Физико-механические свойства материалов. Занятие

Цели занятия:
1. Учебная: ознакомить обучающихся с устройством и принципом работы пресса типа Бринелля и прибора типа Роквелла, а также с основными методиками определения твёрдости конструкционных материалов.
2. Воспитательная: сформировать у обучающимся мотивацию на обучение и повысить уровень общетехнической грамотности.
3. Развивающая: научить обучающихся самостоятельно определять твердость конструкционных материалов по методу Бринелля и Роквелла и грамотной работе с таблицами по определению твёрдости.

Учебные вопросы:
Определение твердости по методу Бринелля;
2. Определение твердости по методу Роквелла.

Элементы и детали механизмов, а также изделия к которым предъявляются требования высокой твердости поверхностного слоя
Рис. 1. Аварийно-спасательный инструмент. (Губки гидравлических ножниц).
Рис. 2. Узлы пожарной техники (Зубчатые колёса коробки отбора мощности)
Рис. 4. Подшипники качения
Рис. 5. Режущий инструмент
Рис. 3. Кулачки и клапана двигателя.

Методы определения твердости материалов
Бринелля;
Роквелла;
Супер Роквелла;
Виккерса;
Шора;
Мооса;
Царапанья;
Кузнецова — Герберта — Ребиндера;
Метод Польди;
Метод Бухгольца.
Твёрдость — свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твёрдого стандартного тела — индентора.
Определение твердости материалов
Относительная твердость металлов

Определение твердости по методу Бринелля
НВ – Hardness Brinell
НВ – стальной шарик (НВ˂450)
HBW - твердосплавной шарик (НВ˃450)
Формула для расчёта твердости по методу Бринелля
Йоганн Август Бринелль
(шведский инженер, металлург)
1900 г. Швеция.
Обозначение твердости по методу Бринелля
Рис. 1. Схема испытаний материалов на твёрдость по методу Бринелля:
1 — индентор;
2 — образец из испытуемого материала;
3 — опорный столик пресса Бринелля.

Определение твердости по методу Бринелля
Рис. 2. Схема устройства прибора для определения твёрдости по Бринеллю:
1 — оправка с шариком (наконечник); 2 — шпиндель; 3 — пружина; 4 — малый грузовой рычаг; 5 — серьга; 6 — большой грузовой рычаг; 7 — качающийся рычаг; 8 — опорный ролик; 9 — шток; 10 — подвеска для грузов; 11 — грузы (гири); 12 — электродвигатель; 13 — кривошип; 14 — неподвижный упор автоматического выключателя; 15 — подвижный упор автоматического выключателя; 16 — червячный редуктор; 17 — станина прибора;
18 — переключатель; 19 — пусковая кнопка; 20 — маховик с гайкой;
21 — подъёмный винт; 22 — столик для плоских образцов; 23 — неподвижный упор .
Рис. 1. Пресс Бринелля

Определение твердости по методу Бринелля
Методика определения твердости по методу Бринелля
Рис. 1. Зависимость толщины испытуемого образца
от глубины отпечатка
Рис. 2. Отпечатки индентора в испытуемом материале:
1 — опечаток (лунка);
2 — испытуемый образец;
d — диаметр отпечатка (лунки);
D — диаметр шарика (индентора)

Определение твердости по методу Бринелля
Методика измерения отпечатка определения твердости по методу Бринелля
Рис. 1. Определение диаметра отпечатка с помощью шаблона
Рис. 2. Общий вид микроскопа МПБ-2
(лупы Бринелля):
1 — колонка;
2 — установочное кольцо; 3 — тубус;
4 — окуляр;
5 — объектив;
6 — труба тубуса.
Рис.3. Установка шкалы микроскопа для измерения диаметра отпечатка.

Протокол испытания материалов на твёрдость по методу Бринелля
Определение твердости по методу Бринелля
3,0
3,1
4,5
4,55
3,6
3,65

Соотношения числа твердости по Бринеллю (НВ) и предела прочности при растяжении (временного сопротивления) σв (МПа)

Определение твердости по методу Роквелла*
Схема определения твёрдости по методу Роквелла при вдавливании в испытуемый образец алмазного конуса:
h0 — углубление конуса под действием предварительной нагрузки P0 = 100 Н;
h1 — углубление конуса под действием общей нагрузки P = P0 + P1;
h — глубина остаточного вдавливания индентора после снятия нагрузки Р;
N — сила реакции опоры от действия прикладываемой нагрузки P;
1 — индентор (конус);
2 — испытуемый образец
Единицы измерения
[Условная величина]
Обозначение
[HRC, HRB, HRA]
Индентор для прибора Роквелла
* Назван по имени американского металлурга С. Л. Роквелла (S. P. Rockwell).
1916 г.

Определение твердости по методу Роквелла

Определение твердости по методу Роквелла
Рис. 1. Общий вид прибора Роквелла
Рис. 2. Индикатор часового типа на приборе Роквелла

Определение твердости по методу Роквелла
Протокол испытания материалов на твёрдость по методу Роквелла
63,8
64,5
66,0
43,2
45,0
46,7

Определение твердости по методу Виккерса*
Рис. 2. Схема определения твердости по Виккерсу.
Рис. 1. Прибор для определения твердости по Виккерсу.
Рис. 3. Отпечатки четырехгранной пирамиды.
Виккерс* - Название от английского военно-промышленного концерна «Vickers Limited».

Твердость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки P к площади поверхности отпечатка F:
Обозначение: HV – (Hardness Vickers);
Единицы измерения: Безразмерная величина;
Преимущество метода Виккерса:
1. Возможность измерять твердость любых материалов, тонких изделий, поверхностных слоёв.
2. Высокая точность и чувствительность метода.
Определение твердости по методу Виккерса

Соотношения мер твёрдости Бринелля – Роквелла – Виккерса

Определение твердости по методу МООСа
Рис.1. Фридрих Моос.
Минералогической шкалой твёрдости, шкалой твёрдости Мооса называют как набор стандартных минералов для определения относительной твёрдости методом царапания эталоном испытываемого объекта, так и собственно десятибалльную шкалу относительной твёрдости минералов.
Рис.2. Набор карандашей для определения твердости по Моосу.

Определение твердости по методу Шора
Рисунок 1. Аналоговый дюрометр Шора, установленный на штативе с устройством пригружения.
Рис.2. Цифровой дюрометр Шора