ИСПЫТАНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА ТВЕРДОСТЬ
Цель работы
1. Освоить методику определения твердости металлов по методу Бринелля и Роквелла.
2. Ознакомиться с методиками определения твердости материалов по Виккерсу, Шору и определения микротвердости металлов.
3. Ознакомиться с методикой перевода значений твердости, определенных различными методами.
Приборы, материалы и инструмент
1. Твердомеры Бринелля, Роквелла, Виккерса, дюрометр Шора, микротвердомер ПМТ-3М, портативные твердомеры.
2. Лупа для измерения диаметра отпечатка.
3. Таблица определение перевода значений твердости, определенных различными методами.
4. Образцы из нетермообработанной стали, закаленной стали и сплава цветного металла различной толщины.
5. Наждачное точило, напильник, наждачная шкурка.
Краткие теоретические сведения
Измерение твердости самый доступный и распространенный метод статических испытаний материалов, который широко используется как в исследовательских целях, так и как средство контроля качества металла во многих областях промышленности. Существуют различные методы определения твердости металла: вдавливание индентора, отскок бойка т. д. Самым распространенным из них является метод вдавливания индентора. При этом под твердостью понимается свойство материала оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии в поверхностном слое со стороны другого, более твердого тела (называемого индентором).
|
|
|
В настоящей работе предлагается ознакомиться с методами испытания металлов на твердость по Бринеллю и Роквеллу, а также ознакомится с испытаниями по Виккерсу, Шору, испытанием на микротвердость.
Испытание на твердость по Бринеллю.Испытание на твердость по Бринеллю производится вдавливанием в испытуемый образец стального закаленного шарика диаметром D под действием заданной нагрузки Р в течение определенного времени. После снятия нагрузки на поверхности образца получается отпечаток (лунка) диаметром d и глубиной h (рис. 10.1).
Число твердости по Бринеллю (НВ) определяют как отношение нагрузки Р к площади поверхности полученного отпечатка (шарового сегмента) F = πDh:
и имеет размерность напряжения (МПа). Однако, в соответствии со стандартом, оно не пишется.
| Рисунок 10.1 – Схема определения твердости по Бринеллю |
Так как глубину отпечатка h измерить трудно, а гораздо проще измерить диаметр отпечатка d, то целесообразно величину h выразить через диаметр шарика D и отпечатка d, т.е. 
. Тогда число твердости по Бринеллю будет определяться по формуле:
Автоматический рычажный пресс Бринелля. Пресс Бринелля (рис. 10.2) состоит из станины 1, в верхней части которой имеется шпиндель 2, в который вставляется наконечник с шариком 3. Столик 4 служит для установки на нем испытуемого образца 5. Вращением по часовой стрелке диска 6 приводят в движение винт 7, который, перемещаясь вверх, поднимает столик 4, и образец 5 прижимается к закаленному шарику 3. Электродвигатель включается нажатием кнопки, расположенной сбоку пресса. При этом рычаг 8 с подвеской 9 и грузами 10 опускается, создавая нагрузку на шарик 3, который вдавливается в образец 5. Через определенное время рычаг 8 и подвеска 9 с грузами 10 поднимется, снимая нагрузку с шарика 3. В момент вращения электродвигателя загорается сигнальная лампочка 11. Когда рычаг и подвеска с грузами достигают исходного положения, электродвигатель автоматически останавливается, и лампочка 11 гаснет. Вращением диска 6 против часовой стрелки опускается столик 4.
|
|
|
| 
|
| а) | б) |
| Рисунок 10.2 – Общий вид (а) и схема (б) пресса Бринелля
| |
Выбор диаметра закаленного шарика и нагрузки. При определении твердости по Бринеллю используют шарики одного из трех диаметров (D=10; 5 и 2,5 мм). Диаметр шарика выбирают в зависимости от толщины испытуемого образца. Чем меньше толщина образца, тем меньший диаметр шарика используют. Нагрузку Р выбирают в зависимости от твердости испытуемого материала по формуле:
|
|
|
,
где К – коэффициент, зависящий от твердости испытуемого материала.
