Материаловедение

Ãîðíàÿ
êíèãà

ÐÅÄÀÊÖÈÎÍÍÛÉ
ÑÎÂÅÒ

академик МАН ВШ

академик МАН ВШ

ректор МГГУ,
академик МАН ВШ

Издательства
«Горная книга»

чл.-корр. РАН,
директор ИГД СО
РАН

РАЕН

РАЕН

РАН

РАН

РАН

чл.-корр. РАН,
директор
ИПКОН РАН

президент МГГУ,

РАН

чл.-корр. РАН

академик

академик

академик

академик

академик

Ддиректор

академик

В.А. ЧАНТУРИЯ

В.И. ОСИПОВ

К.Н. ТРУБЕЦКОЙ

В.Л. ПЕТРОВ

Э.М. СОКОЛОВ

А.П. ДМИТРИЕВ

Б.А. КАРТОЗИЯ

А.В. КОРЧАК

М.В. КУРЛЕНЯ

Л.Х. ГИТИС

Л.А. ПУЧКОВ
Председатель

Зам. председателя

Члены редсовета

А.Д. РУБАН

В.Н. ОПАРИН

ÌÎÑÊÂÀ
ÈÇÄÀÒÅËÜÑÒÂÎ «ÃÎÐÍÀß ÊÍÈÃÀ»
2012

îáðàçîâàíèå
Ãîðíîå

Допущено Учебно-методическим объединением
вузов по образованию в области автоматизированного
машиностроения (УМО АМ) в качестве учебного
пособия для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по специальности «Технология
машиностроения» направления подготовки
«Конструкторско-технологическое обеспечение
машиностроительных производств»

ÌÀÒÅÐÈÀËÎÂÅÄÅÍÈÅ

Í.Á. Øóáèíà
Î.Â. Áåëÿíêèíà

УДК 620.1:622.232 
ББК  30.3 
Ш 95 
 
 
Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых» СанПиН 1.2.1253—03, утвержденным Главным государственным санитарным врачом 
России 30 марта 2003 г. (ОСТ 29.124—94). Санитарноэпидемиологическое заключение Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека № 77.99.60.953.Д.014367.12.11 
 
 
Рецензенты: 
• д-р техн. наук, проф. Б.Н. Байор (МГИУ); 
• д-р техн. наук, доц. В.У. Мнацаканян (МГТУ им. А.Н. Косыгина) 
 
 
 
 
Шубина Н.Б., Белянкина О.В. 
Ш 95
Материаловедение: Учебное пособие. ⎯ М.: Издательство
«Горная книга», 2012. ⎯ 162 с. 
ISBN 978-5-98672-224-5 (в пер.) 
 
 
Приведены методические и справочные материалы, необходимые для выполнения лабораторных работ, практических занятий, самостоятельных научных
исследований. Все работы изложены по единой схеме, предусматривающей сообщение кратких сведений по теории рассматриваемой темы, методические
указания по выполнению и оформлению работ. Представленные в пособии тестовые материалы способствуют самоконтролю, выявлению наименее усвоенных
разделов дисциплины и последующей успешной сдаче экзамена. 
Н.Б. Шубина ⎯ канд. техн. наук, проф., О.В. Белянкина ⎯ канд. техн. наук,
ст. преподаватель (кафедра «Технология машиностроения и ремонт горных машин» МГГУ).  
Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Технология машиностроения» направления подготовки «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств». Может быть полезно аспирантам и
инженерам. 
 
 
 
 
УДК 620.1:622.232 
ББК  30.3 
 
ISBN 978-5-98672-224-5 

 

©

©
©

Н.Б.  Шубина,  О.В.  Белянкина, 
2012 
Издательство  «Горная книга»,  2012 
Дизайн книги. Издательство 
«Горная книга»,  2012 
 

РАБОТА 1 
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ.  
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ 
 
 
Цель работы: изучить методы испытаний механических 
свойств. Определить твердость материалов. 
Перед началом работы Вы должны дать ответы на следующие вопросы: 
1. Что такое твердость? 
2. Как определяется и обозначается твердость, измеренная 
методами Бринелля, Роквелла, Виккерса? 
Оборудование, приборы, образцы: приборы Роквелла, Бринелля, переносной твердомер с ультразвуковым датчиком, лупа, 
образцы сталей, цветных металлов и сплавов, пластмасс. 
Основные теоретические положения. Качество материала 
— это совокупность его свойств, обеспечивающих возможность 
применения материала в конкретных условиях эксплуатации. 
Основные свойства материалов: 
• физико-химические: плотность, температура плавления, 
электропроводность, магнитные свойства и др.; 
• технологические: обрабатываемость резанием, деформируемость, свариваемость и др.; 
• механические: прочность, твердость, пластичность и др. 
Механические свойства материалов определяются при испытаниях специальных образцов, проводимых в соответствии с 
требованиями ГОС Р. Испытания проводятся при статических, 
динамических и циклических нагрузках. В результате этих испытаний устанавливают: 
При испытаниях на растяжение (статическое нагружение): 
• предел прочности на растяжение σВ, МПа; 
• физический предел текучести σТ, МПа; 
• условный предел текучести σ0,2, МПа; 
• относительное удлинение δ, %; 
• относительное сужение ψ, %; 

