Твердость

 

 

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО ВГУ)

 

Химический факультет

 

Курсовая работа

на тему: Твердость.

«020300 - Химия, физика и механика материалов»

по дисциплине: Механические свойства материалов. 

 

 

 

Выполнила студентка химического факультета

3курса 2 группы Вихарева В.С.

Проверил преподаватель кафедры

материаловедения и индустрии наносистем

к.н. Донцов Алексей Игоревич

 

 

 

 

 

 

 

г. Воронеж.

2015 г. 
Оглавление

 

 

Введение.

Одной из наиболее распространенных характеристик, определяющих качество металлов и сплавов, возможность их применения в различных конструкциях и при различных условиях работы, является твердость. Испытания на твердость производятся чаще, чем определение других механических характеристик металлов: прочности, относительного удлинения и др.

Твердостью материала называют способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твердого тела. Для определения твердости в поверхность материала с определенной силой вдавливается тело (индентор),выполненное в виде стального шарика, алмазного конуса, пирамиды или иглы. По размерам получаемого на поверхности отпечатка судят о твердости материала. Таким образом, под твердостью понимают сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела – индентора. В «СИ» за единицу измерений твёрдости принят Н/м2. Единица имеет наименование Паскаль (Па). В зависимости от способа измерения твердости материала, количественно ее характеризуют числами твердости по Бринеллю (НВ), Роквеллу (HRC) или Виккерсу(HV) (имеються в виду самые распространенные).

В результате вдавливания достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Величина внедрения наконечника в поверхность металла будет тем меньше, чем тверже испытываемый материал.

Твёрдость определяется как величина нагрузки необходимой для начала разрушения минерала. Различают относительную и абсолютную твёрдость.

Относительная - тв. одного минерала относительно другого. Является важнейшим диагностическим свойством.

Абсолютная, она же инструментальная - изучается следствием вдавливания.

Твёрдость зависит от:

1) Межатомных расстояний.

2) Координационного числа - чем выше число, тем выше твёрдость.

3) Валентности.

4) Природы химической  связи.

5) От направления (например, минерал дистен - вдоль его твёрдость 4, а поперёк 7).

6) Хрупкости и ковкости.

7) Гибкости - минерал легко  гнётся, изгиб не выпрямляется. Пр: "тальк".

8) Упругости - минерал сгибается, но выпрямляется. Пр: "слюды".

9) Вязкости - минерал трудно  сломать. Пр: "жадент"- разновидность пироксена..

10) Спаянности.

Наиболее твёрдым из существующих на сегодняшний день материалов является лонсдейлит (одна из аллотропных модификаций углерода), на 58% превосходящий по твердости алмаз, однако маловероятно практическое использование из-за сложности его получения. Самым твёрдым из распространённых веществ является алмаз.

 

 

1. Теоретическая часть.

Твердость – это свойство материала сопротивляться проникновению в него другого тела, которое при этом не получает остаточных деформаций. В лабораторных и заводских условиях применяют различные способы определения твёрдости образцов и изделий для характеристики их механических свойств. На поверхность материалов воздействуют наконечниками из закалённой стали, алмаза, сапфира, твёрдого сплава, имеющеми форму шарика, конуса, пирамиды или иглы. Величина твёрдости и её размерность для одного и того же материала зависят от применяемого метода измерения. Пересчёт значений твёрдости, определяемый разными методами, производится по таблицам и эмпирическим формулам.

Существуют различные методы измерения твёрдости, отличающиеся характером воздействия наконечника:

• твёрдость, измеряемая вдавливанием наконечника, характеризует сопротивление материала пластической деформации;
• твёрдость, определяемая царапаньем поверхности, характеризует сопротивление разрушению путём среза (для большинства металлов);
• твёрдость, определяемая ударом или по отскоку наконечника-шарика, характеризует упругие свойства материала.

Методы измерения твёрдости делятся на статические и динамические.

1.1.Статические методы определения твердости.

К статическим методам определения твёрдости относятся методы вдавливания:

• измерение твёрдости по методу Бринеля;
• измерение твёрдости по методу Роквелла;
• измерение твёрдости по методу Виккерса;
• измерение микротвёрдости;
• измерение твёрдости методом царапания; при царапании происходит не только упругая и пластическая деформация испытуемого материала, но и местное разрушение его. Нанесение царапины на поверхность образца производится алмазным конусом с углом при вершине 90° при перемещении предметного столика.

