Файл: Materialoznavstvo_2013_pravl_1.doc

Таблиця Л.1.1. Технічні межі дослідження твердості
за методом Брінелля

Запис результатів випробування проводиться наступним чином. Якщо випробування проводиться кулькою Д = 10 мм під навантаженням Р = 30 кН із тривалістю навантаження t = 10 с, то записують число твердості з символом НВ. Наприклад, твердість сталі 350 НВ. Якщо умови випробування інші, то це показують відповідними індексами: наприклад, число твердості 230; випробування проводилось кулькою Д = 5,0 мм за навантаження 7,5 кН (750 кгс) із тривалістю навантаження 10 секунд. У цьому випадку результати записують так: 230 НВ _5/750/10.

На рисунку Л.1.2 б наведена схема важільного приладу типу ТШ. Прилад має станину 1. Дослідний зразок встановлюють на предметний столик 4, повертаючи маховик 3, ґвинтом 2 піднімають зразок до дотику його з кулькою 5 і далі до повного стискання пружини 6.

Пружина створює попереднє навантаження на кульку, рівне 1 кН, що забезпечує стійке положення зразка під час навантаження. Після цього кнопкою вмикають електродвигун 10 і через черв’ячну передачу редуктора 11, шатун 9 та систему важелів 7 разом із вантажами 8 створюють задане навантаження на кульку. Після розвантаження приладу зразок знімають і визначають діаметр відбитку за допомогою мікроскопа МПБ-2.

Р
озрахунковий діаметр дорівнює середньому арифметичному значенню вимірів у двох взаємно перпендикулярних напрямах. Розмір відбитку визначають із точністю до 0,05 мм.

Якщо відомі навантаження, діаметр кульки та відбитку, то за спеціальною таблицею визначають число твердості.

Метод Роквелла. Метод Роквелла (рис. Л.1.3 а) базується на тому, що в дослідний зразок втискається алмазний конус із кутом при вершині 120^ або загартована стальна кулька діаметром 1,59 мм. Алмазний конус використовують для твердих металів, кульку – для м’яких.

Індентор втискають у дослідний зразок під дією двох навантажень –попереднього Р_о, яка дорівнює 0,1 кН, та основного Р₁. Під час втискання алмазного конуса до нього накладається загальне навантаження Р, яке дорівнює 0,6 кН або 1,5 кН, а за втискання кульки – 1 кН. Відповідно цим навантаженням, на індикаторі приладу є шкали: чорна С (А) та червона В. Число твердості, отримане з використанням шкал, позначається відповідно: HRC, HRA, HRB. Шкалою А (зведеною зі шкалою С) користуються для визначення твердості виробів із дуже твердим поверхневим шаром, отриманим за хіміко-термічної обробки (цементація, азотування та ін.), а також твердих сплавів із твердістю до HRA 85. Шкалою С користуються у процесі вимірювання поверхні сталей, що мають твердість до HRC 70. Шкалою В користуються у процесі вимірювання твердості незагартованих сталей, кольорових металів та сплавів, що мають твердість до HRB 100.

Число твердості за Роквеллом вимірюється в умовних одиницях і визначається за формулами:

– за втискання алмазного конуса;

– за втискання кульки,

де 100 – число чорних поділок шкали з циферблату індикатора; 130 – число поділок червоної шкали В; h₀ – глибина втискання конусного індентора (мм) під дією попереднього навантаження, h – глибина входження конусного індентора під дією загального навантаження після його припинення з продовженням дії попереднього навантаження; 0,002 – глибина входження алмазу (кульки по відповідному пересуванню стрілки індикатора на одну поділку).

На рисунку Л.1.3 б показано схему важільного приладу Роквелла (типу ТК). Зразок встановлюють на предметний столик 2. Потім обертанням штурвалу 1 за годинниковою стрілкою піднімають зразок до дотику з алмазним конусом або кулькою 3. Під час наступного обертання штурвалу починають пересуватися велика та мала стрілка циферблата індикатора 4 і утворюється попереднє навантаження 0,1 кН. Після суміщення показника малої стрілки з червоною крапкою, обертання штурвала потрібно припинити. Потім чорним сектором циферблат повертають так, щоб нульова поділка шкали стала навпроти кінця великої стрілки.

Короткочасним натисканням на педаль створюють основне навантаження. Положення великої стрілки після припинення дії основного навантаження показує значення твердості металу, що досліджується.