• модуль нормальной упругости Е, МПа. 
При испытаниях на ударный изгиб (динамическое нагружение): 
• ударную вязкость KCU, Дж/м2. 
При испытаниях на усталость (циклическое нагружение): 
• предел выносливости σR, МПа. 
Для 100 %-го контроля непосредственно изделий используются методы неразрушающего контроля. К таким методам относятся: 
1. Определение твердости. 
2. Физические методы контроля (магнитный, основанный на 
использовании взаимосвязи между структурой и магнитными 
характеристиками; электрический, основанный на зависимости 
удельного электросопротивления от состава и структуры сталей 
и др.). 
 
 
Определение твердости 
 
Этот вид испытаний имеет большое значение для технологии производства, так как он обладает теми преимуществами, 
что не связан с разрушением материала, может быть произведен 
не только на образцах, но и на деталях практически любой конфигурации и занимает мало времени. 
Твердость — это свойство материала оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии со 
стороны другого тела — индентора. 
Методы измерения твердости подразделяются на статические, динамические и специальные. 
Статическим методом измерения твердости называется 
такой, при котором индентор медленно и непрерывно вдавливается в испытываемый материал с определенной силой. Величина 
твердости определяется либо по размерам отпечатка, оставленного на поверхности испытуемого материала индентором (метод 
Бринелля, Виккерса), либо по глубине внедрения индентора 
(метод Роквелла), либо по ширине царапины при заданной нагрузке при царапании (метод Мооса). 

Для оценки твердости очень малых объемов материала: 
тонких листов, покрытий, пленок, фольги и отдельных структурных составляющих применяют метод определения микротвердости. 
Из динамических методов измерения твердости наиболее 
распространен метод измерения высоты отскока бойка (индентора) после его удара об испытываемый материал (метод Шора). 
Этот метод особенно пригоден для измерения твердости крупных деталей из твердых и хрупких материалов (необходимо, 
чтобы масса детали была во много раз больше, чем масса индентора). 
К специальным методам относится измерение твердости с 
помощью приборов, имеющих ультразвуковые и динамические 
датчики. Для определения твердости без оставления на поверхности отпечатков от внедрения индентора используют переносные твердомеры с указанными датчиками (типа МЕТ УД). 
Выбор метода определения твердости диктуется размерами 
детали, толщиной замеряемого слоя и величиной твердости. 
На приборе Бринелля (рис. 1.1, а) стальной шарик диаметром D вдавливается в испытуемую деталь под действием нагрузки P (рис 1.1, б); после удаления нагрузки измеряется 
диаметр отпечатка d, оставшегося на поверхности детали 
(рис. 1.1, в). 
Число твердости по Бринеллю (НВ) определяется путем деления нагрузки Р (кг) на площадь поверхности сферического 
отпечатка (мм2) и может быть определено по формуле: 

2
2
2
=
π
−
−

P
HB
D( D
D
d )
, кгс/мм2 (МПа), 
(1.1) 

где d — диаметр отпечатка, мм; D — диаметр шарика, мм. 
На практике пользуются таблицами определения твердости 
НВ по полученному диаметру отпечатка d (табл. 1.2). 
Пример обозначения твердости по Бринеллю: 500НВ. 
Поверхность детали, на которой проводится измерение 
твердости, а также опорные поверхности детали и столики прибора должны быть очищены от окалины. 

