Реферат: Методические указания для выполнения лабораторно-практических работ по материаловедению конструкционных материалов работ для студентов специальности 340100 "Управление качеством в сфере быта и услуг" специализации

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

 

 

 

Уральский государственный экономический университет

 

 

 

 

 

Материаловедение

Часть II

Методические указания для выполнения лабораторно-практических работ по материаловедению конструкционных материалов

работ для студентов специальности 340100 “Управление качеством в сфере быта и услуг” специализации

 

 

 

 

 

 

УТВЕРЖДАЮ

Первый проректор университета

__________________

А.Т. Тертышный

 

 

 

 

 

Екатеринбург 2004

Рекомендовано к изданию научно-методическим советом

Уральского государственного экономического университета

Составитель: доц. Р.А. Бояркина

Рецензент: доц. Н.Ю. Меркулова

^ ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

Методические указания разработаны в соответствии с программой курса “Управление качеством товаров и услуг” для студентов специальности 340100 “Управление качеством”.

Тематика лабораторно-практических работ охватывает вопросы, связанные с практической деятельностью будущего специалиста, и направлена на приобретение навыков по распознаванию, применению, определению качества основных конструкционных материалов.

По каждой отдельной работе оформляется отчет, который затем предъявляется на проверку ведущему преподавателю.

Отчет должен содержать название темы, цель работы, задания, краткое изложение методики проведения работы, полученные результаты и основные выводы о проделанной работе.

Успешное выполнение лабораторно-практических работ требует от студентов предварительной теоретической подготовки по материалам лекций и рекомендуемой литературе.

^ РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

Цель и задачи дисциплины

Цель дисциплины “Материаловедение конструкционных материалов”  научить будущих специалистов применять основные методы управления конструкционной прочностью материалов и проводить обоснованный выбор материала для изделий с учетом условий их эксплуатации.

В задачи дисциплины входит формирование у студента представления о конструкционных материалах, а именно:

общая классификация материалов (металлических и неметаллических) и области их применения;

строение металлов и сплавов, их структурообразование в процессе первичной и вторичной кристаллизации;

основные свойства металлов и сплавов;

характеристика полимеров, пластмасс; компоненты пластмасс; способы переработки, области применения полимеров и пластмасс на их основе;

древесные конструкционные материалы;

неорганические конструкционные материалы (стекло, керамика).

^ 2. Содержание дисциплины

Введение

Качество материалов и его оценка. Механические свойства материалов, характеризующие способность материалов сопротивляться действию внешних сил. Прочность, твердость, вязкость, упругость, пластичность, хрупкость, деформация, предел упругости, предел текучести, предел прочности, относительное сужение и удлинение.

Технология материалов и технологические свойства: обработка материалов давлением, прокатка, штамповка, сварка. Технологические свойства.

Физические, химические и эксплуатационные свойства материалов. Физические свойства – плотность, электропроводность, теплопроводность, коэффициенты линейного и объемного расширения. Химические свойства: коррозия и химическая стойкость. Эксплуатационные свойства – жаростойкость, жаропрочность, износостойкость, радиационная стойкость.

2.1. Металлы и сплавы

Строение металлов. Кристаллические решетки: кубическая объемноцентрированная, гранецентрированная и гексагональная плотноупакованная. Полиморфизм. Дефекты кристаллического строения. Точечные дефекты, линейные и поверхностные.

Металлические сплавы. Виды сплавов по структуре. Механические смеси. Химические соединения и твердые растворы. Диаграммы состояния. Виды диаграмм состояния.

Сплавы железа с углеродом

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов. Компонента, фазы и структурные составляющие сплавов железа с углеродом. Железо, цементит, феррит, аустенит, перлит, эвтектоид, ледебурит.

^ Чугуны. Классификация чугунов. Серый, высокопрочный и ковкий чугун.

Стали. Влияние углерода и примесей на свойства стали. Классификация сталей: по химическому составу (углеродистые, легированные), назначению (конструкционные, инструментальные и стали специального назначения с особыми свойствами – нержавеющие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие).

По качеству их классифицируют на обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

Углеродистые стали обыкновенного качества: стали группы А, Б и В; качественные конструкционные углеродистые стали.

