Для корректной работы запчастей и прочих деталей, надо соблюдать все необходимые параметры изготовления. Именно в связи с этим процесс контроля так важен при производстве. У железных комплектующих существует много важных параметров, таких как вязкость, прочность или пластичность.
В статье мы поговорим о самом важном процессе – определении твердости металлов, расскажем про методы измерения и предложим таблицу для наглядности.
Понятие
Твердость заготовки – особенность материала, благодаря которой железо создает сопротивление при контакте или проникновении в его слои инородного объекта или тела. Оно не должно подвергаться деформации или разрушению при определенных нагрузках.
Данный параметр служит для следующих целей:
Контроль состояния металла по времени.
Добыча информации, касательно минимальных и максимальных допустимых значениях заготовки.
Анализ результатов обработки с применением высоких температур.
Данный критерий показывает, как деталь проявит себя в дальнейшем использовании, а также какой у нее срок годности. Для проведения исследований используется как необработанные элементы, так и готовые запчасти.
Как определить твердость металла: методы
Для его измерения существует много способов. Для получения наиболее точного результата используют сразу несколько методик. Ознакомимся с ними поближе:
по Бринеллю. Данное исследование заключается в том, что в заготовку вдавливается специальный шарик. После этого, по оставшемуся на железе следу, с помощью математических алгоритмов вычисляют его механический коэффициент.
по Роквеллу. В данном случае также используется шарик или алмазный конус. Параметр определяется с помощью расчетов или выводится на шкалу.
по Виккерсу. Данный способ является наиболее аккуратным и точным методом измерения. Для проведения исследований используется пирамидообразный наконечник, выполненный из алмаза.
Единицы измерения твердости металла: какой способ выбрать
При проведении тестов в лаборатории, необходимая методика подбирается в зависимости от характеристик и свойств детали. К таким относят:
Размер заготовки. Если образец слишком маленький или тонкий, для вычисления необходимого коэффициента используют метод Виккерса.
Приблизительное значение прочности. В зависимости от используемого материала и его количества принято использовать разные способы. Так например, твердость металла по Бринеллю и Роквеллу вычисляется, если заготовка выполнена из материалов с небольшой твердостью или из легированной стали и прочих сплавов.
Толщина заготовки. Один из главных факторов – ширина детали в месте проведения замера. Зачастую данный фактор относится к цементным и азотным слоям.
Также отметим, что все необходимые параметры задокументированы межгосударственным стандартом.
Определение твердости металлов по Бринеллю: особенности
Данный тип проверки железных заготовок проводится согласно следующим показателям:
Продолжительность давления. Для разных типов материала используется разное количество времени. Для стальных и чугунных заготовок – от 10 до 15 секунд, изделия из цветных металлов – 30 сек, в некоторых особых случаях время воздействия может увеличиться до 60-180 с.
Диаметр шарика. Название данного инструмента – индентор, и в зависимости от типа запчасти принято использовать проверочный инструмент разного диаметра. Величина варьируется от 1 до 10 миллиметров.
Пиковая величина твердости. При использовании шарика, выполненного из стали – 450 НВ, если используется твердый сплав – 650 НВ.
Максимальные возможные нагрузки. При измерении прочности используются специальные грузы, которые регулируют силу давления на исследуемую деталь. Минимальное значение такого элемента – 153.2 Н, максимальное – 29420 Н.
Таблица по Бринеллю:
| Твердость по Бринеллю D = 10 мм, Р = 3000 кгс), НВ | Твердость по Роквеллу (шкала С, Р = 150 кгс), HRC | Твердость по Виккерсу, HV | Твердость по Шору, HSD |
|---|---|---|---|
| 143 | - | 143 | 23 |
| 149 | - | 149 | 24 |
| 156 | - | 155 | 26 |
| 163 | 2 | 162 | 27 |
| 170 | 4 | 171 | 28 |
| 179 | 7 | 178 | 29 |
| 187 | 9 | 186 | 30 |
| 197 | 12 | 197 | 31 |
| 207 | 14 | 208 | 33 |
| 217 | 17 | 217 | 34 |
| 229 | 20 | 228 | 36 |
| 241 | 23 | 240 | 38 |
| 255 | 25 | 255 | 40 |
| 269 | 27 | 270 | 42 |
| 285 | 29 | 285 | 44 |
| 302 | 31 | 303 | 46 |
| 321 | 33 | 320 | 49 |
| 341 | 36 | 344 | 51 |
| 363 | 39 | 380 | 54 |
| 388 | 41 | 401 | 57 |
| 143 | - | 143 | 23 |
| 149 | - | 149 | 24 |
| 156 | - | 155 | 26 |
| 163 | 2 | 162 | 27 |
| 170 | 4 | 171 | 28 |
| 179 | 7 | 178 | 29 |
| 187 | 9 | 186 | 30 |
| 197 | 12 | 197 | 31 |
| 207 | 14 | 208 | 33 |
| 217 | 17 | 217 | 34 |
| 229 | 20 | 228 | 36 |
| 241 | 23 | 240 | 38 |
| 255 | 25 | 255 | 40 |
| 269 | 27 | 270 | 42 |
| 285 | 29 | 285 | 44 |
| 302 | 31 | 303 | 46 |
| 321 | 33 | 320 | 49 |
| 341 | 36 | 344 | 51 |
| 363 | 39 | 380 | 54 |
| 388 | 41 | 401 | 57 |
| 415 | 43 | 435 | 61 |
| 444 | 46 | 474 | 64 |
| 477 | 49 | 534 | 68 |
| 514 | 52 | 587 | 73 |
| 555 | 56 | 650 | 78 |
| 600 | 60 | 746 | 84 |
| 653 | 64 | 868 | 91 |
| 682 | 66 | 941 | 94 |
| 712 | 68 | 1022 | 98 |
| 745 | 70 | 1116 | 102 |
| 780 | 72 | 1220 | 106 |
Измерение твердости металлов по методу Бринелля
Для вычисления необходимого параметра данным способом необходимо выполнить следующую последовательность действий:
Проверьте заготовку на соответствие требованиям межгосударственного стандарта.
