Lucrarea 4 [PDF]

Zitiervorschau

LUCRAREA DE LABORATOR NR. 4. Măsurarea durităţii metalelor Scopul lucrării: studierea metodelor de determinare a durităţii metalelor şi formarea deprinderilor de încercare a materialelor metalice la duritate după metoda Brenell. Obiectivele lucrării:  de a studia principiul metodelor aplicate la determinarea durităţii;  de a studia construcţia şi principiul de funcţionare a presei automate cu braţ;  de a forma deprinderi de măsurare a amprentei cu microscopul MПБ-2;  de a forma deprinderi practice de măsurare a durităţii după metoda Brenell.

Aparate, materiale şi instrumente Pentru executarea lucrării sunt necesare următoarele aparate, materiale şi instrumente: - presa automată cu braţ; - probe din oţeluri şi aliaje ale metalelor neferoase de diferite grosimi; - microscopul de tipul МПБ-2; - pilă, hârtie abrazivă; - cronometru. Noţiuni teoretice Încercările mecanice – determinarea proprietăţilor mecanice a materialelor şi pieselor pe eşantioane în condiţii strict reglementate (viteza, mediul, temperatura, timpul, schema aplicării sarcinii mecanice etc.). Înfăptuirea încercărilor mecanice şi compararea rezultatelor lor pentru piese aparte, cât şi grupele lor, este legată de analiza criteriilor ce caracterizează etapele de pregătire şi efectuare a încercărilor, cerinţe faţă de utilaj şi aparatajul pentru încercări. Clasificarea încercărilor mecanice se efectuează după următoarele criterii: a) tipul şi timpul acţiunii sarcinii (statică, dinamică, de oboseală); b) tipul şi schema aplicării sarcinii (la tracţiune, comprimare, încovoiere şi răsucire); c) temperatura la care se efectuează încercările (la temperatură normală, scăzută sau ridicată).

Metodele încercărilor mecanice sunt reglementate de Standardele de Stat: încercările inventarelor şi aliajelor la duritate, întindere, rezilienţă de şoc, comprimare, încovoiere etc. Duritatea este proprietatea materialului de a opune rezistenţă pătrunderii în el a unui alt material (corp) mai dur. Măsurarea durităţii este un procedeu destul de răspândit de măsurare a materialelor. Avantajele metodei: nu este distructivă ceea ce înseamnă că nu produce deteriorări serioase materialului încercat; nu necesită confecţionarea eşantioanelor speciale; pentru încercări la duritate este necesar de a efectua prelucrarea unui sector nu prea mare a suprafeţei cu o pilă, urmată de prelucrarea cu hârtie abrazivă. Metodele de determinare a durităţii prevăd pătrunderea identorului (bila de oţel, con de diamant, piramida de diamant) şi determinarea dimensiunilor amprentei. Metodele măsurării durităţii materialelor pot fi divizate în statice şi dinamice. Măsurările statice se efectuează prin aplicarea sarcinii treptat şi lin, iar timpul menţinerii sub sarcină se reglementează de standardele corespunzătoare pentru metodele măsurării durităţii. Metodele dinamice utilizează reculul elastic al unui vârf de diamant şi pătrunderea de şoc a unei bile călite de oţel. Către metodele statice de măsurare a durităţii se referă: duritatea după Brenell, după Rockwell şi după Vickers. Metodele dinamice sunt duritatea după Shore şi după Poldi. Măsurarea durităţii după Rockwell Metoda măsurării durităţii după Rockwell (STAS 9013-59) este utilizată pentru măsurarea durităţii metalelor şi aliajelor atât feroase, cât şi neferoase după scările A; B; C la temperaturile 2010C. Identorul (conul sau bila) standard se apasă în proba supusă încercării sub presiunea a două sarcini consecutive acţionate – prealabilă P 0 şi una de bază P1. Sarcina totală P va fi egală cu suma sarcinii prealabile P 0 şi de bază P1 (vezi fig.1). P = P 0 + P1

(1)