Легированные стали

Конструкционные стали: строительные стали, цементуемые стали, улучшаемые, высокопрочные, пружинные, износостойкие.

Стали со специальными свойствами. Коррозионностойкие (нержавеющие) стали. Хромистые, хромоникелевые.

Инструментальные стали и сплавы. Углеродистые инструментальные стали. Быстрорежущие стали.

Металлокерамические твердые сплавы: вольфрамовые, титановольфрамовые, титанотанталовольфрамовые.

Цветные металлы и сплавы

Алюминий и его сплавы: литейные сплавы алюминия, деформируемые сплавы алюминия. Упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой. Дюралюминий (дюралюмин), высокопрочные сплавы алюминия, ковочные сплавы.

Медь и ее сплавы. Латуни, бронзы. Сплавы других цветных металлов. Магний и его сплавы. Титан и его сплавы. Другие цветные металлы.

 

2.2. Неметаллические материалы

Понятие о пластмассах. Характеристика важнейших свойств пластмасс. Мировое производство пластмасс. Производство пластмасс в РФ. Характеристика компонентов пластмасс.

^ Полимерные компоненты композиции пластмасс. Понятие о полимерах. Классификация полимеров: по химическому составу, по происхождению, по механическим свойствам, по строению макромолекул, по физико-химическим свойствам, по отношению к нагреванию, по способу получения.

^ Неполимерные компоненты композиции пластмасс. Пластификаторы. Характеристика основные типов промышленных пластификаторов и пластических масс.

Наполнители. Требования, предъявляемые к наполнителям. Классификация наполнителей.

Стабилизаторы. Классификация стабилизаторов.

Основные методы переработки пластмасс в изделия. Экструзия: общие принципы, область применения, оборудование для переработки пластмасс методом экструзии. Производство пленок, листов, труб, профилей, гранул.

Литье под давлением. Литьевые машины.

Прессование: общие принципы, стадии, оборудование для прессования. Литьевое прессование. Штанг-прессование.

Вальцевание и каландрование: общие принципы и оборудование.

Вакуум и пневмоформование. Сущность методов и оборудования.

^ Полимеризационные полимеры и пластмассы на их основе.

Полиолефины: полиэтилен, полипропилен, полиизобутен, их сополимеры. Способы получения, свойства и области применения пластмасс.

Полимеры и сополимеры стирола: свойства и применение в производстве пластмасс. АВС-сополимеры. Пенополистирол.

Полигалогенопроизводные: поливинилхлорид и сополимеры винилхлорида, поливинилиденхлорид, перхлорвинил, политетрафторэтилен, политрифторхлор-

этилен. Характеристика и области применения пластмасс.

Поливиниловый спирт и поливиниловые эфиры: поливинилацетат, поливинилацетали, простые эфиры поливинилового спирта.

Полимеры акриловый, метакриловой кислоты и их производных: способы получения, свойства и области применения.

Простые полиэфиры: полиметилетиленоксид, полиэтиленоксид, полипропиленоксид, пентапласт, полифениленооксид.

^ Поликонденсационные полимеры и пластмассы на их основе.

Фенолформальдегидные смолы (ФА). Свойства и области применения ФА смол: пресс-порошки, волокнистые пресс-материалы, слоистые пластины, пено-исотофенопласты.

Анимоформальдегидные смолы. Свойства переработки и применения.

Полиамиды. Свойства и применение.

Полиамиды, полиамидоимиды, полиамидоэфиры. Свойства и применение.

Полиуретаны и полимочевины. Свойства, переработка и применение, пенополиуретаны.

Сложные полиэфиры. Полиэтилентерефталат. Поликарбонаты. Полиакрилаты. Ненасыщенные полиэфиры: полиэфирмалеинаты и полиэфиракрилаты, способы получения, отверждение, переработка и области применения.

Алкидные смолы. Эпоксидные смолы. Способы получения и области применения.

Элементоорганические полимеры. Классификация. Способы получения. Строение, свойства и области применения.

Эфиры целлюлозы и пластмассы на их основе. Характеристика свойств, области применения. Простые эфиры целлюлозы. Стиролы.

^ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ

ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ

Работа 1. Исследование металлов методами термического анализа

Цель работы: изучить сущность термического анализа, методы контроля температур, градуировки термопар.

Задание: построить градуировочную кривую для хромо-алюмелевой термопары методом сравнения; научиться измерять температуру с помощью термопары.

Термический анализ дает возможность определить температуры, при которых происходят плавление и кристаллизация металлов и сплавов, аллотропические и фазовые превращения в металлах, а также физико-химические изменения в металлах в зависимости от температуры. Температуры, при которых происходят указанные превращения, называются критическими, или критическими точками. Определение критических температур производится построением и исследованием кривых нагрева и охлаждения металлов и сплавов в координатах “температура – время”. По критическим точкам строят диаграммы состояния сплавов.

Для изменения температуры при нагревании и охлаждении металлов обычно применяют термоэлектрические приборы (термопары). Термопара представляет собой два изолированных один от другого проводника (электрода) из разноименных металлов, два конца которых спаяны, а два других свободны. Принцип работы термопары заключается в том, что при нагревании ее спая в результате термоэлектронной эмиссии на противоположных концах проводников возникает разность потенциалов, измеряемая в тысячных долях вольта. Для измерения возникающей э.д.с. свободные концы электродов, называемые холодным паем, соединяют с милливольтметром или потенциометром. Термо- э.д.с. будет прямо пропорциональна разности температур спаянных и неспаянных концов. Материалы для электродов термопар – жаростойкие металлы и сплавы, обладающие высокой электродвижущей силой. Например: медь-константан, хромель-алюмель, нихром-константан и др. Средняя величина э.д.с. при нагреве на 1000С составляет для термопары медь-константан 4,16 мВ, хромель-алюмель – 4,1 мВ, нихром-константан – 7,5 мВ. Для измерения температур с помощью термопар производят их градуировку. Градуируют термопары по критическим точкам чистых металлов, для которых известны температуры кристаллизации, или по эталонной (заранее проградуированной) термопаре или термометру, позволяющим проводить нагрев до повышенных температур. Строят так называемые градуировочные кривые.

Градуировку термопары по критическим точкам чистых металлов производят следующим методом. В тигле расплавляют чистый металл (100  200 г), температура плавления которого известна. Поверхность расплавленного металла покрывают измельченным углем, чтобы избежать его окисления. В расплавленный металл погружают термопару, защищенную от непосредственного соприкосновения с жидким расплавом чехлом из фарфора или кварца. Холодный спай термопары (свободные концы) помещают в термос, в котором поддерживается постоянная температура (00С) и с помощью соединительных проводов подключают к милливольтметру.

После установки термопары, расплавления и некоторого перегрева металла последний медленно охлаждают и записывают через определенные короткие промежутки времени (20 – 30 с) значения э.д.с. по показаниям милливольтметра. По полученным данным строят кривую охлаждения в координатах э.д.с. – время охлаждения. Горизонтальный участок кривой будет характеризовать температуру кристаллизации данного металла, что соответствует показаниям милливольтметра в момент остановки (задержки) его стрелки. В качестве испытуемого металла можно использовать, например, олово, температура кристаллизации которого равна 2320С, что соответствует показаниям милливольтметра ХI. Для построения градуировочной кривой на оси абсцисс откладывают в масштабе значения ХI(э.д.с.), а на оси ординат – температуру кристаллизации (см. рисунок); восстанавливая перпендикуляры, находим первую точку градуировочной кривой.

 

























 

Для определения других точек кривой берут другие чистые металлы и с ними производят аналогичные операции. Полученные точки соединяют и получают градуировочную кривую (прямая линия).

