Металлы и сплавы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского

«Харьковский авиационный институт»


АВИАЦИОННОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Часть 1

Металлы и сплавы


Авиационное материаловедение. Часть 1. Металлы и сплавы /Я.С. Карпов, П.П. Лепихин, В.В. Остапчук, Н.Д. Сазоненко, Н.И. Семишов. – Учеб. пособие по лаб. практикуму. – Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т», 2004. – 127 с.

Учебное пособие содержит описания и методические рекомендации, необходимые для практического выполнения десяти лабораторных работ по курсу «Авиационное материаловедение».

Рассмотрены механические испытания и методы исследования металлов и сплавов, механизм пластической деформации и влияние деформации на свойства сплавов, зависимость этих свойств от состава и структуры сплавов. Изложены вопросы термической обработки углеродистых и легированных сталей, алюминиевых и титановых сплавов.

Для студентов при изучении курса «Авиационное материаловедение».

Ил. 55. Табл. 16. Библиогр.: 9 назв.

Рецензенты: доц. Г.К. Крыжный, доц. Н.Ф. Савченко

г Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского

«Харьковский авиационный институт», 2004 г.


Содержание


Введение и методические рекомендации

Лабораторная работа № 1. Определение механических свойств конструкционных материалов путем испытания их на растяжение

Лабораторная работа № 2. Определение твердости металлов и сплавов

Лабораторная работа № 3. Методы исследования качества, структуры и свойств металлов и сплавов

Лабораторная работа № 4. Пластическая деформация и рекристаллизация металлов

Лабораторная работа № 5. Диаграммы состояния двойных систем, структура и свойства сплавов

Лабораторная работа № 6. Диаграмма состояния «железоцементит». Структура, свойства и применение железоуглеродистых сплавов

Лабораторная работа № 7. Термическая обработка углеродистых сталей

Лабораторная работа № 8. Особенности упрочняющей термической обработки легированных сталей

Лабораторная работа № 9. Упрочнение титановых сплавов легированием и термической обработкой

Лабораторная работа № 10. Термическая обработка деформируемых алюминиевых сплавов

Библиографический список


Введение и методические рекомендации


Лабораторные работы по курсу «Авиационное материаловедение» проводятся в целях более глубокого изучения основных тем курса, приобретения навыков в области термической обработки сталей, алюминиевых, титановых сплавов, ознакомления с механическими испытаниями и методами макро- и микроструктурного анализа металлов и сплавов, а также практической отработки ряда вопросов, связанных с использованием лабораторного оборудования: микроскопов, нагревательных печей, закалочных ванн, твердомеров, заточных, шлифовальных и полировальных станков и др.

Выполнению лабораторных работ должно предшествовать изучение соответствующих тем по материалам лекций и учебникам, знакомство с содержанием каждой работы по данному пособию. Для единообразного оформления лабораторных работ до выполнения каждой их них студенту необходимо в отдельной тетради или в специально выделенном месте конспекта по курсу лекций подготовить форму отчета, разработанную на кафедре. На все вопросы вводного раздела отчета (до практической части) должны быть даны необходимые ответы.

Для оценки характера изменения механических свойств в процессе деформации и различных видов термообработки проводится измерение твердости на приборе Роквелла. Если учесть, что твердость и предел прочности являются хорошо коррелирующимися свойствами материала, то по характеру изменения твердости можно судить о характере изменения прочности.

При изучении микроструктур сплавов и их зарисовке желательно пользоваться карандашом. На рисунках микроструктур в каждом случае необходимо делать выносные линии и указывать фазы и структурные составляющие.

По каждому пункту практических работ необходимо делать выводы или указывать значение определяемого параметра и давать его оценку.

Для сдачи лабораторных работ теоретического материала, приведенного в данном учебном пособии, недостаточно. Необходимо обращаться к курсу лекций и учебной литературе.


