Испытания на твердость

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучение методов определения твёрдости металлов. Получение навыков применения этих методов на практике, а также использования приборов для определения твёрдости. Изучить связь между твёрдостью и другими механическими характеристиками материалов.

2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Твёрдостью называют свойство материала сопротивляться проникновению в него другого тела, не получающего остаточной деформации. Определение твёрдости является широко применяемым в лабораторных и заводских условиях методом испытаний для характеристики механических свойств металлов. Именно на этом методе основан контроль термической обработки металлов, определение эксплуатационных характеристик деталей и изделий при различных напряжениях, а также выбор режимов механической обработки. Под твёрдостью подразумеваются разнообразные характеристики сопротивляемости металла местной, сосредоточенной в небольшом объёме деформации на его внешней поверхности.

Твёрдость металлов измеряется при помощи воздействия на их поверхность наконечника (индентора), изготовленного из малодеформирующегося материала (закалённая сталь, алмаз, сапфир или твёрдый сплав).

В технике применяются достаточно проверенные эмпирические (полученные из опыта) зависимости между твёрдостью и рядом других механических характеристик, получаемых при различных испытаниях материалов. Поскольку определение твёрдости является значительно менее трудоёмкой операцией, чем большинство других видов испытаний, и не сопровождается разрушением образца или детали, этот вид испытаний широко распространён в промышленности.

Существует несколько методов определения твёрдости, применяющихся на практике, числовые значения твёрдости которых, сравнимы между собой при соблюдении законов подобия. Для получения сравнительных результатов при определении твёрдости применяют стандартные наконечники, вдавливаемые в поверхность испытуемого материала, и стандартизируются условия испытаний.

Основными методами измерения твёрдости являются:

• метод Бринелля – измерение твёрдости вдавливанием стального закалённого шарика (HB);

• метод Роквелла – измерение твёрдости вдавливанием наконечника стандартного типа (алмазный конус или стальной шарик) (HRA, HRB, HRC);

• метод Виккерса – измерение твёрдости вдавливанием алмазной пирамиды (HV).

Существуют и другие методы определения твёрдости, как, например, метод ударного внедрения наконечника в образец, метод царапанья образца и другие. Однако, они не стандартизированы и используются лишь при специальных испытаниях, когда применение стандартизированных методов по тем или иным причинам невозможно.

Метод испытания твёрдости по Бринеллю. (ГОСТ 9012-59)

Этот метод основан на вдавливании стального закалённого шарика определённого диаметра под действием заданной нагрузки в испытуемую поверхность в течении определённого интервала времени. Твёрдость в данном случае определяют как среднее нормальное условное напряжение, вычисляемое путём деления значения нагрузки на площадь сферического отпечатка.

Величина твёрдости обозначается через HB, и подсчитывается по формуле

, (1)

где D – диаметр шарика, мм; P – нагрузка на шарик, кгс; d – диаметр отпечатка, мм.

Рисунок 1 – Схема определения твёрдости по Бринеллю

ГОСТ 9012-59 регламентирует диаметры шарика и нагрузку, прикладываемую к образцу. Для того чтобы не производить подсчётов по формуле (1) в ГОСТе даны таблицы чисел твёрдости, зависящие от диаметра отпечатка, нагрузки и диаметра шарика. Полученное число твёрдости при прочих равных условиях определяется диаметром отпечатка d. Последний тем меньше, чем выше твёрдость испытуемого металла. В зависимости от размеров и вида материала ГОСТом устанавливаются нормы для испытаний по методу Бринелля (таблица 1). При указании твёрдости HB иногда указывают принятые нагрузку и диаметр шарика.

