Контрольные вопросы

1. Сформулируйте цель опыта.

2. По каким признакам материалы делятся на пластичные и хрупкие?

3. Какие из испытанных образцов вели себя как пластичные и какие как хрупкие?

4. Какие материалы называют изотропными и анизотропными?

5. Охарактеризуйте процесс сжатия пластичных и хрупких мате­риалов в сравнение с испытанием на растяжение.

6. Какие механические характеристики удалось определить в результате испытаний, для образцов из стали, чугуна, дере­вянного образца вдоль и поперек волокон?

7. Каков характер разрушения образца их хрупкого материала при сжатии?

8. Какие особенности наблюдаются при сжатии образцов из пластичных материалов?

Лабораторная работа № 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ твердости различных материалов

на стационарных твердомерах

Цель работы: изучение способов определения твердости материалов.

1. Общие положения

Твердостью материала называют способность оказывать сопротив­ление механическому проникновению в его поверхность другого, более твердого тела. Для определения твердости чаще всего в поверхность материала с определенной силой вдавливают тело (индентор) в виде стального шарика, алмазного конуса или пирамиды. По размерам по­лученного отпечатка судят о твердости испытываемого материала.

Определение твердости — весьма распространенное испытание, что объясняется его чрезвычайной простотой. Твердость можно опре­делять и непосредственно в условиях производства на готовых изде­лиях, так как остающиеся отпечатки во многих случаях не портят из­делия.

Наиболее распространенным способом определения твердости является способ Бринелля. Стальной закаленный шарик диаметром D (рис.1) вдавливается в испытываемый образец (изделие) под действием нагруз­ки P, приложенной в течение опреде­ленного времени.

Рис.1 Вдавливание стального шарика в образец

После удаления на­грузки измеряется диаметр отпечатка d, оставшегося на поверхности образца. Число твердости НВ по Бринеллю опре­деляется делением нагрузки P на пло­щадь поверхности сферического отпе­чатка (м²) и может быть вычислено по формуле:

где P — нагрузка, Н; D — диаметр шарика, м; d — диаметр отпечат­ка, м.

Число твердости выражается в МПа, хотя обычно эту единицу не указывают. Для оценки твердости иногда используют диаметр отпе­чатка d в мм.

Если твердость измеряют шариком D = 0,01 м (10 мм) под нагруз­кой P = 30 000 Н с выдержкой t — 10с, то число твердости по Бри­неллю сопровождают обозначением НВ, например НВ 3000. При дру­гих условиях определения твердости число твердости сопровождают индексами в следующем порядке: диаметр шарика, нагрузка и про­должительность выдержки. Например, НВ 5/2500/30—2000 означает число твердости по Бринеллю (2000) при испытании шариком D =5 мм под нагрузкой P = 2500 Н, приложенной в течение t = 30 с.

Опытным путем установлено, что для некоторых материалов су­ществует определенная связь между числом твердости по Бринеллю и временным сопротивлением при разрыве. Например, для малоуглеродистой стали σ_В 0,36 HВ; для стального литья σ_В = (0,3…0,4) НВ; для серого чугуна σ_В = .

Если твердость материала НВ > 4000 МПа, то определить ее, вдав­ливая шарик, нельзя в связи с заметной деформацией последнего. В этих случаях вместо шарика вдавливают алмазный конус (по Роквеллу) или алмазную пирамиду (по Виккерсу).

Число твердости НRC по Роквеллу (шкала С) соответствует раз­ности глубин проникновения в поверхность исследуемого материала алмазного конуса с углом при вершине 120° под действием основной (1500 Н) и предварительной (100 Н) нагрузки.

Пресс Бринелля применяется для испытания металлов на твер­дость вдавливанием в образец стального шарика. Этот пресс развивает силу давления до 3000 кГ и является устройством с гидрав­лическим силовозбудителем и ручным приводом в действие.

Конструкция и схема работы пресса Бринелля приведена на рис. 2.

Рис. 2. Пресс Бринелля (тип Альфа):

1 – станина, 2 – маховик, 3 – подъемный винт, 4 – стол, 5 – шарик, 6 – штемпель, 7 – рабочий цилиндр, 8 – ручной насос, 9 – коромысло, 10 – динамометр, 11 – головка клапана, 12 – маслосборный резер­вуар

В массивной чугунного литья станине 1 смонтирован подъемный винт 3. Винт получает поступательное движение вдоль своей геометрической оси при поворачивании маховика 2. Подъем­ный винт заканчивается столом 4, на котором устанавливается об­разец.

В гнезде верхней части станины 1 расположен рабочий цилиндр 7, имеющий две расточки; нижнюю (большую) диаметром О₁ и верх­нюю (малую) диаметром О₂. Геометрическая ось цилиндра состав­ляет с осью штемпеля 6 и подъемного винта 3 одну прямую, которая является силовой осью пресса.

Поршень нижней расточки рабочего цилиндра 7 опирается на штемпель 6, заканчивающийся стальным шариком 5, диаметр которого выбирается в соответствии с условиями испытания по таблице. По этой же таблице устанавливают вели­чину груза Q, равного весу коромысла 9 с гирями. Коромысло опирается на поршенек верхней расточки диаметром D₂.