Лабораторная работа № 1


Определение механических свойств конструкционных материалов путем испытания их на растяжение


Цель работы

Изучить методику испытаний металлов и сплавов на растяжение.

Ознакомиться с конструкцией и работой разрывной машины.

Провести испытания на растяжение двух образцов из разных материалов, получить диаграммы растяжения.

Определить положение характерных точек, рассчитать параметры в характерных и промежуточных точках.

На основании выполненных расчетов построить диаграмму зависимости условных напряжений от степени деформации.

Определить основные механические характеристики материалов и дать заключение о свойствах испытанных материалов.

Содержание работы

Испытания на растяжение (ГОСТ 1497-84) широко применяют для определения механических свойств конструкционных сталей, цветных металлов и сплавов.

Стандарт устанавливает методы статических испытаний на растяжение для определения при температуре 20±15С пределов пропорциональности, упругости, текучести (условного и физического), временного сопротивления, относительного удлинения и относительного сужения после разрыва.

При испытаниях на растяжение принимают следующие обозначения и определения:

 рабочая длина образца  (м, мм)  часть образца с постоянной площадью поперечного сечения между его головками или участками для захвата;

 начальная расчетная длина образца 0 (м, мм)  участок рабочей длины образца между нанесенными метками до испытания, на котором определяется удлинение;

 конечная расчетная длина образца к (м, мм)  длина расчетной части образца после разрыва;

 начальный диаметр образца d0 (м, мм)  диаметр рабочей части цилиндрического образца до испытаний;

 диаметр образца после разрыва dк (м, мм)  минимальный диаметр рабочей части цилиндрического образца после разрыва;

 начальная площадь поперечного сечения образца F0 (м2, мм2)  площадь поперечного сечения рабочей части образца до испытаний;

 площадь поперечного сечения образца после разрыва Fк (м2, мм2)  минимальная площадь поперечного сечения рабочей части образца после разрыва;

 осевая растягивающая нагрузка P (Н, кгс)  нагрузка, действующая на образец в данный момент испытания;

 условное напряжение  (МПа, кгс/мм2)  напряжение, определяемое отношением нагрузки P к начальной площади поперечного сечения F0 образца;

 истинное нормальное напряжение S (МПа, кгс/мм2)  напряжение, определяемое отношением нагрузки P к действительной в данный момент испытания площади поперечного сечения F образца;

 абсолютное удлинение образца  (м, мм)  приращение начальной расчетной длины образца в любой момент испытания;

 предел пропорциональности пц (МПа, кгс/мм2)  напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой «нагрузка-удлинение» в точке Pпц с осью нагрузки, увеличивается на 50% от своего значения на упругом (линейном) участке;

 условный предел упругости 0,05 (МПа, кгс/мм2)  напряжение, после снятия которого остаточное удлинение достигает 0,05% длины участка рабочей части образца, равного базе измерения;

 модуль упругости E (МПа, кгс/мм2)  отношение приращения напряжения к соответствующему приращению деформации в пределах упругой деформации;

 предел текучести физический:

 нижний предел текучести т (МПа, кгс/мм2)  наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки;

 верхний предел текучести тв (МПа, кгс/мм2)  напряжение, соответствующее первому пику нагрузки, зарегистрированному до начала текучести рабочей части образца;

 предел текучести условный 0,2 (МПа, кгс/мм2)  напряжение, после снятия которого остаточное удлинение достигает 0,2% длины рабочего участка образца;

 временное сопротивление (предел прочности) в (МПа, кгс/мм2)  максимальное напряжение, которое выдерживает образец до разрушения;

 относительное равномерное удлинение р (%)  отношение приращения длины участка в рабочей части образца до момента начала образования шейки (в т. в) для пластичных материалов или до разрыва в материалах, у которых шейка не образуется, к длине образца до испытания;

 относительное удлинение после разрыва  (%)  отношение приращения расчетной длины образца к = (к 0) после разрушения к начальной расчетной длине 0;

