Определение твердости по методу Роквелла

 

Метод Роквелла отличается от метода Бринелля тем, что измеряется не диаметр отпечатка (лунки), а его глубина. Чем больше глубина вдавливания, тем меньше твердость испытуемого образца (рис. 2.3.).

 

Рис. 2.3.  Схема определения твердости материала по методу Роквелла:

 

 

На рисунке:

а- конус, вдавленный под нагрузкой Р₀

б – отпечаток конуса после снятия нагрузки Р₀;

в- конус, вдавленный под нагрузкой Р₁,

г- отпечаток конуса после снятия основной нагрузки Р₁,

h – глубина  проникновения конуса

s – толщина материала

 

Твердость материала по методу Роквелла определяют по глубине вдавливания в испытуемый материал алмазного конуса с углом при вершине 120° при нагрузках 60 и 150 кг на твер­домерах. При испытании сначала прикладывают предварительную нагруз­ку P₀,а затем основную – P₁

Твердость при этом характеризуется разностью глубин проникновения шарика или алмазного конуса h - h₀под нагрузками Р = Р₁ + Р₀и Р₀(рис. 2.3). Эта разность глубин определяется автоматическим индикатором, циферблат которого разделен на 100 делений.

При испытании алмазным конусом твердость обозначают HRC. Шариком

 

К достоинствам метода Роквелла относят:

• измерение твердости в более широком диапазоне (до 700 НВ);
• пригодность для определения твердости более тонких изделий, чем при методе Бринелля;
• наличие очень малых отпечатков на испытуемом образце.
• Недостатком метода является необходимость подготовки образ­цов, соответствующих определенным требованиям (толщина образ­ца должна быть не менее 10 глубин вдавливания, диаметр круглых образцов не должен быть меньше 10 мм).

 

2.2.3. Определение твердости по методу Виккерса

 

Твердость по методу Виккерса определяют вдавливани­ем в испытуемый материал алмазной пирамиды с углом при вер­шине 136° под нагрузкой.

В результате на поверхности образца ос­тается квадратный отпечаток, длина диагонали которого характе­ризует твердость материала. Чем больше диагональ, тем ниже твер­дость. Диагонали измеряют с помощью микроскопа.

Твердость по методу Виккерса HV определяют по таблицам в зависимости от длин диагоналей отпечатка (рис. 3.3).

Этим методом можно измерять твердость мягких и твердых ма­териалов при малой толщине образцов и деталей.

Недостатки метода - длительность процесса замера и необходи­мость тщательной подготовки образца.

 

 

Рис.2.4. Схемы измерения диагонали отпечатка пирамиды:

а - первоначальное положение штрихов; б - положение штрихов

для измерения диагонали отпечатка; 1- левый штрих; 2 - правый штрих;

3 - отпечаток пирамиды

 

 

Занятие 3. (2 часа)  Характеристики прочности материалов.

Прочность материала

Прочность материала  - это способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок.

Материалы испытываются на  сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг, кручение, истирание, а также совокупность этих нагрузок.

Прочность материалов характеризуется пределом прочности.

Пределом прочности (МПа) называют напряжение, соответствующее нагрузке, вызывающей разру­шение образца. Предел прочности определяют опытным путем, используя при этом гидравлические прессы или разрывные машины и стандартные образцы материа­ла.

 

Рис.3.1.Гидравлические стенды для испытания образцов

 

           

 

Рис.3.2. Испытание образца оконного блока

 

Рис.3.3. Разрушение болта при его растяжении с помощью резьбы и гайки.

 

К основным характеристикам предела прочности относятся:

· разрушающее напряжение при растяжении σ_р.

· разрушающее напряжение при

  сжатии σ_с.

· разрушающее напряжение при статическом изгибе σ_и.

 

 

3.2. Разрушающее напряжение при растяжении σ_р.

Определяется на образцах определенной формы (см. рис. 3. 4.) Образец растягивают в специальной машине с гидравлическим приводом. При разрушении образца фиксируют разрушающее усилие Р.

Разрушающее напряжение подсчитывают по формуле:

 

 

Где: σ_р- разрушающее напряжение при разрыве (Н /м ²)

     Р_р - разрушающее усилие при разрыве образца (Н).

    S - площадь поперечного сечения образца (м ²).

 

Рис.3.4. Испытание образца на разрыв.

 

На рисунке:

1 - образец.

2 - захваты.

 

3.3. Разрушающее напряжение при сжатии σ_с

 

Определяется на образцах, имеющих форму цилиндра или куба. Обычно это цилиндра высотой 15 мм и диаметром 10 мм. Образец располагают между плитами испытательного пресса, к которым прикладывают сжимающую нагрузку до момента разрушения образца.

Разрушающее напряжение вычисляют по формуле:

 

Где: σ _с - разрушаюшее напряжение при сжатии (Н /м ²)

   Р_с - разрушающее усилие при сжатии образца (Н)

  S - площадь поперечного сечения образца (м ²)

 

 

 

На рисунке:

1 - стальные плиты пресса.

2 - образец.

 

 

3.4. Разрушающее напряжение при статическом изгибе σ_и

 

Определяется на образцах, представляющих собой бруски прямоугольного сечения.  Образец в испытательной машине свободно опирается на две стальные опоры. Изгибающее усилие прикладывается к сере- дине образца через стальной наконечник. Разрушающее напряжение изгиба определяется по формуле:

 

 

Где: σ_и - напряжение при изгибе (Н /м ²)

   Р - разрушающее усилие при изгибе(Н).

    L - расстояние между стальными опорами в испытательной машине (м).

    b - ширина образца (м).

    h - толщина образца (м).

 

 

На рисунке:

· 1 - стальной наконечник.

· 2 - образец.

· 3 - стальные опоры.

 

Для большинства материалов в качестве образца при меняют бруски сечением

10 на 15 мм. и длиной 120 мм.

 

 

Занятие 4.     (2 часа)  Ударная вязкость, упругость и пластичность материалов

Ударная вязкость

 

Ударная вязкость - способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки.

 

Определяется на образцах длиной 120 мм и сечением 10 на 15 мм или сплошных цилиндров. Образец укладывают на две стальные опоры, как при испытании на изгиб и наносят удар стальным наконечником, который падает с определенной высоты.

 

 

Рис.4.1.Разрушение образца на стенде

 

Если образец разрушается, то определяют по прибору величину работы разрушения и вычисляют ударную вязкость по формуле:

 

Где: а - ударная вязкость (Дж /м ²)

    ΔА  - работа, затраченная на разрушение образца (Дж).

     S - поперечное сечение образца (м ²)

  Чем меньше величина ударной вязкости, более хрупок данный материал.

 

Упругость материала.

 

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил. Деформация называется упругой, если она исчезает после удаления вызвавшей её нагрузки, и пластической, если после снятия нагрузки она не исчезает.

 

Наиболее простые виды деформации тела:

• растяжение,
• сжатие,
• сдвиг,
• изгиб,
• кручение.

Упругость – это свойство тел восстанавливать свою форму и объем (твердые тела) или только объем (жидкости и газы) после прекращения действия внешних сил.

Силы, возникающие в теле при его упругой деформации и направленные против направления смещения частиц тела, вызываемого деформацией, называют силами упругости.

Силы упругости препятствуют изменению размеров и формы тела. Силы упругости действуют в любом сечении деформированного тела, а также в месте его контакта с телом, вызывающим деформации. Например, со стороны упруго деформированной доски D на брусок С, лежащий на ней, действует сила упругости F _упр (рис. 4.2.).

Рис. 4.2. Действие силы упругости.

 

Состояние упруго деформированного тела характеризуют величиной σ, называемой механическим напряжением.

Механическое напряжение σ равно отношению модуля силы упругости F _упр к площади поперечного сечения тела S:

Где: F_упр - сила упругости

S - площадь поперечного сечения тела:

 

Измеряется механическое напряжение в Па: [ σ ] = Н/м² = Па.

 

 

Количественная характеристика упругих свойств материалов - модуль упругости.

модуль упругости численно равен такому механическому напряжению, которое должно было бы возникнуть в теле при увеличении его длины в 2 раза.

Пластичность материалов

Материалы, у которых незначительные нагрузки вызывают пластические деформации, называют пластичными.

       Способность материала получать большие остаточные деформации, не разрушаясь, носит название пластичности. Свойство пластичности имеет решающее значение для таких технологических операций, как штамповка, вытяжка, волочение, гибкаи др.

