Испытания на твердость по Бринеллю. Под твёрдостью понимают свойство поверхностного слоя материала сопротивляться упругой и пластической деформации или разрушение при местных контактных

 

Лабораторная работа № 2

Под твёрдостью понимают свойство поверхностного слоя материала сопротивляться упругой и пластической деформации или разрушение при местных контактных воздействиях со стороны другого, более твёрдого тела (индентора) определённой формы и размера

Испытания на твердость по Бринеллю представляет собой измерение твердости вдавливанием стального шарика в испытуемый предмет под действием заданной нагрузки в течение определенного времени. Из трех способов определения твердости (Роквелла, Виккерса и Бринелля) способ Бринелля получил наибольшее распространение, так как позволяет определять твердость в широком диапазоне как сырых, так и термообработанных материалов. Так как при испытаниях вдавливается шарик Æ10мм, то в деформируемом объеме оказываются представленными все фазы и структурные составляющие сплава в количествах и расположении, характерных для измеряемого материала. Однако, закалённые детали замеру твёрдости по Бринеллю не подвергаются, так как шарик деформируется и искажает результаты испытаний.

 

Краткая теория испытаний

 

Испытания на твердость по Бринеллю производятся вдавливанием в испытуемый образец стального шарика определенного диаметра (10 х 10^-3 м, 5х10^-3 м, 2,5х10^-3 м) под действием заданной нагрузки (30 кН... 0,156 кН) в течение определенного времени (10с, 30с и 60с). Параметры испытаний выбираются в зависимости от твёрдости образца, его толщины и марки металла.

После снятия нагрузки в образце получается отпечаток шарика со сферической поверхностью (лунка) (рис. 2.1).

Число твердости по Бринеллю НВ (МПа) - это отношение нагрузки Р к площади F шарового сегмента отпечатка (лунки):

HB = P / F

где Р - нагрузка на шарик, Н.

F - площадь лунки, м²

Рис.2.1 Схема испытания на твёрдость по способу Бринелля.

 

Площадь шарового сегмента:

F = p D h,

где D-диаметр вдавливаемого шарика, м,

h-глубина отпечатка, м.

Так как диаметр отпечатка d замерить проще, чем глубину h, то ее целесообразно выразить через диаметры шарика и лунки:

h =

где h - глубина отпечатка, м;

D - диаметр шарика, м;

d - диаметр отпечатка, м;

Тогда твердость НВ по Бринеллю определяется по формуле:

HB =

Чем больше диаметр отпечатка d, тем мягче испытуемый металл и тем меньше число твердости НВ.

Чтобы избежать искажений и ошибок при измерении твердости по Бринеллю, согласно ГОСТ 9012-59, необходимо соблюдать постоянное соотношение между величиной нагрузки и квадратом диаметра шарика D², при этом для металлов разной твердости это соотношение различно (от 2,5 до 30).

Выбор условий испытания (диаметр шарика, нагрузка, время выдержки) зависит от марки материала, его твердости, толщины образца и определяется ГОСТ 9012-59.

Твердость НВ=450 и выше способом Бринелля замерять нельзя из-за недопустимой деформации закалённого шарика.

По твердости можно приблизительно судить о пределе прочности испытуемого материала:

- для стали и алюминиевых сплавов s_в» 0,35 НВ,

- для медных сплавов s_в» 0,55 НВ

Устройство прибора Бринелля

 

Прибор (рис.2.2) состоит из станины 1, шпинделя 2 с шариковым наконечником 3, рычажной системы 4, с приводом от электродвигателя 5 подвески с грузами 7 и винта 8 поджима образца, расположенного на столике 9, к шариковому наконечнику.

Привод прибора - электромеханический. После поджатия образца к шариковому наконечнику винтом 8, включается кнопка привода. Электродвигатель вращает эксцентрик, рычаг, поддерживающий подвеску с грузами, отпускается, создавая через рычажную систему нагрузку на шарик который вдавливается в образец. После выдержки эксцентрик поднимает подвеску с грузами, разгружая шарик. Столик 9 винтом 8 опускается вручную вниз, и образец снимается для замера отпечатка.

