899-materialovedenie-560kb

инструментальный микроскоп с ценой деления не менее 0,01 мм, а также обеспечивать достаточно высокое качество поверхности образца. Количество отпечатков, как правило, должно быть не менее 5, что позволяет оценить доверительный интервал.

Определение твердости по Роквеллу (ГОСТ 9013 – 59). В этом методе твердость определяют по глубине отпечатка. Индентор – алмазный конус с углом при вершине 120° и радиусом закругления 0,2 мм или шарики диаметром 1,5875 мм (1/16 дюйма) либо 3,175 мм (1/8 дюйма) вдавливаются в образец под действием двух последовательно прикладываемых нагрузок – предварительной Р0 и общей Р = Р0 + Р1, где Р1 – основная нагрузка.

Твердость измеряется в условных единицах (НR). При определении твердости по Роквеллу с использованием алмазного конуса (рис. 2.3) сначала индентор вдавливается в испытуемый материал под предварительной нагрузкой Р0 = 98 Н, которая не снимается до конца испытания. Под действием этой нагрузки алмазный конус погружается в образец на глубину h0. Затем на индентор подается основная нагрузка либо 490 Н, либо 1372 Н, в зависимости от материала образца. При использовании в качестве основной нагрузки 490 Н определение твердости производится по шкале прибора А. Число твердости (считывается со шкалы прибора) записывается с буквенным обозначением НRА, например 80 НRА.

Рис. 2.3. Схема измерения твердости по Роквеллу

Если основная нагрузка равна 1392 Н, то твердость определяется по шкале С и записывается с буквенным обозначением НRС, например 50 HRC.

20

Для обеих шкал число твердости определяется по формуле HRC (HRA) = 100 – е, где е = h – h0 /0,002 (0,002 мм – цена деления шкалы индентора твердомера Роквелла); h – глубина вдавливания под действием основной нагрузки.

При использовании в качестве индентора стального шарика Р0 = 98 Н, Р1 = 882 Н и Р = 980 Н число твердости определяется по шкале В и записывается НRВ, например 50 НRВ. В этом случае НRВ = 130 – е. Ценность метода в том, что в заводских условиях достигается высокая производительность испытаний (число твердости считывается прямо со шкалы прибора).

На рис. 2.4 приведена схема прибора ТР 5006. Как и в ранее рассмотренных твердомерах, прибор ТР имеет рычажную систему передачи усилий от грузов 18 к испытательному наконечнику 5.

Рис. 2.4. Схема прибора типа ТР 5006 для измерения твердости по Роквеллу:

1 – станина; 2 – подъемный винт; 3 – маховичок; 4 – столик; 5 – наконечник; 6 – ограничитель; 7 – шпиндель; 8 – призма; 9 – обойма; 10 – большая стрелка индикатора; 11, 12, 13 – рычаги; 14, 18 – грузы; 15 – ось; 16 – штанга; 17 – шток; 19 – демпфер; 20 – штанга; 21 – планка; 22 – рукоятка

21

Подъем и опускание рычагов с грузами осуществляется рукояткой 22. Прибор снабжен подъемным винтом 2 со столиком 4 для образца. В верхней части прибора имеется цифровой индикатор 10 для замера глубины отпечатка.

В зависимости от материала образца выбирают и устанавливают индентор (алмазный конус или шарик) и количество грузов. При использовании в качестве индентора алмазного конуса на подвеске должно быть установлено три груза (нагрузка 1392 Н, шкала С), либо оставлен нижний груз (нагрузка 490 Н, шкала А). При использовании в качестве индентора стального шарика на подвеске должны находиться два груза (нагрузка 980 Н, шкала В).

Образец устанавливают на столик 4 и, плавно вращая маховичок 3, поднимают столик до тех пор, пока индентор не окажется вдавленным в образец предварительной нагрузкой Р0 = 98 Н. Этот момент будет достигнут, когда большая стрелка индикатора 10 совместится с нулем, а малая – с черной риской. Точную установку нуля производят вращением ручки на передней панели прибора.

После этого нажимают рукоятку 22, прибор автоматически производит нагружение в течение 3...6 с. Через 1...3 с после остановки большой стрелки снимают нагрузку, плавно вращая рукоятку 22 в начальное положение, и считывают число твердости.

Проверка твердомеров производится по контрольным плиткам с известной твердостью, как и прибора для измерения НВ.

Статические испытания на растяжение

Испытание на одноосное растяжение (ГОСТ 1497 – 84) является основным источником информации о характеристиках прочности и пластичности металлических материалов. Используют плоские и цилиндрические образцы (рис. 2.5), головки которых вставляют в захваты разрывной машины, но чаще всего – цилиндрические образцы (их называют также круглыми). Плоские образцы применяют главным образом для оценки свойств листового материала.

Рис. 2.5. Стандартный круглый образец для испытаний на растяжение

22

Цилиндрический образец характеризуется диаметром рабочей части d0, длиной рабочей части l, начальной расчетной длиной l0. Расчетную длину l0, которая меньше l, выбирают так, чтобы исключить влияние головок образца на результаты испытаний.