В первом приближении можно принять: для стали и чугуна К=30; для меди и медных сплавов К=10; для мягких металлов (алюминий, магний, олово, свинец и сплавов на их основе) К=2,5.
Для более точного выбора диаметра шарика и нагрузки в зависимости от твердости и толщины испытуемого образца следует пользоваться таблицей 10.1.
Таблица 10.1 – Выбор диаметра шарика и нагрузки
| Материал | Предел измерения (НВ) | Минимальная толщина образца, мм | P = kD | D, мм | Р, Н | Время выдержки под нагрузкой |
|
Черные металлы | 140-450 | 6-3 4-2 < 2 | P = 300D | 10,0 5,0 2,5 | 30000 7500 1875 | 10 |
| < 140 | > 6 6-3 < 3 | P = 100D | 10,0 5,0 2,5 | 10000 2500 625 | 10 | |
|
Цветные металлы | > 1300 | 6-3 4-2 < 2 | P = 300D | 10,0 5,0 2,5 | 30000 7500 1875 | 30 |
| 350-1300 | 9-3 6-3 < 3 | P = 100D | 10,0 5,0 2,5 | 10000 2500 625 | 30 | |
| 80-350 | > 6 6-3 < 3 | P = 25D | 10,0 5,0 2,5 | 2500 625 156 | 60 |
Во избежание остаточной деформации закаленных шариков необходимо, чтобы твердость испытуемого материала не превышала НВ 450.
|
|
|
Подготовка образца. Перед испытанием поверхность образца, в которую вдавливается шарик, обрабатывают наждачным камнем или напильником, чтобы она была ровной, гладкой и не было окалины или других дефектов. При обработке поверхности образец не должен нагреваться выше 100-150 °С.
Подготовка поверхности образца необходима для получения правильного отпечатка и чтобы края его были отчетливо видны для измерения.
Подготовка пресса Бринелля и проведение испытания.
1. Установить на подвеску 9 (рис. 10.2) грузы 10, соответствующие выбранной для испытания нагрузке.
2. Наконечник с шариком вставить в шпиндель 2 и укрепить.
3. На столик 4 поместить испытуемый образец 5. Образец должен плотно лежать на столике. Центр отпечатка должен находиться от края образца на расстоянии не менее диаметра шарика, а при повторных испытаниях центр отпечатка должен находиться от центра соседнего отпечатка на расстоянии не менее двух диаметров шарика.
4. Вращением диска 6 по часовой стрелке поднять столик и прижать образец 5 к шарику 3, продолжить вращать диск 6 до тех пор, пока пружина не сожмется и диск 6 перестанет вращаться.
5. Нажатием кнопки включить электродвигатель. При этом загорится сигнальная лампочка 11.
6. После автоматической остановки вращения электродвигателя и прекращения горения лампочки 11 вращением против часовой стрелки диска 6 опустить столик 4, снять с него образец 5 с полученным отпечатком.
7. Измерить диаметр полученного отпечатка.
8. Определить твердость материала образца.
Измерение отпечатка и определение твердости. Полученный отпечаток измеряют с помощью специальной лупы в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Диаметр отпечатка определяется как среднее арифметическое из двух измерений. Лупа имеет шкалу с ценой деления 0,05 мм. Нижней частью опоры лупу плотно прижимают к испытуемой поверхности образца над отпечатком. Поворачивая окуляр, необходимо добиться, чтобы края отпечатка были резко очерчены. Затем, передвигая лупу, надо один край отпечатка совместить с началом шкалы (рис. 10.3). Прочитать деление шкалы, с которым совпадает противоположный край отпечатка. Данный отсчет и будет соответствовать размеру диаметра отпечатка.
| Рисунок 10.3 – Отсчет по шкале лупы |
Чтобы не прибегать к длительным вычислениям твердости по приведенной выше формуле, на практике пользуются специальной таблицей, которая дает перевод диаметра отпечатка в число твердости (НВ) (табл. 10.2).
