Киреев А.Н. Контроль и испытания промышленной продукции. Конспект лекций - файл n1.doc

Киреев А.Н. Контроль и испытания промышленной продукции. Конспект лекций
скачать (7792.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc7793kb.06.07.2012 23:22скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8

5.4. Твердость и методы ее измерения



Твердость – это сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела - наконечника (индентора). Твердость металлов не является физической постоянной, а представляет собой сложное свойство, зависящее как от прочности и пластичности, так и от метода измерения.

Индентор представляет собой твердое малодеформирующееся тело (алмаз, твердый сплав, закаленная сталь) определенной геометрической формы (шар, пирамида, конус, игла), вдавливаемое в поверхность образца или изделия.

О величине твердости судят по полученной деформации. В зависимости от метода испытания, свойств наконечника и испытываемого материала твердость может оцениваться различными критериями.

Твердость можно измерять разными способами: вдавливанием наконечника под действием статических и динамических нагрузок, царапанием поверхности, а также по отскоку свободно падающего наконечника.

Наибольшее применение получило измерение твердости вдавливанием. В результате вдавливания с достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи его, получают пластическую деформацию. После снятия нагрузки на образце (детали) остается отпечаток. Особенность этой деформации в том, что она протекает только в небольшом объеме, окруженном недеформированным металлом. При измерении твердости вдавливанием испытывают не только пластичные металлы, но и непластичные.

Таким образом, твердость характеризует сопротивление пластической деформации и представляет собой механическое свойство материала, отличающееся от других механических свойств способом измерения.

Значение твердости так же, как и другие механические свойства, зависят от химического состава и структуры металла, поэтому измерения твердости широко применяется в промышленности для оценки свойств деталей и качества термической обработки.

Различают два способа определения твердости вдавливанием: измерение твердости (макротвердости) и измерение микротвердости.

При измерении макротвердости в испытуемый образец вдавливают тело, проникающее на сравнительно большую глубину, зависящую от прилагаемой нагрузки. Кроме того, при некоторых видах испытаний вдавливается индентор значительных размеров (например, стальной шарик диаметром 10 мм), в результате в деформируемом объеме наблюдается структура, характерная для измеряемого материала. Измеряемая твердость должна в этом случае характеризовать твердость всего испытуемого материала («усредненная» твердость).

При измерении микротвердости определяется твердость отдельных зерен, фаз и структурных составляющих сплава, а не «усредненная твердость», поэтому прилагаемая нагрузка должна быть небольшой.

Так как твердость измеряется в поверхностных слоях металла, то большое значение при испытании имеет состояние его поверхности.

При наличии неровностей и выступов отдельные частицы металла в различной степени сопротивляются вдавливанию и деформации, что может привести к неточностям измерения.

Поверхность образца для измерения твердости должна представлять горизонтальную шлифованную площадку, а для измерения микротвердости – полированную. Образец или деталь должны устанавливаться горизонтально, перпендикулярно к действию вдавливаемого тела.

5.5. Твердость по Бринеллю



При измерении твердости металлов по Бринеллю стальной закаленный шарик диаметром D вдавливается в испытуемый образец под нагрузкой в течение определенного времени. Твердость определяется по величине поверхности оставляемого отпечатка.

Схема получения отпечатка и измерение отпечатка на отсчетном микроскопе показаны на рисунке 5.9.

При вдавливании шарик образует на поверхности образца сферический отпечаток-лунку (рис. 5.9, а), диаметр которого измеряется после удаления нагрузки и снятия детали со столика.

Для определения твердости по Бринеллю используются шарики диаметром 2,5, 5 и 10 мм.



Рис. 5.9. Испытание металла на твердость по Бринеллю:

а – схема получения отпечатки; б – измерение отпечатка по шкале микроскопа.

D – диаметр индентора; d – диаметр отпечатка; а – толщина испытуемого образца.
Число твердости по Бринеллю определяется делением нагрузки Р, кгс (Н) на площадь поверхности сферического отпечатка F, мм22).

Площадь сферического отпечатка рассчитывается по формуле:

(5.11)

тогда:

(5.12)

При выборе диаметра отпечатка, нагрузки, продолжительности выдержки под нагрузкой и минимальной толщины испытуемого образца руководствуются нормативно-технической документацией для испытаний по Бринеллю.

