ВИПРОБУВАННЯ МЕТАЛІВ НА ТВЕРДІСТЬ

 

Мета роботи - засвоїти методику визначення твердості металів і сплавів, вивчити будову приладів, одержати навички проведення випробування на твердість способами Бpінелля, Роквелла та Віккерса.

 

1.1 Обладнання, інструменти, матеріали

 

1. Прес Бpінелля.

2. Твердомір Роквелла

3. Наконечники зі сталевими кульками.

4. Наконечник із діамантовим конусом.

5. Мікроскоп із градуйованою шкалою.

6. Зразки відпаленої та загартованої сталі, чавуну, кольорових металів.

7. Напилки, шліфувальний круг.

8. Таблиця значень твердості і переводу одиниць шкали HRC приладу, в одиниці HRCе.

 

1.2 Визначення твердості способом Бpінелля

 

Твердість - це здатність матеріалів опиратися проникненню в них іншого, більш твердого тіла певної форми й розмірів.

Твердість за Бpінеллем (рис. 1.1) визначається вдавлюванням у випробовуваний зразок сталевої загартованої кульки діаметром D під дією заданого навантаження Р протягом певного часу. При втискуванні кульки на поверхні зразка утворюється відбиток діаметром d. Відношення навантаження Р до поверхні отриманого відбитка кульового сегмента F дає число твердості

HB=P/F. (1.1)

Рис.1.1

Поверхня кульового сегмента висотою h при радіусі кульки D/2 дорівнює

F=p× D× h. (1.2)

 

Оскільки глибину відбитка h виміряти важко, то вимірюють діаметр відбитка d і за формулами геометрії визначають розміри h, F. На їх основі визначають величину HB:

(1.3)

Залежно від товщини й твердості випробовуваних зразків використовують кульки діаметром 2, 5, 5 і 10 мм та навантаження 625, 1875, 2500, 5000, 7500, 10000, 30000 H і витримки під навантаженням 10, 30, 60 c. Щоб дістати порівняльні значення твердості, кульки за різними діаметрами та навантаженнями необхідно виконати умову подібності

 

P/D² = const (1.4)

Співвідношення діаметрів кульки і часу витримки за Держстандартом наведені в табл. 1.1.

Таблиця 1.1

Матеріал	Інтервал твердості, МПа	Товщина зразків, мм	Співвідношення між Р і D	Діаметр кульки, мм	Навантаження, H	Витримка під навантаженням, с
Чорні метали	1400...1500	3...6 2...4 до 2	P=300 D2
Те ж саме		понад 6 3...6 до 3	P=100 D2	2, 5
Кольорові метали		3...6 2...4 до 2	P=300 D2	2, 5
Те ж саме	350...1300	3...9 3...6 до 6	P=100 D2	2, 5
Підшипникові сплави	8...350	понад 6 3...6	P=25 D2	2, 5

 

Умови випробовування записують так: HB 10/30000/30. Це означає, що випробовування проводились кулькою D =10мм під навантаженням 30000 H і з витримкою 30 с.

Для пластичних матеріалів між числом твердості за Бpінеллем HВ і межею міцності s_в існує кількісна залежність: для вуглецевих сталей у нормалізованому стані s_в=0, 33 HB; для малолегованих конструкційних сталей у поліпшеному стані s_в=0, 36 HB; для алюмінію і міді s_в=5, 0 HB.

 

1.3. Визначення твеpдості способом Роквелла

 

Рис.1.2.

Твердість за Роквеллом визначається вдавлюванням діамантового конуса з кутом при вершині 120⁰ або сталевої загартованої кульки діаметром 1, 588 мм у випробовуваному зразку під дією двох послідовно накладених навантажень ¾ попереднього Р_о і основного Р₁. Загальне навантаження Р=Р_о+Р₁.

Попереднє навантаження Р_о в усіх випадках дорівнює 100 H, а сумарне P залежить від основного Р₁, де при вдавлюванні:

сталевої кульки (шкала В) Р₁ = 900 H, Р= 1000 H;

діамантового конуса (шкала С) Р₁ = 1400 H, Р= 1500 H;

діамантового конуса (шкала А) Р₁ = 500 H, P= 600 H.

Попереднє навантаження дається для того, щоб виключити вплив різного ступеня чистоти поверхні на результати вимірювання.

Значення остаточного навантаження вибивається залежно від твердості матеріалу, який випробовується (табл. 1.2).

 

Таблиця 1.2

Орієнтовна твердість за Брінеллем, МПа	Шкала Роквелла	Вид наконечника	Загальне навантаження, Н	Позначення твердості	Межі вимірювання
Понад 7000   2300...7000 600...2300	A   C B	Діаманто-вий конус Те ж саме Сталева кулька		HRA HRC   HRB	70...85 20...67   25...100

 

За міpу твердості за Роквеллем приймається різниця між глибиною відбитків, одержаних при втискуванні конуса або кульки під дією основного навантаження. За одиницю твердості прийнято розмір, що відповідає осьовому переміщенню наконечника на 0, 002 мм (ціна однієї поділки індикатора). Таким чином, твердість за Роквеллом при втискуванні діамантового конуса визначається числом поділок умовної шкали за формулою

для шкали С ; (1.5)

для шкали В , (1.6)

де h і h_о - глибина занурення кульки або конуса у випробовуваний метал відповідно під дією загального Р і попереднього Р_о навантаження.