Убедитесь в исправности прибора.
Подберите подходящий наконечник, задайте необходимое усилие, а также установите грузик задайте время.
Запустите прибор и начните проверку материала.
Измерьте диаметр деформации.
Вычислите необходимую величину.
Для выполнения последнего пункта вам понадобится следующая формула:
Из этого получим:
- НВ = (0,102*F) / (T*D*h)
- D – диаметр используемого наконечника, измерения проводятся в мм,
- h – длина отпечатка вглубь, величина – миллиметры.
Данная методика отличается повышенной точностью, особенно при проверке мягких материалов. Является одним из основных и самых популярных способов измерения твердости металлов и сплавов.
Определение твердости металла по Роквеллу
Данный способ появился еще в начале 20 века и отличается более автоматизированным процессом. Отметим, что данный тип проверок используется чаще всего для заготовок из твердого металла.
К характеристикам данной методики можно отнести:
Время проверки – от 10 секунд до минуты.
Показатель на корпусе приспособления для проверки можно вычислить арифметически.
Пиковые показатели – HRA 20-800, HRB 20-100, HRC 20-70.
Инденторы. Выделяют 11 шкал в зависимости от используемого наконечника, чаще всего используют А, В или С.
Рассмотрим типы наконечников:
А – конусообразное изделие, выполненное из алмаза. Пиковая величина давления – 60 кгс. Такие приборы используют в основном для проверки тонкого проката.
В – шарообразные индентор, размер которого составляет 1,588 миллиметра. Чаще всего выполнен из закаленной стали. Его тяжесть составляет 100 кгс. Применим для заготовок из отожженных материалов.
С – алмазный наконечник, нажатие которого составляет 150 кгс. Использовать данное приспособление следует при проверке закаленных материалов.
Пробы можно проводить неоднократно. Их количество зависит лишь от размера заготовки. Расстояние между местом проведения измерения должно составлять около четырех диаметров наконечника. Также следует обратить внимание, что данный способ применим не ко всем металлам. Толщина изделия должна быть как минимум в десять раз больше, чем глубина вхождения индентора.
Таблица по Роквеллу:
Чтобы выполнить проверку данным способом вам понадобится выполнить следующие действия:
Проверьте размеры и параметры заготовки.
Выберите необходимый индентор и укажите нагрузку.
Зафиксируйте деталь.
Выполните первичную нагрузку, величина которой должна составить 10 кгс.
Проведите полную проверку.
Полученный результат появится на шкале прибора.
Для проверки результата можно вычислить итог путем математического расчета.
Если вы используете алмазный индентор, нажатие которого составляет 60-150 кгс:
- HR = 100 - ((H-h) / 0.002)
При применении железного шарообразного наконечника с давлением около 100 кгс, следует использовать следующую формулу:
- HR = 130 - ((H-h) / 0.002)
- h – длина вдавливания индентора вглубь при первом давлении,
- Н – аналогичная величина при повторной, полной нагрузке,
- 0,002 – показатель перемещения наконечника при смещении твердости на одну единицу.
Данная методика является наиболее простой из всех предложенных, однако отличается не самым точным результатом. Несмотря на это, она позволяет рассчитывать коэффициенты для сплавов из твердых металлов.
Способы определения твердости металлов: метод Виккерса
Данный тип проверки является самым простым и точным. Вся процедура заключается во вдавливании алмазного пирамидообразного индентора в корпус заготовки. У данного приема существуют следующие характеристики:
Наконечник. Используется алмазный индентор под углом 136 градусов.
Время давления – 10-15 секунд.
Пиковая величина нагрузки. Для чугуна и изделий из стали – от 5 до 100 кгс, сплавы из меди выдерживают от 2,5 до 50 кгс, заготовки из алюминия – от 1 до 100 кгс.
Проверяемые материалы. Данный способ подразумевает исследование следующих металлов – стальные сплавы и цветмет с 450-500 НВ, а также, прошедшие химическую и термическую обработку.
Следуйте инструкции для выполнения проверки данным способом:
Убедитесь в пригодности заготовки и корректной работе аппаратуры.
Назначьте максимально допустимое усилие.
Зафиксируйте запчасть.
Запустите прибор.
Получите итоговые числа на экране устройства.
Если вы хотите проверить результат путем математического анализа, обратитесь к предложенной формуле:
- HV = 1.8544 * (F / d2)
- HV – единица твердости металла,
- F – усилие, измерения производятся в кгс,
- d – величина отпечатка в миллиметрах.
Данная методика служит для высокоточных исследований тонких заготовок, а также изделий маленького размера. Способ позволяет получить максимально точную цифру.
Благодаря собственному производству мы предлагаем оборудование европейского качества по выгодным ценам. Функционал наших приборов повторяет, а во многом даже превосходит импортные системы.
Для получения подробной информации и консультации обращайтесь к нам по телефону, указанному на сайте. Наш оператор ответит на все возникшие вопросы.
Определение твердости металлов и сплавов: соответствия между разными типами измерений
Имея на руках результат одного способа проверки, можно получить данные в других шкалах. Для этого существуют таблицы соответствия. Ознакомимся с ними поближе:
Данная таблица обладает высокой точностью, так как составлена путем неоднократных исследований.
