Прочностные испытания металлов. Металлов испытания. Испытания на твердость

Для разных изделий применяются разные виды и марки металлов и сплавов. Выбор обычно основывается на характеристиках материалов. При проектировании любой конструкции учитываются свойства и испытания металлов, которым они были подвержены.

Производимые испытания над разного рода металлами помогают определить механические, термические, химические свойства металлов. Соответственно, в зависимости от выявляемых свойств металла, проводятся и определенные виды испытаний.

О том, какие свойства и испытания металлов имеют большое значение, и какими они бывают мы и поговорим далее.

Свойства металлов.

Каждый вид металла имеет определенный набор свойств - механических, технологических и эксплуатационных, которые характеризуют его способность к нагреву и охлаждению, свариванию, устойчивость к большим нагрузкам и прочее. Наиболее важные из них следующие:

• литейные - эти свойства металла важны при отливе, для качественных отливок;
• жидкотекучесть;
• усадка (т.е. изменение объемов и размеров при охлаждении и затвердевании);
• ликвация (химический состав может быть неоднородным по объему);
• свариваемость (важно при проведении сварочных работ, оценивается это свойство уже по готовому сварному соединению);
• обработка давлением - важно как металл реагирует на внешние нагрузки, не разрушается ли он под давлением;
• обработка резанием - обозначает поведение металла под воздействием разных режущих инструментов;
• ударная вязкость;
• износостойкость - сопротивление металла к поверхностным разрушениям под воздействием трения;
• коррозионная стойкость - стойкость к воздействию щелочных сред, кислот;
• жаростойкость - сопротивление окислению под воздействием высоких температур;
• жаропрочность - материал должен сохранять все свои свойства даже под воздействием высоких температур;
• хладостойкость - сохранение пластичности металла при низких температурах;
• антифрикционность - свойство, характеризующееся тем, как металл может прирабатываться к другим материалам.

Все эти свойства выявляются в ходе испытаний: механических, химических и прочих.

Механические испытания металлов.

При проведении таких испытаний на металл оказывают разную нагрузку - динамическую (ударное увеличение напряжения в металле) или статическую (постепенное увеличение напряжения).

В ходе нагрузок в металле могут возникать разные виды напряжения:

• сдвиговое;
• растягивающее;
• сжимающее.

Так, например, при скручивании металла в материале возникает сдвиговое напряжение, тогда как разгибание или сгибания приводят одновременно к сжимающему и растягивающему напряжению.

Согласно этим нагрузкам и возникающему напряжению могут проводиться такие виды механических испытаний:

• на растяжение;
• на изгиб;
• на удар (определяется ударная вязкость металла).

Кроме того механические испытания предполагают проверку на усталость материала (обычно при изгибе), на глубокую вытяжку и ползучесть. Также проводятся испытания на твердость, которые осуществляются методом вдавливания и динамическим способом (на металл скидывают боек с наконечником из алмаза).

Химические испытания металлов.

Методы химических испытаний применяют для того, чтобы определить состав металла, его качество и пр. В ходе таких испытаний обычно выявляется наличие ненужных и нежелательных примесей, а также количество легирующих примесей.

Химические испытания также помогают получить оценку стойкости металла к воздействию разных реагентов.

Один из видов таких испытаний - это селективное воздействие определенными химическими растворами. Это помогает определить такие показатели, как пористость, количество включений, сегрегации и прочее.

Испытания методом контактных отпечатков необходимы для определения уровня содержания в металле фосфора и серы.

Сезонное растрескивание металла определяется с помощью специальных растворов, воздействию которых подвергается материал. Проводится и ряд других испытаний.

Оптические и физические испытания.

В ходе испытаний металл не только подвергают разного рода воздействиям, но и тщательным образом исследуют под микроскопом. Такие исследования позволяют оценить качество металла, его пригодность, структурные характеристики и прочее.

Кроме того металлы подвергаются радиографическому контролю. Эти исследования осуществляются с помощью гамма-излучения и жесткого рентгеновского излучения. Такой контроль позволяет определить имеющиеся дефекты в металле. Часто радиографическому исследованию подвергаются сварные швы.

Существует также ряд других методов контроля, которым подвергается металл. Среди них:

• Магнитно-порошковый - применяется только для никеля, железа и кобальта, а также их сплавов. Этим методом определяются дефекты некоторых видов стали.
• Ультразвуковой - также позволяет выявлять дефекты только с помощью импульса ультразвука.
• Специальные методы - это и прослушивание со стетоскопом, и испытания на циклическую вязкость и пр.

Все эти испытания, в том числе контрольные, очень важны: они помогают определить какие металлы подходят для разных конструкций, каким обработкам можно подвергать материал, какие режимы сварки использовать и прочее.