При выполнении лабораторной работы строят градуировочную кривую для хромель-алюмелевой термопары с использованием метода сравнения. Для этого термопару помещают в нагревательную печь вместе с ртутным термометром таким образом, чтобы в зоне нагрева находились спай термопары (горячий спай) и конец термопары с ртутью. Свободные концы термопары (холодный спай) помещают в термос или тающий лед при температуре 00С и подключают к милливольтметру с помощью соединительных проводов. Затем включают печь и медленно поднимают температуру. Через короткие промежутки времени записывают показания термометра и милливольтметра. Интервал между измеряемыми температурами – 20 – 300С. Для построения градуировочной кривой на оси абсцисс откладывают в выбранном масштабе значения э.д.с., а на оси ординат – показания термометра, соответствующие температуре в печи, а следовательно, и температуру нагрева спая термопары. Полученные точки соединяют и получают градуировочную кривую в координатах Т0С – э.д.с. мВ. Учитывая прямую пропорциональность между термоэлектродвижущей силой и разностью температур спаянных и неспаянных концов, полученную кривую (должна быть прямая линия) можно продолжить и использовать градуировочный график для измерения более высоких температур, чем в проведенных опытах.

^ Работа 2. Исследование металлов

методами микроскопического анализа

Цель работы: ознакомиться с методами анализа, изучить микроструктуру металлов, уяснить связь между структурой и свойствами металлов и сплавов.

Задание: ознакомиться с методикой приготовления микрошлифов и изучить методику проведения микроанализа; изучить микроструктуру углеродных сталей и чугунов.

Микроскопический анализ металлов заключается в использовании их структуры с помощью оптического микроскопа с использованием белого или ультрафиолетового излучения. При использовании оптического микроскопа структуру металла можно изучать при увеличении от нескольких десятков до 2000 – 3000 раз.

Микроанализ позволяет установить фазовый состав сплава, его структуру в литом состоянии и после различных видов термической и химико-термической обработки, определить величины зерна, а также наличие или отсутствие вредных примесей, оксидов, сульфидов и т.д.

Метод микроскопического анализа включает следующие этапы: приготовление микрошлифов, травление шлифов и изучение микроструктуры металлов и сплавов под микроскопом.

^ Приготовление шлифов

В микроскопе рассматриваются микрошлифы, представляющие собой образцы металла, имеющего полированную поверхность, отражающую световые лучи.

Образцы, вырезанные из детали, заторцовывают механическим путем и после получения приблизительно плоской поверхности шлифуют наждачной бумагой: сначала – грубой, потом – более мелкой. При смене наждачной бумаги изменяют направление шлифовки на 900 для удаления рисок, созданных предыдущим шлифованием. Заключительный этап обработки – полирование образца до зеркального блеска. Применяют механическое и электромеханическое полирование. Механическое полирование производится на вращающемся круге с натянутым на него фетром или тонким сукном. На этот круг периодически наносят полировальную жидкость, представляющую собой тонкие взвеси порошка оксида хрома или алюминия в воде. При полировании черных металлов скорость вращения круга диаметром 250 мм составляет 400 – 600 об/мин. Во время полирования шлиф слегка прижимают всей плоскостью к поверхности вращающего круга, при этом направление полирования изменяют поворотом образца. Полирование считается законченным, если удалены все риски, поверхность образца стала зеркальной и под микроскопом не видны риски или царапины. После полирования шлиф промывают водой, затем спиртом и сушат фильтровальной бумагой.

Электромеханическое полирование производят, помещая образец в качестве анода в электролитическую ванну шлифовальной поверхностью в сторону катода. Площадь катода должна быть больше площади анода в 3 – 10 раз. Режим процесса и состав электролита устанавливают в зависимости от материала образца. Так, для углеродистых сталей используют электролит следующего состава: ортофосфорная кислота – 48%, серная кислота – 40 и 12% воды. Полирование проводят при плотности тока 0,1 – 0,6 А/см2 и температуре 35 – 500С в течение 10 – 15 мин.

Сущность электролирования сводится к следующему. После включения тока анод начинает растворяться, и на его поверхности образуется вязкая пленка, создающая дополнительное электросопротивление. Поскольку толщина пленки на выступах образца и впадинах различна, то плотность тока будет больше на выступающих частях поверхности. Поэтому растворение выступающих частей поверхности анода протекает быстрее, чем во впадинах. В результате поверхность образца постепенно сглаживается и к концу процесса становится зеркальной.