По методу Бринелля определяется твердость сравнительно мягких металлов и сплавов: низко и среднеуглеродистые стали, цветные металлы и сплавы, некоторые типы легированных сталей имеющих невысокую твердость

5.6. Твердость по Роквеллу



При измерении твердости по методу Роквелла наконечник стандартного типа – алмазный конус или стальной шарик вдавливается в испытуемый образец или изделие под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок – предварительной Р0 и общей Р, которая равна сумме предварительной Р0 и основной Р1 нагрузок. Твердость определяется по глубине получаемого отпечатка.

Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах. За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм.

Твердость по Роквеллу определяется по трем шкалам А, В, С. Пределы измерения твердости по указанным шкалам, и др. характеристики приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1.

Пределы измерения твердости

Обозначение шкалы

Число единиц в шкале

Обозначение твердости по шкале

Предварительная нагрузка Р0, кгс

Полная нагрузка Р=Р01 при измерении твердости по соответствующей шкале

Допускаемые пределы измерения твердости по шкале

Примерная твердость по Бринеллю, НВ

Область применения

А

100

HRA

10

10+50=60

(589 Н)

70-90

Свыше 700

Сверхтвердые сплавы, цементированные изделия

С

100

HRC

10

10+140=150

(1471 Н)

20-67

230-700

Твердые и термически обработанные стали

В

130

HRB

10

10+90=100

(981 Н)

25-100

60-230

Мягкие

металлы*

* твердость НRВ измеряется, в случае если испытуемый образец имеет малую толщину и измерить твердость по Бринеллю не представляется возможным.

Числа твердости по Роквеллу НR выражаются формулами:

при измерении по шкалам А и С:

(5.13)

при измерении по шкале В:

(5.14)

Величина е определяется по формуле:

(5.15)

где h0 глубина внедрения наконечника в испытуемый образец под действием нагрузки Р0; h – глубина внедрения наконечника в испытуемый образец под действием общей нагрузки Р, измеренная после снятия основной нагрузки Р1 и оставленной предварительной нагрузкой Р0.

Твердость по шкале А и С измеряется путем вдавливания в испытуемый образец алмазного конического наконечника, а твердость по шкале В измеряется путем вдавливания в испытуемый образец алмазного шарика диаметром 1,588 мм.

5.7. Твердость по Виккерсу



При измерении твердости материалов по Виккерсу наконечник стандартного типа (алмазная пирамида с углом 1360 между боковыми гранями при вершине) вдавливается в испытуемый образец под действием нагрузки Р (рис. 5.10, а), которая выбирается в пределах от5 до 120 кгс (от 49 до 1176 Н). Мерой твердости при этом служит диагональ отпечатка.

Методом Виккерса измеряют микротвердость материалов.



Рис. 5.10. Испытание твердости по Виккерсу:

а – схема внедрения алмазной пирамиды в испытуемый образец, б – схема измерения отпечатка по шкале оптического микрометра.

В результате испытаний на поверхности образца получают отпечаток в виде ромба, измеряют обе его диагонали и вычисляют среднее значение.

Твердость по Виккерсу HV так же, как и по Бринеллю, определяют как удельное давление, приходящееся на единицу поверхности отпечатка, т.е. отношение нагрузки, приложенной к пирамиде Р, кгс, к поверхности отпечатка F, мм2.

Твердость HV определяется по формуле:

(5.16)

где Р – нагрузка на пирамиду 5, 10, 20, 30, 50, 100, 120 кгс; ? =1360 – угол между противоположными гранями пирамиды; d – среднее арифметическое длины двух диагоналей пирамиды, измеренных после снятия нагрузки, мм.

5.8. Общие сведенья о динамических испытаниях



Механические свойства гладких образцов, определенные медленным повышением нагрузки, часто не соответствует действительным условиям нагружения деталей при их эксплуатации, когда нагрузки возрастают очень быстро. Это привело к необходимости исследовать свойства металла при быстро возрастающих нагрузках, так называемых динамических (или ударных) нагрузках.