Fig.1. Schema măsurării durităţii după Rockwell

Sarcina poate varia în limite largi în dependenţă de scara măsurării, însă sarcina prealabilă este constantă şi are valoarea de 98,07 N (vezi tabelul 1). Duritatea este determinată după scările ce corespund sarcinilor utilizate. Cel mai mult sunt utilizate scările A şi C. Pentru măsurări cu aceste scări se utilizează conuri de diamant cu un unghi la vârf de 120 şi cu o rază de rotunjire la vârf egală cu 0,2 mm. La măsurarea durităţii pe scara B în calitate de identor se utilizează o bilă de oţel cu diametrul de 1,588 mm. Tabelul 1. Scara durităţii după Rockwell Scara durităţii A B C D E F G H K

Marcarea HRA HRB HRC HRD HRE HRF HRG HRH HRK

Sarcina prealabilă F0, N (kgF) 98,07 (10) 98,07 (10) 98,07 (10) 98,07 (10) 98,07 (10) 98,07 (10) 98,07 (10) 98,07 (10) 98,07 (10)

Sarcina de bază F1 N (kgF)

Sarcina totală F N (kgF)

490,3 (50) 882,6 (90) 1373 (140) 882,6 (90) 882,6 (90) 490,3 (50) 1373 (140) 490,3 (50) 1373 (140)

588,4 (60) 980,7 (100) 1471 (150) 980,7 (100) 980,7 (100) 588,4 (60) 1471 (150) 588,4 (60) 1471 (150)

Limitele de măsurare, un. duritate 20-88 20-100 20-70 40-77 70-100 60-100 30-94 80-100 40-100

Duritatea după Rockwell se determină în unităţi convenţionale. Drept unitate de duritate este considerată mărimea, care corespunde deplasării axiale a vârfului cu 0,002 mm. Deformaţia reziduală se determină după înlăturarea sarcinii de bază P 1. Numărul de duritate este citit pe scara indicatorului de tip ceasornic, acul căreia automat indică rezultatul scăderii diferenţei de adâncimi în mm, în care punctează vârful identorului sub acţiunea a două sarcini consecutive aplicate, dintr-o constantă oarecare, exprimată în mm. Duritatea după Rockwel se indică HRC, dacă măsurarea a fost efectuată pe scara C pentru oţeluri călite, aliaje călite şi revenite în diapazonul durităţii HRC 20-70. Pe scara B se măsoară duritatea oţelurilor cu un conţinut de carbon mic şi mijlociu, alame, bronzuri şi a altor materiale în diapazonul HRB 20-100. Pe scara A se măsoară duritatea diferitor materiale în diapazonul HRA–20-88. Duritatea după Rockwell HR se determină cu relaţiile:

h−h 0 HRA = HRC = 100 - 0 ,002

(2)

h−h 0 HRB = 130 - 0 ,002

(3)

în care: h0 este adâncimea pătrunderii penetratorului în proba supusă încercării sub acţiunea sarcinii prealabile P 0; h – adâncimea pătrunderii penetratorului în probă sub acţiunea sarcinii totale P măsurată după înlăturarea sarcinii de bază P 1. Distanţa între centrele a două amprente vecine sau distanţa de la centrul amprentei până la marginea probei trebuie să fie nu mai mică de 3 mm. Măsurarea durităţii după Vickers Metoda măsurării durităţii după Vickers este reglementată după STAS 2999-75. Măsurarea durităţii se bazează pe pătrunderea prin apăsare a penetratorului de diamant în formă de o piramidă patrulateră regulată în probă sub acţiunea sarcinii, acţionată într-un anumit interval de timp (vezi lucrarea de laborator Nr. 5). Duritatea după Vickers se calculează după relaţia: 0 ,102×2 P sin d

HV =

2

α 2

P 2 =0,189 d

(4)