 относительное сужение после разрыва  (%)  отношение разности начальной F0 и минимальной конечной Fк площадей поперечного сечения образца после разрушения к начальной площади поперечного сечения образца F0;

Для испытаний на растяжение применяют пропорциональные цилиндрические или плоские образцы (рис. 1.1) диаметром или толщиной в рабочей части 3 мм и более. Начальная расчетная длина цилиндрических образцов 0 =5d0, 0 =10d0, а образцов квадратного или прямоугольного сечения  0 = 5,65Металлы и сплавы (короткие) или 0 = 11,3Металлы и сплавы (длинные). Применение коротких образцов предпочтительнее.

Образцы из тонких листов и лент толщиной от 0,5 до 3 мм изготавливают в соответствии с ГОСТ 11701-84.

Испытания проводят обычно на двух образцах.

Допускается применение непропорциональных образцов, для которых начальная расчетная длина 0 устанавливается независимо от начальной площади поперечного сечения образца F0.

Типы и размеры пропорциональных цилиндрических и плоских образцов приведены в приложениях к ГОСТ 1497-84.


Металлы и сплавы

Рис. 1.1. Образцы для испытаний на растяжение:

1  плоский; 2  цилиндрический

Форма и размеры головок и переходных частей образцов определяются способом крепления образцов в захватах разрывной машины.

По ГОСТ 1497-84 определяют место вырезки, способ изготовления, качество поверхности, предельные отклонения по размерам образцов.

В качестве испытательных применяют разрывные и универсальные машины различных систем. Машина должна обеспечивать: надежное центрирование образца в захватах, плавность нагрузки, скорость перемещения подвижного захвата не боле 0,1 мм/мин до предела текучести и не более 0,4 мм/мин за пределом текучести. Принципиальная схема разрывной машины Р-5 с рычажно-маятниковым силоизмерителем показана на рис. 1.2 (стрелками на схеме указаны движения элементов машины в процессе нагружения образца).

Испытываемый образец 1 помещают в захваты, один из которых (2) называется активным, а другой (3) - пассивным. Активный захват располагается на подвижной траверсе 4, в которой имеются застопоренные (не вращающиеся) гайки 5. Привод активного захвата (создание силы Р ) осуществляется электромеханическим путем: вращательное движение вала электродвигателя 6 через червячный редуктор 7 и шестерни 8 и 9 передается винтам 10; вращаясь в застопоренных гайках, винты заставляют траверсу перемещаться поступательно.

На опоре 11 верхней неподвижной траверсы установлен рычаг 12 маятникового силоизмерителя, связанный с тягой 13 пассивного захвата 3. Через систему рычагов и тяг силоизмерителя 12 - 16 нагрузка Р, действующая на образец, уравновешивается силой G маятникового груза 17. Отклонение маятника от начального положения (когда Р = 0) фиксируется по отсчетному устройству 18 со шкалами, проградуированными по силе Р .

При отклонении маятника поводок 19, жестко соединенный с рычагами 15 и 16 маятника, перемещает зубчатую рейку 20, которая вращает шестерню 21, сидящую на одной оси с рабочей стрелкой 22 отсчетного устройства силоизмерителя. При перемещении рабочая стрелка ведет за собой контрольную стрелку, которая фиксирует максимальное усилие. На циферблате отсчетного устройства нанесены три шкалы (А, Б и В), соответствующие различным диапазонам нагрузок (машина может быть настроена на создание предельных нагрузок: 1000, 2500 и 5000 кгс соответственно).

На одной оси с шестерней и рабочей стрелкой указателя нагрузок установлен шкив 23, который с помощью гибкого тросика 24 перемещает перо 25 самописца.

Для записи диаграммы Р = f() используют специальную бумажную ленту 26 (ЛПГ 320, ГОСТ 7836-75) с величиной наименьших делений 1,6 мм.

