Измерение твердости металлов и сплавов методом упругого отскока (по Шору)

 

 

 

                                            

 

 

 

 

Курсовая работа

по дисциплине «Планирование, обработка и анализ эксперимента»

на тему: «Измерение твердости металлов и сплавов методом упругого отскока (по Шору)»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение………………………………………………………………………3

1. Общие сведения…………………………………………………………..4
1. Общие сведения о твердости………………………………………..4
2. Сущность метода упругого отскока по Шору…………………….5
3. Шкалы………………………………………………………………...6
2. Подготовка и проведение испытаний…………………………………..8
1. Устройство прибора…………………………………………………8
2. Проведение испытаний……………………………………………...10
3. Экономическое обоснование испытаний объекта……………………..12

3.1 Срок окупаемости…………………………………………………...14

Заключение……………………………………………………………….15

Литература……………………………………………………………….16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Одной из наиболее распространенных характеристик, определяющих качество металлов и сплавов, возможность их применения в различных конструкциях и при различных условиях работы, является твердость. Испытания на твердость производятся чаще, чем определение других механических характеристик металлов: прочности, относительного удлинения и др.

Широкое распространение на твердость объясняется рядом их преимуществ перед другими видами испытаний:

- простота измерений, которые не требуют специального  образца и могут быть выполнены  непосредственно на проверяемых  деталях;

- высокая производительность;

- измерения твердости  обычно не влечет за собой  разрушения детали, и после измерения  ее можно использовать по своему  назначению;

- возможность  ориентировочно оценить по твердости  другие характеристики металла (например, предел прочности).

Метод измерения твердости по Шору регламентирован ГОСТ 23273. Это - основной метод определения твердости поверхности прокатных валков при их изготовлении, поставке на металлургическое предприятие, а также в процессе эксплуатации валков на прокатных станах.

Метод и шкала предложены американским промышленником Альбертом Ф. Шором в 1906 году.

Этот метод, вследствие его простоты и оперативности, часто применяется в заводской практике — преимущественно для быстрого контроля результатов термической обработки стальных изделий (закалки и отпуска). Он так же позволяет производить измерения прямо на готовых изделиях, крупногабаритных деталях и криволинейных поверхностях.

Так же данный метод применяться в тех случаях, когда из-за опасности испортить поверхность готовой детали нельзя применить для определения твердости метод вдавливания (Бринеля, Роквелла). Этот способ основан на том, что твердость металлов прямо пропорциональна  их упругости.

1. Общие сведения
1. Общие сведения о твердости

 

Под твёрдостью понимают способность материалов сопротивляться упругой деформации, пластической деформации и (или) разрушению в поверхностном слое. Измерение твердости является одним из широко распространенных видов механических испытаний металлов. Широкое применение этого вида испытаний

обусловлено следующими его преимуществами:

• измерение твердости проводится, как правило, без разрушения  изделия (образца) и, следовательно, может проводиться непосредственно на готовой детали. Габариты деталей при этом могут колебаться в очень широких пределах – от нескольких десятых и сотых долей миллиметра (часовые пружины) до нескольких метров (станины станков, валки прокатных станов);
• методики измерения твердости и подготовки испытуемых образцов сравнительно просты и оперативны; их легко освоить;
• приборы и оборудование для измерения твердости, как правило, проще, чем при других методах испытаний. Их можно установить в любой лаборатории или в соответствующем участке цеха;
• по полученному значению твердости можно сделать предварительные выводы о других механических свойствах металла (сплава), так как большинство свойств металлов и сплавов определяются одним и тем же показателем – его структурой;
• измерение твердости позволяет судить о наличии (или отсутствии) в деталях упрочненных поверхностей в результате различных видов термической обработки сплавов, связанной с изменением структуры по сечению детали.

Применительно к приведённому выше определению твёрдости существует три способа её измерения, а именно:

 

1) способ упругого отскока.

2) способ вдавливания (внедрения).

3) способ царапания.

В промышленности используется очень большое количество металлов и их сплавов с самыми разнообразными механическими свойствами. Это привело к тому, что в настоящее время существует около трех десятков методов испытания твердости, относящихся к перечисленным трём способам, причем каждый имеет вполне определенную область применения. Среди этого большого многообразия можно выделить несколько наиболее распространенных, методов основанных на одних и тех же принципах.  

В технической литературе твердость всегда обозначается буквой Н (от англ. hardness – твердость). Следом за буквой Н всегда пишется одна или две буквы, обозначающие метод испытания твердости, например: НВ – твердость по Бринеллю; HRA, HRB, HRC – твердость по Роквеллу (по шкалам А, В и С); HV – твердость по Виккерсу; HSD – твердость по Шору; HP – твердость по Польди; Нµ – микро-твердость и т.д.