în care: P este sarcina în N;  - unghiul dintre feţele opuse de la vârful piramidei egal cu 136; d – media aritmetică a mărimii ambelor diagonale ale suprafeţei după înlăturarea sarcinii în mm. Distanţa între centrul amprentei şi marginea probei sau marginii amprentei precedente trebuie să fie nu mai mică decât 2,5 din lungimea diagonalei amprentei. Grosimea minimală a probei sau stratului trebuie să fie pentru piese din oţel de 1,2 ori mai mare decât diagonala amprentei, pentru piese din metale neferoase – de 1,5 ori. Simbolul HV este urmat de cifre, care indică sarcina şi timpul de menţinere, dacă acest timp diferă de cel recomandat de standard (10…15 s). De exemplu: 500 HV înseamnă numărul de duritate, obţinut cu sarcina de 294,2 N (30kgF) şi timpul 10…15 s; 220 HV 10/40 – duritatea după Vickers determinată la sarcina de 98,07 N, cu timpul de menţinere 40 s. La măsurarea durităţii cu o piramidă de diamant se utilizează următoarele sarcini: 1; 2; 2,5; 3; 5; 10; 20; 30; 50; 100 kgF. Măsurarea durităţii după Brenell

Metoda măsurării durităţii după Brenell este reglementată de STAS 9012-59. La determinarea durităţii după Brenell o bilă de oţel cu diametrul D se apasă în suprafaţa probei supuse încercării sub acţiunea sarcinii P într-un anumit interval de timp. Schema încercărilor de duritate Brenell este prezentată în fig. 2. Fig. 2. Schema încercărilor la duritate după metoda Brenell

În rezultatul apăsării bilei, pe suprafaţa materialului rămâne o amprentă. Raportul dintre forţa de apăsare F(N) la suprafaţa amprentei (calotei sferice) A (mm 2) permite determinarea durităţii care are indicele HB:

HB=

F A

(5)

în care A este aria calotei sferice egală cu:

A=π Dh

(6)

în care, D – diametrul bilei, (mm); h – adâncimea amprentei, (mm). Deoarece adâncimea (h) a amprentei este greu de măsurat, este mai simplu de a măsura diametrul amprentei (d), în acest caz este raţional de a exprima mărimea (h) prin diametrul bilei (D) şi a amprentei (d):

h=

D−√ D 2 −d2 2

(7)

Aria suprafeţei sferice mm2:

A=

πD ( D−√ D 2−d 2 ) 2

(8)

iar duritatea după Brenell se determină cu relaţia:

HB=

2F

πD( D−√ D 2−d2 )

(9)

pentru F exprimată în kgF:

HB=

0 , 102×2 F

πD( D−√ D −d ) 2

2

(10)

pentru F exprimată în N. Duritatea după Brenell se notează prin simbolul HB (HBW), după care urmează valoarea durităţii din trei cifre, iar după simbol se notează diametrul bilei, sarcina aplicată şi timpul de menţinere, dacă acesta diferă de 10-15 s. Exemplu: 250 HB 5/750 – duritatea după Brenell 250 care a fost determinată cu bila de diametrul 5 mm şi sarcina 750 kgF, durata menţinerii 10-15 s. 575 HBW 2,5/187,5/30 – durtatea după Brenell 575 care a fost determinată cu bila de 2,5 mm, sarcina 187,5 kgF şi timpul de menţinere 30 s. La determinarea durităţii cu bila din oţel sau carbură metalică cu diametrul 10 mm, sarcina 3000 kgF şi timpul de menţinere 10-15 s, duritatea după Brenell se indică doar valoarea unităţii Brenell şi simbolul respectiv: 185 HB, 600 HBW. Presa automată cu braţ pentru măsurarea durităţii Brenell Unul dintre cele mai răspândite aparate pentru încercări de duritate după metoda Brenell este presa automată cu braţ. Schema acesteia este prezentată în fig. 3. În partea superioară a batiului 1 este situat axul 7 la capătul căruia este situat capul de măsurare dotat cu bila 6. Poate fi montat unul dintre cele trei capete de măsurare cu bilele cu diametrul respectiv 10, 5 sau 2,5 mm. Măsuţa 4 serveşte pentru instalarea probei 5. Prin rotirea în direcţia acelor de ceasornic a manetei (volantului) 15 este pus în mişcare şurubul 3, prin intermediul căruia măsuţa 4 cu proba 5 sunt strânse cu bila 6. Rotirea manetei 15 până când indicatorul 14 ia poziţia semnului, impune arcul 8 să se comprime până la refuz şi să creeze o sarcină iniţială de 1000 N.

