Лабораторная работа № 2
«Испытание твердости на приборе Бринелля»
Учебная цель: научится проводить испытания твердости металлов на приборе Бринелля (твердомере ТШ-2).
Учебные задачи:
Изучить метод испытания твердости на приборе Бринелля.
Приобрести опыт испытания твердости на приборе Бринелля.
Научиться пользоваться таблицами для определения чисел твердости по Бринеллю.
Образовательные результаты, заявленные во ФГОС СПО третьего поколения:
Студент должен
уметь:
проводить исследования и испытания материалов;
знать:
способы и методы исследования и испытания материалов.
Задачи лабораторной работы № 2
Повторить краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме лабораторной работы.
Ответить на вопросы для закрепления теоретического материала по теме.
Выполнить задания лабораторной работы.
Оформить отчет.
Обеспеченность занятия (средства обучения):
1. Технические средства обучения:
прибор Бринелля;
шарик из закаленной стали диаметром – 2,5; 5; 10 мм;
образцы деталей с различной твердостью;
отсчетный микроскоп типа ПБМ-2 или лупа;
наждачная бумага, напильник.
2. Учебно-методическая, справочная литература:
А.М. Адаскин Материаловедение: Учебник – М.: Высшая школа, 2009.
Л.Д. Иванова Сборник методических указаний для студентов по выполнению лабораторных работ. – Самара: ГБОУ СПО «ПГК», 2014.
3. Лекционная тетрадь по материаловедению.
4. Тетрадь в клетку для лабораторных работ.
Калькулятор инженерный.
Ручка.
Карандаш простой.
Линейка.
Ластик.
Краткие теоретические и учебно-методические материалы
по теме лабораторной работы
Основные положения ипытания твердости на приборе Бринелля
Испытание твердости вдавливанием стального шарика (метод Бринелля) по ГОСТ90I2-95.
Твердостью называется свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела определенной формы и размеров, не получающего остаточной деформации.
Испытание твердости по методу Бринелля.
Испытание состоит в том, что, пользуясь специальным прессом (прибор Бринелля), стальной шарик диаметром Ǿ D вдавливают в испытуемый образец (изделие) под действием нагрузки P, приложенной в течение определенного времени и после удаления нагрузки измеряют диаметр отпечатка, оставшегося на поверхности образца.
Рисунок 2 - Схема испытания по Бринеллю (а)
и измерение диаметра отпечатка (б).
Твердость испытуемых черных и цветных металлов на прессе Бринелля не должна превышать 450 ед.
Выбор диаметра шарика Д и нагрузки P в зависимости от предполагаемой твердости НВ и толщины испытуемого образца. Выбор осуществляется по таблице 1 (согласно ГОСТ 9012-95).
Таблица 1
Материал
|
Интервал твердости в числах Бринелля (МПа)
|
Минимальная толщина испытуемого образца, в мм
|
Соотноше- ние между нагрузкой Р и диаметром шарика Д
|
Диаметр шарика Д, в мм
|
Нагрузка P, в кг
|
Длитель-ность вы-держки под нагрузкой в секундах
|
Черные металлы
|
1400-4500
|
6-2
4-2
До 2
|
P=300D2
|
10
5
2,5
|
3000
750
187,5
|
10
|
То же
|
< 1400
|
более 6
6-3
до3
|
P=100D2
|
10
5
2,5
|
1000
250
62,5
|
10
|
Цветные металлы
|
>1300
|
6-3
10
5
2,54-2
до 3
|
P=300D2
|
10
5
2,5
|
3000
750
187,5
|
30
|
То же
|
350-1300
|
9-3
6-3
до 3
|
P=100D2
|
10
5
2,5
|
1000
250
62,5
|
30
|
Цветные металлы. Подшип-никовые сплавы
|
80-350
|
более 6
6-3
до 3
|
P=25D2
|
10
5
2,6
|
250
62,5
15,5
|
60
|
Число твердости по Бринеллю /НВ/ характеризуется отношением нагрузки Р в кгс на шарик к площади поверхности сферического отпечатка и определяется по формуле:
 , (1)
Рисунок 3 – Схема испытания твердости по методу Бринелля.
где P –нагрузка на шарик в кгс;
F – поверхность шарового сегмента, определяется по формуле:
 (мм2) (2)
h – высота сегмента, определяется по формуле:
 или  (мм2) , (3)
где D – диаметр шарика;
d – диаметр отпечатка в мм.
Согласно ГОСТ перед числом твердости по Бринеллю при измерении твердости шариком Д=10 мм нагрузкой P=3000 кг, выдержкой 10 сек пишут символ НВ.