Учебное пособие для профессионально-технических училищ. — М.: Машиностроение, 1990. — 256 с.: ил. — ISBN 5-217-00830-X.В доступной форме изложены основы теории прочности,пластичности металлов и сплавов. Рассмотрены устройство, принцип действия,правила эксплуатации приборов и оборудования для проведения испытаний,дефектоскопии. Приведены математические основы обработки результатов измерений. Учебное пособие может быть использовано при подготовке рабочих на производстве.Техника безопасности, противопожарная безопасность и производственная санитария
Основные сведения по технике безопасности.
Противопожарная безопасность.
Производственная санитария.
Основные свойства материалов
Исходные металлические материалы. Основные сведения о производстве металлов и сплавов.
Основные свойства металлов и сплавов.
Неметаллические материалы, их свойства и области применения.
Основы теории упругой и пластической деформации и разрушения
Общая характеристика и атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов.
Понятие о напряженно-деформированном состоянии.
Упругая и пластическая деформации.
Влияние температуры на прочность и пластичность металлов и сплавов.
Сведения о процессе разрушения.
Механические испытания металлов и сплавов
Классификация методов испытаний.
Статические испытания.
Испытания на ударный изгиб.
Испытания на усталость.
Испытания на длительную прочность и ползучесть.
Измерение твердости.
Оборудование и приборы для проведения механических испытаний
Классификация оборудования и приборов для проведения механических испытаний.
Устройство и принцип действия машин для статических испытаний.
Устройство и принцип действия машин для ударных испытаний.
Устройство и принцип действия машин для повторно-переменных нагрузок (испытания на усталость).
Устройство и принцип действия машин для проведения специальных испытаний.
Приборы для измерения твердости.
Контрольно-измерительные средства, применяемые при испытаниях.
Неразрушающие методы контроля. Определение физических свойств металлов и сплавов
Классификация методов неразрушающего контроля.
Дефекты металлов и сплавов, причины их возникновения.
Тепловые методы обнаружения дефектов.
Термический анализ фазовых превращений в металлах и сплавах.
Термический анализ при высоких температурах.
Термический анализ при высоких скоростях нагрева и охлаждения.
Калориметрический анализ.
Дилатометрический метод.
Магнитные методы.
Электрические методы.
Параметрический вихретоковый метод.
Акустические методы.
Методы капиллярного контроля.
Методы течеискания.
Радиографический и радиоскопический методы.
Испытания неметаллических материалов
Испытания строительных материалов и изделий.
Испытания текстильных материалов.
Испытания пластических масс.
Специальные виды испытаний
Испытания на обрабатываемость металлов резанием.
Технологические испытания.
Испытания слесарного инструмента.
Основные сведения о стандартизации, метрологии и контроле качества продукции
Государственные стандарты и метрология.
Стандартизация и качество продукции.
Стандарты на испытания материалов и готовой продукции.
Требования к образцам для испытаний и методы обработки результатов испытаний
Пробы и изготовление из них образцов для испытаний.
Статистическая обработка результатов испытаний.
Оформление результатов испытаний.
Список литературы

Механические свойства характеризуют сопротивление металла деформации и разрушению под действием механических сил (нагрузки).

К основным механическим свойствам относят:

Прочность
- пластичность
- ударную вязкость
- твердость

Прочность – это способность металла не разрушаться под действием механических сил (нагрузки).

Пластичность – это способность металла изменять форму (деформироваться) под действием механических сил (нагрузки) без разрушения.

Определяет способность металла противостоять ударным (динамическим) механическим силам (ударным нагрузкам).

Твердость – это способность металла сопротивляться проникновению в него других более твердых материалов.

Виды и условия механических испытаний металлов

Для определения механических свойств выполняют следующие виды испытаний:

Испытания на растяжение;
- испытания на статический изгиб;
- испытания на ударный изгиб;
- измерение твердости.

К условиям испытаний образцов относятся: температура, вид и характер приложения нагрузки к образцам.

Температура проведения испытаний:

Нормальная (+20°С);
- низкая (ниже +20°С, температура 0...-60°С);
- высокая (выше+20°С, температура +100...+1200°С).

Вид нагрузок:

растяжение
сжатие
изгиб
кручение
срез

Характер приложения нагрузки:

Нагрузка возрастает медленно и плавно или остаётся постоянной - статические испытания;
- нагрузка прилагается с большими скоростями; нагрузка ударная - динамические испытания;
- нагрузка многократная повторно-переменная; нагрузка изменяется по величине или по величине и направлению (растяжение и сжатие) - испытания на выносливость.

Образцы для механических испытаний

Механические испытания выполняют на стандартных образцах. Форма и размеры образцов устанавливаются в зависимости от вида испытаний.

Для механических испытаний на растяжение используют стандартные цилиндрические (круглого сечения) и плоские (прямоугольного сечения) образцы. Для цилиндрических образцов в качестве основных приняты образцы диаметром dо=10 мм короткий lо=5×do = 50 мм и длинный lо=10×do = 100 мм.

Плоские образцы имеют толщину равную толщине листа, а ширина устанавливается равной 10, 15, 20 или 30 мм.

Плоский образец без головок для захватов разрывной машины

Плоский образец с головками

Механические свойства, определяемые при статических испытаниях

Статическими называют испытания, при которых прилагаемая нагрузка к образцу возрастает медленно и плавно.

При статических испытаниях на растяжение определяются следующие основные механические характеристики металла:

Предел текучести (σ т);
- предел прочности или временное сопротивление (σ в);
- относительное удлинение (δ);
- относительное сужение (ψ).

– это напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки.

– это напряжение при максимальной нагрузке, предшествующей разрушению образца.

– это отношение приращения длины образца после разрушения к его начальной длине до испытания.

– это отношение уменьшения площади поперечного сечения образца после разрушения к его начальной площади до испытания.

При испытании на статическое растяжение железо и другие пластические металлы имеют площадку текучести, когда образец удлиняется при постоянной нагрузке Рm.

При максимальной нагрузке Рmax в одном участке образца появляется сужение поперечного сечения, так называемая “шейка”. В шейке начинается разрушение образца. Так как сечение образца уменьшается, то разрушение образца происходит при нагрузке меньше максимальной. В процессе испытания приборы рисуют диаграмму растяжения, по которой определяют нагрузки. После испытания разрушенные образцы складывают вместе и измеряют конечную длину и диаметр шейки. По этим данным рассчитывают прочность и пластичность.

Механические испытания на ударный изгиб

Динамическими называют испытания, при которых скорость деформирования значительно выше, чем при статических испытаниях.

Динамические испытания на ударный изгиб выявляют склонность металла к хрупкому разрушению. Метод основан на разрушении образца с надрезом (концентратором напряжений) одним ударом маятникового копра.

Стандарт предусматривает образцы с надрезами трех видов:

образец U – образный с радиусом R = 1 мм (метод KCU);

образец V – образный с радиусом R = 0.25 мм (метод KCV);

образец I – образный с усталостной трещиной (метод КСТ).

Под ударной вязкостью понимают работу удара, отнесенную к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора.

После испытания по шкале маятникового копра определяют работу удара, которую затрачивают на разрушение образца. Площадь сечения образца определяют до разрушения.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ

Твердостью называется свойство металла оказывать сопротивление пластической деформации в поверхностном слое при вдавливании шарика, конуса или пирамиды. Измерение твердости отличается простотой и быстротой осуществления и выполняется без разрушения изделия. Широкое применение нашли три метода определения твердости:

Твердость по Бринеллю (единица твердости обозначается HB);
- твердость по Роквеллу (единица твердости обозначается HR);
- твердость по Виккерсу (единица твердости обозначается HV).

Определение твердости по Бринеллю заключается во вдавливании стального шарика диаметром D = 10 мм в образец (изделие) под действием нагрузки и в измерении диаметра отпечатка d после снятия нагрузки.

Твердость по Бринеллю обозначают цифрами и буквами НВ, например, 180 НВ. Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость. Чем выше твердость, тем больше прочность металла и меньше пластичность. Чем мягче металл, тем меньше устанавливают нагрузку на приборе. Так при определении твердости стали и чугуна нагрузку принимают 3000 Н, никеля, меди и алюминия – 1000 Н, свинца и олова – 250 Н.

Определение твердости по Роквеллу заключается во вдавливании наконечника с алмазным конусом (шкалы А и С) или стального шарика диаметром 1.6 мм (шкала В) в испытуемый образец (изделие) под действием последовательно прилагаемых предварительной (Ро)и основной (Р) нагрузок и в измерении глубины внедрения наконечника (h). Твердость по Роквеллу обозначается цифрами и буквами HR с указание шкалы. Например, 60 HRC (твердость 60 по шкале С).

Определение твердости по Виккерсу заключается во вдавливании алмазного наконечника, имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды, в образец (изделие) под действием нагрузки и в измерении диагонали отпечатка d, оставшегося после снятия нагрузки. Метод используется для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоёв с высокой твердостью. Твердость по Виккерсу обозначается цифрами и буквами HV, например, 200 HV.

Испытания на статический изгиб

Технологические испытания на статический изгиб служит для определения способности металла воспринимать заданный по форме и размерам загиб. Аналогичные испытания проводят и на сварных соединениях.

Испытанию на загиб подвергают образцы из листового и фасонного (пруток, квадрат, уголок, швеллер и др.) металла. Для листового металла ширина образца (b) принимается равной двойной толщине(2 t), но не менее 10 мм. Радиус оправки указывается в технических условиях.

Различают три вида изгиба:

Загиб до определенного угла;
- загиб вокруг оправки до параллельности сторон;
- загиб вплотную до соприкосновения сторон (сплющивание).

Отсутствие в образце трещин, надрывов, расслоений или излома является признаком того, что образец выдержал испытание.

МЕТАЛЛОВ ИСПЫТАНИЯ
Цель испытания материалов состоит в том, чтобы оценить качество материала, определить его механические и эксплуатационные характеристики и выявить причины потери прочности.
Химические методы. Химические испытания обычно состоят в том, что стандартными методами качественного и количественного химического анализа определяется состав материала и устанавливается наличие или отсутствие нежелательных и легирующих примесей. Они нередко дополняются оценкой стойкости материалов, в частности с покрытиями, к коррозии под действием химических реагентов. При макротравлении поверхность металлических материалов, особенно легированных сталей, подвергают селективному воздействию химических растворов для выявления пористости, сегрегации, линий скольжения, включений, а также гросс-структуры. Присутствие серы и фосфора во многих сплавах удается обнаружить методом контактных отпечатков, при котором поверхность металла прижимается к сенсибилизированной фотобумаге. С помощью специальных химических растворов оценивается подверженность материалов сезонному растрескиванию. Проба на искру позволяет быстро определить тип исследуемой стали. Методы спектроскопического анализа особенно ценны тем, что позволяют оперативно проводить качественное определение малых количеств примесей, которые невозможно обнаружить другими химическими методами. Такие многоканальные приборы с фотоэлектрической регистрацией, как квантометры, полихроматоры и квантоваки, автоматически анализируют спектр металлического образца, после чего индикаторное устройство указывает содержание каждого присутствующего металла.
См. также ХИМИЯ АНАЛИТИЧЕСКАЯ .
Механические методы. Механические испытания обычно проводят для выяснения поведения материала в определенном напряженном состоянии. Такие испытания дают важную информацию о прочности и пластичности металла. В дополнение к стандартным видам испытаний может применяться специально разработанное оборудование, воспроизводящее те или иные специфические условия эксплуатации изделия. Механические испытания могут проводиться в условиях либо постепенного приложения напряжений (статической нагрузки), либо ударного нагружения (динамической нагрузки).
Виды напряжений. По характеру действия напряжения разделяются на растягивающие, сжимающие и сдвиговые. Скручивающие моменты вызывают особый вид сдвиговых напряжений, а изгибающие моменты - сочетание растягивающих и сжимающих напряжений (обычно при наличии сдвиговых). Все эти различные виды напряжений могут быть созданы в образце с помощью стандартного оборудования, позволяющего определять предельно допустимые и разрушающие напряжения.
Испытания на растяжение. Это - один из самых распространенных видов механических испытаний. Тщательно подготовленный образец помещают в захваты мощной машины, которая прикладывает к нему растягивающие усилия. Регистрируется удлинение, соответствующее каждому значению растягивающего напряжения. По этим данным может быть построена диаграмма напряжение - деформация. При малых напряжениях заданное увеличение напряжения вызывает лишь небольшое увеличение деформации, соответствующее упругому поведению металла. Наклон линии напряжение - деформация служит мерой модуля упругости, пока не будет достигнут предел упругости. Выше предела упругости начинается пластическое течение металла; удлинение быстро увеличивается до разрушения материала. Предел прочности при растяжении - это максимальное напряжение, которое металл выдерживает в ходе испытания. См. также МЕТАЛЛОВ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА .
Испытания на ударную вязкость. Один из самых важных видов динамических испытаний - испытания на ударную вязкость, которые проводятся на маятниковых копрах с образцами, имеющими надрез, или без надреза. По весу маятника, его начальной высоте и высоте подъема после разрушения образца вычисляют соответствующую работу удара (методы Шарпи и Изода).
Испытания на усталость. Такие испытания имеют целью исследование поведения металла при циклическом приложении нагрузок и определение предела выносливости материала, т.е. напряжения, ниже которого материал не разрушается после заданного числа циклов нагружения. Чаще всего применяется машина для испытания на усталость при изгибе. При этом наружные волокна цилиндрического образца подвергаются действию циклически меняющихся напряжений - то растягивающих, то сжимающих.