Fig. 3. Aparatul de măsurare a durităţii după Brenell

Motorul electric 13 care se cuplează prin apăsarea butonului din partea laterală a presei pune în mişcare cama 2. La rotirea camei 2, biela 9 deplasându-se în sus ridică braţul 10 şi suportul 11 cu greutăţile 12, astfel înlăturând sarcina de pe bielă. Când braţul şi suportul revin în poziţia iniţială presa se decuplează automat. Prin rotirea manetei 15 contra acelor de ceasornic, măsuţa 4 este eliberată complet de sub sarcină. În funcţie de mărimea greutăţilor instalate pe suportul 11, asupra bielei vor fi aplicate diferite solicitări (tabelul 1). Dacă duritatea materialelor este mai mică decât 450 unităţi, atunci pentru măsurarea durităţii se utilizează bilele din oţel sau din carburi metalice. Dacă duritatea depăşeşte 450 unităţi se folosesc bilele din carburi metalice. Valoarea k, constanta materialului, se alege în dependenţă de metal şi duritatea lui conform tabelului 2. Tabelul 1. Alegerea mărimii sumare a greutăţilor de încărcare a presei automate cu braţ Sarcina

Marcarea greutăţilor care asigură forţa necesară

1875 2500 5000 7500 10000

A A+B A+B+C A+B+D A+B+C+D

30000

A+B+C+5D

Observaţii A – prezintă sarcina exercitată de suportul pentru greutăţi care asigură sarcina de 1875 N B – greutatea mică, asigură sarcina de 625 N C – greutate medie, asigură sarcina de 2500 N D – greutate mare, asigură o sarcină de 5000 N

Tabelul 2. Alegerea valorii constantei k în funcţie de materialul probei supuse încercărilor Material Oţel, fontă, aliaje ale nichelului, cobaltului etc. Titan şi aliajele lui Cupru şi aliajele lui, metalele uşoare şi aliajele lor Plumb, staniu şi alte metale moi

Duritatea după Brenell până la 140 de la 140 inclusiv de la 50 până la 35 de la 35 până la 20

k 10 30 15 5 10 1

Bilele de diametre diferite (D = 10; 5 ; 2,5; 2,0 şi 1,0 mm) sunt utilizate în funcţie de grosimea probei (vezi tabelul 5). Sarcina F în dependenţă de valoarea k şi diametrul bilei D se stabileşte în corespundere cu tabelul 3. Tabelul 3. Alegerea sarcinii F

Diametrul bilei D, mm 1,0 2,0 2,5 5,0 10,0

30 30 120 187,5 750 3000

15 1500

Sarcina F, kgF, pentru k 10 5 10 5 40 20 62,5 31,2 250 125 1000 500

2,5 2,5 10 15,6 62,5 250

1 1 4 6,2 25 100

Durata de menţinere a penetratorului depinde de duritatea probei şi poate fi determinată în conformitate cu tabelul 4. Tabelul 4. Alegerea timpului de menţinere Duritatea după Brenell, HB, HBW (unităţi de duritate după Brenell) Până la 10 De la 10 până 35 De la 35 până 100 De la 100

Timpul de menţinere, s 180 120 30 10-15

La încercarea cu bile de diferit diametru (D = 10 ; 5 ; 2,5; 2,0 şi 1,0 mm) se utilizează diferite greutăţi, la încercarea materialelor mai moi sarcina este mai mică şi, respectiv, se va ţine cont de acesta la alegerea diametrului bilei. Distanţa între centrul amprentei şi marginea probei trebuie să fie nu mai mică decât 2,5 din lungimea diagonalei amprentei. Distanţa dintre două amprente trebuie să fie minim două diametre ale amprentei.

Tabelul 5. Alegerea diametrului bilei şi sarcinii în funcţie de duritatea şi grosimea probei. Materialul

Metale feroase

Limitele de măsurare în unităţi de măsură HB 140-450 < 140

Metale neferoase (Cupru,

> 130

Grosimea minimă a probei (mm) 6—3 4—2 2 >6 6—3 6—3 4—2