 

Рис.2.2. Устройство твердомера Бринеля

 

 

Подбор грузов для создания заданной нагрузки на шарик производится по таблице 2.1.

Таблица 2.1

Нагрузка	Наименование и количество грузов, обеспечивающих заданную нагрузку	Примечание
	А	А - подвеска, 1875Н; Б - малый груз, 625Н; В - средний груз, 2500Н; Г - большой груз, 5000Н.
	А+Б
	А+Б+В
	А+Б+Г
	А+Б+В+Г
	А+Б+В+5Г

 

 

Подготовка образца к испытанию

 

Образец для испытания на твёрдость вырезается из детали любым известным, имеющимся в наличии способом: фрезерованием, пилением, газорезкой, точением и так далее. При вырезке образца поверхность не должна нагреваться до температуры выше 150^°С, во избежание отпуска образца и изменения исходной твердости.

Поверхность образца должна быть ровной, гладкой, чистой, свободной от окалины, окислов, масла, грязи и т.д. Стороны образца должны быть параллельны, так как иначе образец может вылететь из прибора при испытании под нагрузкой 30 кН.

Образец достаточно обработать на наждачном камне или напильником, (шлифовка не обязательна).

 

Требования техники безопасности.

 

При проведении испытаний необходимо выполнять следующие требования безопасности:

1. При включенном электродвигателе воспрещается нажимать кнопку "Пуск", трогать маховик, грузы и т.п.

2. Работать можно только на заземленном оборудовании.

3. По окончании работы отключить прибор от сети – вынуть из розетки вилку с проводом.

4. Установку продолжительности выдержки образца под нагрузкой, включение электродвигателя и нажатие пусковой кнопки должен делать преподаватель.

5. Не испытывать металлы с твердостью выше 450 и ниже 8 единиц.

 

Проведение испытания

Испытание проводится в следующей последовательности:

- шарик выбранного диаметра с наконечником вставить в шпиндель;

- в подвеску установить грузы, соответствующие нагрузке;

- на столик поместить образец так, чтобы он не качался и лежал плотно;

- вращая винт столика поджать образец к шарику до упора, с усилием до 1000Н (до упора);

- включить кнопку электродвигателя и после заданной выдержки (10-60с), когда электродвигатель отключится, и нагрузка будет снята, опустить столик и снять испытуемый образец;

- измерить лупой Бринелля диаметр лунки и определить твердость по таблице.

При установке образца под шарик следует учесть, что отпечаток должен находиться от края образца на расстоянии не менее диаметра отпечатка, а от соседнего отпечатка - не менее двух диаметров.

 

Измерение отпечатка

Для измерения отпечатка необходимо:

- установить лупу нижней опорной частью над отпечатком (окном к свету);

- повернуть окуляр так, чтобы края отпечатка были четко очерчены, а шкала с делениями хорошо видна;

- совместить края отпечатка с началом шкалы передвижением лупы (рис.2.3).

- деление шкалы, с которым совпадает противоположный край отпечатка, соответствует измеряемому диаметру отпечатка (Большое деление шкалы - 1х10-3м, малое 0,1 х 10-3 м);

- повернуть образец на 90° и произвести повторный замер;

- среднее арифметическое из двух замеров заносится в протокол испытаний;

- определить твердость по Бринелю (НВ) по таблице и расчетным путем.

 

 

Рис.2.3 Отсчёт диаметра отпечатка по шкале лупы

 

Результаты испытаний и расчётных данных заносятся в протокол (таб.2.2)

Таблица.2.2.. Протокол испытания на твердость по Бринеллю

№№ пп	Материал, толщина образца, м	Условия испытания Dш,м, Рнаг,кН, t,с	Диаметр отпечатка в м	Твердость НВ, МПа
1й	2й	средн.	По табл.	Расчетная