Реферат

по дисциплине:

"Технология конструкционных материалов"

"Физические основы пластичности и прочности металлов"

Выполнил студент

Проверил преподаватель

Введение

Основными механическими свойствами являются прочность, пластичность, упругость, вязкость, твердость.

Зная механические свойства, конструктор при проектировании обоснованно выбирает соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность машин и конструкций при их минимальной массе.

Пластичность и прочность относятся к важнейшим свойствам твердых тел.

Оба эти свойства, взаимно связанные друг с другом, определяют собой способность твердых тел противостоять необратимому формоизменению и макроскопическому разрушению, т. е. разделению тела на части в результате возникающих в нем под воздействием внешних или внутренних силовых полей микроскопических трещин.

Для технолога очень важное значение имеет пластичность, определяющая возможность изготовления изделий различными способами обработки давлением, основанными на пластическом деформировании металла.

Материалы с повышенной пластичностью менее чувствительны к концентраторам напряжений и другим факторам охрупчивания.

По показателям прочности, пластичности и т. д. производят сравнительную оценку различных металлов и сплавов, а также контроль их качества при изготовлении изделий.

В физике и технике пластичность - способность материала получать остаточные деформации без разрушения и сохранять их после снятия нагрузки.

Свойство пластичности имеет решающее значение для таких технологических операций, как штамповка, вытяжка, волочение, гибка и др.

Прочность твёрдых тел, в широком смысле - свойство твёрдых тел сопротивляться разрушению (разделению на части), а также необратимому изменению формы (пластической деформации) под действием внешних нагрузок. В узком смысле - сопротивление разрушению.

Цель настоящей работы – изучить физические основы пластичности и прочности металлов.

1. Физические основы прочности металлов

Прочность является фундаментальным свойством твердых,тел. Она определяет способность тела противостоять без разрушения действию внешних сил. В конечном счете, как известно, прочность определяется величиной и характером межатомной связи, структурной и атомно-молекулярной подвижностью частиц, составляющих твердое тело. Механизм этого явления остается нерешенным и в настоящее время. Остается невыясненным вопрос о природе прочности, о сущности процессов, протекающих в материале, находящемся под нагрузкой. В вопросах прочности не только нет законченной физической теории, но даже по самым основным представлениям существуют расхождения во взглядах и противоположные мнения.

Конечной целью изучения механизма разрушения должно быть выяснение основных принципов создания новых материалов с заданными свойствами, улучшения существующих материалов и рационализация способов их обработки.

Прочностью называют свойство твердых тел сопротивляется разрушению, а также необратимыми изменениями формы. Основным показателем прочности является временное сопротивление, определяемое при разрыве цилиндрического образца, предварительно подвергнутого отжигу. По прочности металлы можно разделить на следующие группы:

непрочные (временное сопротивление не превышает 50 МПа) - олово, свинец, висмут, а также мягкие щелочные металлы;

прочные (от 50 до 500 МПа) - магний, алюминий, медь, железо, титан и другие металлы, составляющие основу важнейших конструкционных сплавов;

высокопрочные (более 500 МПа) - молибден, вольфрам, ниобий и др.

К ртути понятие прочности неприменимо, поскольку это жидкость.

Временное сопротивление металлов указано в таблице 1.

Таблица 1.

Прочность металлов

Большинство технических характеристик прочности определяют в результате статического испытания на растяжение. Образец, закрепленный в захватах разрывной машины, деформируется при статической, плавно возрастающей нагрузке. При испытании, как правило, автоматически записывается диаграмма растяжения, выражающая зависимость между нагрузкой и деформацией. Небольшие деформации с очень большой точностью определяются тензометрами.

Чтобы исключить влияние размеров образцов, испытания на растяжение проводят на стандартных образцах с определенным соотношением между расчетной длиной l 0 и площадью поперечного сечения F 0 .

Наиболее широко применяют образцы круглого сечения: длинные с l 0 /d 0 = 10 или короткие с l 0 /d 0 = 5 (где d 0 - исходный диаметр образца).

На рис. 1, а приведена диаграмма растяжения малоуглеродистой отожженной стали. При нагрузке, соответствующей начальной части диаграммы, материал испытывает только упругую деформацию, которая полностью исчезает после снятия нагрузки.