Испытания на глубокую вытяжку. Образец листового металла зажимается между двумя кольцами, и в него вдавливается шаровой пуансон. Глубина вдавливания и время до разрушения являются показателями пластичности материала.
Испытания на ползучесть. В таких испытаниях оценивается совместное влияние длительного приложения нагрузки и повышенной температуры на пластическое поведение материалов при напряжениях, не превышающих предела текучести, определяемого в испытаниях малой длительности. Надежные результаты могут быть получены лишь на оборудовании, обеспечивающем точный контроль за температурой образца и точное измерение очень малых изменений размеров. Длительность испытаний на ползучесть обычно составляет несколько тысяч часов.
Определение твердости. Твердость чаще всего измеряют методами Роквелла и Бринелля, при которых мерой твердости служит глубина вдавливания "индентора" (наконечника) определенной формы под действием известной нагрузки. На склероскопе Шора твердость определяется по отскоку бойка с алмазным наконечником, падающего с определенной высоты на поверхность образца. Твердость - очень хороший показатель физического состояния металла. По твердости данного металла зачастую можно с уверенностью судить о его внутренней структуре. Испытания на твердость часто берут на вооружение отделы технического контроля на производствах. В тех случаях, когда одной из операций является термообработка, нередко предусматривается сплошной контроль на твердость всей продукции, выходящей с автоматической линии. Такой контроль качества невозможно осуществить другими описанными выше методами механических испытаний.
Испытания на излом. В таких испытаниях образец с шейкой разрушают резким ударом, а затем излом исследуют под микроскопом, выявляя поры, включения, волосовины, флокены и сегрегацию. Подобные испытания позволяют приблизительно оценить размер зерна, толщину закаленного слоя, глубину цементации или разуглероживания и другие элементы гросс-структуры в сталях.
Оптические и физические методы. Микроскопическое исследование. Металлургический и (в меньшей степени) поляризационный микроскопы часто позволяют надежно судить о качестве материала и его пригодности для рассматриваемого вида применения. При этом удается определить структурные характеристики, в частности размеры и форму зерен, фазовые соотношения, наличие и распределение диспергированных инородных материалов.
Радиографический контроль. Жесткое рентгеновское или гамма-излучение направляется на испытуемую деталь с одной стороны и регистрируется на фотопленке, расположенной по другую сторону. На полученной теневой рентгено- или гаммаграмме выявляются такие несовершенства, как поры, сегрегация и трещины. Произведя облучение в двух разных направлениях, можно определить точное расположение дефекта. Такой метод часто применяется для контроля качества сварных швов.
Магнитно-порошковый контроль. Этот метод контроля пригоден лишь для ферромагнитных металлов - железа, никеля, кобальта - и их сплавов. Чаще всего он применяется для сталей: некоторые виды поверхностных и внутренних дефектов удается выявить нанесением магнитного порошка на предварительно намагниченный образец.
Ультразвуковой контроль. Если в металл послать короткий импульс ультразвука, то он частично отразится от внутреннего дефекта - трещины или включения. Отраженные ультразвуковые сигналы регистрируются приемным преобразователем, усиливаются и представляются на экране электронного осциллографа. По измеренному времени их прихода к поверхности можно вычислить глубину дефекта, от которого отразился сигнал, если известна скорость звука в данном металле. Контроль проводится весьма быстро и зачастую не требует выведения детали из эксплуатации.
См. также УЛЬТРАЗВУК .
Специальные методы. Существует ряд специализированных методов контроля, имеющих ограниченную применимость. К ним относится, например, метод прослушивания со стетоскопом, основанный на изменении вибрационных характеристик материала при наличии внутренних дефектов. Иногда проводят испытания на циклическую вязкость для определения демпфирующей способности материала, т.е. его способности поглощать вибрации. Она оценивается по работе, превращающейся в теплоту в единице объема материала за один полный цикл обращения напряжения. Инженеру, занимающемуся проектированием строений и машин, подверженных вибрациям, важно знать демпфирующую способность конструкционных материалов.
См. также СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ .
ЛИТЕРАТУРА
Павлов П.А. Механические состояния и прочность материалов. Л., 1980 Методы неразрушающих испытаний. М., 1983 Жуковец И.И. Механические испытания металлов. М., 1986

Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .

Смотреть что такое "МЕТАЛЛОВ ИСПЫТАНИЯ" в других словарях:

испытания металлов методом гиба с перегибом - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN bend unbend test …

испытания смазочных масел на содержание металлов - — Тематики нефтегазовая промышленность EN lubricating oil metal test … Справочник технического переводчика

испытания в природных условиях - полевые испытания Коррозионные испытания металла, проводимые в атмосфере, в море, в почве и т.п. [ГОСТ 5272 68] Тематики коррозия металлов Синонимы полевые испытания … Справочник технического переводчика

Когда на металлический образец действует сила или система сил, он реагирует на это, изменяя свою форму (деформируется). Различные характеристики, которыми определяются поведение и конечное состояние металлического образца в зависимости от вида и… … Энциклопедия Кольера

испытания - 3.3 испытания: Экспериментальное определение количественных или качественных характеристик объекта при его функционировании в условиях различных воздействий на него. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

испытания на ударный изгиб - испытания на изгиб надрезанных образцов на маятниковых копрах при начальной скорости удара 3 6 м/с (ГОСТ 9454); применяются прямоугольные образцы преимущественно длиной 55 мм, высотой 10 мм и шириной 2 10 мм с… …

испытания на статическое растяжение - испытания (ГОСТ 1497) цилиндрических или плоских образцов на кратковременное растяжение со скоростью перемещения активного захвата машины ≤ 0,1l0; мм/мин, до достижения предела текучести и Энциклопедический словарь по металлургии

испытания на коррозию - испытания для получения сравнительных данных о коррозионной стойкости материалов и покрытий в разных средах (ГОСТ 9905), а также с целью изучения кинетики и механизма коррозии. Испытания ведут на листовых образцах (5 10x25x40… … Энциклопедический словарь по металлургии

испытания на кавицационную стойкость - [саvitation tests] испытания для оценочной характеристики сопротивления металлов и сплавов кавитационному воздействию с наиболее полной имитацией реальных параметров работы изделий (свойств среды, температуры и ресурса испытаний и др.).… … Энциклопедический словарь по металлургии

испытания на изгиб - 1. испытания гладких узких образцов обычно при статическом сосредоточенном (трехточечном) изгибе для определения механических свойств металлов и сплавов пределов: пропорциональности (σпцизг), условных упругости(σ0,05изг) и текучести… … Энциклопедический словарь по металлургии

Книги

• Металловедение и термическая обработка металлов. Учебник , Ю. М. Лахтин , Рассмотрены кристаллическое строение металлов, пластическая деформация и рекристаллизация. Изложены современные методы испытания механических свойств и критерии оценки конструктивной… Категория: Металлургическая промышленность. Металлообработка Издатель: АльянС ,

Лабораторная работа № 5

ИСПЫТАНИЕ МЕТАЛЛОВ НА ТВЕРДОСТЬ

Цель лабораторной работы - освоить методику и получить навыки испытания металлов на твердость.

При выполнении лабораторной работы необходимо:

1)усвоить сущность метода испытания металлов на твердость, его преимущества перед другими методами определения механических

2)изучить устройство приборов для измерения твердости;

3) определить твердость стали, чугуна, цветных металлов (алюми­ния, меди и других), по значениям твердости НВ определить предел проч­ности металлов.

Оснащение участка лабораторной работы:

оборудование - пресс Бринелля, твердомер Роквелла, наконечники со стальными закаленными шариками выбранного диаметра, наконеч­ник с алмазным конусом, лупа с градуированной шкалой, настольные тиски, напильники и шлифовальный круг;

материалы - образцы углеродистой стали, чугуна и цветных сплавов;

плакаты - таблицы значений твердости.

Твердость - это свойство металла сопротивляться проникновению в него другого, более твердого, тела определенной формы и размеров. Определение твердости является наиболее широко распространенным методом испытания металлов, позволяющим без разрушения изделия и изготовления специальных образцов судить о качестве изделий. При­боры для испытания на твердость обладают высокой производительно­стью (до 100 испытаний в час), значительно превышающей производи­тельность других испытательных машин.

Твердость характеризует сопротивление пластической деформации и представляет собой механическое свойство металла, отличающееся от других его

Преимущества метода измерения твердости:

1. Между твердостью пластичных металлов, определяемой спосо­бом вдавливания,(и другими механическими свойствами (главным обра­зом, пределом прочности) существует количественная зависимость.

Величина твердости характеризует предел прочности металлов, получа­ющих в испытаниях на растяжение сосредоточенную пластическую де­формацию (образование шейки). Такая пластическая деформация анало­гична деформации, создаваемой в поверхностных слоях металла при из­мерении твердости вдавливанием наконечника. В ряде случаев и у хруп­ких металлов (например, серых чугунов) наблюдается качественная за­висимость между пределом прочности и твердостью.

По значениям твердости можно определять и некоторые плас­тические свойства металлов. Твердость, определенная вдавливанием, характеризует также предел выносливости некоторых металлов, в част­ности меди, дуралюмина и сталей в отожженном состоянии.

Измерение твердости по технике выполнения значительно про­ще, чем определение прочности, пластичности и вязкости. Испытания твердости не требуют изготовления специальных образцов и могут вы­полняться непосредственно на проверяемых деталях.

Измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения контролируемой детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению, в то время как для определения прочности, пластич­ности и вязкости необходимо изготовление специальных образцов из детали.

Твердость можно измерять на деталях небольшой толщины, а также в очень тонких слоях, не превышающих (для некоторых спосо­бов измерения твердости) десятых долей миллиметра, или в микрообъе­мах металла (метод измерения микротвердости). В последнем случае можно измерять твердость отдельных структурных составляющих в спла­вах.