 

Шкала С використовується при випробуванні сталей твердістю HRC=20...70 і твердих поверхневих шарів товщиною понад 0, 5 мм, шкала А - при випробуванні твердих сплавів твердістю понад HRА =70, тонкого листового матеріалу і для вимірювання поверхневих шарів товщиною 0, 3...0, 5 мм. Числа HRA можна перевести в числа HRC за формулою HRC=2× HRA-104.

 

Шкала B використовується пpи випробуванні матеріалів середньої твердості і виробів товщиною від 0, 8 до 2 мм.

Числа твердості за Роквеллом можна наближено перерахувати у числа твердості за Бpінеллем за формулою HB=100× HRC у інтервалі твердості HB=2000...4500 МПа.

Для переводу чисел за Роквеллом з однієї шкали в іншу користуються спеціальними таблицями.

Відповідно до Держстандарту еталонні значення міp твердості HRC, відрізняються від умовних чисел твердості HRC, одержаних на чинних приладах Роквелла за шкалою C, тому числа твердості HRC необхідно переводити у числа HRC_е за спеціальною таблицею. Вказані дані в скороченому вигляді наведено в табл. 1.3.

 

Таблиця 1.3

HRCe	HRC	HRCe	HRC	HRCe	HRC
	17, 8 19, 9 21, 9 24, 0 26, 0 28, 1 30, 2 32, 2		34, 3 36, 3 38, 4 40, 5 42, 5 44, 6 46, 6 48, 7		50, 7 52, 8 54, 9 56, 9 59, 0 61, 0 63, 1 65, 2

 

 

1.4.Визначення твердості за методом Віккерса

 

За цим методом визначають твердість деталей малої товщини і тонких поверхневих шарів. Твердість визначається за допомогою вдавлювання в досліджувану поверхню (шліфовану або поліровану) чотиригранної діамантової піраміди (рис.1.3).

Твердість за Віккерсом (HV) визначається за формулою

, (1.7)

де a - двогранний кут при вершині піраміди, який дорівнює 136⁰; P - навантаження на піраміду; d - середньоарифметичне значення довжини обох відбитків діагоналей, виміряних після зняття навантаження, мм.

Остаточна формула для визначення твердості за Віккерсом має вигляд

. (1.8)

Рис.1.3.

 

При вимірюванні твердості використовують такі значення навантажень: 10, 0; 20, 0; 50, 0; 100, 0; 200, 0; 300, 0; 500, 0; 1000 кгс. Чим тонший матеріал, тим менше повинно бути навантаження. Твердість за Віккерсом визначається за допомогою спеціальних таблиць за величиною навантаження та середнього значення виміряних діагоналей відбитка.

 

1.5. Порядок виконання роботи

1. Підготувати зразки до випробування, зачистивши їх напилком або на шліфувальному крузі. Поверхня зразків повинна бути плоскою і чистою.

2. Вибрати вид наконечника та закріпити його в приладі.

3. Встановити на підвісці приладу необхідну кількість змінних вагів.

4. Встановити зразок на столику приладу і провести випробування у такому поpядку.

 

А. На пpесі Бpіннеля. За діаметром відбитка знайти в таблиці число твердості HB. Результати вимірювань занести до протоколу (табл.1.4). За результатами трьох вимірювань знайти середньоарифметичне значення твердості. Обчислити межу міцності зразків.

Таблиця 1.4

Матеріал	D, мм	P, Н	d, мм	HB, МПа	sв, МПа
				одинична	середня

 

Б. На твеpдоміpі Роквелла. Результати вимірювань занести в табл. 1.5, знайти середньоарифметичне значення твердості за результатами трьох випробувань, а також перевести за таблицею 1.3 значення твердості HRC у HRCе. За табличними даними будується графік залежності величини твердості від виду термообробки запропонованого матеріалу.

 

Таблиця 1.5

Матеріал	Вид термообробки	HRC	HRCe
		одиничний	середній

 

В. За результатами вимірювань твердості за методом Віккерса складається таблиця 1.6, а за табличними даними будується графік залежності величини твердості від виду термообробки запропонованого матеріалу

 

Таблиця 1.6

	-	Величина	Середній	HV, МПа
Матеріал	Вид термообробки	навантаження, Н	розмір діагоналей, мм	одинична	середня

 

1.6. Оформлення звіту до лабоpатоpної роботи

 

У звіті необхідно:

- дати визначення твердості металу;

- зазначити методи визначення твердості;

- викласти сутність методів визначення твердості за Бpінеллем, Роквеллом і Віккерсом та вказати галузь їх використання.

Подати таблиці та графіки за результатами проведених випробувань.

 

1.7. Запитання для самоперевірки

 

1. Назвіть механічні властивості металів і сплавів.

2. Які механічні властивості характеризують міцність, пластичність, опір ударним навантаженням та стомлюючу витривалість?

3. Що таке твердість металів?

4. Якими способами визначається твердість металів?

5. Як і в яких випадках визначається твердість за Бpінеллем?

6. Як та в яких випадках визначається твердість за Роквеллом?

7. Як визначається твердість за Віккеpсом?