До точки а эта деформация пропорциональна нагрузке или действующему напряжению

где Р - приложенная нагрузка; F o - начальная площадь поперечного сечения образца.

Нагрузке в точке а, определяющей конец прямолинейного участка диаграммы растяжения, соответствует предел пропорциональности.

Теоретический предел пропорциональности - максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между напряжением (нагрузкой) и деформацией

σ пц = Р пц /F 0.

Так как при определении положения точка а на диаграмме могут быть погрешности, обычно пользуются условным пределом пропорциональности , под которым понимают напряжение, вызывающее определенную величину отклонения от линейной зависимости, например tg альфа изменяется на 50% от своего первоначального значения.

Прямолинейную зависимость между напряжением и деформацией можно выразить законом Гука:

σ = Е эпсилон,

где эпсилон = (дельта l/l о) 100% - относительная деформация;

дельта l - абсолютное удлинение, мм;

l 0 - начальная длина образца, мм.

Рис.1 Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали (а) и схема определения условного предела текучести σ0,2 (б)

Коэффициент пропорциональности Е (графически равный tg aльфа), характеризующий упругие свойства материала, называется модулем нормальной упругости.

При заданной величине напряжения с увеличением модуля уменьшается величина упругой деформации, т. е. возрастает жесткость (устойчивость) конструкции (изделия). Поэтому модуль Е также называют модулем жесткости.

Величина модуля зависит от природы сплава и изменяется незначительно при изменении его состава, структуры, термической обработки.

Например, для различных углеродистых и легированных сталей после любой обработки Е = 21000 кгс/мм 2 .

Теоретический предел упругости - максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию:

σ уп = Р уп /F 0 .

Если действующее напряжение в детали (конструкции) меньше σ уп, то материал будет работать в области упругих деформаций.

Ввиду трудности определения σ уп практически пользуются условным пределом упругости , под которым понимают напряжение, вызывающее остаточную деформацию 0,005-0,05% от начальной расчетной длины образца. В обозначении условного предела упругости указывают величину остаточной деформации, например σ0,005 и т. д.

Для большинства материалов теоретические пределы упругости и пропорциональности близки по величине. Для некоторых материалов, например меди, предел упругости больше предела пропорциональности.

Предел текучести - физический и условный- характеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям.

Физический предел текучести - напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке

σ т = P Т /F 0 .

Ha диаграмме растяжения пределу текучести соответствует горизонтальный участок с - d, когда наблюдается пластическая деформация (удлинение) - «течение» металла при постоянной нагрузке.

Большая часть технических металлов и сплавов не имеет площадки текучести. Для них наиболее часто определяют условный предел текучести - напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2% от начальной расчетной длины образца (рис. 1, б):

σ0,2 =Р 0,2 /F 0

При дальнейшем нагружении пластическая деформация все больше увеличивается, равномерно распределяясь по всему объему образца.

В точке В, где нагрузка достигает максимального значения, в наиболее слабом месте образца начинается образование «шейки» - сужения поперечного сечения; деформация сосредоточивается на одном участке - из равномерной переходит в местную.

Напряжение в материале в этот момент испытания называют пределом прочности.

Глина - пластичный природный материал, применяемый в строительстве, народных промыслах, лечении и оздоровлении организма и в других сферах жизни человека. Именно такое широкое применение обуславливают определенные качества и свойства глины. А на свойства глины во многом влияет ее состав.

Применение глины

Глина очень доступна, а польза ее непереоценима и поэтому она применяется людьми с очень давних времен. Много упоминаний об этом чудесном материале в учебниках по истории всех стран мира.

Строительство . В настоящее время глина применяется как материал для изготовления красного кирпича. Глину определенного состава формуют и обжигают по некой технологии получая прочный и недорогой слиток - кирпич. А из кирпича уже строятся здания и сооружения. В некоторых странах и регионах глину все еще используют для постройки жилища - мазанки, широко распространено использование глины при постройки печей из кирпича, где связующим (в качестве цемента) служит глина. Эта же глина применяется и для штукатурки печей.