В статье мы рассказали про методы измерения твердости металлов и сплавов, рассмотрели их особенности, дали подробные инструкции и предложили таблицу соответствия. Для более точных измерений используйте качественное оборудование. Его вы найдете в нашем каталоге.
Таганрогский Государственный Радиотехнический Университет
Кафедра Механики
Реферат
Выполнил:
Студент гр. Р-99
Андриевский В. А.
Проверил:
доцент кафедры механики
Шаповалов Р. Г.
Таганрог 2001
Методы определения твердости металлов
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.
Твёрдостью материала называют способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твёрдого тела. Для определения твёрдости в поверхность материала с определённой силой вдавливается тело (индентор), выполненное в виде стального шарика, алмазного конуса, пирамиды или иглы. По размерам получаемого на поверхности отпечатка судят о твёрдости материала. В зависимости от способа измерения твёрдости материала, количественно её характеризуют числом твёрдости по Бринелю (НВ), Роквеллу (HRC) или Виккерсу (HV) .
Указанные механические характеристики связаны между собой, поэтому их конкретные значения могут быть найдены расчётным путём на основе данных о твёрдости с помощью формул, полученных для конкретного материала с определённой термообработкой. Так, например, предел выносливости на изгиб сталей с твёрдостью 180-350 НВ равен примерно 1,8 НВ, с твёрдостью 45-55 HRC - 18 HRC+150, связь предела выносливости с пределом прочностистали описывается соотношениями:
Конкретным образцам конструкционных материалов, а также выполненным из них изделиям, присуща индивидуальность прочностных и упругих характеристик. Разброс их значений для различных образцов, выполненных из одного и того же материала, обусловлен статистической природой прочности твёрдых тел, различием структур внешне одинаковых образцов. Из-за неопределённости реальных механических характеристик материала, неопределённости некоторых внешних нагрузок, действующих на технический объект, погрешности расчётов для обеспечения безопасной работы проектируемых конструкций должны быть приняты соответствующие проектному этапу обеспечения надёжности меры предосторожности. В качестве такой меры используется понижение в n раз относительно опасного напряжения материала (предела прочности, предела текучести, предела выносливости или предела пропорциональности) величины максимально допускаемых напряжений, используемых в условии прочности. Величина n получила название нормативного коэффициента запаса прочности , который выбирается по таблице или рассчитывается как произведение
n = n 1 * n 2 * n 3 ,
где n 1 -учитывает среднюю точность определения напряжений, n 2 -учитывает неопределённость механических характеристик материала, n 3 -учитывает среднюю
степень ответственности проектируемой детали.
Существует несколько способов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника. Твердость можно измерять вдавливанием индентора (способ вдавливания), ударом или же по отскоку наконечника – шарика. Твердость, определенная царапаньем, характеризует сопротивление разрушению, по отскоку – упругие свойства, вдавливанием сопротивление пластической деформации. В зависимости от скорости приложения нагрузки на индентор твердость различают статическую (нагрузка прикладывается плавно) и динамическую (нагрузка прикладывается ударом).
Широкое распространение испытаний 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;
измерение 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, в первую очередь предел прочности.
Так,
например, зная твердость по Бринеллю
(HB),
можно определить предел прочности на
растяжение
(временное сопротивление).
,
где k – коэффициент, зависящий от материала;
k = 0,34 – сталь HB 120 … 175;
k = 0,35 – сталь HB 175 … 450;
k = 0,55 – медь, латунь и бронза отоженные;
k = 0,33 … 0,36 – алюминий и его сплавы.
Наибольшее применение получило измерение твердости вдавливанием в испытываемый металл индентора в виде шарика, конуса и пирамиды (соответственно методы Бринелля, Роквелла и Виккерса). В результате вдавливания достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Величина внедрения наконечника в поверхность металла будет тем меньше, чем тверже испытываемый материал.
Таким образом под твердостью понимают сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела – индентора.
Существует довольно большое количество различных механических характеристик металла, которые учитываются при производстве различных деталей. Многие из них зависят от химического состава материала, другие от особенностей эксплуатации. Измерение твердости металла проводится чаще других испытаний, так как это качество во многом определяет особенности эксплуатации материала. Рассмотрим особенности определения твердости подробнее.
Понятие твердости
Твердость – свойство материалов, характеризующее способность проникновения одного, более твердого, тела в другое. Также эта характеристика определяет устойчивость к пластической деформации или разрушению поверхностных слоев при оказании сильного давления.
Измеряется показатель в самых различных единицах в зависимости от применяемого метода.
Все методы определения твердости материалов можно разделить на несколько основных групп:
- Статические. Подобные методы характеризуются тем, что нагрузка постепенно возрастает. Время выдержки может быть разным — все зависит от особенностей применяемого метода.
- Динамические характеризуются тем, что нагрузка на образец подается с определенной кинетической энергией. При этом показатель твердости является менее точным, так как при динамической нагрузке возникает определенная отдача из-за упругости материала. Результаты подобных испытаний зачастую называют твердостью материалов при ударе.
- Кинетические основаны на непрерывной регистрации показателей во время проведения испытаний, что позволяет получить не только конечный, но и промежуточный результат. Для этого применяется специальное оборудование.
Кроме этого, классификация методов определения твердости проводится по принципу приложенной нагрузки. Выделяют следующие способы испытания образца:
- Вдавливание является на сегодняшний день наиболее распространенным способом определения рассматриваемого показателя.