Если детали машин, узлы, механизмы и т.п. в процессе эксплуатации испытывают ударные нагрузки, то металл, идущий на изготовление таких деталей, кроме статических испытаний подвергают еще испытанию динамической нагрузкой, так как некоторые детали с достаточно высокими показателями статической прочности разрушаются при малых ударных нагрузках.

О состоянии металла можно судить по характеру разрушения. Чем медленнее производится нагружение, тем меньше требуется нагрузка для деформации образца, следовательно, с увеличением скорости приложение нагрузки сопротивление металла деформации возрастает.

При наличие в изделиях резких переходов в сечении, надрезов, внутренних дефектов наблюдается неравномерное распределение напряжений.

На рисунке 5.11 показана схема распределения напряжений по сечению в образцах с разными надрезами, подвергнутых растяжению. Как видно на рисунке 5.11, а, у образца 1 без надреза продольные напряжения одинаковы по всему сечению, у образцов 2 и 3 с надрезами наблюдается повышение продольных напряжений до максимальных значений у вершине надреза.

Отношение максимальных напряжений ?макс к нормальному напряжению определяет концентрацию напряжений. Таким образом, можно сказать, что чем острее надрез, тем больше концентрация напряжений.



Рис. 5.11. Влияние надрезов на распределение напряжения в образцах:

а – схема распределения в образцах, б – диаграмма растяжения образцов с надрезами:

1 – без надреза, 2 – образец с тупым надрезом, 3 – образец с острым надрезом.
При растяжении образца наряду с продольной возникает также поперечная деформация и, таким образом, кроме продольных нормальных напряжений будут наблюдаться поперечные напряжения, действующие перпендикулярно оси образца. А это значит, что в зоне надреза металл растягивается не только по оси образца, но и в поперечном направлении.

Сопротивление пластической деформации неодинаково для образца с надрезом и без надреза.

Диаграмма (рис. 5.11, б) показывает, что наличие надреза повышает пределы пропорциональности, упругости и текучести и снижает пластические свойства (кривые 2 и 3).

Изменение температуры также оказывает значительное влияние на механические характеристики металла. Понижение температуры способствует переходу металла из пластического состояние в хрупкое. Температура, при которой начнет проявляться хрупкость, называется критической температурой хрупкости.

Таким образом, следует, что при испытаниях для выявления хрупкости металлов нужно учитывать все вышеперечисленные факторы.

Данные динамических испытаний зависят от незначительных изменений в структуре металла, поэтому отдельные случайные отклонения в технологии или составе, часто не влияющие на результаты статических испытаний, оказывают резкое влияние на динамические характеристики свойств металла.

5.9. Определение ударной вязкости



Из динамических испытаний (растяжение, сжатие, кручение, изгиб) в практике наиболее распространенным является испытание на ударный изгиб.

Динамические испытания на ударный изгиб выявляют склонность металла к хрупкому разрушению.

Ударному изгибу подвергают образец стандартной формы в виде призматического бруска размером 10х10х55 с разрезом глубиной 2 мм посередине. Различают образцы с U-образным разрезом (рис. 5.12, а) и V-образным разрезом (рис. 5.12, б). На практике наибольшее распространение получило испытание на ударный изгиб образцов с U-образным надрезом.



Рис. 5.12. Образцы для испытаний на ударный изгиб:

а – образец U-образным разрезом, б – образец с V-образным разрезом.
Испытание производятся на специальных приборах – маятниковых копрах.

Для проведения испытаний на опоры станины маятникового копра образец кладут таким образом, что бы надрез был со стороны противоположной удару (рис. 5.13).

Маятником весом Q с длиной подвески l (рис. 5.14) поднимается на высоту Н (угол отклонения ?1), закрепляют и устанавливают стрелку шкалы на нуль. В этом положении маятник обладает известным запасом потенциальной энергии А1=QH, где Н=lcos?1. Затем освобождают маятник и он, свободно падая, ударяет по образцу и разрушает его. На это расходуется часть энергии. Оставшаяся энергия поднимает маятник на некоторую высоту h, угол ?2 определяют по шкале прибора. Оставшаяся энергия А2=Qh, где h=l∙cos?2.



Рис. 5.13. Схема расположения образца на опорах.


Рис. 5.14. Схема маятникового копра.