Медицина. Оздоровительная и традиционная медицина применяет глину в виде грязевых ванн и масок. Весь смысл в питании поверхности кожи полезными элементами глины. Разумеется, не вся глина тут подейдет.

Сувениры и посуда . Два больших направления я объединяю в одно, так как многие экземпляры посуды имеют лишь сувенирный характер. Тарелки, горшочки, кувшины и вазы - в изобилии присутствуют в современных магазинах. Ни одна ярмарка не обходится без продажи глиняных сувениров - дымковствая игрушка, свустульки, таблички, брелки и многое другое. Многое мы с вами попробуем слепить самостоятельно.

Глина может входить в состав других материалов . Часовоярская глина тонкого помола, например, является элементом художественных красок (гуашь), соуса, пастели и сангины. Почитайте об этом в статьях "Помощь художнику".

Свойства глины

Цвет. Глина различных составов имеет множество оттенков. Глина так и называется по цветам: красная, голубая, белая... Правда при сушке и дальнейшем обжиге цвет может полностью поменяться. На это стоит обратить внимание при работе с глиной.

Пластичность. Именно возможность деформироваться и удерживать приданную ей форму и позволила человеку найти применение глины в своем быту. Тут стоит заметить, что все зависит от консистенции - соотношения количества воды, глины и песка. Для разных работ нужны разные составы. Так, для лепки песок может быть вообще излишним.

Гигроскопичность позволяет глине впитывать воду, изменяя свои свойства вязкости и пластичности. Но после обжига изделия из глины приобретают водостойкость, прочность и легкость. Развитие технологии позволило получить фаянс и фарфор, незаменимые и в современном мире.

Огнеупорность . Свойство, применяемое скорее в строительстве, нежели в художественных промыслах, если не считать обжиг изделий. Технология обжига различна для того или иного состава глины. С сушкой и обжигом тесно связано свойство усадки глины или сжимаемость - изменение массы и размеров за счет вывода из состава части воды.

Состав глины

Свойства глины определяет ее химический состав. Для разных видов глины свойственны различные химические составы. Так, например, красная глина содержит много окисей железа. Глина в своей основе содержит некие вещества - глинистые минералы - которые образуются в ходе различных природных явлений. Формат статьи не предусматривает рассмотрение химических свойств и состава глины, поэтому я не буду вдаваться в подробности.

Состав глины, пригодной для применения в народных промыслах, как уже говорилось, определяется тремя важнейшими элементами: глиняные минералы, вода и песок.

Пропорции этих элементов можно изменять, правда гораздо проще добавлять, чем убирать. Так, например, сухую глину можно быстро растворить, однако, совсем не просто жидкую как сметана глину сделать пригодной для лепки. Песок очень просто добавить, но вот вынять его из глины - нетривиальная задача.

Различают «тощие» и «жирные» глины. Шкала «жирности » определяет коэффициент пластичности, и связующие свойства глины позволяет регулировать жирность путем смешивания ее с другими природными материалами, например, с песком. Тощая глина обладает меньшей пластичностью, ее связующая сила слабее, но она дает меньше усадки при сушке и обжиге.

Залежи глины находятся в различном состоянии по всему миру. Это обеспечило применение ее ремесленниками разных национальностей, и послужило появлению такого многообразия изделий и технологий.

Ремесленники научились контролировать поведение и состояние глины путем различных добавок в состав. Так можно отощать глину, отмучивать , придавать ей большую огнеупорность, уменьшать усадку. В результате таких манипуляций опытный мастер сможет получить в итоге качественное высокохудожественное изделие.

Естественно, что свойства свежеприготовленной растворной смеси и затвердевшего раствора совершенно различны. Основными свойствами растворной смеси являются удобоукладываемость, пластичность (подвижность) и водоудерживающая способность, а затвердевших растворов - плотность, прочность и долговечность.
Правильный выбор области применения растворов всецело зависит от их свойств.

Свойства растворных смесей

Удобоукладываемость - свойство растворной смеси легко укладываться плотным и тонким слоем на пористое основание и не расслаиваться при хранении, транспортировании и перекачивании насосами.
Она зависит от пластичности (подвижности) и водоудерживающей способности смеси.