- При отскоке проводится замер того, как высоко боек отлетит от поверхности испытуемого образца. В данном случае просчет твердости проводится по показателю сопротивления упругой деформации. Методы подобного типа довольно часто применяются для контроля качества прокатных валиков и изделий с большими размерами.
- Методы, основанные на царапании и резании, сегодня применяются крайне редко. Были они разработаны два столетия назад.
Как правило, в твердомерах есть деталь, которая оказывает воздействие на испытываемую заготовку. Примером можно назвать стальные шарики различного диаметра и алмазные наконечники с формой пирамиды. Некоторые из применяемых на сегодняшний день методов рассмотрим подробнее.
Измерение твердости по Бринеллю
Чаще всего проводится измерение твердости по Бринеллю. Этот метод регламентирован ГОСТ 9012. К особенностям испытания металлов и сплавов подобным методом можно отнести следующие моменты:
- В качестве тела, которое будет оказывать воздействие на испытуемый образец, используется стальной шарик.
- Для тестирования применяется шарик с определенным диаметром, который изготавливается из закаленной стали. К нему прилагается постоянно нарастающая нагрузка.
- Главным условие применения этого метода тестирования металлов и сплавов является то, что шарик должен изготавливается из более твердого материала, чем испытуемый образец.
- После завершения теста проводится измерение полученного отпечатка на поверхности.
- Данный способ позволяет получить данные, которые указываются в HB. Именно это обозначение сегодня встречается чаще других в различной справочной документации.
- Для удобства применения данного способа были созданы специальные таблицы, которые основаны на зависимости диаметрального размера шарика, твердости и полученного отпечатка.
Измерение твердости по Виккерсу
Также выделяют метод измерения твердости по Виккерсу, который регламентирован ГОСТ 2999. Получил он распространение при определении твердости деталей и заготовок, который имеют небольшую толщину. Кроме этого, он может применяться для измерения твердости деталей, имеющих поверхностный твердый слой.
К особенностям этого способа тестирования образца можно отнести нижеприведенные моменты:
- Применяется так называемый алмазный наконечник, который имеет форму пирамиды с четырьмя гранями и равными сторонами.
- Выбирается определенное время выдержки.
- После того, как снимается нагрузка, проводится измерение размеров диагоналей получившегося отпечатка и вычисляется среднее арифметическое значение.
- Величина прилагаемой нагрузки регламентирована, может выбираться в зависимости от типа тестируемого материала.
- Полученные результаты в ходе проведения исследований обозначаются HV.
В некоторых случаях после полученного значения указывается время выдержки и величина прилагаемой нагрузки, что позволяет с большей точностью определить значение твердости.
Измерение твердости по Роквеллу
Данный метод регламентируется ГОСТ 9013. Для его проведения используется специальный прибор для измерения твердости, который позволяет создать две последовательные нагрузки, прилагаемые к поверхности образца. К особенностям проведения подобного теста можно отнести:
- Сначала оказывается предварительная нагрузка, после чего добавляется вторая.
- После выдержки под общей нагрузкой в течении 3-5 секунд вторая снимается, проводится замер глубины отпечатка, затем снимается предварительная нагрузка.
- Измерение полученных данных проводится в условных единицах, которые равны осевому смещению индикатора на 0,002.
- Определяется число твердости по Роквеллу по специальной шкале прибора.
- Форма применяемого индикатора может существенно отличаться. Именно поэтому было введено несколько типов измерительных шкал, которые соответствуют определенной форме индикатора.
- Для обозначения полученной величины могут применяться обозначения HIRA, HRC, HRB. Они соответствуют форме применяемого индикатора и шкалы обозначения.
В качестве индикатора могут использоваться стальной шарик и два алмазных конуса различного размера. Этот метод измерения твердости закаленных деталей проводится только при применении алмазного конуса меньшего размера, предварительная оказываемая нагрузка составляет 10 кгс, основная 50 кгс. За счет предварительной нагрузки исключается вероятность того, что из-за упругости материала полученные значения будут менее точными. Кроме этого, предварительная нагрузка позволяет проводить измерение твердости металлов и сплавов, которые прошли предварительную термическую обработку.
Измерение твердости по Шору
Метод определения твердости по Шору применяется для тестирования прокатных валиков на момент их изготовления. Кроме этого, проверка рассматриваемого показателя может проводиться при эксплуатации валиков на прокатных станках, так как из-за оказываемого воздействия структура металла может изменяться, ухудшая эксплуатационные качества. Регламентирован метод Шора ГОСТ 23273.
Рассматривая измерение твердости по Шору, следует отметить следующие моменты:
- В отличие от предыдущих способов, рассматриваемый основан на свободном падении алмазного индикатора на тестируемую поверхность с определенной высоты. Для тестирования применяется специальное оборудование, которое позволяет фиксировать точно высоту отскока.
- Масса применяемого бойка с алмазным наконечником составляет 36 грамм. Этот показатель важен, так как учитывается при проводимых расчетах.
- Твердость определяется по высоте отскока, измерение проводится в условных единицах. Падение образца на поверхность происходит с образованием небольшого углубления, а упругость приводит к обратному отскоку. Этот метод хорош тем, что позволяет проводить тестирование образцов, которые прошли предварительную термическую обработку. При постепенном вдавливании возникающая нагрузка может стать причиной деформирования используемого наконечника или шарика. В этом случае вероятность их деформации весьма мала.
- За 100 единиц твердости в этом случае принято считать высоту отскока 13,6 мм с возможностью небольшого отклонения в большую или меньшую сторону. Этот показатель можно получить при тестировании углеродистой стали, прошедшей процесс закалки. В качестве обозначения применяется аббревиатура HSD.