Методы вдавливания получили наибольшее распространение в  промышленности. В результате вдавливания наконечника поверхностные слои металла под ним и в близи него пластически деформируются, а после снятия нагрузки остаётся отпечаток. Преимущества измерения твёрдости (вдавливанием):

1. Твёрдость определяется  не только у пластичных материалов, но также у материалов, которые при обычных механических испытаниях (например, на растяжение) разрушаются хрупко (чугуны).

2. Между твёрдостью пластичных металлов определяемой методом вдавливания, существует количественная зависимость с другими механическими свойствами – прежде всего с пределом прочности на растяжение (σв).

3. Измерение твёрдости  выполняется значительно проще, чем определение прочности, пластичности и вязкости. В данном случае не требуется изготовления специальных образцов, которые, как правило, разрушаются при испытании. На рисунке 1 представлены образцы для определения прочности на растяжение.

4. Определение твёрдости  – неразрушающий метод контроля. Испытаниям могут подвергаться как специально изготовленные образцы, так и готовые детали, которые после измерения можно использовать по назначению.

5. Твердость можно измерять  на деталях небольшой толщины, а также в очень тонких поверхностных слоях. При измерении микротвёрдости можно определять твёрдость отдельных фаз и структурных элементов.

Значительное влияние на результаты измерения твёрдости оказывает состояние поверхности детали (образца). Неровность (криволинейность, шероховатость) поверхности может привести к ошибкам измерения. Чем меньше нагрузка для вдавливания, тем более тщательно должна быть обработана поверхность: для определения твёрдости по Бринеллю и по Роквеллу – требуется шлифовка, по Виккерсу и для определения микротвёрдости – полировка поверхности.

Выбор метода измерения твёрдости зависит от степени неоднородности материала – если сплав имеет гетерогенную структуру с крупными выделениями отдельных структурных составляющих (например – серые чугуны), то выбирают метод с использованием стального шарика большого диаметра – метод Бринелля. Если материал имеет мелкую и однородную структуру, то применяют алмазный конус или алмазную пирамиду (метод Роквелла или Виккерса) при значительно меньших нагрузках.

а

б

а – плоский образец для определения предела прочности на растяжении (sв);

б – цилиндрический образец для определения предела прочности на растяжение.

Рис. 1. Образцы для определения предела прочности на растяжение.

Измеряемая поверхность должна быть установлена горизонтально, т. е. перпендикулярно вдавливаемому телу. Противоположная сторона образца должна быть так же зачищена, и не иметь окалины.

1.1.1.Измерение твердости по методу Бринелля.

При определении твёрдости данным методом в поверхность материала с помощью пресса вдавливается стальной шарик диаметром 10 мм, 5 мм или 2,5 мм как показано на рисунках 2 и 3. Шарик под нагрузкой выдерживается 10 – 60 секунд, затем нагрузка снимается и по площади оставленного на поверхности образца отпечатка (лунки) рассчитывается твёрдость по Бринелю (Н/м2 = Па) (формула 1). Для определения площади отпечатка с помощью измерительной лупы (например, МПБ-3, рисунок 4) измеряется его диаметр в двух взаимно перпендикулярных направлениях, как показано на рисунке 5, и вычисляется среднеарифметическая величина.

Рис. 2. Измерение твердости по методу Бринелля.

 ,                (1)

где  Р – нагрузка в Ньютонах; S – площадь поверхности отпечатка, м2; D – диаметр шарика, м; d – диаметр отпечатка, м.

Ранее твёрдость измерялась в единицах НВ = кГ/мм2. Эти единицы широко использовались в справочной литературе и для перехода в систему СИ (МПа) приводимые данные надо умножать на коэффициент 9,80665 ≈ 9,8. (1 кГ = 9,80665 Н; 1 мм2 = 1 х 10-6 м2).

Рис. 3. Наконечники с шариками диаметров 10; 5 и 2.5 мм для определения твердости по методу Бринеля.