Рис. 1.1. Измерение твердости по Бринеллю: 
а — схема прибора ТШ-2 (твердомер) для определения твердости по Бринеллю: 1 — маховик; 2 — подъемный винт; 3 — опорный стол для установки заготовки; 4 — сигнальная лампа; 5 — кнопка-выключатель; 6 — рычаги; 7 — 
грузы; 8 — электродвигатель; 9 — индентор; б — схема получения отпечатка; 
в — измерение диаметра отпечатка (отпечаток заштрихован); в объективе лупы — шкала с делениями, цена деления — 0,1 мм 
 
Максимальная толщина испытуемого образца должна быть 
не менее 10-кратной глубины отпечатка. На обратной стороне 
испытуемой детали не должно быть заметно следов деформации. 
На приборе Бринелля измеряют твердость как черных, так и 
цветных металлов с твердостью 8—450 НВ. Применение шарика 
из карбида вольфрама позволяет увеличить этот диапазон до 745 
НВ. 
Твердость по Бринеллю измеряют на достаточно крупных и 
не слишком тонких деталях. Толщина измеряемой детали должна быть не менее 6 мм, если диаметр вдавливаемого шарика 10 
мм. 
Значение числа твердости по Бринеллю позволяет приближенно судить о пределе прочности для данного материала, который определяется из следующих эмпирических соотношений: 
• для стали σВ ≈ 0,35НВ; 
• для меди и ее сплавов σВ ≈ 0,405НВ; 
(1,2) 
• для алюминия и его сплавов σВ ≈ 0,37НВ. 

Зная предел прочности материала, можно примерно определить его предел выносливости: 
• для стали σR ≈ 0,5σВ; 
• для медных сплавов σR ≈ 0,4σВ; 
(1,3) 
• для алюминиевых сплавов σR ≈ 0,3σВ. 
На приборе Роквелла (рис. 1.2) измерение твердости производят вдавливанием алмазного конуса (угол при вершине 1200) 
или стального шарика (диаметр 1,588 мм) под действием нагрузок равных 588,4 Н (60 кгс/мм2), 980,7Н (100 кгс/мм2) или 1471 
Н (150 кгс/мм2). 
Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах. За 
единицу твердости принята величина, соответствующая осевому 
перемещению наконечника (индентора) на 0,002 мм.  
Алмазный конус применяют при испытаниях твердых материалов, шарик — для мягких материалов. 
Детали, имеющие высокую твердость поверхности, измеряются при нагрузке 1471 Н алмазным конусом (шкала С). 
Твердость, измеренную по шкале С Роквелла, воспроизводимой государственным специальным эталоном, обозначают 
HRCЭ. 

 

а 
б

1 

2 

3 

4 

5 

6 

7 

Р 

 

Рис. 1.2. Измерение твердости по Роквеллу: 
а — твердомер ТН500 для 
измерения 
твердости 
по 
Роквеллу: 1 — станина; 2 
— подъемный винт; 3 — 
опорный стол для установки деталей; 4 — индентор; 
5 — циферблат отображения данных; 6 — рукоятка 
для выбора испытательной 
нагрузки; 7 — рукоятка для 
приложения нагрузки; б — 
схема получения отпечатка 

h 

Если толщина упрочненного слоя очень мала, то нагрузка 
уменьшается до 588,4 Н (шкала А). 
Твердость мягких деталей: сталей в состоянии поставки (без 
упрочняющей обработки), латуней, бронз измеряется шариком 
при нагрузке 980,7 Н (шкала В), твердость мягких (медь, пластмассы) и очень тонких деталей измеряется шариком при нагрузке 588,4 Н (шкала F). 
Пример обозначения твердости по Роквеллу: 31 HRCЭ, 90 
HRВ, 70 HRА, 80 HRF. 
Пределы измерения твердости по указанным шкалам приведены в табл. 1.1. 
Число твердости по Роквеллу — безразмерное. Измеренные 
при разных нагрузках для одного и того же образца числа твердости разные. Перевод этих чисел на твердость по Бринеллю дает приблизительно одинаковые значения твердости (см. табл. 
1.2). Чаще для определения твердости тонких образцов или тонких поверхностных слоев используют прибор Супер-Роквелл, 
отличающийся меньшей величиной прилагаемой нагрузки и более точным индикатором. Твердость, по Супер-Роквеллу обозначается HRN или HRT (соответственно, если индентор — алмаз или стальной шарик). 
При измерении твердости по Виккерсу (HV) в качестве индентора применяют алмазную пирамидку; нагрузка применяется 
от 1 кг до 100 кг. Твердость HV определяют по специальным 
таблицам по измеренной величине диагонали отпечатка. Измерение твердости по Виккерсу дает более точные значения для 
материалов с высокой твердостью. 
Пример обозначения твердости по Виккерсу: 1000 HV. 
Определение микротвердости. Микротвердость на приборе 
ПМТ-3 измеряют алмазным наконечником в виде ромба при нагрузке 10 г, время нагружения — 10 с. В этом случае микротвердость обозначается 800Н◊ 0,01/10. В паспорте, прилагаемом 
к прибору, приводится таблица перевода значений микротвердости в другие единицы. 
Твердость по Шору. Твердость определяется с помощью 
бойка с алмазным наконечником, который падает на поверхность