Количество энергии, затраченное на разрушение образца, или работа удара, поглощенная образцом, вычисляется в кгс∙м (Дж) по формуле:

(5.17)

Величина Ан называется абсолютной вязкостью. Ударная вязкость – способность металлов оказывать сопротивление действию ударных нагрузок.

Ударная вязкость кгс∙м/см2 (кДж/м2) – это отношение работы, поглощенной образцом при разрушении, к площади поперечного сечения образца в месте разреза:

(5.18)

Для определения порога хладноломкости испытание на ударный изгиб выполняется при пониженных температурах. Охлаждение образцов выполняют смесью спирта и жидкого азота, или сжиженным углекислым газом со спиртом.

6. Контроль структуры




6.1. Макроструктурный анализ



Для проведения макроструктурного анализа из материала контролируемого изделия изготавливается образец (шлиф), или берется излом детали, по которому изучается макроструктура – строение материала, видимое невооруженным взглядом или с помощью лупы.

Подготовка образца состоит в фрезеровании и шлифовании поверхности. В случае необходимости образец травят кислотами, щелочами или растворами солей, которые по разному растворяют или окрашивают разные по составу или ориентации части на шлифе.

При исследовании макроструктуры определяют форму и расположение кристаллов в изделиях, полученных литьем или обработкой давлением; можно обнаружить усадочные раковины и рыхлоты, трещины, флокены, неметаллические включения (шлак, графит в сером чугуне и т.д.) и другие дефекты макроструктуры; макроанализ позволяет определить наличие и характер расположения некоторых вредных примесей, например серы.

Изломы металла дают представление о величине зерна крупнозернистых металлов, характере строения и структуре.

Также при макроанализе изломов можно судить о характере (хрупкое, вязкое), а иногда и о причинах разрушения детали.

При необходимости документального подтверждения результатов макроструктурного анализа образцы после обработки фотографируются.

Макроструктурный анализ относится к разрушающим методам контроля, и с его помощью проводят выборочный контроль качества промышленной продукции.

На рисунках 6.1 – 6.3 представлены примеры макрошлифов из колесных центров локомотивов, полученных путем пластической деформации металла (штамповка с последующей прокаткой), в которых обнаружены дефекты макроструктуры.



Рис. 6.1. Флокены в виде длинных трещин в поперечном сечении обода катаного колесного центра. Горячее травление



Рис. 6.2. Шлаковое включение в поперечном сечении обода катаного колесного центра. Горячее травление


Рис. 6.3. Пузыри и хрупкие шлаковые включения в поперечном сечении обода катаного колесного центра. Горячее травление

6.2. Микроструктурный анализ



Образец (шлиф) для микроструктурного подготавливается также как для макроанализа, только образец обычно делается меньшего размера (образец берется из того места детали в котором необходимо изучить микроструктуру) и после шлифования образец подвергают полировке до зеркального блеска.

По шлифу с помощью металлографического (электронного) микроскопа исследуют микроструктуру: наличие, количество и форму тех или иных структурных составляющих, загрязненность посторонними включениями. Наличие и размер пор и неметаллических включений определяют по нетравленым шлифам; для выявления основной структуры шлиф подвергают травлению.

На рисунке 6.4. приведена схема, поясняющая видимость границ зерен протравленного шлифа металла. Под действием реактивов при травлении металл по границам зерен растворяется сильнее, вследствие чего там образуются углубления – микробороздки. Лучи света в них рассеиваются, поэтому границы зерен под микроскопом темнее; лучи от плоской поверхности зерен отражаются, и зерна на шлифе кажутся светлее, при этом наблюдается различная окраска зерен, что объясняется различной их растворимостью вследствие анизотропии.



Рис. 6.4. Схема отражения лучей от структурных составляющих металла
Для документального подтверждения результатов микроанализа производится фотосъемка с помощью специальных фотомикроскопов (рис. 6.5).



Рис. 6.5. Фотомикроскопный комплекс Neophot 21

На рисунке 6.6 представлены фотографии микроструктуры стали 45 полученной путем пластической деформации до термической обработки (рис. 6.6, а) и после нормализации от 8500С и отпуска при 5000С (рис. 6.6, б).