Поскольку при измерении твердости в большинстве случаев дета­ли не разрушаются, то эти измерения можно применять для сплошного контроля деталей, в то время как определение характеристик прочности и пластичности проводят в качестве выборочного контроля.

Методы испытания на твердость - вдавливание, царапание, кача­ние, упругая отдача, магнитный.

Наиболее распространенным является метод вдавливания, при ко­тором твердость определяют:

по величине поверхности отпечатка от вдавливания стального

шарика при испытании на прессе Бринелля;

по глубине отпечатка при вдавливании алмазного конуса или стального шарика при испытании на приборе Роквелла.

Испытуемый образец или деталь должны иметь подготовленную гладкую плоскую площадку. Толщину испытуемого образца или изделия выбирают такой, чтобы на обратной стороне образца (изделия) не было заметных следов деформаций. Нагрузку следует прилагать по оси вдав­ливания наконечника перпендикулярно к испытуемой поверхности. При вдавливании наконечника с малыми нагрузками требуется более совер­шенная обработка поверхности.

Определение твердости способом Бринелля

1вердость по способу Ьринелля определяют путем вдавливания в испытуемый образец стального закаленного шарика диаметром D под действием заданной нагрузки Р в течение определенного времени

Диаметр отпечатка измеряют специальной лупой, имеющей шкалу с ценой деления 0,1 мм.

Диаметр шарика может быть различным и выбирается в зависимо­сти от толщины испытуемого материала; твердость измеряют при посто­янном соотношении между величиной нагрузки Р и сР (табл. 5.1).

6 B - 3,5 HB (МПа) для углеродистых сталей в нормализованном состоянии;

6в=3,6 НВ дня низколегированных конструкционных сталей в улуч­шенном состоянии;

6в= 5,5 НВ для меди, латуни и бронзы в отожженном состоянии;

6в = 4,0 НВ для тех же сплавов в наклепанном состоянии.

Для алюминия и его сплавов с твердостью 20...45 НВ а в = 3,5 НВ, для дуралюмина отожженного о в = 3,6 НВ, а после закалки и старения о в = 3,5 НВ. НВ принимается в кгс/мм 2 , тогда а в выражается в МПа.

Чтобы избежать длительных вычислений, на практике пользуются готовыми таблицами с заранее подсчитанными значениями твердости для отпечатков разных диаметров, полученных при разных нагрузках. Перед испытанием поверхность образца обрабатывают, чтобы она была глад­кой, без окалины и других дефектов.

К недостаткам способа Бринелля следует отнести невозможность испытаний:

металлов, имеющих твердость свыше 4500 МПа, при этом будет деформироваться сам стальной закаленный шарик и результаты испыта­ний будут неточны;

твердости мелких деталей и тонкого поверхностного слоя (менее 1 ...2 мм), так как шарик будет продавливать тонкий слой металла.

1.изучить работу твердомера;

2.очистить поверхность образцов от загрязнения и окалины с по­мощью напильника или на шлифовальном круге;

3.выбрать в зависимости от заданных условий испытаний диаметр шарика, нагрузку и время выдержки под нагрузкой;

4.закрепить наконечник с шариком в шпинделе пресса установоч­ным винтом;

5.установить на подвеску твердомера требуемое для испытания

количество сменных грузов;

6.установить упор на нужную продолжительность выдержки и зак­репить стопорным винтом;

7.установить на столик испытуемый образец и вращением маховика

поднять его до упора в наконечник с шариком, прикладывая этим предва­рительную нагрузку, равную 1 ООО Н, при этом центр будущего отпечатка дол­жен находиться на расстоянии не менее диаметра шарика от края образца, а от центра соседнего отпечатка - не менее двух диаметров шарика;

8.нажать на спусковую кнопку и привести в действие электродви­гатель, передавая нагрузку на образец;

9.после автоматического выключения электродвигателя опустить столик, снять образец и измерить диаметр отпечатка при помощи лупы в двух взаимно перпендикулярных направления. Диаметр отпечатка из­меряют с точностью до 0,5 мм при испытании шариком диаметром 10,5 мм и с точностью до 0,01 мм при испытании шариком диаметром 2,5 мм;

10.по величине диаметра отпечатка в таблице найти число твердо­сти НВ;

11.результаты испытания занести в протокол испытаний (табл. 5.2)..

Таблица 5.2.

2 Определение твердости способом Роквелла

Измерение твердости по способу Роквелла производят путем вдавливания алмазного конуса с углом при вершине 120° или стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм в испытуемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной Р 0 и основной Р. Общая нагрузка Р равна сумме предварительной и

основной: Р = Р 0 + Р^ (рис. 5.2).