Пластичность смеси характеризуют ее подвижностью, т. е. способностью растекаться под действием собственного веса или приложенных к ней внешних сил. Подвижность почти всех растворных смесей определяют глубиной погружения (в см) стандартного конуса массой (300:4:2) г.
Высота конуса 180 мм, диаметр основания 150 мм, угол при вершине 30 °.
В лаборатории конус устанавливают на штативе (рис. 1,а), в условиях строительной площадки его подвешивают на цепочке с кольцом (рис. 1,6).

Рис.1. Штатив

Конус 3, удерживаемый за кольцо, подносят к смеси так, чтобы он вершиной касался ее поверхности. Затем конус отпускают и он погружается в смесь под действием собственного веса.
По делениям на шкале 6 или на поверхности конуса определяют глубину погружения его в смесь.Если конус погрузился на глубину 6 см, это значит, что подвижность растворной смеси равна 6 см.

Подвижность растворной смеси зависит прежде всего от количества воды и вяжущего, вида вяжущего и заполнителя, соотношения между вяжущим и заполнителем. Жирные растворные смеси подвижнее тощих. При прочих равных условиях растворы на извести и глине более подвижны, чем на цементе; растворы на природном песке подвижнее растворов на песке искусственном (дробленом).
Вид вяжущего подбирают и состав раствора задают в зависимости от требуемой прочности раствора и условий эксплуатации здания.

Подвижность растворной смеси можно регулировать, увеличивая или уменьшая расход вяжущею или воды. Увеличивая в растворной гмеси содержание воды и вяжущего, получают более пластичные (подвижные) и удобоукладываемые смеси

Удобоукладываемая растворная смесь получается при правильно назначенном зерновом составе ее твердых составляющих (песка, вяжущего, добавки). Тесто вяжущего не только заполняет пустоты между зернами песка, но и равномерно обволакивает песчинки тонким слоем, уменьшая внутреннее трение.
Растворная смесь с нормальной водоудерживающей способностью - удобообрабатываемая и удобоукладываемая, мягкая, не тянется за лопатой штукатура, обеспечивает высокую производительность труда.

От удобоукладываемости смеси зависит качество каменной кладки и штукатурки.
Правильно подобранная и хорошо перемешанная растворная смесь плотно заполняет неровности, углубления, трещины в основании, поэтому получается большая площадь контакта между раствором и основанием, в результате возрастает монолитность кладки и штукатурки, увеличивается их долговечность.

Расслаиваемость - способность растворной смеси разделяться на твердую и жидкую фракции при транспортировании и перекачивании ее по трубам и шлангам.
Растворную смесь часто перевозят автосамосвалами и перемещают по трубопроводам с помощью растворонасосов. При этом не редки случаи, когда смесь разделяется на воду (жидкая фаза) и песок и вяжущее (твердая фаза), в результате чего в трубах и шлангах могут образоваться пробки, устранение которых связано с большими потерями труда и времени.
Расслаиваемость растворной смеси определяют в лаборатории.

Проверить смесь на расслаиваемость упрощенно можно так. В ведро помещают растворную смесь слоем высотой около 30 см и определяют ее подвижность эталонным конусом. Через 30 мин снимают верхнюю часть раствора (около 20 см) и вторично определяют глубину погружения конуса. Если разность значений погружения конуса близка нулю, то растворную смесь считают нерасслаивающейся, если она находится в пределах 2 см - смесь считают средней расслаиваемости.
Разность значений погружения конуса более 2 см свидетельствует о том, что растворная смесь расслаивается.

Если состав растворной смеси подобран правильно и водовяжущее отношение назначено верно, то растворная смесь будет подвижной, удобоукладываемой, она будет обладать хорошей водоудерживающей способностью и не будет расслаиваться.
Пластифицирующие добавки как неорганические, так и органические повышают водоудерживающую способность растворных смесей и уменьшают их расслаиваемость

В технике применяют не в чистом виде, а в виде сплавов. Сплавы получают путем смешивания в расплавленном состоянии двух или нескольких металлов в точно определенном соотношении.