^ Изучение микроструктуры

Изучение микроструктуры начинают с рассмотрения шлифа в нетравленом виде, т.е. после полирования и промывки. На полированном микрошлифе в поле зрения микроскопа можно наблюдать отдельные, обычно небольшие, темные участки. Они могут представлять собой неметаллические включения, мелкие поры, структурные составляющие, характерные для некоторых сплавов (например, графит в сером чугуне). Неметаллическими включениями являются оксиды, сульфиды и частички шлака. Темные участки, которые обнаруживаются при просмотре нетравленого шлифа серого чугуна, представляют собой графитовые выделения. Графитовые включения оцениваются по их форме, количеству и характеру распределения. В серых чугунах графитовые выделения имеют вид вытянутых лепестков неправильной формы, в ковких – хлопьев и округлых – в высокопрочном чугуне.

После просмотра шлиф подвергают травлению для выявления микроструктуры металла путем погружения полированной поверхности образца в реактив. Травление основано на том, что полированная металлическая поверхность шлифа, опущенного в реактив, представляет собой участки (фазы) с различными по величине электрохимическими потенциалами. Поэтому зерна каждой фазы имеют различную травимость. Например, при погружении в электролит образца из эвтектоидной стали участки цементита будут катодами, поскольку они имеют более положительный электродный потенциал, а ферритные – анодами. При однофазной структуре анодными участками являются границы зерен.

При травлении в активной среде анодные участки растворяются, образуя впадины, а катодные остаются неизменными. Таким образом, на поверхности шлифа образуются выступы и впадины, которые отражают форму и размеры структурных составляющих сплава.

Для травления низкоуглеродистых, среднеуглеродистых сталей и чугунов используют реактив следующего состава: 4 мл азотной кислоты с плотностью 1,424 см3 + 96 мл этилового спирта. Время выдержки зависит от структуры металла (обычно от 10 до 80 с). Травление считается законченным, если поверхность шлифа становится слегка матовой. После шлиф промывают водой и высушивают спиртом, прикладывая к нему лист фильтровальной бумаги. При выполнении лабораторной работы необходимо изучить микроструктуру углеродистых сталей и чугунов. Для этого подготовленные образцы просматривают с помощью металлографического микроскопа. Микроструктуру зарисовывают с указанием марки металла, вида обработки, вида травления и увеличения. Изучают микрошлифы низко- и высокоуглеродистой стали и серого чугуна. Уясняют связь между структурой и свойствами железоуглеродистых сплавов. Знакомятся со структурными составляющими – мартенситом, трооститом, сорбитом, цементитом, ферритом и графитом.

 

Работа 3. Испытания механических и технологических свойств

металлов и изделий из них

Цель работы: изучить основные показатели механических свойств металлов и методы определения твердости; ознакомиться с технологическими пробами и методикой их проведения.

Задания:

1. Определить временное сопротивление, относительное удлинение и относительное сужение после разрыва образцов из листового алюминия.

2. Определить твердость по методу Роквелла и Бринелля у ряда образцов из углеродистой стали.

3. Провести технологические испытания на вытяжку, двойной кровельный замок и перегиб, на навивание и окручивание проволоки.

Механические испытания позволяют определить прочность, пластические и упругие свойства, твердость металлов. Наиболее широко проводятся испытания на растяжение и определение твердости.

Для установления метода испытания следует исходить из назначения сплава. Например, для металлов, применяемых для изготовления ножевых товаров и столовых приборов, инструментальных товаров, одним из основных методов определения качества является испытание на твердость. Если металлические изделия имеют сложную форму и эксплуатируются в тяжелых условиях нагружения, то необходимо проведение нескольких испытаний (например, наряду с испытаниями на растяжение и твердость проводят испытания на технологические пробы). Показатели механических свойств выражены определенными величинами. Например, прочность измеряется в Н/м2 (кг/мм2), относительное удлинение   %.

Технологические испытания характеризуют способность металла принимать определенные деформации или воздействия подобные тем, которые металл должен претерпевать при технологической обработке или в условиях эксплуатации. При технологических испытаниях металлов определяют способность металлов к глубокой вытяжке, обработке резанием, сварке, на перегиб и т.п.