Размеры образца не влияют на результат определения относительного удлинения после разрыва, если соблюдается условие геометрического подобия образцов: l0 / F0 = const, где F0 – площадь поперечного сечения в рабочей части образца. В соответствии с ГОСТом l0 = 11,3 F0 и l0 = 5,65 F0 , т.е. соответственно l0 = 10d0 и l0 = 5d0

(так называемые десятикратные и пятикратные образцы). Для литых

сплавов допускается l0 = 2,82 F0 , т.е. l0 = 2,5d0.

На рабочей длине образца l (мм) наносится расчетная длина l0. По увеличению l0 определяют удлинение образца. Наиболее широко используют образцы с диаметром на рабочей длине d0 = 6 мм и расчетной длиной l0 = 30 мм.

Характеристикой пластичности при растяжении является относительное удлинение δ, которое определяется непосредственно по рас-

тянутому образцу по формуле
δ =	lк − l0	· 100 %,	(2.3)
	l0

где lк – длина образца после разрушения, мм.

Основным результатом испытания на растяжение является первичная диаграмма растяжения в координатах «нагрузка Р (сопротивление деформации) – абсолютная деформация l (удлинение)». Диаграмма растяжения описывает поведение материала образца в процессе испытания, начиная с упругой деформации и кончая разрушением. По этой диаграмме рассчитывают все основные характеристики сопротивления деформации и разрушению. Вид первичных диаграмм растяжения различен у разных материалов. На рис. 2.6 показана диаграмма растяжения образцов, разрушающихся после образования шейки в результате сосредоточенной деформации. Рассмотрим на примере этой диаграммы методику расчета характеристик свойств.

По величине Рпц (точка p) (см. рис. 2.6) определяют предел пропорциональности

σпц = Рпц /F0,

(2.4)

где F0 – площадь первоначального сечения расчетной части образца.

23

P		в
Pв
P0,2		т
Pпц	р
А	В
	С
0	L	l
0,2 % от l0

Рис. 2.6. Диаграмма растяжения пластичного образца, разрушающегося после образования шейки

Предел пропорциональности характеризует то напряжение, до которого соблюдается закон пропорциональности между нагрузкой и деформацией. Для определения σпц параллельно оси абсцисс диаграммы растяжения проводят прямую АВ, пересекающую кривую растяжения в области упругой деформации на произвольной высоте. Прямую АВ продолжают на величину ВС = 0,5АВ и через концевую точку С из начала координат проводят прямую ОС. Затем параллельно прямой ОС проводят касательную к кривой растяжения, точка касания которой р определяет значение нагрузки Рпц, по которому и рассчитывают σпц.

Точка т на кривой растяжения определяет величину условного предела текучести – условное напряжение, при котором остаточная деформация равна 0,2 %:

σ0,2 = Р0,2 /F0.

(2.5)

Для определения σ0,2 по оси деформаций от начала координат (см. рис. 2.6) откладываем отрезок OL = 0,2l0 /100 (l0 – начальная расчетная длина образца) и через точку L проводим прямую, параллельную прямолинейному участку диаграммы растяжения. Ордината точки т будет соответствовать величине Р0,2, определяющей условный предел текучести.

По точке максимума в на диаграмме растяжения определяют временное сопротивление (условный предел прочности):

24

σв = Рв/F0,

(2.6)

который характеризует условное максимальное напряжение, до которого происходит равномерная пластическая деформация.

Описание разрывной машины ИР 5057-50

Машина разрывная ИР 5057-50 (рис. 2.7) предназначена для испытаний на растяжение, сжатие и изгиб. Используемый диапазон нагрузки от 0 до 50 кН, скорость нагружения от 2 до 10 мм/мин. Нагрузка фиксируется с помощью тензодатчика.

Установка состоит из следующих узлов: станины 1, на которой помещается установка; направляющих 2; ходовых винтов 3; траверсы подвижной 4; захватов 5 для закрепления образцов 6; силоизмерительного датчика 7. Для обеспечения безопасности работы ходовые винты закрыты ограждениями 8. В неподвижной траверсе 9 расположен плоскозубчатый ремень, который обеспечивает передачу движения с левого ходового винта на правый. Для управления работой установки имеется кнопочная станция 10.

9

8

7

6	11	156
5	10

4

3

2

1

Рис. 2.7. Машина разрывная ИР 5057-50:

1 – станина; 2 – направляющая; 3 – винт; 4 – траверса подвижная; 5 – захват; 6 – образец; 7 – датчик силоизмерительный; 8 – ограждения для винтов; 9 – траверса неподвижная; 10 – станция кнопочная; 11 – блок управления и регистрации

25

Испытываемый образец 6 устанавливается в захват 5, и захват подвижной траверсы 4 фиксируется в этом положении. На блоке управления и регистрации 11 выставляется нулевое значение нагрузки. На кнопочной станции 10 нажатием соответствующих кнопок включается рабочий ход активного захвата. В процессе испытания на растяжение образца в блоке управления и регистрации 11 соответствующими приборами производится регистрация силы, действующей на образец.