 

Мерой пластичности является относительное удлинение δ при разрыве. Относительное удлинение - величина, показывающая на сколько процентов удлиняется материал, прежде чем разорвется. Измеряется в процентах. Например, при значении показателя 100%, материал выдерживает двукратное удлинение до разрыва. Чем больше δ, тем более пластичным считается материал.

 

 К числу весьма пластичных материалов относятся отожженная медь, алюминий, латунь, малоуглеродистая сталь и др. Менее пластичными являются дюраль и бронза. К числу слабо пластичных материалов относятся многие легированные стали.

 

Деление материалов на упругие и пластичные в значительной мере условно.

В зависимости от возникающих напряжений один и тот же материал будет вести себя или как упругий, или как пластичный. Так, при очень больших напряжениях сталь обнаруживает пластичные свойства. Это широко используют при штамповке стальных изделий с помощью прессов, создающих огромную нагрузку.

Холодная сталь или железо с трудом поддаются ковке молотом. Но после сильного нагрева им легко придать посредством ковки любую форму. Пластичный при комнатной температуре свинец приобретает ярко выраженные упругие свойства, если его охладить до температуры ниже –100 °С.

 

 

Занятие 5.     (2 часа)  Хрупкость и усталость материалов.

Хрупкость материалов.

Хрупкость — свойство материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций. Является противоположным свойству пластичности. Материалы, обладающие этим свойством, называются хрупкими. Для таких материалов удлинение при разрыве не превышает 2…5 %, а в ряде случаев измеряется долями процента.

Изделия из стекла и фарфора хрупкие: они разбиваются на куски при падении на пол даже с небольшой высоты. Чугун, мрамор, янтарь также обладают повышенной хрупкостью. Наоборот, сталь, медь, свинец не являются хрупкими.

 

 

 

 

а) кирпич                            б) стекло                                  в) фарфор

Рис.5.1. Хрупкие материалы

 

Усталость материалов

Усталость материала — процесс постепенного накопления повреждений под действием переменных (часто циклических) напряжений, приводящий к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению материала за указанное время

Обратное свойство материала называется выносливостью (свойство материала воспринимать переменные (циклические) нагрузки без разрушения указанное время). Кроме того это понятие близко связано с прочностью, имеет место быть понятие усталостной прочности.

Усталостное разрушение — это процесс интенсивного разрушения поверхностей деталей, возникающий от внутренних напряжений, пластических деформаций, усталостных явлений, появляющихся при больших удельных давлениях и нагрузках.

       При этом на поверхности трения образуются микротрещины, трещины, единичные и групповые впадины в виде оспы. Примером такого разрушения может служить выкрошивание поверхностей зубьев шестерен редукторов.

 

 

    

      

 

 

Рис.5.2. Примеры усталостного разрушения

 

 

Занятие 6.     (2 часа) Контрольная работа №1 ЭМ У6

Контрольные вопросы:

1. Перечислите и дайте краткое определение материалов по их общему назначению
2. Дайте определение и перечислите характеристики конструкционных материалов
3. Дайте определение и классификацию электротехнических материалов
4. Дайте классификацию характеристик электротехнических материалов
5. Дайте определение триботехнических материалов.
6. Дайте определение инструментальных материалов.
7. Дайте определение рабочих тел.
8. Дайте определение топлив.
9. Дайте определение технологических материалов
10. Перечислите механические характеристики электротехнических материалов.
11. Опишите определение твердости материала по методу Бринелля
12. Опишите определение твердости материала по методу Роквелла
13. Опишите определение твердости материала по методу Виккерса
14. Дайте определение и характеристики прочности материалов.
15. Опишите методику определения разрушающего напряжения при растяжении
16. Опишите методику определения разрушающего напряжения при сжатии
17. Опишите методику определения разрушающего напряжения при изгибе
18. Дайте определение и опишите методику определения ударной вязкости.
19. Дайте определение и опишите методику определения упругости материала.
20. Дайте определение и физический смысл пластичности материала
21. Дайте определение и физический смысл хрупкости материала
22. Дайте определение и физический смысл усталости материала

Тема 2. Электрические характеристики ЭТМ (8 часов)

Занятие 7 (2 часа) Удельное электрическое сопротивление