Испытание на твердость по Роквеллу.Испытание на твердость по методу Роквелла проводят вдавливанием в испытуемый образец (деталь) алмазного (или из твердого сплава) конуса с углом 120° или стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм. Шарик и конус вдавливают в испытуемый образец под действием двух последовательно приложенных нагрузок: предварительной Р0 и основной Р1, т. е. Р = Р0 + Р1. Предварительная нагрузка Р0 во всех случаях равна 100 Н. Основная нагрузка Р1 и общая Р, а также вид индентора зависят от твердости исследуемого материала (табл. 10.3).
Таблица 10.2 – Таблица определения чисел твердости по Бринеллю и перевода значений твердости, определенных различными методами
| Твердость HV | Твердость HB | Твердость HR по шкале | Твердость HV | Твердость HB | Твердость HR по шкале | ||||||
| Диаметр отпечатка, мм | HB при испытании стандартным стальным шариком | C | A | B | Диаметр отпечатка, мм | HB при испытании стандартным стальным шариком | C | A | B | ||
| 1234 1116 1022 941 868 804 746 694 650 606 587 551 534 502 474 460 435 423 401 390 386 361 344 334 320 311 303 292 285 278 270 261 255 249 240 235 | 2,20 2,25 2,30 2,35 2,40 2,45 2,50 2,55 2,60 2,65 2,70 2,75 2,80 2,85 2,90 2,95 3,00 3,05 3,10 3,15 3,20 3,25 3,30 3,35 3,40 3,45 3,50 3,55 3,60 3,65 3,70 3,75 3,80 3,85 3,90 3,95 | 780 745 712 682 673 627 601 578 555 534 514 495 477 461 444 429 415 401 388 375 363 352 341 331 321 311 302 293 285 277 269 262 255 248 241 235 | 72 70 68 66 64 62 60 58 56 54 52 50 49 48 46 45 43 42 41 40 39 38 36 35 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 21 | 84 83 82 81 80 79 78 78 77 76 75 74 74 73 73 72 72 71 71 70 70 69 68 67 67 66 66 65 65 64 64 63 63 62 62 61 | ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― 102 101 | 228 222 217 213 208 201 197 192 186 183 178 174 171 166 162 159 155 152 149 148 143 140 138 134 131 129 127 123 121 118 116 115 113 110 109 108 | 4,00 4,05 4,10 4,15 4,20 4,25 4,30 4,35 4,40 4,45 4,50 4,55 4,60 4,65 4,70 4,75 4,80 4,85 4,90 4,95 5,00 5,05 5,10 5,15 5,20 5,25 5,30 5,35 5,40 5,45 5,50 5,55 5,60 5,65 5,70 5,75 | 229 223 212 207 201 197 192 187 183 179 174 170 167 163 159 156 152 149 146 143 140 137 134 131 128 126 123 121 118 116 114 111 110 109 107 | 20 19 17 15 14 13 12 11 9 8 7 6 4 3 2 1 ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― | 61 60 60 59 59 58 58 57 57 56 56 55 55 54 53 53 ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― | 100 99 98 97 95 94 93 92 92 90 90 89 88 87 86 85 84 83 82 81 80 79 78 77 76 75 74 73 72 71 70 68 67 66 65 64 |
Таблица 10.3 – Выбор нагрузки и индентора для испытаний на твердость по методу Роквелла
| Материалы | Вид индентора | Р0, Н | Р1, Н | Р, H | Шкала | Обозначение твердости | Предел измерений |
| Твердые материалы (сплавы) | Алмазный конус | 100 | 500 | 600 | А | HRA | 70-85 |
| Мягкая сталь, цветные металлы | Стальной шарик | 100 | 900 | 1000 | В | HRB | 25-100 |
| Термообработанные стали | Алмазный конус | 100 | 1400 | 1500 | C | HRC | 20-67 |
Число твердости по Роквеллу – число отвлеченное и выражается в условных единицах. За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению индентора на 0,002 мм. Число твердости по Роквеллу НR определяется по формулам: при измерении по шкале В НRВ = 130 - е, при измерении по шкале С НRС = 100 - е и А НRА = 100 - е. Величина е определяется по следующей формуле:
,
где h – глубина внедрения индентора в испытуемый материал под действием общей нагрузки Р, измеренная после снятия основной нагрузки Р1 с оставлением предварительной нагрузки Р0; h0 – глубина внедрения индентора в испытуемый материал под действием предварительной нагрузки Р0 (рис. 10.4).