Сегодня этот способ измерения твердости применяется довольно редко из-за высокой погрешности и сложности замера высоты отскока байка от тестируемой поверхности.
Как ранее было отмечено, существует довольно большое количество методов измерения рассматриваемого показателя. Однако из-за сложности проведения тестов и большой погрешности многие уже не применяются.
В некоторых случаях проводится тестирование на микротвердость. Для измерения этого показателя прилагается статическая нагрузка к телу с формой пирамиды, и оно входит в испытуемые образец. Время выдержки может варьироваться в большом диапазоне. Показатель вычисляется примерно так же, как при методе Виккерса.
Соотношение значений твердости
При выборе метода измерения твердости поверхности следует учитывать, что между полученными данными нет никакой связи. Другими словами, выполнить точный перевод одной единицы измерения в другую нельзя. Применяемые таблицы зависимости не имеют физического смысла, так как они эмпирические. Отсутствие зависимости также можно связать с тем, что при тестировании применяется разная нагрузка, различные формы наконечников.
Существующие таблицы следует применять с большой осторожностью, так как они дают только приблизительные результаты. В некоторых случаях рассматриваемый перевод может оказаться весьма точным, что связано с близкими физико-механическими свойствами испытуемых металлов.
В заключение отметим, что значение твердости связано со многими другими механическими свойствами, к примеру, прочностью, упругостью и пластичностью. Поэтому для определения основных свойств металла довольно часто проводят измерение именно твердости. Однако прямой зависимости между всеми механическими свойствами металлов и сплавов нет, что следует учитывать при проведении измерений.
Зависит
от структуры материала и др. его мех. характеристик, гл. обр. модуля упругости
при и предела при разрушении, количеств. связь с
к-рыми устанавливается теорией упругости.
Экспериментально твердость определяют
статич. и динамич. методами. Статич. методом твердость определяют вдавливанием в пов-сть
материала к.-л. твердого предмета -инден-тора, к-рого можно пренебречь,
или царапанием пов-сти образца. Твердость оценивается т. наз. числом твердости, характеризующим
сопротивление материала . Размерность чисел определяется принципом
измерения.
Наиб. распространение получили
методы измерения твердости по Бринеллю, Виккерсу и Роквеллу. При определении по Бри-неллю
в испытуемую пов-сть вдавливают закаленный диаметром d 2,5,
5 или 10 мм при заданной нагрузке P от 625 H до 30 кН. Число
твердости по Бринеллю (в МПа)-НВ- отношение нагрузки к площади пов-сти отпечатка. Для
получения сопоставимых данных относительно твердые материалы (НВ > 1300)
испытывают при отношении P/d 2 = 30, материалы
средней твердости (НВ 300-1300)-при P/d 2 = 10, мягкие
(НВ < 300)-при P/d 2 = 2,5. Испытания проводят на
стационарных или переносных твердомерах при плавном приложении нагрузки и постоянстве
выдержки ее в течение определенного времени (обычно 30 с). При определении твердости
по Виккерсу в пов-сть материала вдавливают алмазный индентор в виде ,
имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды с двугранным углом при вершине
в 136°. Вдавливающая нагрузка выбирается от 50 до 1000 H в зависимости
от твердости и толщины образца или изделия. Число твердости по Виккерсу-HV-определяется
так же, как при измерении по Бринеллю.
При определении твердости материалов
(гл. обр. ) по Роквеллу в пов-сть вдавливают алмазный индентор в виде
конуса с углом при вершине 120° (шкалы А и С)-для сверхтвердых и твердых
материалов или в виде стального диаметром 1,588 мм или 1 / 16
дюйма (шкала В)-для материалов с низкой твердостью; числа твердости-соотв. HRA и HRB. За единицу
твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению конуса на 0,002 мм
при нагрузке 100 Н. Испытание проводят твердомерами, снабженными числовым .
При определении твердости ,
и др. эластичных материалов в их пов-сть вдавливают конусную с
затупленной вершиной-метод Шора. Глубину погружения измеряют во время действия
нагрузки и характеризуют величиной пружины, подпирающей индентор.
В случае твердость, равная 0, соответствует полной глубине погружения ,
твердость, равная 100,-силе выталкивания из (8,06 H и более).
К статич. методам относят
метод склерометрии - царапания пов-сти нек-рых ,
и индентором в виде алмазной пирамиды, конуса, шара
или разл. твердости. Твердость оценивают
по нагрузке, необходимой для создания царапины, по ширине царапины, образующейся
при данной нагрузке, или по усилию, необходимому для царапания. Для определения
относительной твердости используют шкалу Мооса (см. ).
Динами ч. методы основаны на нанесении отпечатка при ударной нагрузке, когда твердость определяется как сопротивление материала пластич. деформированию при ударе или по отскоку от материала свободно падающего бойка или маятника с бойком. В последнем случае твердость определяется как сопротивление материала упругой и упру-гопластич. . Иногда используют метод определения твердости по затуханию колебаний маятника при его контакте с испытуемым материалом, по сопротивлению абразивному изнашиванию, резанию, шлифованию и др.
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Саратовский государственный технический университет
Определение твердости материалов
Методические указания к учебно-исследовательской лабораторной работе для студентов всех специальностей
дневной, вечерней и заочной форм обучения
Одобрено
редакционно-издательским советом
Саратовского государственного
технического университета
Саратов 2009
Цель работы: ознакомить студентов с методами определения твердости материалов
Определение твердости является широко применяемым в лабораторных и заводских условиях способом испытаний для характеристики механических свойств материалов.
