Л2.1. Твёрдость металлов

Модуль 2. Основные механические свойства металлов.
Слайд 5.01

Контроль за качеством металла.
Слайд 5.02
На предприятиях качество металла контролируется несколько раз, можно выделить три основных метода контроля:
Входной;
Междуоперационный;
Выходной (заключительный).
Во всех видах контроля качество металла может определятся за счет определения его механических характеристик или с помощью металлографического анализа.
Металлографический анализ – исследование макро- и микроструктуры металла.
Контроль качества металла

Виды контроля металла
Контроль по механическим характеристикам более быстрый, но позволяет определить качественный металл или нет, но не дает представления о том, почему металл плохой.
Металлографический анализ более сложный и трудоемкий позволяет ответить на вопрос, почему металл плохой.

Механические свойства металлов
Всего чаще определяется твёрдость металла.
Характеристика очень легко и быстро определяемая гостируемыми методами. Характеристика достаточно интегральная, т.к позволяет предсказывать прочность, пластичность и износостойкость металла.
Прочность металла. Зависит от условий эксплуатации и определяется целым рядом механических характеристик: предел текучести, предел прочности, ударная вязкость, трещиностойкость, предел усталости и т.д.
Пластичность.
Это способность металла принимать под действием нагрузки новую форму, не разрушаясь. Описывается относительным удлинением и относительным сужением при разрыве.
Износостойкость.
Износостойкостью называется способность металла оказывать сопротивление изнашиванию. Описывается величиной, обратной скорости изнашивания.
Контроль за качеством металла.
Слайд 5.03

Твёрдость металлов.
Твёрдость – свойство металла оказывать сопротивление пластической деформации при контактном взаимодействии.
Существует несколько способов определения твердости металлов. Суть всех методов одна: твердый наконечник вдавливается в испытуемый материал определенной нагрузкой, а твёрдость определяется по площади или глубине отпечатка.
Таким образом характеризуя любой метод испытаний необходимо описать форму, размеры и материал наконечника, величину прикладываемой нагрузки, способ определения твердости по глубине или площади отпечатка, ее обозначение и размерность.

Твёрдость металлов.
Виды испытания на твёрдость металлов:
- Метод по Бринеллю (НВ);
- Метод по Роквеллу (HR);
- Метод по Виккерсу (HV);
- Испытания на микротвёрдость.

Методы определения твёрдости.
Слайд 5.05
Испытания по Бринеллю.
Для оценки твёрдости цветных металлов и незакаленных сталей.
Наконечник – стальной закаленный шарик диаметром 10; 5; 2,5 мм.
Нагрузка 187,5 – 3000 кгс. Нагрузка задаётся с помощью прибора ТШ-2 (Бринелль)
Если F (P) в Н,то

Определение твердости по Бринеллю
.
1.Диаметр шарика выбирается исходя из толщины детали.
2.Величина нагрузки исходя из диаметра шарика и предполагаемой твердости материала.
3.Стандартные испытания твердости отожженных сталей проводятся шариком 10 мм, при нагрузке Р=3000 кг, и времени наложения нагрузки 15 сек
4. Диаметр полученного отпечатка определяется с помощью небольшого микроскопа МПБ-2, прикладываемого к прибору Бринелля.

Достоинства и недостатки испытаний по Бринеллю
Достоинства: заводской метод испытания непосредственно на деталях; точность измерения не зависит от посторонних веществ на поверхности (например, масла) и шероховатости.
Недостатки: ограниченность применения (до 420НВ), велик отпечаток (портится деталь), нельзя измерять твердость тонких листовых материалов.

Методы определения твёрдости.
Слайд 5.06
.
Наконечник – алмазный конус с углом при вершине 120 ̊, или стальной закаленный шарик диаметром 1,58 мм;
Испытания по трем шкалам:
HRC – алмазный конус, нагрузка 150 кгс;
HRА – алмазный конус, нагрузка 60 кгс;
HRВ – стальной закаленный шарик, нагрузка 100 кгс;
Нагрузка задаётся с помощью прибора ТК-2. И накладывается в два приема: вначале предварительная 10 кг, затем окончательная.
.
Испытания по Роквеллу

Испытания по Роквеллу
Глубина отпечатка контролируется с помощью стрелочного механизма часового типа. Твердость по шкале С определяется по формуле:
HRC = 100-L, где L = (h-ho)/0,002мм
и выражается в условных единицах (55HRC – закаленная сталь, 32НRC – отожженная сталь)
HRC – наиболее употребляемая шкала используется для всех материалов, наконечник алмазный конус.
НRA - шкала для твердых и хрупких материалов, наконечник алмазный конус;
HRB – шкала для мягких материалов, наконечник стальной закаленный шарик.

Достоинства и недостатки испытаний по Роквеллу
Достоинства: самый быстрый и цеховой метод испытаний; не зависит от шероховатости; отпечаток небольшой меньше портиться деталь, пригоден для испытаний любых по твердости материалов.
Недостатки: Нельзя проводить испытания тонких материалов, твердость определяется в условных единицах.