Например: НВ 400.
При других условиях измерения обозначение НВ дополняется индексом, указывающим условия измерения в следующем порядке:
диаметр шарика Д , нагрузка Р и продолжительность выдержки.
Например: НВ 5/250/30.
Достоинства метода Бринелля:
Метод удобен своей простотой, не требующей высокой квалификации исполнителя, и тем, что дает абсолютную величину твердости.
Как показали исследования, между пределом прочности при растяжении и твердостью по Бринеллю НВ существует зависимость: σв = HB · K, (4)
где: К=0,36 - для стали,
К=0,26 - для алюминия.
К=0,4...0,5 - для бронзы и латуни.
Недостатки метода Бринелля:
Невозможно испытывать твердые материалы свыше НВ=450, т.е. закаленные металлы.
Метод дает грубый (большой) отпечаток, что не всегда допустимо.
Нельзя испытывать материал тоньше 2-х мм, т.к. шарик будет продавливать тонкий слой металла.
Вопросы для закрепления теоретического материала
1.Что называется твердостью?
Как зависит прочность от твердости?
От каких параметров зависит выбор нагрузки при испытании твердости?
Назовите преимущества и недостатки при испытании твердости на приборе Бринелля.
Чем характеризуется число твердости по Бринеллю?
Задания для лабораторной работы № 2
Задание № 1: Ознакомиться с основными положениями испытания твердости методом Бринелля. Зарисовать в тетрадь схему испытания с определением числа твердости.
Задание № 2: Изучить устройство и работу прибора Бринелля (твердомера ТШ-2).
Задание № 3: Испытать твердость образцов,заполнить таблицу результатов испытания.
Задание № 4: По полученным числам твердости НВ определить величину предела прочности, пользуясь соотношением между НВ и σв.
Задание № 5: Составить отчет по лабораторной работе.
Инструкция по выполнению заданий лабораторной работы № 2
Ознакомиться с основными положениями измерения твердости методом Бринелля.
Изучить устройство и работу прибора Бринелля (твердомера ТШ-2).
Прибор Бринелля применяется для определения твердости чугунов, отожженных стальных изделий, а также изделий из цветных металлов и сплавов.
Рисунок 4 - 0бщий вид и схема устройства твердомера ТШ-2.
Описание конструкции прибора.
Прибор ТШ-2 состоит из литой станины, в нижней передней части которой смонтирован винт, перемещающий с помощью моховика 10 опорный столик 6. Измерение твердости плоских образцов производится на плоском столике, а цилиндрических - на призматическом столике.
В верхней части станины находится шпиндель 21 со сменными наконечниками 22. Маховиком 10 подводят образец к шарику до сжатия пружины 20 и упора шпинделя 21 в шток 19. При этом между конусной частью втулки шпинделя 21 и гнездом станины прибора образуется зазор, исключающий трение втулки о станину в процессе вдавливания шарика в образец.
Нажатием кнопки 7 включается электродвигатель 17, который через червячный редуктор 18, кривошипный вал 16 и шатун 15 отводит вниз ролик I4. При этом действие нагрузки Р через систему рычагов 13 и шпиндель 21 сообщается шариковому наконечнику 22. Этот момент фиксируется загоранием лампочки 1.
После соответствующей выдержки испытуемого образца под нагрузкой Р происходит автоматическое переключение электродвигателя на обратное: ролик 14 перемещается вверх, возвращает рычаги 13 в исходное положение, лампочка гаснет и электродвигатель автоматически выключается.
Необходимая выдержка под нагрузкой производится установкой риски времени на подвижной чашке 8, напротив цифры шкалы ориентировочной твердости образца, расположенной на станине, с учетом диаметра шарика. После установления выдержки надежно закрепить чашку 8 с помощью винта 9.
При испытании черных металлов пользуются рисками на чашке 8, соответствующими 10…30 сек.
При испытании цветных металлов твердости 31...130 ед. пользуются шкалой красного цвета и риской на чашке, соответствующей 30 сек., а при испытании твердости 8...35 ед. - пользуются шкалой в нижней правой части и риской на чашке 60 сек.
Тexническая характеристика прибора Бринелля (твердомера ТШ-2).
Нагрузка пресса на образец - 3000; 1000; 750; 250; 187; 5; 62,5; 15,6 кг.
Диаметры шариков - 10; 5 и 2,5 мм.
Выдержки под нагрузкой - 10; 30 и 60 сек.
Наибольшая высота испытуемого изделиям - 250 мм.
