Вопросы для самопроверки

1. Какие образцы принимаются при испытании на прессе Гагарина?

2. Каковы преимущества пресса Гагарина перед универсальными машинами?

3. Каким образом на прессе Гагарина можно проводить испытания на растяжение, изгиб, кручение?

4. Какой масштаб по вертикали и горизонтали имеет диаграмма, полученная на прессе Гагарина?

5. Как определить условный предел пропорциональности с допуском 50%, 100% и условный предел текучести с допуском 0,2%?

б. В чем отличие истинного напряжения от условного?

7. Как построить диаграмму истинных напряжений?

8. Из каких составляющих состоит абсолютное остаточное удлинение образца после разрыва?

9. Как найти работу, затраченную на деформацию образца в пределах упругости, для образования пластической деформации, до разрушения?

10. Как вычислить удельную работу деформации?

11.Как найти относительное удлинение 10-кратного образца?

Лабораторная Работа №5 МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЁРДОСТИ

5.1. Основные положения

Цель работы: определение значения твёрдости материала по Бринеллю и Роквеллу.

Общие сведения. Под твёрдостью понимают свойство материала сопротивляться проникновению в него более твёрдого наконечника (индентора), не получающего остаточных деформаций. Испытания на твёрдость получили большое распространение в промышленности, т.к. они дают возможность изучать свойства материала не только на опытных образцах, но и на готовых конструкциях и деталях. К тому же имеется возможность по результатам испытаний на твёрдость определить величину предела прочности материала без проведения испытаний материала на растяжение.

Наибольшее распространение получили статические методы:

а) метод Бринелля — вдавливание стального закалённого шарика;

б) метод Роквелла — вдавливание стального шарика при контроле мягких материалов или алмазного конуса при испытании твёрдых;

в) метод Виккерса — вдавливание алмазной пирамиды.

Указанные методы определения твёрдости регламентированы соответствующими ГОСТами. Здесь рассматриваются только наиболее распространённые методы, к которым относятся: метод измерения твёрдости по Бринеллю (ГОСТ 9012-59) и метод измерения твёрдости по Роквеллу (ГОСТ 9013-59).

5.2. Метод измерения твёрдости по Бринеллю

Сущность метода заключается во вдавливании шарика (стального или из твёрдого сплава) в образец или изделие под воздействием нагрузки Р, приложенной перпендикулярно поверхности образца, в течение определённого времени и измерении диаметра отпечатка d после снятия нагрузки (рис. 5.1.). Диаметр образующегося сферического отпечатка d измеряется лупой-компаратором (с помощью микроскопа).

Твёрдость по Бринеллю (НВ) численно равна напряжению, выраженному отношением приложенной нагрузке Р к площади поверхности А сферического отпечатка диаметром d (размерность при обозначении твёрдости опускается).

Для случая измерения нагрузки в килограммах

(5.1)

Для случая измерения нагрузки в ньютонах

(5.2)

где

φ - угол вдавливания, т. е. угол между двумя радиусами шарика, проведёнными к концам отпечатка.

Рисунок 5.1. Схема вдавливания шарика в образец или изделие

Согласно формулам (5.1 и 5.2) для получения одинаковой твёрдости при использовании шариков различных диаметров (ГОСТ допускает применение диаметров 1,0; 2,0; 2,5; 5,0 и 10 мм) необходимо, чтобы угол вдавливания φ ( (рис. 5.1) оставался неизменным при постоянном отношении нагрузки к квадрату диаметру шарика, которое обозначается через

Для выбора значений К при испытании различных материалов рекомендуется пользоваться данными табл. 5.1. Определившись со значением К и диаметром шарика D, используемого при испытаниях, выбирают нагрузку Р согласно данным табл. 5.2.

Таблица 5.1

Значения коэффициента К

Металлы и славы	К	НВ
Железо, сталь, чугун и другие высокопрочные сплавы	30	от 96 до 450
Титан и его сплавы	15	50 220
Алюминий, медь, никель и их сплавы	10	32 200
Магний и его сплавы	5	16 100
Подшипниковые сплавы	2,5	8 50
Олово, свинец	1	3,2 20

Согласно ГОСТу твёрдость по Бринеллю при использовании шарика D = 10 мм под нагрузкой Р=29420 Н (3000 кГ) с продолжительностью выдержки под нагрузкой от 10 до 15 секунд обозначается цифрами, характеризующими величину твёрдости, и буквами HВ, например: 185 HВ. При других условиях испытания после букв HВ указывается условие испытания в следующем порядке: диаметр шарика, нагрузка и продолжительность выдержки под нагрузкой, например: 185 НВ 5/750/20 — твёрдость по Бринеллю, определённая с применением шарика D = 5 мм, при нагрузке 750 кГ и продолжительности выдержки под нагрузкой 20 с. Размерность числа твёрдости во всех случаях опускается.

Диаметр шарика и нагрузку следует выбирать так, чтобы диаметр отпечатка находился в пределах 0,25D< d< 0,6D. При несоблюдении этих требований необходимо изменить условия испытаний (D и Р).

Твёрдость НВ для многих материалов связана с пределами прочности эмпирическими зависимостями, например, для сталей σ_B =(2,94 — 3,53) НВ, МПа.

Следует иметь в виду, что по Бринеллю нельзя определять твёрдость очень мягких (НВ 8) и очень твёрдых материалов (НВ > 450). В мягких материалах шарик погрузится очень глубоко, диаметр отпечатка будет близок к диаметру шарика D и перестанет служить критерием твёрдости. Наоборот, если твёрдость материала будет очень большой, величина отпечатка получится маленькой и края его будут столь нечёткими, что не удастся точно измерить диаметр отпечатка, к тому же шарик может получить остаточную деформацию, искажающую результаты испытания.

Таблица 5.2 Значение нагрузки Р

Диаметр ша- рика, мм	Нагрузка Р, Н (кГ), для К=0, 102Р/D2 , (Р/D2)
	30	15	10	5	2,5	1
1 000 ‘	294,2 (30)	-	98,07 (10)	49,03 (5)	24,52 (2,5)	98,807 (1)
2000 ‘	1177 (120)	-	392,3 (40)	196,1 (20)	98,07 (10)	39,23 (4)
2500 ‘	1839 (187,5)	-	612,9 (62,5)	306,0 (31,2)	153,0 (15,6)	60,80 (6,2)
5,000	7355 (750)	-	2452 (250)	1226 (125)	612,9 (62,5)	245,2 (25)
10,000	29420 (3000	14710 (1500)	9807 (1000)	4903 (500)	2452 (250)	980,7 (100)

Условия испытаний и требования к образцам. Минимальная толщина образца должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка и определяться по формуле .

На практике минимальная толщина образца или изделия определяется по таблице, приведённой в приложении 2 ГОСТ 90 12-59.

При испытании на твёрдость особое значение имеет качество поверхности. Чем меньше глубина вдавливания индентора (или нагрузка), тем выше должна быть чистота поверхности. Немаловажно также, чтобы в процессе подготовке поверхности не изменялись свойства поверхностного слоя (вследствие наклёпа или разогрева при шлифовании или полировке).

Требования к качеству вдавливаемого шарика, условиям приложения силы и качеству испытуемой поверхности регламентируются ГОСТом. Продолжительность выдержки под нагрузкой должна быть от 10 до 15 с для черных металлов, для цветных металлов и сплавов — от 10 до 180 с, в зависимости от материала и его твёрдости, и должна быть указана в нормативно-технической документации. Расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее 4d, а расстояние от центра отпечатка до края образца (изделия) — не менее 2,5d; для металлов с твёрдостью менее 35НВ расстояния должны быть соответственно 6d и 3d.

Число твёрдости может быть определено по формуле (5.1) или (5.2). для быстрого определения числа твёрдости, в зависимости от диаметра шарика D, испытательной нагрузки Р, величины К, пользуются специальными таблицами (см. табл. 5.3), заменяющими вычисления по указанным формулам, приведёнными в приложении 2 ГОСТ 9012-59.

Прибор для измерения твердости металлов ТШ — 2М (тип ТБ).

Прибор ТШ — 2М предназначен для измерения твёрдости металлов по методу Бринелля. Принципиальная схема прибора изображена на рис. 5.2.

Рисунок 5.2. Прибор для измерения твердости материалов ТШ-2М

Механизм подъемного столика 8, на который помещается образец, состоит из пары винт-маховик 9, 10. Испытания осуществляются с помощью механизма, приводимого в работу электродвигателем 1, включение которого производится нажатием пусковой кнопки, расположенной на левой стороне станины 4. От двигателя через червячный редуктор 2 вращение передаётся на кривошипно-шатунный механизм нагружения 5. Шатун опускается, и освобождённая рычажная система нагружения 6 с грузами 3 передаёт через оправку 7 с шариком на конце заданную нагрузку образцу. Механизм нагружения возвращается в исходное положение механизмом переключения вращения ротора электродвигателя. Электродвигатель при этом автоматически отключается. Время выдержки образца под полной нагрузкой контролируют с помощью сигнальной лампы. Величина нагрузки, диаметр шарика и время испытания могут меняться путём регулирования пресса в зависимости от твёрдости материала образца.