Твердость металлов измеряют при помощи воздействия на поверхность металла наконечника, изготовленного из малодеформирующего материала (твердая закаленная сталь, алмаз, сапфир, или твердый сплав). Наконечник может иметь форму шарика, конуса, пирамиды или иглы.
Существует несколько способов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника: вдавливание наконечника, царапание поверхности, удар наконечника-шарика.
Наибольшее применение получило измерение твердости вдавливанием. В результате вдавливания поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Особенность происходящей при этом деформации в том, что она протекает только в небольшом объеме, окруженном недеформированным металлом. Таким образом, твердость характеризует сопротивление металла пластической деформации и представляет собой его механическое свойство.
Следует различать два способа определения твердости вдавливанием: измерение макротвердости и измерение микротвердости:
1. Измерение твердости (макротвердости) характерно тем, что в испытуемый металл вдавливается тело значительных размеров (например, стальной шарик диаметром 10 мм), проникающее на сравнительно большую глубину. В результате чего в деформируемом объеме оказываются представленными все фазы и структурные составляющие сплава. Измеренная твердость должна в этом случае характеризовать твердость всего испытуемого материала (“усредненная” твердость).
Выбор формы, размеров наконечника и величины нагрузки зависят от целей испытания, структуры, ожидаемых свойств, состояния поверхности и размеров испытуемого образца.
2. Измерение микротвердости имеет целью определить твердость отдельных зерен, фаз и структурных составляющих сплава. В этом случае объем, деформированный вдавливанием, должен быть меньше объема измеряемого зерна. Поэтому прилагаемая нагрузка выбирается небольшой.
Наиболее широко применяются следующие способы измерения твердости:
вдавливанием стального шарика (метод Бринелля);
вдавливанием алмазного конуса (метод Роквелла);
вдавливанием четырехгранной алмазной пирамиды (метод Виккерса).
ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ВДАВЛИВАНИЕМ ШАРИКА
(ТВЕРДОСТЬ ПО БРИНЕЛЛЮ)
Этот способ используется для определения твердости как металлов, так и неметаллических материалов.
При измерении твердости металлов по Бринеллю в материал вдавливается стальной закаленный шарик под действием заданной нагрузки в течении определенного времени. В результате на поверхности образца образуется отпечаток, диаметр которого измеряют. Значение твердости определяют по величине поверхности отпечатка, оставляемого шариком. Шарик вдавливается с помощью пресса (рис. 1). Испытуемый образец (деталь) 3 устанавливается на столик 1, прошлифованной поверхностью кверху. Поворотом вручную маховика 2 по часовой стрелке столик поднимают вверх, и образец 3 прижимается к шарику 4. Нагрузка прилагается автоматически с помощью электродвигателя 5 при нажатии пусковой кнопки. Эта нагрузка, создаваемая грузом 6, действует обычно 10-60 с в зависимости от твердости измеряемого материала. После автоматического выключения двигателя, поворачивая маховик 2 против часовой стрелки, опускают столик прибора и снимают образец 3.
Рис. 1. Схема измерения твердости по Бринеллю
На образце остается отпечаток со сферической поверхностью (лунка). Диаметр отпечатка, измеряют обычно лупой, на окуляре которой нанесена шкала с делениями, соответствующими 0,1 мм. Схема испытания на твердость по методу Бринелля и отсчет по шкале показаны на рис. 1.
Число твердости по Бринеллю, обозначаемая НВ, определяется путем деления нагрузки на площадь поверхности сферического отпечатка, и может быть определено по формуле:
выражена в Ньютонах или
,
В этих выражениях
А – площадь поверхности отпечатка, мм;
D - диаметр вдавливаемого шарика, мм;
d - диаметр отпечатка, мм.
Диаметр шарика, нагрузку и продолжительность выдержки под нагрузкой выбирают в зависимости от твердости и толщины испытуемого изделия или образца. Для испытания используют образцы с чистой и гладкой поверхностью, а толщина образцов должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка.
Нормы испытания на твердость по Бринеллю приведены в табл. 1.
Таблица 1
Нормы испытания на твердость по Бринеллю
При измерении твердости шариком определенного диаметра и установленными нагрузками нет необходимости проводить расчет по указанной выше формуле. На практике используется заранее составленными таблицами, указывающими число НВ от диаметра отпечатка.
Измерение твердости по Бринеллю не является универсальным способом, поскольку не позволяет:
а) использовать материалы с твердостью более НВ4500Н, так как шарик будет деформироваться и показания будут не точны;
б) измерять твердость тонкого поверхностного слоя (толщиной 1-2 мм), так как шарик будет продавливать тонкий слой металла.
ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ВДАВЛИВАНИЕМ
АЛМАЗНОГО КОНУСА ИЛИ СТАЛЬНОГО ШАРИКА
(ТВЕРДОСТЬ ПО РОКВЕЛЛУ)
Принципиальное отличие измерения твердости по способу Роквелла от измерения по способу Бринелля состоит в том, что ее измеряют не по диаметру, а по глубине отпечатка получаемого в результате вдавливания алмазного конуса с углом при вершине равным 120 о или стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм. Конус или шарик вдавливают в испытуемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной Р 0 и основной будет равна: Р= Р 0 + Р 1 .
При испытании сначала прикладывают предварительную нагрузку Р 0 =100 Н, затем общую нагрузку Р , равную: при вдавливании шарика (шкала В) 1000 Н; при вдавливании алмазного конуса (шкала С) 1500 Н; при вдавливании алмазного конуса (шкала А) 600 Н (рис. 2).
Рис.2. Разновидность глубины проникновения наконечника под действием двух нагрузок
Твердость по Роквеллу обозначается цифрами и буквами HR с указанием шкалы твердости (А,В,С).