Габаритные размеры пресса: 840х700х250 мм.
Вес прибора с комплектом принадлежностей – 228 кг.
Испытать твердости образцов на приборе Бринелля.
Изучив устройство прибора, необходимо произвести испытание в следующей последовательности:
Подготовить образцы к испытанию. Поверхность испытуемого изделия (образца) должна быть ровной и чистой без следов масла, окалины и др. При необходимости, образцы нужно зачистить напильником, шлифовальным кругом или наждачной бумагой.
Руководствуясь данными в таблице 1 (с рекомендуемыми параметрами при измерении твердости по Бринеллю), далее нужно:
выбрать диаметр шарика 2,5; 5 или 10 мм, в зависимости от толщины и предполагаемой твердости образца. Закрепить шариковый наконечник 3 в шпинделе 21 винтом 2;
от диаметра шарика и предполагаемой твердости образца подобрать нагрузку Р. Грузы II поместить на подвеску прибора II;
определить время выдержки, в зависимости от диаметра шарика, нагрузки, толщины и предполагаемой твердости. Для этого чашка 8 с рисками времени выдержки устанавливается против цифры шкалы, соответствующей ориентировочной определяемой твердости, с учетом диаметра шарика.
Установить испытуемый образец на столик прибора. Образец должен стоять плотно, ровно, строго перпендикулярно оси шпинделя.
Подвести образец к шарику, для этого вращают маховик 10 до сжатия пружины 20, после чего подворачивается контргайка шпинделя.
Нажатием кнопки 7 включается электродвигатель. Момент действия нагрузки фиксируется загоранием лампочки, а после выдержки под нагрузкой лампочка гаснет.
Столик прибора путем вращения маховика против часовой стрелки опускают вниз.
Образец снимают и с помощью микроскопа или лупы измеряют диаметр отпечатка в двух взаимно-перпендикулярных направлениях (см. рис. 5).
Рисунок 5 - Схема измерения отпечатка.
Диаметр отпечатка принимается как среднее из двух измерений,
где: d1 - первое измерение отпечатка, d2 - второе измерение отпечатка в мм.
Точность измерения диаметра отпечатка при испытании шарика 10 и 5 мм должна быть не менее 0,05 мм, а при испытании шарика 2,5 мм - не мменее 0,01 мм.
Диаметр отпечатка должен находиться в пределах 0,2....6,0 мм.
В случае несоблюдения этого условия, испытание повторяют шариком другого диаметра.
По величине диаметра отпечатка определяется число твердости НВ по формуле и сравнивается с табличным (см. приложение 1).
Результаты испытания вносятся в протокол.
Методика измерения отпечатка с помощью лупы или микроскопа МПБ-2
Рисунок 6 - Лупа для измерения отпечатка (а- внешний вид, б- шкала лупы).
Для измерения отпечатка необходимо взять лупу (микроскоп) за колонку и поставить основанием на испытуемый образец, отверстием в основании - симметрично с отпечатком, чтобы окно в колонне лупы (микроскопа) приходилось против источника света. Для получения резкого изображения следует установить окуляр по глазам, вращая его за окулярное кольцо до тех пор, пока изображение шкалы не станет отчетливым.
Контрольные вопросы для защиты отчета
по лабораторной работе № 2
Что называется прочностью, и с какой целью устанавливается соотношение между σв и HB?
На каком принципе основано определение числа твердости по Бринеллю?
Какие по диаметру шарики применяются на прессе Бринелля, и как они подбираются для испытания?
Как подбирается нагрузка при испытании на твердость по Бринеллю?
Как выбирается и устанавливается время выдержки на прессе TШ-2?
Как определяется диаметр отпечатка, и чем производится замер?
Область применения метода Бринелля для определения твердости металлов.
Образец отчета по лабораторной работе № 2
Отчет
по лабораторной работе № 2
«Испытание твердости на приборе Бринелля»
Учебная цель: научится проводить испытания твердости металлов на приборе Бринелля (твердомере ТШ-2).
Учебные задачи:
Изучить метод испытания твердости на приборе Бринелля.
Приобрести опыт испытания твердости на приборе Бринелля.
Научиться пользоваться таблицами для определения чисел твердости по Бринеллю.
Задание № 1: здесь должна быть схема испытания с определением числа твердости методом Бринелля.
Задание № 2: здесь должны быть указаны достоинства и недостатки метода Бринелля.
Задание № 3: результаты испытания твердости образцов представлены в таблице 2.
