Geum.ru

Учебное пособие для преподавателей общеобразовательных школ

Вид материалаУчебное пособие

Содержание


Лабораторные занятия
Метод измерения твердости по Виккерсу
HB, приводится без указания размерности. Ее сопровождают символом HV
Подобный материал:

Лабораторная работа




Учебное пособие для преподавателей общеобразовательных школ


Москва, 2011

Данное пособие направлено на оказание помощи учителю в организации самостоятельной подготовки учащихся общеобразовательных школ по лабораторному практикуму. В качестве примера рассматривается адаптированная для школьников лабораторная работа «Метод измерения твердости по Виккерсу».

В целом у кафедры физики есть опыт привлечения к экспериментальной работе школьников не только в своих лабораториях, но и в совместной работе на спецкафедрах.

На фото ниже участники совместной проектной деятельности: учитель физики школы № 906, учащиеся школы №906 и преподаватели МИСиС.





Преподаватели МИСиС Лисунец Н.Л. и Андреенко Ю.А, встречаются на кафедре ПДСС с учителем физики школы №906 Колчевой В.Б. и учащимися 11 класса этой школы.


Лабораторные занятия


Известно, что лабораторные занятия по своей форме являются комплексными и в наибольшей степени требуют активной деятельности учащихся по сравнению с другими формами организации обучения.

В общем случае для выполнения лабораторных работ необходимы: знание физических теорий, моделей, понятий; методологические знания; умение решать физические задачи. Важно и то, что обязательное общение преподавателя с каждым обучаемым позволяет эффективно управлять его самостоятельной работой. Поэтому лабораторные занятия можно рассматривать не только как форму организации учебного процесса, предназначенную для выработки умений применять полученные теоретические знания при постановке и проведении экспериментальных исследований, практических навыков обращения с оборудованием, но и как базовую форму организации учебного процесса, способствующую развитию у студентов научных методов и приемов самостоятельной познавательной деятельности.

Если для студентов лабораторную работу можно рассматривать как базовую форму организации учебного процесса, то лабораторная работа в условиях общеобразовательной школы является базовой в пропедевтическом смысле (когда предполагается, что она способствует формированию основ самостоятельной продуктивной деятельности).

Фундаментом физики являются измерения: результаты физических экспериментов либо подтверждают существующую теорию, либо побуждают к созданию новой теории. Лабораторная работа для обучаемых близка к научному эксперименту, она может служить как способом подтверждения теории, так и фактором возникновения размышлений, приводящих к новым выводам и знаниям.

В совместно осуществляемой вузом и общеобразовательной школой подготовке учащихся потенциал вузовского физического практикума может и должен быть использован. Однако выбор лабораторных работ, предназначенных для выполнения школьниками, не может быть случайным и, более того, должен удовлетворять определенным критериям, а именно:
  • теоретическая основа лабораторных работ должна быть доступна пониманию школьников;
  • обработка результатов не должна быть связана с использованием основ теории погрешностей измерений;
  • самостоятельная подготовка к лабораторной работе и самостоятельный анализ полученных результатов школьниками должны направляться системой специально подобранных вопрсов.

    Доцоцент Лисунец Н.Л. в лаборатории с ученицей 11 класса шк. №906 Слезкой Д.

Метод измерения твердости по Виккерсу

Цель работы

Цель эксперимента – измерение твердости металла методом Виккерса.

Дидактическая цель – развитие у обучаемых навыков измерения пластической деформации.
Предварительная подготовка к выполнению лабораторной работы

Перед выполнением лабораторной работы учащимся предлагают ознакомиться с правилами техники безопасности и порядком проведения работы.
Теоретическое введение

Измерение твердости – самый доступный и распространенный метод механических испытаний материалов, который используется как средство контроля во многих отраслях промышленности, а также в исследовательских целях. Измерение твердости является неразрушающим методом механических испытаний.

Во многих случаях сведения о механических характеристиках изделий можно получить только путем применения метода измерения твердости, который реализуется с помощью переносного прибора. В исследовательских работах локальность метода обеспечивает оценку свойств тонких поверхностных слоев или отдельных структурных составляющих. Применительно к подобным задачам метод измерения твердости также незаменим.