Одно такое деление по оси ординат (сила Р) при наладке машины на предельную нагрузку 1000 кгс соответствует 5 кгс, на 2500 кгс - 12,5 кгс, на 5000 кгс - 25 кгс.

При растяжении образца перемещению активного захвата в 1 мм будет соответствовать перемещение ленты по оси абсцисс (абсолютная деформация  ) на 10, 50 или 100 мм.

Желаемый масштаб  (10:1, 50:1 или 100:1) обеспечивается настройкой масштабного преобразователя 27, который является настраиваемым редуктором, передающим вращение на барабан 28 лентопротяжного механизма от шестерни 29 через валик 30 и пару конических шестерен 31.

Одновременно деформация может контролироваться специальным счетчиком 32, одна единица показаний которого соответствует 0,2 мм перемещения подвижной траверсы 4.

Движение активного захвата без нагрузки может происходить с различной скоростью (от 1 до 100 мм/мин), которая контролируется прибором 33.


Металлы и сплавы

Рис. 1.2. Принципиальная схема разрывной машины


Показанный на схеме груз 34 служит для возврата в исходное положение (к нулю) рабочей стрелки 22 и пера 25 при снятии нагрузки.

На этой же машине, применяя специальное приспособление, можно испытывать металлы на сжатие и изгиб.

Диаграмма деформации при растяжении

Записывающее устройство разрывной машины графически изображает зависимость между действующей осевой нагрузкой и абсолютной деформацией образца.

На рис. 1.3 даны типичные диаграммы растяжения различных металлов. Диаграмма на рис. 1.3, а свойственна большинству металлов и плавов. Для малоуглеродистой отожженной стали и некоторых отоженных бронз характерна диаграмма с площадкой текучести, которая приведена на рис. 1.3, б. Хрупкие металлы (чугун и др.) разрушаются при малых пластических деформациях (рис. 1.3, в).


Металлы и сплавы

А б в

Рис. 1.3. Диаграммы растяжения различных металлов


Характерные участки и точки диаграммы растяжения показаны на рис. 1.4.

Первый участок диаграммы 0P представляет собой прямую линию, т.е. между Р и  соблюдается закон Гука. Напряжение в точке Р есть предел пропорциональности


Металлы и сплавы.


При дальнейшем увеличении силы прямолинейная зависимость нарушается.

Несколько выше точки Р находится точка «е». Напряжение в точке «е» есть предел упругости 0,05, который вычисляют по формуле:


Металлы и сплавы. (1.1)


Предел упругости 0,05 , как и предел пропорциональности, определяется расчетным или графическим способом.

Точно так же определяется и модуль упругости Е, МПа (кгс/мм2):


Металлы и сплавы. (1.2)


Металлы и сплавы

Рис. 1.4. Характерные участки и точки диаграммы растяжения


За точкой «е» возникают заметные остаточные деформации, в точке S наблюдается переход к горизонтальной площадке S-S (площадка текучести). Для участка S-S характерен рост деформации без заметного увеличения нагрузки. Если обозначить величину нагрузки, соответствующую площадке текучести, через Рт, то напряжение в этой точке можно вычислить по формуле, что и является физическим пределом текучести.


Металлы и сплавы , (1.3)


Следует отметить, что иногда (особенно это характерно для малоуглеродистой стали) на площадке текучести появляется «зуб» или низкочастотные колебания нагрузки. Это объясняется особенностями строения испытываемых материалов.

В этом случае предел текучести определяется по верхней точке амплитуды «зуба» («зубьев») и называется верхним пределом текучести (рис. 1.5). Для материалов, не имеющих на диаграмме площадки текучести, определяют условный предел текучести


Металлы и сплавы . (1.4)


Металлы и сплавы

Рис. 1.5. Определение верхнего предела текучести

Для нахождения величины Р0,2 в масштабе диаграммы по оси абсцисс вправо от точки 0 (рис. 1.6) откладывают отрезок ОЕ, равный 0,0020, что составляет 0,2% от 0, и из точки Е проводят прямую, параллельную прямой ОР, до пересечения с кривой растяжения в точке S. Ордината этой точки определяет нагрузку Р0,2.

За площадкой текучести происходит упрочнение материала, и сопротивление деформации увеличивается, поэтому наблюдается увеличение нагрузки на кривой растяжения. До точки «в» образец деформируется равномерно.

Наибольшая нагрузка, предшествующая разрушению образца, обозначается Рв = Рmax. Напряжение в точке «в» называется временным сопротивлением, или пределом прочности:


Металлы и сплавы . (1.5)


После точки «в», соответствующей максимальной силе Рв, происходит заметное местное сужение образца (образуется шейка). Если до этого образец имел цилиндрическую форму, то теперь растяжение образца сосредотачивается в области шейки. На участке в-к сечение образца быстро уменьшается, вследствие чего уменьшается растягивающая нагрузка. В точке «к» образец разрывается по наименьшему сечению шейки Fк.

Показателем пластичности материала является его абсолютное остаточное удлинение ост при разрыве (см. рис. 1.4, отрезок 0А1), так как упругая деформация (отрезок А1А2) исчезает после разрыва:


ост =к  0 . (1.6)


Металлы и сплавы

Рис. 1.6. Определение местоположения точки S, соответствующей условному пределу текучести


Размеры испытуемых образцов могут быть различными, поэтому характеристикой пластичности образца является не его абсолютное, а относительное остаточное удлинение после разрыва


Металлы и сплавы. (1.7)


Другой характеристикой пластичности металла является относительное сужение  после разрыва, выраженное в процентах:


Металлы и сплавы. (1.8)


При определении пц, 0,05, т и в соответствующую им нагрузку Р делим на начальную площадь поперечного сечения образца F0. Напряжения эти называются условными. Однако при растяжении образца площадь поперечного сечения уменьшается. Напряжения, определенные по отношению при­ложенной нагрузки к действительной площади поперечного сечения образца в момент приложения этой нагрузки, называются истинными напряжениями:


Металлы и сплавы. (1.9)


Диаграмма растяжения Р– характеризует поведение образца из испытываемого материала с определенными геометрическими размерами. Чтобы исключить влияние размеров, диаграмму Р– перестраивают в диаграмму – , где Металлы и сплавы - напряжение, Металлы и сплавы – относительная деформация. Диаграмма – – это та же диаграмма Р–, построенная в масштабе 1/F0 по оси ординат и в масштабе 1/0 – по оси абсцисс.

Как уже было сказано, для точного определения пц, 0,05 и 0,2 используются специальные тензометры и электрические силоизмерители. С меньшей точностью эти характеристики можно определить, воспользовавшись машинными диаграммами и простейшим мерительным инструментом (линейка, штангенциркуль, микрометр).

Произвольной горизонтальной прямой пересекают кривую растяжения на линейном участке. Полученный отрезок ас делят на две равные части. Откладывают отрезок сd, который равен половине отрезка ас: ав=вс=сd. Из начала координат 0 проводят луч через точку d. Точку Р, соответствующую пределу пропорциональности, находят построением касательной к кривой растяжения, параллельной лучу 0d.

Значение предела упругости 0,05 принимается равным значению полученного предела пропорциональности пц из-за незначительного различия между ними.

Численные значения механических характеристик позволяют оценить прочностные и пластические свойстве испытанного материала (табл. 1.1).


Таблица 1.1 - Оценка прочности и пластичности

Материал


в


Уровень прочности


 ,%


Уровень пластичности


кгс/мм2


МПа


пластичности

Стали


140-200 и более


1400-2000

и более


высокопрочные


>40


высоко- пластичные


80-140


800-1400


прочные


20-40


пластичные


20-80


200-800


средней прочности


10-20


средней пластичности


<20


<200


малопрочные


<10


малопластичные


Алюминиевые сплавы

>50


>500


высокопрочные


25-35


повышенной пластичности

35-40


350-400


нормальной прочности


20-25


пластичные


<35


<350


малопрочные


<20


малопластичные



Порядок выполнения работы

1. Измерить диаметр испытуемых образцов; вычислить площадь F0 образцов; полученные результаты занести в табл. 1.2.

2. Занести в табл. 1.3 параметры машины.

3. Разорвать образцы (выполняет учебный мастер). При испытаниях по контрольной стрелке отсчетного устройства снять максимальное значение нагрузки Рmax и внести в протокол испытаний.

4. Измерить значения к, dк, вычислить Fк и занести в табл. 1.2.

5. Выполнить на миллиметровке копии машинных диаграмм, приняв следующие масштабы (сетка):

- по оси ординат - в 16 мм 125 кгс;

- по оси абсцисс - в 10 мм 1 мм.

6. Определить положение характерных точек Р, S, в, к и четырех произвольных точек, а также их координаты Р и  ; ре­зультаты занести в табл. 1.4.

7. Вычислить значения напряжений  и относительных удлинений  в характерных и произвольных точках; результаты свести в табл. 1.4.

8. По вычисленным значениям  и  построить на миллиметровке диаграммы условных напряжений – , выбрав удобный масштаб.

9. Занести в протокол испытаний значения прочностных характеристик испытанных материалов.

10. Вычислить и занести в протокол испытаний значения  и  (табл. 1.5).

11. Пользуясь таблицей для оценки прочности и пластичности (табл. 1.1.), дать заключение о свойствах испытанных материалов.


Таблица 1.2 - Параметры испытуемых образцов

Геометрические параметры Материал


Длина образца, мм :
- начальная 0

- конечная к

Диаметр образца, мм :
- начальный d0

- конечный dk

Площадь поперечного сечения образца, мм2:
- начальная F0

- конечная Fк


Таблица 1.3 - Параметры машины

Параметры Значения
Выбранный диапазон нагрузок, кгс
Цена деления бумажной ленты по ординате, кгс/дел или кгс/мм

Масштаб записи деформации,

мм деф/дел или мм деф/мм



Таблица 1.4 - Результаты обработки диаграммы

Параметр

Материал

образца

Значения параметров в характерных и произвольных точках
Р S 1 2 3 в 4 к

Нагрузка

Р, кгс



















Абсолютное удлинение

, мм



















Напряжение

, кгс/мм2



















Относительное

удлинение , %




















Таблица 1.5 - Протокол испытания на растяжение

Параметры Материал


Значение максимальной силы Рmax по

отсчетному устройству, кгс



Предел прочности в, вычисленный по этому значению силы, кгс/мм2

Результаты испытаний:

- предел пропорциональности

пц, кгс/мм2



- физический предел текучести

т, кгс/мм2



- условный предел текучести 0,2, кгс/мм2

- предел прочности в, кгс/мм2

Относительное удлинение после разрыва , % :
- по образцу

- по диаграмме

Относительное сужение , %

Заключение о свойствах испытанного материала:
- прочностные

- пластические


Лабораторная работа № 2


Определение твердости металлов и сплавов


Цель работы

Ознакомиться с устройством приборов.

Изучить методику определения твердости металлов по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу (подготовка образцов, выбор наконечников и нагрузки, порядок определения твердости, области применения).

Определить твердость образцов из различных материалов по Бринеллю и Роквеллу.

Вычислить приближенное значение предела прочности по полученному значению НВ.

Перевести числа твердости по Роквеллу в числа твердости по Бринеллю.

Содержание работы

Твердость – это способность материала сопротивляться внедрению в него других тел определенной формы и размеров под действием определенных сил. Измерение твердости можно осуществлять по методам Бринелля, Роквелла и Виккерса. В данной работе рассматриваются первые два метода.

Метод Бринелля

Метод измерения твердости металлов и сплавов по Бринеллю регламентируется ГОСТ 9012-59 (СТ СЭВ 468-77).