Обычно проведение технологических испытаний оговаривается соответствующими ГОСТами или техническими условиями. При испытаниях размеры образцов и условия испытания должны быть одинаковыми для сравнимости результатов. Показателями пригодности металла для изготовления изделий, а также качества самих изделий служат такие характеристики, как степень вытяжки, угол загиба, число перегибов, число скручиваний, угол загиба, число перегибов, число скручиваний, стойкость к работе и т.д. Технологические пробы, как правило, дают качественную характеристику металла с его пригодностью к изготовлению и применению исходя из условий эксплуатации.

^ 1. Испытание на растяжение

Испытания на растяжение (ГОСТ 1497-73) проводят на универсальных разрывных машинах всех систем. Образцы для испытания могут быть цилиндрические и плоские; изготовляются согласно ГОСТу.

Круглый образец (см. рисунок) состоит из рабочей части l0 и головок (высотой h), служащих для закрепления его в захватах разрывной машины. Переход от рабочей части к головкам должен быть главным. Рабочей часть образца должна быть изготовлена с большой точностью.





























 

 

Образцы бывают двух видов – нормальные и пропорциональные. У нормальных образцов диаметр рабочей части равен 20 мм, а расчетная часть l0 – 100 мм – у коротких или 200 мм – у длинных. У пропорциональных образцов расчетная длина l0 равна пяти диаметрам у коротких и десяти – у длинных образцов.

Если применяют плоские образцы, то расчетную часть l0 определяют по формулам:

где F0 – начальная площадь поперечного сечения, мм2.

По этим же формулам определяют расчетную длину круглых образцов диаметром от 20 до 3 мм.

При испытании на растяжение тонких листов и лент толщиной менее 4 мм (ГОСТ 11701) применяют образцы с начальной расчетной длиной, равной 8 в0 (“длинные”) или 4 в0 (“короткие”), где в0 – начальная ширина образца в рабочей части на расчетной длине l0.

При испытании на растяжение определяют следующие характеристики механических свойств: предел пропорциональности (условный)   пц; предел упругости (условный)   0,05; предел текучести (физический)   т; предел текучести (условный)   0,2; временное сопротивление   в; относительное удлинение после разрыва   ; относительное сужение после разрыва   . Первые пять показателей являются характеристиками прочности металлов, последние две – пластичности.

Пределы пропорциональности, упругости и текучести определяются только графическим методом по диаграмме растяжения.

Для определения временного сопротивления  виспытуемый образец подвергается растяжению под действием плавно возрастающей нагрузки до разрушения. Наибольшая нагрузка, предшествующая разрушению образца, принимается за нагрузку Рmax(Рв), соответствующую временному сопротивлению (предел прочности). Временное сопротивление  ввычисляется по формуле

где Рв наибольшая нагрузка, предшествующая разрушению образца, Н или кгс;

F0 начальная площадь поперечного сечения образца, м2 или мм2.

Относительное удлинение  (%) определяют по формуле



где l1 – длина образца поле разрыва, мм;

l0 – длина образца расчетная, мм.

Относительное сужение  (%) после разрыва определятся по формуле

где F0 – начальная площадь поперечного сечения образца, мм2;

F1 – площадь поперечного сечения после испытания в месте разрыва, мм2.

При выполнении лабораторной работы следует определить временное сопротивление, относительное удлинение и относительное сужение на плоских образцах из алюминия.

При подготовке образцов производят замер микрометром толщины рабочей части образца, штангенциркулем – ширину рабочей части образца и отмечают по оси образца расчетную длину l0. Образец закрепляют в зажимных головках разрывной машины и плавно увеличивают нагрузку до разрушения образца. В конце испытания отмечают максимальную нагрузку.

^ 2. Определение твердости

Под твердостью металла понимают показатель механических свойств, характеризующих сопротивление металла проникновению в его толщу более твердого тела, т.е. способность материала сопротивляться воздействию внешних контактных напряжений. Малый объем деформируемого металла дает возможность определить твердость непосредственно на самом изделии, не пользуясь специально изготовленными образцами.