Твердость металлов измеряют посредством воздействия на поверхность металла наконечника, изготовленного из малодеформирующегося материала (твердая закаленная сталь, алмаз, сапфир или твердый сплав) и имеющего форму шарика, конуса, пирамиды или иглы.

Существует несколько способов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника.

Твердость можно измерять путем вдавливания наконечника (способ вдавливания), царапания поверхности (способ царапания), удара наконечника-шарика или по его отскоку.

Твердость, определенная вдавливанием, характеризует сопротивление пластической деформации, царапанием – сопротивление разрушению (для большинства металлов путем среза); по отскоку – упругие свойства металлов.

Наибольшее применение получил при измерении твердости способ вдавливания. В результате вдавливания с достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Особенность происходящей при этом деформации заключается в том, что она протекает только в небольшом объеме, окруженном недеформированным металлом.

Преимущества метода измерения твердости:

 Наличие количественной зависимости между твердостью пластичных металлов, определяемой способом вдавливания, и другими механическими свойствами (главным образом пределом прочности).

 Простота измерений и отсутствие разрушения проверяемой детали в отличие от определения прочности, пластичности и вязкости. Испытания твердости не требуют изготовления специальных образцов и выполняются непосредственно на проверяемых деталях, которые после измерения можно использовать по своему назначению.

 Оперативность выполнения измерений (например, время измерения твердости путем вдавливания конуса 30–60 с, а путем вдавливания шарика – 1–3 мин).

 Возможность измерений на деталях небольшой толщины, а также в очень тонких слоях, не превышающих (для некоторых способов измерения твердости) десятых долей миллиметра, или в микрообъемах металла (методом определения микротвердости можно также измерять твердость отдельных составляющих в сплавах).

В настоящее время существует около 30 методов измерения твердости. Одна из причин такого разнообразия методов – отсутствие единого определения термина «твердость».

Действительно, в зависимости от характера нагружения при измерении твердости материал может испытывать либо только упругую деформацию, либо упругопластическую (методы вдавливания), либо упругопластическую деформацию и разрушение (методы царапания). В каждом случае при измерении твердости проявляются различные свойства материалов.

Единственное, что объединяет различные методы измерения твердости – это контактный характер приложения нагрузки и локальность нагружения. В связи с этим можно дать следующее определение термина «твердость»: под твердостью понимают разнообразные характеристики сопротивляемости материала местной, сосредоточенной в небольшом объеме, деформации на его внешней поверхности. И хотя точно определить термин «твердость» безотносительно к конкретному способу нагружения невозможно, данное определение соответствует физическому смыслу твердости, измеряемой различными методами.

Наиболее широкое распространение получили методы измерения твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу, а также метод измерения микротвердости.

При измерении твердости каждым из этих методов в образец или деталь под действием определенной нагрузки вдавливается твердый индентор и значение твердости определяется по размерам (глубине или площади) образующегося отпечатка.

Вследствие контактного характера приложения нагрузки объем материала под индентором испытывает сопротивление окружающих объемов и находится в состоянии всестороннего неравномерного сжатия. Это самое «мягкое» из реализуемых в практике механических испытаний напряженных состояний. Исключение составляют специальные испытания на сжатие под гидростатическим давлением. Поэтому даже очень хрупкие материалы при измерении твердости вдавливанием не разрушаются и дают пластический отпечаток. Следует учесть при этом, что внедрение индентора вызывает значительную деформацию.

Расчеты и непосредственные измерения показали, что вблизи поверхности отпечатка степень деформации достигает 30–40 %. В связи с этим приведенное выше определение термина «твердость» можно уточнить, добавив, что твердость при вдавливании характеризует сопротивление большим пластическим деформациям в условиях объемного неравномерного сжатия.

Метод измерения твердости по Виккерсу заключается во вдавливании в поверхность испытуемого образца (изделия) четырехгранной алмазной пирамиды с квадратным основанием. После приложения определенной нагрузки (грузов массами 1, 3, 5, 10, 20, 30, 50, 100, 120 кг) и выдержки под нагрузкой в течение определенного времени (для черных металлов до 15 с, для цветных – 30  2 с) нагрузку снимают и измеряют обе диагонали отпечатка (рис. 1).