| Рисунок 10.4 – Схема определения твердости вдавливанием алмазного конуса на приборе Роквелла |
Метод Роквелла имеет широкое применение, так как дает возможность испытывать мягкие, твердые, а также тонкие материалы. Отпечатки от конуса или шарика очень малы, что позволяет испытывать готовые детали без их порчи; испытание легко выполнимо и занимает мало времени; число твердости читается прямо по шкале.
Значения твердости по Роквеллу могут быть переведены в значения твердости по Бринеллю и наоборот. С этой целью используют специальные таблицы (табл. 10.2).
Твердомер Роквелла. Твердомер Роквелла (рис. 10.5) состоит из станины 1, в верхней передней части которой расположен шпиндель 2, в который с помощью винта закрепляется индентор 3. Стол 4 служит для установки на нем испытуемого образца 5. При вращении по часовой стрелке маховика 6 приводится во вращение винт 7, который, перемещаясь вверх, перемещает стол 4 и образец 5, подводя его к индентору 3. При дальнейшем вращении маховика 6 индентор 3 (шарик или алмазный конус) начинает внедряться в исследуемый образец 5, а маленькая и большая стрелки поворачиваются по шкале индикатора 8. Маховик вращают до тех пор, пока малая стрелка на циферблате индикатора 8 не совпадет с красной точкой (или риской). Это свидетельствует о том, что создана предварительная нагрузка Р = 100 Н.
Установку шкалы индикатора 8 на нуль производят вращением полукольца 9. Циферблат индикатора 8 имеет две шкалы черную (С и А совмещены) и красную (В). В исходном состоянии большая стрелка индикатора должна совпадать с нулевым делением шкалы С.
| 
|
| а) | б) |
| Рисунок 10.5 – Общий вид (а) и схема (б) твердомера Роквелла | |
Приведение в действие основной нагрузки осуществляется путем поворота тумблера 10 (включается электродвигатель) и нажатием клавиши 11 (приводится в действие кулачковый механизм привода электродвигателя). При этом подвеска с грузами 12 опускается и этим обеспечивается действие основной нагрузки. Создается общая нагрузка (предварительная + основная). Под действием основной нагрузки алмазный конус или шарик еще глубже проникает в испытуемый образец, при этом большая стрелка индикатора 8 поворачивается против часовой стрелки. После окончания вдавливания основная нагрузка автоматически снимается и остается только предварительная нагрузка. Большая стрелка индикатора 8 при этом перемещается по часовой стрелке и указывает на соответствующей шкале индикатора число твердости по Роквеллу. После испытания вращением маховика 6 против часовой стрелки стол 4 опускают и образец 5 освобождают от действия предварительной нагрузки.
Подготовка образца к исследованию. Испытуемая поверхность образца не должна иметь таких дефектов, как окалина, забоины, грязь, различные покрытия. Все дефекты должны быть удалены наждачным кругом, напильником или наждачной бумагой. При обработке поверхность образца не должна нагреваться выше 100-150 °С.
Подготовка твердомера Роквелла к работе и проведение испытания.
1. Закрепить оправку с алмазным конусом или шариком и установить необходимую нагрузку.