 

2. Сущность метода упругого отскока по Шору

 

Твёрдость по Шору — метод определения твёрдости очень твёрдых материалов, преимущественно металлов, по высоте, на которую после удара отскакивает специальный боёк (осн. часть склероскопа Шора), свободно и вертикально падающий с определённой высоты. Твердость по этому методу Шора оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка.

Метод Шора (HSD) заключается в том, что на испытуемую поверхность с определенной высоты свободно падает боек, боёк имеет алмазный закругленный наконечник. Под действием упругой отдачи материала боек отскакивает на высоту h. Твердость материала пропорциональна высоте отскока. Этим методом можно измерять твердость деталей, имеющих массу не менее 5 кг, непосредственно на детали. Можно измерять  твердость изделий массой до 100г, но при этом изделие должно иметь  толщину не менее 10мм и располагаться на столике прибора.  Возможно применение этого метода для контроля твердости металла, нагретого до высокой температуры.

Поверхность изделия (образца), на которой определяется твердость, должна отвечать ряду требований. Она в месте контроля должна быть зачищена до металлического блеска, быть ровной и плоской, не должна иметь следов окалины, ржавчины, краски, грубых рисок, выбоин, царапин. Если деталь имеет криволинейную поверхность, то на ней необходимо подготовить плоскую площадку, размер которой зависит от метода измерения. Поверхность, которой

образец ложится на предметный столик прибора также должна быть чистой и ровной. Обе поверхности должны быть параллельны друг другу. Толщина контролируемого образца должна быть не менее 10-кратной глубины отпечатка.

 

3. Шкалы

 

История развития шкал Шора следующая:

• Исходная первоначальная шкала была названа “А”
• Альберт Шор заменяет усечённый конус индентора на острый, что позволяет измерять изделия твёрдостью выше 90 по шкале А. Новая шкала получает индекс “B” Шору требуется измерить изделия с ещё более высокой твёрдостью и он возвращается к индентору с усечённым конусом, но использует усиленную пружину. Новая шкала получает индекс “C”
• Снова требуется измерить изделия с ещё более высокой твёрдостью и Шор заменяет усечённый конус индентора на острый, оставляя усиленную пружину. Новая шкала получает индекс “D”
• На рубеже 1960-х годов возникает потребность создания прибора для материалов, мягче чем измеряемые по шкале А. Экспериментируя, компания Шора добивается успеха оставив пружину от шкалы А, но заменив усечённый конус на сферический шарик. Но как обозначить новую шкалу? По логике ей нельзя присвоить индекс “E”, потому как измеряемые материалы не твёрже предшествующей шкале “D”… Решили, что предложенная Альбертом Шором в 1915г шкала “А” была первой (1), тогда шкала предшествующая должна быть нулевой (0). Теперь новая шкала получает индекс “0”.
• Позднее разрабатывают прибор для измерения ещё более мягких материалов, используя очень мягкую пружину и тот же сферический шарик в качестве индентора. Новая шкала получает индекс “00”, что несколько путанно и цифры могут восприниматься как буквы.
• Развитие индустрии полимеров требует разработки и стандартизации новых шкал и на сегодня международный стандарт ASTM D2240 предусматривает в общей сложности 12 шкал измерений по Шору, используемых в зависимости от целевой задачи: A, B, C, D, DO, E, M, O, OO, OOO, OOO-S и R.

Для метода упругого отскока применяются шкалы С и D.

Эти шкалы зависят от прибора применяемым для измерения твердости металлов.

Твердость метода упругого отскока осуществляет прибор Склероскоп Шора.

Шкала прибора имеет 140 равных делений. Нормируемая высота отскока бойка соответствует 100 делениям. Цена деления должна быть не более 1-й единицы твёрдости по Шору.

В склероскопе модели C высота падения бойка h1 = 254 мм; высота отскока h2 = 181,4 мм (Соотв. 100 единиц твёрдости по Шору).

В склероскопе модели D высота падения бойка h1 = 19,0 мм; высота отскока h2 = 13,6 мм (Соотв. 100 единиц твёрдости по Шору).

Твёрдость по Шору для углеродистой стали связана с твёрдостью по Бринеллю и пределом прочности при растяжении σb следующей зависимостью[2]:

; 

 

2 Подготовка и проведение  испытаний

 

2.1 Устройство прибора

 

Испытания производиться на особом приборе –склероскопе (рисунок 1), где боек, падая с постоянной высоты, ударяется о поверхности испытуемого металла и отскакивает на определенную высоту, зависящую от твердости испытываемого металла. Мерой твердости на склероскопе Шора является высота отскока бойка; она указывается стрелкой индикатора на шкале прибора, имеющей 140 делений.

Рисунок 1 – Склероскоп Шора

Прибор «Склероскоп Шора» состоит из:

1— манометр;

2—стеклянная  трубка;

3 — уровень;

4. — боек;
5. — испытуемая деталь;
6. — предметный столик;
7. — регулирующий болт;
8. — станина;
9. — маховичок;
10. — рейка

 

Рисунок 2 – Схема склероскопа:

1-боёк; 2-испытуемый  образец; 3- трубка склерометра, установленная  на штатив; 4 – алмаз.

 

Склероскопы Шора снабжаются бойком с алмазным наконечником сферической формы  и эталонами твёрдости.     Трубка склероскопа является съёмной частью, устанавливаемой на специальную подставку (штатив), имеющую в своём составе предметный столик. В верхней части трубки имеется фиксирующе-спусковой механизм, предназначенный для удержания и отпускания бойка.   Склероскоп Шора модели C представляет собой полую трубку с окном, на котором нанесены деления шкалы, в ней падает лёгкий боёк массой 2,5 г и радиусом сферы алмаза 1,25 мм. Высота отскока регистрируется визуально.

• Для испытания мягких материалов допускается применение бойка со стальным тупым наконечником. Значения твёрдости, полученные с таким бойком[2]: H'Sh = HSh / 0,56

Склероскоп Шора модели D представляет собой полую трубку, в которой падает тяжелый боёк массой 36,0 г и радиусом сферы алмаза 1 мм. Высота отскока регистрируется либо механическим индикаторным устройством, либо электронным. В первом случае значения твёрдости получаются менее точными, вследствие увеличения потерь.

2. Проведение испытаний

 

Испытанию подвергаются разнообразные металлические изделия (например, стальные и чугунные прокатные валки) и образцы различной формы.

Рисунок 3 - Испытание твёрдости по Шору:

h и h1 - высоты отскока бойка, мм; h2 - высота падения бойка, мм.

 

Испытание проводят при температуре окружающей среды.

При измерении твёрдости по Шору должны соблюдаться следующие требования:

. поверхность  испытуемого изделия или образца  должна быть свободной от масла  и грязи, иметь шероховатость  не более Ra= 2,5 мкм.

. поверхность  столика, на которую помещается  испытуемое изделие или образец, должна быть ровной, свободной  от масла и грязи.

. прибор  устанавливается вертикально по  уровню, вмонтированному в корпус  прибора;

. плоские  изделия или образцы должны  помещаться непосредственно на  столик, цилиндрические - устанавливаться  на подставку с V-образным вырезом;

. горизонтальная  установка изделия (образца);

. скорость  проведения испытания должна  быть не более 5 ударов в 10с.

. изделие  или образец должны лежать  на столике плотно, устойчиво, чтобы  не произошло смещение во время  испытания;

. расстояние  между двумя соседними отпечатками  и от края образца или изделия  до отпечатка должно быть не  менее 2 мм.

При измерении непосредственно на изделии его масса должна составлять  не менее 5 кг. Масса образцов, устанавливаемых на столик твердомера, должна составлять не менее 0,1 кг и они должны иметь толщину не менее 10 мм.

Среднее арифметическое результатов измерения принимается за твёрдость данного образца или изделия при условии, что разность между наибольшим и наименьшим значением результатов измерений не превышает 5 единиц. В случае отличия более чем на 5 единиц, испытание повторяют, удвоив количество измерений (отпечатков).

Твердость по Шору указывают с округлением до целой единицы. В шкале Шора за 100 единиц принята максимальная твёрдость стабилизированного после закалки на мартенсит образца из углеродистой инструментальной стали, что соответствует высоте падения бойка 13,6±0,3 мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Экономическое обоснование испытаний

 

 

Для проведения измерения твёрдости требуется ручной склероскоп. Его цена варьируется с 20 тыс. рублей до 30 тыс.рублей. Возьмем  для расчётов максимальную цену для данного оборудования.

Аренда помещения составляет -10000 рублей

Так же для выполнения измерений твёрдости требуется один оператор.

Время на техническое обслуживание в эксплуатации составляет 5 часов в неделю.

Затраты на техническое обслуживание в эксплуатации за год составляют 10÷15 % от стоимости оборудования, т.е.

 руб/год

Один раз в год прибор проходит поверку. Тарифная ставка поверителя 80 рублей в час, 3 часа занимает процесс поверки. Следовательно, затраты на поверку составляют по формуле 1:

, (1)

где - коэффициент отчислений на социальное страхование (26%), (1,26);

- количество часов;

- тарифная ставка поверителя.