Рис.4. Измерительная лупа МПБ-3 (цена деления шкалы 0.02 мм или 0.04 мм)

При проведении испытаний следует соблюдать следующие правила:

• расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее, чем 2,5 d;
• расстояние между центрами двух соседних отпечатков не должно быть менее 4,0 d;
• диаметр отпечатка должен находиться в пределах 0,2 D < d < 0,6 D.

При вдавливании шарика на разную глубину (т.е. с разной нагрузкой) для одного и того же материала, закон подобия не соблюдается для получаемых диаметров отпечатка. Наибольшие отклонения наблюдаются при очень малых диаметрах (малая нагрузка) и очень больших диаметрах отпечатка (больших нагрузках), поэтому твёрдость измеряют при постоянном соотношении между величиной нагрузки Р и квадратом диаметра шарика D2.

½___________40 мм___________½

Рис. 5. Лунки после вдавливания шарика.

а)   б) 

Рис. 6. Вид лунки при измерении твердости по методу Бринелля.

а – правильно; б – неправильно.

При измерении твёрдости по методу Бринелля необходимо соблюдать следующие правила:

• толщина образца, твёрдость которого измеряют, не должна быть менее десятикратной глубины отпечатка;
• толщина поверхностного слоя, твёрдость которого измеряют, не должна быть менее 1 – 2 мм;
• твёрдость измеряемых образцов должна находиться в диапазоне 80 – 4500 МПа (8 – 450 НВ) при температуре 20 ± 10оС.

На практике пользуются заранее составленными таблицами, позволяющими определить твёрдости по диаметру отпечатка.

Между пределом прочности (sв, МПа) и величиной твёрдости (НВ, МПа) пластичных металлов существует зависимость:

Сталь с твёрдостью 1200 – 1750 МПа ……………….sв ≈ 0,34 НВ (МПа)

Сталь с твёрдостью 1750 – 4500 МПа ………………sв ≈ 0,35 НВ (МПа)

Медь, латунь, бронза отожжённые …………………...sв ≈ 0,55 НВ (МПа)

Медь, латунь, бронза наклёпанные …………………...sв≈ 0,40 НВ (МПа)

Алюминий и алюминиевые сплавы с

твёрдостью 200 – 450 МПа ………………………sв ≈ (0,33 – 0,3) НВ (МПа)

Дуралюмин отожжённый ………………………………..sв ≈ 0,36 НВ (МПа)

Дуралюмин после закалки и старения …………………..sв ≈ 0,35 НВ (МПа)

Общего точного метода перевода чисел твёрдости по Бринеллю на числа твёрдости по другим шкалам не существует. Поверка приборов для измерения твёрдости по Бринеллю производится с помощью образцовых мер твёрдости.

1.1.2.Измерение твердости по методу Роквелла.

При измерении твёрдости по методу Роквелла в образец (изделие) вдавливается алмазный конус с углом при вершине α = 120о или стальной шарик с диаметром D = 1,588 мм (1,59 мм).

  а – алмазный конус; б – стальной шарик (d=1.59мм)

Рис. 7. Наконечники для измерения твердости по методу Роквелла.

Вдавливание производится в два этапа – сначала прилагается предварительная нагрузка Ро = 980 Н (10 кГ), а затем основная Р1. Таким образом общая нагрузка будет равна их сумме Р = Ро+ Р1. Предварительная нагрузка необходима для того, чтобы исключить влияние упругой деформации и различной степени шероховатости поверхности образца.

Рис. 8. Схема измерения твердости по Роквеллу с использованием алмазного конуса.

Твёрдость по Роквеллу измеряется в условных единицах. За единицу твёрдости принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. В таблице 1 приведены условия, которые необходимо соблюдать при измерении твёрдости этим методом. Расстояние между центрами соседних отпечатков или расстояние от центра какого-либо отпечатка до края образца должно быть не менее 3,0 мм.

Таблица 1. Условия измерения твердости по методу Роквелла.

Обозначения		Формулы для выражения чисел твердости	Р1, Мпа (кГ)	Р, Мпа (кГ)	Пределы измерения чисел твердости по Роквеллу, HR	Тип наконечника
Шкал	Чисел твердости
А	HRA	100 – e	490 (50)	588 (60)	70 – 85	Алмазный конус
В	HRB	130 – e	882 (90)	980 (100)	25 – 100	Стальной шарик
С	HRC	100 – e	1372 (140)	1470 (150)	20 – 67	Алмазный конус