = 100 – l (при измерении по шкалам А и С), HR = 130 – l (при измерении по шкале В). Значение l, мм:

,

где h — глубина внедрения наконечника в испытуемый материал под действием общей нагрузки Р, измеренная после снятия основной нагрузки Р₁ с оставлением предварительной нагрузки Р₀, мм; h₀ — глубина внедрения наконечника в испытуемый материал под действием нагрузки Р₀, мм.

Твердость по Роквеллу обозначается HRA при нагрузке 600 Н (испытание алмазным конусом). HRC при нагрузке 1500 Н и HRB при нагрузке 1000 Н (испытание стальным шариком). Значения твердости сразу считывают по шкале прибора.

Для определения твердости по Роквеллу широко применяется прибор ТК-2, так как он позволяет испытывать различные материалы, а также тонкие слои. Значения твердости по Роквеллу могут быть приближенно переведены в значения твердости по Бринеллю.

При испытании нагрузку и наконечник выбирают в зависимости от твердости испытываемого материала по табл. 6.1.

При испытании неответственных деталей твердостью (20...50) HRC допускается применение наконечника из твердого сплава.

Образец для испытаний должен иметь плоские и параллельные друг другу поверхности, без дефектов и окалины, поэтому сначала проводится зачистка поверхностей напильником, шлифовальным кругом или шлифовальной бумагой. Правильность показаний прибора периодически проверяют по эталонным образцам с известной твердостью.

Таблица 6.1 — Твердость испытываемого материала

Шкала	Вид наконечника	Нагрузка, Н	Обозначение твердости	Пределы измерения твердости в единицах HR
А	Алмазный конус		HRA	70…85
В	Стальной шарик		HRB	25…100
С	Алмазный конус		HRC	20…67

Подготовленный образец помещают на столе прибора 1 (рис. 6.2), вращением маховика 2 по часовой стрелке устанавливают маленькую стрелку против красной точки, а вращением барабана 3 – нуль шкалы “С” против конца большой стрелки индикатора. Плавным нажатием на клавишу 4 включают привод механизма нагружения. После окончания цикла нагружения производят отсчет по шкале индикатора. Вращением маховика 2 опускают стол, и повторяют испытание не менее трех раз.

Определение твердости при вдавливании алмазной пирамиды по Виккерсу HV (ГОСТ 2999-75). Метод используют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость. Твердость определяют, вдавливая в испытуемую поверхность (шлифованную или полированную) четырехгранную алмазную пирамиду (рис. 3,1 в), с углом при вершине 136º. Твердость по Виккерсу рассчитывают по формуле:

,

где Р — нагрузка на пирамиду 50, 100, 200, 300, 500, 1000 или 1200 Н (обозначения: НV₅, НV₁₀, НV₂₀ и т.д.);

d — среднее арифметическое двух диагоналей отпечатка, измеряемых после снятия нагрузки, мм.

Чем тоньше материал, тем меньше должна быть нагрузка. Твердость по Виккерсу определяется с помощью специальных таблиц по измеряемым значениям d в мм.

Микротвердость (H_m). Определение микротвердости применяется для изделий мелких размеров и отдельных структурных составляющих сплавов. В испытуемую поверхность вдавливают алмазную пирамиду под нагрузкой 0,02...2 Н. Микротвердость H_m определяется по той же формуле, что и твердость по Виккерсу. Образцы для измерений подготавливаются так же, как микрошлифы.

Практическая часть

6.4.1. Провести испытания не менее трех раз на каждом образце и результаты поместить в таблицу 6.2.

6.4.2. Перевести твердость по Роквеллу в твердость по Бринеллю по табл. 6.3.

6.4.3. Определить свойства образцов, используя формулу

σ_в=КHB,

где К — коэффициент, зависящий от материала. Для стали с твердостью 120...450 НВ К ≈ 0,34; для меди, латуни, бронзы отожженных К ≈ 0,55, наклепанных К ≈ 0,40; для алюминия и алюминиевых сплавов с твердостью 20...45 НВ К ≈ 0,35.

6.4.4. Внести результаты испытаний в таблицу 6.2.

Таблица 6.2 — Результаты испытаний на твердость

№	Материал	Состояние	HRС средняя	НВ, МПа	σв, МПа

Таблица 6.3 — Ориентировочный перевод значений твердости,

определяемых различными методами

HV, МПа	НВ, МПа	НR по шкале	HV, МПа	НВ, МПа	НR по шкале
С	А	В	С	А	В
				--					100
				--
				--
				--
				--

Продолжение таблицы 6.3

				--
				--
				--
				--
				--
				--
				--
				--
				--
				--
				--
				--			-	-

Продолжение таблицы 6.3

				--			-	-
				--			-	-
				--			-	-
				--			-	-
				--			-	-
				--			-	-
				--			-	-
				--			-	-
				--			-	-
				--			-	-
				--			-	-
				--			-	-

Продолжение таблицы 6.3

				--			-	-
				--			-	-
				--			-	-
				--			-	-
				--			-	-
							-	-
							-	-