Методы определения твёрдости.
Слайд 5.07
Наконечник – алмазная пирамидка с квадратным основанием и углом при вершине 136о
Нагрузка 1 – 120 кгс. Нагрузка задается с помощью рычажного механизма ТП-2.
Диаметр диагоналей отпечатка измеряется с помощью встроенного в прибор микроскопа.
Стандартные испытания Р = 30 кгс,
= 15 сек.
НV = 1,854Р/d 2 кгс/мм2
Н/ мм2
Испытания по Виккерсу

Достоинства и недостатки испытаний по Виккерсу
Достоинства метода:
используется для оценки любых по твердости материалов;
может быть использован для оценки твердости листовых материалов.
Недостатки: лабораторный метод, испытания проводятся на образцах с специально подготовленной поверхностью.

Испытания на микротвердость
В основе испытаний на микротвердость лежит метод Виккерса, отличие заключается в величине прикладываемой нагрузки Р, которая составляет от 5 г до 200 г, соответственно отпечаток после вдавливания пирамидки получается очень маленький и для определения диагоналей отпечатка используется металлографический микроскоп с увеличением х300.
Испытания проводятся на приборе ПМТ-3
по ГОСТ 9450-73

Испытания на микротвердость
Метод может быть использован для определения твердости самых тонких покрытий, толщиной в несколько микрон (гальванических, химических, диффузионных)
А также для определения твердости отдельных фаз и структурных составляющих сплавов.

Прочность металлов
Прочность одна из главных характеристик металла, которая часто определяется при контроле качества металла.
Понятие прочности очень широкое понятие, прочность зависит от условий нагружения металла (статическая нагрузка, ударная, переменная) поэтому прочность характеризуется не одной, а целым рядом механических характеристик.

Статическая прочность металла
Прочность металла в условиях статических или медленно меняющихся нагрузок оценивается с помощью следующих механических характеристик:
σт – предела текучести;
σ0,2 – условного предела текучести;
σВ - предела прочности.

Образцы для испытаний на разрыв

Прочность металлов. Диаграммы растяжения.
Слайд 5.08
Прочность в условиях статических нагрузок. определяется с помощью снятия кривых растяжения металла, Кривые снимаются на разрывной машине.
Испытания на прочность при статических нагрузках

Прочность металлов. Диаграммы растяжения.
Слайд 5.09
Диаграмма растяжения состоит из трех участков: упругой деформации ОА, равномерной пластической деформации АВ и сосредоточенной деформации шейки ВС.
Наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки, называется пределом текучести σТ
σ0,2 – условный предел текучести – нагрузка, которая оставляет остаточное удлинение 0,2% от первоначальной длины образца.
Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению, называется пределом прочности σВ. или временным сопротивлением разрыву
Испытания на статическую прочность

Пластичность металлов
С помощью кривых растяжения определяются также характеристики пластичности металлов
Пластичность металла – это способность его к деформации:
Пластитичность характеризуется:
Относительным удлинением - δ
δ = Lкон –Lнач/ Lнач 100%;
Относительное сужение - Ψ
Ψ = Fнач – Fкон/ Fнач 100%;

Трещиностойкость
Коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины.
Испытания проводятся на образцах с трещиной
К1с = Уσн√πс кг/мм2 м1/2
У – коэффициент, учитывающий форму и размеры образца для испытаний
σн – нагрузка
с – длина дефекта (трещины)

Прочность металла в условиях динамической (ударной) нагрузки
Прочность металлов в условиях динамических нагрузок характеризуется ударной вязкостью, которая определяется работой (Дж/м2), затраченной на разрушение образца при ударе.
Ударная вязкость обозначается тремя буквами KCU, KCV, KCT, где буквы U,V,T указывают на вид образца использованного при испытаниях.

КСU
Виды образцов при испытаниях на ударную вязкость
KCV
KCT

Динамические испытания на ударную вязкость.
Слайд 5.10
Динамические испытания на ударную вязкость
Метод основан на разрушении образца с надрезом одним ударом маятникового копра.
Испытания проводятся по ГОСТ 9454-78
На маятниковом копре.

Прочность металла при наложении переменных нагрузок
Оценивается с помощью предела усталости или предела выносливости:
σR- при асимметричной нагрузке;
σ-1- при симметричной нагрузке;
Предел выносливости определяется из кривой усталости металла, для снятия которой необходимо иметь не менее 10 образцов.

Усталостные испытания.
Слайд 5.11
Усталость представляет собой процесс постепенного накопления повреждений в металле под действием переменных напряжений, приводящих к образованию и развитию усталостных трещин.
А1=А2 – симметричная нагрузка;
А1≠А2 – несимметричная нагрузка
Усталость металлов

Усталостные испытания.
Слайд 5.12
GВ – предел прочности металла.
Предел выносливости обозначают G-1 при симметричной нагрузке и G R при асимметричной нагрузке
I – квазистатическое разрушение;
II - малоцикловое разрушение;
III – многоцикловое разрушение.
Усталостные испытания
Кривая усталости