Сущность метода заключается во вдавливании стального закаленного шарика диаметром 2,5; 5,0 или 10 мм в испытываемый образец (изделие) под действием нагрузки, приложенной перпендикулярно к поверхности образца в течение определенного времени, и измерении диаметра отпечатка после снятия нагрузки (рис. 2.1).


Металлы и сплавы

Рис. 2.1. Схема получения отпечатка


Твердость по Бринеллю определяется отношением приложенной нагрузки Р (кгс) к площади поверхности отпечатка F (мм2):


Металлы и сплавы. (2.1)


Площадь поверхности в виде шарового сегмента определяется выражением


Металлы и сплавы, (2.2)


где D – диаметр шарика, мм;

d – диаметр отпечатка, мм.

Твердость выражается в МПа или кгс/мм2. При определении твердости по Бринеллю нагрузка и диаметр шарика должны соответствовать закону подобия


Р=кD2, (2.3)

где к – постоянная для данного материала величина, равная 30, 10 или 2,5, которая выбирается в зависимости от вида материала, его предполагаемой твердости и толщины испытываемого образца.

Диаметр шарика D, нагрузку Р и длительность выдержки  выбирают в соответствии с ГОСТом в зависимости от вида материала, его ориентировочной твердости НВ и толщины образца  (табл. 2.1). В табл. 2.1 приведены также значения коэффициента к.


Таблица 2.1 - Выбор диаметра шарика, нагрузки и длительности выдержки

Материал Твердость по Бринеллю Толщина образца , мм Коэффициент К Диаметр шарика D, мм Нагрузка Р, кгс Выдержка под нагрузкой , с
Черные металлы 140-150

6-3

3-2

 2

30

10,0

5,0

2,5

3000

750

187,5

10
-«-  140

 6

6-3

 2

10

10,0

5,0

2,5

1000

250

62,5

10
Цветные металлы  130

6-3

4-2

 2

30

10,0

5,0

2,5

3000

750

187,5

30
-«- 35-130

9-5

6-3

 2

10

10,0

5,0

2,5

1000

250

62,5

30
-«- 8-35

 6

6-3

 3

2,5

10,0

5,0

2,5

250

62,5

15,6

30

Диаметр отпечатка измеряют специальным отсчетным микроскопом МПБ-2, на окуляре которого нанесена шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра, с точностью до 0,05 мм в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Принимают среднюю из полученных величин.

На рис. 2.2 показан способ измерения отпечатка по шкале отсчетного микроскопа. В рассматриваемом случае диаметр отпечатка равен 4,3 мм.

Измерив диаметр отпечатка, площадь поверхности отпечатка F определяют по формуле (2.2) и, зная величину приложенной силы Р, твердость определяют по формуле (2.1) или находят по табл. 2.2.


Металлы и сплавы

Рис. 2.2. Измерение отпечатка с помощью отсчетного микроскопа


При измерении твердости шариком D=10 мм под нагрузкой Р=29430 Н (3000 кгс) с выдержкой =10 с твердость по Бринеллю обозначают цифрами, характеризующими число твердости, и буквами НВ, например 175НВ (здесь175 – число твердости, кгс/мм2, НВ – твердость по Бринеллю). При других условиях испытания после букв НВ указывают условия испытания в следующем порядке: диаметр шарика, нагрузка и продолжительность выдержки под нагрузкой, разделенные наклонной чертой, например 200НВ5/250/30. Между числом твердости по Бринеллю НВ и пределом прочности в существует примерная количественная зависимость в = K НВ, где K – коэффициент, определенный опытным путем (табл. 2.3).