2. Установить испытуемый образец 5 на стол 4 прибора.
3. Вращением маховика 6 по часовой стрелке стол осторожно поднимать до тех пор, пока малая стрелка индикатора не встанет против красной точки (или риски) на шкале индикатора 8.
4. Вращением полукольца 9 установить нуль шкалы С (черного цвета) против конца большой стрелки индикатора.
5. Включить тумблер 10.
6. Плавным нажатием руки на клавишу 11 включить в работу привод механизма нагружения.
7. После окончания цикла нагружения произвести отсчет по шкале индикатора.
8. Вращением маховика 6 против часовой стрелки опустить стол, образец передвинуть и повторить испытание на новом месте. На каждом образце должно быть проведено не менее трех испытаний. Расстояние от центра отпечатка до края образца или до центра другого отпечатка должно быть не менее 3 мм.
9. Выключить тумблер 10.
Твердость по Виккерсу и микротвердость.Испытания по Виккерсу и определение микротвердости идентичны. Нагружение проводится алмазной четырехгранной пирамидой с углом при вершине 136°. По нагрузке, приходящейся на единицу площади отпечатка, определяется число твердости:
НV=1,8544 Р/d2 МПа,
где Р – нагрузка на пирамиду, Н;
d – диагональ отпечатка, м.
Разница между этими методиками состоит в величинах используемых нагрузок. В методе Виккерса используются нагрузки 5–100 кгс, а при микроиспытаниях 5–500 г. Определение твердости по Виккерсу проводится на твердомере Виккерса (рис 10.6), определение микротвердости – на микротвердомере (рис. 10.7).
| 
|
| Рисунок 10.6 – Твердомер Виккерса модель HV-50A. Предназначен для определения твердости по Виккерсу как черных, так и цветных металлов, твердых сплавов, цементированных, азотированных и других слоев поверхностного упрочнения. Испытательная нагрузка: 1, 5, 10, 20, 30, 50 кгс | Рисунок 10.7 – Микротвердомер ПМТ-3М. Предназначен для оценки микротвердости металлов, сплавов, минералов, стекла, керамики и др. методом вдавливания алмазных наконечников Виккерса (увеличение: 130х, 500х, 800х; диапазон нагрузок: 0,002-0,5 кгс) |
Толщина испытуемых образцов должна быть не менее 1,5 диагоналей. Чтобы отпечаток имел правильную форму, образец должен быть обязательно плоскопараллельным, его поверхность должна быть шлифованной и полированной, так как отпечаток, ввиду его малых размеров, измеряется с использованием микроскопа.
Оба метода не имеют ограничений по измеряемой твердости. Метод Виккерса применяется для измерения твердости и толщины упрочненных поверхностных слоев методами цементации, азотирования и цианирования конструкционных сталей. Более тонкие слои, полученные азотированием и цианированием инструментальных сталей, борированием, хромированием инструмента и т. д. испытываются на микротвердомере. Метод микротвердости используется для измерения твердости отдельных структурно-фазовых составляющих. Твердость при микроиспытаниях обозначается Нμ.
Твердость по Шору (рис. 10.8) — один из методов измерения твердости материалов. Как правило, используется для измерения твердости неметаллических материалов: пластмасс, эластомеров, каучуков и продуктов их вулканизации.
Твердость по Шору обозначается в виде числового значения шкалы, к которому приписывается буква, указывающая тип шкалы с явным указанием названия метода измерения твердости или прибора (дюрометра). Например, «Твердость по Шору 80A», «Твердость по дюрометру 80A», «Твердость по Шору 80 по шкале D».