а)



б)

Рис. 6.6. Микроструктура стали 45:

а – до термической обработки;

б – после нормализации от 8500С и отпуска при 5000С.
Структура (рис. 6.6) перлитно-ферритная; образец на рис. 6.6, а – балл зерна 5, 6; образец на рис. 6.6, б – балл зерна 7, 8.

6.3. Рентгеноструктурный анализ



Рентгеноструктурный анализ дает возможность установить типы кристаллических решеток металлов и сплавов, а также их параметры. Определение структуры металлов, размещение атомов в кристаллической решетке и измерение расстояния между ними основано на дифракции рентгеновских лучей рядами атомов в кристалле, так как длина волн этих лучей соизмерима с межатомными расстояниями в кристаллах. Зная длину волн рентгеновских лучей, можно вычислить расстояние между атомами в кристалле и построить модель расположения атомов.


Литература




  1. Алешин Н.П., Белый В.Е. Методы акустического контроля металлов. / М.: Машиностроение, 1989. – 456с.

  2. ГОСТ 18353-79. Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов. Введ. 01.07.1980г. – М.: Издательство стандартов, 1987. – 17с.

  3. Дрозд М.С. Определение механических свойств металла без разрушения / М.: Металлургия, 1965. – 171с.

  4. ДСТУ EN 571-1-2001. Неруйнівний контроль. Ультразвуковий контроль. 2.1. Загальні вимоги. Введ. 28.12.2001р. – К.: Державний комітет України з питань технічного регулювання та споживчої політики, 2002. – 9с.

  5. Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. / М.: Машиностроение, 1981. – 240с.

  6. Ермолов И.Н. Физические основы эхо и теневого методов ультразвуковой дефектоскопии. / М.: Машиностроение, 1970. – 108с.

  7. Жуковец И.И. Механические испытания металлов / М.: Высшая школа, 1980. – 191с.

  8. Испытательная техника. Справочник. В 2-х кн. / Под. ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1982. – Кн. 1, 1982. – 528с.

  9. Испытательная техника. Справочник. В 2-х кн. / Под. ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1982. – Кн. 2, 1982. – 560с.

  10. Контроль качества продукции в машиностроении / Под. ред. А.Э. Артеса. М.: Машиностроение, 1974. – 216с.

  11. Крауткремер Йозеф, Крауткремер Герберт. Ультразвуковой контроль материалов. Справочник. / Пер. с нем. Е.К. Бухмана, под ред. В.Н. Волченко. М.: Металлургия, 1991. – 752с.

  12. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Металловеденье / 3-е изд. перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1990. – 528с.

  13. Лахтин Ю.М. Металловеденье и термическая обработка металлов / Изд. 2-е перераб. и доп. М.: Металлургия, 1979. – 320с.

  14. Методы неразрушающих испытаний. / Под ред. Р. Шарпа. Пер. с англ. под ред. Л.Г. Дубицкого. М.: Мир, 1972. – 494с.

  15. Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник. Изд. 2-е испр. и доп. / Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 2003. – 656с.

  16. Неразрушающие испытания. / Под ред. Р. Мак-Мастера. Пер. с англ. под ред. Т.К. Зиловой и др. М., Л.: Энергия, 1965. – 492с.

  17. Никифоров В.М. Технология металлов и конструкционные материалы / 6-е изд. перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1980. – 300с.

  18. Ноулер Л. и др. Статистические методы контроля качества продукции. / Пер. с англ. – 2-е русск. изд. М.: Издательство стандартов, 1989. – 384с.

  19. Сидоренко С.М., Сидоренко В.С. Методы контроля качества изделий в машиностроении / М.: Машиностроение, 1989. – 288с.

  20. Технический контроль в машиностроении. Справочник проектировщика / Под. общ. ред. В.Н. Чупырина, А.Д. Никофорова. М.: Машиностроение, 1987. – 512с

  21. Тимощюк Л.Т. Механические испытания металлов / М.: Металлургия, 1971. – 224с.

  22. J.M. Gonnagle. Nondestructive testing. / New York, Toronto, London: McGraw-HILL book company, INC, 1661.



1   2   3   4   5   6   7   8


5.4. Твердость и методы ее измерения
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации