Методы Бринелля и Роквелла

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Цель работы

1.1. Получить навыки работы на приборах Бринелля и Роквелла для измерения твердости.

1.2. Оценить механические свойства металлов измерением твердости.

2. Краткая теория

В числе многих методов механических испытаний особое место занимают измерения твердости как наиболее распространенный метод оценки свойств материала. Причины такого положения заключаются в следующем: с одной стороны, твердость непосредственно характеризует сопротивление материала истиранию, его режущие свойства, способность выдерживать местные давления, с другой стороны, она связана с механическими свойствами, определяемыми при стандартных испытаниях на растяжение. Кроме того, твердость можно определить быстро, на любой стадии технологической обработки металла, а также подвергнуть стопроцентному контролю готовые детали без их разрушения.

Наибольшее распространение и практическое значение имеет твердость при пластическом вдавливании.

Твердостью на вдавливание называется сопротивление материалов внедрению в него более твердого тела, не испытывающего остаточной деформации. В качестве такого тела, называемого индентером, используются стальной шарик, алмазные конус и пирамида.

Испытания на твердость имеют специфику, заключающуюся:

1) в местном воздействии на небольшую часть поверхности тела;

2) в малости объема металла, участвующего в деформации;

3) в создании в деформированном металле такого напряженного состояния, при котором растягивающие напряжения малы по сравнению с касательными, что дает возможность успешно испытывать и хрупкие материалы. При этих испытаниях определяются свойства материала в пластической области без разрушения.

На рис. 1 приведена схема вдавливания шарового индентора в испытуемый материал.

Рис. 1. Схема напряженного состояния в зоне пластической деформации (заштрихована) при вдавливании шарика

Под действием нагрузки шарик вдавливается в поверхность образца, при этом из зоны деформации металл вытесняется наружу. В результате в месте вдавливания образуется шаровая лунка (отпечаток) диаметром и глубиной . При статическом вдавливании шарика в плоскую поверхность образца сначала происходит упругая деформация. Глубина упругого вдавливания зависит от нагрузки, с ростом которой в какой-то момент начинается пластическая деформация. Снятие нагрузки после любой деформации сопровождается упругим восстановлением отпечатка, так что

,

где - полная глубина вдавливания;

- доля упругой составляющей, снимающейся при снятии нагрузки;

- глубина восстановленного отпечатка (остаточная глубина).

Экспериментально установлено, что при вдавливании шарика глубина восстановленного отпечатка растет линейно с увеличением нагрузки. Это позволяет построить диаграмму пластического вдавливания шарового индентора, проведя испытания при двух нагрузках и.

Рис. 2. Диаграмма пластического вдавливания шарового индентора

Экстраполяция диаграммы вдавливания до дает нагрузку, по достижении которой в центре отпечатка только начинается пластическая деформация. Величина этой нагрузки определяется пределом текучести материала. Для развития пластической деформации необходимо повышение нагрузки относительно . Это - проявление деформационного упрочнения или наклепа.

Угол наклона диаграммы вдавливания характеризует интенсивность деформационного упрочнения.

.

Испытание на вдавливание при значительных нагрузках (и, следовательно, при больших остаточных деформациях) дает информацию о временном сопротивлении.

Путем измерения твердости можно определить характеристику пластичности при вдавливании, сходную с сужением поперечного сечения при испытании на растяжение.

,

где - площадь поверхности лунки;

- площадь проекции отпечатка;

- пластичность при вдавливании.

Как показано на рис. 2, глубина вдавливания зависит от нагрузки на индентор. Поэтому для оценки механических свойств по результатам измерения твердости условия испытания должны быть строго стандартизированы. ГОСТами определены форма и размеры инденторов, величины нагрузок на индентор, а также длительность нагружения. При всех измерениях нагрузки должны быть такими, чтобы обеспечить значительную пластическую деформацию в зоне вдавливания индентора.

3. Методы измерения твердости вдавливанием индентора

При определении твердости измеряется сопротивление металла внедрению в него индентора, усредняющее сопротивление вдавливанию отдельных структурных составляющих. Следовательно, отпечаток должен быть значительно больше размеров зерен отдельных составляющих⁾.

Из методов отвечающих этому требованию, наибольшее распространение получили два: метод Бринелля и метод Роквелла.

4. Метод Бринелля

Рис. 3. Зависимость отношений сопротивлений пластической деформации и деформации при растяжении () и вдавливании () (М.П. Марковец)

Определение твердости по Бринеллю производится согласно ГОСТу 9012-59 на приборе ТШ-2

Твердость по Бринеллю HB определяется как нагрузка на единицу поверхности шаровой лунки:

,

где - нагрузка в кгс; - диаметр шарика в мм; - диаметр отпечатка в мм.

Прибор предусматривает возможность использования в качестве индентора шариков диаметром 2,5; 5,0; 10,0 мм. Для получения одинаковых значений твердости одного и того же материала при вдавливании шариков различного материала необходимо постоянство отношений и. Это видно, если формулу (4.5) преобразовать:

5. Метод Роквелла

Твердость по методу Роквелла определяется согласно ГОСТу 9013-59 на приборе ТК-2. Индентором служит стандартный алмазный конус с углом при вершине 120⁰ и радиусом закругления вершины 0,2 мм или стальной закаленный шарик диаметром 1,558 мм (1/16 дюйма).

6. Выполнение работы

Даны образцы из углеродистой стали, титана, алюминия.

Определяем твердость данных образцов на приборах Бринелля и Роквелла, полученные данные заносим в таблицу.

Метод Бринелля

D=10мм

Р=3000 кг*с

1)Алюминий

=52.67

=0,38*26.5=20.017=200.2 мПа

2)Углеродистая сталь

=149.25

=0,36*149.25=53.7=537.3мПа

3) Титан

=318

=0,33*318=105=1050 мПа

Метод Роквелла

В данном методе индентор в образец вдавливается нагрузкой 10кгс, а затем полной, представляющей сумму предварительной и основной нагрузок, глубина вдавливания отмечается движением большой стрелки индикатора. При снятии основной нагрузки упругая часть деформации снимается, что отмечается вращением стрелки индикатора в обратном направлении. После остановки стрелки величина твердости отсчитывается по индикатору, и затем образец разгружается полностью, снимается предварительная нагрузка.

Таким образом, наличие предварительной нагрузки позволяет измерить глубину вдавливания в процессе самого испытания.

1). Для углеродистой стали 45: HRА=49ч47

2). Для титана: НRА=61ч62

3).Для алюминиевого сплава: НRA=43ч42

Вывод: На лабораторной работе мы ознакомились с устройством приборов для измерения твердости-приборяы Бринелля и Роквелла, а также получили навыки работы на этих приборах.

Используя эти приборы, мы определили твердость данных образцов из углеродистой стали, титаном и алюминием.

Зная диаметр углубления в образце, можно рассчитать временное сопротивление металла, а значит и его прочность по формуле

твердость металл индентор сопротивление

где к- коэффициент, величина которого различна для каждого материала. Это различие определяется разной степенью пластической деформации, достигаемой при измерении твердости и испытании на растяжение.

Метод Роквелла отличается от метода Бринелля тем, что предварительная нагрузка позволяет измерить глубину вдавливания в процессе всего испытания.

7. Контрольные вопросы

1. Чем обусловлены ограничения в использовании метода Бринелля при измерении твердости очень твердых и очень мягких материалов?

Испытание Бринелля не может применяться к очень мягким или очень твердым материалам. В первом случае размер отпечатка будет равен диаметру шара, а во втором отпечатка либо не будет, либо он будет настолько малым, что невозможно будет провести на нем измерения.

2. Все методы измерения твердости вдавливанием предусматривают размещение отпечатков на расстоянии не менее друг от друга. Чем обусловлены такие ограничения?

Образец для испытания на твердость должен быть плоскопараллельным, очищенным от окалины и других загрязнений. С целью повышения точности измерений количество отпечатков должно быть не менее 2, каждый отпечаток промеряется в двух перпендикулярных направлениях, и результат определяется как среднеарифметический. При этом расстояние от края образца до центра отпечатка должно быть не менее 2,5 d, а расстояние между отпечатками 4d.

3. На каком расстоянии от края образца можно нанести отпечаток при измерении твердости по Бринеллю? Почему?

Расстояние от центра отпечатка до края изделия должно быть не менее 2,5d, в обратном случае, образец может вылететь, либо получится не полный отпечаток, либо образец разрушится.

4. Испытываются два образца по методу Бринелля: первый - пластичный, второй - хрупкий. Что будет в обоих случаях, если отпечаток нанести слишком близко к краю образца - на расстоянии меньше?

В обоях случаях образец может вылететь. В первом случае образец мы не сможем измерить твердость, так как на поверхности образца невозможно измерить d. (шарик будет вдавливаться полностью). Во втором случае образец разрушится либо вылетит.

Размещено на Allbest.ru