Между пределом прочности и числом твёрдости HB различных металлов существует следующая зависимость [4]:

Сталь с твёрдостью HB:

120-175........................................ s_В»0,34 HB

175-450......................................... s_В»0,35 HB

Медь, латунь, бронза:

отожженная.................................. s_В»0,55 HB

наклепанная................................. s_В»0,40 HB

Алюминий и его сплавы с твёрдостью HB:

20-45............................................. s_В»(0,33-0,36) HB

Дюралюмин:

отожжённый................................. s_В»0,36 HB

после закалки и старения............ s_В»0,35 HB

Таблица 1

Область применения метода Бринелля

Материал	Твёр-дость (HB)	Толщина образца, мм	Соотношение между P и D	Диаметр шарика D, мм	Нагрузка P, кгс	Выдержка под нагрузкой, с
Чёрные металлы	140-450	>6 3…6 <3	P =30 D ^2	2,5	187,5
до 140	>6 3…6 <3	P =30 D ^2	2,5	187,5
Цветные металлы и сплавы (медь, латунь, бронза, магниевые сплавы и др.)	31,8-130	>6 3…6 <3	P =10 D ^2	2,5	62,5
Цветные металлы и сплавы (алюминий, подшипни-ковые сплавы)	8-35	>6 3…6 <3	P =2,5 D ^2	2,5

Измерение твёрдости по методу Бринелля не является универсальным методом. Этот метод не позволяет: а) испытывать материалы с твёрдостью более HB 450; б) измерять твёрдость тонкого поверхностного слоя (толщиной менее 1…2 мм), т.к. стальной шарик продавливает этот слой и проникает на большую глубину. Толщина измеряемого слоя (или образца) должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка.

Результаты испытаний будут считаться недействительными, если после получения отпечатка боковые или нижняя стороны образца деформируются. Расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее чем 2,5 d, а расстояние между центрами двух соседних отпечатков не менее 4,0 d. Результаты испытаний не должны быть искажены явлениями вспучивания краёв образцов.

Диаметр отпечатка следует измерять в двух перпендикулярных направлениях и определять его как среднее арифметическое из двух измерений. Разность измерений диаметров одного отпечатка не должна превышать 2% от меньшего из них.

Измерение твёрдости методом Бринелля производится на специальных прессах Бринелля (например, ТШ-2) (рисунок 2).

Рисунок 2 – Установка для испытания на твёрдость методом Бринелля 1- столик для центровки образца; 2- маховик; 3- грузы; 4- шарик; 5- электродвигатель

Испытуемый образец устанавливают на столике 1 в нижний части неподвижной станины пресса, подготовленной (зашлифованной) поверхностью кверху. Поворотом вручную маховичка 2 по часовой стрелке столик прибора поднимают так, чтобы шарик мог вдавиться в испытуемую поверхность. В прессах с электродвигателем вращают маховик 2 до упора и нажатием кнопки включают двигатель 5. Последний сначала перемещает коромысло и постепенно нагружает шток, а следовательно, и вдавливает шарик под действием нагрузки, сообщённой привешенным к коромыслу грузом. Эта нагрузка действует в течении заданного времени, после чего вал двигателя, вращаясь в обратную сторону, соответственно перемещает коромысло и снимает нагрузку. После автоматического выключения двигателя, поворачивая маховичок 2 против часовой стрелки, опускают столик прибора и снимают образец.

В образце остаётся отпечаток со сферической поверхностью (лункой). Диаметр отпечатка измеряют специальным микроскопом Бринелля.

Метод испытания твёрдости по Роквеллу. (ГОСТ 9013-59)

Принципиальное отличие данного способа от рассмотренного выше измерения по Бринеллю состоит в том, что твёрдость определяют не по площади, а по глубине отпечатка. Твёрдость металлов по этому методу измеряют вдавливанием в испытуемый образец алмазного конуса или стального шарика под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной, равной 10 кгс, и общей, равной сумме предварительной и основной нагрузок.

Разность глубин, на которые проникает алмазный конус или стальной шарик под действием этих двух нагрузок, характеризует твёрдость испытуемого металла.

На рисунке 3 показана схема измерения твёрдости. Предварительная нагрузка P₀ равна 10 кгс, основная P₁ зависит от применяемой шкалы. Предусмотрено три шкалы A, B, C и, соответственно три различных разновидности этого метода. Измерения по шкале А (обозначается HRA) производятся при вдавливании алмазного конуса (угол при вершине 120°) и основной нагрузке 50 кгс, и предназначены для испытания очень твёрдых и более тонких материалов. Измерения по шкале В (HRB) производятся при вдавливании стального шарика (диаметр 1,588 мм или 1/16¢¢) и основной нагрузке 90 кгс, и предназначены для испытания незакалённых образцов и деталей из мягких металлов. Наиболее всего распространены измерения по шкале С (HRC), производимые при вдавливании алмазного конуса (угол при вершине 120°) и основной нагрузке 140 кгс – для закалённой или низкоотпущенной стали, для материалов средней твёрдости, а также для определения твёрдости тонких поверхностных слоёв, но толщиной более 0,5 мм. Допускаемые пределы измерения твёрдости составляют: для шкалы А – 70...85, В – 25...100, С – 20...67.