Проведение испытания. Выбирают соответственный шариковый наконечник, закрепляют его в шариковой оправке 7, накладывают на подвеску требуемое количество грузов и устанавливают необходимую продолжительность выдержки образца под нагрузкой. Поскольку твёрдость материалов, испытываемого студентами в лаборатории лежит в пределах от 140<НВ<450, то испытания проводятся при нагрузке Р=29240 Н (3000 кГ) и диаметре шарика D=10 мм. Образец кладётся на столик пресса 8 и с помощью маховика 10 до отказа поджимается к шариковой оправке 7. Нажимом на кнопку включается электродвигатель 1, вращение которого через редуктор 2 передаётся на образец. По окончании испытания, когда погаснет лампочка и включится электродвигатель, опускается столик, снимается образец и измеряется диаметр полученного отпечатка с помощью специальной лупы или микроскопа. На рис. 5.3 дано изображение отпечатка, видимое в лупу (d = 4,25 мм).

Рисунок 5.3. Схема измерения отпечатка

Диаметр каждого отпечатка следует измерить дважды по двум взаимно перпендикулярным направления с точностью до сотых долей миллиметра и взять среднее из двух полученных измерений (разность измерений не должна превышать 2%). Число отпечатков каждый раз должно быть не менее трёх. По диаметру отпечатка находят число твёрдости по формулам (5.1) или (5.2) или по табл. 5.3. По числу вычисляют предел прочности материала. Для углеродистой стали σ_В=3,53 НВ, МIIа.

Таблица 5.3 Величины твёрдости по Бринеллю при диаметре шарика D=10 мм, нагрузке Р=29420 Н (3000 кГ) и К=30

d, мм	0,00	0,01	0,02	0,03	0,04	0,05	0,06	0,07	0,08	0,09
2,40	653	648	643	637	632	627	621	616	611	606
2,50	601	597	592	587	582	578	573	569	564	560
2,60	555	551	547	543	538	534	530	526	522	518
2,70	514	510	507	503	499	495	492	488	485	481
2,80	477	474	471	467	464	461	457	454	451	448
2,90	444	441	438	435	432	429	426	423	420	417
3,00	415	412	409	406	404	401	398	395	393	390
3,10	388	385	383	380	378	375	373	370	368	366
3,20	363	361	359	356	354	352	350	347	345	343
3,30	341	339	337	335	333	331	329	326	325	323
3,40	321	319	317	315	313	311	309	307	306	304
3,50	302	300	298	297	295	293	292	290	288	286
3,60	285	283	282	280	278	277	275	274	272	271
3,70	269	268	266	265	263	262	260	259	257	256
3,80	255	253	252	250	249	248	246	245	244	242
3,90	241	240	239	237	239	235	234	232	231	230
4,00	229	228	226	225	224	223	222	221	219	218
4,10	217	216	215	214	213	212	211	210	208	204
4,20	207	205	204	203	202	201	200	199	198	198
4З0	197	196	195	194	193	192	191	190	189	188
4,40	187	186	185	185	184	183	182	181	180	179
4,50	179	178	177	176	175	174	174	173	172	171
4,60	170	170	169	168	167	167	166	165	164	164
4,70	163	162	161	161	160	159	158	158	157	156
4,80	156	155	154	154	153	152	152	151	150	150
4,90	149	148	148	147	146	146	145	144	144	143
5,00	143	142	141	141	140	140	139	138	138	137
5,10	137	136	135	135	134	134	133	133	132	132
5,20	131	130	130	129	129	128	128	127	127	126
5,30	126	125	125	124	124	123	123	122	122	121
5,40	121	120	120	119	119	118	118	117	117	116
5,50	116	115	115	114	114	114	113	113	112	112
5,60	111	111	110	110	110	109	109	108	108	107
5,70	107	107	106	106	105	105	105	104	104	103
5,80	103	103	102	102	101	101	101	100	99,9	99,5
5,90	99,2	98,8	98,4	98,0	97,7	97,3	96,9	96,6	96,2	95,9
6,00	95,5	—	—	—	—	—	—	—	—	—