Определение твердости по Бринеллю
Стативко А.А., Шопина Е.В., Кунин А.С.
| С 78 | Материаловедение: Учеб. пособие / А.А. Стативко, Е.В. Шопина, А.С. Кунин. – Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2010. – 72 с. |
Пособие содержит описание лабораторных работ по курсу «Материаловедение». В теоретических сведениях рассмотрены свойства металлов, современные методы испытаний, процессы пластической деформации и рекристаллизации. Описана диаграмма состояния Fe-Fe3C. Большое внимание уделено теории и технологии термической обработки. Рассмотрены основные классы сталей и чугунов.
Учебное пособие предназначено для студентов заочной формы обучения с применением дистанционных технологий специальности 270101 – Механическое оборудование и технологические комплексы предприятий строительных материалов, изделий и конструкций.
УДК 620.22 (075)
ББК 30.3я7
ÓБелгородский государственный
технологический университет
(БГТУ им В.Г. Шухова), 2010
Содержание
Лабораторная работа №1………………………………………………4
Лабораторная работа №2………………………………………………16
Лабораторная работа №3………………………………………………24
Лабораторная работа №4………………………………………………37
Лабораторная работа №5………………………………………………45
Лабораторная работа №6………………………………………………56
Контрольные тесты…………………………………………………….70
Библиографический список……………………………………………83
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
Измерение твердости металлов
Цель работы: изучить устройство приборов для определения твердости металлов, научиться пользоваться приборами по измерению твердости металлов.
Приборы и оборудование: пресс Бринелля, пресс Роквелла, отсчетный микроскоп для определения диаметра отпечатка, образцы сталей, чугунов и цветных металлов.
Краткие сведения из теории
Определение твердости является широко распространенным способом испытаний для характеристики механических свойств металлов. В настоящее время существует несколько методов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника: метод вдавливания, метод отскакивания, метод царапания. Наибольшее применение получил метод вдавливания.
Под твердостью металла при вдавливании понимается его сопротивление местной пластической деформации при контактном приложении нагрузки.
Наиболее широкое распространение в машиностроительной промышленности получили методы Бринелля, Роквелла и Викерса, благодаря их простоте и возможности производить испытания деталей без разрушения.
Определение твердости по Бринеллю
Определение твердости по Бринеллю (ГОСТ 9012-59, 22761-77) состоит в том, что при использовании специального пресса (пресса Бринелля) в испытуемый материал в течение определенного времени вдавливается нагрузкой Р стальной закаленный шарик диаметра D.
Схема испытания на твердость по Бринеллю дана на рис. 1.
В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка).
Диаметр отпечатка измеряют специальным отсчетным микроскопом МПБ-2, на окуляре которого нанесена шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра (рис. 2).
Отношение давления Р к поверхности полученного отпечатка (шарового сегмента) дает число твердости обозначаемое НВ:
, кгс/мм2 (н/м2),
где F=pDh.
Рис. 1. Схема определения твердости методом Бринелля
Рис. 2. Измерение диаметра отпечатка
Так как удобнее измерять не глубину отпечатка, а его диаметр, то, выражая глубину отпечатка через его диаметр d и диаметр шарика, получаем:
.
Подставив значение F получим:
, кгс/мм2 (н/м2).
Таким образом, зная диаметр шарика и нагрузку, замерив диаметр отпечатка, легко определить твердость.
Для получения одинаковых значений твердости металла при разных диаметрах шариков и различных нагрузках необходимо соблюдать закон подобия P/D2 = const. В этом случае угол j = const, где j – угол вдавливания. Поэтому при испытании по Бринеллю, учитывая закон подобия, а также то обстоятельство, что диаметр шарика подбирается в зависимости от толщины испытуемого образца металла, и что для металлов разных твердостей нужно прилагать разные нагрузки, применяют соотношения по ГОСТ 9012-59. Кроме того, продолжительность выдержки образца под нагрузкой должна быть строго определенной, чтобы деформация образца шариком полностью завершилась.
Перед испытанием поверхность образца, в которую будет вдавливаться шарик, обрабатывают наждачным камнем или напильником, чтобы она была ровной, гладкой и не было окалины и других дефектов. При обработке поверхности образец не должен нагреваться выше 100–150°С. Подготовка поверхности образца необходима для получения правильного отпечатка и отчетливой видимости его краев для измерения.