Правильный выбор подходящего для вашего изделия металла или сплава можно сделать, зная его свойства.
Каждый металл и сплав обладает определенными механическими и технологическими свойствами.
К механическим свойствам относят прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность.

Прочность - способность металла или сплава воспринимать действующие нагрузки не разрушаясь. Например, если сделанные вами подвески для стенда не разрушаются от его веса при закреплении на стене, значит, они обладают достаточной прочностью.
Твердость - свойство материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого материала. Например, если на стальную и медную пластины нанести лунки с помощью кернера, ударив по нему молотком с одинаковым усилием, то в медной пластине глубина лунки будет больше, чем в стальной. Это свидетельствует о том, что сталь тверже меди.
Упругость - свойство металла или сплава восстанавливать первоначальную форму после устранения внешних сил. Если положить на две опоры металлическую линейку и в центре ее поместить небольшой груз, то она прогнется на некоторую величину, а после снятия груза примет первоначальное положение. Это показывает, что материал линейки обладает упругостью.
Вязкость - свойство тел поглощать энергию при ударе.
Пластичность - способность изменять форму под действием внешних сил не разрушаясь. Это свойство используют при правке, гибке, прокатке, штамповке заготовок.
К технологическим свойствам относят ковкость, жидкотекучесть, обрабатываемость резанием, свариваемость и др.
Ковкость - свойство металла или сплава получать новую форму под действием удара. Это свойство основано на использовании механического свойства - пластичности.
Жидкотекучесть - свойство металла в расплавленном состоянии хорошо заполнять литейную форму и получать плотные отливки.
Обрабатываемость резанием - свойство металла или сплава подвергаться обработке резанием различными инструментами.
Свариваемость - свойство металлов соединяться в пластичном или расплавленном состоянии.
Коррозионная стойкость - свойство металлов и сплавов противостоять коррозии.
Все металлы и сплавы подразделяют на черные и цветные. К черным относят железо и сплавы на его основе - сталь и чугун. Все остальные металлы и сплавы - цветные.
Часто сплавы обладают лучшими свойствами, чем их составные части. Например, чистое железо имеет очень низкую прочность, а сплавы железа с углеродом - гораздо более высокую. Если углерода в сплаве меньше 2%, то такой сплав называется сталью. Если углерода от 2 до 4%, то это - чугун.
Сталь не только прочный, но и пластичный материал, хорошо поддающийся механической обработке. Из конструкционной стали делают детали машин и конструкций , а добавляя в сталь хром, вольфрам и другие металлы, получают очень твердые инструментальные стшш, из которых изготавливают режущие инструменты для обработки металлов.
Чугун - хрупкий сплав, в связи с чем его используют для изделий, которые впоследствии не будут подвергаться ударам. Чугун обладает очень хорошей жидкотекучестью, поэтому из него получают качественные и сложные отливки: станины станков, радиаторы отопления и другие изделия.
Из цветных сплавов наибольшее распространение в технике получили латунь, бронза, дюралюминий.
Латунь - сплав меди с цинком желтого цвета. Обладает высокой пластичностью, твердостью и коррозионной стойкостью. Применяется для изготовления деталей, работающих в условиях повышенной влажности и в электротехнике.
Бронза - сплав меди со свинцом, алюминием, оловом и другими элементами, желто-красного цвета. Имеет высокую прочность, твердость, хорошо обрабатывается резанием и обладает коррозионной стойкостью. Применяется для изготовления водопроводных кранов и зубчатых колес, для отливки художественных изделий (скульптур, украшений и других элементов), в электротехнике.
Дюралюминий - сплав алюминия с медью, магнием , цинком и другими элементами, серебристого цвета. Хорошо обрабатывается, обладает высокой коррозионной стойкостью. Применяется в авиации, машиностроении и строительстве, где требуются легкие и прочные конструкции.

Практическая работа
Ознакомление со свойствами металлов и сплавов
1. Рассмотрите образцы металлов и сплавов, определите их цвет.
2. Положите справа от себя образцы из черных металлов и сплавов, а слева - из цветных. Определите вид металлов, из которых сделаны образцы.
3. Растяните и отпустите пружины из стальной и медной проволоки. Сделайте вывод об упругости стали и меди.
4. Положите на плиту для рубки металла образцы из стальной и алюминиевой проволоки и попытайтесь расплющить их молотком. Сделайте вывод о ковкости стали и алюминия .
5. Закрепите в тисках стальной и латунный образцы и проведите по ним напильником. Сделайте вывод об обрабатываемости стали и латуни.