Число твердости по Роквеллу определяют по формуле
HR = (k-(h-h 0 )/c
где h 0 - глубина внедрения наконечника под действием силы Р 0 ;
h - глубина внедрения наконечника под действием общей
нагрузки Р ;
к - постоянная величина, для шарика 0,26; для конуса 0,2;
с - цена деления циферблата индикатора.
При измерении твердости нагрузка должна действовать строго перпендикулярно к поверхности образца. Нагрузки следует прилагать плавно.
Твердость измеряют на приборе, представленном на рис. 3.
Рис.3. Схема прибора для измерения твердости по Роквеллу
Стол 1 служит для установки на нем испытуемого образца 3. Вращая по часовой стрелке маховик 2, подводят образец до соприкосновения с наконечником 4. При дальнейшем вращении маховика наконечник начинает внедряться в образец, а на шкале индикатора наблюдают за поворотом малой стрелки. Предварительное нагружение производят до тех пор, пока малая стрелка индикатора не совпадет с красной точкой.
Когда образец получает предварительную нагрузку 100 Н (10 кГс), большая стрелка индикатора принимает вертикальное положение (или близкое к нему). Точную установку шкалы индикатора на ноль производят при помощи барабана 6. Затем нажимают на клавишу 7, при этом обеспечивается действие основной нагрузки и создается общая нагрузка (предварительная + основная).
При таком нагружении большая стрелка перемещается по циферблату индикатора против часовой стрелки. Время приложения общей нагрузки 5-7 с. Затем основная нагрузка снимается автоматически и остается только предварительная. Большая стрелка индикатора перемещается по часовой стрелке. Цифра, которую укажет на циферблате индикатора большая стрелка, представляет число твердости по Роквеллу. Далее поворачивают маховик 2 против часовой стрелки, опускают столик и снимают образец.
Твердость на приборе Роквелла можно измерять:
1) алмазным конусом с общей нагрузкой 1500 Н (150 кГс). В этом случае значение твердости определяют по черной шкале “С” индикатора и обозначают НRC. Эта шкала применяется при испытании закаленных сталей (до HRC 67);
2) алмазным конусом с общей нагрузкой 600 Н (60 кГс). В этом случае значения твердости также определяются по черной шкале “С”, но обозначают HRA. Числа HRA можно перевести на числа HRC по формуле: HRC = 2 HRA - 104. Эта шкала применяется для испытания сверхтвердых сплавов (например на основе карбидов вольфрама, обладающих твердостью HRC>68), тонкого листового материала и для измерения твердости тонких поверхностных слоев (0,3-0,5 мм);
3) стальным шариком с общей нагрузкой 1000 Н (100 кГс).
В этом случае значения твердости определяют по красной шкале “В” и обозначают HRB. Шкала В служит для испытания металлов средней твердости и для испытания изделия толщиной от 0,8 до 2 мм.
К достоинствам метода Роквелла следует отнести высокую производительность, простоту обслуживания, точность измерения и сохранение качественной поверхности после испытаний.
ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ВДАВЛИВАНИЯ
АЛМАЗНОЙ ПИРАМИДЫ
(ТВЕРДОСТЬ ПО ВИККЕРСУ)
Этот способ используется для измерения твердости черных и цветных металлов и сплавов.
Твердость по методу
Виккерса определяют путем вдавливания
в испытуемую поверхность алмазной
четырехгранной пирамиды с углом при
вершине 136 0
под нагрузкой 50, 100, 200, 300, 500, 1000 Н. По
диагоналям h
1
и h
2
отпечатка, пирамиды и углу
при вершине пирамиды определяют площадь
поверхности отпечатка и рассчитывают
по формуле:
HV = (2 P sin ( /2)/ d 2 ) = 1,854 (P / d 2 ),
- угол между противоположными гранями пирамиды (136 0);
d – среднеарифметические значения длин обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм.
Испытания проводят на приборе (рис. 4), имеющем неподвижную станину, в нижней части которой установлен столик 1, перемещающийся по вертикали вращением маховика 2. Образец 3 устанавливают на столик испытуемой поверхностью кверху и поднимают столик почти до соприкосновения образца с алмазной пирамидой 4. Нажатием педали пускового рычага 5 приводят в действие нагружающий механизм, который через рычаг передает давление грузов 6. Продолжительность нагружения при испытании составляет от 10 до 60 с, что регистрируется сигнальной лампочкой на приборе. После снятия нагрузки столик опускают и подводят микроскоп 7, с помощью которого определяют длину диагонали отпечатка.
Рис.4. Схема прибора для измерения твердости по Виккерсу
В окуляре микроскопа (рис. 5,б) имеются подвижная шкала и три штриха - два основных 1 и 2, и один дополнительный 3 (рис. 5,б). Вращением винта 1 (рис. 5,а) подводят штрих 1 к левому углу отпечатка (рис. 5,б). Вращением микрометрического винта 2 (рис. 5,а) подводят штрих 2 к правому углу отпечатка. Полученную величину диагонали отпечатка записать в протокол испытания.
Рис.5. Схемы: а). микрометрического винта; б). определения величины отпечатка
Измерять необходимо обе диагонали отпечатка и принимать среднюю величину измерений. Полученный результат перевести в значение твердости HV, пользуясь таблицами. Возможность применения малых нагрузок 50, 100 Н позволяет определить твердость деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, например, цементированных, азотированных и других.