Для определения твердости металлов применяют метод вдавливания. На вдавливании стального шарика основаны приборы Бринелля и Польди, на вдавливании алмазного конуса и стального шарика – прибор Роквелла. Чем меньше при определенной нагрузке проникает в металл вдавливаемый шарик или алмазный конус, тем металл тверже. Зная твердость, можно судить о прочностных и пластических показателях металла. Например, в конструкционных сталях существует количественная связь между твердостью и пределом прочности:

где  в– предел прочности при растяжении, кг с/мм2;

НВ  твердость по Бринеллю, кг с/мм2;

к – коэффициент, зависящий от природы металла (если НВ 175, то к=0,34; если НВ 175, то к=0,36).

Определение твердости по Бринеллю

При измерении твердости по методу Бринелля стальной шарик диаметром 10 мм вдавливают при определенной нагрузке (^ Р=3000 кг с). Величину твердости характеризует отношение нагрузки Р, действующей на шарик к площади поверхности шарового отпечатка диаметром d и глубиной h от вдавливаемого шарика диаметром Д.













где ^ НВ – твердость по Бринеллю, кг с/мм2;

Р – нагрузка, кг с;

F – площадь шарового сегмента, мм2.

Как известно, площадь шарового сегмента ^ F равна F = пДh,

где Д – диаметр шарика, мм;

h – глубина отпечатка, мм.

Поскольку удобнее измерять не глубину полученного отпечатка, а его диаметр, то твердость НВ выражают через диаметры шарика Д и отпечатка d:



Подставляя в формулу твердости значение F, получим:



Таким образом, для определения твердости по Бринеллю необходимо измерить диаметр полученной лунки и произвести соответствующий расчет по формуле. На практике не производят расчеты после каждого испытания, а определяют твердость по таблице, прилагаемой к прибору для любого значения диаметра отпечатка d.

Для определения твердости испытуемый образец устанавливают на предметный столик и, вращая маховик по часовой стрелке, поднимают его до соприкосновения с шариком. Маховик вращают до тех пор, пока стрелка не совместится с указателем. Затем включают электродвигатель, который через систему рычагов передает на образец нагрузку в течение определенного времени. После выдержки (20  30 с) электродвигатель, продолжая вращаться при помощи шатуна и эксцентрика, постепенно снимает нагрузку и выключается. Поворотом маховика образец освобождают от предварительной нагрузки. После этого измеряют в двух взаимно перпендикулярных направлениях диаметр полученного отпечатка с помощью лупы, имеющей шкалу с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра. По средней величине отпечатка определяют твердость материала.

 

^ Определение твердости по Роквеллу

Прибор Роквелла предназначен для испытания металлов и сплавов с повышенной твердостью (НВ 400). При испытании в образец вдавливается алмазный конус с углом при вершине 1200 или стальной шарик диаметром 1,59 мм. На приборе Роквелла применяют незначительные нагрузки (60, 100 и 150 кг с), поэтому на нем можно измерять твердость тонколистовых материалов (менее 1 мм). Твердость, определяемая по методу Роквелла, является величиной, обратной глубине проникновения наконечника в образец, измеряется в безразмерных единицах и автоматически фиксируется по круговой шкале индикатора. Условное перемещение стрелки индикатора на одно деление, соответствующее сотой части окружности шкалы, соответствует 2 мкм глубины вдавливания.

Приготовленный образец устанавливают на предметный столик. Вращением маховика поднимают образец до соприкосновения с алмазным конусом или шариком. Продолжая вращение маховика, вдавливают конус или шарик до тех пор, пока маленькая стрелка индикатора не установится против красной точки в вертикальном положении, а большая примерно совпадает с цифрой 0. Затем, поворачивая шкалу индикатора, цифру 0 на черной шкале совмещают с большой стрелкой. В результате сжатия пружины на образец будет передана нагрузка 10 кг с, которая называется предварительной. Она обеспечивает плотное соприкосновение между образцом и конусом или шариком. Затем включают электродвигатель, который через систему рычагов передает на образец основную нагрузку в течение определенного времени (5  7 с). После выдержки электродвигатель, вращаясь, при помощи шатуна и эксцентрика постепенно снимает нагрузку и выключается. При этом большая стрелка укажет величину твердости по Роквеллу. Индикатор имеет две шкалы: черную С – для испытания алмазным конусом и красную В – для испытания стальным шариком. Испытания алмазным конусом проводят с использованием нагрузок 150 и 60 кг с, стальным шариком – 100 кг с.