При необходимости значения изменения длины образца и приложенной нагрузки фиксируется на компьютере, расположенном в блоке управления и регистрации 11.

Испытания на ударную вязкость

Для оценки способности материала выдерживать динамические нагрузки проводят испытания на ударный изгиб (ГОСТ 9454 – 78).

Наиболее распространенные образцы для этих испытаний имеют форму стержня длиной 55 мм с квадратным сечением 10×10 мм. В соответствии с формой нанесенного посередине надреза – концентратора напряжений – образцы подразделяют на три типа: U, V и Т. Концентратор типа Т (трещина) получают в вершине начального надреза при циклическом изгибе образца.

Образцы с концентратором типа V используют при испытаниях материалов для конструкций повышенной степени надежности (летательные аппараты, трубопроводы), а концентраторами типа Т – при испытании материалов особо ответственных конструкций, для которых первостепенное значение имеет сопротивление развитию трещины.

Испытания на ударную вязкость проводят на маятниковом копре (рис. 2.8) при ударе маятника по образцу со стороны, противоположной концентратору напряжения. Запасенная потенциальная энергия W0 = PH маятника весом Р, поднятого на высоту Н, расходуется на работу деформирования и разрушения образца K и на энергию взлета маятника W1 = Ph после разрушения образца: W0 = K + W1.

Работа деформирования и разрушения образца K называется работой удара:

	K = W0 – W1 = PH – Ph = Pl(cosβ – cosα),	(2.7)
где l	– длина маятника;

α и β – углы подъема маятника соответственно до и после разрушения образца (см. рис. 2.8).

26

Рис. 2.8. Схема испытаний на ударную вязкость с помощью маятникового копра КМ–30

Если угол подъема постоянен, то шкала копра может быть проградуирована в единицах работы удара.

Копер маятниковый КМ–30 характеризуется максимальной запасенной потенциальной энергией W0 = 300 Дж (30 кгс м).

Ударная вязкость (обозначается символом KС) – это работа удара, отнесенная к начальной площади поперечного сечения в месте расположения концентратора:

KС = K/F0.

(2.8)

Размерность ударной вязкости – Дж/см2 . Ударная вязкость характеризует сочетание прочностных свойств и пластичности материала. Недостаток характеристики KС – невозможность использования ее в расчетах конструкций.

2.2.Порядок проведения работы

иуказания по охране труда

1.Ознакомиться с устройством твердомеров для измерения твердости по Бринеллю и Роквеллу.

2.Измерить твердость стальных и алюминиевых образцов на этих приборах.

27

3. Ознакомиться с устройством разрывной машины типа ИР 5057-50. Произвести испытание на растяжение образца из алюминиевого сплава. Определить δ, σ0,2, σпц и σв.

4.Ознакомиться с устройством маятникового копра КМ–30. Произвести испытание на ударную вязкость. Определить K и KС.

При работе на твердомерах и разрывной машине необходимо помнить, что они могут явиться источником поражения электрическим током.

Запрещается начинать работу на твердомерах и разрывной машине без разрешения преподавателя или учебного лаборанта. При работе

ствердомером Бринелля шариковый индентор нельзя располагать у края образца во избежание вылета образца при нагружении.

Перед тем как включить ход разрывной машины, во избежание удара быстровращающейся рукояткой, необходимо убедиться, что ручки ручного привода сняты или выведены из зацепления. По окончании работы твердомеры и разрывная машина должны быть отключены от электросети.

2.3.Требования к отчету

1.В отчете должны быть представлены схемы измерения твердости по Бринеллю и Роквеллу.

2.Построить график зависимости НВ от содержания магния в алюминиевом сплаве.

3.Построить график зависимости HRC закаленной стали от содержания в ней углерода.

4.В отчете должны быть представлены первичные данные замеров твердости всеми методами в виде таблиц, полученные результаты расчета первичной диаграммы растяжения, а также ударная вязкость образца.

Литература

Металловедение / И.И. Новиков, В.С. Золоторевский и др. М.: Изд. Дом МИСиС, 2009. Т. 1. С. 292–298, 327–329, 334–336, 337–339.

Контрольные вопросы

1.Какую форму имеет индентор при испытаниях на твердость по Бринеллю?

2.Что такое число твердости по Бринеллю?

3.Какие диаметры шаровых инденторов используют при измерении твердости по Бринеллю?

28

4.Как следует выбирать нагрузку при измерении твердости по Бринеллю?

5.Какую форму имеет индентор при определении твердости по Роквеллу?

6.Чему равна и как задается предварительная нагрузка на приборе Роквелла?

7.Какова размерность чисел твердости по Роквеллу?

8.По какой формуле определяют относительное удлинение?

9.Чему равен предел текучести при растяжении цилиндрического образца с d0 = 5 мм и Р0,2 = 1500 Н?

10.Какие образцы используют при испытании на ударную вяз-

кость?

11.Как определить ударную вязкость? Какова ее размерность?

29