Таблица 2
Исходные данные и показатели исследований
|
Величины
|
1. Материал и толщина образца (изделия), предполагаемая твердость.
|
|
2. Нагрузка на образец Р, в кгс.
|
|
3. Диаметр шарика, в мм.
|
|
4. Время выдержки под нагрузкой, в сек.
|
|
5. Диаметр отпечатка – первое измерение, в мм;
– второе измерение, в мм;
– среднее значение измерений, в мм.
|
|
6. Твердость НВ по формуле, в ед. МПа.
|
|
7. Табличное значение твердости НВ, взятое по ГОСТ 9012-95, в ед. МПа (таблица 3).
|
|
8. Предел прочности σв, в ед. МПа.
|
|
Задание № 4: По полученным числам твердости НВ здесь следует определить величину предела прочности, пользуясь соотношением между НВ и σв .
σв = HB · K.
Таблица 3
Определение чисел твердости по Бринеллю
Диаметр отпечатка d10, или 2d5,или 4d2,5, мм
|
Число твердости НВ при нагрузке Р, Н
|
Диаметр отпечатка d10, или 2d5, или 4d2,5, мм
|
Число твердости НВ при нагрузке Р, Н
|
300D2
|
100D2
|
25D2
|
300D2
|
100D2
|
25D2
|
2,9
|
4440
|
-
|
-
|
4,5
|
1790
|
596
|
149
|
2,95
|
4290
|
-
|
-
|
4,55
|
1740
|
581
|
145
|
3
|
4150
|
-
|
346
|
4,6
|
1700
|
568
|
142
|
3,05
|
4010
|
-
|
334
|
4,65
|
1670
|
555
|
139
|
3,1
|
3880
|
1290
|
323
|
4,7
|
1630
|
543
|
136
|
3,15
|
3750
|
1250
|
313
|
4,75
|
1590
|
530
|
133
|
3,2
|
3630
|
1210
|
303
|
4,8
|
1560
|
519
|
130
|
3,25
|
3520
|
1170
|
293
|
4,85
|
1520
|
507
|
127
|
3,3
|
3410
|
1140
|
284
|
4,9
|
1490
|
496
|
124
|
3,35
|
3310
|
1100
|
276
|
4,95
|
1460
|
486
|
122
|
3,4
|
3210
|
1070
|
267
|
5
|
1430
|
475
|
119
|
3,45
|
3110
|
1040
|
259
|
5,05
|
1400
|
465
|
116
|
3,5
|
3020
|
1010
|
252
|
5,1
|
1370
|
455
|
114
|
3,55
|
2930
|
977
|
245
|
5,15
|
1340
|
446
|
112
|
3,6
|
2850
|
950
|
237
|
5,2
|
1310
|
437
|
109
|
3,65
|
2770
|
923
|
231
|
5,25
|
1280
|
428
|
107
|
3,7
|
2690
|
897
|
224
|
5,3
|
1260
|
419
|
105
|
3,75
|
2620
|
872
|
218
|
5,35
|
1230
|
410
|
103
|
3,8
|
2550
|
849
|
212
|
5,4
|
1210
|
402
|
101
|
3,85
|
2480
|
826
|
207
|
5,45
|
1180
|
394
|
98,6
|
3,9
|
2410
|
804
|
201
|
5,5
|
1160
|
386
|
96,6
|
3,95
|
2350
|
783
|
196
|
5,55
|
1140
|
379
|
94,6
|
4
|
2290
|
763
|
191
|
5,6
|
1110
|
371
|
92,7
|
4,05
|
2230
|
743
|
186
|
5,65
|
1090
|
364
|
91
|
4,1
|
2170
|
724
|
181
|
5,7
|
1070
|
357
|
89,3
|
4,15
|
2120
|
706
|
176
|
5,75
|
1050
|
350
|
87,6
|
4,2
|
2070
|
688
|
172
|
5,8
|
1030
|
343
|
85,9
|
4,25
|
2010
|
671
|
168
|
5,85
|
1010
|
337
|
84,3
|
4,3
|
1970
|
655
|
164
|
5,9
|
992
|
331
|
82,6
|
4,35
|
1920
|
639
|
160
|
5,95
|
973
|
324
|
81,1
|
4,4
|
1870
|
624
|
159
|
6
|
955
|
318
|
79,6
|
4,45
|
1830
|
609
|
152
|
|
Примечание: Размерность твердости дана в МПа. Диаметры отпечатков даны для шарика диаметром 10 мм. Для определения по таблице числа твердости при испытании шариком диаметром 5 мм диаметр отпечатка надо умножить на 2, а при испытании шариком диаметром 2,5 мм – на 4.
|
