Презентация по материаловедению "Твердость металлов"

Твердость металлов
Разработал преподаватель
ГПОУ ЯО Ярославского политехнического колледжа № 24

Цель:
сформировать знания о свойстве металлов - твердость;
сформировать знания о методах определения твердости металлов;

Машиностроительные детали и механизмы, а также инструменты, предназначенные для их обработки, обладают набором механических характеристик. Немалую роль среди характеристик играет твердость. Твердость металлов наглядно показывает:
износостойкость металла;
возможность обработки резанием, шлифованием;
сопротивляемость местному давлению;
способность резать другой материал и прочие.
На практике доказано, что большинство механических свойств металлов напрямую зависят от их твердости.

Твёрдость
— свойство материала сопротивляться внедрению более твёрдого тела

Твёрдость определяется
как отношение величины нагрузки к площади поверхности, площади проекции или объёму отпечатка. Различают поверхностную, проекционную и объемную твёрдость:
поверхностная твёрдость — отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка;
проекционная твёрдость — отношение нагрузки к площади проекции отпечатка;
объёмная твёрдость — отношение нагрузки к объёму отпечатка.

Методы измерения твёрдости


Методы определения твёрдости по способу приложения нагрузки делятся на:
1) статические
2) динамические (ударные).
Прилагаемая нагрузка может прилагаться:
вдавливанием;
царапанием;
резанием;
отскоком.
Для измерения твёрдости существуют несколько шкал (методов измерения):

Методы измерения твёрдости
Все методы определения твердости металлов используют механическое воздействие на испытуемый образец – вдавливание индентора. Но при этом не происходит разрушение образца.
Машиностроительные предприятия на данный момент для определения твердости материалов используют методы Бринелля, Роквелла, Виккерса, а также метод микротвердости.

Способ Бринелля

Способ Бринелля
— твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому твердосплавным шариком, вдавливаемым в поверхность.
Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части сферы, а не как площадь круга);
Размерность единиц твёрдости по Бринеллю МПа (кгс/мм²). Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HBW, где H — hardness (с англ. — «твёрдость»), B — Бринелль, W — материал индентора, затем указывают диаметр индентора, нагрузку и время выдержки.
Стальные шарики в качестве инденторов для метода Бринелля уже не используются.

Диаметр отпечатка измеряют специальной измерительной лупой с точностью 0,05 мм. Для получения более точного результата диаметр отпечатка следует измерять в двух взаимно перпендикулярных направлениях. На рис. показано расположение шкалы лупы относительно кромок отпечатка.

Метод Роквелла
основан на вдавливании в испытуемый образец либо закаленного стального шарика диаметром 1,588 мм (шкала В), либо алмазного конуса с углом при вершине 120° (шкалы А и С). Вдавливание производится под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок — предварительной F0 равной 10 кгс и основной F1, таким образом, общая нагрузка F на момент нагружения F = F0 + F1.

Метод Роквелла
Мерой твердости в методе Роквелла является глубина проникновения внедрителя в испытуемый материал: одной единице твердости соответствует внедрение индентора на 0,002 мм. Схема измерения твердости конусом показана на рис.; В начале испытания индентор под действием предварительной нагрузки F0= 10 кгс вдавливается в поверхность на глубину ho Затем прикладывается основная нагрузка F1 и под действием этой суммарной нагрузки F = F0 + F1 индентор внедряется в испытуемую поверхность на максимальную глубину, производя пластическую и упругую деформацию материала После того как нагружение закончилось (примерно в течение 5с), снимают основную нагрузку, оставляя предварительную. Под действием упругих сил внедритель частично поднимается вверх и занимает положение, соответствующее глубине проникновения h (3), которая и характеризует твердость металла.

Шкалы прибора, с которых снимаются показания твердости, проградуированы в соответствии с глубиной ho.
Численное значение твердости (безразмерная величина) указывается стрелкой индикатора по соответствующей шкале. Это обстоятельство объясняет удобство, простоту и быстроту определения твердости методом Роквелла. Достоинством этого метода является возможность измерения твердости в широком диапазоне как очень твердых, так и сравнительно мягких материалов.

Метод Виккерса.
Осуществляется вдавливанием алмазной четырехгранной пирамиды с углом при вершине 136°. Твёрдость вычисляется как отношение нагрузки, приложенной к пирамидке, к площади поверхности отпечатка (причём площадь поверхности отпечатка берётся как площадь части геометрически правильной пирамиды, а не как площадь поверхности фактического отпечатка);

Методы Шора.
Метод вдавливания
Метод отскока
Методы Шора используется для определения твёрдости низкомодульных материалов (полимеров, продуктов вулканизации, каучуки, некоторые пластмассы) Их характеризует малая продольная упругость. Это приводит к высокой эластичности, даже при комнатных температурах.
Оба метода являются методами измерения твёрдости, предложены одним и тем же автором, имеют совпадающие названия и совпадающие обозначения шкал, это — не версии одного метода, а два принципиально разных метода с разными значениями шкал, описываемых разными стандартами.

Методы Шора. Метод вдавливания.
Метод вдавливания — твёрдость определяется по глубине проникновения в материал специальной закалённой стальной иглы (индентора) под действием калиброванной
пружины

Методы Шора. Метод вдавливания.
Для измерения дюрометром Шора применяется несколько шкал, используемых для материалов с различными свойствами. Две наиболее распространённых шкалы — тип A и тип D.
Шкала типа A предназначена для более мягких материалов, в то время как D для более твёрдых.

Методы Шора. Метод отскока
Метод определения твёрдости очень твёрдых материалов, преимущественно металлов, по высоте, на которую после удара отскакивает специальный боёк (основная часть склероскопа Шора), свободно и вертикально падающий с определённой высоты.
Схема склероскопа Шора: 1 — боёк, 2 — испытуемый образец, 3— трубка склерометра, установленная на штатив, 4 — алмаз.
Твердость оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка.

Метод не дает точных показаний, так как высота отскакивания бойка зависит не только от твердости испытуемого металла, но и от множества других причин: от толщины металла, от степени шероховатости его поверхности, внутренней структуры и т. д. Однако этот метод, вследствие его простоты и оперативности, часто применяется в заводской практике — преимущественно для быстрого контроля результатов термической обработки стальных изделий (закалки и отпуска). Он так же позволяет производить измерения прямо на готовых изделиях, крупногабаритных деталях и криволинейных поверхностях.

Методы Шора. Метод отскока
Основные шкалы C и D. Шкала прибора имеет 140 равных делений. Нормируемая высота отскока бойка соответствует 100 делениям. Цена деления должна быть не более 1-й единицы твёрдости по Шору. В склероскопе модели C высота падения бойка h1 = 254 мм; высота отскока h2 = 181,4 мм (соответствует 100 единиц твёрдости по Шору). В склероскопе модели D высота падения бойка h1 = 19,0 мм; высота отскока h2 = 13,6 мм (соответствует 100 единиц твёрдости по Шору).