Числа твердости по Виккерсу и по Бринеллю для материалов твердостью до НВ 4500 практически совпадают. Вместе с тем, измерения пирамидой дают более точные значения для металлов с высокой твердостью, чем измерения шариком или конусом. Алмазная пирамида имеет большой угол в вершине (136 0) и диагональ его отпечатка примерно в 7 раз больше глубины отпечатка, что повышает точность измерения даже при проникновении пирамиды на небольшую глубину.
ИЗМЕРЕНИЕ МИКРОТВЕРДОСТИ
Для изучения
свойств и превращений в сплавах необходимо
знать не только «усредненную» твердость,
представляющую твердость в результате
суммарного влияния присутствующих в
сплаве фаз и структурных составляющих.
В некоторых случаях необходимо знать
твердость отдельных фаз и структур.
Микротвердость определяют вдавливанием
алмазной пирамиды. Для этого используют
прибор типа ПМТ-3 (рис.6), разработанный
М.Н. Хрущевым и Е.С. Берковичем. Прибор
состоит из штатива 8, вертикальной
микроскопа с тубусом, который перемещается
вверх и вниз с помощью макрометрического
винта 6 и микрометрического винта 5. На
верхний конец тубуса насажен окулярный
микрометр 7, а в нижнем конце закреплены
шток 2 с алмазной пирамидой, опакиллюминатор
9 и объективы 11. С помощью микрометрических
винтов 13 перемещают столик в необходимом
направлении. Ручка 1 служит для поворота
столика на 90 о.
Прибор снабжен двумя объективами для
просмотра микрошлифа при увеличениях
в 478 и 135 раз. Окуляр увеличивает в 15 раз.
Окулярный микрометр имеет неподвижную
сетку, отсчетный микрометрический
барабанчик и каретку с подвижной сеткой.
На неподвижной сетке нанесены штрихи
с цифрами и угольник с прямым углом,
вершина которого совпадает с цифрой 0.
Для определения микротвердости применяют
несколько типов наконечников: с
квадратным основанием; с основанием в
виде равностороннего треугольника; с
ромбическим основанием; с бицилиндрическим
основанием. Наиболее широко используют
алмазный наконечник. Наконечник имеет
угол между гранями на вершине 136 о
(такой же как для измерения твердости
по Виккерсу). Нагрузка для вдавливания
создается грузами 3, которые устанавливаются
на шток 2. В приборе применяются грузы
от 1 до 500 граммов в зависимости от
особенностей изучаемой структуры. Для
измерения специально готовят образцы,
которые шлифуют и полируют, а при
необходимости подвергают травлению
реактивами. Приготовленный микрошлиф
устанавливают на столике 12, чтобы
поверхность микрошлифа была обращена
вверх. Установленный микрошлиф
просматривают через окуляр. С помощью
винтов столик перемещают и выбирают
необходимый участок на микрошлифе. Этот
участок размещают в середине поля зрения
микроскопа точно в вершине угла
неподвижной сетки. Затем устанавливают
груз. После этого опускают шток с алмазной
пирамидой, чтобы алмаз коснулся образца.
В этом положении выдерживают 5 – 10
секунд, после чего шток поднимают. Столик
12 поворачивают на 180 о
под объектив микроскопа и измеряют
диагонали отпечатка. Длина диагонали
указывается на микрометрическом
барабанчике прибора. Определяют длину
обеих диагоналей и вычисляют среднюю
длину. Полученную среднюю длину переводят
по таблице в число микротвердости.
Измерения проводят не менее 2-3 раз. Числа
твердости в таблице вычислены по формуле
и представляют числа твердости по
Виккерсу. Прибор позволяет фотографировать
микроструктуру сплава с полученными
отпечатками.
Рис.6. Схема прибора ПМТ-3
ЗАДАНИЕ 1
Изучить работу прибора для измерения твердости по Бринеллю.
Определить твердость образцов из углеродистых конструкционных и инструментальных сталей, и сравнить полученные результаты.
Перевести числа твердости по Бринеллю в числа твердости по Роквеллу.
Сделать вывод о влиянии состава сплава на его твердость.
Протокол испытаний на твердость по методу Бринелля
Таблица 1
ЗАДАНИЕ 2
Изучить работу прибора для измерения твердости по методу Роквелла.
Определить твердость образцов стали в оттоженном состоянии и закаленном состоянии, сплавов цветных металлов и твердых сплавов.
Результаты измерений внести в протокол испытаний.
Сделать вывод о влиянии состава материала на его твердость.
ЗАДАНИЕ 3
Изучить работу прибора для измерения твердости по методу Виккерса.
Определить твердость образцов из малоуглеродистой стали после цементации, азотирования.
Результаты измерений записать в протокол испытаний.
1. Цель работы.
2. Задание.
3. Описание методики проведения испытаний.
4. Протокол испытания на твердость.
5. Выводы по работе.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
Что такое твердость материалов?
Как измеряется твердость материалов?
Определение твердости по Бринеллю; по Роквеллу; по Виккерсу.
Обозначения твердости.
Область применения методов определения твердости по Бринеллю; по Роквеллу и по Виккерсу.
ЛИТЕРАТУРА
Геллер Ю. А. , Рахштадт Л. Г. Материаловедение. М.: Металлургия. 1975.- 345с.
Самоходний А. И., Кунявский М. Н. Лабораторные работы по металловедению и термической обработки металлов. М.: Машиностроение. 1981.
Советова Л.В., Гусев В.И. Руководство к лабораторной работе «Определение твердости материалов». Саратов, СПИ, 1982г.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МАТЕРИАЛОВ
Методические указания к учебно-исследовательской лабораторной работе для студентов всех специальностей
дневной, вечерней и заочной форм обучения
Составил:
Федоров Юлий Степанович