а
б

Рис. 1. Схема измерения твердости по Виккерсу:
а – вдавливание пирамиды; б – измерение диагонали отпечатка

Величина твердости по Виккерсу HV определяется как частное от деления нагрузки на площадь боковой поверхности отпечатка, которую легко выразить через длину диагонали:

, (1)

где P – вес груза, а d – диагональ отпечатка.

Методы измерения твердости по Виккерсу и Бринеллю имеют много общего. Так, при вдавливании алмазной пирамиды с углом  = 136 значения HV близки к значениям HB (величина твердости по Бринеллю), полученным при идеальном отпечатке: d = 0,375D, где D – диаметр шарика, вдавливаемого при измерении твердости по Бринеллю.

Угол  = 136 стандартизован (ГОСТ 2999–75), и в этом случае формула (1) упрощается:

.

Вообще, величины HV и HB достаточно хорошо совпадают в интервале от самых низких значений до HB 450, т.е. до предельных значений, которые можно получить при измерении с использованием стального шарика. Использование алмазной пирамиды позволяет продолжить измерение до 1000 ед., что соответствует самым твердым материалам. При малых нагрузках устраняется опасность разрушения индентора и создается возможность определения твердости очень тонких образцов и слоев.

Метод измерения по Виккерсу имеет еще одно принципиальное преимущество перед методом Бринелля. Для данного материала и данной пирамиды все отпечатки подобны независимо от глубины погружения и их площадь пропорциональна d2. Следовательно, твердость, пропорциональная P/d2, не зависит от нагрузки.

Величина твердости по Виккерсу, как и HB, приводится без указания размерности. Ее сопровождают символом HV, который дополняют индексами, соответствующими величине нагрузки и времени выдержки под нагрузкой, если оно отличается от стандартного. Например, HV 500 означает, что величина твердости по Виккерсу при стандартной выдержке под нагрузкой массой 5 кг составляет 500 ед.; HV 5/30–500 означает ту же самую величину, но полученную при нестандартной выдержке под нагрузкой 30 с.
Обработка результатов измерений

Для измерения твердости по Виккерсу используют приборы типа ТП (схема приведена на рис. 2), имеющие поворотную головку, на которой смонтированы индентор и измерительный микроскоп с окулярмикрометром. После нагружения и разгрузки поворотом головки совмещают объектив микроскопа с отпечатком и измеряют его диагонали.

Поверхность образцов при измерении твердости по Виккерсу должна соответствовать 10-му классу чистоты. Минимально допустимый радиус кривизны поверхности равен 5 мм. Расстояние между краем поверхности и краем образца или краем соседнего отпечатка должно быть не менее 2,5 длины диагонали. Минимальная толщина образца или слоя для сталей должна быть больше диагонали отпечатка в 1,2 раза, для цветных металлов – в 1,5 раза. Отпечаток измеряют с точностью до 0,001 мм.



Рис. 2. Схема прибора ТП для определения твердости по Виккерсу:
1 – станина; 2 – педаль; 3 – маховичок; 4 – подъемный винт; 5 – опорный столик; 6 – индентор; 7 – рукоятка; 8 – шпиндель; 9 – промежуточный шпиндель;
10 – измерительный микроскоп; 11 – призмы; 12 – рычаг; 13 – штырь;
14 – подвеска; 15 – сменные грузы; 16 – пустотелый шпиндель; 17 – ломаный рычаг; 18 – винт; 19 – масляный амортизатор; 20 – поршень амортизатора с укрепленным на нем грузом; 21, 22 – рычаги; 23 – рукоятка

Подробное описание экспериментальной установки, порядок выполнения работы и обработки результатов эксперимента приводятся в лабораторном практикуме.
Содержание отчета

Отчет содержит:
  • описание цели работы;
  • краткое теоретическое введение;
  • описание установки;
  • результаты измерений в виде таблицы;
  • расчет числа твердости HV;
  • анализ полученных результатов и выводы.

Как и в предыдущих лабораторных работах, обучаемым предлагается сформулировать выводы, используя ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

 Что такое твердость металлов?

 Что такое твердость по Виккерсу?

 Зависит ли твердость по Виккерсу от нагрузки? Почему?

 Из каких соображений выбирается метод измерения твердости и величина нагрузки?