0 во всех случаях равна 100 Н, а основ­ная Р и общая Р при вдавливании:

стального шарика (шкала В) Р х = 900 Н; Р = 100 + 900 = 1000 Н;

алмазного конуса (шкала С) Р { = 1400 Н; Р = 100 + 1400 = 1500 Н;

алмазного конуса (шкала А) Р у = 500 Н; Р = 100 + 500 = 600 Н.

Рис. 5.2. Схема определения твердости по способу Роквелла

I

где h - глубина внедрения шарика или конуса в испытуемый металл под действием общей нагрузки Р; h Q - глубина внедрения шарика или конуса в испытуемый металл под действием предварительной нагрузки Р 0 ; с - постоянная, равная 0,002 мм.

Индикатор прибора имеет две шкалы: черную - для испытаний алмазным конусом при различных основных нагрузках и красную - для испытаний шариковым наконечником. Красная шкала смещена относи­тельно нулевого деления черной шкалы на 30 делений в направлении, противоположном движению стрелки индикатора при внедрении нако­нечника. Это смещение сделано по той причине, что глубина вдавлива­ния шарика часто превышает 0,2 мм, т. е. стрелка при вдавливании дела­ет поворот более чем на 100 делений (при очень мягком материале). Определение твердости на приборе Роквелла имеет широкое примене­ние, поскольку на нем можно испытать как мягкие, так и твердые, а так­же тонкие материалы.

Шкала С используется при испытаниях сталей твердостью HRC = 20...70 и тонких поверхностных слоев толщиной свыше 0,5 мм, шкала А - при испытании твердых сплавов твердостью свыше HRC = 70, тонкого листового материала и для измерения твердости тонких поверх­ностных слоев (0,3...0,5 мм). Число HRA можно перевести в число HRC

по формуле:

HRC = 2HRA - 104. (5-5)

Шкала В применяется при испытании металлов средней твердости и изделий толщиной от 0,8 до 2 мм. Числа твердости по Роквеллу можно приближенно пересчитать в числа твердости по Бринеллю. На основа­нии экспериментальных данных установлена следующая зависимость:

НВ = 100 HRC (5.6)

в интервале твердости 2000...4500 МПа по Бринеллю, где НВ -твердость по Бринеллю; HRC - твердость по Роквеллу (шкала С).

Для перевода числа твердости по Роквеллу с одной шкалы на дру­гую пользуются специальными справочными таблицами. Поверхности образцов (как испытуемая, так и опорная) должны быть плоскими, па­раллельными друг другу, отшлифованными, без окалины, забоин и т. п.

К достоинствам способа Роквелла следует отнести высокую произ­водительность (время испытания 30...60 с, результат испытания считает­ся прямо на шкале прибора), простоту обслуживания, точность измере­ния и сохранение качественной поверхности после испытания. Этот спо­соб не рекомендуется применять для определения твердости неоднород­ных по структуре сплавов, криволинейных поверхностей и для испыта­ния деталей, которые под действием нагрузки могут деформироваться.

изучить работу твердомера;

подготовить образцы к испытанию так же, как и при испытаниях

на приборе Бринелля;

подобрать наконечник и закрепить его в шпинделе при помощи

установочного винта;

подобрать и подвесить грузы соответственно выбранному наконеч­нику и шкале, по которой предполагается вести испытание (см. табл. 5.3);

установить испытуемый образец на столик прибора;

вращением маховика постепенно подвести испытуемую поверх­ность образца до соприкосновения с наконечником, а затем дальнейшим его вращением произвести предварительное нагружение Р 0 до тех пор, пока малая стрелка индикатора не совпадет с красной точкой на шкале. Если она значительно перейдет за красную точку (влево), то необходимо загрузить прибор, выбрать на испытуемой поверхности другое место и начать испытание заново. Затем необходимо повернуть ободок индика­тора до совпадения нулевой отметки черной шкалы с большой стрелкой;

слегка нажать на платформу и тем самым произвести нагруже- ние образца через наконечник общей нагрузкой (предварительная Р плюс основная Р { ). В это время большая стрелка поворачивается против часо­вой стрелки после секундной выдержки в полностью нагруженном со­стоянии, происходит автоматическое снятие нагрузки />, во время кото­рого большая стрелка движется по часовой стрелке;

после полной остановки стрелки произвести отсчет числа твер­дости по соответствующей шкале индикатора: в случае применения ал­мазного наконечника - по черной шкале С или А, при шариковом нако­нечнике - по красной шкале В;

результаты испытаний внести в протокол испытаний (табл. 5.4);

10) вращением маховика против часовой стрелки опустить столик и снять образец.

1.Цель и задачи работы.

2.Краткое описание способов измерения твердости.

3. Схемы иллюстрирующие способы проведения испытаний.

4.Таблицы значений твердости по результатам измерений.

5.Определение предела прочности металла по значениям твердости

-;- , . lurja-jAfe^

6.Выводы по работе.