Таблица 2.2 – Твердость по Бринеллю в зависимости от диаметра отпечатка

Диаметр отпечатка d, 2d или 4d, мм Число твердости при нагрузке Р, кгс Диаметр отпечатка d, 2d или 4d, мм Число твердости при нагрузке Р, кгс
30D2 10D2 2,5D2 30D2 10D2 2,5D2
3,00 415
34,6 4,55 174 58,1 14,5
3,05 401
33,4 4,60 170 56,8 14,2
3,10 388 129 32,3 4,65 167 55,5 13,9
3,15 375 125 31,3 4,70 163 54,3 13,6
3,20 363 121 30,3 4,75 159 53,0 13,3
3,25 352 117 29,3 4,80 156 51,9 13,0
3,30 341 114 28,4 4,85 152 50,7 12,7
3,35 331 110 27,6 4,90 149 49,6 12,4
3,40 321 107 26,7 4,95 146 48,6 12,2
3,45 311 104 25,9 5,00 143 47,5 11,9
3,50 302 101 25,2 5,05 140 46,5 11,6
3,55 293 97,7 24,5 5,10 137 45,5 11,4
3,60 285 95,0 23,7 5,15 134 44,6 11,2
3,65 277 92,3 23,1 5,20 131 43,7 10,9
3,70 269 89,7 22,4 5,25 128 42,8 10,7
3,75 262 87,2 21,8 5,30 126 41,9 10,5
3,80 255 84,9 21,2 5,35 123 41,0 10,3
3,85 248 82,6 20,7 5,40 121 40,2 10,1
3,90 241 80,4 20,1 5,45 118 39,4 9,86
3,95 235 78,3 19,6 5,50 116 38,6 9,66
4,00 299 76,3 19,1 5,55 114 37,9 9,46
4,05 223 74,3 18,6 5,60 111 37,1 9,27
4,10 217 72,4 18,1 5,65 109 36,4 9,10
4,15 212 70,6 17,6 5,70 107 35,7 8,93
4,20 207 68,8 17,2 5,75 105 35,0 8,76
4,25 201 67,1 16,8 5,80 103 34,3 8,59
4,30 197 65,5 16,4 5,85 101 33,7 8,43
4,35 192 63,9 16,0 5,90 99,2 33,1 8,26
4,40 187 62,4 15,6 5,95 97,3 32,4 8.11
4,45 183 60,9 15,2 6,00 95,5 31,8 7,96
4,50 179 59,5 14,0




 2d берется при использовании шарика диаметром 5 мм.

 4d берется при использовании шарика диаметром 2,5 мм.


Таблица 2.3 - Значения коэффициента K для некоторых материалов

Материал Состояние материала

Условия испытаний

(D=10 мм)

Металлы и сплавы

Латунь

Отожженая

наклепанная

Р = 10D2

0,50

0,41

Алюминий

Холоднокатаный

при обжатии 5%

при обжатии 10%

при обжатии 90%

отожженный

Р – 2,5D2

0,37

0,35

0,40

0,40

Дюралюминий

Отожженный

закаленный и

состаренный

Р=10D2


Р=30D2

0,36-0,37


0,34-0,36

Сталь легированная

220-400 НВ

- Р=30D2 0,33
Сталь углеродистая и легированная НВ250 - Р=30D2 0,34

При измерении твердости по Бринеллю необходимо соблюдать следующие условия:

1) действующее усилие перпендикулярно поверхности испытуемого образца;

2) поверхность образца должна быть плоской, чистой и гладкой;

3) образец должен лежать на подставке устойчиво;

4) минимальная толщина образца должна быть не менее 10-кратной глубины отпечатка;

5) расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 2,5d, между центрами двух соседних отпечатков – не менее 4d, а для металлов с НВ  350 – 3 d и 6 d;

6) диаметры отпечатков должны находиться в пределах 0,25Dd 0,6D.

Преимущества метода Бринелля – простота и надежность в работе приборов, применяемых для определения твердости, высокая точность определения твердости, так как при достаточно большом диаметре отпечатка исключается влияние локальных факторов.

Недостатки метода:

- метод не может быть применен для испытания металлов с НВ  450;

- метод неприменим для определения твердости листовых образцов

толщиной менее