♦ Черные и цветные металлы, механические свойства (прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность), технологические свойства (ковкость, жидкотекучестъ, обрабатываемость, свариваемость), конструкционная и инструментальная сталь, чугун, бронза, дюралюминий.
1. Что такое сплав?

2. Назовите механические свойства металлов и сплавов.

3. Назовите технологические свойства металлов и сплавов.

4. Для чего нужно знать свойства металлов и сплавов?

5. Какие сплавы относятся к черным?
6. Чем отличается сталь от чугуна?

7. Чем отличается латунь от бронзы?

8. Почему металлы нужно экономно расходовать?

Симоненко В.Д.,Самородский П.С.,Тищенко А.Т.,Технология 6 класс
Отправлено читателями с интернет-сайта

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

Пластичность – свойство металла пластически деформироваться, не разрушаясь под действием внешних сил. Под пластической деформацией понимается способность материалов изменять свою форму и размеры под действием внешних сил и сохранять эти изменения после снятия нагрузки.

Характеристики пластичности – относительные удлинение δ и сужение площади поперечного сечения ψ . Определяются при проведении испытания материалов на статическое осевое растяжение на тех же стандартных образцах и оборудовании, на которых определялись характеристики статической прочности (см. рис. 1, 2).

Относительным удлинением называется отношение абсолютного удлинения, т. е. приращение расчетной длины образца после разрыва (l k − l 0), к его первоначальной расчетной длине l 0 , мм, выраженное в процентах:

где – l k длина расчетной части стандартного образца после разрыва, мм.

Расчетная длина l 0 – участок рабочей длины образца между нанесенными до испытания метками, на котором определяется удлинение (см. рис. 1).

Относительным сужением называется отношение абсолютного сужения, т. е. уменьшение площади поперечного сечения образца после разрыва (F 0 – F k ), к первоначальной площади его поперечного сечения F 0 , мм 2 , выраженное в процентах:

, (9)

где F k – площадь поперечного сечения образца в месте разрыва, мм 2 .

3. Определение характеристик твердости

Твердость – способность материала сопротивляться пластической или упругой деформации при внедрении в него более твердого тела (индентора).

Наибольшее применение получили методы измерения твердости, основанные на вдавливании в испытуемый металл индентора в виде шарика, алмазного конуса и алмазной пирамиды – методы Бринелля, Роквелла и Виккерса (рис. 8).

Метод Бринелля (НВ ). Определение твердости производится на прессе Бринелля (твердомере типа ТШ). Сущность метода заключается в том, что шарик диаметром 10; 5; 2,5 или 1,0 мм под действием определенного усилия, приложенного перпендикулярно поверхности образца, непрерывно вдавливается в испытуемый металл (рис. 8, а). Условия испытания регламентированы ГОСТ 9012-59. Например, измерение твердости стали проводят вдавливанием шарика D = 10 мм под нагрузкой 30 кН (3000 кгс).

Рис. 8. Схема определения твердости

по Бринеллю (а), по Роквеллу (б) и по Виккерсу (в)

После снятия усилия измеряют диаметр сферического отпечатка при помощи отсчетного микроскопа, на окуляре которого имеется шкала с делениями, соответствующими сотым долям миллиметра.

Твердость по Бринеллю обозначают буквами НВ (при применении стального шарика) или HBW (при применении шарика из твердого сплава) и рассчитывают как отношение усилия Р , действующего на шарик, к площади поверхности сферического отпечатка F , кгс/мм 2 или МПа:

, (10)

где P – усилие, действующее на шарик, Н (кгс);

F – площадь поверхности сферического отпечатка, м 2 (мм 2 ) ;

D и d – диаметр шарика и отпечатка, мм.