Таблица

При помощи ручного насоса 8 в цилиндр 7 нагнетается масло до тех пор, пока коромысло 9 с гирями не всплывет. Груз Q вызывает в цилиндре 7 давление, равное

.

Это давление, действуя на поршень нижней расточки, передается на штемпель 6 в виде силы P, равной

Таким образом, давление p на образец зависит от груза Q и ди­аметров цилиндра 7. Оно выражается следующим равенством:

.

Непосредственно с цилиндром 7 соединяется динамометр 10, ци­ферблат которого показывает величину силы P, передаваемой на образец, что позволяет контролировать вес гирь, подвешенных к коромыслу 9.

Испытание твердости на прессе типа Альфа производится в сле­дующем порядке. Подвесив гири, соответствующие выбранному диаметру стального шарика 5 и установив образец на столе 4, поднимают последний до плотного касания образца с шариком 5.

Закрывают клапан маслосборного резервуара 12, вращая головку 11 клапана, и нагнетают масло насосом 8 в цилиндр 7 до тех пор, пока коромысло 9 не всплывет. При этом динамометр 10 будет показывать нагрузку P, соответствующую диаметру шарика. Коро­мысло 9 выдерживают в плавучем состоянии установленное для опыта время, после чего отвинчивают головку 11 и выпускают масло из цилиндра 7. Затем, вращая маховик 2, опускают стол 4, снимают образец и измеряют диаметр отпечатка в двух взаимно-перпендикулярных направлениях при помощи специальной плас­тинки (см. рис.3), микроскопа или лупы.

Рис. 3 Пластинка для измерения диаметра отпечатка.

Необходимо обратить внимание на следующие особенности:

1. Напряженное состояние при вдавливании шарика в пределах отпечатка неоднородно и поэтому по величине НВ оценивают некоторое среднее сопротивление пластической деформации.

2. С увеличением нагрузки на шарик увеличивается площадь поверхности отпечатка, поэтому число твёрдости одновременно увеличивается от возрастания силы P и убывает от увеличения площади отпечатка. Иначе говоря, твердость по Бринеллю зависит от степени нагружения шарика, и эта зависимость проявляется тем больше, чем больше твердость материалов. Для мягких металлов эта зависимость проявляется в меньшей степени (см. рис. 4).

Рис. 4 Зависимость твердости НВ от нагрузки для сталей: 1 - сталь Х12М

после закалки с 1050°С; 2 - то же, после отпуска при 580°С, 3 - то же, после

отпуска при 600°С, 4 - стальУЮ отожжённая; 5 - сталь 10; 6 - армко-железо

3. Диаметр отпечатка при прочих равных условиях зависит от степени шероховатости поверхности и времени выдержки шарика под нагрузкой.

4. С ростом твердости испытуемого материала на результаты испытания начинает оказывать все большее влияние деформация материала, из которого изготовлен шарик. Стальные шарики должны иметь твёрдость не менее 850 HV10.

5. Твердость по Бринеллю НВ не отражает сопротивления разрушению, т.к. оценивает свойства металлов в пластической области без разрушения.

Особенности, перечисленные в п.п. 2…4, указывают на то, что испытания на твердость необходимо вести при некоторых стандартных условиях.

Такими условиями являются:

1.Для устранения опасности продавливания образца или влияния основы, на которой лежит образец для испытаний, необходимо иметь толщину образца не менее десятикратной глубины отпечатка.

2. Расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 2,5d.

3. Расстояние между центрами отпечатков должно быть не менее 4d.

4. Выдержка шарика под нагрузкой выбирается в соответствии с ГОСТ 9012-59 и зависит от твёрдости материала. При твёрдости более 100 НВ выдержка под нагрузкой составляет 10…15 секунд. У мягких и легкоплавких металлов (свинец, цинк и др.) время выдержки под нагрузкой увеличивается до 3 минут, т.к. у этих материалов проявляется явление ползучести уже при комнатной температуре, т.е. материал деформируется при постоянной нагрузке.

5. При диаметре шарика D = 10 мм усилие вдавливания должно быть равно 29430 Н (3000 кгс).

6. Температура испытания – 20 °С.

7. При измерении шариков с диаметром, отличным от 10 мм, для получения сравнимых результатов при измерении твердости по Бринеллю необходимо, чтобы сохранялось отношение P/D² = К (const.).

Например, при диаметре шарика 5 мм усилие P должно быть равно 7357 Н (750 кгс), при диаметре D = 2,5 мм - усилие 1839 Н (187,5 кгс).

Примечание. Величин константы К выбирается в зависимости от материала и его твёрдости в соответствии с принятыми значениями.

8. Диаметр отпечатка замеряется в двух взаимно перпендикулярных направлениях с помощью микроскопа. Для расчёта НВ принимается среднее значение диаметра отпечатка по измеренным в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

9. Усилие и диаметр шарика выбирается так, чтобы диаметр отпечатка находился в пределах от 0, 24 до 0,6 D.

10. Для избежания существенных ошибок вследствие деформации шарика метод Бринелля применяют при твердости испытуемого материала НВ не более 4414 МПа (450 кгс/мм²). Для испытания более твердых материалов применяются шарики из твёрдого сплава твёрдостью 1500 HV10 и другие методы с использованием алмазных наконечников.

11. Поверхность испытуемого образца (или детали) должна иметь шероховатость не более R_a = 2,5 мкм.