За число твердості приймають середнє арифметичне значення, отримане протягом трьох вимірювань. Число твердості за Роквеллом можна перевести на число твердості за Брінеллем.

М
етод Віккерса. Під час випробовування на твердість за даним методом (рис. Л.1.4) у поверхню матеріалу втискається алмазна чотирьохгранна піраміда з кутом при вершині 136^.

В
еличина навантаження дорівнює 10–1200 Н (частіше – 100 Н). Тривалість навантаження для чорних металів становить 10–15 с, для кольорових – 30 секунд.

За відомого навантаження Р вимірюється (за допомогою вмонтованого у прес мікроскопа) діагональ відбитку d і визначається число твердості HV як відношення навантаження до площі поверхні відбитку F :

.

Методом Віккерса можна визначити твердість будь-яких матеріалів – від найм’якіших і до алмаза (практично до 9000 МПа).

Число твердості за Віккерсом позначається символом HV із зазначенням навантаження і тривалості навантаження. Наприклад, 450 HV_10/15 означає, що число твердості за Віккерсом 450 отримане за навантаження Р = 100 Н (10 кгс), прикладеного до алмазної піраміди протягом 15 секунд.

Числа твердості за Брінеллем і Віккерсом практично співпадають до 4000 МПа, тобто НВ = HV.

Визначення мікротвердості. Для визначення твердості тонких листів, фольги, дроту малих діаметрів, тонких деформованих шарів, гальванічного покриття, напилення, твердості окремих структурних складових сплавів застосовують метод мікротвердості. Цей метод подібний до методу Віккерса, але відрізняється силою навантаження, яка може становити 0,05–5 Н.

Число мікротвердості записується наступним чином: Н із зазначенням величини навантаження та отриманого результату.

Наприклад: Н₁₀-180, це означає, що визначення проводилося за навантаження Р = 0,1 Н (10 гс) і мікротвердість металу складає 1800 МПа (180 кгс/мм²).

Випробування мікротвердості проводять на приладі ПМТ-3 (рис. Л.1.5). Зразок 1 розміщують на столику 18 приладу. Спостерігаючи в окуляр 11 зі шкалою, виконують наведення на різкість за допомогою мікрометричних ґвинтів 9 та 8. Обертанням барабана 12 встановлюють перехрестя ниток (подвійний штрих) у центрі поля зору на четверту поділку шкали. П

Після витримки зразок плавно розвантажують, повертаючи рукоятку 14 від себе. Потім рукояткою 20 плавно повертають столик у праве положення до упору (не допускаючи удару об упор) та окулярним мікрометром 10 вимірюють діагональ отриманого відбитку з точністю ± 0,5 поділки шкали.

Для цього перехрестя шкали підводять впритул спочатку до правого кута відбитку (рис. Л.1.6), суміщаючи нитки зі сторонами відбитку і записують перше значення на барабані. Після цього перехрестя шкали підводять впритул до лівого кута відбитка та записують друге значення на барабані.

Для визначення довжини діагоналі в поділках потрібно від першого значення відняти друге. Ціна поділу лімбу барабана дорівнює 0,3 мм. Тому для визначення довжини діагоналі (в мкм) отриману різницю множать на 0,3. Для зручності відліку до початку вимірювання потрібно встановити нульову поділку на барабані.

Приклад. Значення показника барабану за першого розташування відбитку відповідає нульовій поділці. Після переміщення відбитка в друге положення значення показника барабану відповідає
97 поділкам. Різниця відбитків становить: 97 – 0 = 97 поділок.

Помноживши число поділок барабана на ціну однієї поділки, визначають довжину діагоналі відбитка:

97  0,3 = 29,1  29 мкм.

Далі за таблицями визначають значення твердості:

Н₁₀₀ – 221 кгс/мм² = 2210 МПа.

П
итання для самостійної підготовки до роботи

1. Сформулювати поняття твердості матеріалів та назвати методи її визначення.

2. Навести схему та викласти суть визначення твердості за методом Брінелля.

3. Навести схему та коротко описати суть визначення твердості за методом Роквелла.

4. Навести схему та коротко описати суть визначення мікротвердості.

Порядок виконання роботи

1. Ознайомитися з будовою твердомірів Брінелля, Роквелла та приладу для вимірювання мікротвердості ПМТ-3.

2. Приготувати зразки для вимірювання твердості. На них не по­винно бути в місці вимірювання окалини та іржі.

3. На приладі Брінелля виміряти твердість низьковуглецевих сталей. Вимірювання провести індентором діаметром 10 мм, наванта­ження – 30 кН, час витримки – 10 секунд.