Метод Бринелля рекомендуется применять для металлов с твердостью не более НВ 450 кгс/мм 2 (4500 МПа), так как стальной шарик может деформироваться, что внесет погрешность в результат испытаний. Этот метод используется в основном для измерения твердости заготовок и полуфабрикатов из неупрочненного металла.

Метод Роквелла (HR ). Определение твердости производится на прессе Роквелла (твердомере типа ТК) (ГОСТ 9013-59). Сущность метода заключается в том, что индентор в виде алмазного конуса – для твердых и сверхтвердых (более HRC 70) металлов (стальной закаленный шарик диаметром 1,58 мм – для мягких металлов) (рис. 8, б) − под действием определенного усилия, приложенного перпендикулярно поверхности образца, вдавливается в испытуемый металл. Твердость определяют по глубине отпечатка h . Результаты измерений, в условных единицах, определяют по показанию стрелки на шкале индикатора твердомера (рис. 9).

Ш

Рис. 9. Показания индикатора прибора ТК

арик и конус вдавливаются в металл под действием двух нагрузок – предварительнойР 0 = 10 кгс и основной Р . Общая нагрузка равна сумме двух указанных нагрузок. После предварительного нагруже-ния по индикатору малой стрелки большая стрелка твердомера выставляется на «0» шкалы индикатора и включается основная нагрузка. В момент снятия основ-ной нагрузки большая стрелка перемещается по шкале индикатора и показывает значение твердости.

При вдавливании стального шарика основная нагрузка составляет 100 кгс, отсчет твердости производится по внутренней (красной) шкале «В» индикатора, твердость обозначают НRВ . При вдавливании алмазного конуса в испытуемый образец твердость определяется по показанию стрелки по внешней (черной) шкале «С» индикатора. Для твердых металлов основная нагрузка составляет 150 кг. Это основной метод измерения твердости закаленных сталей. Обозначение твердости – НRC . Для очень твердых металлов, а также материалов деталей малой толщины основная нагрузка принимается равной 60 кг. Обозначение твердости – НRА , например: НRC 40, НRА 90 – твердость по Роквеллу по шкале «С» − 40 условных единиц; по шкале «А» – 90.

Метод определения твердости по Роквеллу позволяет испытывать мягкие и твердые металлы, при этом отпечатки от шарика или конуса очень малы, поэтому с помощью данного метода можно измерять твердость материала готовых деталей. Поверхность для испытания должна быть шлифованной. Измерения выполняются быстро (в течение 30 – 60 с), не требуется никаких вычислений, так как значение твердости снимается по шкале индикатора твердомера.

Метод Виккерса (HV ). При испытании на твердость по методу Виккерса в шлифованную или полированную поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине 136º (рис. 8, в). Для определения твердости черных металлов и сплавов применяются нагрузки от 5 до 100 кгс, а для цветных металлов и их сплавов – от 2,5 до 50 кгс. После снятия нагрузки с помощью микроскопа, находящегося при приборе, измеряют диагональ отпечатка d и рассчитывают значение твердости в кгс/мм 2 или в МПа как отношение нагрузки Р , Н (кгс), к площади поверхности пирамидального отпечатка М , м 2 (мм 2):

, (11)

где d – длина диагонали отпечатка, мм.

Например, запись 500 HV означает, что твердость по Виккерсу составляет 500 кгс/мм 2 (5000 МПа).

Метод Виккерса позволяет измерять твердость как мягких, так и очень твердых металлов и сплавов, а также определять твердость тонких поверхностных слоев (например, после проведения химико-термической обработки, закалки токами высокой частоты и т. п.).

Для соизмерения значений твердости, определенных различными способами, применяются переводные таблицы (табл. 1).

Для оценки механических свойств материалов и приблизительного значения предела прочности можно использовать значение твердости, определенной по испытаниям способом Бринелля. Эмпирическое соотношение предела прочности и твердости, определенной по испытаниям способом Бринелля, имеет вид:

σ в ≈ 0,33НВ max , (12)

где σ в – временное сопротивление;

НВ max − максимальное значение твердости при нагрузке, с которой начинается плавное понижение твердости.

Таблица 1

Сравнение значений твердости, определенной различными способами

Диаметр отпечатка	По Бринеллю	По Роквеллу			По Виккерсу
	НВ , МПа