 руб.

Заработная плата оператора, проводящего испытания вычисляется по формуле 2:

, (2)

где - трудоемкость работы (в часах);

- часовая тарифная ставка (76,3 руб.);

- коэффициент начисления на  дополнительную заработную плату (24%), (1,24);

- коэффициент отчислений на  социальное страхование (26%), (1,26);

n - количество рабочих дней в году.

 руб./месяц

 руб./год

Суммарные текущие затраты на испытания за год по формуле 3:

(3)

 руб.

Прочие непредвиденные затраты составляют 3% от суммарных текущих затрат:

 руб.

Таким образом, общая стоимость использования оборудования при испытаниях за год вычисляется по формуле 4:

(4)

 руб./год

С учетом НДС (18%) руб./год

Рассчитаем стоимость одного испытания по формуле 5:

Где - общая стоимость  оборудования за год;

А – количество рабочих часов за год.

Исходя из среднего «условного» времени, время одного полноценного испытания составляет 1 час. Рассчитаем количество рабочих часов за год:

часов/год.

руб.

 

Таким образом, общая стоимость одного испытания составляет 317,88 рублей.

 

 

3.1 Срок окупаемости

 

Срок окупаемости (Т) представляет собой время, в течение которого за счет производства  и реализации осуществляется 100%-й возврат расходов. Он измеряется в годах или месяцах.        Срок окупаемости должен быть меньше нормативного срока окупаемости (Т < 3 года в условиях инфляции) либо меньше срока, приемлемого для организации.

Срок окупаемости определяется по формуле 6:

,(6)

Где, П – получаемая прибыль, руб. 

Для данного расчета получаемую прибыль(П)  будем рассчитывать по формуле 7:

 

  , (7)

Где, nисп – количество выполняемых испытаний в год;

Сисп - общая стоимость одного испытания.

Оператор выполняет по 4 испытания в день, таким образом за год высчитываем по формуле 8:

, (8)

Где, n - количество рабочих дней в году.

Таким образом, в год оператор выполняет 996 испытаний.

  Рассчитаем прибыль за год  по формуле 7:

руб.

Рассчитываем срок окупаемости оборудования по формуле 6:

 

г.

 

Таким образом,  данное оборудование окупиться в течение 2 лет.

 

Заключение

Применение методов механических испытаний на твердость в настоящее время получило чрезвычайно широкое распространение. Они позволяют: 1.Легко и быстро испытывать ограниченно малые объемы металла;  2. Проводить механические испытания тогда, когда практически никакие другие способы по тем или иным причинам использовать нельзя;   3. Испытывать материалы практически без повреждаемости (другие методы механических испытаний сопровождаются безвозвратным повреждением испытуемого образца материала);      4. Использовать образцы с предварительной обработкой только малого участка поверхности материала;        5. Определять твердость в микросечениях и микрообъемах, например в структурных составляющих, отдельных фазах или слоях материала;  6. Использовать компактные портативные приборы, позволяющие выполнять измерения на готовых изделиях;       Таким образом, из главных преимуществ метода упругого отскока по Шору, является простота и оперативность, так же позволяет производить измерения прямо на готовых изделиях, крупногабаритных деталях и криволинейных поверхностях.          Вследствие этого, данный метод часто применяется в заводской практике — преимущественно для быстрого контроля результатов термической обработки стальных изделий (закалки и отпуска).      Этот метод отличается от других методов (например, Бринеля, Роквелла), тем что он применяется в тех случаях, когда из-за опасности испортить поверхность готовой детали нельзя применить метод вдавливания.   Однако у данного метода есть существенный недостаток – это точность измерения твердости, он не так точен по сравнению с другими методами, так как высота отскакивания бойка зависит не только от твердости испытуемого металла, но и от множества других причин: от толщины металла, от степени шероховатости его поверхности, внутренней структуры и т. д.

Литература

 

1. ГОСТ 23273-78. «Металлы и сплавы. Измерение твердости методом упругого отскока бойка (по Шору)»
2. ГОСТ 8.426-81.«Государственная система обеспечения единства измерений. Приборы для измерения твердости металлов методом упругого отскока бойка (по Шору). Методы и средства поверки»
3. ГОСТ 8.516-2001.«Государственная поверочная схема для средств измерений твердости металлов по шкале твёрдости D»
4. Медведев А. Экономическое обоснование предпринимательского проекта//Мировая экономика и международные отношения.1992№6,7
5. Колупаев А.А. Методические указания к выполнению курсовой работы  «Планирование, обработка и анализ эксперимента», Ижевск, ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова», 2013 г. - 9 с.