Після отримання відбитку за допомогою мікроскопу МПБ-2 заміря­ти діаметр відбитку та за додатком 1 визначити величину твердості.

4. Визначення твердості за методом Роквелла провести по шкалі С (індентор – алмазний конус, навантаження – 1,5 кН). Величину твердості отримують безпосередньо за шкалою приладу.

5. Мікро­твердість визначити шляхом вимірювання довжини діагоналі відбитку переміщенням точки перетину ліній на об'єктиві з лівого в пра­вий кут відбитку шляхом повороту мікрометричного ґвинта. Перемноживши кількість поділок повороту мікрометра на ціну поділки 0,3 мкм, одержати довжину діагоналі та за додатком 2 знайти вели­чину мікротвердості.

Дати висновки за результатами виконаної роботи.

Контрольні запитання для захисту роботи

1. Що називається твердістю металів?

2. Які існують методи визначення твердості?

3. Суть методу визначення твердості за методом Брінелля?

4. В чому суть визначення твердості за методом Роквелла?

5. Яка методика визначення мікротвердості?

6. Назвати шкали, за якими ведеться вимірювання твердості за ме­тодом Роквелла та їх призначення.

7. В чому полягають переваги та недоліки кожного з вивчених методів?

8. Як позначається твердість металів?

9. Як готуються зразки для випробування на твердість?

10. Які методи визначення твердості використовуються для м'яких металів, металів середньої та високої твердості?

Лабораторна робота 2

МЕТАЛОГРАФІЧНИЙ АНАЛІЗ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ

Мета роботи: оволодіти методикою макро- і мікроструктурного аналізу металів і сплавів.

Завдання студенту: на заданих зразках виявити неоднорідність розподілення (ліквацію) сірки; дефекти, що порушують цільність металу; зарисувати і дати характеристику виявлених макро- і мікроструктур.

Устаткування, матеріали, посібники:

1. Робоче місце для виготовлення макрошліфа: шліфувальний верстат, наждачний папір, протравлювач.

2. Набір зразків із різними видами структурних зламів, тріщин.

3. Робоче місце для виявлення ліквації на сірку за методом Баумана: фотопапір, розчин сірчаної кислоти, фільтрувальний папір, фіксаж (гіпосульфіт).

4. Набір зразків для вивчення макроструктури зварного шва, зразки після гартування і цементації.

5. Робоче місце для виготовлення і травлення мікрошліфу.

6. Наочні матеріали.

Теоретичні відомості. Макроаналіз – дослідження структури металів і сплавів неозброєним оком або через лупу за збільшення до 30 разів. Його застосовують для виявлення в металі дендритної будови, тріщин, газових пухирців, шлакових включень, напряму розміщення волокон у кованих і штампованих деталях, ліквації сірки і фосфору, якості зварювального шва.

Макроаналіз показує загальну будову металу, а в об’ємних деталях дозволяє вибрати характерні місця для подальшого його дослідження.

Для макроаналізу використовують два метода: метод зламів і метод макрошліфу.

Метод зламів дозволяє встановити характер попередньої обробки металів тиском, величину зерен, вид чавуну, дефекти внутрішньої будови (тріщини, пустоти). Для вивчення зламу зразки ламають і місце зламу вивчають візуально або за допомогою лупи.

Характер і вид руйнування за різних зовнішніх навантажень показані на рис. Л.2.1. Крихкий злам має кристалічну будову, зерна металу не спотворюються. На поверхні такого зламу можуть бути окремі блискучі ділянки. В’язкий злам має волокнисту будову. Форма і розмір зерна сильно спотворені, так як руйнування в цьому випадку супроводжується значною пластичною деформацією. Втомлений злам має дві зони руйнування: втомлену з тертям, що є дуже дрібнозернистою (темний колір), і зону звичайного кристалічного зламу в’язкого або крихкого руйнування (світлий колір).

Метод макрошліфу (метод глибокого травлення) дає можливість досліджувати структуру після кристалізації або попередньої обробки тиском. Даним способом можна виявити ліквацію сірки і фосфору (рис. Л.2.2), волокнистість (рис. Л.2.3), тріщини, пустоти. Макрошліф готують шліфуванням зразка з наступним поліруванням однієї його сторони. Підготовлену поверхню протравлюють відповідним реактивом для виявлення структури чи дефекту.

Для протравлення використовують розчини солей (сірчаної, соляної, азотної).