При выборе диаметра шарика D, нагрузки P, продолжительности выдержки под нагрузкой и минимальной толщины испытуемого образца следует руководствоваться нормами ГОСТа для испытаний по Бринеллю (табл. 1).
Таблица 1
Соотношение диаметров шарика и нагрузки при испытании металлов по методу Бринелля
| Материал | Число твердости | Толщина образца, мм | Диаметр шарика, мм | Нагрузка, кгс | Выдержка под нагрузкой, с |
| Черные металлы | 140–450 | Более 6 От 6 до 3 Менее 3 | 2,5 | 187,5 |
Окончание табл. 1
| Черные металлы | До 140 | Более 6 От 6 до 3 Менее 3 | 2,5 | 187,5 | |
| Цветные металлы и сплавы (медь, латунь, бронза, магниевые сплавы и др.) | 31,8–130 | Более 6 От 6 до 3 Менее 3 | 2,5 | 62,5 | |
| Цветные металлы и сплавы (алюминий, подшипниковые сплавы и др.) | 3–35 | Более 6 От 6 до 3 Менее 3 | 2,5 | 62,5 15,6 |
При указании твердости НВ иногда отмечают, при каких условиях измерялась твердость, например: НВ 140 (10/3000/10) означает, что испытание производилось шариком диаметром 10 мм под нагрузкой 3000 кгс (30000 Н) в течение 10 секунд.
При измерении твердости шариком определенного диаметра и с установленными нагрузками расчет числа твердости по формуле НВ=Р/F почти не выполняют, а пользуются заранее составленными таблицами, указывающими число НВ, в зависимости от диаметра отпечатка d и соотношения между нагрузкой Р и D2 (согласно табл. 2).
Таблица 2
Твердость по Бринеллю
| Диаметр отпечатка, мм d10, или 2d5, или 4d2,5 | Число твердости при нагрузке Р, кгс | Диаметр отпечатка, мм d10, или 2d5, или 4d2,5 | Число твердости при нагрузке Р, кгс | ||||
| 30D2 | 10D2 | 2,5D2 | 30D2 | 10D2 | 2,5D2 | ||
| 2,0 | 78,8 | 3,6 | 23,7 | ||||
| 2,1 | 71,4 | 3,7 | 22,4 | ||||
| 2,2 | 65,0 | 3,8 | 21,2 | ||||
| 2,3 | 59,4 | 3,9 | 20,0 | ||||
| 2,4 | 54,4 | 4,0 | 19,1 |
Окончание табл. 2
| 2,5 | 50,2 | 4,1 | 18,0 | ||||
| 2,6 | 46,3 | 4,2 | 17,2 | ||||
| 2,7 | 42,9 | 4,3 | 16,4 | ||||
| 2,8 | 39,8 | 4,4 | 15,5 | ||||
| 2,9 | 37,9 | 4,5 | 14,9 | ||||
| 3,0 | 34,6 | 4,6 | 14,2 | ||||
| 3,1 | 32,3 | 4,7 | 13,6 | ||||
| 3,2 | 30,3 | 4,8 | 13,0 | ||||
| 3,3 | 28,5 | 4,9 | 12,4 | ||||
| 3,4 | 26,7 | 5,0 | 12,4 | ||||
| 3,5 | 25,2 | 5,1 | 11,4 |
Существует примерная количественная зависимость между числами твердости и пределом прочности:
для стали с твердостью НВ 120–175...…………………sв=0,34 НВ;
для стали с твердостью НВ 175–450..………………….sв=0,35 НВ;
для меди, латуни и бронзы отожженной..……………..sв=0,55 НВ;
для меди, латуни и бронзы наклепанной..……….…….sв=0,40 НВ;
для алюминия и алюминиевых сплавов
с твердостью НВ 20–45...........................................sв=(0,33÷0,36) НВ;
для дуралюминия отожженного...………………………sв=0,36 НВ;
для дуралюминия после закалки и старения………..…sв=0,35 НВ.
Измерение твердости вдавливанием стального шарика не является универсальным способом. Этот способ не позволяет: а) испытывать материал с твердостью более НВ 450; б) измерять твердость тонкого поверхностного слоя (толщиной менее 1–2 мм), так как стальной шарик продавливает этот слой.