Определяя твердость по Роквеллу, следует сказать, по какой шкале проводилось испытание. Согласно ГОСТу приняты следующие условные обозначения твердости по этому методу: для испытаний, которые проводились алмазным конусом с нагрузкой 150 кг с – HRS; для испытаний, которые проводились также алмазным конусом, но с нагрузкой 60 кг с – HRA; для испытаний стальным шариком с нагрузкой 100 кг с – HRB.

Полученные числа твердости по Роквеллу в безразмерных единицах можно перевести в единицы Бринелля, используя для этого специальные таблицы.

В ходе лабораторной работы необходимо научиться определять твердость образцов из различных сталей по методу Роквелла. Используя таблицу, определите также твердость образцов методом Бринелля. Уясните влияние режимов технологической обработки на потребительские свойства готовых металлотоваров.

^ 3. Технологические пробы

Проба на вытяжку. Это испытание проводят для определения способности тонких листов (от 0,1 до 2 мм) из черных и цветных металлов подвергаться штамповке, вытяжке и другим аналогичным операциям обработки металла давлением.

Метод испытания заключается в вытяжке сферической лунки в зажатом по контуру образца с помощью пуансона с шаровым наконечником. Образец зажимают между матрицей и прижимным кольцом. Критерием окончания испытания служит момент уменьшения усилия вытяжке. Метой способности металла к вытяжке является глубина вытянутой лунки в миллиметрах. Для испытания технологических свойств листового металла на вытяжку используют прибор МТЛ-1ОТ-1, представляющий собой гидравлический пресс двойного действия, на котором могут осуществляться различные режимы работ. Для испытаний применяют образцы шириной 55 – 70 мм и используют пуансон диаметром 15 мм. При этом внутренний диаметр матрицы должен быть 21 мм, внутренний диаметр прижима – 18 мм.

При выполнении лабораторной работы по установлению пробы на вытяжку определяют глубину вытянутой лунки листового алюминия, оцинкованной и луженой стали, используя для этого прибор МТЛ-1ОТ-1. Порядок работы на этом приборе изложен в приложенной инструкции к прибору.

^ Проба на двойной кровельный замок и на перегиб. Проба на двойной кровельный замок позволяет установить, способен ли листовой металл принимать заданную по размерам и форме деформацию, необходимую при выполнении кровельных работ, изготовлении крупногабаритной сшивной посуды и т.п. Этой пробе подвергают листовой металл толщиной до 0,8 мм в холодном состоянии.

Испытание заключается в соединении двух листов двойным замком, как показано на рисунке:

 

 

 

Затем загибают по линии, перпендикулярной к линии замка, на заданный угол (но не более 450) и разгибают в плоскость. Перегиб и разгиб производят киянкой на деревянной подкладке. Число загибов и разгибов определяется стандартом или техническими условиями. После испытаний на образце не должно быть отслоений, трещин, надрывов и излома как в самом материале, так и в его покровном слое.

Выполняя лабораторную работу, студент должен определить качество металла и его способность к деформации путем пробы на двойной кровельный замок, используя для этого луженую и оцинкованную сталь.

Пробу на перегиб тонких листов и проволоки проводят в холодном состоянии. Образец зажимают в тиски и подвергают загибу и разгибу в плоскости, перпендикулярной к линии касания губок. Поворачивать проволоку в месте закрепления нельзя. Образец загибают переменно в правую и левую стороны. Первым перегибом считается загиб образца вправо (или влево) на 900, вторым – загиб образца на 1800 в сторону, противоположную предыдущему перегибу и т.д. до разрушения образца. Последний перегиб, на котором произошло разрушение образца, в расчет не принимается. Количество перегибов указано в соответствующих технических условиях. В технических условиях указывается также радиус закругления губок, который может быть равным 2, 4, 6, 8 или 10 мм.

Считается, что образец выдержал пробу, если после испытания в нем нет трещин, отслоений, надрывов или излома как в материале