  Рисунок 3 – Схема измерения твёрдости по методу Роквелла

Твёрдость измеряется в условных единицах. Единице твёрдости соответствует осевое перемещение индентора на 0,002 мм. Числа твёрдости по Роквеллу (HR) выражают следующими формулами:

HR=100-e – при измерении по шкалам А и С;

HR=130-e – при измерении по шкале B.

Величину e определяют по формуле (см. рисунок 3):

,

где h – глубина внедрения наконечника в испытуемый материал под действием общей нагрузки P, измеренная после снятия основной нагрузки P₁ с оставлением предварительной нагрузки P₀; h₀ – глубина внедрения наконечника в испытуемый материал под действием нагрузки P₀.

Твёрдость следует измерять не менее, чем в трёх точках. Для расчёта принимают среднее значение результатов второго и третьего измерений.

Измерение твёрдости по Роквеллу требует меньше времени, чем по Бринеллю, причём результат измерения виден на шкале (он указан стрелкой). Кроме того, измерение твёрдости по Роквеллу оставляет меньший отпечаток на поверхности детали, в связи с чем этот метод получил большее распространение.

Твёрдость по Роквеллу (рисунок 4) вне зависимости от особенностей конструкции прибора определяют следующим образом:

1. Испытуемый образец помещают на предметный стол прибора. При этом основная и предварительная нагрузки не должны воздействовать на индентор, а стрелка индикатора должна находиться на произвольном делении (рисунок 4,а).

2. Подъёмом предмет­ного стола внедряют индентор в испытуемый образец под действием только предварительной нагрузки, равной 10 кгс. При этом стрелка индикатора устана­вливается на нуль (рисунок 4,б).

3. Когда под действием предварительной и основной нагрузок индентор вдавлен в образец, индикатор указывает перемещение наконечника под действием основной нагрузки в результате пластической и упругой деформаций образца (рисунок 4,в).

4. Снимают основную нагрузку, воздействую пи этом на индентор предварительной нагрузкой. Индикатор в это время фиксирует твёрдость (рисунок 4,г).

После снятия предварительной нагрузки прибор готов к новому испытанию.

  Рисунок 4 - Принцип действия прибора Роквелла

Рисунок 5 – Схема определения твёрдости по Виккерсу

Метод испытания твёрдости по Виккерсу. (ГОСТ 2999-59)

Метод определения твёрдости вдавливани-ем алмазной пирамиды по Виккерсу применяют главным образом для испытаний металлов высокой твёрдости, а также деталей весьма малых сечений или тонких наружных слоёв: цементированных, азотированных и др. Этот метод заключается во вдавливании в измеряемую поверхность четырёхгранной алмазной пирамиды с углом между гранями 136°. При этом число твёрдости есть частное от деления нагрузки в кгс на боковую поверхность отпечатка в мм², вычисленную по диагоналям (рисунок 5).

Число твёрдости подсчитывают по формуле

,

где P – нагрузка на пирамиду, кгс; a =136° – угол между противоположными гранями пирамиды; d – среднее арифметическое из обеих диагоналей отпечатка, мм.

Этой формулой обычно не пользуются, так как число твёрдости определяют в зависимости от диагонали отпечатка по таблицам ГОСТ 2999-75.

Для испытаний стандарт рекомендует одну из следующих нагрузок: 5, 10, 20, 30, 50 и 100 кгс.

Для получения наиболее точного результата испытания нагрузка должна быть возможно большей и такой, чтобы отношение толщины испытуемой части образца после его испытания не обнаружили место, в котором проводили испытание. Однако при испытании твёрдого материала (при HV более 500) рекомендуется применять нагрузки не более 50 кгс, во избежание повреждения алмаза. Иногда для тонких и твёрдых слоёв используют меньшие нагрузки, не указанные в стандарте.

Дата добавления: 2015-11-14