Метод основан на измерении глубины начального вдавливания индентора и глубины вдавливания индентора после заданных периодов времени. Метод является эмпирическим испытанием. Не существует простой зависимости между твердостью, определяемой с помощью данного метода, и каким-либо фундаментальным свойством испытуемого материала.
| 
|
| а) | б) |
| Рисунок 10.8 – Аналоговый дюрометр Шора (а), установленный на штативе с устройством пригружения (б) | |
Метод отличается сравнительно большим разбросом значений результатов измерений, но удобен своей простотой (в том числе конструкцией измерительного прибора) и оперативностью проведения измерений, позволяя производить их, в том числе, на готовых изделиях, крупногабаритных деталях и криволинейных поверхностях достаточно больших радиусов. Метод получил широкое распространение в производственной практике.
Твердомеры портативные. Портативные твердомеры используют разные методы для определения твердости металлов и сплавов (рис. 10.9 – 10.11):
- механические – используют метод вдавливания индентора. Используются для измерения твердости мягких металлов, пластмасс, резины и т. д.;
- контактно-импедансные (ультразвуковые) – твердость определяется по изменению частоты колебаний индентора датчика при его внедрении в контролируемую поверхность;
- динамические – осуществляется удар по поверхности изделия и выполняется замер скорости индикатора датчика.
| 
| 
|
| Рисунок 10.9 – Беспроводной динамический твердомер ТН154 Измеряеттвердость по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу или Шору с расширенной памятью для хранения данных измерения | Рисунок 10.10 – Твердомер ультразвуковой NOVOTEST Т-У1. Измеряет твердость металлов и сплавов по шкалам твердости: - Роквелла (20-70 HRC) - Бринелля (90-450 HB) - Виккерса (230-940 HV) | Рисунок 10.11 – Твердомер динамический NOVOTEST Т-Д2. Измеряет твердость металлов и сплавов по шкалам твердости: - Роквелла (20-70 HRC) - Бринелля (90-450 HB) - Виккерса (230-940 HV) |
Задание
1. Изучить схемы и устройство пресса Бринелля и прибора Роквелла, выбор инденторов и нагрузок, подготовку образцов и приборов к работе.
2. Определить твердость по Бринеллю мягкой стали или цветных сплавов и твердость по Роквеллу термообработанной стали. Результаты испытаний оформить в виде протокола (табл. 10.4 и 10.5).
3. Выбрать материал и провести испытания на твердость данного материала по методам Бринелля и Роквелла. Сравнить полученные результаты с таблицей перевода значений твердости (табл. 10.2).
4. Написать отчет по работе в соответствии с п.п. 1-3.
Таблица 10.4 – Протокол испытания на твердость по Бринеллю
| № п/п | Материал | D, мм | Р, Н | Диаметр отпечатка, мм | Твердость, НВ | Твердость по Роквеллу (перевод) | |||||
| 1 | 2 | 3 | 1 | 2 | 3 | НВср. | |||||
Таблица 10.5 – Протокол испытания на твердость по Роквеллу
| № п/п | Материал | Шкала | Твердость, HR | Твердость по Бринеллю (перевод) | |||
| 1 | 2 | 3 | среднее | ||||
Контрольные вопросы
1. Что понимают под твердостью материала при определении ее методом вдавливания?
2. От чего зависит выбор диаметра шарика индентора и нагрузки при испытании на твердость по Бринеллю?
3. Как рассчитать нагрузку на индентор при измерении твердости по Бринеллю?
4. Для каких материалов применим метод измерения твердости по Бринеллю?
5. Почему при использовании метода Бринелля вводятся ограничения при измерении твердости очень твердых материалов?
6. Какие инденторы и нагрузки используют при испытании материала по Роквеллу? Для испытания каких материалов они предназначены?
7. Как устанавливается предварительная нагрузка в приборе Роквелла? По каким шкалам определяется твердость по Роквеллу? Как она обозначается?
8. Как перевести значение твердости по Роквеллу в твердость по Бринеллю и наоборот?
9. Изложить методику определения твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу.
10. Указать области использования метода микротвердости.
11. Какие материалы испытывают на твердость по Шору?
12. На каких физических принципах основана работа портативных твердомеров?
Лабораторная работа 11
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 515; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!